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地球深處的鈾礦是這樣挖到的

馮傑

2020年10月15日 01:57

本报记者 陈 瑜
科技日報(2020年10月13日)

1550米!我國在廣東北部發現了目前最深的工業鈾礦化,創我國鈾礦發現深度紀錄。

項目負責人、核工業北京地質研究院院長李子穎10月9日告訴記者,這一發現將我國工業鈾礦化的發現深度,從之前的千米左右向深部推進了500多米。

什麽是鈾礦?鈾礦發現深度的突破難在哪?新在哪?記者就此采訪了相關人士。

鈾礦被譽爲礦石家族中的“玫瑰花”

1789年,M·H·克拉普羅特從德國鈾礦中發現了鈾,並將其命名爲Uranium,元素符號定爲U。

地球誕生之前,甚至在太陽誕生前,鈾就存在于宇宙中了。

如果要評選世界上最美麗動人的礦石,鈾礦絕對名列前茅——它被譽爲礦石家族中的“玫瑰花”。

李子穎告訴記者,鈾作爲一種特別活潑的元素,可與許多元素結合形成礦物,自然界已發現的鈾化物有300多種,它們有的特別容易氧化,形成新的礦物,風吹日曬後顔色更加鮮豔。19世紀末20世紀初,歐洲不少建築物還用它來做裝飾材料。

即使現在,鈾玻璃仍受到不少玩家的推崇。所謂鈾玻璃,是一種玻璃制品。在熔融的玻璃水中加入鈾鹽,會得到一種漂亮的綠色或黃綠色玻璃,在紫外線下會發出綠色熒光。自然光下玻璃表面會顯出油膩的感覺,所以又稱爲凡士林玻璃。

1938年O·哈恩和F·施特拉斯曼用中子轟擊鈾核發現核裂變同時釋放出能量,引起人們重新對鈾的重視;1946年,我國著名物理學家錢三強及其夫人何澤慧發現了鈾原子核“三分裂”“四分裂”現象,在世界科學界引起強烈反響;第二次世界大戰期間和戰後,由于核武器和核動力的需要,加速了鈾資源的勘探和開采。

天然鈾中主要含有鈾238和鈾235,它們都是鈾的同位素,半衰期分別是44.68億年和7.04億年,這樣的半衰期可謂地久天長。在它們的衰變過程中,鈾礦石會釋放α射線、β射線和γ射線,其中最主要的是α射線。

相比最危險的γ射線,α射線穿透性最弱,一張紙就可以把它擋住。但在鈾礦開采時,需要采取保護措施。因爲鈾礦埋在地下時是密封的,長年累月聚集了很多具放射性的氡氣,它是由鈾衰變産生。氡的半衰期只有3.8235天。鈾礦中大量聚集的氡氣很危險,人吸入體內後會損害健康。

地表3公裏以下不易形成鈾礦

鈾元素活潑,喜歡“廣交朋友”,比如碰到碳矽泥,就在碳矽泥裏富集,而且在各種岩石中的含量很不均勻。正因如此,雖然鈾元素分布廣,但鈾礦床的分布卻很有限,主要分布在中亞、澳大利亞、加拿大、南非、西南非、俄羅斯、美國等國家和地區。

日常生活中,人們很難直接接觸到鈾的礦物原料。因爲在鈾礦中,鈾的含量很低,地殼中鈾的平均含量約爲百萬分之二點五,即平均每噸地殼物質中約含2.5克鈾。換句話說,與沙裏淘金沒有區別。按照我國現行的礦石劃分標准,如果硬岩(花崗岩、火山岩)中鈾的含量高于0.05%、砂岩中高于0.01%,就可以稱作工業鈾礦化了。

李子穎告訴記者,按含礦的岩石類型劃分,我國鈾資源主要有四大類型,即花崗岩型、火山岩型、砂岩型和碳矽泥岩型,前兩個爲熱液型鈾礦。這兩種鈾礦主要分布在我國南方。

鈾礦是怎麽形成的?一般來說,它是在適合的環境條件下經特定的地質作用富集到足以開發的量。對熱液型鈾礦來說,傳統理論認爲,鈾來自近地表,運移鈾的流體是地表水,控制成礦的是氧化還原作用。但李子穎團隊經過長期的研究提出“熱點鈾成礦作用理論”,認爲鈾元素和成礦流體來自地球深部,鈾成礦流體上升至近地表時物理化學條件的變化導致鈾的沈澱富集成礦。這一活動最深可發生在距離地表約3公裏處。因爲再往深處走,地球深部的物理化學條件就不利于鈾成礦了。這一理論爲找到鈾礦指明了新的方向。

上萬平方公裏間找到光盤大小鑽孔位置

對地質工作者來說,要找礦先得看看哪裏有成礦的條件、哪裏有成礦的作用、哪裏有礦化異常。

除了根據以往資料開展室內工作外,更重要的是“跑野外”,實地查看是否有有利的地質構造,是否有成礦流體的作用,是否有礦化的顯示或異常,對好的迹象,還要采集樣品,回到室內進行鑒定和分析或確定它們是什麽時間形成的,在地質學家眼裏,石頭是有生命的。有經驗的地質工作者,從野外裸露的岩石上,憑借肉眼就能看出是否能成礦的門道。

都說入地難,對看不見的地球深部變化,則需要借助地質、地球物理、地球化學、航測遙感等手段,在一個很大的面積裏,縮小範圍,找到可能的成礦遠景區。打個形象的比方,這好比醫生通過透視、驗血等方法,查出身體的異常指標,找出發病的部位或原因。

李子穎說,他負責的項目團隊曆時兩年多,調研了大量資料,對研究區開展了詳細的地質、地球物理、地球化學、三維建模與預測等綜合研究。他們工作的面積從最初的上萬平方公裏,縮小到南嶺諸廣地區一個光盤大小的鑽孔位置,整個過程有點類似于大海撈針,但他們還是做到了。

深鑽是成礦理論和預測技術與模式的驗證手段,二者互相補充,可以爲開辟更深找礦空間提供依據,提高探測的深度和精度。

在科技部“華南熱液型鈾礦基地深部探測技術示範”重點研發項目等的支持下,被命名爲“長江1號”的鑽孔在南嶺諸廣地區開鑽。當鑽孔深度達到1484米時,仍發現有工業品位的鈾礦化。但團隊又面臨新抉擇,是按照項目設計書打到1500米終鑽還是繼續深入。關鍵時刻,李子穎根據岩心觀察和研究,拍板繼續深入鑽探,讓人驚奇的是,在1550米深度也發現了工業鈾礦化。此外,在1560米、1606米、1696米等深度還發現多段鈾礦化,顯示更深部還有成礦潛力。“如果打淺一米,可能都不會有這樣的發現。”李子穎說。

鑽孔位置與在産的中核韶關錦原鈾業有限公司的直線距離爲4公裏左右,李子穎說,根據目前單孔打鑽情況,還不能簡單判斷二者之間是否是同一成礦帶,後續需要進行加密調查。

隨著鈾礦發現走向深部,不可避免的是,開采成本將進一步提高。在李子穎看來,是否往更深處挖掘,取決于對礦藏的需要程度。以德國爲例,鈾礦開發的深度曾達到近2000米。

在李子穎看來,1550米深度工業鈾礦段的發現,爲諸廣及我國開辟第二找礦空間提供了直接依據,也進一步驗證了“熱點鈾成礦作用理論”,以及深部探測技術方法的有效性,提高了探測深度和精度,對我國鈾礦找礦和家底潛力評估具有重大意義。


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2020年10月15日 09:49
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