针对深部矿床的多组分土壤气体地球化学勘探：以中国东部安徽为例

《Applied Geochemistry》：Multi-component soil gas geochemical exploration for deep mineral deposits: A case study from Anhui, Eastern China

　　强秋平|陈欣|肖远军|贾奈德·汗|彭俊强|杨业军|高松|张俊|阿斯玛·塔希尔中国地质大学（武汉）地质过程国家重点实验室及地球资源学院，武汉430074，中国摘要中国东部安徽地区的成矿带被厚厚的地表覆盖层所遮蔽，却蕴藏着巨大的矿产勘探潜力。然而，该地区的厚覆盖层给传统勘探方法的应用带来了限制。为应对这些挑战，本研究在多个代表性矿床——包括河口金铅矿、江山金铅锌矿、钟家山铅锌（金银）矿以及东孙家铜矿——使用便携式多组分气体快速分析仪，评估了一种新型、高效且经济实用的土壤气体地球化学勘探方法。土壤气体检测结果显示，H2S和SO2的富集系数（分别为0.9-9.4和0.8-7.4），以及新检测到的H2和CS2的富集系数（分别为1.0-22.8和0.5-17.9），在隐伏硫化物矿化区均明显升高。这些气体的空间分布受矿体几何形态的强烈控制。CO2异常主要反映地下断层系统，而CO2异常与H2及含硫气体异常的空间重合，为识别含矿构造提供了可靠依据。在河口金铅矿、江山金铅锌矿以及钟家山铅锌（金银）矿的勘探线剖面中，非矿化区的某些段也出现了H2S、SO2、CS2和H2的显著异常。这些发现表明该勘探区仍具有较大的勘探潜力，可能存在额外的隐伏矿体或尚未被发现的矿化带，因此需要进一步详细调查以验证和确定这些潜在目标。与其他金铅锌银矿床相比，H2S、SO2、CS2和H2是探测东孙家铜矿最有效且灵敏的指标气体。总体而言，利用PMGRA对H2S、SO2、H2、CS2和CO2进行土壤气体分析，能有效检测覆盖地层中的深部硫化物矿体，为矿产勘探提供了一种实用的方法。引言随着全球对贵金属需求的不断增长，亟需发现新的矿床，尤其是那些被土壤、沉积物、火山岩等厚覆盖层遮蔽的矿床。尽管矿产勘探技术有所进步，但一些传统的勘探方法——如地质填图、地球物理学、遥感以及土壤/沉积物地球化学分析——在具有厚第四纪覆盖层、复杂构造背景或复杂地表地球化学表现的地区仍存在诸多局限（Ewusi等人，2018；贾奈德等人，2022；冈田，2022）。目前，全球许多暴露在地表的区域已得到充分勘探，而勘探重点逐渐转向那些矿化后被覆盖层遮蔽的含矿区域（Muir等人，2024）。探索这些潜在矿体的难度要求我们寻找能够有效检测深部矿化的新型创新方法（冈田，2022；Rudd和Kouhi，2025）。在这种背景下，土壤气体地球化学勘探作为一种有效的工具，已被广泛应用于全球各地的覆盖地层中，用于探测隐伏矿化体（Lovell等人，1983；Castillo等人，2015；Noble等人，2018；Dou等人，2024；Plet和Noble，2023）。在欧洲、澳大利亚和非洲，人们越来越多地使用涉及二氧化碳、氧气、硫化氢、二硫化碳、二氧化硫、甲烷、氡、汞和氦的多元素气体调查方法，来探测隐伏矿床、火山活动以及天然氢气渗漏现象（Ball等人，1990；Noble等人，2018；Silvestri等人，2023；Davies等人，2024；Otoo等人，2026）。与单一气体分析相比，多种气体分析相结合能提高异常识别的准确性，减少不确定性。长期以来，土壤气体一直是勘探自然资源的重要手段，在原油勘探领域取得了显著成效（Richers和Maxwell，1991；Boreham等人，2021）。该方法基于这样的原理：深部产生的气体可通过扩散、平流和浮力作用，通过断层、裂隙及其他渗透性通道向上迁移，将地球化学特征带到近地表（Kawamoto等人，2006；Lin等人，2021；Kis等人，2022；Lefeuvre，2022；Rice，2022；Jayarathne等人，2023；Bannov等人，2024；Halford等人，2025）。土壤作为一种天然屏障，能够阻止挥发性元素和化合物（如氦、氡、汞、二氧化碳、甲烷、硫化氢、二氧化硫等）受到大气环境的影响，从而保持气体异常特征（Lin等人，2021；Dou等人，2024）。在土壤气体地球化学勘探中，通常采用两种采样策略：主动采样法是通过泵或真空系统直接从地下探针中抽取土壤气体，然后进行现场或实验室分析。这种方法可获得定量浓度数据，广泛用于高精度地球化学勘探，但如果流量控制不当，可能会受到大气稀释、净化效应或挥发干扰等因素的影响（McCarthy和Bigelow，1990；Borrelli等人，2025）。而被动采样法则依靠气体在土壤中埋置的吸附材料中的扩散作用逐渐被吸收。由于被动采样器能整合长时间内的气体流量数据，因此即便在低渗透性或深度覆盖的地层中，也能有效识别出大范围的异常模式，不过它们通常只能提供半定量或相对质量数据，而非精确浓度值（Maier等人，2020；Borrelli等人，2025）。便携式分析仪器及多气体传感器的不断发展，提升了土壤气体地球化学在现代矿产勘探中的分辨率、可靠性及应用性。与传统勘探方法相比，土壤气体地球化学勘探具有诸多优势。它成本较低且速度较快，便于在广阔区域内开展大规模勘探工作（Kis等人，2022；Halford等人，2024）。此外，由于能够穿透厚重的覆盖层，该方法对于探测那些无法用传统方法有效勘探的深部或隐蔽矿床尤为重要（Lin等人，2021；Plet和Noble，2023）。正因如此，土壤气体地球化学勘探被越来越多地应用于全球各种矿床类型中，包括造山型金矿、斑岩型矿床以及多金属矿床（Dyck等人，1976；Dyck和Tan，1978；Fridman，1990；Menon等人，2009；Boreham等人，2021；Milkov，2022；Dou等人，2024）。Zgonnik（2020）的研究结果支持氢气与矿体之间存在关联。Boreham等人（2021）的初步研究则表明，氢气与澳大利亚伊尔加恩克拉通中的金矿床有关，这表明氢气可能具有作为矿产勘探示踪气体的潜力。二硫化碳也被认为是金属硫化物分解的重要指标（Stedman等人，1984）。针对黄铁矿和黄铜矿的实验室风化实验显示，硫化物氧化过程中产生的含硫气体中，二硫化碳的含量最为丰富，这一结果与平衡热力学模型的预测一致（Plet等人，2021）。这些发现表明，氢气和二硫化碳都有可能为探测隐伏硫化物矿化提供有价值的地球化学信息。中国近期的一些研究使用了新型的便携式多组分气体快速分析仪，发现在已知矿体上方，尤其是那些位于造山地带、被厚层风化层覆盖的区域，存在显著的含硫气体异常，尤其是硫化氢和二氧化硫，这进一步证明了土壤气体地球化学勘探在定位隐伏矿化体方面的有效性（Lin等人，2021；Dou等人，2024；Li等人，2025）。不过，以往基于PMGRA的研究主要集中在传统的含硫气体上，而将氢气和二硫化碳纳入PMGRA系统进行检测的研究还较为少见。因此，本研究将氢气和二硫化碳引入该分析体系，不仅拓展了PMGRA技术的应用范围，也为评估这两种气体作为隐伏矿化指示剂的潜力提供了机会。尽管已有诸多进展，但关于物理地理因素如何影响土壤气体异常等方面，仍存在一些认知空白。安徽地区是中国东部极具勘探价值的重要区域（Zhang等人，2019；Liu等人，2024）。该地区断层活动频繁，岩浆活动活跃，同时还有大量的沉积物和风化层覆盖，因此是矿产勘探的关键区域（Li等人，2022；Lu等人，2022；Zhang等人，2024）。但由于覆盖层较厚，传统勘探方法在该地区面临诸多挑战，包括如何选择勘探地点、如何获取厚沉积物和风化层下的地质信息，以及如何整合不同勘探方法。此外，矿石品位、厚度、类型以及埋藏深度等因素也会影响矿化信号在地表的表现。在此类地区，能够穿透覆盖层并揭示深层地质控制因素的新方法尤为重要。由于在厚厚的沉积物和风化层之下存在大量隐伏矿体，安徽东部成矿带堪称检验和优化土壤气体地球化学勘探技术的理想天然实验室（Li等人，2022）。本研究采用了新型的PMGRA仪器，对河口金铅矿、江山金铅锌矿、钟家山铅锌（金银）矿以及东孙家铜矿中的H2S、SO2和CS2浓度进行了标准化测量，同时还检测了H2和CO2这两种新指标气体。通过对这些矿床的土壤气体成分进行系统分析，本研究旨在比较它们的地球化学特征，总结土壤气体勘探规律，并评估该方法在厚覆盖区域探测金属硫化物矿化方面的有效性。地质背景安徽地区位于中国东部的复杂大陆交界处，涉及华北地块、秦岭-大别造山带以及长江地块（Shao等人，2024；Wang等人，2025；Wang，2025）。Zhang（2020）认为，该地区属于长江下盘地块的南部和东部，是一个重要的构造过渡带。在古生代至中生代期间，该地区经历了多次变形和构造改造作用。方法研究过程中，采用主动气体抽取法，并结合便携式多组分气体快速分析仪对H2S、SO2、CS2、H2和CO2的浓度进行同步检测。该仪器利用电化学传感器技术（电子捕获检测器）检测H2、H2S和SO2，利用紫外线光子技术（光电离检测器）检测CS2，再通过非分散红外吸收光谱法检测CO2。各气体的检测范围为0.001-30 ppmv。研究结果在本研究中，我们在四个测试矿床区域共设置了八条勘探线。矿化带上方的土壤气体浓度大约是非矿化带上方浓度的2.64倍。每条勘探线剖面的详细检测数据见补充材料。如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，H2S、SO2、H2等气体的异常分布情况……土壤气体的来源与迁移机制在地球表面与岩石圈的交界处，土壤孔隙中既含有水分，也含有大气气体。但由于生物活动、矿物沉积以及油气储层的作用，土壤气体的成分与大气气体有很大差异（Plet等人，2021）。先前的研究（Wang，2014；Lin等人，2021）认为，与矿化作用相关的气体大致可分为两类。初级气体源自内在的矿化过程。结论本研究证明了使用便携式多组分气体快速分析仪进行土壤气体勘探，可在安徽冲积平原有效探测隐伏多金属矿床。其主要研究发现及其对矿产勘探的意义如下：1. 多组分土壤气体地球化学勘探方法能有效探测隐伏硫化物矿体。硫化氢和二氧化硫是公认的指示气体，而新检测到的二硫化碳和氢气也表现出较强的指示作用。贡献作者说明强秋平：方法设计、项目管理、总体监督。陈欣：实地调研、方法研究。肖远军：实地调研。贾奈德·汗：数据可视化、初稿撰写。彭俊强：结果验证。杨业军：方法研究。高松：结果验证。张俊：数据可视化。阿斯玛·塔希尔：论文审阅与修改。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。致谢我们感谢所有项目参与者，以及那些通过提出宝贵意见和建设性建议帮助修改初稿的人士，他们的贡献极大地提升了本文的质量。同时，我们也感谢湖北省科学技术厅的财政支持（项目编号：2025BCB116）。