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    乌拉山南麓,钻机的轰鸣声唤醒沉睡的山谷。3年来,在海拔1700米的内蒙古自治区包头市哈达门沟矿区,中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心金矿调查评价项目负责人杨彪,带着一支由技术骨干和地质实习生组成的队伍,一直在奋战。

    哈达门沟金矿是乌拉山—大青山成矿带上重要的超大型金矿床,杨彪和他的前辈们已先后在该地区勘查各类矿床和矿点300余处,发现矿脉群8个、金矿脉70余条,累计为国家探明黄金资源储量百余吨。

    1980年,地质队员王守礼在溪流中发现含金石英脉,揭开了这个超大型金矿的面纱。40多年后,他的学生杨彪正站在老师当年标注的“100号脉”坐标点,指挥钻机向地下1000米挺进。

    钻探平台上,20米高的井塔轰鸣着,声音震得人耳膜发颤。杨彪贴着钻探机长王江陵的耳朵吼:“坐标必须精确到厘米级!”哈达门沟矿区,矿脉如游龙般隐入地下千米,如何精准捕捉“黄金脉络”?

    “差之毫厘就可能与矿脉擦肩。”杨彪近乎偏执的严谨,让布设在哈达门沟金矿100号脉地区的106个钻孔,有86个见矿,见矿率远超行业平均水平。

    “十四五”规划纲要提出,加强战略性矿产资源规划管控,提升储备安全保障能力,实施新一轮找矿突破战略行动。“‘十四五’时期,中心在哈达门沟矿区共实施钻探施工1.4万余米,累计探获金资源量10余吨。”呼和浩特自然资源综合调查中心党委书记杨志刚介绍。

    杨彪抚摸着岩心箱里闪着金属光泽的标本告诉记者,单孔成本动辄百万元,必须做到“针尖对靶心”。为了提高钻孔的见矿率,每一个山头都要来回爬上几遍,反复核对图纸和测量仪器。“找到金矿的背后,都是上百次踏勘、上千组数据分析。”杨彪说。

    在破碎地层中追寻黄金脉络,并不容易。“就像用吸管在豆腐里取芝麻,稍有偏差成本就要增加10多万元。”王江陵指着布满划痕的钻杆说。面对岩心采取率不足60%的困境,团队探索“双管定向钻进+泡沫护壁”工艺,将取芯率提升至92%。这项写入《深部岩金勘查技术规范》的创新,已在25个重点矿区推广。

    在成矿带展布研究室,三维地质模型正实时更新勘探数据。“这是找矿人的‘数字罗盘’。”来自中国地质大学的实习生张晓展示着物探反演系统。通过融合重力、磁法、电法等多元勘探技术,团队成功突破复杂破碎地层钻探瓶颈,将勘探深度延伸至地下1500米。墙上悬挂的全国金矿分布图显示,哈达门沟所在的乌拉山—大青山成矿带,已成为我国黄金战略储备的重要支点。

    夜幕降临,营地亮起星星点点的灯火。90后技术员李媛正用光谱仪做最后检测,“黄金储备关乎国家金融安全,我们多找一克,底气就厚一分。”数据显示,我国近年深部找矿成果丰硕,在新一轮找矿突破战略行动中,仅甘肃安坝里北、内蒙古哈达门沟和黑龙江塔河宝兴沟3个矿区就新增金资源量168吨。

    当最后一班钻工完成交接,杨彪习惯性摸出助听器——这是长期暴露在110分贝噪声环境留下的“勋章”。从参与“攻深找盲”科技攻关,到如今带领团队实现深部找矿突破,这位80后工程师的听力阈值已下降40分贝。“地质人的耳朵听不清悄悄话,但听得懂大地的语言。”他笑着对实习生说。

    数据记录着这群地质人用脚步丈量出的奇迹:累计施工5.8万米岩心钻探,在700米以深地层锁定22个见矿钻孔;建立的“空—地—井”三维勘探体系,将找矿深度从300米推进至1500米。

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    新一轮找矿突破战略行动扎实推进

    矿业是经济社会发展的重要基础产业,矿产资源勘查开发事关国计民生和国家安全。“十四五”时期,国家实施了新一轮找矿突破战略行动,累计投入资金近4500亿元,取得一批重大成果。全面摸清有查明资源储量的163种矿产的数量、分布和开发利用状况,油气、铜、锂等战略性矿产资源勘查开发取得重大突破。

    我国金矿资源丰富,主要分布在内蒙古、山东、河南、云南、陕西、甘肃等地。其中,山东的胶东半岛、河南的小秦岭、陕西的秦岭地区以及云南的哀牢山地区是重要产区。20世纪50年代至70年代,勘查主要依赖地质填图和地表采样,发现了多个大型金矿。80年代至90年代,随着技术进步,勘查深度和精度提升,发现了更多隐伏矿床。进入21世纪,勘查技术进一步革新,一些现代技术相继应用,深部找矿和复杂地质条件下的勘查取得显著成果。

    老资源基地焕发生机,山东胶东金矿等新增储量可观;新资源基地相继崛起,辽宁大东沟金矿有望成为又一个世界级金矿。我国金矿勘查经历了从传统方法到现代技术的转变,未来将继续向深部找矿、绿色勘查和智能化勘查方向发展。

    编辑手记

    向技术要矿产资源

    一部找矿史,是矿产资源勘查技术的创新史,也是向技术要资源的生动写照。

    浅层矿藏越来越少、向绿的需求越来越高、全球矿产供应链震荡,新技术愈发成为找矿突破的关键。

    向深地发展。山东省地矿局第六地质大队利用三维可视化技术构建多尺度模型,深入“洞察”地下3000米的地质结构,精准揭示深部地质结构和矿体的形态。

    向深海突破。“开拓二号”海试水深突破4000米,取得大量深海多金属结壳与结核样品,为未来深海矿产资源的开发奠定基础。

    向深空探寻。我国首台太空采矿机器人在模拟月壤的环境下实现了行走、锚固,甚至采样,打开了开采近地星体矿产资源的想象空间。

    这些找矿新技术新装备提高了找矿的效率和准确性,进一步推动了矿产资源的开发利用。向技术要资源,我国地质工作者勇于担当,新一轮找矿突破战略行动定能有更大收获。

    人民日报:用厘米级精度捕捉“黄金脉络”(身边的经...

    近日,中国地质科学院岩溶地质研究所承担的《哈拉哈塘油田奥陶系断控岩溶储层精细描述》项目顺利通过结题验收并获优秀评级,在断控岩溶理论和技术方法研究方面实现突破,为复杂岩溶区油气资源开发提供了新思路和技术支撑,助力油气资源找矿突破。项目形成三方面成果:

    一是构建岩溶断控新模式,服务中国石油“压舱石”工程。项目揭示了断层-地貌-水系互馈驱动岩溶储层分异规律,明确“断裂+”全新背景下断控岩溶作用模式差异,系统阐明了“地貌单元-岩溶系统-缝洞单元-油藏单元”关联关系,明确一面三带控缝-控流-控溶-控储差异机制与优质储层富集模式,建立3种高效型暗河储层模式、5种断控富集模式、6种断裂与岩溶差异耦合富集模式,让老油田焕发新光彩。

    二是创新岩溶缝洞刻画技术,支撑石油高效开发。项目形成一种断控岩溶缝洞精细描述的技术方法,构建断控岩溶缝洞体分类判识标准和定量判识图版;形成暗河雕刻技术方法,建立全区弱贯通与贯通类暗河平面分布图;形成一面三带识别技术方法,构建井-震定量判识图版。

    三是推进成果转化应用,实现经济效益。项目解析了断控岩溶储层分类分区分带连通模式差异及有利注采措施,揭示差异连通模式下的岩溶地质成因,形成全区连通模式平面分布图,部署HA11、HA601-6、RP6-H1等17个复杂井组开展注气替油、弹性注水驱油、氮气泡沫驱油等注采技术,直接节约费用约3700万元,实现良好经济效益。

     

    弱贯通型暗河三维结构图

    岩溶所助力塔里木盆地油气资源找矿突破

    长夏炎热,伏暑为最。在这热情似火的八月,中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心(以下简称“烟台中心”)的钻探技术支撑团队正在全国多地如火如荼地开展着为国找矿的地质工作。

    在金都招远,高耸的钻塔昂然挺立,超千米深孔钻机正向地球深部探掘;在胶莱盆地,连绵起伏的青山与整齐划一的红色队伍形成鲜明对比;在渤海海域,“海洋地质十七号”调查船正锚定目标沿着蔚蓝海面向海底深处钻进。与此同时,在汾西深处、中原腹地、皖南地区,均活跃着烟台中心钻探工作人员辛勤劳动的身影,他们与大山为伴,与黄土为友,头顶着烈日,脚踩着泥泞,用实际行动投身到国家新一轮找矿突破战略行动中。

    新矿种施工,打开事业发展新局面

    2024年,是烟台中心钻探技术队伍建设发展极不平凡的一年。烟台中心面临着施工人员最多、作业范围最广、钻探任务最重、地层矿种最杂的现实情况。据了解,其工程勘查室年度共承担陆域49个钻孔、海域22个钻孔合计17890米钻探任务,涉及金矿、铝土矿、铀矿、铜矿、铁矿等多类型矿种,分布在5省9个项目13个工作区。面对新领域、新矿种、复杂地层带来的挑战,烟台中心钻探技术团队集智攻关,制定了“一矿种一方案”“一工区一对策”的施工方案,通过优选钻进工艺、优化钻进参数和泥浆配比等措施,有效解决各矿种施工面临问题,积累了丰富的施工经验。针对山东莱西金矿工作区矿化带部位断层泥较多、孔内严重漏失问题,技术团队两次实施水泥封堵,成功穿过漏失破碎层,有效改善孔内漏失情况。针对招远滕家矿区断裂带地层水敏性强、破碎易漏失问题,技术团队充分总结以往经验,对照已有岩心资料,确定地层漏失位置,提前调整冲洗液降失水性能,顺利穿过构造断裂带。针对山西汾西铝土矿工作区地层破碎漏失严重、供水困难的情况,技术团队创新引入空气泡沫冲洗液工艺,在合理处理地层漏失问题的同时有效缓解了工作区供水难题。针对河南驻马店铀矿工作区地层松散易坍塌情况,技术团队邀请北京探矿工程研究所专家实地指导论证,探索应用双聚防塌冲洗液,采用全孔提钻取芯工艺,进一步增强孔内稳定性,保证了岩心采取率。针对首次独立承担海域钻探任务且海况、地层不熟悉的实际,技术团队积极收集国家海洋局、青岛海洋地质研究所等单位以往调查成果,聘请经验丰富技术人员参与指导,利用海上作业“窗口期”加紧施工,目前已实现自主海钻能力“破百”。

    通过一系列方法举措,技术团队有效处置各工作区施工问题,使得效率明显提升:山西汾西工作区单孔施工周期压缩一半,台月实进尺达到650米/台月,较首月提升50%;山东招远工作区施工的1600米钻孔于6月底顺利终孔,全孔台月效率达661.1米/台月,创历史新高,1900米钻孔首月台月效率达795米/台月,再创中心台月效率纪录。经过不断地实践锻炼、复盘总结,技术团队逐步掌握了在漏失、松散、破碎等不同工况条件下的应对措施,实现了浅海地质勘探“百米”的突破,丰富了多矿种施工的专业技术储备,打开了烟台中心钻探事业发展新局面。

    新矿区作业,激发任务保障新效能

    作为一支国家基础性、公益性、战略性地质调查队伍,烟台中心坚持将“支部建在项目上”,尤其对于钻探这个对组织指挥要求高、安全风险考验大的工种,队伍开进到哪里,党的建设、条件保障、安全管理等一系列工作就要跟进到哪里。

    在队伍建设上,为积极响应新一轮找矿突破战略行动,为局系统提供钻探技术支撑,同时解决“工勤人员有活干”的掣肘问题,烟台中心党委积极谋划钻探队伍发展,统筹全中心钻探专业资源,充分发挥集团作战优势,组建130余人钻探大队,在人才、技术、装备等方面予以倾斜,为年度钻进能力突破2万米提供保障。

    在任务引领上,结合今年钻探工作任务重、人员多、分布广、骨干力量少的实际,烟台中心工程勘查室积极探索“1个党总支+7个机台临时党支部”的施工期组织架构,坚持将各项工作一同纳入支部议事日程,通盘考虑、全面推进,切实发挥“把方向、统大局”“议中心、谋发展”“解难题、保稳定”的组织优势,为全年任务顺利开展提供支撑、引领及保障。

    在作业模式上,烟台中心合理分析研判工作区作业难题,及时优化调整作业模式,针对山西汾西工作区钻孔数量多、孔深浅、地形复杂的特点,按照“优化班组配置、调整作业时间”的思路,将机台一分为二,采用“履带式+便携式”两个钻机联合作业,实行“长白班”制,有效规避夜间复杂条件行车风险,同时提高了施工效率和机台搬迁效率。

    在保障方式上,烟台中心针对新矿区情况不熟悉、关系协调难、用电保障难的实际问题,由科室主要负责人带队走访驻地自然资源部门、镇政府、村委会、供电所等,在青苗赔偿、土地占用、用电账户开设、变压器协调等方面达成共识,为任务开展奠定基础;结合各矿区任务实际,区分深孔、中深孔、浅孔等不同情况,针对性进行设备选型、管材复新、维修保养等工作,确保“因症施策”“对症下药”;在物资采购、材料供应、装备运输跨省保障难的情况下,探索实施“固定招标+框架协议+定点比价”的采购方式和“定点物流+自有车辆”的运输方式,确保采购公开透明、物资及时供应、装备安全运输,为高效开展施工任务提供支撑。

    在安全管理上,烟台中心针对每个矿区不同实际,科学制定野外矿区日常管理规定,完善安全风险隐患清单,从优化住宿区选址、调整用车时段、合理安排作息、加强安全检查和应急演练等方面入手,强化各级安全管理责任,督促施工人员持续用好安全管理智慧平台,实时监控钻探机台操作全过程。这些措施使得一线施工人员安全意识不断增强,现场安全作业环境得到改善,野外施工安全管理水平有效提升。

     

    新技术赋能,催生找矿突破新动力

    工欲善其事,必先利其器。为全力支撑新一轮找矿突破战略行动,烟台中心今年新购了多台钻探装备及配套设施,F1000D便携式全液压钻机便是其中1台。前不久,钻探技术团队采用该钻机高效施工完成了352米的岩心钻孔。

    在山东栖霞台前-西陡崖工作区的交接班会上刚上完大夜班的记录员兴奋地汇报着工作情况:“机长,当日进尺115.8米,当班进尺37.8米,我们又破纪录了!”据悉,该钻孔施工地层主要为黑云斜长角闪片麻岩,设计倾角75度,全孔历时5天,台月效率高达1981.1米/台月,单日和单班(8小时)进尺屡创新高,三项指标均突破烟台中心历史纪录。该钻孔的高效施工,体现了烟台中心在钻探技术力量和装备体系建设方面的显著成果。

    除了新设备的投入使用,新工艺、新材料的运用对钻探施工也起着至关重要的作用。今年以来,钻探技术团队从现场作业需求入手,积极推进钻探行业前沿科技设备工艺的引入及研发,探索运用空气泡沫冲洗液、双聚冲洗液、成膜泥浆、变频离心机、海域升沉补偿钻机等多项技术措施,成功申报“一种钻杆内壁泥皮泥饼清除装置”“一种高速水接头多功能提篮”2项发明专利和2项针对设备改进、工具研发的实用新型专利,团队建设正实现由“传统施工”向“科研+生产”的模式迈进,为队伍高质量发展提供新质生产力。

    与此同时,烟台中心正依托近年来在全国多地开展岩心钻、工程钻、水文钻、海钻的经验成果和技术力量,联合北京探矿工程研究所等多家行业单位积极申报海陆一体化钻探工程技术烟台市工程研究中心。该研究中心主要以海域地质钻探为核心、深部岩心钻探为重点、水文钻探和矿山救援钻探为突破,构建较为系统的海陆一体化钻探工程技术方法体系,为全力支撑新一轮找矿突破战略行动提供重要保障。

     

    创新引领 科技赋能 钻探技术支撑水平提质增效

    2016年5月12日,联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心正式成立。在成立仪式上,国土资源部中国地质调查局党组成员、副局长代表部、局发布《中国地球化学调查报告(2016年)》。

    李金发指出,化学元素被称为地球的“基因”,地球化学调查目的是绘制地球基因图谱,为资源开发和环境保护提供科学依据。中国实施了世界上持续时间最长、覆盖面积最大、调查技术最系统的地球化学调查,在服务矿产、土地、地下水等资源开发与管理方面取得了突出成就,在调查理论技术、实验测试分析、标准物质研制、海量数据管理等方面实现了重大科技创新,在全球地球化学基准网建立、调查标准制定、技术人员培训、服务国际地球化学填图等方面为国际地质界做出了突出贡献。

    《中国地球化学调查报告(2016年)》显示,地球化学调查有效服务矿产、土地和地下水资源的开发与管理,取得3项突出成就。一是1978年开始,实施了以找矿为目的的地球化学调查计划。完成了调查面积700万平方千米,完全覆盖中国山区和丘陵地带,新发现各类矿床2570处,新发现金资源储量4000余吨,为国家矿产资源基地规划建设提供了重要支撑。二是1999年开始,实施了土地质量地球化学调查计划,完成平原区土地调查面积196万平方千米,依据土壤所含有益元素和有害元素含量,对耕地的地球化学状况进行了评价。调查发现12.72亿亩无重金属污染耕地,占已调查耕地面积的91.8%,发现富硒耕地资源5244万亩,为耕地管理和保护提供了重要支撑。三是2005开始,实施了全国地下水水质调查计划,调查总面积440万平方千米,发现30.2%地下水可直接饮用,34.7%地下水适当处理后可饮用,2418处地下水点具有天然矿泉水潜质,为地下水资源开发利用与保护提供了重要依据。

    地球化学调查实现4项重大科技创新,总体达到世界一流水平。一是发现了大量超微细金和纳米金,突破了金是惰性的不能在水系中长距离迁移的传统认识,超微细金可以长距离搬运,形成大规模区域异常,为金矿区域地球化学勘查奠定了理论基础。创新性发明了活性炭富集或聚胺酯泡沫塑料富集金技术,使金分析检出限降到了0.3纳克/克,为圈定低含量金异常提供了技术保障。二是研发了76种元素的高精度实验测试技术,是目前世界上测试指标最多的国家。建立了由专业研究机构辐射30个省级地质实验室的全国性地球化学样品分析和质量控制网络,为不同尺度地球化学调查提供了强大的实验能力和数据一致性保障。三是研制了234种地球化学标准物质,占世界上该类标准物质50%以上。这些标准物质被美国、加拿大、欧洲等40余个国家采用,并被全球地球化学基准委员会推荐为国际地球化学填图的标准物质。四是研发了具有自主知识产权的“化学地球”软件平台,这也是世界首个化学属性数字地球平台,可以实现对全球地球化学大数据管理、展示和查询。

    引领全球地球化学基准网建立,为国际地质界做出4项突出贡献。一是在建立全球地球化学基准网的多边国际合作中发挥了核心作用。“全球地球化学基准计划”于1994年开始实施,中国作为全球地球化学基准计划的发起国,担任该计划的核心职务,引领了该计划在全球的实施。二是对世界地球化学填图标准化做出了重要贡献。牵头制定了3项全球地球化学填图技术指南,正在制定实验室分析指南、数据管理与图件编制指南,指导和帮助有关国家和地区制定了5份地球化学填图指南。三是让世界同行共享了中国先进的地球化学调查技术。自1998年以来,中国举办了26次国际地球化学填图培训班,培训学员来自于亚洲、非洲、拉丁美洲等60余个发展中国家,培训人员达600余人次。四是以“一带一路”为重点,指导并帮助20余个国家开展了地球化学填图工作,为所在国提供了大量第一手数据,体现了中国技术援助水平和成果价值,实现了合作共赢。

    最后,李金发强调,2016年是“十三五”开局之年,“十三五”期间中国地球化学调查任务重大、意义深远。一是实施“化学地球”国际大科学计划。依托“全球尺度地球化学国际研究中心”,牵头组织会员国绘制全球地球化学基因图谱,建立“化学地球”大数据平台,支撑全球自然资源与环境可持续发展。二是加强地球化学填图双边国际合作研究,服务沿线国家资源开发和生态环境保护,实现合作共赢。三是继续实施矿产资源地球化学调查。重点加大稀土和铀等战略矿种的地球化学调查,服务国家高科技产业和能源产业,为国家提供新的矿产资源基地。四是全力推进土地质量地球化学调查。全面完成全国1:25万比例尺耕地质量地球化学调查,在重点地区开展1:5万耕地质量地球化学调查,建立国家土地地球化学监测网络和预警体系,持续更新土地地球化学数据库,支撑服务国家土地开发与保护管理。五是实施全国主要含水层水质综合调查。重点部署在华北平原、长江三角洲、淮河流域、珠江三角洲等地区,深化主要含水层水质的认识,为地下水保护提供可靠依据。


    李金发发布《中国地球化学调查报告(2016年)》
    我国煤矿资源丰富,长期开发形成了巨大的可利用特殊地下空间,为发展地下生态城市创造了得天独厚的条件。据调查,我国现有煤矿地下空间约139亿立方米,到2030年,预计将达到241亿立方米,长度约160万千米,可绕赤道40圈。

    开发利用废弃煤矿地下空间,既可以避免煤矿采空区被充填造成极大的特殊地下空间浪费,又可以缓解地面城市发展面临的土地紧缺等问题,可为废弃矿井企业提供一条转型脱困和可持续发展新路径,不断推动资源枯竭型城市的转型发展。

    煤矿井下可利用空间的类别 

    煤矿经过长期开采会产生大量的地下空间,这些空间主要包括井筒、巷道、硐室和采空区。

    井筒是指在井工采矿或地下工程建设,从地面向矿体开凿的垂直或倾斜一类工程,垂直的工程称为立井,倾斜的工程称为斜井。井筒是矿井通达地面的主要进出口,是矿井生产期间提升运输煤炭(或矸石)、运送人员、材料和设备以及通风和排水的咽喉工程,是整个矿井结构最“牢固”的地方。

    巷道分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道。一般来说,巷道空间上呈条带状,绵延数公里,断面形式为拱形和矩形。开拓巷道服务年限最长,服务于全矿井,准备巷道服务年限其次,服务于矿井的一个区域,回采巷道服务时间最短,基本随着采矿活动的结束而坍塌消失,很少能够保留下来。采矿活动结束,将对准备巷道和回采巷道进行封闭,封闭之后的空间会直接淹没在矿井积水或有毒有害气体中。因此,判断巷道可利用性时,需要考虑空间环境的恶劣性,再对其进行有针对性地改造、修复甚至直接放弃。

    井下硐室主要有排水泵房、变电所、避难硐室等。这些硐室空间大,直径一般在8米,直立高度一般为50米。煤矿井下硐室在设计之初普遍采用了高强支护材料和特殊的结构形式,服务年限一般较长,结构较为牢固。因此,矿井关停后,井下硐室的空间可利用性较好。

    采空区一般是指将地下煤炭开采完成后留下的空区。由于煤炭的赋存一般呈层状煤层出现,因此可以形成大片连续的采空区。一般来说,煤矿开采过程中,采空区顶板需要在特定时间自动垮落或被强制垮落,形成垮落区。顶板岩石会重新充填采空区,因此,煤矿采空区的空间利用局限性很大。

    煤矿地下空间的优缺点 

    废弃煤矿地下空间主要有三大优点:一是防护性和安全性优越。煤矿地下空间具有天然抗灾性,对于防御战争的空袭、核冲击、抗御地震破坏等明显优于普通浅层城市地下空间。二是空间环境条件较稳定。由于埋深较大,煤矿地下空间具有隔音隔震、低本底无辐射、恒温恒湿的特点,受外界影响小,冬暖夏凉。三是节省投资。由于煤矿地下空间在形成过程中已经进行了开拓和加固,因此废弃煤矿地下空间在开发利用时只需要稍加改造、加固和修缮即可,较新建地下工程空间可以节省大量投资。四是有利于就业安排,具有很好的社会效益。煤矿地下空间开发利用对于废弃矿井转型发展提供新的生命,可以缓解当地的就业问题,促进社会稳定,为资源枯竭型城市的转型发展提供新的思路。

    尽管煤矿地下空间具有上述优点,但在开发利用时需要考虑几个问题:

    一是煤矿地下空间结构稳定性和可靠性。在开发利用之前,需对围岩和支护结构进行全面评估,并采取措施进行修复和加固以提高其稳定性和可靠性。二是矿井地质条件与井下环境问题。煤矿地下空间埋深较大,地质条件复杂,地下水、地压、地热、瓦斯及其他有害物质等都会对其可利用性产生重要影响,在开发利用时需要额外注意并采取相应措施。三是提升运输及基本维护费用问题。煤矿地下空间埋深较大,地质环境复杂,二次开发利用时候,通风、进出口提升、巷道运输、排水以及照明等日常维护成本较高。而且,煤矿地下空间一般出口较少,在二次利用时提升运输能力稍显不足。

    煤矿地下空间开发利用的模式 

    基于煤矿地下空间的基本特点,研究人员和工程技术人员开发出多种二次利用模式,主要包括:

    地下储库。煤矿地下空间具有隔音隔震、低本底无辐射、恒温恒湿的特点,为此,利用煤矿地下空间作为地下储库最为适宜,这也是目前其最主要的开发利用模式。煤矿地下空间可以用来储存炸药、雷管等易爆有毒危险品,甚至作为地下水库等。

    博物馆、地下旅游和文娱活动场所。以煤矿地下空间作为博物馆、地下旅游和文娱活动场所在国内外已有较多实例。例如,德国鲁尔工业区的埃森煤矿在关停后改造成地下矿井博物馆,开展煤矿采矿科普教育、矿井旅游等活动,取得巨大成功,并于2001年被联合国教科文组织评为世界文化遗产。国内唐山开滦煤矿是2005年批准建设的全国首批28家国家级矿山公园之一,并被评为国家AAAA级旅游景区。

    开滦国家矿山公园运煤小火车 

    抽水蓄能电站。由于煤矿地下空间体积大且埋深较大,可以将其改造成抽水蓄能电站的地下水库,并将地面矿坑改建抽水蓄能电站的地上水库。在用电低峰的时候,利用便宜、多余的电力,将地下水库的水提升到地表水库中;在用电高峰时段再将地表水库的水向下排放到地下水库发电。目前,德国鲁尔区普斯波(Prosper-Haniel)煤矿正在建设一个抽水蓄能电站,将其埋深1200米、绵延26公里的井巷系统改造成一个100万立方米容积的地下水库。

    地下生态城市示范区。由于煤矿地下空间具有环境清洁、隔音隔震、天然抗灾等优势,可以构建地下宜居城市、地下房地产、地下轨道交通系统等,打造地下生态城市示范区。

    变废弃矿石为可利用资源 

    □田 敏

    矿产资源在我国的国民经济发展中起着举足轻重的作用,我国95%以上的能源、80%以上的工业原料、70%以上的农业生产资料等都来自矿产资源。

    早期受科技水平的限制,人们对矿石中矿物的使用具有单一性粗放性,矿石中低含量矿物或伴生矿物均作为废矿被抛弃,造成极大的浪费。经过长期的科学研究,矿物加工领域的工程师们已经取得了巨大进步,大量低含量或复杂伴生的可利用矿物能够被综合回收。但据不完全统计,全世界每年排出的矿业固体废物仍然在100亿吨以上。

    为了解决这些问题,科研人员通过长期研究,将废石变成了可利用资源。首先,科研人员利用高倍显微镜研究废石的矿物组成,探究其内部结构,尤其是不同矿物之间的连接架构,同时还要仔细了解不同矿物的生长粒度,分析每一种矿物内部的晶格形态。比如,标准石英矿物是由4个氧原子和两个硅原子组成的硅氧四面体,在分析该废石石英矿物时必须考虑其在自然界中是否受外力影响,氧原子被其他矿物如铝原子替换形成类质同相现象。因此,随着对废石中矿物性质的深入研究,将为下一步不同矿物分离奠定坚实的基础。

    玻璃制品在人类的生活中无处不在,其主要是以高品质石英矿物作为原料。石英矿物中的主要成分二氧化硅含量不同则制作的产品也不同,达到90%以上的可以制作玻璃器皿,达到98%以上时可以制作精密的光学产品,达到99.9999%以上时可以作为目前具有高科技性质的芯片原料。江西钨矿属蚀变规模不大的石英脉型钨矿床,废石中矿物含量达到40%~70%的为石英矿物。其内部晶型发育良好,杂质含量极低,具备成为制备高品质石英的原料。经过破碎-分级-物理除杂-化学除杂,利用石英无磁性、硬度较高耐磨性、耐腐蚀性、巨变温差下产生裂隙性等性质,可以生产出高品质石英原料的产品。

    废石中除石英矿物外,还有含量分别在10%~20%的萤石、长石、云母等矿物,萤石是无机盐工业的重要原料,长石在陶瓷工业具有举足轻重的作用,云母天然形态呈现片状,具有良好的弹性、韧性,广泛应用于电器、橡胶、塑料、造纸等行业。针对这几种矿物的不同晶体结构,采用具有针对性络合试剂,通过浮选工艺可以有效地分离,获得不同高纯度优质产品通过变废为宝,再次应用在不同的工业领域,创造更高的经济价值。

    通过采取综合利用技术,将几乎90%的废石变成可以利用的资源,从而实现“变废为宝”,既能产生重要的经济价值,又可以彻底解决土地污染,可谓一举多得。

    钨矿共伴生组分的综合回收 

    □张红新 赵恒勤

    世界钨矿资源储量比较丰富,发现的钨矿物和含钨矿物有20余种,但具有开采价值的只有黑钨矿和白钨矿,黑钨矿约占全球钨矿资源总量的30%,白钨矿约占70%。钨矿资源特点之一是共伴生矿床多,综合利用价值大。我国许多钨矿床伴共生有益组分多达30多种,主要有锡、钼、铋、铜、铅、锌、金、银等。

    根据矿石赋存状态的差异,有些共伴生组分可以在选矿过程中分离,比如锡、铜、铅、锌、萤石等,有些需要在冶炼过程中分离,比如金、银、铟、镓、铼、钪等稀有元素。对钨共伴生组分的综合回收方法的选择则需要根据矿石性质差异采用合适的工艺流程和设备进行分离,主要的分选方法有拣选法、重选法、磁选法、浮选法等,由于钨矿共伴生组分较多,几乎涵盖了所有的选矿方法。

    拣选法。根据物料中不同颗粒之间某些易被检测的物理特性差异,通过对颗粒的逐一检测和鉴别,然后以一定外力使欲拣颗粒分离出来的一种选矿方法。对颗粒进行逐一检测和鉴别,以及依靠外力分离欲拣颗粒,这是拣选不同于其他选矿方法的独特之处。手选是最古老、最简单的拣选。它是根据物料颗粒之间颜色、光泽、密度、硬度、形状等物理性质的差异进行分选的。手选法在黑钨矿中应用较多,通过手选可分选出黑钨矿和石英初级产品。

    重选法。根据矿物密度不同而分离矿物的一种选矿方法,进行重选时除了要有各种重选设备之外,还必须有介质,重选过程中矿粒受到重力(如果在离心力场中则主要是离心力),设备施加的机械力和介质的作用力,这些力的组合就使密度不同的颗粒产生不同的运动速度和运动轨迹,最终可使它们彼此分离。通过重选法可以得到密度较大的锡石。

    磁选法。基于被分离物料中不同组分的磁性差异,采用不同类型的磁选机将物料中不同磁性组分分离的一种选矿方法。在磁选过程中,强磁性矿物所受磁力最大,弱磁性矿物所受磁力较小,非磁性矿物不受磁力或受微弱的磁力。在磁选过程中,矿粒受到多种力的作用,除磁力外,还有重力、离心力、水流作用力及摩擦力等。当磁性矿粒所受磁力大于其余各力之和时,就会从物料流中被吸出或偏离出来,成为磁性产品,余下的则为非磁性产品,实现小同磁性矿物的分离,通过磁选法可以获得黑钨矿。

    浮选法。根据矿物颗粒表面物理化学性质的差异,从矿浆中借助于气泡的浮力实现矿物分选的过程。现代的浮选过程一般包括:磨矿,先将矿石磨细,使有用矿物与其他矿物(或脉石矿物)解离;调浆加药,调整矿浆浓度适合浮选要求,并加入所需的浮选药剂,以提高效率;浮选分离,矿浆在浮选机中充气浮选,完成矿物的分选;产品处理,浮选后的泡沫产品和尾矿产品进行脱水分离。通过浮选法可获得共伴生组分中的铜、铅、锌、硫等有色金属。

    有些稀散元素,由于其含量极低,常常以载体形式依附于其他矿物,比如金、银和铜、铅、硫结合紧密,通过以上选矿方法难以有效回收,需要在后续冶炼过程中回收。

    以上所述方法通常需要组合使用,然后再选择合适的设备,才能将各种矿物得到有效的回收。通过综合利用,在钨矿利用的同时,也综合回收了其他伴生组分,一方面提高了资源的利用率,增加了矿山企业的经济效益,另一方面也减少了金属矿物的排放,降低了环境污染。

    石英矿床类型及用途 

    □张亮 刘磊

    石英资源是一种重要的非金属矿资源,可作为加工玻璃砂、工业硅等原料,是冶金、化工、玻璃、陶瓷、铸造、橡胶等行业的重要原料,也是电子信息产业、光伏、新能源产业和有机硅新材料产业发展的基石。自然界石英矿床成因多种多样,目前常见可供开发利用的石英矿床工业类型有天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石英七类。

    天然水晶 天然水晶为透明的大型石英结晶体矿物,主要成分为二氧化硅。水晶多是在岩洞、岩石裂缝或节理、断层中自然生长形成的,其生长条件比较苛刻,必须同时满足4个条件:充裕的生长空间,能够提供富含二氧化硅的热液,一定的温度和压力,足够生长时间。我国天然水晶资源分布广泛,其中以江苏东海地区最为丰富。

    天然水晶 

    天然水晶矿床储量小,开采条件差,资源匮乏,价格昂贵,难以满足大规模工业生产的需要。但由于天然水晶的色彩丰富,晶莹剔透,美丽纯正,目前主要用作雕刻各种工艺品。

    石英砂岩 石英砂岩是经过沉积作用固结的砂质沉积岩,其石英和硅质碎屑含量一般>95%,副矿物多为长石、云母和黏土矿物,胶结物一般为硅质。目前,我国石英砂岩在各省均有分布,其中云南大关、盐津、彝良及四川沐川等地区资源较为丰富。

    石英砂岩矿床一般规模较大,地质产状稳定,开采条件较好。同时,矿石硬度一般相对较低,天然粒度适中,易于破碎分级和大规模工业化生产。但由于石英砂岩胶结物成分比较复杂,因此通常用于生产日用玻璃砂、玻璃纤维、金属硅、耐火材料、白炭黑、有机硅等领域。

    石英岩 石英岩通常是由石英砂岩或其他硅质岩经区域变质作用或热接触变质作用而形成的变质岩石,伴生矿物除长石、云母和黏土矿物以外,往往还含有微量的电气石、赤铁矿和锆石等。与石英砂岩相比,石英岩其矿石更加致密坚硬。我国石英岩资源十分丰富,开发利用量大,主要分布在安徽凤阳等地区。

    石英岩矿床具有规模大、地质产状稳定、开采条件较好等优点,其矿石一般致密均匀,块度好,比较适合日用玻璃砂、浮法玻璃砂、玻璃纤维、金属硅、耐火材料、石英板材等SiO2含量 99%左右传统应用领域产品大规模工业化生产。

    脉石英 主要是在岩浆热液作用下形成的,通常呈致密块状构造,其矿物成分单一,几乎全部为石英,SiO2含量一般在99%以上。脉石英矿床规模一般不大,产状陡,厚度一般在几米至几十米,长度一般为十几米至几百米,一个矿区可由一条矿脉或由多条矿脉组成。

    脉石英矿床资源储量规模一般相对较小,开采难度相对较大,但由于其杂质含量少、资源品质稳定等特点,因此多将其用于制备SiO299%~99.9%的硅微粉、低铁石英砂、光学玻璃、半导体等高品质石英产品。

    粉石英 通常由硅质母岩在特殊的地质构造条件下(温湿的古气候、地形平缓古地理、水力作用等)风化解体而成的沉积风化型矿床,石英含量通常为95%~98%,有的可高达99%以上。该类矿床在我国南方分布较多,如贵州贵定、江西莲花、渝东云峰山等。

    与石英岩和石英砂岩相比,该类矿床规模相对较小,其主要优点是自然白度高,天然疏松多孔,容易超细粉碎加工,可作为陶瓷原料、硅微粉填料等。

    天然石英砂 天然石英砂是由花岗岩、石英岩、石英砂岩和脉石英等母岩经过自然界长期风化而形成的一种以石英为主要矿物成分的砂状石英矿物原料,其伴生矿物包括长石、岩屑、云母、黏土矿物及锆英石、电气石、钛铁矿和角闪石等重矿物,主要为海相沉积砂矿床和河湖相沉积砂矿床。

    该类矿床规模一般较大,其主要优点是通常具有天然适中粒度和角形因数,开采简单,是加工铸造用石英砂产品理想原料,但该类矿床缺点是杂质成分比较多,如果杂质充分去除可用于SiO2含量99%左右所有石英产品加工。

    滨海石英砂开采现场 

    花岗岩石英 指由于岩浆作用固结成岩形成的大颗粒花岗岩或花岗伟晶岩(白岗岩)中的石英。该类矿床中的石英品位多在25%左右,矿物杂质主要来自石英颗粒中的流体包裹体级晶格杂质元素。该类矿床为生产高纯石英的主要原料,目前主要产自美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区。

    和谐共生 资源综合利用大有可为

    土壤资源的前世今生

    郭俊刚 赵恒勤

    前世

    你可知道,松林下松软芬芳的泥土和坚硬巨大的岩石原来是一样的呢。大自然鬼斧神工,又历经数亿年,悄然将坚硬的岩石变成了肥沃的土壤。

    早在几十亿年前,地球的表面都是岩石。地壳表面裸露的岩石,受到风力和水力的侵蚀,在物理、化学、生物、气候等多种因素综合作用下,逐渐被破碎和分解。山一样大的石头变成了小块,小块又变成了细粒。在岩石由大变小、由粗变细的过程中,不仅仅是个头变化了,同时岩石也变成了一种叫“成土母质”的物质,这个过程就叫作风化。要注意的是成土母质还不是土壤。时间又过了数亿年,成土母质在水、空气、腐殖质和微生物的帮助下,逐步形成真正的土壤。成土母质的性质决定了土壤的类别,所以在我国有东北的黑土地,有西北的黄土高原,有云贵川的红土,还有中原的棕色土壤。土壤的垂直剖面从下往上通常可划分为“土壤母质层”“底土”和“表土”三个部分,其中“表土”和“底土”合称为“土体”,是土壤的主要部分,土壤的顶部则是由动植物残体腐烂转化而成的“腐殖质层”。大自然需要300年到1000年的时间才能形成大约2.5厘米厚的土壤。

    今生

    时间来到了人类文明,人类利用和改造世界的能力不断增强,对矿产资源的大规模开发利用,也对土地资源造成了伤害,土壤环境严重恶化,已经威胁到人类的生存与发展。

    一、土地的压占和破坏

    根据有关部门测算,至2009年底,全国有1亿多亩历史遗留工矿废弃地尚未复垦。在全国11.23万座矿山的开采活动中,每年约有300万亩土地遭受毁损。在新增被损毁的土地之中,耕地或其他农用地高达60%以上。耕地的减少,导致失地农民的增多,土地利用效率降低,生态环境恶化,对社会经济的可持续发展造成严重影响。

    二、土壤污染

    土壤污染包括矿产资源开发利用造成的土壤酸化和土壤重金属污染。

    土壤酸化是指酸性物质使土壤变酸的过程。一部分是矿物开采过程中,硫化矿床从地下开采到地表后,矿石中的硫元素会转化为硫酸根离子,硫酸根离子随同降雨、地表径流等水体进入土壤,导致土壤酸化;另一部分是在矿物加工利用过程中,如煤炭燃烧所产生的二氧化硫、氮氧化物等大量酸性气体,进入大气后遇水形成酸雨,使土壤环境被酸化。

    随着矿产资源的开发利用,进入到土壤中的铜、铅、锌、铬、镉、汞、砷等重金属超出土壤承载能力,影响植物正常生长,诱发植物发生病变甚至死亡,也会在植物体表或体内积累,通过食物链进入人体,诱发人类的疾病。

    未来

    伴随着“绿水青山就是金山银山”号角的吹响,我们必须采取一定的措施,将矿产资源开发利用对环境造成的损害降到最低。通过矿山土地复垦,增加可耕地数量,提高土地质量,改善生态环境;通过开采工艺的改进,充分利用采空区和废弃巷道,减少地表塌陷和废石排放;通过生产设备和生产工艺的改进和优化,实现对矿产资源的高效节约集约利用,减少废弃物排放。

    目前,已经涌现出一些重金属修复技术,比如利用钝化剂使重金属的形态趋于稳定,利用超富集作用的植物吸收土壤中的重金属。重要地块被污染又不易治理的话,直接给土壤搬个家,将污染土壤移走,将清洁土壤移来。

    土壤是我们人类赖以生存的资源,要把生态文明理念贯穿到整个土地资源和矿产资源的开发利用过程中不仅要注重土地数量的保持,还要注重土地利用质量的提升,实现经济效益、生态效益和社会效益的统一。

    宜兴保磷矿基地选矿厂实现零排放

    周文雅 吕振福

    磷矿是地球上不可再生的非金属矿产资源,是一种重要的化工矿物原料,是保证粮食安全不可替代的矿产资源。

    根据《全国矿产资源规划(2016—2020年)》,我国规划有3个磷矿资源基地:滇中、贵州开阳-瓮福、湖北宜兴保。中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所46种重要矿产资源开发利用水平调查项目组2019年奔赴湖北宜兴保磷矿基地进行开发利用水平调查,考察基地内资源的可持续保障情况、开采选别技术水平、尾矿废石的排放情况。

    2018年全国共有磷矿采矿权证288个,湖北宜兴保磷矿资源基地有磷矿采矿权证62个。磷矿是湖北在全国最具比较优势的矿种,查明资源储量74.96亿吨,位居全国第一。为了提高生产效率和产品质量,大部分企业都会优先使用高品位磷矿,以避免不必要的原材料消耗、减少产生的废渣、提高磷矿的利用率。中低品位的磷矿石一般要通过一些特定的选矿技术,得到磷含量较高的精矿,才能用于后续的生产。宜昌的磷矿资源具有明显的夹层结构,中层为富矿,上下两层均为贫矿。特殊的矿层结构加上历史原因,宜昌当地采富弃贫的现象普遍。

    湖北省磷矿资源管理暂行办法要求对磷矿必须“全层开采,全部入选”;对开采规模实行总量控制;对磷矿石(粉)实行凭准运单运输的准运制度;逐步重组和关闭生产能力在 15 万吨/年以下的磷矿企业,提升资源利用水平。宜昌市继续减少磷矿石开采计划,2018年在1300万吨的基础上又缩减了300 万吨。一系列措施,有效保障了湖北磷矿资源的可持续发展。

    2018年,湖北宜兴保磷矿基地内磷矿企业有62家,在产企业54家,均采用地下开采,运营期间采掘废石不出坑,回填采空区,既可降低采空区上方的开裂、沉降变形,又防止固体废弃物对环境的污染。由于基地磷矿实行开采总量控制,基地内总设计采矿能力3212.5万吨,实际采出矿石1440.795万吨,平均采矿产能利用率46.02 %。

    湖北宜兴保磷矿基地选矿厂普遍采用重介质旋流器进行磷矿选别。磷矿原矿破碎后进入重介质旋流器,品位高的磷矿颗粒在旋流器中下沉,成为精矿产品;品位低的磷矿颗粒在旋流器中上浮,随溢流水排出,成为尾矿产品。所有生产废水净化后全部循环使用,完全实现零排放。

    宜兴保磷矿基地2018年排放磷矿废石70.94万吨,年利用磷矿废石95.87万吨,磷矿废石累计积存量为194.26万吨,2018年磷矿废石利用率为135.14% 。

    宜兴保磷矿基地2018年排放磷矿尾矿41.32万吨,年利用磷矿尾矿37.32万吨,平均磷矿尾矿利用率为90.32 %,累计磷矿尾矿积存量为95.89万吨。

    磷矿属于不可再生资源,缺乏相应的替代品种,被列为我国重要的战略资源,在国家粮食生产安全中占有极其重要的地位。湖北宜兴保磷矿资源基地资源储量大,2016年湖北远安发现一特大型磷矿床,初步探明储量达4.29亿吨,是我国首次发现的单一矿区最大规模磷矿,后备资源丰富。湖北对磷矿实行开采总量控制性管理,可有效保障我国未来磷的供应能力,保障我国粮食安全,助力中国磷业发展。

    材料界的“百变星君”——石墨

    郭理想 张然 刘磊

    地球上的碳分布非常广泛,既可以分布于地壳表层,又可以存在于地壳深部甚至是地球内部更深处的地幔中。此外,碳还是地球上生物体的基本组成元素之一。同时,其存在的状态也很多样,氧化态、还原态以及单质形式的碳均能在各种自然和人为环境中存在。截至目前,自然界中已发现的由碳单质构成的物质有三种:第一种是价值斐然、人尽皆知的钻石,第二种是与我们的日常生活密切相关的石墨,第三种是尚存争议且人们知之甚少的卡宾碳。

    石墨最早由德国矿物学家A.G.Werner(1749~1817)命名。自然界中产出的石墨外观呈现出钢灰色或黑色,形状主要有鳞片状和土状两类,还有部分以块状形式产出。其化学成分主要是碳,天然产出的石墨成分纯净的很少,其中常包含SiO2、Al2O3、FeO以及粘土、沥青等杂质。

    石墨矿床的形成需要具备以下两个主要条件:大量的碳,即碳质要集中,它们是形成石墨的主要原材料;合适的热力学条件,例如相当高的温度,好比是工厂中用于生产的机器需要合适的工作参数和加工环境。

    全球石墨资源分布广泛,美国地质调查局最新发布的《世界矿产品概要2019》中的数据显示,全球范围内的石墨储量主要分布在土耳其、中国、巴西、莫桑比克、坦桑尼亚、印度、越南等国。其中晶质石墨主要分布在中国、巴西、莫桑比克、乌克兰、马达加斯加等地,隐晶质石墨主要分布在土耳其、印度、墨西哥等地。

    我国是传统的石墨生产和消费大国。石墨属于不可再生资源,是我国的优势矿种,我国在2016年12月将晶质石墨列入国家战略性矿产目录。根据自然资源部最新发布的《中国矿产资源报告2019》显示,我国晶质石墨查明资源储量为4.37亿吨,主要分布在黑龙江、山东、内蒙古、吉林和湖南5个省(区)。我国已发现的石墨矿床总体上可分为三种类型:区域变质型,如黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东省青岛市莱西南墅石墨矿、内蒙古自治区乌兰察布市兴和石墨矿等;接触变质型,如湖南省郴州市鲁塘石墨矿,吉林省吉林市磐石烟筒山石墨矿等;岩浆热液型,如新疆维吾尔自治区昌吉苏吉泉石墨矿,巴音郭楞蒙古自治州尉犁县托克布拉克石墨矿等。

    石墨的用途也颇为广泛。石墨具备良好的导电、导热、润滑、耐磨,以及耐高温、抗腐蚀、防辐射等诸多优良性能,能用于制造各种产品,被广泛用于国民经济的各个行业,可谓是材料界的“百变星君”。在传统行业中,石墨可作为耐火砖、坩埚、增碳剂等,应用于耐火材料和钢铁工业。由于洁净钢及超低碳钢的发展,以及节能降耗的要求,开发低碳耐火材料已成为必然趋势,石墨在炼钢领域的用量正逐步降低。

    在新能源领域,石墨可作为锂离子电池的负极材料。负极材料对石墨性能要求较高,通常需要将石墨球形化以后,提纯到99.9%以上。在核能领域,天然石墨也发挥着重要作用,球床式高温气冷堆的球形燃料元件中,天然石墨占据64%的比例。

    石墨烯是近年来的热点新型碳材料。英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年首次发现了石墨烯,他们也因此荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。我国目前已经实现以天然石墨为原料,通过氧化石墨-还原法制备石墨烯粉体的工业化量产过程,并在防腐涂料、导热膜等领域有较好的应用效果。未来石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、高端装备、环境治理等领域的应用将进一步深入,有望成为各个重大领域不可或缺的应用材料。

    “工业味精”——锡矿的开发利用

    田敏 张红新

    地壳中锡的平均含量只有0.004%,属于比较稀贵的金属。目前已发现锡矿物和含锡矿物50余种,其中具有工业意义的主要矿物为:锡石、黄锡矿、圆柱锡矿、硫锡铅矿、辉锑锡铅矿。地球上锡矿主要呈带状分布在东南亚和东亚两大锡矿带,东南亚锡矿带北起缅甸的掸邦高原,沿缅泰边境向南延伸到印度尼西亚。东亚锡矿带西起中国云南个旧,延伸至广西,南起朝鲜,经中国延伸至俄罗斯。中国居于东亚锡矿带的主要区域,因此成为全球锡资源储备第一大国。近年来数据显示,全球锡储量共约480万吨,中国拥有150万吨,印尼80万吨,巴西70万吨,玻利维亚40万吨,澳大利亚37万吨。

    我国锡矿资源分布较为集中,主要分布在云南、广西和湖南三个省(区),三个省(区)锡精矿产量合计约占全国总产量的90%。目前,世界上有20多个国家开采锡矿,自1993年以来中国锡精矿产量一直居于世界第一。

    我国锡矿资源按照矿物组成不同分为三类:原生锡矿、砂锡矿和其他类型锡矿石,储量分别为92.88%、0.80%和6.32%。原生锡矿主要分布在广西和云南,合计占总累计查明储量的83.06%。目前,工业生产中锡矿选厂根据资源类型的不同,共有7种方法处理矿石,分别为重选、单一浮选、浮-重-浮、浮-磁-重、重-浮-磁、重-磁-浮、重选-浮选,重选法处理矿石量最多,单一浮选法处理的原矿品位最高。我国资源量最大的原生锡矿和砂锡矿主要采用重选工艺,使用的机械设备有跳汰、摇床、溜槽及离心机等重选设备。我国虽然锡矿储量丰富,但品位较低,主要集中在0.1%~1%之间。国内矿山企业着力提高锡矿伴生资源综合利用水平,通过科学制定选矿工艺,回收共伴生组分11种元素,包括镉、硫铁矿、镍、铅、锑、铁、铜、钨、锌、铟、银。

    锡最大的优点是可以100%回收,符合环保、节能、节约资源的国家战略,国家不断出台多项政策鼓励扩大锡的应用领域。近几年,我国电子产品出口日益增多,在欧盟《关于报废电子电器设备指令》和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》发布实施后,欧洲将强制步入无铅化电子时代。中国电子无铅化趋向势在必行,预计我国在锡焊料领域中消费量年增长率将在10%左右;塑料工业生产因环保要求,将扩大锡热稳定剂的使用;硫酸亚锡作为新型绿色环保水泥的添加剂,在近几年发展较快。随着我国汽车、钢铁、机械制造业和矿山工业的发展,锡的使用量会逐步增加,锡产业将迎来长期良好的发展前景。

    你了解氟中毒吗?

    冯乃琦 张永康 曹耀华

    氟在自然环境中广泛分布且与人体健康密切相关,主要分布在人的骨骼、牙齿、指甲和毛发中。氟是与人体健康密切相关的必需微量元素,但若摄入过量就会引起氟中毒,氟污染还可以使动植物中毒,影响农牧业生产。我国地方性氟中毒病区分布广、病情重,遍及29个省、市、自治区。全国有病区县1314个,病区村10万余个,受威胁人口超过1亿人。

    一、什么是地方性氟中毒?

    地方性氟中毒,是指在自然条件下,人们长期生活在高氟环境中,主要通过饮水、空气或食物等摄入过量的氟而导致全身慢性蓄积性中毒。

    二、地方性氟中毒的危害是什么?

    地方性氟中毒是一种慢性全身性疾病,主要表现在牙齿和骨骼上。对牙齿的损害主要表现为氟斑牙。主要危害为7~8岁以下的婴幼儿,一旦形成残留终生。

    对骨骼的损伤会引起氟骨症,主要表现腰腿及全身关节麻木、疼痛、骨关节变形,出现弯腰和驼背,最后发生功能障碍,乃至瘫痪。另外还可能对神经系统产生障碍,对肌肉、肾脏、甲状腺、甲状腺旁腺等产生不同程度的损害。

    三、大气、土壤和水中的氟是从哪里来的?

    大气中的氟:大气中氟的人为来源主要是工矿业的生产过程和煤炭燃烧的排放,以气态和颗粒形式将氟化物释放到环境中。

    土壤中的氟:土壤中氟的来源主要有3个途径:岩石中含氟矿物的风化;火山喷发进入大气的含氟化合物经干湿沉降进入土壤;人类工业活动。据估计,我国磷肥厂一年排放10多万吨氟,砖瓦厂排氟量达50万吨以上。此外,钢铁、制铝、化学磷肥、玻璃、陶瓷、氟化工等工业以及燃煤过程中排放的含氟三废,数量也极高。

    水中的氟:萤石和磷灰石的溶解是地下水中氟的主要来源,黑云母、角闪石以及含蛭石、高岭石和蒙脱石的黏土矿物也是其来源之一。

    四、地方性氟中毒有哪几种类型?

    根据氟的来源和摄氟途径不同,将地方性氟中毒分为三大类:饮水型氟中毒、燃煤污染型氟中毒、饮茶型氟中毒。

    五、地方性氟中毒临床表现有哪些?

    氟中毒最突出的表现是骨骼和牙齿受损害。骨骼损害引起氟骨症,出现全身关节疼痛,四肢或躯干麻木,手足抽搐、僵硬,严重时还有关节活动困难,弯腰驼背,胸廓变形,甚至不能直立行走,丧失劳动能力。

    六、影响氟中毒发病的主要因素有哪些?

    一是摄氟量:摄氟量高,发病率高,病情严重。二是营养条件:蛋白质、钙和维生素有抗氟保护机体的作用。三是饮水中的化学成分及硬度。饮水中的钙和镁可降低人体对氟的吸收,促进氟从体内排泄,减少氟对机体的危害。饮水的碱度增强可使氟的活性增强,有利于氟的吸收和增加氟的毒性。四是抗氟元素的摄入,如钙、镁、铝、硼、锌、硒、铜、钼、铁等,可促进氟由体内排出或增强某些酶的活性,从而提高机体抗氟能力,降低氟的毒性。五是生活、饮食习惯与燃煤污染型和饮茶型地方性氟中毒有着极为密切的关系。

    七、氟中毒的预防措施有哪些?

    饮水型氟中毒病区预防的根本措施是降低水氟含量,使之达到生活饮用水卫生标准。

    一是改换水源。在有条件的地区采用引水、打深井等措施,使病区群众改用低氟水源。二是在干旱地区,可利用物理、化学方法除去水中过量的氟,使之达到生活饮用水卫生标准的要求。常用的方法有混凝沉淀法、活性氧化铝吸附过滤法、骨炭过滤法等。三是饮茶型氟中毒病区要大力宣传高氟茶的危害,使病区广大群众认识到高氟对人体健康危害的严重性,自觉改变不良的饮茶习惯,增强自我防病能力。

    八、地方性氟中毒该如何治疗?

    地方性氟中毒由于发病机理不太清楚,目前尚未研究出根本有效的治疗方法,只能对症或缓解某些症状,减轻病人痛苦。

    一是切断氟源,减少机体摄氟量。根据病区类型和特点,采取不同措施,把环境介质中的氟含量降到或控制在国家标准范围内,减少机体摄氟量。

    二是减少机体对氟的吸收。利用某些元素与氟的亲和力与氟离子结合,形成新的难溶性盐,不能被机体吸收利用,如铝、硼、钙等元素。

    三是促进体内氟的排泄。体内氟主要从肾脏排泄,某些药物和元素能促进氟从机体排出。如甘草和维生素C,两者对增强体内新陈代谢、加强利尿解毒有一定作用。

    四是改善生活条件。生活条件和营养状况对地方性氟中毒的发生与发展有直接影响,改善生活条件,增强机体抵抗力,补充必要的营养,有利于减轻发病和提高疗效。

    五是对症治疗。地方性氟中毒患者常出现疼痛、麻木、抽搐,以及消化系统、神经系统障碍等症状,可给以镇静、镇痛、助消化等药物,解除患者痛苦。

    九、刷牙会导致氟中毒吗?

    我国居民氟的适宜摄入量应在1.0到1.5毫克之间,可耐受最高摄入量为3毫克,超过此安全限值,氟就会在体内积蓄,引起氟中毒。我国牙膏含氟量标准是:成人牙膏0.05%~0.15%。如果使用1克的含氟牙膏(约1厘米长的膏体),每天刷牙2次,氟总量只为2~3毫克。刷牙后吐掉泡沫,已经吐掉了大部分的氟,剩下吞咽到体内的氟只是很少的一部分,不会对人体产生伤害。

    对于儿童,特别是6岁以下的儿童,由于吞咽反射比较差,容易在刷牙时吞入牙膏,要注意防止氟摄入过量。一方面,儿童应该使用含氟量更少的儿童牙膏,并且每天刷牙不超过2次。另一方面,家长要监督孩子刷牙,鼓励他们吐出泡沫,不要吞咽。偶尔发生的吞入不用过于担心,因为即使是使用含氟1500毫克/千克的牙膏,1岁儿童也要一次服下33克才会达到可能中毒量。

    走近资源王国 实现人与自然和谐发展

    近期,由自然资源部中国地质调查局武汉地质调查中心承担的“北海海岸带陆海统筹综合地质调查”二级项目,在冯家江河口潮间带首次开展物探方法试验取得成功。项目组采用高密度电阻率法,通过铺设水下沉缆、水面测量的方式,成功获取了50米以浅电性资料,查明了潮间带海底地质结构。

    冯家江位于北海市银滩东岸和龙潭辖区之间,是北海市唯一、最大的内陆潮汐河流,其下游生长有大片红树林,是北海市区重要的生态廊道,也是“北海海岸带陆海统筹综合地质调查”二级项目2018年海岸带重点工作区之一。由于潮间带潮汐涨落变化快、风大浪急、海水流速快等特点,传统物探工作存在“陆上物探下不了海,海上物探不上了陆”的难题,使得潮间带长久以来成为物探工作的空白区。本次通过探索潮间带物探工作方法实现陆海统筹,也是二级项目的科技创新目标任务之一。

    项目组在前期踏勘的基础上,精心准备、不断优化试验方案,克服了一系列不利因素,于退潮间隙开展物探试验。试验测线位于海景大道冯家江大桥下游约400米处海面,低潮位水深不到1米。利用泡沫浮排作为运输载体,在海底沙滩上铺设水中电缆,在水面浮排上进行测量,获得了高质量的数据资料,查明了潮间带50米以浅沉积物类型及分布特征。

    本次试验成功,标志着武汉地调中心利用物探方法实现陆海统筹迈出了坚实的一步,为二级项目探索南方陆海统筹地质调查工作技术方法提供了有力的技术支撑。

    潮间带高密度电法电缆布设 

    潮间带高密度电法TL02线剖面综合成果图 

     
     
    武汉地调中心首次潮间带物探方法试验获得成功

    日前,自然资源部中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所申请的2项发明专利获国家知识产权局授权。

    “一种分离钨钼矿中氧化钼钨矿与硫化钼矿的选矿方法”(专利号为ZL201610465920.X)摒弃了常规优先浮选工艺流程,通过破碎后干式磁选将硫化钼和氧化钼钨在磨矿前分离,实现了硫化钼和氧化钼钨的分磨分选,同时将部分影响氧化钼钨浮选的脉石矿物分离出来,从而降低了黏土类矿物和碳酸盐矿物等脉石矿物对氧化钼钨的影响。该发明简化了后续浮选工艺流程,同时也降低了因矿石氧化率波动产生选别指标不稳定而造成的指标波动,从而大幅度降低了生产成本,提高了选矿效率。

    “一种低碱耗白钨捕收剂及其应用”(专利号ZL201610856529.2)为一种新型抗钙镁能力较强的氧化钼和白钨矿捕收剂,特别适用于高硬水地区和含可溶性盐类矿物的矿石的氧化钼和白钨矿的浮选回收。较常规捕收剂其具有用碱量低,指标优异的特点。

    据了解,工业上对氧化钼矿石尤其伴生有钨的氧化钼矿石的选别及提取的生产先例较少,现阶段国内外氧化钼矿石的富集生产主要是选矿和化工浸出两种工艺。由于氧化钼钨矿石中75%以上的脉石矿物为碳酸盐,采用盐酸或硫酸直接浸出,处理成本高,同时对环境不友好,因此化工工艺较难直接用于生产实践。选矿加工方法主要以浮选为主,多采用优先浮选硫化钼再浮选氧化钼钨的原则工艺流程。大量的生产实践表明,因矿石中的粘土、碳酸盐类矿物、可溶性盐类矿物等脉石矿物在磨矿中形成的矿泥恶化了泡沫浮选指标及矿石中可溶性盐类矿物、浮选用水的可溶性离子对浮选指标的影响,氧化钼钨选别效果并不理想。基于此,郑州综合利用所科研人员经多年技术攻关,成功研制出以上方法和捕收剂,有效解决了传统工艺流程存在的问题。

     

     

     
    郑州综合利用所新获国家发明专利2项

    3月28日,中国地质调查局青岛海洋地质研究所组织职工开展了消防知识与灭火实操培训,进一步增强了职工安全意识,提高职工消防知识与应急技能。

    在理论课上,培训老师结合火灾事故案例系统讲解了火灾分类、灭火器的种类及适用范围,办公室和家庭日常防火与灭火常识等消防知识。理论课后,开展了灭火实操演练。培训老师针对日常生活中常见的二氧化碳灭火器、干粉灭火器和泡沫灭火器的使用方法进行了详细讲解和灭火演示,随后,参加培训职工一一进行了灭火实际操作。

    据悉,青岛海洋所2017年已组织2次消防专题培训,本次培训是为实现单位职工消防培训全员覆盖目标的延续,旨在让每一位职工熟悉消防知识,熟练掌握灭火器的使用。

    青岛海洋所组织开展消防知识与灭火实操培训

        在迷你系列“页岩气神话和现实”三部曲中的第二部分里,我想论述的问题是围绕页岩气这一新型资源的一系列核心问题中的一个:页岩气究竟是便宜还是贵?上周,在安得烈蒙特福德的“Bishop Hill”博客上的激烈讨论中,我声称页岩气是贵的,而非便宜。这一观点引发了一系列长篇大论的怀疑和反对。
        相反观点认为,页岩气便宜而且很便宜。因为使用页岩气还可以节省许多钻探和输送页岩气所需的钢管的费用,以及制造钢管所需的人工费。
        根据前期对页岩气成本所做的一些调查,我认为保本价格可能在4美元到8美元/千立方英尺之间(每一千立方英尺的价格大致相当于每百万英制热量单位的价格,即美元/百万btu)。一个应注意到的极其重要的情况是:如果是在欧洲,目前4美元到8美元的价格是便宜的;如果是在日本则是非常便宜的;但是如果是在北美,这个价格很贵(图1)。因此,对全生命周期生产成本简单地做出贵或便宜的结论不是一个明智的方式。


    图1  全球天然气年平均价格的变化(据英国石油公司)

    北美页岩气开发、福岛核事故和液化天然气的短缺是推动价格变化的几个主要因素。右边的灰色栏显示美国页岩气保本价格的最小值、最大值和中值(据贝克研究所Ken Medlock)。如果是在日本,这3种价格都非常便宜,但在美国却会被认为是很高的价格,基本上仍然高于美国当前的现货价格(每百万英热量单位3.85美元)。
       

        在对已公布的页岩气全生命周期盈亏成本估计数字进行更详细的分析前,这里将首先非常简要地概述美国页岩气生产的历史和页岩气产量惊人的增长速度。因为了解过去,有助于理解现在,并有可能预见未来。

       一、美国页岩气产量

        图2显示了David Hughes编制的美国页岩气产量增长的历史。可以看出,美国页岩气主要产自Haynesville、Barnett、Marcellus和Fayetteville这4个地区(图2和图3)。页岩气产量已经从2007年每天约40亿立方英尺增长到2012年每天约260亿立方英尺!页岩气产量的增长对美国天然气总产量有实质的影响,美国天然气总产量从1995年~2002年每月2万亿立方英尺的稳定水平增长到2012年每月2.5万亿立方英尺(图4)。一些人认为这是美国向能源独立的迈进,然而也有人认为受成本和递减率的影响,这可能是一个能源泡沫。


    图2  2000~2012年美国各地区页岩气产量累计
    (产量从21世纪初的停滞状态到现在惊人的每天250亿立方英尺)

    图3  美国和加拿大主要页岩气和石油产地(资料来源:美国能源信息署)

    图4  自1993年以来美国不同类型天然气产量的变化(基于美国能源信息署数据制作)
    2006年数据系列的异常是因为页岩气数据的引入。在此之前,页岩气产量包括在传统的干气产量中。2011年末,页岩气占美国天然气总产量的32%。据David Hughes的调查结果,页岩气产量到2012年末已占美国天然气总产量的40%(图2)。

        美国页岩气产量的超常增长并不是偶然发生的。从2003年开始美国钻探工业进入超速发展期,到2008年夏天钻探设备总数是2003年的两倍多,达到2000台(图5)。大多数钻探设备是开采天然气的,把图5、图2和图4结合起来,就会明显地看到越来越多的钻机把开采页岩气作为目标,这是以常规天然气产量的减少为代价的,其维持多年的稳定水平从2007年开始下降(图5)。2008年8月金融危机爆发后,钻探活动急剧减少,因为当时所有人都在评估今后全球金融体系的格局。美国的钻探活动在2009和2010年迅速恢复。随后又开始了从页岩气开采向页岩油开采的大转移(图5)。金融危机以前,大约有400台石油钻机,1600台天然气钻机。现在是大约1400台石油钻机,400台天然气钻机。


    图5  美国贝克休斯油田服务公司提供的美国钻机数与美国能源信息署提供的天然气总产量对比


        1995年以来,美国钻探队伍的规模已经从大约700台钻探设备增长到2000台。在很长一段时间里,美国增长的钻探工作量仅仅能够弥补减少的工作量,从而维持总体工作量不下降的局面,直至钻探行业把目标转向页岩。与开采非常成熟的常规天然气相比,新的页岩气开采项目显然给公司带来了更高的产量回报。是否页岩气开采也能给公司带来更高的经济回报尚待分晓。有证据显示天然气总产量在过去的24个月里始终维持在一个稳定水平上。
        油气公司从开采天然气转向开采石油的原因很简单。页岩气的生产过剩使价格从2008年6月的超过13美元/千立方英尺下降到2012年4月的不到2美元/千立方英尺(图6)。在相同的时间段里,石油价格要高得多,从而激励了页岩气开采向页岩油开采的大转移。不到2美元/千立方英尺的天然气价格对于美国消费者和经济增长来说是一个异想天开的数字,但却导致了埃克森美孚公司首席执行官Rex Tillerson的著名宣告:“今天我们的财产全部化为乌有”。他在纽约外交关系理事会的一次发言里说,“我们没赚到钱,账面上都是红色赤字。”


    图6  亨利中心天然气现货价格(资料来源:美国能源信息署)


        欧洲和亚洲各国政府对美国的低价格羡慕不已,因为福岛核事故和2012年液化天然气供应量的下降导致了国际市场上天然气短缺,使价格飙升到历史最高水平,同时也导致了不同地区天然气价格的巨大差距(图1)。美国天然气价格下降到小于2美元/千立方英尺的情况制造了一个错觉,即页岩气是便宜的。但实际上是生产过剩使得美国天然气价格大跌至公司可以获益的水平以下。这种情况对社会是不利的,因为社会的生存有赖于可以赢利的能源工业,但社会没有意识到这一点。

       二、页岩气的实际成本是多少?

        在北美,页岩气的全生命周期实际生产成本是多少?没有单一的和简单的回答,有大量的变量需要考虑:
         1. 气井的最终回收率(EUR)
         2. 钻井的沉没成本
         3. 土地成本
         4. 管道、加工设备和运输至市场的成本
         5. 税和权利金
         6. 付出利息和利率
         7. 公司日常管理费
        不同州之间在某些变量上的差异是很大的,例如税制,北美和欧洲之间税制差异更大。在以下给出的各种各样的评估结果里,在某些情况下还不清楚是否使用了全生命周期经济评估法或“远期点”(point-forward)经济评估法。下面是莱斯大学贝克研究所能源研究中心资深总监Ken Medlock的评估结果。
        “一些井每千立方英尺只投入2.65美元成本就可以盈利,其它的需要投入8.10美元……中值是4.85美元。”


    图7  Ruud Weijermars在其学术论文中指出,美国不同产地的页岩气最低价格在每千立方英尺4到6美元之间。

    左图:2007~2011年美国主要的页岩气产区的产量;右图:美国主要页岩气产区的盈亏平衡点边际价格

        图1中已标示了上述3个价格。图7引自一项学术研究的结果,显示最低成本为每千立方英尺4到6美元。
        页岩气分析和评论家Arthur Berman在其2012年的论文中指出,按8%的贴现率计算,美国Barnett、Fayetteville和Haynesville三地生产的页岩气的全生命周期成本超过了8美元。Berman认为公司一直在高估最终回收率,因此相对成本实际上比公司公布的要高。按天然气的现价计,美国所有页岩气产区都是非盈利的。
       一家主要石油公司的前首席执行官说:一切都取决于页岩气的价格。如果价格在每千立方英尺4~5美元,则页岩气产量会很高。
        总之,情况似乎很明显,如果价格低于每千立方英尺2美元,则整个页岩气行业就无利可图。现有的证据表明,贝克研究所Ken Medlock对页岩气价格的估计是比较合理的。各个公司的利润率取决于他们总体业务的质量。只有时间能够证明Weijermars和Berman估计的高价格是否会因页岩气产量低于当前的预测量而实现。但这是一个极端不稳定和活跃的行业,效率一直在提升,因此对成本,尤其是今后成本的预测极其困难。

       三、美国页岩气的未来

        有迹象显示,美国页岩气产量增长速度的急剧放缓已经开始导致美国天然气总产量增速放缓。在过去24个月内,美国天然气总产量始终稳定在一个水平上可能就是证据(图5)。令人惊奇的是开采速率下降之后,产气量继续上升。部分是由于开采与输送系统之间的时间滞差。气井需要等管道接通,任何时候都有储备的新井闲置在那里等待连接管道。而且钻井效率也提高了,水力压裂和完井技术也正在改善,类似宾夕法尼亚州Marcellus的一些地区,生产的热点地区正在被发现和钻探。以下这段话引自“傻瓜投资指南”网:
        根据贝克休斯的数据,相当多公司都在采用垫块钻井方法。因此北美地区2013年第三季度的钻井工作量比2012年第一季度高出15%不应该感到惊讶。
    根    据美国能源信息署的数据,在美国北达科他州的巴肯页岩区,今年新井每台钻机的日产油量预计将提高将近一倍。去年的日产油量略高于250桶,而今年12月的日产油量估计可达到496桶。同样,在德克萨斯州的老鹰堡页岩区,新井每台钻机的日产量预计可从去年的约200桶增加至今年的413桶。
        这样一来,油气的供求似乎有可能实现平衡。400台钻机能够生产出足够多的石油以弥补天然气产量的下降。美国对廉价天然气的需求已经提高了,还需要从加拿大进口少量天然气。在现在市场条件下,很难想象还会有钻机从开采石油转向开采天然气。因此,合理的预测似乎是:石油产量的增长可能会停下来,甚至在中期可能逆转,这种情况将持续到天然气价格回升到某个水平上,足以使上述在巴肯和老鹰堡页岩区开采石油的钻机又转向开采页岩气。
        页岩气开采效率的惊人增长速度肯定会在达到某个水平后放缓。从长远看,产量将取决于能够发现多少高效和高产的气井。只要新井的质量继续高于老井,那么页岩气的奇迹似乎将永远继续下去。
        根据上面的分析,美国天然气价格可能将继续上涨,并在短期内升至每千立方英尺5美元。市民可能会因此而抱怨,但应该认识到只有把价格维持在这个水平,页岩气开采业才有可能至少在一段时期内繁荣发展,美国经济才会受益。按照5美元/立方英尺的价格,那些拥有低成本、高效率气井的公司可以赚许多钱,而那些只有高成本、低效率气井的公司则可能无利可图。

    美国页岩气的真实成本是多少?

     

     

    5月12日,联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心(以下简称中心)在中国河北廊坊挂牌成立。该中心依托中国地质调查局中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所建立,致力于提升全球地球化学调查研究水平,推进“化学地球”国际大科学计划实施,为促进地球科学进步、人与自然和谐发展贡献中国力量。

      就今后如何为全球资源环境问题解决贡献中国力量,以及中心如何推进“化学地球”国际大科学计划实施,记者采访了中心副主任王学求。

      奠定金矿区域化探理论基础

      中国勘查地球化学开创者——中国科学院院士谢学锦1951年开始地球化学探矿实验,揭开了中国勘查地球化学序幕。中国勘查地球化学研究对世界最大的贡献,莫过于金异常形成理论和金的分析技术。这一贡献,正是来自于王学求与他所在的研究团队。

      据王学求介绍,传统理论认为,由于金比重大和化学惰性,不可能在水系里长距离迁移。那么,自然界中大规模金的地球化学异常是如何形成?这一疑问一直困扰着地球化学家。

      作为谢学锦院士研究团队的一员,王学求在谢学锦院士的指导下,通过实验发现了地球化学样品中大量存在粒径小于5微米的亚微米、纳米金,其含量占总金量的30%~90%。王学求据此提出了超微细金的概念,被国外同行称作“超微细金勘查概念模型”。

      实验证实,超微细金具有极强的活动性,不仅可以以机械形式被各种营力作长距离搬运,而且具有很强的化学活动性,可以部分被水所溶解迁移。“这一发现,圆满地解释了大规模区域金异常形成的机理,并克服了粒金效应采样难题,为金矿区域化探奠定了理论基础,使金矿区域化探由一门经验或技术,上升成为一门真正的科学。”王学求说。同时,中国创新性发明了活性炭富集或聚胺酯泡沫塑料富集金技术,使金分析检出限降到了0.3纳克/克,为圈定低含量金异常提供了技术保障。这一研究成果广泛应用后,金矿化探取得突出找矿成就——发现金矿近1000处。

      深穿透地球化学技术助力隐伏矿产勘查

      我国的勘查地球化学家一直努力研究能探测更大深度的穿透性地球化学找矿方法。

      “在国家项目支持下,我们首次在矿体及其上方土壤和气体中同时发现了六边形的纳米铜、金晶体。纳米金属晶体只有在一定的温度和压力条件下才能形成,这证明隐伏内生矿体纳米金属微粒可以通过岩石微裂隙和纳米孔喉垂直迁移到达地表。实验模拟证实,纳米金属微粒具有极强的穿透能力和快速迁移能力。” 王学求谈起深穿透地球化学找矿如数家珍。

      纳米金属微粒迁移证据的发现,为元素从内生矿床向地表的垂向迁移提供了直接微观证据,实现了覆盖区勘查地球化学迁移机理研究从描述性模型到实证性科学质的飞跃。研究团队据此发明了具有自主知识产权的系列深穿透地球化学技术,并投入应用,填补了盆地地球化学调查的空白。

      王学求及其团队研发的深穿透地球化学等新方法新技术,结合传统地球化学找矿方法和现代分析测试技术,形成了一套有效的地球化学矿产勘查方法技术组合,为国家紧缺矿产资源,如大型金矿、铀矿和铅锌矿的发现提供了重要找矿线索。

      据不完全统计,自1999年以来运用该团队所发展的地球化学方法,发现大型以上金矿16处、银矿3处、铜矿21处、铅锌矿7处、锡矿7处。这些矿产资源的发现和探明,大大提高了国家的资源保障能力。

      引领实施全球地球化学基准计划

      作为全球地球化学基准委员会主席,王学求领导并实施了迄今为止国际地球化学界最大规模的国际合作研究计划——全球地球化学基准计划。

      王学求介绍说,该项计划共有来自69个国家的169位科学家参加,目前已建立了覆盖面积近3200万平方千米、约占全球陆地面积22%的全球地球化学基准网,分析元素达76种,为了解全球地球化学背景、全球资源评价、衡量未来全球化学变化和了解过去地球化学演化提供了定量参照标尺。

      通过该计划的实施,还提供了过去地球化学填图所没有包含的化学元素,如三稀元素、铂族元素、铀等远景区50余处;开发了全球地球化学一张图平台“化学地球”;制定国际地球化学填图系列指南,对引领国际地球化学填图具有奠基性意义。

      此外,在计划实施过程中,还系统测定了不同地质时代岩石和土壤中的全碳、有机碳和二氧化碳含量,为自然界碳循环和全球变化提供了基础数据。

      中国为大科学计划实施提供经验借鉴

      “化学地球”国际大科学计划的目标,是要将元素周期表上所有化学元素的含量和分布绘制在地球上,为全球资源可持续利用和全球环境变化研究提供基础数据,为政府决策提供科学依据。

      “中国在地球化学领域取得的成就,使得集研究与调查、科学与工程、资源与环境一体化的大科学计划——“化学地球”成为可能。”王学求强调,而且中国区域化探全国扫面计划、全国土地质量地球化学调查计划、全国地下水水质调查计划、全国地球化学基准计划的实施,积累了中国协调多部门、多地区,组织成千上万人员参与实施大计划的运行经验,为“化学地球”大科学计划的实施提供了可借鉴的模式。

      据了解,国际大科学计划的实施分三个阶段推进,2016年为准备阶段,主要形成计划立项建议书。2017~2020年,为计划的实施阶段,主要任务是建成覆盖全球50%陆地的地球化学基准网,建成关键带地球化学观测网平台,开展中国关键带地球化学观测网建设试验研究;初步建成“化学地球”大数据平台;完成“一带一路”重点国家地球化学填图500万平方千米;发布第一期76个化学元素基准值和基准地球化学图。2021年,完成计划工作报告和成果报告。

      在区域部署上,对已基本建立基准网的欧美澳发达国家,将补充分析未测试元素,对数据质量进行评估后,纳入全球大数据平台。对与中国已签订协议或谅解备忘录的国家,由中国地质调查局物化探所和六大区地质调查中心分工实施。对其他尚未建立基准网的发展中国家,将由全球尺度地球化学国际研究中心牵头,组织申报并联合实施地球化学填图国际合作项目。

      有机协调各国共同参与大计划实施

    环境污染和资源短缺问题备受关注,联合国教科文组织需要一个权威机构提供系统的、持续的全球科学数据和解决方案。联合国教科文组织和中国政府批准在中国建立全球尺度地球化学国际研究中心,反映了国际社会期盼中国为人类作出更多贡献。联合国教科文组织助理总干事弗莱维娅·施莱格尔表示,“全球尺度地球化学国际研究中心将提供全球高质量地球化学数据和图件,这些数据和图件将为认知地球化学属性作出巨大贡献”。

      “‘化学地球’国际大科学计划的顺利实施,需要加强政府和国际组织的统筹和协调,增强全球地球化学研究人才的科研能力,建立统筹、协调、合作的工作机制,形成统一技术路线。”王学求说。

      据介绍,全球尺度地球化学国际研究中心将搭建以中心为引领的大计划运作平台,大力推进“化学地球”大科学计划实施;瞄准应用地球化学前沿,加大高层次、国际合作复合型人才的培养力度,建立与国外高校或科研机构双边或多边人才培养和交流将平台,凝聚和发挥全球优秀团队和人才智慧,为计划实施提供人才保障。

      国际大科学计划的实施,在国际上将依托联合国教科文组织及其190余个会员国,国际地质科学联合会,全球地球化学基准委员会等国际组织,在非洲将依托非洲国家地质调查局长联盟和非洲地质学会的多边平台,在亚洲将利用与东盟、CCOP、中国—上海合作组织等已有的合作网络,在拉丁美洲将借助拉美多边组织平台,在欧洲和北美将依托欧洲地质调查局地球化学专家组、北美地球化学景观计划协调组等国家和机构,积极推进多边、双边国际合作网络建立,建立统筹协调、分工协作、多元开放的国际合作工作机制。

      该计划通过联合国际地球化学组织和研究机构,利用全球尺度地球化学国际研究中心平台,加强实施“化学地球”技术体系、实验室分析能力和大数据平台建设,形成统一技术路线,牵头制定国际认可、技术先进、科学适用的国际技术标准。

      “通过大计划的实施,最终我们将建立起‘化学地球’平台与地球化学大数据共享系统。就像人们运用“谷歌地球”来定位、测量距离、查询路线和地形地貌一样,将来进入“化学地球”,人们点击就可查询了解和环境或健康有关的水、土地等有害和有益元素信息以及与资源有关的成矿元素分布信息。”王学求表示。



    地球化学,步入“中国引领”时代
        5月12日,联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心(以下简称中心)在中国河北廊坊成立。这是世界首个地球化学国际研究中心,标志着中国地球化学发展进入一个新的历史阶段,同时也是中国地质调查局向世界一流地调局迈进的重要一步。该中心依托中国地质调查局中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所建立,将致力于提升全球地球化学调查研究水平,推进“化学地球”国际大科学计划实施,为促进地球科学进步、人与地球和谐发展贡献中国力量。


    全球地球化学 基准网采样网格

    化学元素,构成了地球上的一切,包括所有的动物、植物和矿物。摸清地球上各种化学元素的分布状况及迁移规律,对了解地球演化、生命演化、解决人类所面临的资源和环境问题至关重要。

    5月12日成立的联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心,就是要将元素周期表上所有化学元素的含量和分布绘制在地球上,编制全球地球化学一张图,建立数字地球的“化学地球”平台,为全球资源可持续利用和全球环境变化研究提供基础数据。

    1. 地球化学调查研究的中国经验

    联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心落户中国,首先看重的是中国在地球化学调查和研究领域取得的巨大成就。

    中国的地球化学研究工作,始于上世纪50年代。1951年,中国勘查地球化学的开拓者和奠基人谢学锦,在中国首次开展了勘查地球化学试验,揭开中国地球化学调查研究的序幕。


    中国绿色富硒耕地分布图

    自1978年开始至今,我国实施的《区域化探全国扫面计划》,是世界上持续时间最长、覆盖面积最大、技术最为系统、找矿效果最为突出的地球化学调查工作。该项计划,完成调查面积700万平方千米,完全覆盖中国山区和丘陵地带,为国家矿产资源基地规划建设提供了重要支撑。据不完全统计,从“六五”到“十二五”的35年间,通过区域地球化学调查发现各类矿床2570处,支撑了近700处中型以上金矿的发现。在此基础上,通过后续勘查探明的金矿资源储量超过4000吨,使我国成为世界第一产金大国。

    1999年开始,国土资源部、中国地质调查局实施了土地质量地球化学调查计划,调查土地调查面积196万平方千米,其中耕地面积95万平方千米,采集了约50万件土壤样品,分析了54个指标。调查发现12.72亿亩无重金属污染耕地,占已调查耕地面积的91.8%;发现的5244万亩富硒耕地资源,已成为地方政府实施精准脱贫的重要抓手。

    2005年开始实施的全国地下水质量与污染调查计划,调查总面积440万平方千米,覆盖了全国主要人口密集区、经济发达区和部分生态脆弱区,共采集地下水样品3.1万组,指标72项,获得数据306万个,提交了首份中国地下水质量与污染调查报告。报告显示,30.2%地下水可直接饮用,34.7%地下水适当处理后可饮用,新发现富含偏硅酸、锶、锌、硒等有益人体健康的优质地下水点2418处,大幅增加了我国饮用天然矿泉水资源。

    2008年~2015年实施的中国地球化学基准计划,建立了覆盖全国大陆930万平方千米的地球化学基准网,制作了81个指标的地球化学基准图,建立了8个重金属元素、3个放射性元素以及全碳和有机碳地球化学基准值,为资源与环境评价提供了定量标尺和长期监测的基础。

    2. 地球化学调查研究的中国贡献

    上述调查计划的实施,在取得丰硕调查成果的基础上,还创造性地发展了金矿勘查地球化学技术、地球化学块体理论、深穿透地球化学理论、超低密度地球化学填图方法,研发了各种景观区地球化学勘查方法、76种元素的分析测试技术,研制了234种地球化学标准物质。这些技术方法的研发,使得中国的地球化学研究走在了世界前列。

    中国勘查地球化学对世界的最大贡献,是发展了金异常形成理论,突破了低含量金分析技术,为金矿区域地球化学勘查奠定了理论基础。

    金矿勘查地球化学理论技术的创新,发现了大量超微细金和纳米金,突破了金是惰性的不能在水系中长距离迁移的传统认识,提出超微细金可以长距离搬运,形成大规模区域异常的新认识,并创新发明了活性炭富集或聚胺酯泡沫塑料富集金技术,使金分析检出限降到了0.3纳克/克,为圈定低含量金异常提供了技术保障。利用该理论技术,我国发现金矿近1000处,占新发现金矿的80%以上。

    通过76种元素高精度实验测试技术的研发,形成了由专业研究机构引领,辐射30个省级地质实验室的全国性地球化学样品分析和质量控制网络,直接从事分析测试人员达3700余人,为不同尺度地球化学调查提供了强大的实验分析测试能力。目前,中国是世界上地球化学元素测试指标最多的国家。

    我国目前已研制出岩石、土壤、水系沉积物、矿石、生物等系列共234种地球化学标准物质,占世界50%以上,为全国乃至全球地球化学分析测试数据的一致性和可对比性提供了技术保障。这些标准物质被美国、加拿大、欧洲等40余个国家采用,并被全球地球化学基准委员会推荐为国际地球化学填图的标准物质。

    研发的具有自主知识产权的“化学地球”软件平台,是世界上首个化学属性的数字地球平台,与具有物理属性的“谷歌地球”一样,是“数字地球”的重要组成部分,可以实现对全球地球化学大数据管理、展示和查询。

    此外,处于国际领先地位的地球化学块体研究,圈定了中国金、银、铜、铅、锌、钨、锡、锑8个主要成矿元素的地球化学块体分布;深穿透勘查地球化学技术,将探测深部矿的能力提升到1000米深度,显著提高了对隐伏矿的探测能力。

    3. 地球化学调查研究的中国引领

    中国是国际地球化学填图计划(IGCP259,1988-1992)和全球地球化学基准计划(IGCP360,1993-1997)的发起国,并担任核心职务,引领计划在全球的实施。

    在联合国教科文组织、国际地科联、全球地球化学基准委员会的指导下,在各国政府的支持下,中国、美国、澳大利亚和欧盟等30余个国家,合作完成了该计划的第一期任务,覆盖面积近3200万平方千米,约占全球陆地面积的22%,分析指标达81个,为建立全球地球化学基准网、监测全球气候变化和全球资源利用奠定了坚实基础。


    国际地球化学填图培训

    在地球化学基准网建立方面,中国与世界各国一道发展了适于世界各种地理地貌景观的汇水域代表性样品采集理论,并牵头制定了一系列技术指南,包括平原区泛滥平原沉积物采样、山区河漫滩沉积物采样、干旱汇水盆地沉积物取样、半干旱草原季节性湖沉积物采样等。建立的地壳全元素(共81个指标)精确实验分析系统和方法,实现了人类首次对元素周期表所有天然元素的分析,所有元素的检出限、报出率、准确度、精密度等指标均达到国际领先水平。

    “化学地球”平台的建立,更是为科学研究、政府决策和社会公众提供了互联网共享服务平台。

    目前,已有69个国家、169位科学家带领的团队参与全球地球化学基准计划,中国举办了26次国际地球化学填图培训班,为亚洲、非洲、拉丁美洲等60余个发展中国家培训600余人。为蒙古地质调查中心培训的20余人,组成蒙古国唯一的地球化学调查队伍,完成了蒙古国70万平方千米的地球化学填图工作。

    此外,中国还牵头制定了3项全球地球化学填图技术指南,目前正在制定实验室分析指南、数据管理与图件编制指南,指导和帮助有关国家和地区制定了5份地球化学填图指南。以“一带一路”为重点,指导并帮助20余个国家开展了地球化学填图工作,为所在国提供了大量第一手数据。

    4. 地球化学调查研究的中国力量

    2009年9月,中国科学院院士谢学锦起草了建立全球尺度地球化学国际研究中心的建议书。随后,在同年10月召开的国际地球化学填图会议上,谢学锦院士、王学求博士和大伟·斯密斯博士等联合提出依托中国地质调查局地科院物化探所建立中心的建议,得到与会全体科学家的一致支持。2010年2月,物化探所会同国际地球科学计划(IGCP)中国委员会,向联合国教科文组织地球科学计划项目处递交了正式申请书。

    中国的申请,得到了国际地球科学计划(IGCP)执行局和国际地科联一致支持,国际应用地球化学家协会、国际地科联全球地球化学基准委员会、国际水文协会大陆侵蚀委员会等国际组织,也纷纷发出支持函。


    2009年各国科学家汇聚廊坊研讨建立国际地球化学研究中心

    2013年6月联合国教科文组织第191次执行局会议通过评估报告。2013年11月,联合国教科文组织第37届大会正式批准在中国廊坊建立全球尺度地球化学国际研究中心。2015年9月,国务院正式批准中心建立。2016年5月12日,全球尺度地球化学国际研究中心在中国地质调查局地科院物化探研究所正式挂牌成立。

    联合国教科文组织于2008年依托中国地质调查局中国地质科学院岩溶地质研究所,在广西桂林建立了国际岩溶研究中心。全球尺度地球化学国际研究中心的成立,使国土资源部成为国内唯一拥有2家教科文组织二类中心的部委。这离不开多年来中国积极参与国际地球科学计划合作研究。截至2015年底,在实施的355项国际地球科学计划项目中,中国参与135项。2015年实施的22个在研的国际地球科学计划项目中,中国科学家参与10项,排名居各会员国首位。

    全国尺度地球化学国际研究中心的建立,是中国深化与世界各国在地球科学领域,尤其是地球化学领域合作的新起点。正如国土资源部部长姜大明所言:“在中国建立全球尺度地球化学国际研究中心,既是联合国教科文组织对中国地质调查机构的信任与支持,也是中国对国际地学发展应尽的责任与义务。”

    根据发展规划,全球尺度地球化学国家研究中心在未来6年将主要开展4项工作:一是建立全球地球化学基准网,开展全球资源评价和环境变化监测;二是开展“一带一路”地球化学填(编)图,服务国家“一带一路”建设;三是编制全球地球化学一张图与化学地球平台建设,向社会提供服务;四是积极准备“化学地球”国际大科学计划。

    5. 地球化学调查研究的国际期盼

    当前,地球科学进入了新的发展阶段,需要从大范围、大尺度、大数据系统认知地球,解决全球资源环境重大问题。创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,也需要开展更大范围、更高水平、更深层次的地球科学创新。

    迄今,人类发现存在于地球中的化学元素有92种,但人类对这些元素在岩石圈、土壤圈、生物圈、水圈和大气圈的分布状况及迁移规律却从未知晓。系统测量化学元素在地球五大圈层的含量,为层圈之间相互作用、物质与能量交换机理研究提供基础数据,是地球科学创新和发展的重大需求。


    “化学地球”平台界面 

    碳排放引起的气候变化、重金属污染变化、放射性注入量的变化等全球变化问题,是当今社会普遍关注的热点问题。而监测全球自然和人为引起的环境变化,需要建立全球地球化学基准作为定量标尺。对全球矿产资源总量的估算,也需要地球化学基准值提供全球成矿物质背景,为人类永续利用自然资源提供重要依据。

    全球尺度地球化学国际研究中心在中国建立,反应了国际社会对中国为地球化学发展作出更多贡献的期盼。

    随着中心的成立,2016年~2021年,中国政府预计投入6亿元~8亿元人民币,积极推进“化学地球”国际大科学计划的实施,依托全球尺度地球化学国际研究中心,牵头组织会员国绘制全球地球化学元素图谱,建立“化学地球”大数据平台,支撑全球自然资源与环境可持续发展,架起决策者、科学团体和社会公众的桥梁。

    正如联合国教科文组织助理总干事弗莱维娅·施莱格尔表示,“全球尺度地球化学国际研究中心将提供全球高质量地球化学数据和图件,这些数据和图件将为认知地球化学属性作出巨大贡献。”“认识地球的化学属性有助于我们更好地管理我们资源,如果我们要实现联合国2030年行动日程可持续发展目标,全球地球化学是至关重要的。”

    “化学地球”国际大科学计划的首要任务是,建立全球地球化学基准网和监测网。全球尺度地球化学国际研究中心副主任王学求形象地把整个地球比喻为一个大实验室,在这间“实验室”里按照160千米×160千米划分5000个基准单元格,在每个基准网格内按照80千米×80千米划分出4个子网格作为“化学地球”国际大科学计划实施的基准网格,全球共1.8万个网格。每个网格内在控制最大汇水域的出口处部署1个采样点,采集样品。

    在地球关键带建立全球地球化学监测网,主要是在世界大河流域入海口三角洲建立1000个长期地球化学立体监测点,对能及时反应污染物和放射性变化的水和大气介质进行实时自动采样和记录,持续获得岩石、土壤、水、生物、大气中重金属、放射性和碳等化学元素的变化和循环数据。

    获得的科学数据,主要用来开展资源估算和环境评价,包括全球资源总量估算以及评价全球重金属、放射性与碳排放环境,进而研究全球重大地质事件地球化学响应。最后,对数据和成果进行集成,在“化学地球”平台向社会发布信息。

    据介绍,该计划未来6年将基本建成覆盖全球50%陆地面积的地球化学基准网,建成关键带地球化学观测网平台和中国关键带地球化学观测网实验观测点100个,建成“化学地球”大数据平台,提交“一带一路”重点国家地球化学图500万平方千米,发布第一期76个化学元素基准值和基准地球化学图,以及中国、北美、欧洲和澳大利亚环境地球科学对比结果。

    相信在不久的将来,随着“化学地球”国家大科学计划的实施,人类对地球的了解将更加透彻,解决资源与环境重大问题的能力将大幅提升。

     

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