矿产勘查的纳米地球化学理论与方法

纳米地球化学为人类从微观探索和认识地壳发生的地质地球化学过程提供新的理论与方法,开展该领域研究将对资源、环境等领域的研究和应用产生重大影响.纳米地球化学在矿产勘查领域已取得了重要进展.通过总结、归纳前人研究并结合团队最新成果,从自然界纳米金属微粒形成过程、迁移方式、在表生介质中的赋存状态及纳米金属微粒的捕获等几个方面开展了梳理总结,并进一步阐述了纳米金属微粒对隐伏矿勘查的理论与实际应用意义.纳米微粒的迁移机制可总结为:成矿过程中成矿元素可形成纳米金属颗粒,在矿石风化过程中部分纳米金属微粒发生解离而具备活动性,活动性纳米金属颗粒因其巨大的表面能,可吸附于气体分子表面,并通过地气流的垂向运动,穿透矿体上方覆盖层而到达地表;另外,纳米物质所具备的易分散性质可以使纳米金属微粒自身发生垂向迁移而到达地表.到达地表后部分纳米金属微粒仍然滞留在壤中气,部分被土壤中粘土矿物或氧化物膜吸附,此外也可被地表生物所捕获.该迁移机制已通过表生气固介质中大量纳米金属微粒原位观测结果获得证实.在矿产勘查中,通过分离土壤中的纳米金属微粒可实现指示土壤覆盖层和深部矿体的目的,目前已取得一些成功案例.      

隐伏矿床上方纳米铜颗粒存在形式与成因

在铜镍矿床覆盖层土壤颗粒中和其下伏原生矿石中同时采集到金属纳米颗粒,颗粒在其粒径大小、形貌、连接和簇聚形式、微粒元素组合等性质上相似,表明两者为同成因物质,是内生成矿作用元素存在形式,土壤颗粒中金属纳米颗粒来自深部矿体。在金矿上方土壤颗粒中采集的纳米金属颗粒,与在铜镍矿床覆盖层土壤颗粒中采集观测到的微粒,在微粒性质可以对比,表明元素的纳米微粒是稳定形式,在其源区形成后可借助多种营力,穿越后期地质作用覆盖层,在近地表被土壤地球化学障捕获滞留,是深部矿化的有效传递物质。深穿透地球化学技术可从土壤中分离富集采集到此纳米微粒,并通过其微粒性质,追踪其源区性质。此研究结果在实用意义上,可为以土壤作为采样介质的深穿透地球化学勘查探测覆盖区隐伏矿方法提供理论依据。     

干旱荒漠区隐伏金矿覆盖层中金的分布与迁移：以新疆金窝子金矿田210金矿带为例

以新疆金窝子金矿田210金矿带为例,实验研究了该区地气和土壤活动态测量等深穿透地球化学方法的效果。实验表明地气测量和土壤活动态测量可以有效地反映覆盖层下隐伏矿体。揭露矿体覆盖层的钻孔研究表明,金活动态形式具有“C”型分布特征。采集矿体上方地表异常位置土壤孔隙中地气、土壤样品,使用透射电子显微镜(TEM)实测样品中微粒物质的粒径、形貌和成分,在地气和土壤中观测到了Au-Cu、Au-Bi成矿元素纳米微粒,此微粒是形成地表深穿透地球化学异常的物质,来源于覆盖层下隐伏矿体。微粒到达地表,可以形成地气和土壤活动态异常。纳米微粒具有可从土壤颗粒表面分离的性质,在其向上迁移过程中,可以从吸附固定状态解吸,此性质可以用于解释活动态异常在钻孔垂直剖面上的“C”型分布。     

超声波纳米提取测量法——一种覆盖区找矿新技术:在拜仁达坝铅锌矿区的实践

覆盖区的隐伏矿为今后重要的勘查目标,常用的勘查方法有气体提取测量法和化学分散提取法。这些方法,野外工作量大;室内提取过程复杂,操作复杂、不环保,宜受外界影响大;测量结果重现性较差;为此,建立了土壤纳米简便提取和测量的新方法--超声波纳米提取测量法,利用超声波空化原理,快速提取土壤中的纳米物质,并在内蒙古半干旱草原区上方开展了超声波纳米提取测量法的地球化学勘查方法的试验工作。结果表明,超声波纳米提取测量法获得的地球化学异常明显,对下伏矿体的指示效果较为明确,其中主要成矿元素Cu、Pb、Zn、Ni、Ag在矿体上方均有明显的异常,且异常衬度与矿体的深度对应关系好。矿体深度浅,异常衬度大,矿体深度深,异常衬度小。超声波纳米提取法可作为该景观区寻找隐伏矿的有效手段。     

纳米针铁矿的半导体性能实验

<正>针铁矿在地表环境中分布广泛,具有吸附能力强、催化降解污染物、参与氧化还原等方面的性质,这些特征使其在地球化学、环境化学、生物学、矿物学、土壤科学等研究方面有着重要的意义。此外针铁矿具有半导体材料的性质,其禁带宽度为2.10~2.50 e V,能够利用太阳光中的紫外及可见波段发生空穴–电子的分离,从而进一步发生矿物自溶解或与环境中有机污染物等物质发生反应。同时地表环境中的针铁矿常常为纳米尺度,因此对纳米针铁矿的半导体性能研究有助于我们进一步了解探讨环境的天然自净化功能,     

纳米地球化学与覆盖区矿产勘查

纳米地球化学已经成为目前地球化学研究领域新涌现的一个具有潜在生命力的研究领域。本文简要总结了纳米地球化学的产生,纳米晶体的发现与迁移机理研究的最新进展,以及在覆盖区矿产勘查方面的应用案例。20世纪80年代末到90年代初"超微粒金"的提出与证实,90年代到本世纪初"地气中纳米金属微粒迁移"的推测和证实,开创了中国纳米地球化学研究领域。进入2010年以后,又相继在地气、土壤和矿石中观测到纳米金属晶体微粒,获得了纳米地球化学迁移的完整证据链。矿体中成矿元素纳米颗粒或矿物在风化中产生解离,纳米级金属微粒具有巨大的表面能,可与气体分子表面相结合,以地气流为载体,穿透厚覆盖层迁移至地表,也可以自身以"类气相"形式迁移,到达地表后一部分纳米颗粒仍然滞留在气体里,另一部分被土壤地球化学障所捕获。通过土壤中纳米金属微粒分离应用于隐伏矿勘查,已取得一些成功案例。随着研究的深入,纳米科技的不断发展,纳米地球化学必将对地球化学勘查理论和技术发展产生重大影响。     

纳米地质学：量子科学走进地质学的桥梁

纳米地质学是一门研究地质学中纳米尺度现象以及纳米物质的学科,其研究的尺度为1～100 nm。纳米尺度的物质应为宏观物质存在的最小不可分割单元。由于尺度极小,纳米级的物质表现出了很好的量子特性。量子具有很多神奇的现象,如量子纠缠等,这些现象在信息传递、数据处理等方面有着得天独厚的优势。由于纳米物质的量子现象,纳米地质学目前是量子科学应用于地质学最可能的媒介。目前研究表明,天然纳米级的物质(如矿物纳米颗粒)已经在各种地质体中发现,并且一些纳米尺度的地质体已经表现出了量子现象。这些研究结果为量子科学,尤其是量子纠缠进入地质学提供了坚实的物质基础,也为利用量子特性解决地质问题提供了可能。但是,不论是量子科学在地质学中的应用,还是纳米地质学都处于研究的初期,还有许多未知的纳米物质和纳米尺度的现象等待科学家们去发现和研究,进而才能使量子科学真正进入到地质学当中。     

纳米地球化学:穿透覆盖层的地球化学勘查

盖层下方隐伏矿成矿及伴生元素如何穿透覆盖层到达地表,是深穿透地球化学迁移机理研究的热点。笔者以隐伏铜镍矿和金矿为例,同时采集地气、土壤、矿石样品,使用透射电子显微镜(TEM),对样品中微粒物质的粒径、形貌、成分、结构进行了观测,发现微粒具有下列特点:(1)广泛观测到的微粒成分是铜及铜合金,金只在金矿上方土壤孔隙气体中能被观测到;(2)单个金属微粒粒径主体为几十nm,也有个别小到几个nm,大到上百个nm,微粒大多呈团聚体;(3)微粒晶形完整,内部原子呈有序晶体排列;(4)迁移柱实验表明纳米微粒具有快速迁移能力。在地气、土壤和矿石中同时观测到纳米级金属微粒,粒径大小、微粒形态、元素组合都非常相同或相近,表明两者具有来源一致性并具有序晶体结构,表明形成于内生作用。这是首次同时观测到矿石、土壤、气体介质中具有继承性关系的纳米金属微粒。矿石中纳米级金属微粒通过与微气泡表面相结合,以地气流为载体,或纳米微粒本身具有类气体性质,可以克服重力影响,穿透厚覆盖层迁移至地表,到达地表后一部分纳米颗粒仍然滞留在气体里,另一部分被土壤地球化学障(粘土、胶体、氧化物等)所捕获。这为深穿透地球化学从描述性或推测性模型走向实证性科学迈出了重要一步,为利用土壤作为采样介质、精确分离含矿信息用于寻找外来盖层下的隐伏矿提供了纳米地球化学技术。     

纳米金属微粒的采集观测及其对地球化学勘查的意义

近几年纳米地球化学的研究为成矿元素在覆盖层中的迁移机理研究提供了直接的微观证据,同时为将其应用于未来覆盖区找矿奠定了基础。通过详细介绍地气、土壤和矿石样品中纳米金属微粒的采集和观测方法,展示两个研究实例,并对不同介质中纳米金属颗粒的可对比性、对覆盖区隐伏矿勘查的意义进行讨论,认为地气和土壤中的纳米金属微粒可作为地球化学示踪物质。     

滇东北永胜得铜矿床地气微粒特征

为了研究地气微粒特征在探测隐伏矿体中的指示意义,采用地气静态测量法采集滇东北永胜得铜矿区隐伏矿体上方地气纳米微粒,通过高分辨的透射电子显微镜和能谱,对所采集的样品微粒进行形貌分析和元素种类、含量测定后,发现微粒中元素组合特征随着矿体或矿化蚀变带的存在与否出现相应的变化。用地气测量法原理可以较好地解释这一现象,即由脱气作用形成的地气流在从地球深部垂直向上迁移过程中,穿过地质体,吸附具有特征性的微粒并携带至地表,引起相应的元素种类差异和含量异常。这意味着结合这些微粒元素组合特征和地质背景,可以较直接地判断隐伏矿体的有关特点,为找矿工作提供帮助。     

粘土矿物对古气候指示作用浅析

由于粘土矿物的成分、组合、含量以及结晶度的变化可以反映母源区气候冷、暖周期性变化，因此利用粘土矿物重建古气候环境近年来得到广泛的应用。然而，由于粘土矿物的敏感性，其气候记录的信息往往会被其他影响因素(如母源区、沉积环境、成岩作用等)掩盖。因此，在利用粘土矿物重建古气候环境时，需要综合考虑气候以及非气候的各种影响因素。     

流体晶、流体晶矿物组合、流体岩及其研究意义

流体是地球各圈层之间相互作用的纽带,在成岩、成矿过程中起着十分重要的作用。目前,流体的研究主要集中在流体对先存矿物岩石进行的交代作用方面,而对流体直接结晶形成的矿物领域研究较少。文中根据作者近几年的研究成果对从流体直接结晶而成的矿物——流体晶以及流体晶矿物组合、流体岩等的定义、特征进行了归纳总结。最新的研究结果显示：岩浆中可以含有大量的流体,这些流体来源既可以是岩浆演化富集、岩浆与围岩相互作用产生,亦可以是外部来源。因此,流体晶矿物、流体岩在自然界应该是普遍存在的。流体晶矿物的提出将深化人们对地质过程的理解,发展岩石学及矿床学的研究新领域,有利于矿床勘探和成矿预测。     

The effects of clay minerals and organic matter on nanoscale pores in Lower Paleozoic shale gas reservoirs,Guizhou, China

In organic-rich gas shales, clay minerals and organic matter (OM) have significant influences on the origin, preservation, and production of shale gas. Because of the substantial role of nanoscale pores in the generation, storage, and seepage of shale gas, we examined the effects of clay minerals and OM on nanoscale pore distribution characteristics in Lower Paleozoic shale gas reservoirs. Using the Niutitang and Longmaxi shales as examples, we determined the effects of clay minerals and OM on pores through sedimentation experiments. Field emission–scanning electron microscopy combined with low-pressure N₂ adsorption of the samples before and after sedimentation showed significant differences in pore location and pore size distribution between the Niutitang and Longmaxi shales. Nanoscale pores mostly existed in OM in the Longmaxi shale and in clay minerals or OM–clay composites in the Niutitang shale. The distribution differences were attributed largely to variability in thermal evolution and tectonic development and might account for the difference in gas-bearing capacity between the Niutitang and Longmaxi reservoirs. In the nanoscale range, mesopores accounted for 61–76% of total nanoscale pore volume. Considerably developed nanoscale pores in OM were distributed in a broad size range in the Longmaxi shale, which led to good pore connectivity and gas production. Numerous narrow pores (i.e., pores?<?20 nm) in OM–clay composites were found in the Niutitang shale, and might account for this shale’s poor pore connectivity and low gas production efficiency. Enhancing the connectivity of the mesopores (especially pores?<?20 nm and those developed in OM–clay composites) might be the key to improving development of the Niutitang shale. The findings provide new insight into the formation and evolutionary mechanism of nanoscale pores developed in OM and clay minerals.     

利用黏土矿物计算背景值评估沉积物重金属污染

综合考虑样品性质及粒度的影响,提出利用黏土矿物计算背景值的方法。实例研究表明,研究区沉积剖面不同深度样品的背景值存在一定的差异。将实测值与背景值之比视为富集因子,发现As、Cr、Cu在剖面的中下部弱富集;Pb在剖面中部弱富集;Zn与Cd在剖面的不同位置的富集程度变化较大,在中部显著富集,表层及底部中度富集。与传统方法相比,该方法综合考虑了粒度和样品性质的影响,并且可以计算出不同位置样品的背景值,使得评估结果更加准确。     

西华山钨矿床共生透明矿物与不透明矿物中流体包裹体的对比研究

西华山钨矿床是一个产于燕山期花岗岩中的大脉型钨矿床。笔者利用红外显微镜、冷热台及其他相关设备对矿床中的透明矿物(石英、绿柱石和萤石)与不透明矿物(黑钨矿、黄铁矿)中的流体包裹体进行了对比研究。结果显示,共生透明矿物与不透明矿物之间,在包裹体均一温度等特征上既可基本相同又可出现很大差异。一般来说,黑钨矿能有效地保存原生流体包裹体(t_h=300～420℃;晶洞中为220～290℃),仅有少量次生包裹体(t_h=160～280℃),而与之共生的石英中原生包裹体则几乎被破坏殆尽,现在所见到的包裹体绝大多数是次生的或是在较晚结晶时捕获的(t_h=130～270℃)。只有未经后期应力作用和流体改造的晶洞水晶及与其共生的黑钨矿,二者获得的结果才相同或相似。绿柱石中通常有大量的次生包裹体和原生包裹体。黑钨矿与绿柱石中硅酸盐熔融包裹体的出现,表明西华山钨矿床的成矿作用始于岩浆-热液过渡阶段,其初始成矿流体是一种岩浆-热液过渡性流体,尔后才演变成单一的热水溶液。笔者认为,在进行金属矿床流体包裹体研究时,应强调共生透明矿物与不透明矿物的对比研究,在进行对比研究时,详尽的基础地质研究和包裹体岩相学观察必不可少;当单独利用透明矿物包裹体资料对金属矿床进行地质解释时,需慎之又慎。     

利用岩石化学成分计算花岗岩类实际矿物的新方法

介绍一种在三氏算法(戎嘉树等人于20世纪70年代初提出的一种用岩石化学成分计算花岗岩类实际矿物含量的方法)的基础上经长期实践并不断创新而发展起来的一种新的实际矿物含量的计算方法。该方法针对准铝质花岗岩类、铝过饱和、铝强过饱和花岗岩类分别设计了相应的计算方法,同时也兼顾了碱交代花岗岩及碱长花岗岩,不仅适用于新鲜岩石,也适用于部分蚀变的岩石。该方法在处理岩石化学分析数据的归纳和组合上尽量与实际存在的矿物相结合,力求计算结果与岩石中实际存在的矿物相符。计算过程中提出了长石的修正系数χ,用其修正岩石中钾长石和斜长石的含量,从而确保计算结果与实际相符。计算得到主要造岩矿物(Q、Or、Pl、Bi、Ms、Hb)的含量和反映岩石化学特征的两类参数(Ot、AnPl、K-Na、a、b、Mg)及相关图解。该方法不仅可以计算出岩石中主要造岩矿物的含量,同时还可以反映岩石化学特征、演化过程及其成矿专属性等。     

广西典型近岸海域表层沉积物碎屑矿物分布及其物源意义

基于“我国重点海岸带滨海环境地质调查与评价”项目,分析了广西典型岸段20 m以浅的海域表层沉积物和地貌类型及其分布特征,并在此基础上探讨了碎屑矿物含量和种类的分布、变化以及组合。研究结果表明: 研究区水动力较强,作用方式多样,有近30种碎屑矿物,其中主要有石英、长石、钛铁矿、云母、锆石、黄铁矿以及海绿石等,重矿物较为丰富; 自全新世早期海侵以来,研究区先后进入了浅海海湾相沉积环境,但碎屑矿物种类与之前基本相似,其含量变化是由于气候和海平面的波动而致; 研究区碎屑矿物在以沉积物和地貌类型为单位的各类地质单元中,其含量和种类均有所不同,尤以重矿物的变异性最为突出; 各研究区重矿物组合可分为2~3个亚分区,均反映出与沉积环境关系密切。结果表明,研究区碎屑物质主要源于周缘陆区风化剥蚀、海岸侵蚀和河流输入,碎屑物质具有陆源性。     

天然有机质与矿物间的吸附及其环境效应的研究进展

本文综述了天然有机质与矿物间吸附行为的研究进展.具体介绍了天然有机质与矿物间的吸附机理,包括配位交换、范德华力、静电引力、疏水作用、离子交换及阳离子桥;阐述了不同分子大小及亲疏水性组分的天然有机质在矿物上的吸附行为;讨论了影响吸附行为的环境条件（pH,离子强度）及天然有机-矿物体系对全球碳循环、重金属和有机污染物产生的环境效应,并提出了研究展望.     

Distribution of clay minerals in surface sediments of the Aegean Sea: a compilation

Extensive published data sets and some new data on the clay mineral composition of surface sediments in the Aegean Sea, northeastern Mediterranean Sea, have been compiled in order to map the distribution patterns of clay mineral assemblages and to decipher source areas and transport paths. We distinguished six provinces, a Northwest Aegean Province, a Marmara-Dardanelles Province, a West Turkey Province, a Southeast Aegean Province, a Kithira Province and a Central Aegean Province. The clay mineral assemblages in the coastal and shelf areas carry the signature of the riverine sediment discharge from southeast Europe and Turkey, respectively. The southern Aegean Sea is probably influenced by the River Nile discharge and transport of clay minerals by surface currents. The clay minerals in the central Aegean Sea form a mixed assemblage comprising components of the other assemblages. A dispersion and dilution of clay minerals by surface currents is obvious.     

LA-ICP-MS硅酸盐矿物原位微区分析方法研究

建立了一种利用New Wave UP 213 nm激光和ThermoFisher X Series2四极杆等离子体质谱法直接测定硅酸盐矿物中54种元素的分析方法。该方法以40Ca为内标、玻璃标准参考物质NIST SRM 610为外标,通过调节载气流量、激光频率、激光能量、激光剥蚀斑径降低元素分馏效应,并对NIST SRM 612进行测定,测定结果满足分析要求,54种元素的相对标准偏差大都低于10%,可应用于地质学分析研究。