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中山大学地球科学与工程学院曹建劲教授团队在纳米微粒找矿技术方面取得系列成果

已有 574 次阅读 2022-11-20 04:18 |系统分类:科研笔记

中山大学地球科学与工程学院曹建劲教授团队今年又获得1项关于纳米微粒找矿技术的国家发明专利授权,目前,共获得《一种利用单一纳米微粒的化学成分数据预测隐伏矿床方法》、《一种地气微粒找矿方法》、《一种水微粒地球化学找矿方法及其应用》、《一种利用生物内部纳米微粒寻找隐伏矿床的方法》、《一种利用微粒在生物组织内部引起的超微观异常现象寻找隐伏矿床的方法》、《一种利用含碳微粒寻找隐伏矿床的方法》等8项国家发明专利授权。

2003年,曹建劲教授发明把透射电子显微镜载网(如铜网)直接用于野外介质中纳米微粒采样,使用透射电子显微镜天然纳米微粒单颗粒分析技术,首次在广东长坑金矿床隐伏矿体上方地表介质中发现纳米金微粒,以及PbSO4WO3等纳米微粒,据此首次提出用纳米微粒的种类、大小、形状、结构、化学成分、聚合关系等探测隐伏矿体,发明了纳米微粒找矿技术(Journal of Geochemical Exploration, 2009, 101 (3): 247-2532007年投稿,2008年在线发表;金属矿山,2009(2):1-4。后又在贵州铜厂河铜矿床地表土壤气体中发现自然铜、自然铜铁合金和自然铬铁铜合金纳米微粒,以及含铜的氯化物、氧化物、硫酸盐、氢氧化物纳米微粒(Science China Earth Sciences,2010, 53: 1647-1654;中国科学: 地球科学, 2011, 41(08): 1109-1115)。在《2008863计划资源环境技术领域资源高技术论坛》、《2009年第四届全国成矿理论与找矿方法学术讨论会》等学术会议上报告了上述研究成果。

经过20年的工作,在云南个旧卡房铜矿床、云南会泽大黑山铜矿床、云南永胜得铜矿床、广西清明山铜镍矿床、内蒙古东升庙多金属矿内蒙古阿右旗卡休他他铁矿床、内蒙古拜仁达坝铅锌银矿、内蒙古柴胡栏子金矿床、内蒙古维拉斯托银多金属矿床、湖南留书塘铅锌矿床、湖南康家湾多金属矿、湖南柏坊铜矿床、广东凡口铅锌矿床等30个隐伏矿床地表介质中发现与隐伏矿体有关的含金属纳米微粒,发现的含金属纳米微粒包括纳米金、银、铜、合金等微粒,以及铅、锌、铜、铁、汞、钨、锑、铈、镧、锡、钴、镍、锗、铟、镉、铊、铼、硒、磷、钼、砷、铬、铀、镭等元素的氧化物、硫酸盐、氯化物、碳酸盐、氢氧化物纳米微粒和纳米微粒聚合体,共获得3000多含金属纳米微粒。在所有开展过工作的矿床都在地表介质中发现了与隐伏矿体有关的含金属纳米微粒,证实隐伏矿体地表介质中的含金属纳米微粒是普遍存在的。

研究结果表明,隐伏矿体纳米微粒是经断裂作用和氧化作用形成,由地下水和上升气流携带到达地表。通过对30个矿床的研究,揭示了各类型矿床从隐伏矿体到地表,纳米微粒在形成和迁移过程中,其成分和结构特征的变化规律,为纳米微粒找矿技术奠定了坚实的理论基础,目前,已建立完善的纳米微粒找矿技术体系。

在所研究的地表土壤气固体、地下水、植物、动物、断层泥等介质均发现了大量的隐伏矿体有关的纳米微粒,根据这一发现,分别建立了土壤纳米微粒找矿技术、水纳米微粒找矿技术、植物纳米微粒找矿技术、动物纳米微粒找矿技术。植物采样介质包括枇杷叶、苦楝树叶、榕树叶根和茎、小飞蓬根部、苎麻根部、鬼针草、构树、阔叶丰花草、葛根、山杏、百里香、黄花蒿等,动物采样介质包括蚂蚁、蚯蚓、蜘蛛、青蛙、蛞蝓等。通过对不同类型生物及器官中纳米微粒种类、数量对比,筛选出最为有效富集纳米微粒的生物种类及器官。生物中主要以单颗粒或纳米微粒集合体的形式聚集在靠近细胞膜的位置、细胞与细胞的间隙中,也有纳米微粒进入细胞中。直接观察到含金属纳米微粒造成细胞膜、细胞壁破损、细胞内出现空洞等现象,含金属纳米微粒引起的超微观生物效应也是找矿标志之一。

发现与隐伏矿体有关纳米微粒有结晶、非晶、混合结构(结晶与非晶同时存在)三种形式,结晶中又可以分出单晶、单一成分多晶、复杂成分多晶等,表明自然流体中的微粒迁移是多形式的。由于纳米微粒性质不同,它们有不同的地球化学行为,它们的吸附、迁移等都有较大的差别,三种形式纳米微粒都有重要的找矿意义。

此外,使用场发射电子探针、纳米离子探针以及原子探针等对地表介质中单一纳米微粒中的元素进行定量分析,并根据分析得到的成分信息,结合单一纳米微粒的形态、大小、聚合关系、超微结构预测隐伏矿床,能获得更精确的隐伏矿体信息。

纳米微粒找矿技术已应用于地震预报、海水入侵探测等其他方面。与隐伏矿体有关的纳米微粒数量可观,潜在生态毒性高,但目前还未引起人们的重视。曹建劲教授团队首次报道与隐伏矿体有关的含铀等纳米微粒对人类健康的潜在威胁。

纳米微粒找矿技术与其他找矿技术有本质的不同。例如,地气测量是通过活性炭布等吸附材料吸附土壤气体中的微粒,利用中子活化、原子吸收、电感耦合等离子体质谱等测试手段分析样品的元素含量(全样品分析的综合性元素含量数据),通过高的元素含量预测隐伏矿体。因此,曹建劲教授团队发明的纳米微粒找矿技术是前人没有的一种原始创新的找矿技术。该技术获得更丰富和更直接的关于隐伏矿体的信息,能够有效反映隐伏矿体是否存在,以及隐伏矿体的矿物组合、化学成分、矿床类型等信息,应用前景广泛,具有国际领先的特征。

上述研究获国家自然科学基金重点项目、面上项目(6项)和国家高技术研究发展计划(863计划)课题资助。已《Science China Earth Sciences》、《Chemical Geology》、《Journal of Geochemical Exploration》、《Ore Geology Reviews》刊物上发表与纳米微粒找矿技术相关论文95篇(包括会议论文摘要)。

 




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