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    近期,中国地质科学院矿产资源研究所的中国矿物志编研团队经过多年潜心钻研,完成并出版《中国矿物志》五个分册,分别是第二卷第一分册硫化物及其类似化合物矿物(上、中、下);第二分册硫盐矿物;第三卷第四分册二氧化硅族矿物;第五卷第二分册硼酸盐矿物、磷酸盐类矿物和第三分册碳酸盐和硝酸盐矿物。

    《中国矿物志》的编著计划始于1984年,全书共七卷十七分册,被列为国家出版基金“十三五”重点规划项目。截至目前,资源所中国矿物志编研团队已完成十一卷册的编著工作,五个卷册于近期正式出版,其余六个卷册也将在后期陆续面世 。

    《中国矿物志》作为矿物领域的系统性集成之作,是国家科技发展的基石性工程之一。该系列志书全面记录和集成了新中国成立以来矿物学领域的研究成果,涵盖了自然界已发现的矿物种在中国的产出状况,包括矿物种类、物理和化学特性、产地、产状和分布规律及其资源环境意义,对于全面深入认识我国的矿物种类、特征、产状及分布规律具有不可估量的科学价值。此外,该书可以为我国矿产资源综合调查、评价、开发、综合利用和管理、为新矿物材料与环境功能材料的创新开发等提供基础科学支撑,具有极高的实用价值。

    后续,资源所将继续全力完成《中国矿物志》尚未编著的四个分册,努力实现《中国矿物志》的编著计划,推动《中国矿物志》成果的网络共享。

    《中国矿物志》正式出版——系统记录新中国矿物学研...

    10月15日,2024(第二十六届)中国国际矿业大会在天津开幕。大会以“共促矿业合作 共创美好未来”为主题,凝聚全球矿业合作共识,共促世界矿业繁荣发展。

     开幕式现场 王建超  摄

    全国人大常委会副委员长王东明出席大会开幕式并致辞。王东明表示,中方愿同各国一道,把握新一轮科技革命和能源转型新机遇,以习近平主席提出的构建人类命运共同体和全球发展倡议、全球安全倡议、全球文明倡议为战略引领,践行真正的多边主义,共同建设开放型世界经济,深化包括矿业在内的各领域互利合作,为加快世界经济发展和增进各国人民福祉贡献力量。王东明强调,要坚持开放共赢推动矿业合作与发展,持续扩大制度型开放,打造市场化、法治化、国际化一流营商环境,不断提升全球矿业投资与贸易自由化便利化水平,在深化合作中实现互利共赢、共同繁荣。要坚持绿色低碳推动矿业合作与发展,践行绿色发展理念,共同推动全球矿业绿色低碳转型,积极加大绿色投资和贸易合作,促进矿业开发与生态环境保护有效协同。要坚持科技创新推动矿业合作与发展,积极推动矿业领域科技创新,加快矿业产业链供应链数智化转型,让科技创新成果为更多国家和人民所及、所享、所用。要坚持共建共享推动矿业合作与发展,坚持以人民为中心,不断提高矿产开发利用水平,引导矿业企业积极履行社会责任,助力增进民生福祉、携手促进减贫、弥合发展鸿沟。

    自然资源部部长王广华主持开幕式,天津市市长张工、南非矿业和石油资源部部长格韦德·曼塔谢、瑙鲁工信兼磷酸盐矿部长沙德洛克·伯尼克、塔吉克斯坦工业和新技术部部长舍拉里·卡比尔致辞。阿富汗、阿根廷、厄瓜多尔、刚果(金)、哥伦比亚、蒙古、纳米比亚、沙特阿拉伯、土耳其、伊朗、赞比亚等国矿业部长、副部长、驻华使节,全国人大环境与资源委员会主任委员鹿心社、天津市人大常委会主任喻云林、自然资源部副部长许大纯、中国地质调查局局长李金发出席开幕式。

    本届大会由自然资源部、天津市人民政府指导,中国矿业联合会主办,会期为10月15日至18日。来自全球40多个国家、地区和国际组织的近万人参会,近400家国内外机构和企业参展。大会将围绕国内外地质调查新进展、矿业发展新形势、矿业开发新理论新技术新装备、矿业投资与贸易、“一带一路”地学合作、新能源矿产等主题举办多场论坛和相关国家地区矿业推介活动。

    2024中国国际矿业大会在天津开幕

    在第53个世界环境日到来之际,为引导社会公众牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念,6月5日,中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心(简称“长沙中心”)分析测试实验室前往湖南师范大学附属树仁学校,开展以“护好大水、喝好小水——全面推进美丽中国建设”为主题的科普宣传活动。

    本次活动包括展板讲解、科普讲座和趣味实验三个环节。在展板讲解环节,科普工作者对世界环境日的主题、由来及我国面临环境压力进行详细介绍;在科普讲座环节,科普工作者从水环境保护的重要性、中国水污染现状及水污染防治技术等方面深入浅出地进行讲解;在“小小化学家”趣味实验环节,学生们跃跃欲试,不仅感受到水表面张力的强大,还分别对生活污水、自来水、超纯水中的硅酸盐、六价铬、磷酸盐进行显色实验,切身体会到科学的魅力。

    师生纷纷表示,活动让自己不仅意识到水资源与水环境保护的重要性,也探索了“水的奥秘”。今后师生们将争当生态环境保护的倡导者、参与者和行动者,共同守护美丽蓝天,齐心共建和谐、绿色、美丽中国。

     

     

     
    长沙中心开展世界环境日主题科普活动
    土壤是人类的衣食之源和生存之本,是最基本的生产要素。土壤的健康质量直接影响动植物和人类健康。为了更好地保护我们的生存之本,今天我们就来认识了解土壤环境问题中较突出的重金属污染。

    土壤重金属污染指的是什么 

    重金属通常是指密度大于5克/立方厘米的所有金属元素,包括汞、镉、砷、铅、铬、镍、铜、锌、钒、锰、锑等,其中前5种元素因其毒性大被称为“五毒元素”。

    顾名思义,土壤重金属污染就是重金属或其化合物通过各种途径进入土壤造成的污染。土壤遭受重金属污染的典型事例最早可追溯到19世纪发生在日本足尾铜矿山的公害事件,由于铜矿山废水排入农田,使土壤中铜含量高达200毫克/千克,不仅造成水稻严重减产,而且使矿山周围农田变为不毛之地。进入20世纪五六十年代,相继发生了举世瞩目的“八大公害事件”,其中发生在日本的“痛痛病”和“水俣病”公害事件就是土壤受到重金属镉和汞污染的两个典型。

    土壤重金属污染的危害 

    重金属可以污染水体、大气、土壤、作物等,但重金属不会像有机污染物那样被降解,因此通过食物链被生物体吸收后,会在体内积累,对人类健康造成巨大的威胁。有毒有害的重金属元素,例如砷、镉、铬、汞和铅,会对人体造成严重的危害,可能导致高血压、语言障碍、疲劳、睡眠障碍、提高攻击性倾向、注意力不集中、易怒、过敏反应、自身免疫疾病、血管闭塞以及记忆力下降等疾病和症状。重金属元素还会对人体细胞酶产生毒害作用。

    土壤重金属污染来源 

    土壤中重金属的来源可分为地质过程内源和人为活动外源两部分。地质过程内源又可分为继承型和次生富集型两类。继承型是指母岩中镉、汞、铅等有害重金属含量本底高,在后期的风化成土过程中,这些有害重金属继续保留在土壤中。资料显示,我国土壤大面积的重金属高异常主要是由成土母岩引起的,这些成土母岩多是富含铜、铅、锌、砷、镉等有害元素的硫化物矿床、黑色岩系、煤系地层等地质体,以及含锰、铬、镍的基性岩等。

    次生富集型是指成土母质中重金属元素含量并不高,但是在母岩风化成土过程中,化学性质活跃的元素,如钾、钠、钙、镁等易进入水体流失。而化学性质不活跃的元素,如汞、铅、砷等有害元素在原地的风化残留物中反而富集了。

    人为活动外源主要是指大量重金属通过人为活动进入到土壤环境中,其中主要是现代化工业,例如电镀、电池、化肥、矿业、造纸、杀虫剂、制革、塑料制品、冶金、采矿、化石燃料等制造、使用、活动过程中产生的含重金属的废水、废渣和废气。

    土壤中重金属的活性 

    土壤中重金属的含量和存在形态,很大程度上决定了其对环境、人体的风险高低。目前,土壤重金属的形态分级可分为离子态(水溶态)、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。不同形态的重金属,其毒性、迁移性和生物有效性均有不同差异。

    一般来说,离子态的重金属移动性强,易被植物吸收,多存在于土壤溶液中或土壤黏粒表面,有着较高的生物有效性;而某些重金属离子会与土壤中的盐类(如磷酸盐、碳酸盐、硫化物、铁锰氧化物等)、有机质形成沉淀物、复合物或螯合物,移动性有所降低,生物有效性也随之下降;最为稳定的则是残渣态,一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等晶格中。

    影响土壤重金属形态分布的因素有很多,归纳起来可分为两大类:一类是土壤内因,即土壤理化性质,如pH值、土壤有机质、土壤质地、胶体含量、离子含量、Eh值、营养元素等;另一类是人类活动,如输入到城市土壤中的重金属的数量、种类的影响。

    土壤重金属污染修复的方法 

    根据修复方式以及处理后土壤位置是否改变,土壤重金属污染治理方法分为原位治理和异位治理。异位治理环境风险低,见效快,成本高,环境扰动大,如客土法、换土法、土壤淋洗法等。原位治理中主要包括物理修复、化学修复、生物修复以及农业生态修复。

    物理修复主要包括电动修复、电热修复等。电动修复主要通过电流的作用,土壤中重金属离子和无机离子以电渗透和电迁移方式向电极运输,然后进行集中收集处理。

    化学修复就是向土壤中投入改良剂,通过对重金属的吸附、氧化还原等作用,降低重金属的生物有效性,常用的土壤改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、有机质等。

    生物修复利用生物削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性。1983年美国科学家Chaney提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想,即利用植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理后可将该重金属移出土壤,达到污染治理与生态修复的目的。

    农业生态修复主要包括两个方面:一是农艺修复措施,包括改变耕作制度,调整作物品种,种植不进入食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或增施能够固定重金属的有机肥等措施,来降低土壤重金属污染;二是生态修复,通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,实现对污染物所处环境介质的调控。

    钨尾矿资源,待挖掘的宝藏 

    □郝小非

    钨矿是重要的矿产资源,已发现钨矿物和含钨矿物20余种,最具有开采价值的是白钨矿和黑钨矿,主要分布于江西和湖南。钨矿品位一般在0.1%~0.5%,对钨矿选别后,91%以上的固体废弃物被作为尾矿丢弃。我国每年约有1000多万吨钨尾矿被排放到尾矿库中,未被有效开发利用,不仅占用大量土地,还存在安全隐患。但尾矿不是没有任何利用价值的废物,在技术经济条件达到的情况下也是待挖掘的宝藏。

    随着人们对尾矿资源综合利用认识的提高,人们也越来越注意到尾矿也是一种资源,可以被开发利用。钨尾矿中一般含铜、钼、铋等重要金属矿物及石英、萤石、绿柱石和石榴子石等非金属矿物,随着选矿技术的提高,我们不但可以再次回收利用钨,也可以回收铜、钼、铋、铷、锂和钾等有价元素,还可以回收萤石、石英、石榴子石等非金属矿物。另外,我们还可以利用钨尾矿制备地聚物、微晶玻璃、陶瓷原料、免烧砖、透水砖等环保建筑材料。

    总之,只要我们结合钨尾矿资源特点,因地制宜地寻求钨尾矿资源化利用途径,一定可使钨尾矿变废为宝,实现经济效益、生态效益、社会效益的有效统一。

    “锆”诉 

    □雷晴宇

    对普通大众来说,单纯提到化学元素锆,可能相对比较陌生,但它却与我们的生活密切相关。比如,我们最常用到的卫生洁具、瓷砖等陶瓷产品,就是因为其中含有一定量的锆才让它的外表变得那么艳丽和富于光泽,也让它具有了极强的抗腐蚀和耐磨等性能。

    在工业实践中,由于提炼和加工困难、产量不多,锆被列为稀有金属。

    锆的应用领域非常广泛。其中,63%以上的锆以硅酸锆、氧化锆的形式应用于陶瓷、耐火材料领域,约有13%用在锆化学品领域,仅有3%~4%的锆矿石被加工成金属锆。因其具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性,锆还被广泛应用在航空航天等领域。

    锆的元素符号为Zr,锆元素在地壳中的含量仅约为0.025%。

    地壳中大部分锆呈分散状态存在于许多矿物中,已知含锆的独立矿物有38种,锆英石(ZrSiO4)和斜锆石(ZrO2)是主要的具有工业价值的含锆矿物。锆英石主要赋存于海滨砂矿中,是世界冶炼金属锆的主要来源。斜锆石主要产于碱性火成岩中,与霞石、霓石、磷灰石、萤石、钙钛矿、锆石、烧绿石等共生。

    含锆的天然硅酸盐ZrSiO4被称为锆石或风信子石,广泛分布于自然界中,具有从橙到红的各种美丽的颜色,自古以来被认为是宝石,印度洋中的岛国斯里兰卡盛产锆石。

    1789年,德国人M.H.Klaproth对锆石进行研究时发现,将它与氢氧化钠共熔,用盐酸溶解冷却物,在溶液中添加碳酸钾,沉淀、过滤并清洗沉淀物,再将沉淀物与硫酸共煮,然后滤去硅的氧化物,在滤液中检查钙、镁、铝的氧化物均未发现,在溶液中添加碳酸钾后出现沉淀,这个沉淀物不像氧化铝那样溶于碱液,也不像镁的氧化物那样和酸作用,Klaproth认为这个沉淀物和以前所知的氧化物都不一样,是由Zirkonerde(锆土,德文)构成的。不久,法国化学家de Morueau和Vauquelin两人都证实M.H.Klaproth的分析是正确的,该元素拉丁名为Zirconium,符号认为Zr,中国译成锆。

    1808年,英国的H.Davy利用电流分解锆的化合物,没有成功;1824年,瑞典的J.J.Berzelius用钾还原K2ZrF6时制得金属锆,但不够纯。直到1914年,荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员Lely和Hambruger用无水四氯化锆和过量金属钠同盛入一空球中,利用电流加热500℃,取得了纯金属锆。

    锆矿资源是稀有金属矿产资源之一。世界各大洲均发现有锆资源,主要分布在大洋洲和非洲,美洲、亚洲、欧洲也有发现。锆矿床按其成因可分为脉型岩矿和砂矿两种类型,但由于岩矿结构形态复杂,分离共生矿物成本高及开采难度较大等原因,导致目前全球工业开采多以砂矿型为主 。砂矿主要包括滨海砂矿、冲积砂矿以及残积砂矿,其中滨海砂矿最具工业开采价值,规模和产量远大于冲积砂矿及残积砂矿。

    据美国地质调查局数据显示,2012年~2018年,全球锆资源储量维持在7500万吨左右,澳大利亚、南非、肯尼亚及莫桑比克4个国家锆矿储量合计6140 万吨,占全球的84.11%,矿床类型多以滨海砂矿为主; 印度、马达加斯加、巴西、中国、美国、乌克兰、印度尼西亚及俄罗斯等国家锆矿储量1160万吨,占全球的15.89%。

    我国的锆储量和美国基本一致,约有50万吨,仅占全球储量的0.68%。相较于其他国家,我国锆资源非常缺乏,所以,我国的锆资源主要靠进口获得。随着需求量不断增大,近年来进口以每年6%的速度增长,国内每年锆进口需求量达到90%以上。

    锆英砂主要用于生产化学锆、电熔锆、硅酸锆、金属锆等。2019年,我国锆英砂市场需求量为62.02万吨,而我国自有资源产量不足1万吨,近3年的进口量均超过100万吨。

    中国和欧洲是锆的主要消费市场,中国对锆的需求在全球占比高达52%。

    锆矿按照主要用途分为金属锆和工业锆两类。金属核级锆处于锆产业链最顶端,工业锆主要用在化工耐酸碱设备、电子行业等领域。中国是世界陶瓷工业生产和出口大国,硅酸锆则是陶瓷行业的直接和主要原料,陶瓷制品离不开装饰,好的装饰使制品身价百倍,装饰材料是装饰的物质基础,陶瓷色料是最重要的陶瓷装饰材料。由此可见,陶瓷色料在陶瓷装饰中的地位,也可知氧化锆在陶瓷装饰中的地位。同时,随着中国陶瓷产业的迅速发展,锆需求也随之猛增。

    矿山废水变废为宝的秘诀 

    □胡四春

    在矿山开采、矿物富集分离过程中,会产生大量的矿山废水,其中包括矿坑水、露采厂废水、选厂废水、尾矿库和废石场的淋滤水,这些废水不仅被白白浪费掉,而且还污染了地表水和地下水,危害环境。

    根据产生的途径不同,矿山废水性质相差很大。例如,矿坑废水pH值要么是强酸性,要么是碱性;选厂废水可能含有大量的重金属离子和有机药剂,这些都给废水处理及回用造成了巨大的麻烦。因此,根据废水产生的途径和废水处理后的性质进行分类处理和分质利用就成了把矿山废水变废为宝的关键。

    矿山采选废水常见处理方法 

    一般来说,矿山采选废水常见处理方法主要包括七方面:

    自然净化法。自然净化法作为最廉价、最简单的废水治理方法,被我国的选矿厂普遍采用。自然净化法常以尾矿库为构筑物,废水通过管道运输至尾矿库,在库内发生沉淀、水解、氧化、挥发、光照降解甚至生物分解等作用,使悬浮颗粒和残余药剂浓度降低,甚至基本去除。

    自然净化的效果与曝晒时间、光照强度、水体温度、初始pH值、溶解氧等因素有关。通常曝晒时间越长、光照强度越强、温度越高,自然净化效果越好。

    特点:自然净化法具有成本低、管理方便、无二次污染等特点,但存在净化不彻底、耗时长、气候等自然因素干扰大等问题,特别在高寒地区,往往会因为净化效率低下而影响废水的回用。因此,自然净化法通常可作为选矿废水的预处理方法,或用于成分相对简单的重、磁选废水的处理。

    酸碱中和法。酸碱中和法是一种传统的废水治理方法,因简单实用而被广泛采用。这其中既包括酸性废水中的H+(或碱性废水的OH-)与中和剂中的OH-(或H+)发生反应,生成中性水分子,同时矿浆的合适碱度也有利于重金属离子与氢氧根离子反应生成难溶的氢氧化物沉淀,从而消除重金属污染。

    生产实践中,常用的中和剂有石灰、消石灰、硫酸、碱性废水废渣(电石渣等)、酸性废水废气等。在选择中和剂时,应优先考虑厂区周边的废料,以达到“以废治废”的目的。理论上各重金属在一定pH范围内均能沉淀,因此控制好pH值是中和法的关键。

    特点:酸碱中和法具有管理方便、费用较低、操作简便、处理量大、适应性强和运行稳定等优点,但也存在一些问题,如在用石灰中和时,设备及管壁结垢严重、污泥增量较大、易产生二次污染等。

    混凝沉淀法。混凝沉淀法是目前治理选矿废水较成熟的一种方法,常与活性炭吸附或氧化法组成混凝沉淀——活性炭吸附法和混凝沉淀——氧化法。

    混凝沉淀法使用的药剂主要包括凝聚剂和絮凝剂两大类。凝聚剂主要有氯化铁、硫酸铁、硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铁(PFS)等,使用最普遍的絮凝剂是聚丙烯酰胺(PAM)。混凝剂的选择至关重要,它直接关系到净化效果的好坏。

    特点:混凝沉淀法可以有效去除废水中的悬浮颗粒和一些重金属离子,是一种成熟、稳定、高效的废水治理方法,但也存在对有机化学药剂净化不彻底,因药剂用量过大易产生二次污染等问题。

    化学氧化法。化学氧化法是深度治理废水中残留浮选药剂的有效方法,特别是近年发展起来的高级氧化技术(AOP)能彻底去除废水中持久性难降解有机污染物。

    化学氧化法的实质是,氧化剂通过夺取废水中有机污染物中的H原子等途径,将有机污染物氧化成无毒或低毒的小分子物质,或转化为容易从水中分离的物质,从而降低废水的COD、BOD。常见的氧化剂有臭氧、Fenton试剂、双氧水、次氯酸钠等。

    特点:化学氧化法治理废水具有操作稳定、反应彻底、处理效率高并能提高废水的可生化性等特点,特别对于处理高COD的有机废水具有显著优势,但也存在运行费用较高等问题。

    人工湿地法。人工湿地是仿照自然湿地人工修建并参与监督控制的具有流动或静止水体的浅水水域,是以基质-植物-微生物为核心的综合生态系统,可通过基质截留、过滤、吸附,植物吸收、拦截,微生物摄食、分解等途径去除废水中的污染物,充分发挥了物理、化学和生物的协同作用。

    特点:人工湿地法为治理废水提供了一条绿色化、生态化的技术路线,但也存在基质易堵塞、占地面积大、受气候等因素干扰大等局限性。

    微生物处理法。微生物处理法对于矿山酸性废水具有显著的优势。其净化原理是利用微生物的新陈代谢作用降解水体中的污染物,从而达到净化废水的目的。

    特点:微生物法治理废水拥有巨大的发展潜力,具有环境友好、选择性好、二次污染少等特点,甚至还可以回收某些重金属原料,但如何筛选出适应性强的菌种是个难题。

    矿山废水的分步处理和分质利用 

    一般来说,铅锌矿矿山废水的分步处理和分质利用分4步来进行:

    一是将铅精矿和锌精矿的浓密溢流水直接回用到各自的选别流程。

    二是向尾矿水加入一定量的钾明矾和阴离子PAM进行混凝反应和絮凝沉降,将尾矿废水中影响选矿指标的铜、铅、锌、镉、铬等重金属离子去除掉。然后,再加入一定量的椰壳型粉末活性炭,并通过纤维球过滤塔来去除掉影响选矿指标的部分有机残留药剂,适度处理后的废水大部分回用到选矿流程。

    三是采场废水一部分用于厂区绿化用水和尾矿干堆库区降尘喷淋用水。

    四是加入一定量的纯碱来降低水的硬度,通过砂滤和膜滤工艺来降低水的浊度等,然后将深度处理后的水分别用于陶瓷过滤机的槽洗水、酸洗水及浮选药剂的配制溶解用水。

    根据其性质及成分存在差异,选用合适的废水处理技术及回用方法,可提高选矿废水循环利用率,实现废水的清洁排放,真正做到变废为宝。

    生态画卷 资源综合利用有新突破

    近日,自然资源部中国地质调查局成都矿产综合利用研究所申请的国际专利“一种独居石磷灰石共生矿的富集方法”获得美国国家专利授权。本发明公开了一种独居石磷灰石共生矿的富集方法。该方法通过磨矿、浮选、磁选、低酸预先浸出处理和再浮选的方法可以得到高品位和高回收率的独居石精矿。在该工艺中,矿浆温度适用范围广,工艺流程短,选矿条件温和,能耗小,所用稀酸能循环再生利用,污染和环境压力小,且能显著提高低品位独居石磷灰石共生矿的回收率。

    近年来,由于科技的发展,稀土的需求量越来越大,高强度永磁体、电子显示荧光粉、可再生能源技术和合金工业等领域对稀土的依赖也越来越强。在已知的250多种稀土矿物中,独居石是被商业开采的三大主要稀土矿之一,同时也是世界上第二重要的磷酸盐稀土矿,其主要分布在澳大利亚、美国、非洲和中国的白云鄂博等地。

    目前,常用的稀土矿物富集方法均不能有效的将独居石和磷灰石分离。特别针对于独居石和磷灰石共生矿的富集方法的研究还不多,因此,找到一种有效的从独居石和磷灰石共生矿中分别富集独居石和磷灰石的方法,成为亟待解决的问题。

    本发明具有3项显著优点:一是能有效地从低品位独居石磷灰石共生矿中,将独居石分离并富集获得高品位的独居石精矿;二是工艺流程简单,选矿条件温和,能耗小,所用稀酸能循环再生利用,污染小,环境压力小;三是在获得高品位独居石精矿时,还能获得高纯度的磷精矿。

     
     
    “一种独居石磷灰石共生矿的富集方法”获美国国家专...

    近些年,深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视,海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险,已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。近日,《地质调查动态》撰文对深海采矿现状、面临的主要挑战进行了深入探讨,并对深海采矿的前景进行展望,本期摘编其精华内容。

    ●海底矿床勘查目前正在加速进行,不断有国家或公司要求签订新的合同,其中在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局批准。

    ●虽然开采海底矿产的技术取得重大进展,但还远远不够,亟待开展技术创新,采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。

    ●深海采矿将成为本世纪人类满足自身发展需求的战略之举,但其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素制约。

     

    动因

    唤醒沉睡海底的矿产宝藏

     

    传统意义上的“深海”,是指大陆架以外的海洋部分,通常水深在200米以上。深海资源一般指公海以及国家专属经济区(EEZ)以外的海洋资源部分。深海资源可分为矿产资源和生物资源两类。矿产资源主要分为多金属结核、富钴铁锰结壳和海底块状硫化物(SMS)三种类型。

    这些富集在深海的金属或非金属资源的副产品,很多都是现代高科技、绿色技术或新兴技术必不可少的原材料。例如:碲用于光伏太阳能发电,钴用于混合动力汽车和电动汽车电池,铋用于核反应堆的液体铅-铋冷却剂,铌用于高科技高温合金等。

    过去15年来,深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视。有的国家以国有企业或专业科研院所为主进军深海,有的则是通过国家层面的立法为民间投资深海创造便利条件。至于全球层面的深海资源勘查开发治理平台也不断涌现,并日臻完善。从根本动因上来看,海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险,已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。

    开发深海矿产资源的意义在于,它不仅可以满足国家产业发展对战略性矿产供应安全的需求,还能促进洋底填图及相关技术的发展,促进海底采矿相关服务和装备的研发,提升对深海资源的认识,维护国家战略利益。21世纪以来,世界各国对深海矿产资源的兴趣与日俱增,竞争日趋激烈。据荷兰资源专业中心数据,2010年美国在深海采矿方面的创新力排在第一位,欧洲排名第二,中国居第三位,其后依次为日本、韩国。

    此外,相较于陆地采矿,深海采矿的优势较为显著。例如:陆地采矿会在环境中留下大量“足迹”:需要修路,建造房屋和基础设施,挖掘露天采矿场矿坑,影响河道,并产生数百万吨的废石。而海底采矿不需要修路,没有海底矿石运输系统或建筑物,几乎不需要建任何海底基础设施。铁-锰结壳和结核基本上都是暴露在海床之上呈平铺状态。SMS矿床厚度可达几十米,但矿床上几乎或完全没有覆盖物。开采陆地矿床需要剥离覆盖层,挖掘出来的废石量在总挖掘量中的占比可达75%之高。而深海采矿的平台是船,可以很方便地从老矿点转移到新矿点,选择规模虽小但品位高的矿床进行开采。除矿石品位高外,海底采矿的另一个优点是可以在一处采矿场回收3种或更多种金属。3种主要类型的深海矿床(结壳、结核和SMS)都具有这样的优点。陆地采矿影响土著居民或原住民生活的问题正日益受到关注,而深海采矿不会引发这样的问题。

     

     

    挑战

    深海矿产开采存在法律空白

     

    深海采矿将是本世纪人类满足自身发展需求的战略之举,其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素的制约。

    对深海矿产资源认知不够,勘查开发监管存在风险。行业内和研究学者们基本都知道深海矿床在哪里,但是对于资源的集中度、规模大小却知之甚少。这对于需要据此开展成本效益评估的单个项目来说,矿床品位及规模的不确定性成为制约其开发的主要因素。例如:加拿大鹦鹉螺矿业公司圈定的索尔瓦拉1号矿床,是当前世界上最先进的深海采矿项目,但其资源仅够开采两年。其结果是,现在还不能确定,该公司为开矿而进行的巨大投资是否具有经济效益,因为仅仅建造一艘船的费用就高达10亿欧元。

    深海采矿主要的缺陷和风险在于“社会环境运营许可”。由于深海采矿通常位于国家管辖区外,关于勘查活动的国际监管框架的制定进程缓慢。这就导致企业参与无章可循,使得投资者望而却步。环境组织和科学家们也声称,当前对于深海采矿给生态系统造成的环境破坏风险知之甚少。

    国际法律框架不完善,开采条款未出台。大部分深海资源都位于国家管辖区以外的国际水域,法律框架复杂。对于深海采矿引发的新问题,国际法律框架层面还存在着诸多的不确定性和空白。规制海洋活动最重要的国际法是联合国海洋法公约(UNCLOS),其在1982年通过,1994年开始实施,目前世界上有166个国家已经签约成为会员国,但也有例外,如美国。

    为了管理和协调深海矿床相关事宜,1994年在UNCLOS下成立了自治国际组织——国际海底管理局(ISA)。所有公约签署成员国自动成为ISA的成员。截至目前,ISA分别于2000年、2010年和2012年通过了勘查结核、硫化物、结壳的条款,但是关于开采的条款还在制定当中。

    结核和SMS勘查开发技术较为成熟,结壳挑战性大。深海采矿通常包括几项关键技术。首先是要有现代化的装备齐全的船。目前,已有好几艘勘查船在运营,它们通常属于国家研究机构和地质调查局。开展巡航研究是很昂贵的事情,一艘船的运营成本约5万~10万欧元/天。另一项关键技术是可用于深海采矿作业的遥控机器人(ROV)。SMS在输送至海面之前,要用ROV进行开采。散落于海底淤泥中的锰结核,可通过ROV真空将其从海底吸出来。锰结壳可通过在洋底作业的ROV进行剥离并磨碎。ROV可将这些混合物运送至提升系统,管运至海面的船上。通常,一套深海采矿系统包括4个子系统:采掘系统、提升系统、海面平台和处理系统。

    对于深海采矿技术,行业内似乎对商业化开采很有信心,认为以当前的技术水平足以满足需求。这些技术源自油气钻探,钻进深度通常可达2000米以上。然而,开采不同类型的深海矿产,其技术要求不尽相同。现有的或目前正在建立的第一代深海勘查开采技术只适用于铁-锰结核和SMS,不适用于铁-锰结壳。勘查和开采铁锰结壳需要克服两个主要的技术难题,一个是勘查和描述矿山特征,另一个是开采。勘查工具必须是深海拖曳式或可以装载在ROV上,并且可以在现场测量结壳的厚度以计算储量。最佳途径可能是开发一种多光谱地震探测工具和伽马辐射探测器,但必须解决伽马射线信号在海水中衰减的问题。与铁锰结壳相比,结壳基岩的种类繁多,伽马射线探测器在区别结壳基岩物理性能方面效果最好。开采方面的难题是,采矿工具必须能把铁-锰结壳与结壳基岩分离开,从而做到只开采结壳,不开采基岩,因为基岩开采会大大稀释矿石的品位。困难在于,结壳是牢固地附着在基岩之上的。分离结壳与结壳基岩的工作必须在水下1500m~2500m处的不规则且往往是粗糙的海床上进行,而且结壳以下的各种结壳基岩的韧性又各不相同。攻克这一难关需要进行高水平的技术创新。

    资源价格和资本成本是制约深海采矿的两个主要外在因素。深海采矿主要受到包括资源价格和资本成本在内的外部因素影响。对于采矿本身,用于造船和开发必要技术的初始投资成本是巨大的。不是所有项目都在商业上可行,但是走向深海在很多情况下却是一个战略性问题。采矿业一直是一个高成本产业,将深海采矿成本与陆域采矿进行对比很重要。对于陆域采矿,总成本包括环保成本、固定基础设施成本和劳动力成本,相较而言,深海采矿对投资者颇具吸引力。

    据欧盟方面测算,深海勘查一天的成本超过10万美元,大部分勘查航次的预算在5000万~2亿美元之间。对开采而言,一天的运营成本高达好几亿欧元,这还取决于矿床及其位置。最大的成本是船、钻探及船员的费用。从经济角度来看,很多方面都取决于上述外在因素,主要包括某种资源在一定时期的市场价格以及相较于陆域采矿的成本控制。

    深海采矿的环境影响可能会很大,要提前开展风险评估。所有扰动地球表面的活动,无论是陆上的还是深海的,都会扰动甚至摧毁动植物栖息地。因此,必须制定最环保的工作计划,并使所有地球表面的活动都按计划开展。与陆域采矿相比,深海采矿具有环境影响小的优势。然而,至今业界对于深海采矿会造成哪些环境问题尚知之甚少,目前全球只有一座海底矿山——索尔瓦拉1号矿,拥有此矿的加拿大鹦鹉螺矿业公司提交了一份开采此矿的环境影响报告,这是当前现实中唯一的陈述海底采矿环境影响的报告。考虑到矿床类型和开采工具等方面的因素,海底采矿的环境影响可能会很大。因此,基于不同尺度原地实验的风险评估是深海采矿实施前必不可少的工作环节。

    研究人员通过实施一些国际科学计划研究了开采铁-锰结核可能会造成的影响,这些国际计划以广泛的野外考察以及理论和实验室研究为基础。在采矿车辆经过的地方,动植物栖息地显然会遭到破坏,海底水层中还会产生沉积物卷流,卷流的范围有多大则不可预知。国际海底管理局2008年开展的一个项目得出这样的结论:难以预料开采海底结核会对生物多样性产生什么样的威胁,以及会带来多大的物种衰落风险,因为我们对海洋物种数量和地理分布情况的了解十分有限。存在潜在毒性的金属可能会在短时期内从孔隙水中释放出来,或在结核碎屑解吸作用下产生,特别是当采矿作业降低了表面沉积物中的氧含量时,这种情况会发生。

    从深海采出的矿石将被运送到陆上的选矿厂。一旦矿石被运到现有或新建的选矿厂加工处理,也会引发与现有陆上选矿厂同样的环境问题。但新建选矿厂可能会更高效并采用先进的绿色技术。船上的选矿工作可能将仅限于矿石脱水,把水回灌到水下采矿场。如果是开采结壳,可能会在船上进行浮选,以去除结壳基岩。

     

     

    现状

    各国加速“淘金”探明深海富矿区

     

    其实,科学家早在100多年前就知道深海里有矿产。然而,对深海矿床成因、分布和资源潜力的研究却始于最近几十年。20世纪70年代,科学家首次对东北太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带(CCZ)铁-锰结核进行了详细研究。当时有人预言,对CCZ海区铁-锰结核的开采将于20世纪70年代末至80年代初开始,但这一预言没有成为现实。1977年,科学家又在太平洋加拉帕戈斯海脊发现了热液系统。此后不久,研究人员又于1979年在东太平洋隆起发现了“黑烟囱系统”。20世纪80年代早期,对海底铁-锰结壳的研究引人注目,因为从铁-锰结壳中开采钴的前景被看好。然而,由于全球市场金属价格在20世纪90年代前后直至21世纪初持续低迷,开采海底矿产的积极性受到打击,开采计划被搁置。但针对海底矿床的研究与开发工作一直没有中断。进入21世纪以后,随着全球金属价格的上涨,深海矿产资源的勘查开发再次引起广泛关注。

    结壳通常沉淀在海底山岭、山脊和高原上,水深400m~7000m,厚度最大和含金属最多的结壳位于水下800m~2500m处,采矿作业最佳水深1500m~2500m。西北太平洋底海山的年代为侏罗纪,是全球海洋中最古老的海山,其结壳最厚,稀有金属的含量通常也最高。因此,西北太平洋中部赤道海区被认为是勘查海底结壳的主要地带,即通常所称的“中太平洋主结壳带(PCZ)”。

    对于结核而言,太平洋尤其是东北太平洋的克拉里昂-克利伯顿断裂带(CCZ),秘鲁盆地,以及南太平洋的彭林-萨摩亚盆地是发现结核最多的海域。印度洋盆地中部也发现了一处大型结核带,西南大西洋的阿根廷盆地和北冰洋等海域内可能也有铁-锰结核带,但这些海域的勘查程度非常低。CCZ海区最具经济吸引力,在这一海区内,已经或正在等待与国际海底管理局签署勘查合同的勘查区块有13处。矿业公司之所以对CCZ海区感兴趣,是因为此海区有大量铁-锰结核且镍和铜的富集度高。

    总体来看,截至2013年,已签署海底勘查合同的占地面积约为1843350km2,其中约一半勘查项目是沿海国家在其各自的专属经济区(EEZ)内进行的,其余勘查项目是在国家管辖区外的公海地区进行的,在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局(ISA)批准。SMS矿床勘查项目的面积约占海底勘查总面积的45%,大多数都位于西南太平洋国家的EEZ范围内,公海地区SMS矿床勘查项目的占地面积仅有5万km2。在占据其余55%海底勘查面积的项目中,大多数为铁-锰结核勘查项目,这部分项目全部在公海范围内进行。此外,还有两个占地面积很小的磷灰岩勘查项目,一个在新西兰海域,另一个在纳米比亚海域;还有一个面积非常小的多金属泥勘查项目,此项目在红海海域进行。这3个小项目以及一个位于西南太平洋的SMS项目已被批准签署采矿合同。2012年7月,ISA理事会和大会通过了勘查海底铁-锰结壳的法规,此后不久便收到了申请在西太平洋进行勘查并签订合同的两份工作计划,勘查合同的占地面积9000km2。

    中国、法国、德国、印度、日本、韩国、俄罗斯以及一个名为“洋际金属”的多国集团(成员国有:保加利亚、古巴、捷克共和国、波兰、俄罗斯和斯洛伐克共和国)签署了勘查海底铁-锰结核的合同,每块勘查区的面积约为7.5万km2;中国、法国、德国、韩国和俄罗斯等国已经或即将签署勘查SMS矿床的合同,每块勘查区的面积约为1万km2;中国、日本和俄罗斯已经制定或预计将制定勘查海底铁-锰结壳的工作计划,每块勘查区的面积约为3000km2。此外,有4家公司已经或即将签订勘查海底铁-锰结核的合同,其中3块勘查区的面积为7.5万 km2,1块为5.862万km2。海底矿床勘查工作目前正在加速进行,不断有国家或公司要求签订新的合同。

     

    前景

    铺就“产学研用”深海采矿之路

     

    至今我们并不十分清楚全球海洋中铁-锰结壳、结核和SMS矿床的资源潜力到底有多大。相对而言,对CCZ海区和中印度洋盆地结核矿床的特性描述最为清楚。必须用评价陆地矿床的方法评价海洋矿床,从而发现海洋矿床作为许多种稀有、战略性和紧缺性重要矿产来源的重要性。对比评估工作应包括对每一种重要矿产整个生命周期的评价,以及对矿床开采环境影响的评价。

    从工程技术的角度看,必须取得几方面的重要突破才能使结壳开采具有可行性。与结壳开采相比,结核开采技术较为简单,因此已进入可开发阶段。阻碍铁-锰结壳勘查的最大难点是,需要在原地实时测量结壳的厚度,开采矿石的最大障碍则是把铁-锰结壳与结壳基岩有效地分离开。减少或消除对铁-锰结壳和结壳基岩物理性质测量结果的偏差有助于解决这一技术问题。需要对种类繁多的样品,尤其是磷酸盐化的厚层结壳进行分析。一个更困难的问题是,需要在原地测量浸透海水的样品。这些测量开展以下工作:认识从海水中捕获金属的机理;对比结壳和结壳基岩以开发勘查技术;描述结壳强度和结壳对各种采矿方法的承受程度。

    虽然开采海底矿产的技术正取得重大进展,但还远远不够,亟待开展技术创新,采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。使用简单的酸浸法就可以浸出结壳和结核中的全部主要和稀有金属,因此,应该研发化学和生物化学选矿工艺,比如使用特定的金属结合药剂,以便能够选择性地回收想要回收的金属。在回收了想要的金属后,剩下的矿渣可以送入另一个提取流程,回收其他种类的金属。从矿渣中回收这类金属往往不具经济可行性,因此,回收这类金属的前提是国家有经济鼓励政策或战略需要。

    对于一个国家而言,要么是通过国家科学研究机构或地质调查机构加强深海矿床的勘查、开发研究及技术储备,要么是通过立法不断创造并完善有利于深海采矿的优良环境,吸引社会投资进军深海。深海矿产资源勘查开发将是一个事关民族发展、国家兴盛的重要领域,需要政府加强政策引导,强化监管与服务,铺就一条“产学研用”的深海采矿创新之路。

    深海采矿时代渐行渐近

    摘要:2016年,中国地质调查局紧紧围绕地质调查工作服务国家能源资源安全保障,服务促进生态文明建设,服务防灾减灾,服务新型城镇化、工业化、农业现代化和重大工程建设,服务海洋强国建设的“五大服务”,深入实施陆域能源矿产地质调查、重要矿产资源调查、重要经济区和城市群地质环境调查、地质灾害防治和地质环境保护支撑、国土开发与保护基础地质支撑、“一带一路”基础地质调查与信息服务、地质调查科技支撑、地质数据更新与应用服务、海洋地质调查“九大计划”,坚持中央公益性地质工作定位,坚持围绕国家重大需求和国土资源中心工作,坚持实行“大项目”机制,坚持以科技创新与进步为引领和支撑,坚持出成果与出人才同步规划、同步实施、同步考核,坚持加强项目和资金管理,通过不懈努力,各项工作成效明显。

     

    图为中国地质调查局在贵州省遵义市正安县实施的安页1井

    2016年,中国地质调查局紧紧围绕地质调查工作服务国家能源资源安全保障,服务促进生态文明建设,服务防灾减灾,服务新型城镇化、工业化、农业现代化和重大工程建设,服务海洋强国建设的“五大服务”,深入实施陆域能源矿产地质调查、重要矿产资源调查、重要经济区和城市群地质环境调查、地质灾害防治和地质环境保护支撑、国土资源开发与保护基础地质支撑、“一带一路”基础地质调查与信息服务、地质调查科技支撑、地质数据更新与应用服务、海洋地质调查“九大计划”,坚持中央公益性地质工作定位,坚持围绕国家重大需求和国土资源中心工作、坚持实行“大项目”机制,坚持以科技创新与进步为引领和支撑,坚持出成果与出人才同步规划、同步实施、同步考核,坚持加强项目和资金管理,通过实施不懈努力,各项工作成效明显。

    在解决能源、资源、环境、灾害和地球系统科学问题方面成效显著,地质调查的基础性、先行性作用得到进一步体现。页岩气、油气、铀矿等能源矿产取得重大成果,锂、锰、铅锌、钾盐、石墨等矿产资源调查评价取得一批新进展。环境地质调查、地质灾害调查为京津冀非首都功能疏解区、长江经济带等重点地区规划建设提供有效地学信息服务。

    陆域能源矿产地质调查

    在常规能源领域,地质调查取得了一系列进展。在羌塘盆地、尼玛盆地、松辽盆地外围、塔里木盆地、武威盆地、银额盆地、二连盆地都取得了不同程度的油气发现。其中,在羌塘盆地已完成靶区优选,并发现天然气水合物良好显示;在尼玛盆地地表首次发现厚大规模沥青显示,表明盆地南部凹陷经历了大规模油气生成、运移、聚集和散失的过程,具有一定油气勘探前景;在松辽盆地外围获得一系列油气新发现,确定了该区具有油气资源勘探前景;地质调查与油气勘探紧密结合,促进银额盆地发现了高产工业气井和工业油流井;塔里木盆地地震大剖面综合处理解释取得新认识,该重大项目的开展突破了塔里木盆地两大石油公司油气矿权限制,搭建了产学研综合研究公关平台,获得的地质成果揭示了塔里木盆地深层地质特征,提升了盆地整体认识,推动了油气勘探工作,同时有利于稳定新疆社会经济发展、提高南疆少数民族地区生活水平,具有重要的社会意义。河西走廊武威盆地北部首获良好油气显示,该区石炭系一旦获得突破,将建立河西走廊资源接替领域,对促进甘肃和“一带一路”经济建设具有非常重要的战略意义;二连外围盆地群新发现铀矿层、油气显示及有利储层。

    在非常规能源领域,地质调查成果丰硕。页岩气、页岩油、煤层气、砂岩型铀矿、干热岩都获得了一批重大成果。

    中国地质调查局在贵州省遵义市正安县实施了安页1井,一举获得4个地质层系的页岩气、油气重大突破性成果,并对其中一个层系进行了气量测试显示,每日稳产超105m3,属高产天然气井。安页1井重大发现意义深远,实现了“五新”的重大突破。即油气新区的重大突破、油气新类型的重大突破、油气新层系的重大突破,油气新理论的重大突破。安页1井重大突破能够以“三促”带动地方经济和社会发展,即支撑长江经济带战略,促进沿江清洁能源产业发展;服务精准脱贫,促进地方经济发展;支撑油气体制改革,促进企业勘探开发。

    另外,湖北宜昌鄂阳页1井在牛蹄塘组钻获页岩气流;湘中地区发现多个非常规气新层系;川东高陡构造带获得页岩气资源调查重大发现;安徽宣城水东向斜调查发现多种类型油气资源;六盘山盆地调查发现中生界页岩油气资源。同时,中国地质调查局在2016年南方地区1∶5万页岩气基础地质调查中获得一批基础地质资料,形成了页岩气地质资料包,并在湖北秭归、重庆龚滩和贵州斑竹地区获得页岩气重要发现。

    通过煤层气基础地质调查,初步证实了新疆准南、黑龙江鸡西、四川南部及贵州六盘水地区具有勘探开发煤层气的地质条件和资源基础。勘探开发煤层气,可有效地缓解当地天然气资源紧缺的局面,改善当地环境保护,有效地促进产业转型,解决当地煤炭产业人员的就业问题,促进经济发展。

    干热岩地质调查查明了青海共和盆地地热地质特征及资源潜力。

    2016年,中国地质调查局创新机制,推动北方砂岩型铀矿地质调查工程,开展我国煤田勘查区、油气田勘查区铀矿地质调查工作,开辟铀矿找矿新区,取得了一批成果。为夯实我国核电发展的资源基础、保障能源安全发挥了关键性、基础性、先行性作用。“油铀兼探”在多地取得明显进展。

    重要矿产资源调查

    2016年,中国地质调查局矿产资源调查评价工作取得一批重要进展。

    其中,“三稀”矿产方面,贵州获得铁-稀土矿、富锂铝土矿新发现。贵金属方面,青海、黑龙江分别发现金矿床。黑色金属方面,新疆、湖南、广西等地取得锰矿勘查新进展;山东取得富铁矿新发现。有色金属方面,藏南、黔西北、新疆等地发现铅锌矿产地,科技引领促进藏南扎西康新增铅锌资源20万吨,进一步夯实藏南地区铅锌资源基地资源基础;冈底斯成矿带西段发现斑岩铜矿找矿新线索;云南新发现一处铝土矿;湖北新发现一处钨矿。重要非金属方面,塔里木盆地发现钾盐岩层,河南;祁连成矿带发现石墨矿产地。

    重要经济区与城市群综合地质调查

    2016年,各重要经济区与城市群地质调查成果斐然。

    京津冀协同发展区方面,地调成果服务北京新机场、北京副中心、天津滨海新区、津保高铁、京张交通干线规划等重大工程建设;地面沉降地裂缝调查发现宋庄地裂缝;燕山-太行山水文地质调查服务地方经济社会发展。

    长江经济带地区方面,地调成果支撑苏南现代化建设示范区、江苏省沿海办规划建设,并为嘉兴和台州城市生态红线划定提供可靠依据;发布《支撑服务长江经济带发展地质调查报告》;圈定沿长江傍河水源地,保障皖江经济带供水安全;长江中游城市群咸宁-赤壁和南昌-怀化段高铁沿线1∶5万环境地质调查初步摸清区内环境地质问题;研究重大水利工程对长江下游地质环境影响,并向有关部门提交建议。粤港澳湾区完成镉、汞、砷环境风险评价。

    丝绸之路经济带境内段方面,关中-天水城市地质调查成果支撑西咸新区规划发展;柴达木盆地找水支撑水资源保障及四省连片藏区解困脱贫。

    东北经济区方面,长吉经济圈地质环境综合调查助力长春新区发展建设。

    地质灾害防治与地质环境保护支撑

    2016 年,中国地质调查局安排1∶5万水文地质调查4.4×104km,1∶5万地质灾害调查2.1×104km。在洮河流域、安宁河断裂带、青藏高原东缘重大工程区等地质灾害高易发区,选择典型地区开展 1∶5万崩塌滑坡泥石流调查与风险评价示范,显著提高了地质灾害早期识别准确率和评价精度, 为地方地质灾害防治管理提供了重要依据。

    洮河流域下游地质灾害调查实践新技术新方法。为“地质灾害野外调查数据采集系统”开展全面测试工作。全面采用了手持PAD端的“地质灾害野外调查数据采集系统”进行野外调查数据采集,为该系统完善后在地质灾害调查领域中全面铺开应用打下坚实基础。开展无人机倾斜摄影在地质灾害调查工作中的试用,探索了地质灾害快速调查评价新技术、新方法。探索了无人机高精度三维倾斜摄影在地质灾害调查领域应用的可行性,探索不同分辨率影像对地质灾害解译的适用性,最终筛选出适用于新一轮地质灾害调查评价工作的最优化方案。

    新技术拓展地灾调查与监测成果服务链。将多旋翼无人机航拍技术与传统地面调查手段相结合,建立了基于无人机技术的地质灾害调查新模式,优势主要表现在:一是利用“无人机”遥感影像图作为临灾避险底图,提升了图件的可读性、易懂性,形成了地质灾害群测群防工作的新特色;二是协助当地国土资源部门,对多处隐患点及其灾害链进行了排查,精准、直观、快速地划分了危险区,拓展了地质灾害应急调查思路;三是以“无人机”调查为先导,有助于调查人员从直观上掌握灾害体及灾害链发育特征,切实提高野外调查效率,开辟了地质灾害快速调查新方法。

    长江经济带活动断裂与区域地壳稳定性研究取得新进展,厘定和发现对区域地壳稳定性具显著影响的重要活动断裂带32条。

    积极推进革命老区、贫困地区以及西南岩溶区和西北干旱区等生态脆弱地区1∶5万水文地质调查。初步提出了地下水及湖泊水的补给来源,建立了巴丹吉林沙漠南部地下水循环模式。

    通过实施2016年“长江、珠江、黄河岩溶流域碳循环综合环境地质调查”项目,结合历史资料的综合研究,建立了流域尺度岩溶动力系统中碳循环的概念模型。模型阐明了大型流域中碳元素由“无机碳→有机碳→内源有机碳”的迁移过程,有力地回答了针对“地质碳汇中碳酸盐岩化学风化碳汇稳定性”的质疑,为碳汇通量计算、模型研究等提供依据,有助于提升我国在气候变化会议上的话语权。

    国土开发与保护基础地质支撑计划

    2016年,中国地质调查局开展了土地地球化学调查、国土资源利用与保护基础支撑、地质矿产调查战略规划支撑和国土遥感综合调查等工作,进一步加大支撑服务力度。

    在土地地球化学调查领域,在不同区域部署1∶25 万多目标区域地球化学调查和1∶5万土地质量地球化学调查。调查区包括乌蒙山区、滇西边境地区、滇黔桂石漠化区3个集中连片特殊困难区,165个国家级贫困县,占全国总贫困县的27.9%,涉及贫困人口约2398万人,约占全国总贫困人口的34%。调查发现的绿色富硒土地资源已成为当地政府帮助贫困地区农民精准脱贫的重要抓手,四川屏山县、广西横县、云南昭通等地通过合理开发利用富硒土地资源,发展天麻、苹果等富硒农产品,取得了显著的社会经济效益。

    在国土资源利用与保护领域,支撑国土资源部发布《国土资源环境承载力评价技术要求》(试行);开展青海格尔木大型水源地、西藏多龙矿床技术经济与环境综合评价,助力绿色矿山建设;部署了全国重要地质遗迹调查,统筹开展了省级调查评价和全国综合集成两个工作层次工作,摸清地质遗迹资源家底,服务经济社会发展。

    在地质矿产调查战略规划支撑方面,中国地质调查局2015年立题“中国能源与矿产资源安全动态评价与决策支持系统建设”,综合评判未来中国经济走势、能源和主要矿产资源需求趋势。(1)发达国家100年来GDP增速变化趋势研究表明,随着工业化过程经济快速发展,GDP增速显现早期GDP增速快速上升、中期增速放缓并逐渐到达峰值、之后呈缓慢下降直至平稳的“S”形变化轨迹。(2)近年来中国GDP增速减缓的趋势与发达国家相同发展阶段GDP增速减缓的“S”形轨迹相一致,是工业化中期发展阶段大宗商品需求增速放缓背景下产业结构调整的必然。(3)根据人均矿产资源与人均GDP的关系,判断未来15年重要矿产资源需求趋势。中国主要大宗矿产资源已经进入了消费增速减缓时期,预计中国主要矿产资源将在2017年至2025年间陆续到达消费峰值点或零增长点。强调尽管GDP增速下降将导致中国主要矿产资源需求增速放缓,但资源消费总量在未来5~8年时间内仍然会持续缓慢增长,并保持较高的人均消费水平。

    在地质矿产调查战略规划支撑方面,还初步构建中国物质流研究框架与信息平台,地质调查业务管理启动一站式服务模式;地质勘查进展年报及时提供行业最新动态。

    在国土遥感综合调查领域,形成了2016年度矿产卫片执法监督检查工作图件数据;分析了年度全国矿产资源开发利用状况;国边海防基础地质遥感调查成果为国防建设提供了服务;发现和总结典型冰湖溃决灾害的三种成因模式;形成了全国自然资源本底数据和系列图件。

    “一带一路”基础地质调查与信息服务

    2016年,国际对比研究与编图成果斐然,1∶1000万亚洲成矿图、1∶2500万世界海洋矿产资源图等图件编制完成。

    《1∶2500万世界海洋矿产资源图》通过编制世界海洋地貌背景图和构造背景图,在全球4大洋厘定3类、161个海洋地貌单元和3类、36个海洋构造单元。采集世界海洋矿产资源数据2334组,建立包含17个属性的世界海洋矿产资源数据库。首次在国际上编制完成数字化的、展示7种海洋矿产资源空间分布的1∶2500万世界海洋矿产资源图,填补了国内外空白。对世界海洋石油、天然气、天然气水合物、磷酸盐岩、铁锰结核、富钴结壳、多金属硫化物资源的调查研究及勘查开发概况、分布特征、地质特征及成因进行了全面论述,初步总结了世界海洋矿产资源的形成和分布规律,为21世纪开发利用海洋矿产资源、维护我国海洋权益奠定了地质科学基础。该项成果对我国实施海洋强国战略和推进“一带一路”建设具有重要意义。

    《1∶1000万亚洲成矿图》通过编制亚洲构造背景图,在亚洲大陆及毗连海域划分出6个构造域、71个构造单元。采集大型超大型矿床数据891组,建立由24个属性构成的亚洲矿床数据库。首次在国际上编制完成数字化的、包含25种矿产的1∶1000万亚洲成矿图,填补了国内外空白,获得世界地质图委员会的国际认可。对亚洲石油、天然气、煤炭、铀、铁、锰、铬、铜、铅、锌、铝、镍、钨、锡、钼、汞、锑、金、银、铂、锂、稀土、磷、钾盐、金刚石等25种矿产的资源概况、地质特征、分布特征进行了论述,在亚洲大陆及毗连海域划分出4个成矿域、10个成矿区、26个成矿省,初步总结了亚洲成矿规律。该项成果是继1∶2500万世界大型超大型矿床成矿图和世界海洋矿产资源图后又一个具有国际影响的矿产资源编图成果。

    地质调查合作填图与研究取得一系列成果,中国地质调查局援摩洛哥地球化学和地质填图项目受到摩洛哥政府表彰;制作了“一带一路”64个国家/地区不同比例尺的三维遥感影像图。

    全球尺度地球化学国际研究中心落户中国。中国地质调查局全球矿产资源地球化学与遥感调查工程实施的全球地球化学基准网建立子项目,中国牵头与30余个国家开展了合作研究,建立了覆盖面积近3200×104km2地球化学基准网和化学地球大数据平台。中国在全球地球化学基准网建立中发挥了核心作用。牵头制定了全球地球化学基准技术指南、实验室分析指南、数据管理与图件编制指南。中国还承担了大国责任,举办了4次国际地球化学填图培训班,让世界共享了我国先进技术。以该计划为基础,经联合国教科文组织和中国政府批准建立全球尺度地球化学国际研究中心,体现了中国在该领域取得的国际领先地位。2016年5月12日中心正式成立和运行。目前为止,完成全球陆地面积22%的全球地球化学基准网建设,对全球地球化学基准数据80万条数据进行收集整理、校对和入库。全球地球化学基准网持续记录全球化学基准与变化等科学数据,以此为基础设立了“化学地球大科学计划”,为编制全球地球化学一张图,绘制地球化学元素图谱,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,提供权威数据,为决策者、科学团体和社会公众提供共享服务,为世界贡献中国力量。

    信息集成与服务成果显著。以国产卫星数据为主要数据源,初步制定了《“一带一路”资源环境卫星遥感解译技术指南》,制作了“一带一路”64个国家/地区不同比例尺的三维遥感影像图;在此基础上,开展了泰国、蒙古、哈萨克斯坦、波兰等35个国家(总面积达1300×104km2)的城镇、交通、水系、构造、地层、岩性、矿业活动区、林地、耕地、荒漠化、湿地等11个资源环境要素的遥感解译,形成1∶100万遥感解译中间图件近40幅;初步开展了中蒙俄、新欧亚大陆桥、中伊土、中巴、孟中印缅和中新等6条经济走廊沿线重点地区的资源环境遥感解译2×104km2,形成1∶25万遥感解译中间图件10多幅等等。通过对“一带一路”地区35个国家的遥感地质解译,快速有效地获取了大范围、多要素、多尺度的资源环境信息,为国家“一带一路”倡议、多家“走出去”企事业单位资源勘查和投资决策提供了信息服务,发挥了重要先导作用。

    完成了中巴经济走廊工程地质调查服务重大工程建设;“丝绸之路经济带”地质矿产信息综合数据库建设。

    国际合作与交流日益频繁,圆满完成了蒙古铜金矿床地质矿产考察。

    地质调查科技支撑

    2016年以来,在地层、古生物、地质构造、地质勘查技术、科学钻探等方面取得了新成果和新进展,充分发挥了地质科学技术的引领和支撑作用。

    四川昭觉地区发现白垩纪恐龙足迹化石,长羽毛恐龙及翼龙研究取得新发现;发现剑头翼龙属新材料,骨组织研究取得进展。

    印度-亚洲碰撞带由挤压到走滑的构造转换的重大发现及机制破解;高演化页岩油气地质条件评价热解分析仪初步研制成功;海域天然气水合物钻探取样装备完成优化试制;地质灾害应急调查有了新型便携式工具箱;南海天然气水合物试采技术形成创新体系;软硬交错复杂地层钻进技术的改进为深部隐伏矿体找矿提供了有效的技术支撑;创新成矿理论、找矿模型及勘查方法;矿产地质志完成多项阶段性成果;铜陵地区典型Cu-Au矿床成矿分带及三维建模已初步完成。

    地质数据更新与应用服务

    2016年,全国地质资料馆共提供各类地质信息服务超过240万人次。

    新增20万个钻孔数据提供服务,总服务量超过60万个;获取50余万景高分辨率国产卫星数据,形成基础遥感地质解译产品;完成中国陆域1∶25万~1∶500万区域地球化学系列图;完成1∶150万华北、东北、华东、中南、西南和西北六大区基础地质数据和图件更新;正式出版1∶250万中国大地构造系列图、1∶500万中国变质地质图;编制完成中国海及邻域1∶500万布格重力异常图、中国海-西太平洋1∶300万均衡重力异常图;构建了我国阿尔金成矿带“地质云”示范模型;利用移动服务应用和微信公众服务平台使地学文献信息获取更加便捷。

    海洋地质调查

    2016年海洋地质调查总体进展顺利,取得了一系列丰硕成果。

    1∶25万海洋区域地质调查为三亚新机场建设提供重要地质依据;高取心率钻孔精细厘定东海外陆架晚第四纪地层框架;海陆统筹综合地质调查助推海岸带协同发展;围绕舟山绿色石化基地等重大工程,开展浅层气相关地质灾害影响评估;海岸带综合地质调查提高了重大工程建设保障能力;建成多个海岸带地质环境监测示范区;南黄海科学钻探CSDP-2井揭示前新生代海相地层并发现油气显示;圈定东沙中生代13个有利圈闭构造及西沙海槽盆地5个重点构造;神狐海域新发现高饱和度、高渗透率水合物储层;冷泉探测发现目前我国海域规模最大的冷泉羽流;发现“海马”冷泉生态系统复杂,历史甲烷渗漏量大;“高富强”地震勘查新技术落实了调查参数井井位;创新形成了天然气水合物试采技术体系;初步建成天然气水合物数据集成及共享服务平台;整合推出海洋地质新数据并提供服务;海洋地质数据成果三维展示提升海洋地质信息服务水平。

    科技创新成就累累硕果

    1月14日,中国地调局广州海洋局第二届海洋地质青年论坛成功落下帷幕。

    海洋地质青年论坛自2015年9月份开展以来,广州海洋局青年科技人员紧紧围绕局“两重一主”工作、海洋地质工作改革发展热点难点、文化建设和科研生产工作中急需解决的问题,提出了有针对性的政策建议,撰写了学术研讨论文。9个业务单位通过组织学术交流会,选拔评比,共推荐了20项研究成果。经评审委员会专家评议,《徐闻珊瑚礁自然保护区沉积物重金属污染历史及生态风险评价》、《富稀土磷酸盐及其在深海成矿作用中的贡献》、《亚洲东南部边缘海末次冰期旋回中具槽帕拉藻化石记录及古环境重建意义》等6项成果获得一、二、三等奖。

    汇报会上,6名优秀论文获奖者进行了专题报告,向与会者汇报了研究进展及成果,充分交流了在海洋地质研究工作的经验做法和思考建议。

    举办海洋地质青年论坛是广州海洋局加强科技创新和人才队伍建设的一项重要举措,也是青年科技人员展示研究成果、交流经验做法、提高业务能力的一个平台,广州海洋局将继续坚持这样举措,打造成具有特色的青年论坛。  

    向优秀论文获得者颁奖

    优秀论文获得者作专题汇报

    青年论坛汇报暨表彰会会场

    中国地调局广州海洋局举办第二届海洋地质青年论坛

     

     

     

     

    “部分地区耕地重金属超标态势仍然比较严峻。在调查区13.86亿亩的耕地中,重金属超标的点位比例占到了8.2%,主要分布在南方。” 6月25日全国土地日当天,中国地质调查局发布《中国耕地地球化学调查报告(2015年)》,再次为中国的土壤污染问题敲响警钟。

     

    土壤危机,是土地危机,也是农业危机,“向土壤污染宣战”直接关系到人民身体健康和国家经济安全,这也大大催生了各类污染治理和修复技术,催生了相关产业的发展和繁荣。

     

    土地日宣传周期间,记者来到位于北京西北郊区的国土资源部生态地球化学重点实验室——国家地质实验测试中心生态地球化学研究室,与多位常年从事土壤污染调查、评价、修复的地质科技人员,面对面地谈起了人们高度关注的土壤污染修复问题。

     

      本报记者:周飞飞

     

    特邀专家:刘晓端 杨永亮 谭科艳 黄园英 刘斯文

     

      土地日专家访谈

    观点1

    具有“廉价、高效、管理简单、无二次污染”等特点的地球化学工程技术,是当前重要且极具应用前景的土壤修复手段。

    记者:随着我国城市化、工业化和农业集约化的快速发展,大量污染物通过各种途径进入土壤环境,导致土壤污染问题越来越严重。那么,按照污染物的来源,我国土壤污染有哪些类别?您觉得最重要的污染源是什么?

    刘晓端:从污染物种类来看,类型大致可分为有机污染、无机污染及两者均存在的复合污染,其中有机污染物主要有多环芳烃(PAHs)、六六六和滴滴涕等有机氯农药、灭蚁灵等杀虫剂、挥发性有机物和半挥发性有机物石油类物质等,而无机污染物主要是砷、铅、镉、铬、锌、镍、汞、铜等各类元素。

    刚刚发布的《中国耕地地球化学调查报告(2015年)》显示,我国耕地重金属超标与地质作用过程密切相关,而人类活动则是造成或加剧重金属超标的重要原因。采矿、冶金、电镀等工矿企业“三废”排放,以及农业生产中污水灌溉、化肥的不合理使用、畜禽养殖等人类活动造成或加剧了局部地区耕地重金属污染。

    近几年,我们实验室一直在应用地球化学工程技术,针对金属矿山进行水土污染方面的研究。

    记者:地球化学工程技术与其他修复技术相比,有着怎样的特色?

    刘晓端:我国的土壤污染类型多样,呈现出新老污染物并存、无机有机复合污染的局面。既有重金属、农药、抗生素和持久性有机物等污染,又有放射性、病原菌等污染类型。土壤污染途径多,原因复杂,控制难度大。污染类型多样化和污染原因复杂化导致土壤污染修复工作难度增大。

    采取何种有效可行的污染治理措施,是我国目前土壤污染修复治理的关键和亟待解决的问题。

    污染土壤修复是指利用物理、化学和生物的方法转移、吸收、降解和转化土壤中的污染物,使其浓度降低到可接受水平,或将有毒有害的污染物转化为无害的物质。大致可分为物理、化学和生物3种方法。

    土壤重金属污染传统的治理通常采用物理、化学的方法,如客土换土法、淋滤法、吸附固定法、热处理法、络合浸提法、氧化还原法、电化学法等。虽然这些方法治理效果较好,历时较短,但往往投资大,难以管理,易造成二次污染。

    与传统方法相比,生物修复技术具有成本低、来源广、无二次污染的特点,尤其适用于低浓度重金属的去除。目前,生物修复技术的主体主要包括植物、动物、微生物。其中应用较为广泛、治理效果显著的是植物修复和微生物修复。

    地球化学工程技术,是应用地球化学的原理,通过人工制造的某些地球化学作用或利用地球化学原理制造的产品,实现环境污染治理与管理的途径、方法和技术。地球化学工程技术中常会应用非金属材料作为污染土壤修复的材料,其主要环境技术包括稀释/浓缩、分解/中和、隔离作用和固化作用。这种方法尽可能地不干扰自然界, 依靠元素自然循环来去除有关的化学元素。

    记者:近年来,国家地质实验测试中心生态地球化学研究室针对不同生态系统和不同污染物的环境污染控制和修复技术开展了多项研究,应用的都是地球化学工程技术手段吗?效果怎样?

    黄园英:我们利用地球化学工程技术原理,筛选出了同时对多种重金属具有很好去除效果的矿物材料,建立了对复合重金属污染水体具有特征吸附和固定作用的处理系统,从而阻断了重金属污染元素向生态链的运移。

    与传统物理、化学和生物技术相区别,基于地球化学原理和技术,提出的低成本建造、低成本运行、快速、高效、简单的重金属污染环境的地球化学工程技术,迎合了时代发展对环保技术“廉价、高效、管理简单、无二次污染”的需求。我们已建立的示范工程运行监测数据进一步表明,以黏土矿物作为反应材料对酸性矿山废水中的重金属离子去除是非常有效的,水处理成本约为0.55元/吨,非常适合今后在工程上大规模推广应用。

    刘晓端:我们的目标是,逐步建立基于地球化学工程技术的水、土环境污染控制和修复技术体系和示范基地,强化已有技术方法的推广应用,推动技术方法的产业化进程。

    观点2

    不一定要把土壤中的污染物提取出来,可以通过对土壤中的重金属元素进行吸附、固定、隔离,设置地球化学障,阻断污染元素向生态链的运移。

    记者:国土资源部生态地球化学重点实验室是什么时候成立的?有关土壤污染修复的项目是什么时候开始出现且多起来的?

    刘晓端:重点实验室的前身国家地质实验测试中心生态地球化学研究室,成立于1993年。20多年来,承担了一系列国家、部门重大环境地球化学研究项目,如获国家科学技术进步二等奖的“区域地球化学与农业和健康”、获国土资源科技进步二等奖的“人体硒缺乏与过剩的地球化学特征及其预测”、获国土资源科技进步一等奖的973项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理”,以及“地质体对水资源保障的双重作用及其应用”、“典型地区土壤污染演化及安全预警系统研究”、“东北重工业城市地球化学环境生态安全监测与修复治理的技术研究”等。

    中国开展土壤污染修复项目始于1995年,当时采用的是生物修复的方法。我们大约是在本世纪初开始进入污染土壤和水体的环境控制与地球化学修复技术研究领域的。由于国家越来越重视,这几年我们这方面的项目越来越多,如,“我国典型矿山环境污染评价与修复技术研究”、“金属矿山环境污染机理和防治研究”、“纳米铁用于饮用水中砷的有效去除技术研究”、“农田土壤中典型持久性有机污染物的降解与修复”等。通过这些项目的实施,我们在环境重金属污染修复领域获得了许多重要进展和成果。

    记者:请简单讲一下地球化学工程技术修复受污染土壤的思路。

    刘晓端:近10年来,实验室依托《金属矿山重金属污染土壤的地球化学工程控制修复技术开发与示范》、《生态地球化学环境与修复技术研究》,以及多个有关矿山重金属污染控制与修复技术的示范项目。

    我们的整体思路是:依据地球化学原理,充分利用地质体或自然介质的作用,通过对修复材料、修复工艺和控制技术中的关键问题的研究,建立具有对重金属元素有特征吸附、固定、隔离作用的地球化学障,阻断污染元素向生态链的运移,从而保障农作物的健康。这也说明,改善土壤环境质量不一定非要把重金属元素等“毒素”运移出来,只要把它们固化在土壤内,阻止它们进入食物链,就能保障人们的餐桌安全。

    记者:能否具体讲讲有关土壤修复示范区的情况?

    刘晓端:在安徽某铜矿的尾矿坝附近,我们建立了一个重金属污染土壤修复示范区,选用一种或几种黏土矿物,结合一定的环境条件控制技术,对重金属元素进行吸附,使重金属超标土壤上种植的超标蔬菜中的重金属含量达到《食品中污染物限量标准》。如今,该研究成果已经成功用于江西某铅锌矿冶炼厂重金属污染山体的修复,使寸草不生的酸化和多金属污染土壤得以恢复种植功能,山体复绿。

    杨永亮:我们在沈阳进行东北重工业城市地球化学环境生态安全监测与修复治理技术研究时,针对污染地区建立了水—土—植物生态保护与治理技术应用示范点。

    开展了土壤重金属污染修复方法的研究和饮用地下水中重金属离子的去除技术的研究,最终形成了磷酸盐岩化学固定法对铅、锌、镉的土壤污染治理技术,以及纳米铁材料修复浅层地下水和对深层饮用地下水中的重金属元素的取出技术,获得了非常好的效果。修复后土壤上长出的多种蔬菜,原土中所含的多种重金属元素均未超标,可以放心食用。这一成果受到当地农民的肯定和欢迎。

    刘斯文:在赣南地区,我们建立了离子型稀土矿山的环境修复示范区,将地球化学工程技术用于离子型稀土矿山环境污染的控制与修复,即通过在注液坑中设置地球化学障,改善坑内土壤环境,阻止污染物的迁移,保证植物的生长条件,为矿山复绿提供了基本保证。

    稀土矿山污染土壤的修复分为四步:一是通过添加自然黏土矿物,调整土壤地球化学属性,同时,筛选修复植被;二是调整修复场地的土壤地球化学属性,将调整后的好土壤装入生态袋中,利用柔性结构技术将生态袋固定在修复场地上,形成护坡,并在生态袋上进行植被喷播;三是利用地球化学障技术阻断污染,改善土壤环境,并尝试种植林木;四是长期监测修复效果。

    地质工作者在稀土矿区污染土壤的修复实践证明:土壤修复有效地改善了局部土壤地球化学环境,防止了水土流失,降低了潜在生态风险的强度。

    观点3

    自然环境是相互联系、相互作用的整体,解决土壤污染问题不能就土论土。

    黄园英:在江西某铜矿附近,我们建设了酸性矿山废水重金属污染治理示范工程,以对大坞河流域土壤影响最大的重金属污染源——酸性矿山废水为研究对象,利用地球化学工程技术,分别对酸性矿山废水和土壤中重金属污染治理进行了研究,筛选出水体和土壤中重金属修复材料,形成了一整套重金属污染控制与防治技术方案。

    示范工程运行5个月的监测结果表明,以价格低廉的黏土矿物材料——凹凸棒土作为反应介质,能够对水土中重金属具有很好的治理效果,重金属锰的平均去除率为93%。经示范工程处理后的河水能够达到我国综合污水一级排放标准,水体环境和重金属含量都符合《国家农田灌溉水标准》。当地农民可以放心地用处理后的河水浇地,彻底改变了大坞河水“祸害”农田的现状。而且,原来大坞河鱼虾绝迹,经处理水质得到明显改善后,不仅鱼能生存,且可大量繁殖。

    谭科艳:针对示范区内受重金属污染的土壤,我们通过改善土壤pH值,施用土壤改良剂,添加特定的修复材料,对土壤中重金属进行固定。经修复后的土壤种植的蔬菜,测得处理后土壤中可食用部分蔬菜中重金属含量能够满足《食品中污染物限量》的标准。

    在某铅锌矿冶炼厂旧址,我们对受镉、铅和砷等重金属污染的土壤进行了修复,修复后种植的马尾松和红叶石楠生长茂盛,而未经修复土壤种植的马尾松成活率非常低,且难以生长,充分表明了,地球化学工程技术可以大大减少土壤中重金属对植物的危害,能够抑制土壤中重金属的迁移能力,达到保护植物和保障人民健康的作用。

    记者:我注意到大家在介绍土壤污染修复的时候谈到不少水体污染修复方面的研究,两者是什么关系?

    刘晓端:土壤是自然生态系统的组成部分,土壤污染和水体污染、大气污染等问题是一个多系统的问题:地下水和地表水都会跟土壤产生接触,而空气中含有的各种污染物也会通过诸如降雨等形式渗入地表,最终造成土壤和地下水污染物的一部分。因此,土壤修复工作针对的对象不仅是土壤,而且要同时考虑到大气和水体污染的问题。

    解决土壤污染的问题不能“就土论土”,我们的研究是“水土不分家”。

    杨永亮:《中国耕地地球化学调查报告(2015年)》告诉人们,在人类活动强烈地区,工农业活动是造成土壤重金属快速累积和污染超标的原因,尤其是现今情况下,大气中有毒元素的沉降是极其重要的污染途径。

    为了研究污染物传输的季节性变化,我们选取青藏高原东部边缘的阿坝州卧龙高海拔地区及若尔盖高原湿地作为研究对象,研究了不同季节大气、降水、地表水、土壤、植被、牦牛中持久性有机污染物的变化特征,并通过后向气流轨迹分析以及应用铅同位素示踪原理,对近地表大气气溶胶污染来源进行了探讨。

    观点4

    地球化学技术方法不是万能的,应突破专业所局限,因地制宜研究复合型技术。

    记者:看来,土壤污染治理需要具备大环境观。

    刘晓端:不仅自然环境是一个整体,科学也应该没有界限,不要局限在自己的专业中。就土壤修复技术来看,地球化学技术方法不是万能的,应该积极融合诸多相关学科的思路和方法,研究复合型技术。当然,根据我们的学科特点和优势,我们的研究方向是以地球化学技术方法为主,综合生物修复等其他各类手段。

    记者:已经有所突破了吗?

    谭科艳:有了一定的突破。

    我们选择工业污染严重的湖南株洲某地作为研究区,开展了水土重金属污染的地球化学—生物联合技术研究。研究使用不同黏土矿物和微生物修复材料同时修复土壤中重金属污染的效果,探讨其产生作用的机理,为不同类型污染土壤的修复提供理论依据和技术支撑。同时开展了地球化学—微生物法处理工业废水中锰和镉的修复技术研究,综合地球化学工程技术和生物的优势,达到修复的最佳效果和最低能耗的综合治理目的。

    记者:效果怎么样?

    谭科艳:能够高效去除工业废水中的高浓度镉和锰,达到相应排放同时利用该项技术,能够使种植蔬菜中的铅、汞、砷达标。

    在这项研究中,已经完成了大批量的中试试验,采用一级硫酸盐还原生物滤池降低进水镉浓度,使其达到国家《污水排入城镇下水道水质标准》中对镉的排放要求;通过二级生物滤池处理,使水中镉浓度达到国家《地表水环境质量标准》中二至三类水对镉的要求,锰的浓度达到了集中式生活饮用水地表水源地补充项目标准的限值要求。

    在深度去除废水中镉、锰的实验中,我们采用锰氧化一级生物滤池对镉锰严重超标的水进行修复,使其可以满足国家《生活饮用水卫生标准》中对水中金属镉含量和锰含量的要求。

    实验研究了锰氧化细菌深度处理微污染水体中镉的机理,为锰氧化细菌深度去除微污染水体中其他重金属元素提供理论基础。有关专家评价,这项技术解决了环境污染锰和镉修复的难点,是地球化学—生物联合修复重金属污染技术上的一项重大突破。

    在土壤修复试验中,我们也采用了地球化学工程—生物技术——通过添加矿物和微生物,阻隔土壤中的铅、汞、砷进入生物链,使修复土壤上生长蔬菜中的三种重金属含量全部达到了《食品中污染物限量》标准,修复效果显著。

    值得一提的是,该技术对镉有显著的修复效果,对镉的修复率达到了38.71%,可有效降低重金属高污染区人体暴露的风险,为从根本上解决“镉米”等有毒农产品泛滥的社会问题提供了技术支持的可能。

    土壤教室

    中国主要土地污染类型

    中国的城市和农村都面临着十分严峻的土地污染问题,主要包括四大类:

    重金属污染场地。主要来自钢铁冶炼企业、尾矿,以及化工行业固体废弃物的堆存场,代表性的污染物包括砷、铅、镉、铬等。 

    持续性有机污染物污染场地。中国曾经生产和广泛使用过的杀虫剂类持续性有机污染物主要有滴滴涕、六氯苯、氯丹及灭蚁灵等,有些农药尽管已经禁用多年,但土壤中仍有残留。中国目前农药类持续性有机污染物场地较多。此外,还有其他持续性有机污染物污染场地,如含多氯联苯的电力设备的封存和拆解场地等。

    以有机污染为主的石油、化工、焦化等污染场地。污染物以有机溶剂类,如苯系物、卤代烃为代表。也常复合有其他污染物,如重金属等。

    电子废弃物污染场地等。粗放式的电子废弃物处置会对人群健康构成威胁。这类场地污染物以重金属和持续性有机污染物(主要是溴代阻燃剂和二噁英类剧毒物质)为主要污染特征。

    目前较为成熟的修复技术

    当前,修复技术中比较成熟或应用较多的技术有固化/稳定化技术、化学氧化/还原技术、异位热脱附技术、异位土壤洗脱技术、水泥窑协同处置技术、土壤植物修复技术、土壤阻隔填埋技术、生物堆技术等。

    植物修复和微生物修复

    植物修复是一种利用自然生长植物或遗传培育植物修复金属污染土壤的技术的总称,是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的方法,并已在全球得到了迅速的发展和应用。

    根据其作用过程和机理,重金属污染土壤的植物修复技术可分为3种类型:植物稳定、植物挥发、植物提取。

      土壤微生物包括与植物根部相关的自由微生物、共生根际细菌、菌根真菌,它们是根际生态区的完整组成部分。

    微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用,其抗重金属机制包括生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。通过这些作用,微生物可以降低土壤中重金属的毒性,改变根际微环境,吸附积累重金属,从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。

    不过,目前大部分微生物修复技术还局限在科研和实验室水平,实例研究还不多,无法大面积推广,对于微生物修复技术还需作更深入探索。(刘斯文)

    土壤修复的地球化学“魔法”

    他,醉心于基础地学研究,在18年时间里验证了国际地学界的三大猜想,其中对在喜马拉雅造山带和苏鲁超高压变质带发生地壳熔融作用的研究成果,改变了学术界此前的惯常认识。

    他,就是来自自然资源部中国地质调查局地质研究所的中国地质调查局杰出青年科技工作者曾令森。

    2020年8月,曾令森(右)在西藏鲁朗地区采集样品

    为地学界三大猜想找到证据

    早在1984年,国际地学大师瓦森(E.B. Watson)和哈里森(M. Harrison)就提出了“变质岩部分熔融存在高度钕(Nd)同位素不平衡现象”的猜想,但可惜的是一直没有获得关键证据。而为这一猜想提供证据的就是曾令森。

    曾令森1991年从南京大学地球科学系构造地质与地球物理学专业毕业后,一直醉心于基础地学研究。1998年,曾令森到美国加州理工学院地质与行星科学系学习,以美国内华达岩基为主要研究基地,应用野外实测和理论模拟相结合的方法,发现了变质岩部分熔融高度钕(Nd)同位素不平衡的现象,在系统研究后构建出符合地质情况、较简洁的理论模型,解释了变泥质岩部分熔融作用中铷—锶(Rb-Sr)和钐—钕(Sm-Nd)同位素系统耦合行为,从而使这一猜想正式上升为基础地学的一大理论。2008年,澳大利亚出版的由麦考瑞大学弗农教授和悉尼大学克拉克教授联合编写的《变质地质学》教科书,将这项基础地学研究成果收录其中。

    2004年学成回国后,曾令森将目光锁定国际基础地学研究的两大热点:喜马拉雅造山带和苏鲁超高压变质带。以这两条典型碰撞造山带为基地,系统研究超高压至地壳温压条件下,地壳物质部分熔融的岩石学和地球化学特征,探讨部分熔融作用的构造物理学和地球化学效应,仅用5年就证实了地学界对两大造山(构造)带存在多年的两大猜想:在喜马拉雅造山带,碰撞造山早期也有熔融事件发生;在苏鲁超高压变质带,可以发生熔融作用。这两项研究成果,改变了学术界此前的惯常认识,引起国际基础地学界的关注。

    2011年,曾令森的论文《藏南北喜马拉雅穹窿中始新世高Sr/Y比花岗岩:增厚下地壳熔融作用》在《地球与行星科学通讯》上发表后,即成为SCI高被引论文之一。《地球与行星科学通讯》在收到他关于苏鲁超高压变质带的论文后,居然发现找不到足够有类似研究经历的审稿人。最后,还是《科学通报》主编、中国科学院院士郑永飞推荐其他专家审阅后,曾令森的这一研究成果才得以面世,并引发了多人的后续研究。

    2009年,曾令森在俄罗斯远东马加丹岩基做野外工作。

    初心不改探求地球本源

    人类虽然生活在地球上,但对地球的许多认知仍较浅显。而正是这许许多多的未知,令地质科学充满魅力。曾令森坦言,自进入南京大学后,就一直对探求地球本源有着浓厚的兴趣。

    他以自己的研究重点——地壳熔融研究为例进行了说明。熔融一般发生在地壳5公里以下、最低温度650摄氏度的区域,是大陆地壳活动和演化的一个重要过程。经过重要元素迁移、富集和挥发份(如二氧化碳)的释放或捆绑,发生过部分熔融的岩石是了解、洞悉地壳岩石学和地球化学过程的最直观对象。地壳熔融作用的研究,在解译大陆地壳地球化学特征的形成机理、限定古老地质构造背景、生物演化的地质环境等方面都起着关键作用。

    这种研究既枯燥又具有挑战性,除要在野外找到带有熔融证据的样品外,还要对样品进行细致加工,然后再通过实验手段对其进行地球物理、地球化学和岩石学的分析。最后,还要厘清各实验数据间的关系,整个过程的难度不亚于茧中抽丝。

    对曾令森的变质岩部分熔融高度存在钕(Nd)同位素不平衡现象这一科研成果,美国科学院院士、著名实验岩石学家瓦森评价:“不仅是一创新性的贡献,还是后续研究的榜样。”《变质地质学》期刊前主编布朗教授在庆祝美国地质学会成立125周年和皇家地质学会成立200周年的有关花岗岩研究进展的评述中,亦将其列为当时国际花岗岩研究的重要进展之一。

    回国后,曾令森坚守基础研究的初心,用丰硕的研究成果回馈养育他的祖国:发现了石榴子石的溶解行为如何影响花岗质岩浆的元素和放射性同位素的组成,证实了在含水部分熔融过程中榍石(含钛硅酸盐矿物)确实是调制熔体重要微量元素和钕(Nd)同位素的重要副矿物,确定了变沉积岩含水部分熔融和脱水部分熔融形成的淡色花岗岩的元素和放射性同位素(Sr-Nd-Hf-Pb)组成的差异,其中独居石(磷酸盐矿物)和锆石(锆硅酸盐矿物)的差异溶解作用是控制地壳深熔熔体铅(Pb)同位素组成的关键因素。

    近年来,他在喜马拉雅造山带印度—欧亚大陆碰撞前的构造和物质组成、藏南新生代地壳厚度的变化及深部构造过程、中下地壳物质部分熔融作用对稀有金属成矿控制等方面也取得了阶段性成果,目前正在建立理论模型,将回答哪种地壳部分熔融反应更有利于稀有金属成矿等关键问题。

    期待更好的基础研究环境

    基础地学研究需要甘于坐冷板凳,但只要出了原创性成果,在人类解决自身发展面临的资源、环境问题上却意义重大。

    比如,地壳熔融研究本身就很难取得成果,就算有所突破,也会因难懂的专业词汇而让人难以理解,更难走进普通公众的视野。但其研究成果对深部找矿、矿产成因、成矿规律等研究却具有重要的指导意义。

    “无论是从我国地学进步,还是从地学支撑经济社会发展的角度看,国家都应采取切实措施营造更好的基础研究环境。”曾令森说。

    就如何营造好的基础研究环境,曾令森建议,一方面,要营造良好的基础研究氛围。与应用研究不同的是,基础研究与应用转化、形成经济效益还有相当距离。因此,即使国家出台了鼓励科技人员兼职、以专利创业等诸多支持政策,基础研究人员仍难以享受。要让科技人员心无旁骛地醉心于基础研究,就必须从薪酬、社会地位等多方面想办法。

    另一方面,要加大基础地学研究的资助力度。一是要在各项重大科研计划中,列出一定比例的基础研究项目或经费。二是在相关基础研究项目研究周期结束后,自动安排后续或深化研究项目,以保持基础研究的持续稳定。三是可探索基础研究委托制,建议自然资源部和中国地质调查局每年梳理国际、国内重大地学基础地质问题,设立相关研究项目,与财政部协调后将项目委托给研究成果突出、诚信度高的基础研究人员。

     

    科技创新人物 曾令森:抽丝剥茧揭秘地壳演化

    2020年9月,欧盟发布新的包括30个矿种的关键矿产清单。自然资源部中国地质调查局地学文献中心近期出版的内部刊物《国外地质调查管理》2020年第20期对其进行了报道,以期对我国关键矿产工作提供参考和借鉴。

    欧盟自2011年起开始发布其关键矿产清单,按照规定,每三年发布一次新的经过调整的关键矿产目录。2011年的第一版包括14个矿种,2014年的第二版包括20种矿产,2017年的第三版包括27种矿种,最新发布的第四版包括30个矿种,每次调整,均有增有减,调整的依据是每种矿产战略形势的变化及其相对战略地位的变化,以供应风险指数和经济重要性指数来代表。

    2020年评估涵盖了83种单独原材料,其中包含砷、镉、锶、锆和氢五种新的原材料。在本次评估中以下30种被确定为关键原材料:锑、萤石、镁、金属硅、重晶石、镓、天然石墨、钽、铝土矿、锗、天然橡胶、钛、铍、铪、铌、钒、铋、重稀土元素、铂族金属、钨、硼酸盐、铟、磷酸盐岩、锶、钴、锂、磷、焦煤、轻稀土元素、钪。

    2020年矿产关键性评估的经济重要性和供应风险结果 

    关键原材料(CRMs)用红点突出显示,并且位于图形的关键区域(SR1EI2.8,其中SR为供应风险,EI为经济重要性)内。蓝色代表非关键原材料 

     
     
    地学文献中心报道欧盟最新发布的包括30个矿种的关键...