“锂”从山中来，仗剑走天涯

 邓伟 李成秀 冀成庆 徐莺 周雄

1.“锂”的家族群

1）锂（Li）

锂的克拉克值为30ppm，是较分散而又广泛分布的元素，主要在岩浆结晶作用的晚期阶段富集在伟晶岩中；花岗岩中含量最高，其次是碱性岩。矿床中经常与铍、铷、铯、钽等有益元素共生。

目前，已知含锂的矿物有150多种，呈独立矿物形式的有30多种，主要工业锂矿物有锂辉石、锂云母、透锂长石、磷锂铝石、铁锂云母等。川西稀有金属矿集区中的锂资源基本以锂辉石形式产出。

锂辉石，化学成分LiAl[Si2O6]。一般Li2O含量7%左右；晶体呈柱状、板状、针状，颜色可呈无色、灰白、淡紫、淡绿、淡黄、宝石绿色；条痕白色；摩式硬度6.5-7；比重3.03-3.22。

含锂矿物特征

2）铍（Be）

铍的克拉克值为6ppm，为显著的亲石元素。在花岗岩及霞石正长岩中的含量较高，在岩浆分异过程中富集于岩浆残液中，经常固结集中在岩石圈最上部，在地壳深部含量减少。

世界上已发现的铍矿物和含铍矿物有60多种，常见的矿物约有40多种，主要的工业矿物有绿柱石、硅铍石（似晶石）、羟硅铍石、金绿宝石（铍尖晶石）和日光榴石。

绿柱石，化学成分Be3Al2[Si6O18]，一般BeO含量13%左右；晶体一般呈柱状，呈绿色、黄色、浅蓝色、红色；条痕白色；玻璃光泽或树脂光泽；性脆；硬度7.5-8；比重2.65-2.91。

含铍矿物

3）铌（Nb）和钽（Ta）

铌和钽的原子构造类似，因此，两者在物理化学性质、地球化学性质及矿物学性质方面都很相近。铌、钽经常共生，在岩石和绝大多数矿物中铌和钽的含量此消彼长。在成因上与碱性岩有关的矿物中铌相对富集，与花岗岩有关的矿物中钽相对富集。

铌在地壳中的丰度为3.2ppm，钽的丰度为2.4ppm。由于铌、钽的地球化学迁移行为不同，铌开始早、收敛晚，钽主要富集于晚期。所以铌矿物种类多，分布广；而钽的变种少，分布不广。目前，已知的铌、钽矿物和含铌、钽矿物有130多种，常见的有30多种。如铌铁矿-钽铁矿、钽铁矿、铋铁矿、褐钇铌矿、易解石、铌易解石、铌铁金红石、烧绿石、锰钽矿、重钽铁矿、黄钇钽矿、细晶石等。铌钽矿物基本呈黑-棕红色，半金属光泽、油脂光泽，少数为金刚光泽；比重大，因此可用重选方式得以富集；化学成分极为复杂。

含铌钽矿物

4）铷（Rb）和铯（Cs）

铷在地壳中的丰度为90ppm。目前没有发现铷的独立矿物，呈分散状态，常以类质同象混入物出现在含钾矿物中。工业来源主要从富含铷的锂、铍、钾的矿物中提取。如锂云母中含Rb2O3%、微斜长石（天河石）中含Rb2O0.3%、铯榴石中含微量铷等。

铯在地壳中的含量为20ppm。含铯的矿物有10多种，但铯的主要来源还是稀有金属伟晶岩中的铯榴石和锂云母。除此之外，铯还分散在其他矿物中，如绿柱石、黑云母、天河石和堇青石等。

含铷铯矿物

铯榴石，化学式Cs[AlSi2O6] nH2O。一般含Cs2O30%左右，晶体往往呈立方体、粒状及致密块状，无解理；颜色为无色、白色，有时带灰、粉红、浅紫等色颜色；性脆，硬度6.5-7；比重2.67-3.03。

2.“锂”从哪里来

1）传统矿山

在您印象中矿山是什么样的？答案也许是偏远、荒凉、破旧的厂房，艰苦的条件，又或许是漫天尘土、泥浆满地、污水四溢，像这样又或许是那样……

2）绿色矿山

随着时代的发展和绿色矿山建设的推进，如今的矿山早已不再是从前的样子。先进的设备、一流的技术、现代化的厂房，一座座“花园式”的矿山正拔地而起。清洁生产，循环用水，大家再也不用担心环境污染了！

3）“石头”变“电池”

石头是如何变为电池的呢？锂辉石矿经过采矿进入选矿厂，选矿厂采用物理方法分选出含锂矿物，含锂矿物经过冶金处理成为碳酸锂产品，再由产业部门深加工，最终脱胎换骨成为电池。

3.崭新“锂”程

1） 锂之应用——走入寻常百姓家，健康美好新生活

随着科技的快速迭代升级，锂在日常生活中的应用越来越常见。含丁基锂的橡胶轮胎更加耐用，寿命比原来提高了4倍以上，让驾车出行更加安心；锂动力电池驱动的新能源汽车逐渐进入普通家庭，成为城市代步、环保出行的首选之一；锂电池和其他锂产品在娱乐设备上也得到广泛应用，为我们的休闲娱乐生活开启了无限可能性；锂的应用在家中随处可见，它为我们提供了便捷舒适的智能生活。

厨房里，添加了锂的电磁炉面板等玻璃制品，可以使其变得更轻、更结实、更耐溶。锂盐可为蔬果进行“健康护理”，防止西红柿腐烂和小麦锈穗病，让人们吃得放心、吃得安心。锂在医学保健方面也有新的应用，不仅可以强身健体，还能防治疾病，是人体健康的“守护者”。国外研究发现，锂与阿尔茨海默病存在关联，一款为中老年市场打造的天然矿泉水“锂水”就此诞生。而锂的用途还在不断拓展中，从交通工具到健康护理，锂的应用遍布我们生活的每个角落，改写了每一个人的生活方式。

新世纪崭新的“锂”程指日可待。

2） 铍之应用——让医疗成像、诊断和激光医学走到科技前端的金属材料

铍，是仅次于锂的轻金属，主要是以铍铜合金和铍金属的形式广泛应用于航空、医学等领域，是新兴产业发展必需的战略性矿产资源。目前，世界上只有美国、中国、俄罗斯等国具有工业规模的从铍矿石开采、提取冶金，到铍金属及合金加工的完整铍工业体系。

①提高X射线成像效果

因为铍金属既可以稳定地处理高温阻抗，又可以实现对X射线的高度透明，铍箔在医疗和科研X射线设备当中已经使用了很长时间。铍箔作为窗口来穿透聚焦的X射线，同时可以保持X射线发生管那一侧的真空环境。

②使低辐射成为可能

铍箔仍是CT扫描和乳腺X射线成像等高分辨率医学成像设备中必不可少的材料。在新一代乳腺癌X射线成像设备中使用低辐射扫描可以得到更精细的肿瘤分辨率，使许多早期可治疗阶段的乳腺癌被及时发现，治愈乳腺癌成为可能。

③改善X射线光管强度和稳定性

作为成像技术的前端科技，铍持续为满足X射线光管高强度、稳定性、抗高温、X射线穿透率等性能要求。

④光学激光器的小型化

使用氧化铍的医学激光器可以帮助眼科医生为数百万患者恢复或改善视力。具有高导热、高强度、介电性能的氧化铍是唯一能控制微小高功率气体激光器的材料。

⑤简化外科手术

铜铍连接器将精确的电信号传送到精密手术器械和最新的非侵入性外科技术的监测装置当中。这种技术减少了对病人的创伤和感染风险，同时加快了愈合和恢复的过程。

⑥分析血液

铍还用于分析HIV和其他疾病的血液分析设备部件当中，给医生和病人提供所需的精确性和可靠性数据。

3） 铌之新应用——冉冉升起的电子材料之星

铌行业全球市场集中度非常高，目前全球最大的铌矿企业是巴西矿冶公司(CBMN)，占据全球市场80%-85%的产量，主要从事铌产品的开发、工业化和商业化运营，是世界上唯一一家可以生产全系列铌产品(包括标准铌铁、特殊牌号铌铁、真空铌铁、真空镍铌、铌金属和五氧化二铌)的企业，对铌价格的走势具有较强的影响力，控制着全球铌产品扩产计划的进度。

具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料之一。

2019年，材料领域国际顶级期刊《自然材料》发表了复旦大学修发贤团队的最新研究论文《外尔半金属砷化铌纳米带中的超高电导率》。文章显示制备出二维体系中具有目前已知最高导电率的外尔半金属材料——砷化铌纳米带，电导率是铜薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。此次制备出的材料砷化铌纳米带的电导率是铜薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。业内表示，导电材料是电子工业的基础，现在最主要的材料是铜，已经大规模运用于晶体管的互连导线。

4）钽之新应用——人体“亲金属”的神奇医学材料

钽作为一种金属材料，具有优异的力学性能和抗疲劳特性，因此被广泛应用于医学领域，尤其是在骨科领域。它可以替代人体骨组织，起到承重作用，目前已在临床取得显著疗效。钽金属材料在与人体组织结合时，具有强度、生物相容性和稳定性等优点。因此，它比传统金属材料的人工置入物更具有优势，在医学领域的发展前景十分广泛。

研究和临床应用表明，多孔钽金属具有比金属钛和钛合金更好的骨融合和骨传导性能，运用钽金属材料制作的仿生骨骨组织长入良好，骨性生物固定优良。未来，利用3D打印高致密度和高力学性能钽金属核心技术，将为我国在高端骨科植入物、医疗器械和难熔金属工业部件发展领域做出积极的贡献。

不仅如此，将钽金属与其他金属材料结合应用在临床医学中也取得了十分重要的突破。很多金属材料因其独特的性能可用于医学领域，但是由于缺乏生物相容性，不能将其优点很好地应用在临床。为此，科研人员想到将耐腐蚀性强且稳定的钽金属涂覆在这些金属材料的表面，使那些有独特性能但原先忌于低生物相容性而不能用于临床的金属材料重新用于临床，并取得显著疗效。

5）铷之应用——超视距精确授时，极佳光电传感器件制造

全球独立铷矿床非常少，下游应用供应链受限，已成为全球对该元素发展的约束要素。铷是自然界一种最大光电效应的稀有分散元素，其合成材料在智能制造中逐渐开始发力。

铷因其极佳的光电效应，在光电管、红外辐射仪表、太阳能光电池等器件制造方面均实现了重大革命性变革。据外媒报道，太阳能电池在通往最高效率的道路上正在不断改进中。德国国家可再生能源实验室研究人员开发了一种新的太阳能电池，为了改善用于吸收可见光的钙钛矿与用于吸收红外线的铜、铟、镓和硒的混合物两层之间的接触，研究小组在它们之间添加了一层铷原子，团队让电池的峰值效率达到24.16%。

铷基设备材料精准计时功能助力集群医用设备同步获取精确时间信号。近年来，基于星载铷钟开发的网络同步时间服务器在国内卫生部门得到良好的推广，为医院提供标准的网络时间统计信息服务，也为局部辐射区域近万台网络客户端提供精度小于5毫秒的时间同步服务器，较大程度地改善了全区医疗机构网络系统，包括：医护人员的办公PC及医疗设备、走廊、大堂子钟系统等授时操作的统一性，充分实现了大数量集群精确医疗设备同步作业中时间的精准性保障。

铷基量子传感器有望用于诊断房颤。心房颤动（AF）是一种导致心率异常的疾病，发作时心脏中传导的电生理信号易出现紊乱行为。目前，常规用于检测房颤的心电图受到灵敏度、时间等诸多限制。据一项发表于《应用物理学快报》的研究，科学家利用原子磁强计，通过基于铷的量子传感器接受信号，成功对导电率与生物组织相近的溶液进行电磁感应成像，可测出高导电性的区域。这项技术实现了非屏蔽环境下的小体积成像，且灵敏度较传统技术提高了50倍，为房颤的快速临床诊断带来了希望。

固体废弃物如何变身宝藏？

邓杰 邓善芝

几个世纪以来，人类社会的快速发展基于对自然资源的使用与消耗。尤其是第三次工业革命以后，生物科技与产业革命的迅速发展，使人们对能源和矿石的需求量激增。同时，为满足迅速增长的社会需求，各行各业纷纷扩能扩产。2012年，国际民间组织“全球足迹网络”（GFN）及英国智库“新经济基金会”提出“地球生态超载日”的概念。“地球生态超载日”是指地球当天进入了本年度生态赤字状态，已用完了地球本年度可再生的自然资源总量。据测算，约从1970年起，人类对自然的索取开始超越地球生态的临界点。从过去数十年来看，几乎每隔10年这一天的到来就会提前1个月。

资源过度开采和废弃物的无节制排放，造成越来越严重的生态环境问题。人类用碧海蓝天换来了现代社会的方便快捷和科技的快速发展。随着人们经济水平的提高以及对自身健康的重视，环境的重要性被越来越多的人认识。如何在保障人类需求的前提下，尽可能保护和改善环境，寻求资源环境和谐发展的解决方案，成为时下人们关注的重点。为节约资源、提高现有资源的利用率，资源综合利用的概念逐渐被人们所熟知。

在资源开发利用及使用消费过程中，不可避免会产生伴生矿石、围岩及选矿尾矿等，比如钨矿中伴生的铜、铅、锌等含有稀有分散元素的矿物，氧化矿中的碳酸盐和硅酸盐类脉石、有机物生产中产生的废水、生活中的废旧金属和电池等，这些生产和生活废弃物中含有大量的有价金属、有机及无机盐类矿物质资源，将其直接排放到环境中，不仅会造成大量的宝贵资源白白流失，还会影响耕地质量、污染空气和水源，破坏生态环境。在资源开发利用和消费过程中，针对这些伴生矿物资源和生产生活中的废弃物开展回收利用，使其重新资源化，从而最大限度地实现现有资源的高效利用，可以称之为资源的综合利用。

如何实现资源的综合利用？现阶段，资源的综合利用主要从三方面开展：

一、在矿产资源开采过程中对共生、伴生矿进行综合开发与合理利用。

煤炭被人们誉为“黑色的金子”“工业的粮食”，它是18世纪以来人类世界使用的主要能源之一。煤矸石是与煤伴生的一种含煤高岭土，过去采煤过程中产生的大量煤矸石一直被作为大宗固体废弃物堆放在煤矿周围。正如犹太经典《塔木德》中所说：“世上没有废物，只是放错了地方。”煤的伴生矿——煤矸石也是如此。煤矸石综合利用的途径很多，除了传统的利用途径，如回填煤矿采空区、铺路、土壤改良、做建筑材料和发电等。最新研究表明，煤矸石还可以作为下游精细加工业的原料。如，煤矸石经处理后可以作为橡胶填料，获得与炭黑相当的补强效果；还可以制备聚硅酸铝铁，用于处理造纸综合废水等；此外，煤矸石可以用于陶瓷、耐火材料、橡胶工业、涂料、塑料、4A分子筛、铝硅铁合金等十多个行业。

二、对生产过程中产生的废渣、废水（液）、废气、余热余压等进行回收和合理利用。

除矿石中的伴生资源外，矿石资源生产加工过程中还会产生大量的废弃物资源。以铜矿尾矿为例，研究表明，铜尾矿中除了可以回收有价金属元素铜之外，还可以回收非金属组分石榴子石、硅灰石等，并将剩余部分作为植物培养基等原料进行利用，实现铜尾矿的减量化和资源化。部分有色金属尾矿的主要成分为SiO2，且包含大量钙、镁等元素的氧化物，和市场上普遍运用的建筑材料的化学组成非常相似。尾矿用作建筑材料时加工方式比较简洁，能够有效解决成本和能耗问题。

三、对社会生产和消费过程中产生的各种废物进行回收和再生利用。

除开展矿山资源的综合利用之外，再生资源回收利用也是开展资源综合利用的重要方面。发展再生资源回收行业可以节省采矿、冶炼、电解等工艺环节，大量减少污染排放和能源消耗，也是降低资源对外依存度、推动我国生态文明建设的必由之路。中国是全球公认的制造业大国，然而近些年随着人口红利日益消失，以及环保成本的不断抬升，我国资源的对外依存度逐渐走高。在此背景下，大力发展再生资源回收利用产业，具有积极重要的战略性意义。

现阶段，资源环境和谐发展之路仍然崎岖且漫长，人类需要开展更多的探索与实践。相信在不久的未来，资源综合利用方法和途径会越来越多，资源环境和谐发展之路必将越来越顺利。

带你了解这朵“云”——地质云

戴新宇

“地质云1.0”闪亮登场，魅力初现

“地质云”是自然资源部中国地质调查局主持研发的一套综合性地质信息服务系统，集地质调查、管理、共享、服务四大功能于一身，面向社会公众、地质调查技术人员、地学科研机构、政府部门提供丰富的各类地质信息服务。经过“地质云”研究开发团队艰辛付出，2017年11月6日，“地质云1.0”闪亮登场，迈出了“地质云”建设三步走的第一步。

“地质云1.0”刚上线运行，就受到地质调查科技工作者的青睐，局系统内外正式用户达4000多人，日均访问量突破6000次，在地质调查管理和应急事件服务上体现出精准、快捷的特点。例如，在2017年11月18日西藏林芝市米林县发生6.9级地震后，“地质云”首次启动了应急服务工作机制，在2小时内线下完成震区地质图数据制作，仅用10小时就为应急救灾在线提供了震区区域地质图、国家地质资料馆藏涉及震区的地质资料，以及林芝地区卫星遥感影像图、震中300公里范围地质钻孔、林芝专题地质文献库等系列地质信息产品。毫无疑问，“地质云1.0”实现了地质调查数据共享破冰，为75个国家核心地质数据库的互联共享和2382个信息产品提供社会化服务。

“地质云2.0”华丽转身，飒爽英姿

在2018年10月18日召开的中国国际矿业大会上，“地质云2.0”宣布正式上线，完成“地质云1.0”云上数据资源和系统功能的全面升级，完成手机版地质云APP国家地质大数据共享服务平台研发，通过数据资源整合和信息系统集成，全面提升地质调查数据采集、汇聚、处理、分析、共享与服务能力，为新时代地质调查工作转型升级提供核心动力，及时、有效地满足政府部门、行业用户、社会公众等各类用户对地质信息的多元需求，以信息化带动地质调查现代化。

“地质云3.0”鲲鹏展翅，大展宏图

“地质云”建设三步走设想2020年上线运行“地质云3.0”。为此，地质云研发团队的科研人员做足了功课，全力以赴助推云平台、大数据、智能化“三位一体”建设应用迈上新台阶，为新时代地质调查工作转型升级提供核心动力支撑，建成分布式地质大数据中心，并在以下九个方面提供全方位综合地质服务：

一是升级完善“在线化”调查系统、研发升级重要专业应用系统，初步实现在线化调查，构建立体式地质信息感知体系。二是显著扩大中大比例尺实体数据共享资源，精准开发地质信息系列产品，提供地质信息专题服务，提升“地质云”服务门户访问便捷性，加快构建地质信息共建共享云生态，基本实现在线化服务，显著扩大地质信息线上共享服务规模。三是升级地质调查业务管理系统，完善地质调查业务管理大数据辅助决策系统，强化在线化管理，支撑地质调查业务管理高效运行。四是推行地质调查在线化办公，支撑远程办公、便捷办公。五是通过攻关实现智能区调矿调、智能识别、智能管理、智能数据搜索引擎等智能地质调查技术突破，示范构建智能化工作模式。六是建立完善地球科学“一张图”大数据体系，更新维护国家核心地质数据库。七是采取优化地质调查网络、规范化运维“地质云”节点体系、加强网络安全建设等措施，建实地质调查基础设施与网络安全体系，保障安全稳定运行。八是完善地质调查信息化制度标准体系，支撑自然资源信息化建设。九是加强信息化人才队伍建设与国际合作，提升中国地质调查局在国内外的影响力。

这就是中国地质调查局功能强大的地质云（Geocloud）！神奇的地质云（Geocloud）！

编者按：作为自然资源的重要组成部分，矿产资源与山水林田湖草资源共同构筑起一幅多彩而珍贵的大自然画卷。在这幅地球馈赠的大自然画卷里，矿产资源不仅要有内在气质，还要有外在颜值，在有力支撑经济社会发展能源资源保障的同时，更注重绿色发展高质量发展的时代担当。对于地矿行业而言，开源是一方面，依靠科技创新和技术进步的“节流”，即矿产资源综合利用，也是不可或缺的另一方面——既提高了资源的利用效率和可持续性，又减少了尾矿排放及环境影响。

“既要金山银山也要绿水青山”。珍惜自然资源，珍惜矿产资源，方可守护好我们的绿水青山、金山银山。从“三位一体”的综合地质调查，到全国重要矿山“三率”综合调查与评价，新发展理念已在地矿领域落地生根，并贯穿于地质勘查、选矿富集、冶金提取、材料加工的整个矿产开发利用过程。作为专注于矿产资源综合利用的科研单位，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所多年来致力于矿产资源综合利用技术、装备的研发、推广，厚植工艺矿物学、难选冶金属矿产高效利用、非金属矿合理利用和二次资源循环利用等优势学科，在矿产资源综合利用及技术经济评价等方面走在了全国前列。

值此第49个世界地球日之际，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所干部职工围绕“珍惜自然资源 呵护美丽国土——讲好我们的地球故事”的主题，结合自身矿产资源综合利用工作的实际，从尾矿资源化利用、智能选矿技术研发、矿山地质环境保护、固体废弃物的处置、综合地质调查等方面进行了研究梳理、总结提炼，形成了多篇实用且具有科普价值的文章，现精选一部分，以飨读者，敬请垂注！

不可或缺的矿产资源综合利用

张艳娇 刘红召

矿产资源综合利用目前已作为国策贯穿于地质勘查、选矿富集、冶金提取、材料加工整个资源开发利用过程，强调在开采利用矿床中主要矿产资源的同时关注共生、伴生矿产资源的利用效率。我国已探明的矿产储量中共、伴生矿占很大比例，全国25%的铁矿、40%的金矿、80%的有色金属矿及大多数煤矿都有共、伴生矿产。开展综合利用工作，既提高了资源的利用效率和可持续性，又减少了尾矿排放及环境影响。对部分资源而言，综合利用工作至关重要、不可或缺。

山东石榴石矿选矿厂改造

自然界中有部分元素，在地壳中含量很低，大都呈分散状态，很难形成独立的经济矿床。有独立矿物的，可以选矿富集目的矿物再冶金提取。没有独立矿物的，就只能选出其载体矿物再分离提取。这其中，如果载体矿物恰好是该矿床的主矿产，伴生组分可以随着主矿产的选矿富集而富集，其选矿回收成本最低，回收率相对也较高，在冶金提取主金属时作为副产品回收；如果载体矿物不是矿床的主矿产，但也能选矿富集，则伴生组分就可以回收，但需要论证经济可行性。还有一种情况，伴生有用组分分散在脉石矿物中，无法选矿富集，直接冶金加工成本昂贵，目前综合利用的可能性就很小。

以金属铼为例，它具有高熔点、高硬度、抗蠕变性、抗腐蚀性以及良好的塑性，广泛应用于热电偶、金属涂层和电子工业。用于制造航空发动机涡轮叶片和发动机喷管，是其他金属不能替代的。此外铂-铼催化剂在石油催化裂化重整过程中极为重要。铼是自然界储量最少的金属之一，在地壳中丰度大约为10－9。世界上已探明铼储量2500吨，基础储量近10000吨，我国铼的保有储量237吨。铼没有具有开采价值的独立矿物，主要以类质同象形式分布在辉钼矿和斑铜矿中。开采利用钼矿床和铜矿床时，辉钼矿和斑铜矿的选矿提纯过程也就是铼的选矿富集过程。辉钼矿选矿中钼要富集数百倍，往往在钼精矿中才会检测分析铼的含量。铼随辉钼矿或斑铜矿进入精矿产品后，由于铼氧化物极易升华，在钼精矿焙烧和铜的冶炼过程中，铼与钼或铜分离进入烟灰和废酸，再通过离子交换或者萃取的方式从烟气淋洗液和废酸中提取。我国著名的钼产业基地栾川及金堆城，其选矿产品钼精矿中每吨均含有几十克铼，但长期没有合适的回收技术而无法综合利用。2015年，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所研究成功从钼冶炼的烟气淋洗液中回收铼的工艺，在栾川钼业公司与金堆城钼业公司推广应用，从而使宝贵的铼资源能够在这两家企业回收利用，并由此给企业带来了可观的经济效益。

共伴生矿产同主矿产资源一样，都是大自然赐予人类的礼物。开展综合利用便是我们接受并珍惜这份分量虽小但极其宝贵的礼物。

合理处置被放错位置的资源

吕振福

联合国环境规划署定义自然资源为“在一定的时间、地点条件下，能够产生经济价值，以提高人类当前和未来福利的自然环境因素和条件。”自然资源通常包括矿产资源、土地资源、水资源、气候资源与生物资源等。作为自然资源的一部分，矿产资源是人类赖以生存的重要基础，是国民经济健康发展的物质保障。矿产资源产业是基础产业，对国民经济发展起到了重要支撑作用，同时不可避免地会产生矿业固体废弃物。如何正确认识和合理处理这些被放错位置的资源？

矿业固体废弃物通常包括废石和尾矿。废石主要指采矿环节采出的、低于工业品位且未能进入选矿等后续作业的固体物料。尾矿是选矿分选作业的产物之一，是入选物料富集得到精矿和中矿后的固体废弃物。尾矿包括物理选矿产生的固体废弃物，也包括堆浸工艺、全泥氰化工艺提取金、铜等金属后产生的固体废弃物。

尾矿和废石的排放水平与矿产资源共伴生矿多、品位低的特征分不开。平均入选原矿品位在一定程度上决定了废石和尾矿排放水平。原矿品位低、剥离的废石品位更低，使得矿山废石量巨大。中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所“全国重要矿山‘三率’综合调查与评价”项目对2011-2015年全国代表性矿山的废石、尾矿产生情况大数据进行了系统研究，结果表明：一方面我国经济社会发展对矿产资源的需求巨大，另一方面我国矿产资源具有富矿少、贫矿多，独立矿产少、共伴生资源多的特点；我国不仅矿产品产量居于世界第一位，在生产矿产品的同时，排出矿业固体废弃物也非常之巨量。

废石与尾矿都具有潜在的资源属性。随着技术进步、经济发展，越来越多的废石和尾矿被用于采矿采空区充填、直接用作建材或者用于生产建筑材料。采矿废石、选矿尾矿的综合利用具有越来越好的前景。根据“三率”调查统计，我国20种典型矿产矿山当年排放的废石中有17.77%被消耗利用，当年排放的尾矿中有18.97%被消耗利用。

2015~2017年，“22种重要矿产资源节约与综合利用调查”项目通过开展1300座尾矿库取样、分析测试，在其中的210座尾矿库中发现具有综合回收潜力的有价组分。如果对这些组分加以回收利用，潜在经济价值达349亿元。

上述发现的具有综合回收价值的尾矿多为上世纪五六十年代排放的有色金属尾矿，说明技术的时空特征和尾矿的二次资源特征。从二次资源的角度考虑，合理处置和保护固体废弃物更加重要。

废石与尾矿都具有环境扰动属性。废石和尾矿处置不仅占用土地，而且可能产生有机和无机污染物，并通过土壤、水体、空气和生物链传导。从技术上讲，当前技术经济发展水平条件下排放的废石和尾矿，不可能实现100%再利用。相比较而言，妥善处置可能比试图利用更加迫切。因为矿山废石和尾矿引发的环境问题必须认真面对和妥善解决，同时如果处置和保护得好，在若干年之后废石还有可能成为资源。

我国尾矿、废石要加强减量化、无害化和资源化工作，需要加强尾矿和废石的分类处置、有效保护、合理利用的标准化工作和技术创新。通过技术经济、环境效应和资源属性三位一体的综合评价方式来确定废石和尾矿是选择利用，还是选择处置和保护。通过不断加强技术创新，提高矿产资源开采回采率、选矿回收率和综合利用率，促进废石和尾矿的源头减量化。

矿石分拣机器人助推选矿技术智能化

彭团儿 郭珍旭 陈明文 张继民 贾宇航

矿石分拣机器人——智能光电拣选机是可以代替人工手选分拣矿石的智能化自动执行工作的机器装置，是集光、电、气、机为一体的具有感知、分析、推理、决策和控制功能的新型高端智能装备。它利用矿石表面特征、导电性、磁性、放射性及矿石对射线的吸收和反射能力等物理特性差异，借助各种探测仪器和执行机构实现矿石中有用矿物和废石分选。矿石分拣机器人可以拓展分拣物料的品种、粒度范围，提高分拣速度和精度，改善劳动条件。

我国从上世纪60年代开始研制矿石拣选设备，70年代到80年代有了较大进展，但拣选理论和装备技术的发展远远落后于重磁电浮等传统选别技术，只停留在小试和工业试验阶段；90年代后期，光电选别装备——色选机在大米、杂粮等粮食加工领域快速发展，国内制造企业开始半学习模仿半自主开发色选机；从2000年开始，进口设备的市场份额大幅减少，国产光电色选机技术快速发展，色选机的规格、功能越来越丰富，多通道选别、二次复选、双面镜头检出、特殊波长光源等技术逐渐成熟；2012年后，随着矿石拣选预处理技术、高精度快速分拣、大颗粒拣选、规模化处理等行业瓶颈技术的突破，智能光电色选机逐步在非金属矿领域逐步推广应用。

滑道式智能光电拣选试验机

履带式智能光电拣选试验机

智能拣选机工作原理及结构组成

各种智能拣选机的组成都基本相同，主要由给料系统、照射及探测系统、信息处理系统和拣选执行系统四大功能部件组成。智能光电拣选机工作时，被选物料从顶部的料斗进入机器，通过振动器装置的振动，被选物料沿通道下滑，加速下落进入分选室内的检测识别区域，并从传感器和背景板间穿过。传感器将获得图像及数据信息经信息系统处理得出矿块品位或特征量化数据，做出决策输出信号，驱动机械打板或电磁阀工作分拣出目标颗粒至接料斗的废料腔内，而好的被选物料继续下落至接料斗成品腔内，从而达到选别的目的。

给矿系统由料槽、给料机、滑槽、输送带等组成，使矿块呈单层、单列、多列均匀地给到机器的照射和探测系统。一般采用多级给矿，第一级控制给料量，第二、三级使矿石排队，矿块呈单层稳定离散状态，且矿块间拉开一定的距离。探测系统则通过敏感元件测定不同矿物的光学、磁学、电学或放射性环境下吸收、散射或反射特征参数作为选别依据。信息处理系统主要任务是对来自检测系统的矿块射线活度和光电信号经放大、降噪、整形、分析、转换后得出矿块品位或特征量化数据，与预定值比较后进入主控单元，做出决策，确定是否给执行机构发出命令。执行机构主要有机械挡板或高压气流两种，根据信息处理系统的命令通过使目标矿粒偏离正常运动轨迹，实现拣选分离。

智能拣选机分类

根据检测系统中矿物与不同波长电磁波作用吸收、散射或反射特征差异，拣选方法可以分为放射性分选法、中子吸收法、荧光法、X射线吸收法、紫外荧光法、光电法、红外法等。在各种拣选方法中，应用较多的主要是光电分选和X射线分选。根据X射线照射矿石后的不同特征反应，X射线分选法分为X射线荧光法、X射线激光法、X射线反射法、X射线吸收法等。光电法主要通过高分辨率传感器，在可见光条件下对原料进行颜色识别并剔除，从而实现分选。目前国内成熟的光电拣选机主要包括滑道式和履带式两种。

滑道式拣选机利用斜槽滑道导矿，矿石在沿滑板平面下落完成检测和分离过程，适用于形状规则性的物料，不易翻转、干燥的块矿，具有结构简单、紧凑实用的特点。履带色选机使用皮带对矿石进行加速，使其稳定通过照射检测区域，具有给料平稳、输送物料种类多、色选精度高、破损小、产量高、带出比小、对物料的损伤相对轻微、破损小等特点，并且速度可控，产量可调整，可以具体根据客户的生产实际进行设计，但造价相对比较高。

智能光电拣选实验室

中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所依托原国土资源部公益性行业科研专项——《基于CCD技术智能光电拣选装备及矿石分选工艺研究》项目，建立了0.5吨/小时~2吨/小时规模智能光电拣选实验室，分拣矿石适宜粒度范围为2~25毫米，适用于钾长石、石英、滑石、硅灰石、方解石、蛭石等非金属矿分拣。项目采用智能光电拣选工艺与传统选矿工艺相结合，研发出光电拣选原矿预处理技术、中粗粒预选抛尾与湿法磨矿磁选精选联合选矿、花岗伟晶岩分质分类差异化分选、光电拣选与干法磨矿联合制粉等绿色节能选矿技术，对河南嵩县、方城、栾川，山西运城，内蒙古察右后旗、乌兰察布市等地钾长石矿进行拣选试验。

根据项目研究成果，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所在所属原国土资源部矿产综合利用野外试验基地建设5~8吨/小时规模工业试验生产线，目前已投入使用。核心设备LS1200双层智能光电拣选机具备二次复选功能，单台机器即可完成尾矿扫选或精矿精选，实现预选抛尾或直接获得合格颗粒精矿。工业化智能光电拣选机检测识别系统采用云技术相机，深度识别微小而精细的杂质，实现高清扫描、精准识别及高速运算，高速动态捕捉并实时分析显示物料，真正实现分拣目标实时可视化。执行机构采用专用新型高频电磁阀，超低耗气量，实现最优带出比，超高打击精度，拥有完美的自修复系统，维护成本低，使用寿命100亿次以上。光源系统采用高性能LED光学系统设计、光控技术，免维护，降低能耗35%。

智能光电技术在典型矿种分选中的应用

河南方城某风化花岗岩钾长石矿主要类型为斑状二长花岗岩和中粗粒花岗岩；主要矿物为斜长石、微斜长石、石英；杂质矿物主要为磁铁矿、黑云母。其中，高品位长石呈肉红色，致密块状，部分白色石英呈大颗粒分布在钾长石矿石中，造成矿石总体长石含量低，产品附加值低。为获得高附加值钾长石，传统选矿方法采用磨矿后在酸性或中性环境下浮选分离长石石英，磨矿能耗高，浮选废水造成一定环境污染。根据长石石英颜色差异及解离粒度，采用智能光电拣选对5~15毫米粒级原矿进行分拣，原矿K2O含量6.3%，Na2O含量3.1%，分拣后获得颗粒长石精矿K2O含量9.7%，Na2O含量3.7%，精矿产率53.6%，回收率82.7%。通过拣选工艺实现粗颗粒长石石英分离，提高湿法制备钾长石粉原矿品质，降低废石入磨量，实现中低品位钾长石高值化利用。

5~8 t/h智能光电拣选工业试验生产线

河南嵩县某低品位石英脉型金矿属脉幅窄、贫化率高的矿脉，由于金与黄铁矿呈密切伴生关系，根据判定矿石黄铁矿与脉石矿物颜色和晶体形态差异，采用光电分选技术对不均匀成矿矿脉、均匀成矿矿脉的边界与围岩进行处理，使低于工业品位的低品位金矿通过预选抛废可以经济利用，预选抛尾产率37.37%，尾矿金属量损失率10.18%。该技术可部分取代效率低而成本高的选择性开采方法，提高采矿效率，提高资源利用率。

自20世纪70年代以来，计算机技术、信息技术、自动化技术与传统制造技术迅猛发展，形成了先进制造技术，促进拣选装备技术向精密化、自动化、智能化、图形化、可视化、集成化快速发展，智能拣选逐渐成为科研院所关注和研究的焦点。以人工智能为代表的智能拣选装备技术作为一种低成本、环保高效的分选工艺，有望成为继重选、浮选、电选、磁选之后又一重要的工业化选矿方法，并在有色、黑色、稀有、放射性、贵金属元素的矿石以及非金属矿领域得到广泛应用。建立和发展完善的低品位矿石拣选资源化利用知识体系已经成为选矿行业发展的主要攻关方向之一。

(该研究为原国土资源部公益性行业科研专项——《基于CCD技术智能拣选装备及矿石分选技术研究》)

综合地质调查谱地质新篇

马亚梦 谭秀民 赵恒勤

当前，我国矿产资源供需矛盾日益突出。因此，要加大勘查力度，实施找矿突破战略行动。随着矿产资源全球化配置，需要统筹协调的问题逐渐增多，单一传统的资源调查方式已不能适应当今的新时代、大格局。在此大背景下，助推单一资源调查向地质资源潜力、技术经济条件、地质环境影响“三位一体”综合地质调查转变，形成资源环境综合评价及勘查开发布局对策建议显得尤为重要。

何为“三位一体”

“三位一体”的综合地质调查是秉承“绿色矿业”的理念，以问题和需求为导向，按照“综合部署、科技引领”的原则，进行的逐层深入研究。其基本研究内容是以资源基地为研究对象，全面梳理资源基地资源、环境、技术经济相关数据及研究成果，在资源条件调查与潜力评价、地质环境条件调查与影响评价、技术经济调查评价的基础上开展的综合评价。

相较于以往着重于地质找矿的单一传统的资源调查方式，“三位一体”的综合地质调查更加突出成果的集成，在推进实施过程中需要遵循自然规律与经济规律，统筹部署好相关工作，完成新发现大型资源潜力基地从资源基地到适应经济新常态的产业基地的转变，其主要包括：

地质资源潜力——注重矿集区各类地质勘查资料的收集整理、二次开发和综合分析，注重矿集区找矿预测研究，总结成矿地质背景、成矿规律和控矿因素，开展重点区域靶区优选、野外查证、成矿预测工作。

地质环境影响——调查评价矿山地质环境现状，着重分析评价地质环境容量，预测矿产资源开发对环境造成的影响及危害；探索矿产资源开发地质环境影响变化机制及防控技术创新，提出矿产资源绿色开发地质环境防治的对策建议。

技术经济条件——注重资源的综合开发技术研究，提高矿产资源综合利用水平；评估矿集区资源开发利用的前景，对资源开发的经济效益、社会效益、环境效益等做出科学评价和预测，推进当地资源开发的资源-经济-环境的协调发展。

怎样“勘查开发”

党的十九大报告中指出，“人与自然是生命共同体，人类必须尊重自然、顺应自然、保护自然”，“为把我国建设成为富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国而奋斗”，这为我们矿产资源勘查开发工作指明了方向。

现阶段，制约我国矿业经济发展的因素主要有以下几个方面：自然条件严酷，基础设施落后；矿产资源勘查投入不足，勘查程度普遍较低；矿产选冶加工技术研究滞后。因此，在资源环境综合评价的基础上，提出科学的资源勘查开发布局对策建议，不断提高地质工作服务经济社会发展的主动性和能动性，有助于将找到的矿产资源合理、有序、高效、集约、生态地开发出来。其主要内容是：依据矿集区成矿规律与成矿预测，结合国家和区域相关产业政策，划分矿集区勘查、开发基本区块；理论与实际相结合，构建资源勘查开发布局评价指标体系；建立评价标准，评价勘查、开发各区块的优劣度，提出适宜、科学的勘查开发布局对策建议。

划分勘查开发区块——根据勘查区和开发区划分的依据，划分矿集区勘查、开发基本区块。勘查区的划分依据包括：不存在法律和其他禁止勘查的情况；矿集区成矿规律与成矿预测最新成果，包括矿床、矿点、矿化点及异常分布，找矿靶区分布等；整装勘查区勘查规划划定的预查普查区；矿产资源规划划定的重点勘查区。开发布局划分的依据包括：不存在法律和其他禁止开发的情况；区内存在已探明并具有一定资源储量规模的矿床；区内有一定的基础设施条件，区域范围有一定的工业基础；矿产资源规划划定的矿产资源开采区域。

构建评价指标体系——评价的基本框架和指标体系的主体构成具有共同性和通用性，主要依据《矿产资源基地综合地质调查技术要求》中的矿产资源基地综合地质调查评价指标。此外，评价指标体系也应遵循因地制宜的原则，有关评价内容需要根据评价对象所处的经济地理和社会环境的不同而有所区别。也就是说，我国东、中部的矿产资源基地和西部矿产资源基地，在布局评价的指标设计上应该有所不同。

勘查开发布局评价——主要包括评价指标的权重确定，评价指标的评分标准，评价指标的计算等。评价指标权重一般采用层次分析法来确定，把复杂事情分成若干有序层次，确定每一层次中各元素的相对重要性次序的权重；通过对各层次的分析，进而导出对整个问题的分析，即总排序权重。评价标准是指各级评价指标评价值的判别标准，起着一把尺子的作用，一个评价指标处于什么状态，用这把“尺子”去衡量，就可以清楚这个指标的状态是好还是坏。

规划布局对策建议——根据区块评价的结果，借鉴国内外已有大型矿产资源基地的开发经验和管理措施，提出适宜的矿产资源基地勘查开发工作布局、资源规划、资源管理的政策建议。唤起全社会资源忧患意识，加强地质矿产勘查工作，实行开源与节流并重、开发与保护并重的方针，依靠科技进步，提高矿产资源勘查、开发利用水平，加强矿业规划管理，促进矿业经济可持续发展，为社会主义现代化强国建设提供安全、稳定、经济、可靠的资源保障。

蕴藏在尾矿中的宝藏

王威

尾矿具有环境危害性和资源性的双重属性。近年来，尾矿的资源属性受到我国各级政府和生产企业的高度重视，尾矿资源化的发展趋势日益清晰，尾矿综合利用将是21世纪矿产综合利用范围最广、潜力最大的领域。因此，从国内尾矿资源的实际出发，开展系统调查评价，厘清尾矿利用、保护和处置的边界和先后次序，提出规模化消纳、资源化利用、无害化处置总体解决方案，实现尾矿资源化利用的同时，最大限度地消除其对周边环境的威胁，有着十分重要的经济效益和社会意义。

尾矿是矿石经粉碎、选冶形成精矿后的剩余部分。我国尾矿来源按行业划分主要包括黑色金属尾矿、有色金属尾矿、稀贵金属尾矿和非金属矿尾矿。

根据《中国矿产资源节约与综合利用报告（2016）》，截至2015年度11月底，我国在用或者未治理尾矿库有9565处，尾矿累计量超过200亿吨，占地约100万亩。矿石空场填充是尾矿利用的重要方式，占尾矿利用总量的53%，金矿石、铜矿山的尾矿及其他有色和稀贵金属矿山、铁矿山是尾矿充填利用的主要方向，分别占尾矿利用总量的18%、23.6%和11.4%。

虽然我国尾矿综合利用起步较晚，但由于各级政府和生产企业的高度重视，我国矿产资源综合利用及矿山环境治理已经快速起步并取得了很大成绩，但还需进一步加强尾矿资源化利用领域研究，提高有价组分综合利用水平，丰富尾矿资源化利用的方法途径，实现尾矿利用由“削足适履”到“量体裁衣”的转变。

中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所在地质调查项目支持下，开展铜、铅、锌、钼、金和萤石矿山尾矿调查评价，完成了1300个尾矿库的调查，形成了尾矿综合利用特征大数据，同时，发现了一批稀有稀散组分高的尾矿。栾川地区尾矿库中赋存高于工业品位的钨金属量>5万吨（估算），达到大型规模；在其他尾矿库中还发现了高于或接近工业品位的金1.1316吨，银114.3604吨，钴3581.4吨，铅36.152万吨，锌21.294万吨，萤石26.685吨（估算）。筛选其中42个尾矿库尾矿进行综合利用技术研发和评价，发现有38个尾矿库尾矿综合利用技术经济合理，这说明尾矿资源化具有广阔的前景。

铁尾矿、铜尾矿和黄金尾矿分别占我国尾矿的51%、19%和13%，是我国主要的尾矿类型。铁尾矿的综合利用主要体现在铁矿物的回收利用、用作建材原料、用做土壤改良剂和微量元素肥料、进行生态恢复等。铜尾矿综合利用主要有铜尾矿再选、用于矿井充填或复垦土地、用于生产建筑材料等。金尾矿的综合利用主要体现在有价元素的综合回收、生产各种建筑材料、井下充填、复垦造田等。

由于我国前期选矿技术水平的制约和“单打一、重主轻副”的思想等多种原因，我国尾矿中不仅含有可提取的金属组分，而且存有大量可用的以硅酸盐矿物、碳酸盐矿物为主甚至可直接提取的非金属组分，是我国矿产资源的新的宝藏。

开展典型尾矿资源综合利用技术研究和推广尾矿资源产业化利用技术研究与推广，不但可使原来资源枯竭或资源不足的矿山焕发青春，而且还能够重新成为新的资源基地，以开辟新的材料科技领域，推动科技进步，同时也可以解决环境污染、改善生态环境，具有巨大社会效益、经济效益和环境效益。虽然我国在尾矿综合利用领域开展了很多研究，但仍缺乏关于尾矿的系统调查评价，尾矿综合利用依然停留在单一的综合利用模式，没有形成区域性整体利用模式。因此，亟须开展系统调查评价，厘清尾矿利用、保护和处置的边界和先后次序，提出规模化消纳、资源化利用、无害化处置总体解决方案，实现尾矿资源化利用的同时，最大限度地消除其对周边环境的威胁。

揭秘日常生活中的高岭土

赵恒勤 谭琦

高岭土，俗称“瓷土”、“观音土”，是一种铝硅酸盐矿物，也是人们日常生活中必不可少的一种矿物材料，其中最广为人知的是用来制作陶瓷。

我国是世界上最早发现和利用高岭土的国家，远在3000年前的商代所出现的刻纹白陶，就是以高岭土制成。江西景德镇生产的瓷器名扬中外，国际上通用的高岭土学名-Kaolin，就是来源于景德镇东郊高岭村边的高岭山。高岭土在陶瓷中主要用来做坯胎，将高岭土用于陶瓷坯胎中在我国陶瓷史上具有划时代的意义，高岭土在釉料中的作用主要是提高釉料的熔融温度和悬浮性，使釉水不宜沉淀。

我国历史上闻名的“唐三彩”和“青花瓷”均采用高岭土来制作坯体。唐三彩的釉质，主要成分是硅酸铅，而呈色剂则是在釉料中加入各种不同的、适量的金属氧化物所形成的。青花瓷是我国陶瓷中的珍品，也是瓷器的主流品种之一。目前，陶瓷考古界和科技考古界较为认同的“青花”是指利用含钴的矿物作为着色颜料在白瓷坯上绘画，经上釉后在高温下一次烧成(非低温铅釉)而呈现蓝色装饰的釉下彩瓷器。青花瓷的制作工艺复杂，整个工艺流程主要分为瓷土加工工艺-制坯工艺-釉与料工艺-装饰工艺-烧成工艺等5个部分。其中高岭土主要用于制作瓷胎，高档青花瓷对于高岭土原料要求很高，要求Al2O3含量＞21%，Fe2O3+TiO2＜0.5%。

现代人们的日常生活中也处处可见高岭土制品，比如日用陶瓷、建筑卫生陶瓷等。我国是世界上最大的日用陶瓷和建筑卫生陶瓷生产国和消费国，且产品逐步被世界认可和接受。近年来，其生产工艺技术进步迅速，整体已接近世界先进水平，但存在过度消耗高岭土资源、中低档产品居多、污染环境等问题。随着陶瓷行业的不断发展，优质的高岭土资源日趋枯竭，对陶瓷生产质量造成很大影响，故中低品位高岭土成为陶瓷行业的接续矿物资源。

此外在人们日常生活中用到的各种纸张中也不乏有高岭土的身影。高岭土作为造纸涂布颜料的主体组分，其特性对造纸生产可操作性和涂料特性以及成纸质量有很大影响。国外发达国家高岭土主要用于造纸行业。高岭土既可用于填料，也可用于涂料，在造纸中的要求要比陶瓷用高岭土高。此外，高岭土还能用来制备化肥、农药、杀虫剂载体等。

我国高岭土资源储量丰富，总储量约30亿吨，主要分布在广东、广西、福建、江苏、江西、湖南、河南、山西和内蒙古等省区，可划分为煤系高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种类型。其中煤系高岭土储量约17亿吨，主要分布在我国北方地区。软质高岭土为热液蚀变型，主要分布在苏州。砂质高岭土属风化型或沉积型矿床，主要分布在南方亚热带多雨地区。根据不同的资源类型，采用不同的加工工艺，煤系高岭土主要采用破碎-磨剥-煅烧-超细解聚-分级，部分磁选工艺，应用方向是油漆、涂料、造纸、橡胶、电缆、陶瓷等；砂质高岭土和软质高岭土主要采用捣浆-螺旋除砂-旋流器分级-离心机分级-磁选-漂白-洗涤-压滤-干燥等工艺，陶瓷土主要采用磁选除铁增白，造纸涂料土主要靠漂白除铁增白。

现在我国多数高岭土企业的现状是：规模较小、产量不大、产品质量不高，与美国、英国、巴西等国相比，存在较大的差距，甚至全国高岭土总产量不及国外一个高岭土大公司的产量。因此，我们应在资源合理利用与保护、产品和市场开发、工艺技术和装备以及管理和政策支持等方面，共同努力，尽快使我国由高岭土资源大国变为高岭土产业强国。

高寒荒漠区金属矿产资源开发中的矿山地质环境保护

张永康 曹耀华 谭秀民

青藏高原东北部、柴达木盆地西南缘铁铜等金属矿集区，是我国西部地区重要的铜、铁、铅、锌、镍多金属成矿带，目前已发现大型、超大型铁、铅锌、铜、镍等矿产资源多处，其中夏日哈木镍矿资源丰富，镍资源量达106.24万吨，有望成为继甘肃金昌镍矿之后我国又一“镍都”。

该地区平均海拔在3000米以上，属于典型的高寒、干旱内陆高原盆地气候，区内地势陡峻，沟谷深切，地貌以戈壁滩、沙丘、高山为主，地表处有厚1米左右的土层覆盖，底下为岩石及沙石层，土壤类型主要为灰棕漠土。植被覆盖率一般小于15%，呈现典型的高寒荒漠景观。

高寒荒漠区金属矿产资源的开发历史悠久。随着国家对紧缺矿产资源需求量的增加，该区丰富的铁铜镍等金属矿产资源的进一步开发将对国民经济发展起到重要作用，可为国家经济安全提供有力保证，带动交通、通信等基础设施发展，提供一定数量的就业岗位，促进工业化和城镇化建设，为更好地实现西部地区脱贫攻坚提供经济支撑。

金属矿产资源的开发一般包括采矿、选矿、冶炼三个过程。以往粗放式的采、选、冶过程对生态环境的影响主要有矿山地质灾害、地形地貌景观破坏、土地资源破坏、含水层破坏和水土环境污染等。

那么，高寒荒漠区矿山地质环境灾害如何防治？

建设绿色矿山

我国历来重视环境保护。习近平总书记指出：“既要绿水青山，也要金山银山；宁要绿水青山，不要金山银山；而且绿水青山就是金山银山。”这为矿业开发环境保护指明了方向。2017年，原国土资源部、原环境保护部等六部委联合出台了“关于加快建设绿色矿山的实施意见”，详细阐述了绿色矿山的建设。

绿色矿山是指在矿产资源开发全过程，既要严格实施科学有序的开采，又要将对矿区及周边环境的扰动控制在环境可控制的范围内；对于必须破坏扰动的部分，应当通过科学设计、先进合理的有效措施，确保矿山的存在、发展直至终结，始终与周边环境相协调，是融合于社会可持续发展轨道中的一种崭新的矿业形象。绿色矿山建设是一项复杂的系统工程，代表了一个矿业开发利用总体水平和可持续发展潜力，以及维护生态环境平衡的能力。它着力于在科学、有序、合理开发利用矿山资源的过程中，最大限度保护和恢复治理矿山环境。

加强矿山地质环境防治

在高寒荒漠区，这样一个矿产资源丰富、动植物资源丰富、环境又极为恶劣的区域，结合矿山开发对地质环境造成的影响，建议从以下几方面进行矿山地质环境防治及保护：

针对新建矿山，应按照“加快建设绿色矿山的实施意见”精神，建设绿色矿山，从源头保护矿山地质环境，实行过程控制的保护性开发措施。

针对已发现的矿山地质灾害，应加强治理与监测工作，加强对不稳定边坡监测和移动规律认识，消除和减小不稳定边坡崩塌滑坡灾害可能对过往行人和车辆的威胁。

针对高寒荒漠区矿山开发过程中主要造成的影响是土地资源破坏和地形地貌景观破坏这一现状，加强土地资源的保护，尽量减少对原生态土地的占用与破坏，特别是尽量减少对表层土壤的破坏，以地下开采为主，采取以钻代槽、浅钻的绿色勘查技术，对于必须破坏部分土地时，必须对表层土采取保护措施以防止表层土散失和退化。

锡铁山铅锌矿废石堆上的人工林

采取封育、地表植被重建，在草皮的种属选择、工艺的采选上要与矿区所处的地理位置、气候条件、土石环境相匹配，以确保植被重建的成效；废石、废矿渣堆覆土绿化；废石、废矿渣堆积台面整治，压实台面，加固边坡、衬砌护坡，在有效部位建设拦挡工程，设计相应的排水、防水工程；地质探槽治理，采取土方回填。

开展人工现场调查、遥感监测工作，动态掌握矿产资源勘探开发活动对土地资源的破坏类型、面积及破坏程度等，同时监测监督矿山地质环境治理恢复工作情况。

建设矿山公园

在青海西部大柴旦地区，西部矿业股份有限公司锡铁山铅锌矿分公司在矿山地质环境保护方面就是一个优秀的典范。该矿山位于青海省柴达木盆地北缘戈壁滩上，常年刮风，沙尘暴天气时有发生，降水量稀少，植被稀少，难以存活。整个矿区及周围只有少许骆驼草和麻黄草生长。经过改造，该矿山在废石堆、厂区内种植了大量杨树、柳树、红柳和草皮，在厂区形成了具有防风固沙能力的人工林，绿化覆盖率达到了可绿化区域面积的80%以上，改变了矿区小环境，降雨量增加，风沙天气逐年减少，逐步形成了适宜人居住的环境。

为及时、有效支撑服务成都市地下空间开发利用，助推成都市国家中心城市建设，近日，中国地质调查局成都地质调查中心召开支撑服务成都市地下空间开发利用地质图集编制研讨会，拟在已有地质调查成果全面集成、二次开发、转化利用基础上，通过钻孔标准化与数据库建设，初步摸清成都市地下空间宏观地质结构，梳理出成都市地下空间开发利用应关注的地质问题与地质资源，尽快为成都市地下空间开发利用提供地质支撑。

会议对成都地下空间开发利用已有地质资料集成利用情况、钻孔收集与录入情况以及图集编制的思路、组织、进展和问题等进行了集中研讨和深入交流，并就图集编制达成共识，一是图集编制的指导思想是要让成都市地下空间开发利用决策者、规划者和设计者“看得懂、用得上、离不开”；二是资料集成利用，特别是标准地层结构划分和钻孔标准化与数据库建设，是当前图集编制工作的当务之急，控制性水文地质和工程地质剖面编制是核心重点；三是图集编制过程中要关注含膏盐泥岩、软土和黏土等不良岩土体问题以及含水层和顶底板破坏、地下水污染、地下水腐蚀性等问题，同时要综合考虑地质遗迹、优质地下水等资源保护；四是尽快推进成都市地下空间地质工作领导小组等机构建设，详细规划“一步一动式工作方案”。

中国地质调查局水环部、西安地调中心、成都市国土资源局相关部门负责同志与会指导，西安地调中心、成都探矿工艺所，四川省地矿局、四川煤田地质局等相关单位参加研讨。

研讨会现场

研讨会现场

2019年10月17-19日，由中国地质学会主办，云南省地质协会、云南省地质矿产勘查开发局、昆明理工大学协办，以“地质科技创新服务国家经济社会高质量发展”为主题的中国地质学会2019年学术年会在春城昆明召开。此次论坛分“自然资源管理与新时代地质工作转型发展”、“生态地质调查与技术”、“环境地质与地质环境保护”等36个分会场，吸引全国2000余地质工作者参会。

自然资源部中国地质调查局水文地质环境地质调查中心（以下简称“水环中心”）太行山项目组成员在环境地质与地质环境保护分会场以“阜平县地热水化学特征及结垢腐蚀性研究”为题做了学术报告。该报告系统研究地热水水文地球化学特征及结垢腐蚀性，可以有效指导革命老区绿色清洁低碳能源的开发利用和保护，促进深度贫困县绿色脱贫。报告具体包括阜平县地热水的地热地质概况、热储来源、水化学特征及地热水结垢腐蚀性趋势等内容。报告在充分了解阜平县地热地质条件和区内地下水、地表水水化学特征的基础上，采集区内6组地热水进行水化学全分析、同位素分析，采用图解法、无蒸汽损失的石英传导温标和玉髓温标法、拉伸指数法、雷兹诺指数法、相对饱和度法等方法，分析出地热水的补给来源，估算了地热水的补给高程、热储温度、腐蚀结垢趋势。以该报告为主要内容的论文被评选为中国地质学会2019年学术年会优秀论文。

此次年会是地质行业领域包括新理论、新技术、新方法、新成果和新进展的系列性、综合性学术年会，为广大地质工作者搭建了高质量、高水平的学术交流平台，大家热烈交流，碰撞思想，开阔视野，找差距，补短板，开拓了地质科技创新思维，提高了通过地质学服务生态文明建设能力。

尽管相比于美国、日本、中国、印度、韩国等国家和地区，欧洲在天然气水合物的勘查开发，尤其是试采和促进天然气水合物产业化进程等方面存在一定的差距，但其利用技术、装备等的研发优势积极参与了全球范围内的天然气水合物研发和应用工作。

近日，自然资源部中国地质调查局地学文献中心编写完成了《欧洲天然气水合物勘查开发技术研发现状及未来展望》专题情报研究报告，系统全面梳理了欧洲相关学术、产业机构在天然气水合物勘探、生产、监测几个重要方面的技术方法装备研发和应用进展，以下几点值得我国的天然气水合物研发工作借鉴参考：

一是天然气水合物成藏过程的建模对模拟软件的时间和空间分辨率提出了更高的要求，并建议将天然气水合物作为一个独立的物理相态予以考虑。

二是地球物理调查是获得天然气水合物储层、游离气分布和相关运移通道横向成像的关键技术。其中，地震方法和海洋可控源电磁方法是海域天然气水合物资源调查和评价的主要方法，两种方法所获数据的联合解释大大提高了天然气水合物资源评价结果的可靠性。

三是钻井过程本身仅仅作为井筒最终建造的一部分，既可以用于天然气水合物勘探，也可以用于天然气水合物生产。油气行业最先进的钻井方法包括旋转钻井、连续油管钻井、喷射钻井和套管钻井。这些钻井方法均可以用于钻直井或定向井。根据天然气水合物的独有特性，应注意井筒与地层之间的密封问题、地层稳定性问题、水平井应力机制与传统页岩油气水平井的可能不同等。

四是用于识别和量化天然气水合物的最常用测井技术包括电阻率、声波、电阻率成像测井。其他也在使用的测井技术还包括电磁、核磁共振、孔隙度、密度和自然伽马射线测井等。最常用的测井方式包括随钻测井、随钻测量、电缆测井等，其中随钻测井在天然气水合物勘查上已得到广泛使用，其特点包括在钻井过程中可直接测量物理特性，以避免钻井和取心可能导致的天然气水合物分解；实现钻孔全覆盖，如用于成像和裂缝检测；获取取心前天然气水合物分布的信息，以优化取心和其他井下测量。

五是天然气水合物的开发利用面临甲烷气体泄漏、地面沉降变形等环境问题和地质灾害，建立可全面覆盖生产场地及周围区域的综合监测预警系统至关重要，涉及的关键技术装备包括声呐系统、分布式光纤传感器、远程通信、电池组，以及着陆器、水下机器人（ROV、AUV）、水下滑翔机等平台。这些技术装备需要在极端高压、低温、腐蚀性等环境及能量供应限制的情况下稳定运行，以实现长期、高效、准确的监测。    

自然资源部中国地质调查局地学文献中心对国际深部地热能开发利用最新进展和成果的持续跟踪，获悉欧洲深部地热技术与创新平台于2019年6月27日发布了《深部地热能实施路线图》报告，明确了开发高性能、低成本和可持续的深部地热能技术的“推进计划”（总预算超18亿欧元），提出了2030年前的任务、目标和工作内容：

任务1：通过进一步开发地热能，促进欧洲的清洁能源利用

到2050年，需要通过研究与创新使深部地热能满足欧洲预计电力需求的50%和供热的80%。

对已知具有高地热能开发利用潜力的地区，可能要利用优化后的技术和新技术来提高资源利用率。地热资源潜力的充分开发利用意味着要钻及更热、更深的未探明地热资源，以及勘探和开发地质条件较差的地区。需要采用新的勘探方法和技术，以降低这些地区地热项目的风险。此外，高温、高压和腐蚀性流体成分对相关技术和材料提出了新的挑战。

任务2：通过深部地热能的全面开发利用来改善社会福利

大规模地部署深部地热能技术，面临着许多技术和非技术性挑战，尤其是初期投资成本高，开发区域对技术的接纳程度，需要消费者参与到生产链中来提高生产消费者的作用，以及法律法规限制和金融壁垒等。

一方面，研发可充分利用地热资源潜力的技术，将使欧洲有机会巩固其在地热行业的领导地位，创造就业机会，以及利用地热等不受气候变化影响的资源来保障能源供应，同时通过减少温室气体排放来应对气候变化。

另一方面，通过与其他地下资源行业的协同和知识共享，地热能可以产生更高的价值。目前，油气、核能（废料）和采矿企业是地下资源开发利用技术的领导者，它们可以利用其获得的认识来建立地热行业新的增长机遇和更可持续的技术。

欧洲深部地热能实施路线图的优先事项及2020年至2030年的时间表

“海马”号深海遥控水下机器人是“863”计划海洋技术领域“4500米级深海作业系统”重点项目的研制成果，也是我国“十二五”深海技术装备重大科研成果，实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域零的突破。自2015年正式投入海洋地质调查应用以来，已连续多年顺利完成多项任务，取得了在南海北部陆坡首次发现“海马冷泉”、成功打捞大型设备等具有里程碑意义的重大成果，填补了多个调查领域的空白。

正如“海马”这个名字一样，它既像一匹踏实勤劳的骏马，驰骋于大洋深处；又像中国海洋调查事业中一匹“黑马”，带领着科研人员屡建“大功”，是科研成果迅速转化的优秀典范。

“海马”号一举成功

自然资源部中国地质调查局广州海洋局技术方法所ROV技术室副主任陈宗恒向记者介绍说，自20世纪50年代美国人把摄像机密封起来送到海底开始，世界上在无人遥控潜水器领域的研发使用已有了半个多世纪的历程，而我国才刚刚起步。为了打破这一海洋探查和资源开发关键技术装备被少数发达国家垄断的局面，国家863计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目，主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器。

这一项目由广州海洋局牵头，联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位，历经6年，最终突破了深海无人遥控潜水器核心技术。2014年，“海马”号三次下潜到南海中央海盆最深处4502米的海底，圆满完成了预定的海试作业任务，并通过了114项考核指标的现场考核和海试验收。

陈宗恒回忆起这个过程直叹不容易。当时，国内大深度作业型ROV的研发尚属空白，基本无经验可循，项目组的中青年技术力量缺乏深潜器相关研究基础，只能从零开始。ROV系统要在4500米的深海工作，每个零部件都要适应高压力和腐蚀性的工作环境，任何一个环节的缺陷都可能成为致命弱点。而在材料和工艺方面，国内的技术水平存在先天不足的缺陷，每一根电缆、每一颗螺丝都有可能影响到整个系统的运行，成千上万根电缆和螺丝都要一一挑选和测试，系统设计更不用说，一个拳头大小的耐压密封灯罩都要经过十多轮的设计和改进才能最终满足使用要求，难度可见一斑。

6年间，团队成员翻译和查阅文献超过1000篇，进行了大大小小上千次试验。作为广州海洋局主要参与“海马”号研发的工作者，陈宗恒驻扎上海交通大学项目组累计时间长达3年。最终，这套系统的国产化率超过了90%，突破了4500米作业级无人遥控潜水器控制系统、重型升沉补偿器、4500米级浮力材料、4500米级升降装置和系列化作业工具等核心技术，不仅打破了国外的垄断，还达到了国际同类产品的先进水平。

陈宗恒谈到，“海马”号具有国际上所有无人遥控潜水器的常规功能，能够应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察作业等众多领域。通俗来说，如果我国海域发生了类似2010年墨西哥湾海上钻井平台爆炸导致的严重海上漏油事故，“海马”号能够像当时起到关键作用的无人遥控潜水器那样潜入水下执行艰巨复杂的长时间排险作业任务，制止原油泄漏。如果要打捞某个沉到海底的飞行器，“海马”号有能力执行如1999年7月在大西洋海底打捞自由钟7号同样的任务。最值得一提的是，“海马”号能够进行清晰的海底拍摄，并通过电缆光纤实时回传高清图像。“就像在大洋深处长了一双眼睛一样，可以根据看到的内容进行高效率的作业。”

“海马”号在“海马冷泉”进行取样（上图为贻贝，下图为碳酸盐结壳）

强化深海作战力

“从立项到设计，从模型到设备，六年努力，‘海马’号一举成功，达到世界同类深海遥控潜水器的技术水平。这是我们自己研制的，驰骋在我国大洋深处的骏马。”陈宗恒动情地说。

陈宗恒介绍，深潜器是挺进深蓝最重要的技术装备手段，深海遥控潜水器是世界上数量最多、技术最成熟、应用最广泛、类型最复杂、最经济实用、功能最强大的一类潜水器。与载人潜水器相比，深海遥控潜水器具有无可替代的优势：一是适应性强、功能强大，几乎可以应用于所有海洋开发活动，受海况和海底环境影响小，推进系统和机械手功率大，覆盖海底作业链各个环节，在海洋地质调查中应用前景广阔，可大幅提升调查能力；二是作业灵活、经济高效，可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置，收放便捷，不需要专门支持母船，占用甲板空间和作业人力等资源少，建造、运行和维护成本低；三是无载人风险，可在母船实时遥控操作，不需水面工作艇支持；四是能够长时间驻留海底，母船通过脐带缆提供电能，可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。

“海马”号的优势显而易见。但是，目前美、日、俄、法等国家已经拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000至11000米的潜水器系列装备。“海马”号是不是已经落后？陈宗恒解释，海底4500米的深度可以覆盖我国98%的海域，以及绝大部分国际海域多种资源富集区。研制这一深度级别的深海作业系统，能够满足目前我国深海探查和作业的需求。

2015年3月，“海马”号随母船“海洋六号”开赴南海，对海底“冷泉”活动和与天然气水合物赋存相关的微地貌特征展开勘查。陈宗恒介绍，“海马”号第一次下潜就取得了重大发现，在南海北部陆坡西部海底首次发现了与天然气水合物相关的双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志，获取了高清视频和实物样品，同时记录了海底温度异常和超高甲烷含量异常。“海马冷泉”是在我国管辖海域内由我国自主研发的深海高科技探查装备第一个发现的海底活动性“冷泉”，这充分证明了“海马”号强大的作业能力，该“冷泉”也因此被命名为“海马冷泉”。

2018年4月底，广州海洋局“海洋六号”科考船与中国科学院深海科学与工程研究所“探索一号”科考船分别搭载“海马”号和“深海勇士”号，对南海珠江口盆地西部海域“海马冷泉”区进行联合科学考察。期间，“海马”号开展对海底“冷泉”的综合探查及取样作业；“深海勇士”号查明海底“冷泉”的分布范围、区域性特征、地形特征，并进行取样等作业。这次联合科考取得了“一加一大于二”的超预期多方面科学技术成果，为国产深海技术装备的业务化运作起到了先行示范作用。

这几年来，“海马”号马不停蹄拓展功能，强化深海作战力，“‘海马’号一次下潜可以完成结壳取样、海底钻探、生物取样、海底摄像、测流、声学测厚等多种作业，功能非常强大，海马’号的作业工具已经武装到了牙齿。”陈宗恒说。

“大海捞针”不再是难题

“海马”号不仅应用于南海的调查作业，更远赴太平洋，在太平洋海山区开展富钴结壳资源调查活动。

大洋调查与南海调查作业最大的区别是远离国门，出现故障只能自力更生解决。2015年6月11日，“海马”号第一次大洋试潜，前右垂直螺旋桨就出现了液压油渗漏的故障。作业人员顶着烈日仔细检查每一处可能的故障点，只用了不到两个小时就排除了漏油故障。然而在接下来的潜水中，“海马”号又出现了漏水的警报。检查和维修再次上演。此番征程，“海马”号利用携带的作业工具完成了对海底多金属结核样品和生物样品的抓取，获取了大量的高清晰海底视频资料。这是我国首次成功将自主研制的4500米级无人遥控潜水器应用于富钴结壳合同区调查，填补了我国在海山区资源和环境调查手段方面的一项空白。

在随后的大洋调查中，“海马”号配备了结壳钻机、强力爪、温盐传感器、富钴结壳实时在线测厚系统等调查设备，成功实现了近海底高清视频拍摄、声学在线实时测厚、定点精确岩芯取样等多项海底任务，并成功实现了中国ROV第一钻，开展了国内首创的富钴结壳声学测厚工作，创造了我国深海作业的多项新纪录。

此外，“海马”号“大海捞针”的本领同样令人刮目相看。科考人员将生物诱捕器和海流探测设备搭载至海底，进行精确布放，待海底作业任务完成后，根据布放的定位点，成功搜寻，再操纵ROV机械手通过自制的带缆挂钩轻松勾住布放设备，整个动作一气呵成。借助高精度水下定位系统和图像声呐搜索系统，以往令人望而却步的“大海捞针”不再是难题。

“海马”号经过多年的大洋矿产资源调查，以及不断的技术升级，逐步形成了基于ROV作业平台，集高清光学视像、高频声学厚度探测、强力爪和钻机等多种取样工具为一体，适用于富钴结壳精细探测的技术方法体系，大大提高了富钴结壳探测效率和精度，展现了ROV在大洋科考中强大的工程应用能力。

中国地质调查局武汉地质调查中心水文地质科技人员深入贯彻落实党中央科技创新战略，结合水文地质调查工作实际，不断探索水文地质调查新技术、新方法。近日，武汉地调中心水文地质科技人员开发的“一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置”“一种地下水位远程自动观测装置”“一种耐高压耐化学腐蚀的配液中继装置”等新技术和新方法，通过国家知识产权局授权，喜获3项实用新型专利。

“一种适用于无井地区的地下水定深分层取样装置”（专利号：ZL201621062915.6）属于地下水取样技术领域，兼具高精度地下水分层取样和地下水位波动监测功能，可适应无井地区监测井的快速安装，特别适用于浅部地下水的一孔多层监测和高精度分层取样的原位长期监测，服务于水工环领域地下水位动态监测和水化学动态评估。

“一种地下水位远程自动观测装置”（专利号“ZL2016 2 1329428.1”）提供了一种地下水位远程自动观测装置，包括可伸缩的观测管机构和数据采集模块，可以在被测的水位低于水位传感器设置的高度导致水位传感器无有效测量值时对技术人员进行远程提醒。

“一种耐高压耐化学腐蚀的配液中继装置”（专利号：ZL2016 2 1328803.0）采用挤压式构型设计，功能上同时满足耐压、耐腐蚀、大容量流体即时配制，能满足科学试验研究中力学化学耦合作用下的腐蚀性流体配制与精细控制。

在开展水文地质调查工作中，通过该3项专利技术的应用，解决了流体配置的精细控制，确保了地下水分层取样的工作精度，实现了远程信息提醒，极大地提高了工作效率。