文/劉知綱 插圖/葛若雯

重晶石

產(chǎn)地：秘魯瓦努科大區(qū)華馬里省米拉弗洛雷斯市塞羅—瓦力琿礦區(qū)

礦物基本信息

重晶石的成分為BaSO，是一種硫酸鹽類礦物，同時也是自然界分布最廣、產(chǎn)出量最大的含鋇礦物，其分子結(jié)構(gòu)里的鋇可被鍶完全類質(zhì)同象代替，形成天青石（Celestite），或者被鉛部分替代，形成北投石（Hokutolite，PbSO與BaSO以4比1的比例混合而成的礦物，產(chǎn)于臺灣北部北投溪溫泉而得名）。純凈的重晶石顯無色或白色、因混入雜質(zhì)也常呈灰色、淺紅色、淺黃色等透明至半透明狀，有玻璃光澤，條痕白色，晶體屬斜方晶系，常呈厚板狀或柱狀晶體，多為致密塊狀或板狀、粒狀集合體。解理{001}完全{210}中等，其夾角接近90度。摩氏硬度3—3.5，比重4.0—4.6。重晶石的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不溶于水和鹽酸，無毒性和磁性。

重晶石產(chǎn)于低溫?zé)嵋旱V脈中，大多產(chǎn)于石英—重晶石脈、螢石—重晶石脈等，常與水晶、螢石、輝銻礦、方解石等低溫?zé)嵋旱V物共伴生。湖南省冷水江市錫礦山銻礦、江西省武寧縣清江銻礦、河南省盧氏縣大河溝銻礦、廣西壯族自治區(qū)南丹縣茶山銻鎢礦等礦山都產(chǎn)出過大量和輝銻礦、方解石等礦物共伴生的重晶石標(biāo)本。也有一些巨大的熱液單礦物鋇礦脈，比如我國陜西和重慶交界的大巴山區(qū)的重晶石礦床就是單礦物鋇礦脈。

全世界優(yōu)質(zhì)的重晶石產(chǎn)地眾多，其中產(chǎn)自美國、秘魯、摩洛哥等地的精美重晶石極受追捧。中國目前較為優(yōu)質(zhì)的重晶石主要產(chǎn)自江西瑞金（螢石—重晶石脈）、重慶城口（單一鋇礦）、四川樂山金口河（石英—重晶石脈）、云南東川（銅礦床氧化帶）、湖南湘西等地。

工業(yè)上，重晶石是一種很重要的非金屬礦物原料，具有廣泛的用途。重晶石可作為鉆井泥漿加重劑，用于開采石油和天然氣時保持地下油、氣壓力平衡，避免造成井噴事故；重晶石粉可用來精制煤油，也可在醫(yī)療上用作消化道造影劑，簡稱“鋇餐”；重晶石與油料調(diào)和后涂于布基上可以制造防水的油布；橡膠和含約10%重晶石的柏油混合物已成功應(yīng)用于停車場，是一種耐久性好的鋪設(shè)材料；橡膠和塑料工業(yè)也會用重晶石作為填料，這種填料能提高橡膠和塑料的硬度、耐磨性及耐老化性；在水泥生產(chǎn)中采用重晶石做礦化劑摻入，可使水泥的強(qiáng)度特別是早期強(qiáng)度得到大幅度的提高；造紙工業(yè)上高白度重晶石粉可用來提高白板紙的白度；將重晶石加熱，使用還原劑可還原成硫化鋇（BaS），隨后與硫酸鋅（ZnSO）反應(yīng)得到的硫酸鋇和硫化鋅的混合物即鋅鋇白顏料—一種常用的優(yōu)質(zhì)白色顏料，可作為油漆、繪畫顏料的原料；重晶石還能用于玻璃的去氧劑、助溶劑等，增加玻璃的光澤、強(qiáng)度以及光學(xué)的穩(wěn)定性；此外，重晶石還可用來提取金屬鋇。

重晶石產(chǎn)地：秘魯瓦努科大區(qū)華馬里省米拉弗洛雷斯市塞羅—瓦力琿礦區(qū)

輻射和防護(hù)原理

近年，重晶石在輻射防護(hù)材料方面的應(yīng)用是一個新的熱點。

日常生活中能接觸到的輻射可分為電磁輻射與電離輻射，電磁輻射在國外也被稱為“非電離輻射”。它們之間最大區(qū)別在于能否引起電離。電磁輻射（非電離輻射）是指從輻射源發(fā)射，以電磁波形式傳向空間的一種現(xiàn)象，包括廣播電視發(fā)射塔、通信基站、高壓電力線路、變電站等；電離輻射則主要指能量依靠粒子以及電磁波形式向外部擴(kuò)散，間接或者直接作用于物質(zhì)時會發(fā)生電離作用的輻射，典型的應(yīng)用包括現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢測中的X射線照射、腫瘤的放射性治療等。

輻射是一把雙刃劍，合理地利用少量輻射是有益的，但超量的輻射會影響人體健康。電離輻射將能量傳遞給有機(jī)體后引起的改變，主要分為確定性效應(yīng)和隨機(jī)性效應(yīng)兩種類型。確定性效應(yīng)通常發(fā)生在大劑量照射時，機(jī)體或局部組織受照劑量達(dá)到某個閾值后，大量細(xì)胞被殺死，從而導(dǎo)致某些嚴(yán)重的功能性損傷。高劑量電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)是確定的，而電磁輻射以及低劑量電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)，國內(nèi)外均進(jìn)行了許多研究，也出現(xiàn)了很多爭議，目前只能確定其存在生物學(xué)效應(yīng)，且主要為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，暫未發(fā)現(xiàn)確定性效應(yīng)，具體的危害尚無定論。一般認(rèn)為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的輻射量值對環(huán)境是安全的。

輻射光子遇到屏蔽材料時，會與材料中防輻射元素的電子或原子核發(fā)生碰撞，光子的能量轉(zhuǎn)化為逸出帶有動能的電子或者散射出能量較小的光子。物質(zhì)阻擋輻射的能力大小主要取決于兩個方面：元素種類與單位體積內(nèi)的原子數(shù)。即防護(hù)材料的密度越大，其發(fā)生光電效應(yīng)的可能性就越高。因此，某種元素的防輻射能力主要取決于其原子序數(shù)，原子序數(shù)越高，其防輻射能力就越強(qiáng)。

在元素周期表上，比鉛原子量大的元素中，除了鉍外本身都帶有輻射，而鉍是一種比較稀有的元素，因此，鉛作為自然界中沒有放射性且產(chǎn)量巨大的元素，是很好的防輻射元素選擇。但鉛的質(zhì)量很大，作為防護(hù)服材料長期穿戴會對人體有極大損傷，并且鉛元素本身具有毒性，因此，具體的生產(chǎn)生活應(yīng)用中需要一種質(zhì)輕且無毒的輻射屏蔽材料。

重晶石產(chǎn)地：湖南湘西某低溫?zé)嵋旱V床

重晶石產(chǎn)地：云南東川銅礦區(qū)的重晶石

鋇元素的原子量雖然低于鉛，但也相對較大，本身無毒、無放射性，且自然界產(chǎn)量充足，因此可以代替鉛元素應(yīng)用于屏蔽與防護(hù)X射線等電離輻射。鋇元素的內(nèi)核質(zhì)量也很大，單位體積內(nèi)堆積的原子數(shù)多，易于發(fā)生康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)，電離射線的能量在其內(nèi)核的碰撞過程中易被吸收，從而起到防護(hù)作用。鋇離子還具有較高的介電常數(shù)或磁化強(qiáng)度，對于電磁輻射也有較好的磁損耗作用。

重晶石+方解石產(chǎn)地：美國南達(dá)科他州米德縣的麋鹿溪

重晶石礦物應(yīng)用

目前常見的含鋇礦物是碳酸鋇（毒重石）和硫酸鋇（重晶石）。

毒重石的密度是4.2—4.3克/每立方厘米，重晶石密度為4.3—4.5克/每立方厘米。重晶石的密度更大，發(fā)生光電效應(yīng)的概率就更高，所以防輻射效果更好。從二者的晶體結(jié)構(gòu)上分析，毒重石和重晶石均屬斜方晶系，毒重石的鋇離子被9個氧離子包圍，故配位數(shù)為9；重晶石的鋇離子位于7個硫酸根離子之間，與12個氧連接，故配位數(shù)為12。重晶石的空間密度更大，鋇元素的單位體積內(nèi)原子數(shù)更多，所以重晶石防輻射效果更好。

金屬鋇毒性很低，但可溶性鋇鹽的毒性很高。不同鋇化合物的毒性大小主要與其在水中和消化道中的溶解度有關(guān)，溶解度越高的毒性越大?？扇苄凿^鹽如氯化鋇、醋酸鋇、硝酸鋇等都是劇毒。毒重石雖不溶于水，但服入后與胃酸（PH值0.9—1.5，含鹽酸成分）反應(yīng)成為氯化鋇而具有毒性?？诜然^0.2—0.5克即可中毒，致死量約為0.8—1.0克。大量鋇離子被血液吸收后，可對各類肌肉組織包括骨骼肌、平滑肌及心肌產(chǎn)生過度興奮作用，最后轉(zhuǎn)為抑制而致麻痹。鋇離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，可使血清鉀降低，導(dǎo)致低鉀血癥。

毒重石礦石在采礦和選礦過程中，其尾礦的產(chǎn)出和堆存可能會導(dǎo)致環(huán)境污染。尾礦在長期堆存過程中由于表生地球化學(xué)作用及其界面化學(xué)反應(yīng)，以及雨水長期淋溶、滲漏、溢流等作用，改變了水或沉積物、土壤界面的環(huán)境條件，使固定在顆粒中的鋇離子釋放、遷移，導(dǎo)致了水體、土壤、植物的鋇離子重金屬污染。含鋇的有毒物質(zhì)被生物從環(huán)境中攝取后，可以經(jīng)過食物鏈的生物放大作用，在較高級生物體內(nèi)成千萬倍地富集起來，然后通過食物進(jìn)入人體，在人體的某些器官中積蓄并造成慢性中毒，危害人體健康。而重晶石化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水和鹽酸，無磁性和毒性，在各種情況下對人體和環(huán)境的危害均極小。

從資源賦存量來看，重晶石也具有明顯的優(yōu)勢。毒重石礦產(chǎn)資源儲量在全世界范圍內(nèi)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于重晶石，過去一直認(rèn)為毒重石礦是共生礦，分布零散，儲量較小，沒有開發(fā)價值；近年來，我國才發(fā)現(xiàn)了一座碳酸鹽型鋇礦帶，即毒重石成礦帶。此礦床位于北大巴山地區(qū)，橫跨陜西省的漢中和紫陽，一直延伸到重慶的城口，這也是世界上唯一發(fā)現(xiàn)獨立毒重石礦床的成礦帶，有幾十個成礦體，礦床規(guī)模在世界范圍內(nèi)算是非常大，但預(yù)估的毒重石資源僅有千萬噸級，而國內(nèi)重晶石的探明儲量是在4億噸以上。

重晶石產(chǎn)地：摩洛哥德拉—塔菲拉勒大區(qū)米德勒特省米布拉登礦區(qū)

藍(lán)色重晶石產(chǎn)地：科羅拉多州維爾德縣的斯托納姆

重晶石+方解石產(chǎn)地：江西省瑞金市謝坊鎮(zhèn)花石村螢石礦

加工成本方面，毒重石礦制備碳酸鋇屬于化工過程，目前已有的方法大致可以分為化學(xué)提純法、高溫分解法和高溫分解—化學(xué)提純混合法，過程消耗能源高，化學(xué)污染較大。而重晶石經(jīng)采礦—選礦提純后便可得到高純度的產(chǎn)品，加工工藝簡單、成本低、污染小。

重晶石在防輻射方面的應(yīng)用主要包括含硫酸鋇纖維織物和重晶石防輻射建筑材料（包括重晶石水泥、砂漿混凝土及膩子粉等）。

在防輻射織物纖維方面，金特（Günther）等人利用硫酸鋇（重晶石）、鈦酸鋇和氧化鉍對X射線吸收的特性，研究出可吸收X射線的復(fù)合纖維，用此纖維加工生產(chǎn)的紗線和織物可以有效地屏蔽X射線；日本利用將硫酸鋇加入粘膠溶液中進(jìn)行紡絲的方法，研制出一種新型纖維，用其制作的織物對X射線有明顯的削弱效果，不僅穿著舒服而且不具毒性；劉津瑋等人提出用重晶石制作成納米級的硫酸鋇，并將其加入粘膠紡絲液中制備出一種新型復(fù)合薄膜，利用這種薄膜制作新型的醫(yī)用防X射線服，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)其吸收X射線的能力比純粘膠膜提高了44%。馬君志等人利用紡前注射技術(shù)將硫酸鋇添加到粘膠原液中，并用此乳液漿料進(jìn)行紡制，得到了新型防輻射粘膠短纖維。硫酸鋇在纖維中的分布非常均勻，而由于硫酸鋇的加入，纖維的結(jié)晶度也有所提升。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，隨著硫酸鋇含量的增加，單獨的纖維和用纖維制作的織物吸收的X射線增多，防X射線輻射性能增強(qiáng)。

在防輻射建筑材料方面，以重晶石為原料做成的鋇水泥、重晶石砂漿和重晶石混凝土，可用于建造科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)院防X射線的建筑物或者代替金屬鉛板屏蔽核反應(yīng)堆，施工后再用硫酸鋇膩子粉涂刷墻面作為防輻射的雙重防護(hù)。

鋇水泥（重晶石水泥）是以重晶石和粘土為主要原料，經(jīng)煅燒得到以硅酸二鋇為主要礦物組成的熟料，加適量石膏共同磨細(xì)而成。鋇水泥具有早強(qiáng)快硬等性能，且后期強(qiáng)度還能穩(wěn)步增長，而其抗拉強(qiáng)度和與鋼筋的粘結(jié)力大致與硅酸鹽水泥相當(dāng)，其建筑力學(xué)性能完全能達(dá)到普通水泥的要求。鋇水泥砂漿與混凝土還具有干縮小、抗凍性強(qiáng)的優(yōu)點，突出的缺點是熱穩(wěn)定性較差。這是由于其水化產(chǎn)物BaO·SiO·6HO和Ba(OH)在100攝氏度時大量脫水，使水化結(jié)構(gòu)受到破壞，漿體強(qiáng)度大幅下降。此外，鋇水泥混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也低于硅酸鹽混凝土，因此鋇水泥只適用于較低溫度的環(huán)境，一般用于溫度條件在60攝氏度以下的工程。鋇水泥的密度比較大，約為4.7—5.2克/立方厘米，可與其他重質(zhì)骨料配制成鋇水泥混凝土，能有效地防護(hù)X射線或γ射線的輻射，主要用于制作放射性同位素的防護(hù)設(shè)施，如防護(hù)墻、貯源室、活動防護(hù)屏等，以及原子反應(yīng)堆外殼低溫部位。不宜用作受熱的輻射防護(hù)墻。對于一些在防護(hù)層厚度上有一定限制的工程，要達(dá)到同樣的防護(hù)效果，鋇水泥相對于普通硅酸鹽水泥具有明顯的優(yōu)越性。

重晶石混凝土是一種容重較大，對X射線具有屏蔽能力的混凝土，由重晶石通過添加膠凝材料、骨料、外加劑和水等材料制備而成，得到重晶石防輻射砂漿。膠凝材料一般采用水化熱低的硅酸鹽水泥或高鋁水泥、鋇水泥、鍶水泥等特種水泥，其中摻硅酸鹽水泥應(yīng)用最為廣泛；骨料由重晶石砂、石英砂和重晶石粉組成；外加劑包括高效減水劑、保水劑、消泡劑和可分散乳膠粉。通過上述方法制備的重晶石防輻射砂漿具有良好的力學(xué)性能、防水性能、耐堿腐蝕特性和施工性能，并對X射線和γ射線具有良好的屏蔽效果。楊醫(yī)博等人通過研究，分析出以鐵砂和重晶石作為重質(zhì)骨料，可以配制出滿足防中子輻射標(biāo)準(zhǔn)的C防中子輻射重混凝土。

防輻射防氡氣膩子粉則采用一般工程中使用的滑石粉作為基材, 分別以重晶石粉、沸石粉作為摻料, 按一定比例摻加到基材中, 加入膠水?dāng)嚢杈鶆蛑瞥伞７惺塾兄诟纳浦鼐垠w的防氡氣性能。何登良等人對礦物材料膩子輻射屏蔽率的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)重晶石制成的膩子粉對有害放射性射線的防輻射率可達(dá)到42.2%。

重晶石全球資源儲備豐富，我國的重晶石儲量、產(chǎn)量和出口量均高居世界第一。高效屏蔽有害放射性射線的特性大大地拓寬了重晶石的應(yīng)用領(lǐng)域，如何讓這種精美迷人的礦物更好地守護(hù)我們的安全和健康、豐富美化我們的生活，值得我們持續(xù)去研究和探索。

重晶石產(chǎn)地：摩洛哥東方大區(qū)圭拉亞·塞克勒斯的杰貝爾—烏伊查內(nèi)

重晶石+石英產(chǎn)地：江西省瑞金市謝坊鎮(zhèn)花石村螢石礦