印度东海岸重矿物海相砂矿中的稀土元素与放射性元素富集：一种综合地球物理-地球化学研究方法

《Applied Geochemistry》：REE and Radioelement Enrichment in Heavy-Mineral Coastal Placers: An Integrated Geophysical–Geochemical Synthesis from the Eastern Coast of India

　　Shayantani Ghosal|Sudha Agrahari|Debashish Sengupta印度卡拉格普尔印度理工学院地质与地球物理系摘要本研究通过整合现有数据并引入新的分析结果，对印度半岛东部沿海地区的矿产勘探进行了研究，重点关注奥里萨邦富含重矿物的海岸砂矿系统。该研究并非单一的案例分析，而是将以往发布的数据集与最新获取的野外测量数据及实验室分析结果相结合，从而全面了解这些砂矿的空间分布、地下结构及地球化学特征。在超过40公里的海岸线上进行的非侵入式二维电阻率成像（包括新获取的剖面数据）显示，存在横向连续的低电阻率区域（0.1-1.1 Ω m），其深度可达约20-25米，这些区域被认为富含钛铁矿和金红石等重矿物。在河口附近，这类导电区域则呈现为较深且不连续的分布，反映出局部沉积作用的影响。先前发布的放射性数据集也被纳入地球电学分析框架中，从而实现了多参数的对比分析。海滩砂矿中的钍含量较高，而铀和钾的含量相对较低。通过新增数据扩展后的实验室地球化学分析表明，这些砂矿中稀土元素含量显著升高，平均总稀土元素浓度为4243 ppm，约为大陆地壳平均值的29倍（轻稀土元素占比高于重稀土元素）。通过ICP-MS法和仪器中子活化分析法得到的稀土元素浓度结果之间存在高度相关性（R2 = 0.6–0.8），证明了分析结果的可靠性。钍元素含量与总稀土元素含量之间存在正相关关系，这表明钍可作为探索稀土元素的有效初步指标。通过将历史数据集与新观测数据相结合，本研究建立了一种基于多参数的勘探框架，提升了区域砂矿勘探模型的准确性，同时为全球类似沿海地区的勘探提供了方法参考。引言重矿物海滩砂矿系统是全球重要的战略性和关键性矿产资源库，其中包括钛铁矿、金红石、锆石、石榴石、钛铁矿、磁铁矿和独居石等。其中，独居石尤为重要，因为它既是稀土元素又是钍的主要载体，而这两种元素对于可再生能源系统、电动交通、先进电子产品以及航空航天领域等众多现代技术而言都不可或缺。因此，沿海砂矿沉积物再次引发了科学界和经济学界的重视，它们不仅属于传统矿产资源，更是新兴关键矿物供应链中的重要组成部分。印度海岸线拥有全球最为广阔且矿物种类最丰富的砂矿带，沿印度半岛东部边缘延伸约1700公里（图1b）（Mohanty等人，2004c；Ghosal等人，2020b）。该砂矿带的沉积物主要来源于东高止山脉活动带，这是一片由查诺克岩、康达岩以及混合片麻岩构成的高级变质岩区，这类岩石中含有大量富含稀土元素和钍的副矿物（Ramakrishnan等人，1998；Ghosal等人，2022）。在更广泛的砂矿带范围内，奥里萨邦海岸因其较高的重矿物浓度、砂矿层的横向连续性以及长期的工业开发价值而尤为突出，例如位于恰特拉普尔的印度稀土有限公司的开采活动（Behera，2003；Ghosal等人，2017；Ghosal等人，2020b）。该地区以高含量的钛铁矿（23.7%）、金红石（4.5%）以及独居石（1.5%）而著称（Behera，2003）。针对奥里萨邦海岸重矿物海滩砂矿的研究，已从最初的描述性、表面导向的研究逐渐发展为更为综合且注重过程的分析，这些研究着眼于矿化作用、物质来源以及地下结构。本研究正是基于此背景，通过整合已有数据集与最新的地球物理和地球化学数据，对沿海砂矿系统进行了更为全面且逻辑一致的阐述。它并非孤立的案例分析，而是将过去十年间发布的放射性、地球化学和地球物理数据集——尤其是2017年至2022年间发表的研究成果（表1）——与新的观测数据、更广阔的空间覆盖范围以及对钍与稀土元素关系的深入分析相结合，构建了一个统一的勘探框架。早期在奥里萨邦海岸进行的研究主要集中在表面矿物学、颗粒度分析以及环境伽马辐射强度测定上，这些研究证实了该地区普遍存在富含独居石的沙子以及自然背景辐射强度较高的区域（Mohanty等人，2003、2004a、b；Rao等人，2009）。后续的沉积学研究则表明，放射性重矿物的富集程度受颗粒大小分选作用以及沿海水文条件的显著影响（Mohanty等人，2021）。地球化学和放射性核素分析进一步证明，海滩沉积物和冲积沉积物都是追踪印度东部沿海地区稀土元素和钍富集情况的有效手段，它们有助于将地表地球化学特征与内陆岩石类型及沉积过程联系起来（Mohanty等人，2023）。放射性建模技术为研究带来了重要进展，它表明伽马辐射强度的空间变化与区域尺度上的重矿物浓度及资源潜力之间存在定量关联（Ghosal等人，2017）。高分辨率的地球化学分析，包括仪器中子活化分析法，进一步明确了砂矿中微量元素和稀土元素的分布规律，揭示了东高止山脉源岩类型以及沿海沉积过程中的水力分选作用对元素分布的共同影响（Khan等人，2018）。来自奥里萨邦海岸的岩芯分析显示，存在垂直方向上持续存在的稀土元素和钍富集层，这强调了在砂矿评估中考虑地下变异性的重要性（Khan等人，2021）。通过电阻率和放射性技术的结合应用，研究人员能够更好地区分与咸水孔隙水相关的导电区域与富含独居石的重矿物区域（Ghosal等人，2020a）。这种方法首次系统地揭示了奥里萨邦沿海砂矿沉积物的地下结构，后来这一方法还被用于评估自然背景辐射强度较高的区域，从而将矿产资源评估与环境因素相结合（Ghosal等人，2021）。在加兰佩塔海滩和马尔坎迪海滩进行的互补性地球化学研究表明，稀土元素和放射性元素的升高主要源于砂矿中的独居石，其分馏模式反映了物质的来源及沉积分选过程（Ghosal等人，2020b）。从物质来源角度出发的综合分析表明，东高止山脉的岩石类型是决定重矿物含量的主要因素，同时河流输入以及沿海地貌的分异也会导致沿岸地区的不均匀性（Ghosal等人，2022）。总体而言，奥里萨邦海岸的重矿物富集现象是源岩类型、沉积物输送路径、水动力分选作用以及沉积后的改造作用等多种因素共同作用的结果。在全球范围内，直流电阻率法、感应极化法、磁法勘探、地面穿透雷达以及浅层地震勘探等技术已被越来越多地应用于陆地和海洋中的砂矿系统（Ramana等人，1992；Loveson等人，2005）。电气法和感应极化法在识别河流和沿海环境中的矿化区域方面效果显著，而磁法勘探则特别适用于寻找富含磁铁矿的砂矿（El-Sadek等人，2012；Gouet等人，2013、2016；Singh等人，2022；Singh和Agrahari，2024）。然而，在沿海环境中，由于咸水孔隙水的侵入以及岩石类型的多样性，电阻率数据的解读往往面临较大挑战，往往会导致多种可能的解释结果（Costall等人，2018；Aguila等人，2022）。在此背景下，将地球物理数据集与放射性测量数据相结合，为解决此类不确定性问题提供了有效途径。放射性响应直接反映了含有钍和铀的重矿物的存在，而这些矿物几乎不受孔隙水盐度的影响，因此可以为地下结构的分析提供独立的约束条件（Sengupta和Van Gosen，2016；Shah等人，2017；Ghosal等人，2020a）。尽管这种地球物理与放射性相结合的方法具有巨大潜力，但在基于区域尺度的、以数据为驱动的稀土元素沿海砂矿系统分析中，这类方法的应用仍然十分有限，尤其是在像印度海岸线这样面积广阔的地区。从政策和资源管理的角度来看，印度已将稀土元素及相关重矿物视为实现技术自给、保障能源安全以及增强供应链韧性的重要资源。富含独居石的沿海砂矿是印度为数不多的本土稀土资源之一，但要想实现这些资源的可持续开发，就需要进一步了解其空间分布范围、地下连续性、地球化学变异情况以及相关的放射性问题（Balaram，2019）。基于上述背景，本研究整合了奥里萨邦海岸的放射性、地球化学和地球物理数据，既包含了历史数据，也纳入了2017年至2022年间获得的新的分析结果，从而形成了一个数据整合型的多参数分析框架。本研究将钍不仅仅视为一种放射性参数，更视为预测稀土元素分布的战略性指标，进而丰富了现有的沿海砂矿形成与评估模型。放射性元素的存在可以作为稀土元素存在的指示标志。本研究提出的框架为评估富含稀土元素的海滩砂矿提供了可推广的方法，其应用范围也可拓展到印度东部以外的全球类似沿海地区。研究区域地质印度次大陆由多种褶皱带和克拉通构成。半岛西部主要由德干玄武岩覆盖，而南部和东部则分布着多个古老的稳定克拉通和褶皱带，其中包括乔塔纳格普尔花岗岩片麻岩复合体、东高止山脉活动带、达尔瓦尔克拉通、巴斯塔尔克拉通、南部粒岩地带以及辛格布姆剪切带（图1a）（Sharma，2010）。本研究区域位于东高止山脉及其周边地区。研究方法在本研究中，沿海地区的调查被分为两大类：实验室分析和非侵入式勘测。非侵入式勘测包括野外调查，而从研究区域采集的代表性样本则是后续实验室分析的基础。非侵入式勘测还包括通过电阻率测量进行地下结构探测，以及使用盖革-米勒计数器进行现场放射性检测。这些方法相互结合，形成了有效的勘探手段。便携式计数器野外调查图6a中的原位放射性剂量率数据来自Ghosal等人（2021）的研究。图3b中显示的海滩堤岸区域零星分布的重矿物与放射性数据之间存在对应关系。通过盖革-米勒计数器测得的原位剂量率从东北方向向西南方向逐渐降低。波丹佩塔海岸的剂量率在15至150 μR/hr之间，而新戈拉班德海滩的剂量率则在5至15 μR/hr之间。通过移动式便携式计数器野外调查利用盖革-米勒计数器进行的实地测量，研究了沿海岸线的放射性剂量率的空间变化情况。等剂量率图（图6a）展示了重矿物组合中放射性元素的分布不均现象。这种分布主要受潮汐、沿岸流、海浪以及风暴潮四种因素的影响，其中风暴潮的影响最为显著，它会导致大量沉积物重新分布，进而影响放射性元素的分布。结论本研究采用了跨学科的研究方法，结合了直流电阻率法、放射性研究、地球化学分析以及岩石学分析，对海滩砂矿的地球化学特征进行了研究，内容包括常量元素、微量元素、放射性元素以及稀土元素的浓度分析。此外，还借助放射性研究和电阻率层析技术开展了地球物理研究，以确定砂矿中的矿化特征。贡献作者说明Debashish Sengupta：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、研究方法设计、概念构思。Shayantani Ghosal：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件应用、研究方法设计、实地调查、正式分析、数据整理。Sudha Agrahari：撰写——审稿与编辑、项目监督、研究方法设计、实地调查、资金申请、数据整理、概念构思。未引用文献águila等人，2022；国际原子能机构，1995；McLenan等人，1980；Mohanta等人，2017；Sengupta等人，1999。利益冲突声明? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。