关键元素超常富集与战略资源效应

Super enrichment of critical elements: Implications for stratgic mineral resources

摘要

构成战略资源的关键元素有56个，大部分关键元素地壳丰度低，需要数十倍至上千倍的超常富集才能成矿，导致其矿产资源分布极不均匀。因此，圈定元素超常富集区是战略资源找矿预测和发现大型矿床的关键。超常富集核心是元素的富集强度，可以用成矿富集系数（m.a.i）、矿床规模吨位指数（t.a.i）和异常富集系数（a.c.i）定量刻画富集强度。对贵金属、有色金属、黑色金属、稀有金属、稀散金属、稀土和放射性等35个战略资源矿种进行统计分析，可以得出：成矿富集系数大于1 000的元素有锑、铋、铼和金，>100～1 000的元素有银、钨、锡、铬、锂、铯、碲、铟、铀和铂族元素（PGE）,>10～100的元素有铜、镍、铬、铍、铷、钪、铌、钽、锆和原生稀土矿，≤10的元素有铁、铝、钛和离子吸附型稀土。富集达到大型以上矿床最低矿床规模吨位指数要达到10～7,一般要达到10¹⁰。异常富集系数要达到2以上。元素超常富集还体现在异常空间分布面积>100～1 000 km²,具有3层以上异常结构，至少存在4个元素组合。元素富集量和潜在资源量，可以用面金属量和体金属量进行定量预测。元素超常富集导致大规模成矿效应，而且在成矿物质背景（源）、成矿过程（运）和最终就位（储）整个富集过程中留下了异常轨迹，可以从定性和定量角度刻画元素超常富集规律，为预测和发现矿床提供找矿标志。

关键词

关键元素 / 超常富集 / 战略资源 / 地球化学找矿标志 / 成矿富集系数(m.a.i) / 矿床规模吨位指数(t.a.i)

Key words

critical elements / super enrichment / strategic resources / geochemical criteria / acumulatioin index (m.a.i) / tonnagea acumulatioin index (t.a.i)

0 引言

大部分战略资源,如金、稀土和稀有元素地壳丰度低,需要超常富集才能成矿,导致其矿产资源分布极不均匀。因此,圈定元素超常富集区是战略资源找矿预测和发现大型矿床的关键。过去主要根据一系列矿床发现之后,研究矿床超常富集区,指导进一步找矿。但在矿床发现之前,如何根据元素超常富集区,提供大型-超大型矿床找矿预测靶区是亟待解决的关键科学问题。

中国对战略资源的厘定和研究作出了大量贡献^{[1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-16]}。与传统大宗矿产相比,关键矿产常以“稀”“伴”“细”为主要特征^[5]:(1)关键金属元素的地壳丰度极低(一般为10^-6及以下),成矿需要元素数百甚至上万倍的超常富集,成矿条件十分苛刻^[17],这也造成关键金属矿产资源在全球分布的极度不均性^[14];(2)关键金属元素独立矿床较为少见,多以共生和伴生元素产于其他矿床中,元素组合复杂,如煤系中的关键金属Ge、Ga、Li和U等,钒钛磁铁矿床中的稀土元素(REE)^[18],与铝土矿伴生的沉积型锂矿和与斑岩型铜矿伴生的Re、Se和Te等关键金属资源^[19];(3)关键金属元素的载体矿物通常非常细小,含量极低,往往以吸附、类质同象和极细小矿物包体等形式存在,不易被直接观察;(4)关键金属元素地球化学行为和成矿机制复杂,矿化类型多样,认知难度较大;(5)关键金属矿产在全球范围内分布极度不均,造成“卡脖子”和被“卡脖子”的情况^[9,20]。上述地质属性决定了关键矿产的成矿元素分布规律、来源示踪、矿产勘查评价理论和方法等面临很大挑战^[5]。这些研究主要聚焦于成矿背景、矿床模型和矿物学研究,缺少对战略矿产元素时空分布规律和富集特征的研究。

元素超常富集与大规模成矿之间的关系于20世纪90年代提出,如Doe和Freiser^[21]提出某一种或某些元素高含量地球化学块体为矿床的形成提供丰富物质源;Sillitoe 和李刚^[22]指出对矿床所在地点存在特大数量供应的金是形成巨型金矿的基本要求;毛景文等^[23]提出大规模成矿的实质是巨大量成矿物质的汇聚过程;王学求^[24]指出形成大型-超大型矿床的必要条件是巨量的成矿物质供应和聚集。对元素常超富集规律的研究主要集中在两个问题:一是巨量物质来源和聚集机理研究。很多学者对矿床形成过程中的物质巨量聚集机制进行了大量研究,如Ossa等^[25]认为南非中太古代锰的超常富集经历了初始浅海大规模沉积、后期变质作用和热液蚀变最终导致大规模锰矿的形成;Kim等^[26]强调了高温条件下热液对元素超常富集成矿的直接贡献;朱日祥等^[27]提出华北克拉通地幔与地壳之间强烈的相互作用是金元素短期巨量聚集成矿的主要控制因素;侯增谦等^[2]和Xie等^[28]提出前寒武纪克拉通下方地幔富集稀土,板块边缘深断裂提供了稀土通道;万丽等^[29]提出斑岩型和构造蚀变岩型矿床成矿元素巨量聚集的混沌机制。二是巨量物质聚集或超常富集特征的刻画。中国学者对元素超常富集预测大型-超大型矿床进行了大量研究,如谢学锦^[30]提出地球上一些巨大的成矿带很可能都是富含巨量某种金属的地球化学块体,可以用面积大于1 000 km²的地球化学块体刻画巨量物质聚集和预测巨型矿床;王学求和谢学锦^[31]提出地球化学块体是元素超常富集的空间表现形式,具有立体特征的异常地壳物质体,在平面上具有至少3层套合的异常结构,即地球化学省-区域异常-局部浓集中心。研究工作表明,基于元素超常富集特征预测大型金、钨和锡等矿产资源靶区是行之有效的方法,如王学求等^{[31⇓⇓⇓-35]}预测潜在大型-超大型金矿床的研究;刘大文和谢学锦^[36]预测中国锡资源潜力的研究;徐善法等^[37]对铀等矿种进行资源潜力评价研究。但目前对稀有、稀散和稀土三稀元素超常富集地球化学特征的研究还很少。王学求等^[38-39]对稀土元素超常富集区特征进行研究,提出轻重稀土比值小于3.5(LREE/HREE<3.5)作为评级重稀土矿的判别标志,并在云南发现超大型离子吸附型重稀土矿。这是近年对稀土超常富集区研究的成功案例。

但如何精细刻画关键元素超常富集特征还在探索中。本文通过利用“化学地球”大科学计划产生的地球化学数据,总结战略资源与关键元素超常富集之间的关系,提出刻画关键元素超常富集地球化学标志,为大型战略资源找矿靶区提供依据。

1 战略资源与关键元素

1.1 战略资源

战略矿产资源(strategic mineral resources)或关键矿产(critical minerals)抑或关键原材料(critical raw materials)各国提法不同,但都是基于经济重要性、国家安全和供给风险的角度出发,提出关键矿产目录。战略矿产或关键矿产最早由美国提出,2005年美国修订了《战略性和危机性原材料储备法》,明确指出“战略性和关键性原材料,是指在美国国家紧急情况下军事、工业和民用所必需的原材料,这些原材料在美国国内没有足够的产量来满足自身的需求”。2013年,美国国防部认为,战略矿产和关键矿产是指在国家紧急状态期间,需要供军事、工业和平民所需,而国内并不能提供足够数量来满足需求的矿产。2010年,美国国家科学技术理事会(NSTC)的关键矿产和战略矿产供应链委员会(CSMSC)与美国白宫科学技术政策局(OSTP)发布研究报告,认为关键矿产是一些为制造业提供最基本服务的矿种产业链,该产业链一旦脆弱乃至中断,将会对国民经济或国家安全带来严重后果;战略矿产是一系列关键矿产,是国防安全的重要支柱。战略矿产更强调国防安全。

中国发布的38种战略矿产资源目录,既包含中国可能被别人卡脖子的紧缺矿产,也包含中国可能卡别人脖子的优势矿产。王登红^[11]给出关键矿产资源3大属性:自然属性、经济属性和环境属性。

笔者认为战略矿产和关键矿产没有严格界定,各国理解和定义不同而已,总体都具有以下5种属性。

(1)先进制造重要性。关键资源是工业4.0和第四次科技革命不可替代的原材料,是先进制造和电子产品等必须的原材料,如Be、Mg、Al、Ti、V、 Mn、Co、Cr、Zn、Zr、Hf、Cs、Re、Mo、REE、PGE、Au、Ag、U、Cu)和Fe等。

(2)低碳能源材料属性。用于产能、储能和节能材料,如U、H、He、Li、Co、Ni、Mn、B和REE等。

(3)国家安全重要性。有的矿产用量很少,但对军事和国家安全不可或缺,如Zr、Hf、Cs和Re等矿产。

(4)供给风险性。国内需求大量增加,但供给严重不足或存在“卡脖子”的风险。例如,中国Co和Cr等矿产需求量较大,但目前供给严重不足,存在被“卡脖子”的风险。

(5)时代属性。不同发展阶段,需求的战略资源或关键矿产不同,如在核能出现以前,铀矿就不是关键资源,电动汽车发展之前,锂也不是战略资源。因此,关键矿产具有时代属性。欧美发达国家已经进入后工业化时代,大宗矿产铁已不是战略资源,而中国与发达国家不同,发达国家已进入第四次工业革命时代,而中国还处于第三次工业革命和第四次工业革命的叠加发展阶段。发达国家主要是针对高科技原材料的需求,而中国除了对高科技原材料存在需求外,还对大宗矿产存在大量需求。

1.2 关键元素

所有的生命和非生命都是由自然界中92个化学元素组成的,从这个意义上说,这92个化学元素都是关键元素。目前,大家公认的关键元素主要是根据用途定义的。广义的关键元素涵盖先进制造与国防安全、电子产品和低碳能源等必须的原材料,生命与环境有关的营养元素和有毒有害元素,全球变化与地球物质循环指示元素,涉及约70种(表1)。狭义的关键元素主要指组成战略资源或关键矿产的化学元素,是先进制造与国防安全、电子产品和新能源等不可替代性和稀缺性原材料。表2列出了中国、美国和欧盟3大经济体战略资源或关键矿产资源涉及的关键元素。《全国矿产资源规划(2016—2020年)》发布的38种战略矿产资源目录包含56个关键元素。美国2017年发布的《关键矿产清单草案》中35种关键矿产包含54个关键元素。欧盟委员会2014年发布的《欧盟关键矿产原材料报告》中20种关键矿产资源包括37个关键元素。

我国发布的38种战略矿产资源目录包括56个关键元素:C、U、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ni、Co、Wo、Sn、Bi、Sb、PGE(Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt)、Au、REE(Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)、Nb、Ta、Li、Be、Sr、Rb、Cs、Zr、Ge、Ga、In、Re、Te、K、B、F、Si和He。1978年开始的全国区域化探扫面计划分析的39个元素(表3)只包含战略资源的26个元素:Au、B、Ba、Be、Bi、Co、Cr、Cu、F、La、Li、Mn、Nb、Ni、Sb、Sn、Sr、Ti、U、V、W、Y、Zr、Si、Al和Fe。有30个关键元素没有分析:PGE(Ru、Rh、Pd、Os、Ir和Pt)、REE(Sc、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)、Ta、Rb、Cs、Ge、Ga、In、Re、Te、He和C。2000年开始实施的1∶50 000矿调项目的地球化学调查只分析了16个元素。2008年开始的全国地球化学基准计划分析了76个化学元素(表3),包含所有战略资源的关键元素。1∶200 000区域化探扫面和1∶50 000地球化学调查都未涵盖战略资源有关的所有关键元素,因此全国地球化学基准计划涵盖的所有关键元素数据为研究关键元素超常富集提供了重要依据。

2 元素超常富集地球化学特征

元素的超常富集广义上是指由内生或外生作用导致的某一元素含量相对于地壳丰度或背景值的高强度大规模富集,狭义上是特指由成矿作用导致的成矿元素大规模高强度富集。本文讨论的是后者,将成矿作用导致的高强度大规模地球化学异常称作元素超常富集^[39-40]。

2.1 异常富集强度

元素的超常富集首先体现的是富集强度,可以用异常富集系数(anomalous concentration index,a.c.i)表示。异常富集系数是指异常含量值相对于地壳丰度的富集程度,公式如下:

(1)a.c.i=异常含量平均值或中位数/地壳丰度值或背景值

异常富集系数是地球化学异常评价的重要指标之一,过去一般称异常富集系数大于2 为元素超强富集,1.5~2.0的为强富集,1.2~1.5的为中等富集,1.0~1.2的为轻微富集。表4的29种金属矿的异常超常富集系数计算显示异常超常富集系数均大于2.0。

异常含量平均值或中位数要通过异常内所有样品含量数据进行计算确定,地壳克拉克值引用文献[41]中的值,文献[41]没有给出的元素或给出数据不准确的元素则采用全国岩石地球化学基准值数据。有的矿品位是以氧化物的形式进行表述,因此地壳克拉克值需要换算成氧化物含量值,如锂的地壳克拉克值为18×10^-6,换算成Li₂O为38.75×10^-6。图1是全国锂元素地球化学图^[12,39]。以累积频率85%共圈定面积>1 000 km²锂异常30处,但异常富集系数大于2.0的只有15处,分别位于新疆阿尔泰可可托海(Li01)、西昆仑(大红柳滩)(Li03,Li04)、喜马拉雅(Li06,Li08)、藏北盐湖(Li05北部、Li07)、藏东北(边坝—囊谦)(Li09)、松潘—甘孜(Li10)、西秦岭(Li11)、三江中北段(Li12)、黔-滇(Li14,Li15)、湘-赣-粤(Li16)和佳木斯(Li19)。

2.2 异常规模

元素超常富集的表现形式是大规模地球化学异常。异常规模大小反映了成矿物质背景和丰富程度,即丰富的物质为大规模成矿提供了必要条件。大型矿集区的异常规模要达到地球化学省以上(面积大于1 000 km²)^[30,42],有的异常规模甚至达到地球化学域(面积大于10 000 km²)^[43]。表4列出了7个矿种全国大、中、小型矿床存在大于1 000 km²地球化学省和100 km²地球化学异常的占比。从表4中可以看出,占全国总数的100%大型锡矿、汞矿和锑矿存在地球化学省和区域地球化学异常,90%以上的大型金矿存在地球化学省和区域地球化学异常,80%以上的大型钨矿和铅锌矿存在地球化学省和区域地球化学异常,存在地球化学省和区域异常的大型铜矿占比偏低,分别为63.7%和85.8%,这与铜矿主要为斑岩型,岩体规模小,形成的异常规模相应也小有关。我国已发现的可可托海、甲基卡和大红柳滩等大型伟晶岩型锂矿,都是异常规模大于1 000 km²的地球化学省(图1)。

2.3 异常结构

元素超常富集异常模式表现为围绕富集中心的多层套合异常结构,也称为异常模式谱系,即地球化学省(>1 000 km²)包裹区域异常(100~1 000 km²)、区域异常又包裹局部异常(几至几十平方千米)。大型矿床普遍存在至少3层套合的地球化学异常。例如,小秦岭大型金矿多层套合的地球化学异常(图2),以2.0~3.0 ng/g为异常下限,圈定地球化学省面积为4 800 km²;以2~4 ng/g为异常下限,圈定6处区域异常面积为100~1 000 km²;以4 ng/g为异常下限,圈定4处局部异常面积为10~100 km²。

实际上,这种异常结构体现了大规模成矿过程中成矿物质的聚集过程中留下的轨迹。毛景文等^[23]提出大规模成矿的实质就是巨大量成矿物质的汇聚过程。翟裕生和王建平^[44]指出成矿系统包括源、运、储、变、保,涉及物质背景、物质来源和物质运移过程。从元素富集过程角度,可以用地球化学背景、地球化学异常、元素富集区、元素分散和再富集来表述。地球化学省对应成矿物质背景,即源;套合异常对应成矿聚集过程的轨迹,即运;局部异常对应成矿过程最终聚集地,即储。这是首次从异常规模和结构的角度描述元素巨量聚集的特征,从而为利用元素超常富集发现大型、超大型矿床提供了定性标志。地球化学块体既是成矿的物源,又是成矿聚集过程的最终产物,套合的地球化学模式谱系是追踪和发现矿床的直接标志。

2.4 丰富的元素组合

每种类型矿床都有特定的元素共生组合,元素共生组合一直是地球化学找矿评价的重要指标之一。根据过去的研究大型以上矿床都有4个以上的成矿元素和伴生元素共生组合,如大型斑岩型铜矿一般有多达8个元素的共生组合:Cu、Mo、Au、Ag、Pb、Zn、Sn和S;金矿有10个以上元素组合:Au、As、Sb、Hg、Ag、Bi、Te、Tl、Cu、Pb、Zn和S。这其中不同金矿类型的元素组合有所不同,如蚀变岩型金矿:Au、Hg、Cu、Ag和S;石英脉型金矿:Au、As、Sb、Hg、Bi、Te、Cu、Ag、Pb、Zn和 Mo;卡林型金矿:Au、As、Sb、Hg、Te、Tl和S;穆龙套型金矿: Au、As、Sb、Hg、Cu、Ag、Pb、Zn、Cd、Mo、V、Co、Ni、Bi、Te 、Pt、 Pd和C;铜镍硫化物型矿: Cu-Ni-Pt-Pd-(Co-Cr);铅锌多金属矿: Ag-Pb-Zn-Cu;原生稀土矿:15个稀土元素+Nb+F;离子吸附型稀土矿:15个稀土+Zr+Hf;伟晶岩型锂矿:Li、Be、Cs、Rb、B、Sn、Ta和F。而一些小型矿床元素组合较少或空间上不重合。这反映了巨量成矿物质来源、聚集和叠加的过程。

3 元素超常富集的资源效应

控制矿床形成规模主要取决于两方面因素:物质和环境。对于同样的有利环境,有的地段有矿,有的地段无矿,有的地段有大矿,而有的地段只有小矿。那么控制矿床规模的“基因”是什么?21世纪20年代之前对生物体的研究都是限于组织细胞,20年代之后,基因的发现,使科学家开始揭开控制生物体千差万别的原因是基因,而非细胞。因此,我们有理由相信,控制矿床千差万别的原因是成矿的最基本单元——元素。元素的量和质,以及元素之间排列组合的差别,可能就是控制矿床类别和规模大小的“基因”^[31]。对矿床学的研究,我们不应满足于对成矿环境(构造背景、动力学机制和流体运移过程等)的研究,这只能使我们对矿床的认识停留在“组织细胞”研究阶段,而现在我们已经具备了研究成矿“基因”——元素的量和质的手段,这就有可能使我们对矿床千差万别原因的认识和找寻产生质的飞跃。

巨型矿床和大型矿集区形成的必要与充分条件是要有巨量的成矿物质的供应和聚集,也就是元素的超常富集导致大规模成矿。元素超常富集导致大规模成矿作用的核心是元素的富集强度,可以用成矿富集系数(m.a.i)和矿床规模吨位指数(t.a.i)来刻画。

3.1 元素成矿富集强度

元素成矿富集强度体现了该元素形成有经济价值矿床的能力,可以用成矿富集系数来衡量。成矿富集系数是指金属矿床边界品位(metal cut-off grade)相对于地壳丰度的富集程度。公式如下:

(2)m.a.i=矿床边界品位/元素地壳丰度

表5^{[47⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-58]}列出了部分矿种成矿富集系数。对贵金属、有色金属、黑色金属、稀有金属、稀散金属、稀土和放射性等36个矿种的统计分析,得出:m.a.i值大于1 000的元素有锑、铋、铼和金,大于100的元素有银、钨、锡、铬、锂、铯、碲、铟、铀和铂族元素,大于10的元素有铜、镍、铬、铍、铷、钪、铌、钽、锆和原生稀土矿,小于等于10的元素有铁、铝、钛和离子吸附型稀土。进一步按矿种分类,可以得出如下结论:(1)贵金属矿床,m.a.i值为500~1 000,金m.a.i值最大,达1 000,即金要富集达到工业品位,需要富集1 000倍才能成为现有经济条件下具有经济价值的矿床;(2)有色金属矿床,m.a.i值变化很大,钴和铝富集几倍即成矿,铜和镍富集几十倍才能成矿,钨、锡和钼富集几百倍才能成矿,而铋和锑要富集千倍以上才能成矿;(3)黑色金属矿床,m.a.i值为几至几十,钛只要富集1.49倍、铁只要富集3.28倍就能成矿,这族铁族元素形成的矿床唯一例外是铬,m.a.i值达到272,这也是目前铬矿成矿条件苛刻,比较稀少的原因;(4)稀有元素矿床,m.a.i值普遍为几十左右,只有锂和铯比较特殊要富集百倍以上才能成矿;(5)稀散元素矿床,m.a.i值变化较大,镓和锗只要富集几倍就可以成矿,而铟、铼、碲和锶要富集成百上千倍才能成矿,铼更是要富集5 000倍;(6)稀土元素,原生稀土矿m.a.i值为25,离子吸附型轻稀土矿和重稀土矿m.a.i值分别为2.3和4.3;(7)放射性矿产,铀的m.a.i值为175。

3.2 矿床规模吨位指数

元素成矿富集强度仅反映了该元素形成有经济价值矿床的最低程度要求。Laznicka^[45]首次提出,用矿床吨位与地壳克拉克值之比,也就是矿床吨位指数来指示成矿规模,超过1×10¹⁰的称作大型矿床,即元素相对地壳克拉克值要富集1×10¹⁰倍才能形成大型矿床。Laznicka^[46]随后又总结了全球34个巨型矿床吨位指数,认为巨型矿床吨位指数至少达到1×10¹¹。

矿床规模吨位指数是指矿床资源量相对于地壳丰度的富集程度。公式如下:

(3)t.a.i=矿床金属资源量/金属元素地壳丰度

表5列出了35个战略资源矿种t.a.i值。不同矿种成矿富集系数相差较大。实际上根据中国矿床规模划分标准,能达到大型矿床的t.a.i值大于1×10¹⁰的有金、银、铂族、铜、钨、锡、铋、锑、铟、铼和碲矿床,其余为1×10⁷~1×10¹⁰。可以看出,大型矿床是元素巨量富集形成的,至少要富集地壳丰度的千万倍到10亿倍。

4 潜在资源量估算

从上述研究中,我们知道矿床规模与元素富集量存在对应关系,而元素的富集量可以用富集规模和富集强度来衡量,这样我们在矿床发现之前就可以根据地球化学异常中的元素富集量估算潜在资源量。

4.1 面金属量定量估算

地球化学异常面积和成矿元素含量之积与矿床储量存在相关关系,可以用线性回归方程来进行描述。Hawkes^[59]给出定量评价的经验式公式:

(4) Me_mA_m=A_a(Me_a-Me_b)+A_mMe_b

式中:Me_m为矿体金属含量;Me_a为水系中异常金属含量;Me_b为背景金属含量;A_a为异常上游汇水盆地面积;A_m为矿体出露面积(图3)。

假设某一汇水盆地中金矿的出露面积为0.25 km²,金的品位为5 g/t,金的背景值为1.5 ng/g(0.001 5 g/t),最低一级异常下限为2.0 ng/g(0.002 g/t),代入公式(4)就可计算出最大异常的大小,即汇水盆地面积如下:

A_a=A_m(Me_m-Me_b)/(Me_a-Me_b)=0.25(5-0.001 5)/(0.002-0.001 5)≈2 500(km²)

进一步按照0.25 km²的出露面积和金的品位5 g/t,可以计算金的储量。假设矿体延深(块体厚度)0.3 km,矿石密度按2.6 t/m³,金的储量如下:

0.25×10⁶ m²×300 m×2.6 t/m³×5 g/t=975(≈1 000) t

也就是说,1 000 t的金矿可以形成2 500 km²的异常。相应的,可以计算出各种规模矿体与异常大小的对应关系。

4.2 体金属量定量估算

元素超常富集的表现形式是具有套合异常结构的地球化学块体(图4)。我们可以利用地球化学块体来计算某种成矿元素的金属总量,并根据已知矿床的成矿率,预测潜在资源量^{[24,30,32,36,37,60]}。计算公式如下:

(5) M_t=A_a×H×D×C_a

(6) M_p=M_t×M_r

式中:M_t为成矿金属总量;A_a为地球化学块体面积,m²;H为地球化学块体厚度,m;D为岩石密度,t/m³;C_a为地球化学块体内可被成矿利用金属平均含量,%或10^-6;M_r为成矿率,%;M_p为潜在资源量。

计算地球化学块体总的金属量,需要块体体积、岩石密度、金属含量和成矿率4个指标。例如,某铀矿地球化学块体面积为1 194×10⁶ m²,地球化学块体厚度为500 m,砂岩密度为2.2 t/m³,铀平均含量为3.5×10^-6,则地球化学块体中铀的总量=1 194×10⁶ m²×500 m×2.2 t/m³×3.5×10^-6≈4 600 000 t。块体中铀总量并不都能聚集到有利含矿空间参与成矿,只有一部分能形成有经济价值矿床,因此还需要知道成矿率。一般来说,成矿率是根据相同矿床类型,目前已探明的资源量求得的。根据已勘探相同类型铀矿成矿率0.2%,即地球化学块体中铀总量只有0.2最终形成有经济价值矿床。可以大致代入公式(6),潜在铀资源量M_p=4 600 000 t×0.2%=9 200 t。

5 结论与讨论

我国发布的38种战略矿产资源目录包括56个关键元素:C、U、Fe、Mn、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ni、Co、Wo、Sn、Bi、Sb、PGE(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、Au、REE(Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Nb、Ta、Li、Be、Sr、Rb、Cs、Zr、Ge、Ga、In、Re、Te、K、B、F、Si和He。

关键元素超常富集强度和规模,可以用地球化学定量和定性指标进行刻画,包括异常富集系数、异常空间分布规模、异常结构和元素组合。

元素的超常富集导致大规模矿床的形成,元素最终富集强度体现在成矿富集系数和矿床规模吨位指数。不同元素成矿富集系数存在很大差异,从几倍到上千倍。富集达到大型以上矿床最低矿床规模吨位指数一般要达到10¹⁰。

成矿物质背景(源)、成矿过程(运)和最终就位(储)全过程中元素的超常富集表现的地球化学特征,为预测和发现矿床提供了找矿标志。

目前,关键元素超常富集特征还处于定性阶段和简单的定量计算阶段。今后随着大数据和人工智能的应用,通过地球化学图谱解析和机器学习,构建不同矿种不同尺度参数模型,将实现战略资源找矿智能化预测。

衷心感谢各位专家和编辑在审稿过程中对本文提出的宝贵修改意见。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U2244219)

联合国教科文组织“化学地球”大科学计划”

地球观测组织(GEO)项目(GEOWP23_25)