纳米探矿——用地气携带的纳米物质勘查隐伏矿.pdf

第 3 1卷 第 4期 2 O 0 3年 8月 煤田地质与勘探 0 GE0 】 GY ＆ 咖0RA 删 9 纳米探 矿 用地气 携 带的纳 米物质 勘查 隐伏矿 武 强 ， 许 爱忠 ， 董 东林 ， 田宝霖 中国矿业大学煤炭资源教育部重 点实验 室， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 矿体周 围广泛赋存着纳米物质 ， 其可在地球排气的作用下从深部向地表迁移。在地表或地表 附近 可俘 获这些 纳米物质 ， 这些 纳米物质 与矿体 发 出的 直接 信 息 密切相 关 。通 过 对其成 分或 聚 集 态等进行分析 ， 可勘查隐伏矿。本文介绍了纳米探矿的应用现状和一些实例 ， 探讨 了该技术所存在 的 问题 ， 并对今后 的研 究工作 进行 了展 望。 关 、 键词 地 气； 纳米物质 ； 勘 查 ； 隐伏矿 中图分类号 P 6 3 1 P 6 2 2． 1 文献标 识码 A l引言 随着世 界工 业 经济增 长 ， 矿 产 资源 紧缺成 为世 界性 问题 。地表 矿 产 日益枯 竭 ， 隐伏矿 的勘查 已 日 渐重要 ， 但是隐伏矿的勘查则限于种种问题 而进展 不大 。要 改变 这 种状 况 ， 就 必 须 拓展 新领 域 【 1 】 。地 球探测与信息技术科学在其发展过程 中， 不断吸收 其他学科的理论和方法， 并使之 日臻完善且更具活 力。纳米科技应用于地球探测与信息技术的前景广 阔， 并将促进地学 的发展。通过检浏分析所俘获地 气携带纳米物质的信息来反演地质体 矿床 ， 兼有 物探和化探 的特 点 。本 文 将对 此方 法 作简 要 介绍 ， 以供同仁参考借鉴。 2 纳米物质及 其性质 纳米是一个 长度 单位 ， 1纳米 l n 1 等 于 1 0 一m。 纳米科技研 究尺寸在 1 ～1 0 0 a m范 围内的物质 组成 体系的运动规律和相互作用等乜 】 。 按来源， 纳米物质可分为天然和人工合成两种 人工合成纳米物质的尺寸分布可控 ， 有利于研 究其 性质 ； 天然纳米物质所表现出的新性质使人们更深 刻 了解纳米物 质 。纳米 物质 具 有表 面 效应 、 小 尺 寸 效应和量子尺寸效应等特性[ 2 】 ， 使地质体 矿床 中 的纳米物质明显不同于宏观物质的地球物理和化学 行为， 从而在地质体 矿床 周围形成一种纳米物质 场 ， 分析测定这种与矿藏有关的纳米物质场中特征 信息等， 可用 于矿产勘查 ， 从而诞生一 门新 的学科 纳米探 矿学L 3 j 。 3自然界 中纳 米物质的来 源及 其赋存状 态 纳米物质 广泛赋存 于 自然界 的各种 介质 中。其 源于各种地质成矿或解体作用 ， 如熔融、 结晶或热液 等易于形成矿物 的纳米级颗粒 ， 或与成矿组分有关 的 纳米级物质。 章振根 提 出了纳米矿床学 的 收稿 日期 2 0 0 3 - 0 1 ． 2 6 作者简介 武强 1 9 s 9 一 ， 男 ， 内蒙古人 ， 中国矿业大学教授 ， 博士生导师， 从事水文地质工程 、 地球探测与信息技术研究 ． 参考文献 [ 1 ] 傅家谟等 ． 煤成烃地球化学 [ M] ． 北京 科学出版社 ． 1 9 9 0 ． [ 2 ] 阮天健 ， 费琪 ． 石油天然气地球化学勘探[ M] ． 武汉 中国地质 [ 3 ] 程同锦等 ． 烃类运移的赶地表显示与地球化学勘探[ M ] ． 北 京 石油 工业 出版社 。 1 9 9 9 ． ’ [ 4 ] 藏金星等 ． 煤成烃国际学术讨论会文集 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 O ． 大学 出版社 ， 1 9 9 2． E x p l o r a t i o n g I j0 I出既n j s r e s e a r c h o n Da f e s i ][] k H e h o l e D 4 ， Bi n x i a n ， S i ma n m X I E G u a n g - x i n X i R U t B r a n c h ， C C R I ， X i a n7 1 0 0 5 4 ， C h i n a Wi t h t h e h y d e e l m l i o n群 j 0 I’ h 既 曲r r m e t h o d ， i t i s c o n d u c t e d t h a t t h e v e r t i c a l l y C l t6 s e c t i o n c 0 b i I ． e d i 联I 既e 8 g e o e I e ． s e a r c h O l l J u r a s s l e c o a l b e d s me t b y Da f e s i B o r e h o l e D 4 i n Da f e s i c o a l fi e l d ． T h e r e ml l l i n d i c a t e t h a t t h e 曲 l e ma t e ria l i n a l l鞠加 e s e dhe t e d f r o m渊s e c t i o n i s t h e l l i mi n a r y s t a g e s h y d I a l e p r o d u c t s f r o m c o a l s ， b e iJ l g 0 f 8 a c h a r a c t e r i s t i c 8 ； f r o m e ml b e d u pt o a l d a e e s o i l t h e 砒e ma t e r i a l 0 f s a mp l e s s h o w e d o u t t h e u p m i g r a t i n g i n d i c a t e s ． I t i s c 0 i ml e d t h a t l I y d I a l e o f u n d e r g r o u n d e ml b e d i s 0 f g e 0 c l l e 珊l唧i n d i c a t i n g ， t h e r e - f o r e， i t i s f e a s i b l e t o fi n d c o a l ／ c o a l b e d g a s w i t h t h e me t h o d s o f e x p l o r a t i o n霉 e ‘ c h 曲呵． 1 啊 o r 凼 h y | l e ； e x p l o r a t i o n g e 0 c } l e s 时 ； 加 r e g u ht i t y ； fi n d c ml ／ e o a l b e dme fl w e ； D a f e s i B o r e h o l e D 4 ； B i m ， c o 咖嚏 y 删l x i 维普资讯 l 0 煤 田地质 与勘探 第 3 l卷 概念 ， 并认 为它将 成为一 门新兴地学分 支 ， 并用纳米 科技 探讨 了纳米 矿床 的成 因。 童纯菡 ” 观 察 了地气 携 带物 质 的 颗粒 形 态 及特征等 ， 表 明与 已知纳 米微 粒 的外 形 表现 特 征一 致 ， 从 而也证 实 了地气纳 米物质存在 。 4 地球排气 及其作用 下纳米物质 的迁移 地气 是 地球 内部 产生 的各 种气 体 ， 其 实质 在地 质演化 中幔汁 超临界 流体 自地球深部 自发 向上或 向外 排放 。地球 内部存 在的气 体大致分 为烃类 和氢 类气 体 。而按来 源则分 为来 自地球深 部 地 幔 的气 体和来 自地球 浅部 及 地 表 的气 体 。 同时 ， 存 在着 与 地球排 气 相 关 的物 质 迁 移 或 物 质 的气 相 迁 移 J 。 地气 总的运动方 向是 从 地核 向地 表 ， 其 速度 主 要受 控 于动力和通道 阻力 。 纳米 物质 界 面为类 气 体 的壳 层结 构 ， 有 表 面层 和吸附层 ， 表 面层更 近于气 态 。正 是纳米 粒 子 表面 原子 的活 性大 ， 所 以易于 吸附 气体 形成 吸附层 。因 此 ， 矿物 或成矿 物质 的纳 米微 粒靠 自身 的特 殊结 构 和性 质 ， 可吸附 于气 体形 成类 气 体结 构 并 随地壳 内上升气流 迁移 ， 因而有很强 的穿透能力 ， 可从地球 深部 垂直上 升到地 表 ， 在 深部 向地表 投影 位 置形 成 纳米物质分 布异常 n 。 。 。 关 于纳米物 质在 地气 作 用 下 的迁 移 过程 K r i s ． t i a n s s o n等 n 卜 ] 认 为 ， 纳米物质 以颗粒形式 吸附在气 泡表 面 随之 一 起 上升 ； 而 E t i o p e [ 1 4 则认 为 还 可有 气溶胶等形式 迁移 ； 周子勇等 [ 8 ] 模拟研究 表 明 ， 金 属 元素还可以离子形式吸附于气泡表面 ， 并随上升气 流运移 到地表 ； 童纯菡 等[ 1 6 证 明了上 升气 流对纳 米 物质微粒 的迁移作 用 比物 质 扩散 作用 强 的多 ； 童 纯 菡等 [ 1 ’ 。 ] 用 实验模 拟 证 明 ， 随上 升气 流迁 移 的 是纳 米微 粒 ， 并 且 以上升 气流垂直迁 移为主 。 纳米粒级 物质 自矿体 通过 围岩 向外 扩散并非一 个异常缓慢的过程， 而是相当迅速的。另外 ， 纳米物 质具有很高的地球化学活性 如扩散能力和固态迁 移能力等 ， 从 而 在矿 床 周 围形 成 一 定 的纳 米 物 质 场 ， 这种场 中纳 米 物 质 数 量 与离 矿 床 远 近成 反 比。 在地气 等作用下这些 纳米物 质向上或 向外 迁移至地 表 ， 并 向大气扩 散 。部分 纳 米物 质 达 到近地 表 时可 因地表条 件 的改 变而 进入 土 壤 ， 部 分游 离 于地 表土 壤 空隙 ， 还有一 些纳 米物质游离 于空气 中 ， 而对这些 纳 米物质 的地球化 学测量 正是在此基 础上发展起来 的 ， 从 而成 为 一 种 新 的 主 要 用 于 勘 查 隐 伏 矿 的技 术E l ， 。 ． 膜 图 1 被动埋置法采样装置 图 2 主动抽气法采样装置 5 纳米物 质俘获和分 析方法 5 ． 1 俘获纳米物 质的方法 俘获的纳 米物质 主要指土壤 中纳米物质。目 前 ， 俘 获土壤 中游离 纳米 粒 级物 质 的方 法可分 被 动 埋置 法和主动抽气 法 。 ， 被动埋置法俘获装置如图 l n 9 ] 所示 ， 将捕集器 埋 置于地表 土壤 或覆 雪 一 定 时 间 ， 然 后取 回捕集 器， 分析所俘获纳米物质元素等。被动法较简便且 无需动力 。野 外施 工 过程 是先 挖一 个 小坑 ， 然后 放 人一倒置漏斗形器皿以汇集气流， 捕集器 吸附膜 悬挂于倒 置漏 斗形 器 皿 的顶部 ， 使 上升 痕量 物质 均 通过捕集器 ， 在漏斗形器皿顶部上覆一塑料小碗 ， 小 碗顶部 有若 干 排 气 孔 ， 以形 成 烟 囱效 应 ， 然 后 填 土 或雪 压实， 埋置一段时间后取回捕集器进行分析。 由于被动法 的野 外工作 周期较 长 ， 王学求 等 因此提 出 了主动抽气 法 。主动法是一 种快速动态提 取地气 的技术 ， 指利 用减 压装 置抽 取 并俘 获游 离 于 土壤空隙的纳米物质。装置主要包括螺纹采样器、 过滤器、 捕集器和减压器， 如图 2 所示。野外施工过 程 是先用钢钎 打孔 ， 然后 旋人螺纹采样 器 ， 连接好 过 滤器、 捕集器和减压器 ， 启动开关 ， 抽取游离于土壤 空隙 中的微细粒 物质 ， 使 其先通过过 滤器 ， 使 所俘获 物质 主要为纳米 粒 级物 质 ， 过 滤器 中为醋 酸纤 维素 酯滤膜 孔径 约 2 0 0 a m 。 由于 自然 中纳米物质的含量很低 ， 无论何种方 法 ， 采样 中必须 严格控制各 个环节 以防污染 。 5 ． 2分析测试 方法 地气 携带 纳米 物质 的分 析测试 主要 包括成 分 、 尺寸分布和聚集态等。 维普资讯 第 4期 武 强 ， 许爱 忠等 纳 米探矿 用地 气携带 的纳 米物质勘查 隐伏 矿 l l 纳米 物质样 品 成分 的分 析测 试方 法很 多 ， 目前 主 要 有 粒 子 激 发 x 射 线 发 射 光 谱 分 析 方 法 P 瑚E n 9 ] 、 中子活化分析 A A 和原子 吸收光 谱法 A A S ， 检测极 限约为 l 0 I 1 ～l 0 8 g ， 多用 于金属矿 勘 查 。其 他 分 析 方 法 还 有 x 射 线 光 电 子 光 谱 法 x P s 、 原 子 荧 光 光 谱 法 A F S 和 激 光 痕 量 分 析 等 ， 。 关 于纳米物 质 粒子 尺 寸分布 和 聚集态 分析 ， 目 前主要采用原 子 力显 微镜 、 扫描 电子显 微 镜 S E M 和透射 电子显微镜 1 E M 等 。 6 纳米探 矿的应 用现 状和实例 广义的 纳 米 探 矿 基 本 上 有 两 个 方 向 一 个 是 K l u s m a n等 开 发 的 KV指 纹 法 KV F r i n g ． e r p r i n t ， 主要用 于 寻 找油 气 藏 ； 另一 个 B o l i d e n矿业 公司[ 2 开发 的地气 法 G c o g m ， 主要 用 于寻 找 金 属 矿 。 ’ 这个 概 念 到 现 在仍 然 难 以 被接 受 ， 但 是 由于寻找厚覆 盖层 隐伏矿 的需要 ， 瑞 典 、 德国 、 捷 克 、 新西兰、 俄罗斯和 中国等国的研究人员先后进行过 研究 ， 但这些工作 还多限于小 规模矿 区 ] 。 2 o世纪 8 o年 代 ， 瑞 典 的 B o h d e n公 司 推 出 了一 种寻找隐伏矿 的新技 术地气法 采 用被动法 ， 捕 集器为聚苯乙烯膜 ， 在实验室用 P I X E分析薄膜上粘 附纳米微粒的元素， 据此通过圈定异常地带来寻找 隐伏矿 。该 法 因其探矿 的直接性 和可测深度 大等特 点 ， 引起 国内外 勘查界 的广 泛关注 。 童纯 菡等 ] 研 究 了寻找 深 部 隐伏 金 矿 的地 气法 ， 并 采用 I N A A分 析 收集 的样 品 ， 开 创 了全 新 的 纳米探矿方法 。Wa n g等 提 出并 使用 主动法 来俘 获地气携带的纳米物质 以提高效率 ， 并开展了寻找 巨型隐伏 矿 的试验 。 刘应汉 等【 3 在厚层 黄土覆 盖 区进 行地 气测 量 ， 用附着活性炭 的聚氨 酯泡 沫 塑料 作 为捕 集材 料 ， 明 显提高了俘获能力； 用 A A S进行分析以降低成本 ， 表 明在覆盖 厚度达 4 0～2 0 0 m的多金 属矿体 上方 出 现 明显元 素异常 。在青 海拉水峡 以红土覆盖层 为主 的矿区 ， 也 发现极 明显 的元 素 异 常。据 此不 仅能 圈 出矿化体位置 ， 还能初 步确定 矿化 体的分布 和走 向 。 而在这些 隐伏 矿 区用常规 的地球化学测 量方法则无 上述异 常显 示 。 杨凤 根等[ 3 2 , 3 3 3 将纳米探 矿技术应用 于油气 田勘 查 及评 价 工作 中 ， 试 验表 明该 技 术可 反 映 出 4 0 0 0 多米 的深部构造 所形 成 的弱 异常 。 庹先 国等 对川西 北 团结 金矿 进行 了研究 ， 采 用 被动法 ， 用 I N A A分 析地气 携带 纳米物 质 ， 表 明该 法可有效识 别成矿 流体地球化 学界面 。 隐伏 断 裂 也 可 看 作 广 义 的 “ 隐 伏 矿 ” 。葛 良全 等[3 5 ,3 6 研究 了双流一成都一德阳断裂带和映秀断裂 带 ， 表明在隐伏含矿破碎体含有矿体元素、 与矿化密 切相关的成矿元素及其伴生元素的地气异常主要出 现在 隐伏 断裂 的上方 ， 地气 异 常 的宽 度与 碎裂 带 的 宽度一致。伍宗华和金仰芬等 将该技术用于地 质勘探 ， 在引黄工 程洞 线 和 库 区勘查 中的应 用效 果 与钻探或浅层地震检验结果基本一致， 在叶县一邓 县一南 漳地 学剖 面研 究 中表 明 ， 该法 是勘 查 隐伏断 裂 的有效手段 之一L ， 9 J 。 7 存在 的 问题和展 望 矿产勘查有着巨大的风险， 也有着丰厚的利润， 隐伏矿 勘 查更 是 如 此 。有 效 地 减 小 风 险 与 不 确定 性 ， 有赖于新概念的提出和新技术 的发展【4 o 】 。纳米 探矿正是一项 应运 而 生 的新 的勘查 技 术 ， 该 法 在地 表采样 ， 用高精度仪器进行分析 ， 适于地表有厚层覆 盖区 ， 具有 深穿 透特 点 。纳米 探 矿是 利用 地表 的介 观信息直接找矿， 有人侧重形成金属气溶胶的研究 ， 也有人侧重纳米微粒研究 ， 还有人侧重战略战术研 究【4 l 】 。但 目前该技术几乎处于停顿状态 ， 因为用 捕集膜俘获地气携带 的纳米物质 ， 捕集膜主要起粘 附作用， 其俘获能力有限， 且野外工作周期一般较 长 ， P I X E等分析方 法价格 昂贵 。所 俘获 的物 质究 竟 是什么及其上升至地表 的机理不大清楚 ， 其中， 尤其 是捕集 材料和迁 移机 理 等 问题 妨 碍该 技 术 的发展 。 俘获地气携带纳米物质材料的纯度 ， 分析测试 中使 用试剂的纯度 ， 以及在野外采气作业与室 内分析时 可 能受到 的污染 等 ， 也是 影 响这 一新 技术 推 广 的关 键【 。 纳 米探 矿 尚有一 些 问题需 要解 决 ， 如 纳米 物质 的类气体性质 包括强的迁移能力和穿透能力 、 纳 米物质 天然 的赋存形式、 不同地气对不同纳米微 粒 的吸附性 、 来 自隐伏 矿 的纳 米物 质 在 向地表 或 近 地表迁移中的变化 ， 野外作业标准化 ， 与其他勘查方 法的结合等。尽管如此， 纳米科技与探矿结合 ， 将有 可能 推动两大学科 向前发 展并 促使新 边缘学科 的诞 生 。纳 米探矿技 术不 仅 用 于 隐伏 矿 勘 查 ， 也 可用 于 断裂 构造 ， 防止 掩埋 污染 物 扩散 等研 究 。纳 米科 技 的发展将有助于该技术从试验阶段走向实用阶段。 参 考文献 ． [ 1 ] 任天祥， 刘应汉， 汪 明启 ． 纳米科学与隐伏矿藏种寻找毫 伏矿的新方法 、 新技术[ J ] ． 科技导报 ， l 9 鳃， 8 l 8 一l 9 ． 维普资讯 l 2 煤 田地质 与勘探 第 3 1卷 [ 2 ] 张立德 ， 牟季美 ． 纳米材料和纳米结构 [ M ] ． 北京 科学 出版 社 ， 2 0 0 1 ， 26 7 ． [ 3 ] 刘应汉， 任天祥 ， 汪明启 ． 纳米物质在矿产勘查中的应用 [ A ] ． 中国材料研究学会 ’ 9 6中国材 料研讨会论文集 I功能材料 2 低维材料[ c ] ． 北京 化学工业 出版社 ， 1 9 9 7 1 9 4 1 9 8 ． [ 4 ] 章振根 ， 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M a l m q v i t L ， P e r 音 s m w． C ． e o 0 e I 咄 B t o o l i nt h el z e hf o r e o t a l e d． a n e r a z a t i i s [ J ] ． E n d e lEi V O l- 8 e t i e s ， 1 9 9 0， 1 4 1 2 83 3 ． [ 1 4 ] E t i o p e G． T r a n s o l o r t 0 f R a d i o a c t i v e a n dt o o tl e n lla t l e r b y g a s r 0 b l I b b 1 e．mt h e伊叫r I d 【 J ] ． E l Ⅻ咖∞瑚 R a d i o a c t i v i t y ， 1 9 9 8 ， 4 o 1 l 1 一 l 3． [ 1 5] E t i o p e G， ∞d i S． L ． t m t o r y 8 i n 且 J 】 m 0 f g e o g a s mi e h b l e n o J J ． E n v i r o t a G e o l o g y ， 1 9 9 6， 2 7 3 2 2 62 3 2 ． [ 1 6 ] 童纯菡， 李巨初 ， 葛 良全等 ． 地壳 内上升气流对物质的迁移及 地气测量原理[ J ] ． 矿物岩石， 1 9 9 7 ， 1 7 3 8 3 8 8 ． [ 1 7 ] 童纯菡 ． 元素迁移的模拟模型实验[ J ] ． 核技术， 2 0 0 1 ， z 4 6 4 4 9 4 5 5． [ 1 8 ] 童纯菡 ， 李巨初， 葛良全 ． 一种新的元素迁移形式及其地球化 学环境效应[ J ] ． 成都理工学院学报 ， 2 O O 2 ， 2 9 5 5 6 7 5 7 0 ． 【 l 9 ] la _ l mq v i s t aL ， l r 谴i 聃 嘲 K， Kr i s t i a ms P ． G ∞ o lrl i d e s l d I 】 雒 i c 吐i伽0 f眦【 J ] ． b lu c l e r h l 蜘瑚阳 吐 s a n d Me t h o d s i n l h e s R 嘲e a r c l l B， 1 9 9 9 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o p I D s p e d h i d d e nm i n e r a l s ． T h e r e , e a ch 珥 鹅 a n d s o me a p p l i e d e x a mp l e s i n p r o s p e c t i n g mi n e r a l s a l ℃i n t r o d u c e d， a n d t h e e x i s t i p