王 焰, 李寧波, 朱建喜, 鮮海洋, 朱潤良, 陳情澤, 馬靈涯, 吳世軍, 梁曉亮, 肖 兵

誘導(dǎo)成礦學(xué): 一門亟待建設(shè)的新興交叉學(xué)科

王 焰1, 2, 3, 李寧波1, 2, 3, 朱建喜1, 2, 3, 鮮海洋1, 2, 3, 朱潤良1, 2, 3, 陳情澤1, 2, 3, 馬靈涯1, 2, 3, 吳世軍1, 2, 3, 梁曉亮1, 2, 3, 肖 兵1, 2, 3

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點實驗室/廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 廣東 廣州 510640; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

礦產(chǎn)資源是人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ), 絕大部分礦產(chǎn)屬于不可再生資源, 因此, 迫切需要新的思路和方法實現(xiàn)礦產(chǎn)資源增儲和高效綠色開發(fā)。本文提出創(chuàng)建一門新興交叉學(xué)科——“誘導(dǎo)成礦學(xué)”的基本設(shè)想, 該學(xué)科主要研究如何利用人工干預(yù)手段, 加速并控制成礦元素的活化、遷移與富集, 使得當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下不具開采價值的礦物巖石、低品位礦石以及尾礦、工業(yè)廢棄物等轉(zhuǎn)化為具有一定經(jīng)濟價值的礦產(chǎn)資源。“誘導(dǎo)成礦學(xué)”以巖石學(xué)、礦物學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)主要分支學(xué)科為基礎(chǔ), 融合化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的新進展, 旨在表生成礦人工調(diào)控和人類世礦產(chǎn)再造兩個研究領(lǐng)域?qū)ΦV產(chǎn)資源的增儲和開發(fā)提出變革性思路和方案。

誘導(dǎo)成礦; 表生成礦調(diào)控; 人類世礦產(chǎn); 礦產(chǎn)資源增儲; 高效綠色開發(fā)

0 引 言

基于礦物學(xué)和礦床學(xué)研究應(yīng)面向國家重大需求的主旨, 中國科學(xué)院礦物學(xué)與成礦學(xué)重點實驗室組織中青年科研人員進行了廣泛研討, 提出了創(chuàng)建“誘導(dǎo)成礦學(xué)”這一新興交叉學(xué)科的基本設(shè)想, 以助力我國礦產(chǎn)資源增儲和高效綠色開發(fā)。應(yīng)中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會廣州地球化學(xué)研究所小組的邀請, 現(xiàn)將研討的初步想法整理成文, 供有興趣的同行共同探討, 以使其不斷完善和向前推進。

1 誘導(dǎo)成礦學(xué)概念的提出及其科學(xué)價值

成礦學(xué)研究多針對已知礦床的成因, 建立相應(yīng)的成礦模型, 并指導(dǎo)找礦勘查實踐。而誘導(dǎo)成礦學(xué)則是研究如何利用人工干預(yù)手段, 加速并控制成礦元素的活化、遷移與富集, 使當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下不具開采價值的礦物巖石、低品位礦石以及尾礦、工業(yè)廢棄物等轉(zhuǎn)化為具有一定經(jīng)濟價值礦產(chǎn)資源的新興交叉學(xué)科, 其主要研究內(nèi)容是通過友好環(huán)境手段, 人為改變目標(biāo)地質(zhì)體所處的地形地貌、物理化學(xué)條件、生態(tài)條件等, 加速并控制巖石礦物中具有重要經(jīng)濟價值元素的聚集, 最終轉(zhuǎn)化為具備開采價值、可被利用的礦產(chǎn)資源。該學(xué)科的提出與建設(shè)有望對未來全球礦產(chǎn)資源的分布與綜合利用產(chǎn)生重大影響。

(近)地表礦產(chǎn)資源的形成經(jīng)歷了以百萬年計的漫長地質(zhì)成礦過程, 而人類卻通過近兩百年迅速提升的勘探開采技術(shù), 快速消耗著這些短期內(nèi)無法再生的有限資源。自古以來, 人類不斷從自然界尋找出露地表或隱伏地下的礦體以獲取礦產(chǎn)資源。在人類耗費的自然資源中, 80%以上為礦產(chǎn)資源, 僅2018年, 全球就消耗了227億噸的化石能源、金屬和重要非金屬礦產(chǎn)(自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局國際礦業(yè)研究中心和自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局中國礦業(yè)報社, 2019)。氮、磷、鉀是農(nóng)業(yè)三大基礎(chǔ)肥料, 對保障糧食生產(chǎn)安全意義重大, 其中磷和鉀均屬于我國24種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)之一(中華人民共和國國土資源部, 2016), 我國現(xiàn)有磷礦和鉀礦儲量僅占世界的4.5%和9.7%, 但每年開采量分別占全球開采量的45.8%和13.0%(USGS, 2020)。按現(xiàn)有開采規(guī)模測算, 我國的磷礦和鉀礦基礎(chǔ)儲量將在未來30～70年內(nèi)消耗殆盡, 具有不可持續(xù)性。雖然, 全球礦產(chǎn)資源不會在短期內(nèi)枯竭, 但地球上有限的礦產(chǎn)資源終將無法滿足人類社會巨量的消耗。而且, 世界各國礦產(chǎn)資源分布極不均衡, 圍繞礦產(chǎn)資源開展的壟斷、競爭、控制以及爭奪一直是各國資源戰(zhàn)略安全的核心問題。隨著勘探開發(fā)力度的不斷加強, 在地殼千米以淺獲得新的找礦突破難度日益增大, 雖然我國已將深部找礦作為勘探的重點, 但千米以深的礦產(chǎn)資源因找礦和開采難度急劇上升而大受制約, 深部礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)和利用也面臨一系列的工程挑戰(zhàn)(Cai and Brown, 2017)。因此, 尋找新的資源突破口對于國家未來的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略布局至關(guān)重要。

誘導(dǎo)成礦, 本質(zhì)上就是一種模擬自然過程、以人工再造礦產(chǎn)資源為目的的人類活動。目前已有不少學(xué)者開始關(guān)注微生物群落、氣候條件以及地形地貌對金、鈷、鎳、鈾和稀土等礦床形成的影響(陳毓川等, 2000; 王登紅等, 2017), 但是對于如何利用人工干預(yù)手段促進礦產(chǎn)資源的富集還鮮有報道, 更缺乏理論基礎(chǔ)。就學(xué)科發(fā)展而言, 人工干預(yù)成礦尚處在思想萌芽階段, 已獲得的認識呈碎片化, 未形成系統(tǒng)性的理論框架。因此, 亟待建立誘導(dǎo)成礦學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)和研究方向, 開展不同類型礦產(chǎn)資源的誘導(dǎo)成礦學(xué)研究, 形成誘導(dǎo)成礦理論體系, 并服務(wù)于國家戰(zhàn)略資源重大需求。

2 誘導(dǎo)成礦學(xué)的理論基礎(chǔ)

礦床的形成是有用元素在地殼淺部的富集過程。從系統(tǒng)科學(xué)的角度來看, 成礦過程處于一個非平衡的開放體系, 礦體不斷與外界進行成礦元素和能量的交換, 并維系成礦過程的形成和發(fā)展(申維, 2000)。根據(jù)“耗散結(jié)構(gòu)”理論(“分支理論”和“漲落理論”), 成礦作用或礦化富集這些不可逆過程發(fā)生的實質(zhì)就是無礦的非平衡定態(tài)失穩(wěn), 并轉(zhuǎn)變?yōu)楹纳⒔Y(jié)構(gòu)(成礦狀態(tài))的原因、條件和機制問題(於崇文, 1987)。對特定的礦化類型及其形成條件和成礦過程, 可通過計算模擬手段獲得成礦過程參數(shù), 反演成礦進程, 進而通過所確立的成礦過程參數(shù)指導(dǎo)誘導(dǎo)成礦的實現(xiàn)。

20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的地球系統(tǒng)科學(xué)首次將人類活動作為與太陽和地核并列, 能引發(fā)地球系統(tǒng)變化的第三驅(qū)動因素, 該學(xué)科重要目標(biāo)之一是描述和認識人類活動誘發(fā)的重大地球變化(中國科學(xué)院地學(xué)部地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究組, 2009)。而人類有目的地主動改造自然、誘發(fā)成礦過程、催生新礦床形成等, 這無疑是人類活動作為地球系統(tǒng)變化第三驅(qū)動力的極好證明。

3 誘導(dǎo)成礦學(xué)的學(xué)科體系與主要研究范疇

“誘導(dǎo)成礦學(xué)”屬于地質(zhì)學(xué)的分支學(xué)科, 其立足于傳統(tǒng)成礦學(xué), 以礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科作為理論支柱, 通過與化學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的深度融合(圖1), 實現(xiàn)“不可再生資源”的再生利用, 解決當(dāng)前礦產(chǎn)資源短缺及過度開采帶來的嚴峻問題。根據(jù)不同的研究對象和目的, 誘導(dǎo)成礦學(xué)的研究方向可分為表生成礦調(diào)控和人類世礦產(chǎn)再造兩大主要研究范疇。

圖1 誘導(dǎo)成礦學(xué)與其他學(xué)科關(guān)系示意圖

3.1 表生成礦調(diào)控

表生成礦調(diào)控是指對具有成礦潛力的低品位表生礦床進行人工干預(yù), 采用地質(zhì)、化學(xué)、生物等多學(xué)科交叉的方法和手段, 促進礦石礦物的形成或生長; 通過加速成礦元素的遷移、富集來縮短成礦時間、調(diào)控成礦方向, 在一定區(qū)域或局部范圍內(nèi)構(gòu)建具有經(jīng)濟價值、可供開采利用的人工誘導(dǎo)礦床(圖2)。

表生風(fēng)化礦床是各類地質(zhì)建造及礦床剝蝕出露于地表, 經(jīng)長期風(fēng)化、淋濾等作用而形成的礦床, 是一種便于開采的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源。而表生成礦過程中形成的一些品位達不到但是已經(jīng)非常接近工業(yè)開采標(biāo)準(zhǔn)的含礦圍巖、礦化區(qū)或礦化體, 目前無法進行資源的有效利用, 甚為可惜。如果根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境、氣候等條件, 通過人工干預(yù)的方式, 在一定時期內(nèi)將其礦化程度提升至工業(yè)開采標(biāo)準(zhǔn), 一方面可實現(xiàn)資源增儲, 緩解某些關(guān)鍵礦產(chǎn)緊缺局面, 創(chuàng)造重大資源價值; 另一方面也可通過對礦質(zhì)元素的活化、遷移和富集過程的監(jiān)測, 加深人們對成礦過程的理解和認識, 豐富成礦理論。

表生成礦調(diào)控的切入點可包括以下幾方面: ①成礦潛力評估: 巖石的成礦潛力受控于其地球化學(xué)特征、礦物組成、巖石結(jié)構(gòu)及所處的構(gòu)造條件等因素, 通過對上述條件的綜合研究, 對巖石的成礦潛力進行評估, 并建立完善的巖石成礦潛力評價理論體系; 同時, 通過研究具有成礦潛力巖石的地球動力學(xué)背景和源區(qū)特征, 限定該類型巖石的分布規(guī)律, 圈定目標(biāo)區(qū)域。②人工干預(yù)成礦: 通過對水文條件和地貌條件進行干預(yù), 促進成礦元素的有效活化、遷移和富集, 限定控制表生成礦的最優(yōu)條件, 進而促進表生礦床的形成。③生物富集成礦: 對有利于成礦元素富集的植物和微生物等進行培養(yǎng)和基因改造, 通過生物手段將賦存于巖石中的成礦元素進行選擇性富集并促使其成礦; 同時利用植被覆蓋條件控制巖石的風(fēng)化過程, 實現(xiàn)對風(fēng)化過程的調(diào)控。④清潔能源加速成礦: 利用綠色清潔能源(如地?zé)?、風(fēng)能、太陽能等)加速表生礦床的聚集, 從而形成更具規(guī)模和更易開采的礦床; 同時研發(fā)相關(guān)新技術(shù)和新工藝, 提高開采效率。

離子吸附型稀土礦床作為表生成礦調(diào)控研究的典型代表, 其風(fēng)化殼通?？煞譃楸硗翆?、全風(fēng)化層和半風(fēng)化層?，F(xiàn)有研究表明, 全風(fēng)化層中的稀土元素含量高于半風(fēng)化層和表土層, 其主要以離子態(tài)形式賦存于風(fēng)化殼的載體礦物中, 可通過簡單的離子交換方式來提取, 但是目前主流的原地浸出法采收率低且環(huán)境污染嚴重。受風(fēng)化程度和離子態(tài)占比影響, 不同礦山稀土提取過程中的采收率波動幅度極大(10%～95%)(李永繡, 2014)。弱風(fēng)化礦床開采后的礦體中依然存在大量離子態(tài)和其他形式的稀土元素, 如果僅依靠自然風(fēng)化過程, 再次形成具有經(jīng)濟價值的離子吸附型稀土礦床可能需要數(shù)萬年甚至數(shù)百萬年的時間, 因此, 人工加速離子吸附型稀土礦床的成礦過程對保持我國稀土資源的長期主導(dǎo)地位至關(guān)重要。如果能夠采用人工干預(yù)的方法, 調(diào)控稀土元素在風(fēng)化殼中活化、遷移和富集等地球化學(xué)行為, 使其運移到指定區(qū)域, 且豐度達到可開采水平, 這將極大促進離子吸附型稀土礦床的開發(fā)利用。在離子吸附型稀土礦床成礦過程研究中, 微生物、超累積植物、氣候、水文乃至地形和地貌等因素對稀土元素的遷移與聚集作用影響獲得了極大關(guān)注(Huang et al., 2021; Li et al., 2021; 王登紅等, 2017), 但是,對于如何利用人工手段進行表生成礦調(diào)控還未得到應(yīng)有的重視, 如何利用物理、化學(xué)、生物學(xué)科交叉的方法實現(xiàn)對表生礦床的形成過程進行人工調(diào)控面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

圖2 表生成礦調(diào)控研究方向示意圖

我們認為, 表生成礦的人工調(diào)控將對我國稀土等戰(zhàn)略金屬資源的增儲和開發(fā)利用產(chǎn)生重大影響, 也將對全球礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用提供新的思路。就學(xué)科發(fā)展而言, 表生成礦人工調(diào)控這一理念屬于首次提出, 盡快確立和開展相關(guān)的預(yù)研究, 構(gòu)建系統(tǒng)的理論體系, 將有助于我國在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

3.2 人類世礦產(chǎn)再造

人類世礦產(chǎn)再造是指現(xiàn)代人類社會資源開采和生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的尾礦、固體廢棄物、廢水和廢渣中有價值元素的人工再富集和提取(圖3)。

人類世礦產(chǎn)再造的切入點可包括以下三個主要方面:

(1) 尾礦礦質(zhì)元素活化富集: 大型?超大型礦床長期持續(xù)開采會產(chǎn)生巨量的礦山尾礦堆積, 不僅占用了大量的土地資源, 還對自然環(huán)境造成嚴重破壞。與發(fā)達國家相比, 我國礦產(chǎn)資源利用率和回收率都比較低, 大量有價值的金屬及非金屬資源仍長期遺留在尾礦中, 因而對礦山尾礦資源進行再次開發(fā)利用, 對我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。目前, 已有不少國內(nèi)外學(xué)者開始利用微生物、植物等手段, 對關(guān)鍵金屬(以稀土、鈾礦為代表)、貴重金屬(以金礦為代表)和賤金屬(以銅礦為代表)開展了礦質(zhì)富集的相關(guān)實驗研究, 并取得了一定的成效(賈蓉芬和高梅影, 2009; Sigel et al., 2018; Su et al., 2020)。然而, 這些手段大多還停留在實驗室階段且局限于環(huán)境污染治理范疇, 應(yīng)嘗試利用生物、物理、化學(xué)等人工干預(yù)手段, 對金屬礦山的尾礦開展礦質(zhì)活化和聚集成礦的實驗探索和理論研究, 為尾礦資源的再開發(fā)利用提供理論支撐, 并對典型尾礦實例進行成果應(yīng)用及示范推廣。

圖3 人類世礦產(chǎn)再造研究方向示意圖

(2) 固體廢棄物金屬元素富集成礦:人類活動產(chǎn)生了大量的固體廢棄物, 它們種類繁多, 成分復(fù)雜, 處置難度大, 嚴重破壞土壤、大氣和水體等生態(tài)環(huán)境。目前, 我國固體廢棄物綜合利用率為75%, 主要通過深埋回填、制造混凝土制品、道路鋪設(shè)等低價值途徑實現(xiàn)(國家發(fā)展和改革委員會, 2021)。事實上, 固體廢棄物包括廢舊電池、電子垃圾、城市垃圾焚燒飛灰、工業(yè)廢渣等, 其中含有大量的金屬元素, 如鉛、汞、銅、鎳、鈷、鋅、錳及“三稀”金屬等, 是一種潛在的二次礦產(chǎn)資源。由此可見, 傳統(tǒng)的固體廢棄物利用方式往往會導(dǎo)致資源的巨大浪費。近年來, 采空區(qū)充填被認為是解決固體廢棄物的優(yōu)選方法, 不僅解決固體廢棄物堆存的占地問題, 還實現(xiàn)廢棄物中有害物質(zhì)的固定化(張明磊等, 2013)。然而, 該方法也降低了金屬元素的遷移性, 導(dǎo)致重要金屬元素的可提取性下降。為了實現(xiàn)固體廢棄物中金屬元素的資源化再利用, 需要思考和提出固體廢棄物處置的新方法和新思路, 如原位誘導(dǎo)金屬元素富集成礦。這需要借助礦物學(xué)、礦床學(xué)、地球化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科交叉融合, 涉及一系列重要的研究方向, 如: ①地形、地貌及氣候?qū)腆w廢棄物誘導(dǎo)成礦的控制機制; ②固體廢棄物填充區(qū)的微生物群落結(jié)構(gòu)、生存策略及生態(tài)功能; ③功能微生物與固體廢棄物的界面作用機制, 及金屬元素的遷移和富集規(guī)律; ④物理化學(xué)生物過程誘導(dǎo)金屬成礦動力學(xué); ⑤主要礦物的精細結(jié)構(gòu)及金屬元素的可提取性; ⑥地質(zhì)催化作用與成礦等。上述知識體系的形成, 將為固體廢棄物的資源化利用提供理論支撐。

(3) 營養(yǎng)元素人工富集:氮、磷的無序或超標(biāo)排放是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素, 早已超出可持續(xù)發(fā)展的邊界?，F(xiàn)有措施主要將廢水中氮、磷當(dāng)做污染物去除, 也有不少研究關(guān)注廢水中磷的回收和利用, 但我國在相關(guān)領(lǐng)域進展緩慢。應(yīng)從成礦角度出發(fā), 通過人工調(diào)控, 促進廢水、廢渣(包括但不局限于生活污水、市政污泥、人畜排泄物、采礦特別是原地浸礦廢水)中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的富集與成礦, 根據(jù)各成礦元素特性和富集程度開發(fā)相應(yīng)的回用策略, 最終同步實現(xiàn)污染元素的去除和營養(yǎng)元素的人工富集及回用。

4 結(jié)語和展望

作為一個新興交叉學(xué)科, “誘導(dǎo)成礦學(xué)”通過傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)的各分支學(xué)科與地球化學(xué)工程學(xué)、納米礦床學(xué)、生物成礦學(xué)、地質(zhì)催化作用等諸多新興學(xué)科或方向的深度融合, 將為礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用提供新的途徑, 服務(wù)國家資源安全戰(zhàn)略。該學(xué)科的發(fā)展急需建立一套相應(yīng)的實驗技術(shù)分析平臺, 開發(fā)分析測試新技術(shù)和方法, 創(chuàng)建新理論, 最終形成完善的“理論?技術(shù)?實踐”體系。當(dāng)然, 如何在局部甚至區(qū)域范圍內(nèi)進行高效、經(jīng)濟的人為干預(yù)和誘導(dǎo)礦質(zhì)元素富集, 目前尚無先例, 所以謬誤難免, 我們真誠盼望地學(xué)界同行能給予批評指正。

致謝:中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所陳華勇、楊武斌研究員, 魏博、譚偉副研究員, 王高鋒、楊宜坪和劉晶博士等參與了主題討論, 提供了不少頗有創(chuàng)意的想法。感謝兩位審稿人的積極評價和建議。

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Induced Metallogeny: An Emerging New Interdiscipline

WANG Christina Yan1, 2, 3, LI Ningbo1, 2, 3, ZHU Jianxi1, 2, 3, XIAN Haiyang1, 2, 3, ZHU Runliang1, 2, 3, CHEN Qingze1, 2, 3, MA Lingya1, 2, 3, WU Shijun1, 2, 3, LIANG Xiaoliang1, 2, 3, XIAO Bing1, 2, 3

(1. CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny/Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physicsand Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Mineral resources are fundamental to the development of human society, and most of the mineral resources are non-renewable. It is urgent to find new ideas and methods to increase the reserves and to achieve efficient and green utilization of mineral resources. We propose to start a new interdiscipline,., induced metallogeny, which will be mainly focused on how to enhance the activation, migration, and enrichment of ore-forming elements through diverse artificial methods, so as to transform minerals and rocks with no economic value under current technical and economic conditions, low-grade ores, tailings, and industrial wastes into economic mineral resources. Induced metallogeny is based on major branches of geosciences including petrology, mineralogy, metallogeny, and geochemistry, and integrates chemistry, biology, and environmental science. It is aimed to innovate techniques in the utilization of supergene and Anthropocene mineral resources and increase the reserves of strategic metals.

induced metallogeny; supergene mineralization control; regeneration of Anthropocene mineral resource; reserves of mineral resources; efficient and green utilization

2021-10-29;

2021-12-01;

2021-12-05

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目(2019B030302013)和廣東省科技計劃項目(2020B1212060055)聯(lián)合資助。

王焰(1968–), 女, 研究員, 從事巖漿作用與成礦研究。E-mail: wang_yan@gig.ac.cn

P57; P58; P59; P61

A

1001-1552(2022)05-0842-006

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.020