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有过矿山工作经历,无意中进入新闻单位工作。开博一为管理自己的资料,二为认识更多矿业界人士。入行十多年,不为对矿业有多大贡献,只愿能为矿业做点事。

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自然界金属铀是如何被发现的  

2015-10-27 09:06:54|  分类: 地质人风采 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  中国科学家在世界上首次发现自然界中存在金属铀,引发国内外广泛关注。10月14日,中核集团在核工业北京地质研究院举行发现金属铀媒体见面会,由项目负责人李子颖研究员和他的团队,向公众介绍了金属铀的发现及其背后的故事。请看——
  自然界金属铀是如何被发现的        
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 见面会现场
  在媒体见面会上,媒体记者们见到了这个“三代同堂”的研究团队。随后,年近80岁的黄志章研究员、李秀珍高工,60年代出生已经成长为博导、铀矿地质首席专家的李子颖,以及刚进入团队才两年的“80后”郭建与大家分享了他们发现自然界金属铀的心路历程。

  排除万难深入研究,创新方法终得正果
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 研究团队在野外,三代同堂全家福
  谈到这一成果,78岁的研究员黄志章坦言,是核工业北京地质研究院三代人持续20多年研究的结果。

  据他介绍,作为国内铀地质基础研究的重要基地,长期以来,核工业北京地质研究院一直致力于国内铀矿床成因等基础性研究,并取得了诸多成果。其中花岗岩铀矿理论,还打破了国际铀地质界花岗岩内不能成矿的认识。

  秉承创新这一传统,从上世纪90年代始,核工业北京地质研究院在国家国防科工局、中核集团等的资助下,对我国探明矿床数量第一、研究程度相对较高的花岗岩型铀矿的成因,开展了深入研究,以求通过进一步的理论创新,发掘这类已知矿床类型的资源潜力,为国家核能发展提供充足的资源保障。

  对热液型铀矿床的成因,传统认识是铀以六价形式迁移被还原成矿的。以这一认识为指导,该团队以我国南方研究程度相对较高的贵东、诸广花岗岩型铀矿床为对象,在矿床成因上进行了深入研究。但研究越深入,他们的疑惑就越大:深部出现低价铀,而且成矿实验也表明,四价铀也是可以在流体中迁移的——而这与传统认识是有矛盾的。

  1997年,在德国取得博士学位的李子颖,回到核工业北京地质研究院加入团队,并从1998年开始领导这一方向的研究工作。“虽然在德国取得学位,但博士论文做的却是埃及的项目,为开阔思路打开了眼界。”李子颖说,国外学习的经历,让他有机会了解并实地考察了许多国际上知名的铀矿床,其中就包括铀品位平均达到20%、富矿段甚至达到80%的加拿大McArther铀矿床。“在自然条件下达到如此高的品位,显然不是简单氧化还原过程能形成的。”

  于是一个新的推测在李子颖心中慢慢形成,并提出了热液铀矿热点铀成矿作用认识:热液铀矿铀的来源可能在地球深部,铀是在岩浆—热流体演化过程中在晚期的流体中富集,成矿流体具还原性,铀是成矿流体进入近地表时,由于物理化学条件的改变而沉淀富集成矿的。

  而要验证这一点,就必须进行铀元素价态和各价态所占比例的精细分析。

  于是,自2011年开始,该研究团队开始通过各种方式,并主要采用了地学界尚不多用的光电子能谱分析技术,开展了铀元素成分和价态的研究。

  “尽管我是李子颖院长的学生,但一开始我对这一方法是抵触的。”进入这个团队刚两年的郭建说,因为此前他的所有学习经历告诉他,光电子能谱方法一般被人们用于材料研究上,矿产特别是矿床成因研究,人们一般采用的是电子探针、扫描电镜等方法。“但随着研究的深入,我越来越发现这一方法是一大创新,工作也由被动应付逐渐转变为主动参与。”

  同是78岁的李秀珍高级工程师的介绍,从另一个侧面显示了这一研究的艰难程度。一是铀元素极易氧化,因此样品必须新鲜,且不能氧化。这就意味着他们无法利用现成样品,必须到现场亲自采集并进行严格的技术处理。二是自己无光电子能谱分析手段,必须与人合作。但一听说要进行铀元素的分析,北京几家有此装备的单位都一口回绝,毫无商量的余地,最后团队还是通过关系找到了湖北一家合作单位。三是要确保结果的代表性,就必须分析不同地域、不同成因、不同化合物甚至人工合成金属铀的价态形式,并进行比对。

  到去年底,经过反复分析比对、对结果反复检核,团队最终认定自然界确实存在零价态的铀,即金属铀。“尽管这次测定零价态金属铀的原子含量不足百分之一,但它毕竟存在,往深部可能更多。”李子颖说。

  打破科学界200多年形成的惯常认识
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 分析用的沥青矿样品
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 显微镜下的沥青矿 

    “自1789年德国化学家发现铀元素以来,人们发现铀虽然广泛分布于地球中,但由于它的不稳定性和变价性,铀总是以化合物状态存在。”李子颖说,此前,人们在自然界中还从未发现有自然金属铀,全世界的科学家也形成了自然界中没有金属铀的惯常认识。

  以这一研究成果为主体,李子颖为首的研究团队写成了《自然界天然铀的发现及其意义》一文,被最新出版的《地质通报》(英文版)选为封面文章发表。以此为标志,一个已在国际科学界延续200多年的惯常认识被终结。

  “此外,这一原创性成果还具有多方面的重要意义。”李子颖说,这些意义可以从以下几方面来理解:

  一是矿产成因研究方法的借鉴意义。金属铀在地表或富含氧的环境中极易氧化,形成有价态的化合物,由于铀的这一特性,用常规的化学价态分析方法是很难分析发现零价态金属铀的。此次研究过程中,该研究团队采用的是光电子能谱方法,该方法是一种重要的表面分析技术,可以微区原位探测物质表面的化学元素组成、元素的化学价态和含量。此外,自然界形成的沥青铀矿,如果暴露地表或在含氧较多的环境中也很容易氧化,也就是说其中的金属态铀也可能被完全氧化,这也是分析发现自然界中存在金属铀的难点之一。

  “光电子能谱的方法,不仅解决了铀分析的难点,也可用于其他金属矿产的分析。”李子颖说。

  二是对研究地球热的产生具有积极意义。铀裂变会产生热,有科学家认为铀裂变热或天然核反应产生的热,是地球热动力作用的重要热源。事实上,上世纪70年代法国科学家在非洲加蓬发现了发生在地球早期约20亿年前的天然核反应堆,美国科学家基于火山作用中检测到核裂变产物,认为地核可能存在核反应,是地球热的重要来源。

  三是对追溯地质作用过程和地球演化也具有重要意义。人们认为,铀元素是66亿年前形成的。地球在形成时,铀的分布可能是不均匀的,这也可能是今天铀矿床分布不均匀或集中在某一区域的原因。由于铀在自然界中是一种非常活泼的元素,也是一种放射性衰变元素,对不同地质作用过程是敏感的且具有时间追溯性。

  四是对找矿具有实际指导意义。这一发现还为揭示热液铀成矿作用本质机理和控矿要素提供了关键性依据,对研究铀的来源、地球热的形成和演化均具有重大意义。对铀矿找矿突破,也具有重要的指导意义。根据该项研究成果,热液型铀矿床中的铀,应来自地球深部,由于地球内部的强还原环境,铀在地球内部以金属态或低价态形式存在。当成矿流体将铀带至近地表时,由于氧逸度不断提高,其中大部分铀与氧结合成四价或六价化合物,只有少部分铀仍然保持金属态。通过研究零价、四价或六价铀在热液铀矿床矿石中所占的比例,可以反映矿石形成的深度,从而为铀成矿深度的定量预测和找矿突破提供依据。

  “这一成果表明,在已发现热液型铀矿床3公里以浅范围内都还有找铀的前景。”李子颖说。

  科研中应给科学家一定的自由度
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 国际原子能机构核燃料循环与核废物技术官员、铀矿地质专家哈里克里斯南·图赛德斯贺信
  就在媒体见面会之前,国际原子能机构核燃料循环与核废物技术官员、铀矿地质专家哈里克里斯南·图赛德斯给团队首席科学家李子颖发来了贺信:“在自然界发现零价金属铀是一项非常重要和激动人心的发现,对此表示祝贺!这项发现为铀在还原环境下沉淀成矿提供了充分的‘思想食粮’。我认为,X光电子能谱方法也是一项非常重要的铀矿勘查工具,并对参与这项研究的核地研院同行表示问候!”

  这表明,以李子颖为首的科研团队的这一成果已得到国际同仁的高度认可。但在谈及这成果的形成时,团队代表们表示,这一重大发现并未专门立项。基于此,他们都表达了一个愿望:国家应在科研体制改革中,在科研项目中形成给科学家预留自由发挥空间的机制。

  “建议在科研体制改革中对科研项目的预算进行改革,留出一部分经费允许科学家进行自由发挥研究之用。”李子颖说,这对基础研究尤其重要,“基础研究许多都是未知方向的课题。未知的除无法进行经费预算外,还存在失败的可能。”

  “要允许科学家失败!”李子颖此话一出,立即引起团队成员的共鸣,他们建议国家在强化应用科学研究的同时,要高度重视基础科学的研究。“基础科学研究成果许多都是原创性成果,而原创性成果在科学技术进步中的拉动作用是无法估量的,往往发挥原动力作用。而且,缺失了这类原创性成果的支撑,应用研究也会成为无本之木。”

  结合找矿突破,李子颖建议,应进一步加大铀矿深部找矿工作,开拓第二甚至第三找矿空间,为我国未来核能发展准备好坚实的资源基础。
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 团队首席科学家李子颖
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