登陆 | 注册         中文 | English
专业 创新 开放 共享 Asia's largest mineral stone exhibition
2018芒果国际珠宝展 2018年11月1日-5日

新闻中心

咨询热线
  • 咨询热线:
  • 电话 : 0731-89798066
  • 电话 : 0731-89798077
当前位置:首页 » 新闻中心 » 展会新闻 » 展会动态
【拉曼光谱技术科普与应用论坛】谷湘平:拉曼光谱在矿石矿物及找矿勘查的应用
时间:2018-04-04    来源:MIGS    浏览数: 字体:【

 

 

 

演讲嘉宾

谷湘平

中南大学地球科学与信息物理学院

  



 

  论坛现场

  


 

  拉曼光谱在矿石矿物和找矿勘查的应用

  大家好,很荣幸在这里谈一下工作体会。说实在的让我做这个报告我是非常的忐忑不安。因为我在拉曼光谱里并没有做很系统的工作,只是在我的工作中需要利用拉曼这个工具做工作,谈不上研究。

  我的报告题目是《拉曼光谱在矿石矿物和找矿勘查的应用》。作为一个地质学家,经常要用到拉曼光谱技术,包括在宝石学、晶体矿物研究方面我们都有很多的交流。我报告的重点是“矿石矿物和找矿勘查”。说到矿石矿物,肯定是与资源有关的,有关人类文明的进程。我要从人类文明与资源利用开始,再展到具体的矿石矿物,再讲矿石矿物的拉曼特征。

  人类文明的进程分为:旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代,这是大家的一个共识。但是作为一个矿物学家而言,我不这么看。旧石器时代在我们矿物学家眼里就是石英时代。因为那个时候的人类最先利用自然资源制造工具,这是人类和其他猿类分别的起点(人猿相揖别,只几个石头磨过,小儿时节)。人与猿分开的那一刻就是因为石头。什么石头呢?就是石英石。刚才前面几位老师已经给大家展示了石英的光谱特征,人类最早利用石英是做什么呢?是制造一些简单的工具,这时候就是我们的旧石器时代。旧石器时代在全世界分布很多,在中国最典型的就是:山西芮城西侯度人、云南元谋县元谋人、北京周口店北京人。从几百万年到几十万年的跨度。

  

 

 

  人类从最早开始利用石英石,打磨成坚硬工具。随着时代的进展,人类的智慧进一步提高,人类可以制造更加精细的东西。这就是新石器时代。在矿物学家眼中这是什么时代?这是黏土时代。就是高岭石、伊利石、蒙脱石这些硅酸铝盐的时代。在那个时代人类已经学习认识了这些黏土矿物并用它们制作一些精巧的工具。那个时代在世界上的国家都有分布。在中国也有很多:湖南道县玉蟾岩、山东泰安大汶口遗址、浙江余姚河姆渡遗址、陕西临潼姜寨遗址、甘肃临洮县马家窑文化。其中最为自豪的就是湖南道县玉蟾岩文化,作为湖南人,湖湘文化发源于道县。北宋时期周敦颐“出淤泥而不染”,这句话大家都知道,但不知道周敦颐就是从道县出来的。我们还知道周恩来、鲁迅(周树人)都是他的后代。

  

 

 

  过了新石器时代,人们的智慧有提升了,这时候就到了青铜器时代。在矿物学家眼里,青铜时代无非就是与铜有关的一些款物。最早为为人类所利用的就是自然铜、孔雀石、绿松石。青铜时代在全世界也是分布很广,在中国大概是3000年前。在湖南离长沙不远就在宁乡炭河里遗址那里出土了不少的青铜器,在世界上都是非常有名的。但是湖南在那个时候是没有铜矿的,但是怎么会多出来这么多青铜器?这就是一个考古问题了。青铜时期是从3000多年前一直到秦汉时期人们主要的利用对象都还是铜器。

  

 

 

  过了青铜器,战争的武器又有所提高,人类的智慧进一步提升,人类又认识了铁。最早利用和使用的铁是从天上掉下来的铁—陨铁。刚刚黄老师也讲了,铁练合金,铁大概95%炼5%大概这个样子。人类最早利用陨铁制作一些杀人的武器。但是天上掉下来的东西毕竟是少数,它不能大规模使用。后来人们已经可以利用铁矿石来大量制作金属铁物质。这是图是在网上初步统计的一个产量,在宋代大概是几万吨。说到这里我还有一个小小的证据:曾经有一个盗墓者他送来一些从墓里挖出来的古币,其中就有一些北宋时期的古币。大家知道古币就是铜币,但是他给我的这些都是铁币,不值钱的东西。但是也反映了宋代的铁的产量也比较高。到了明代,可能技术有点退后产量比较少,到了清代也就是几万吨的样子。到民国时期数字上升但还是没有到百万的数字。最新的数字,中国钢产量已经是世界第一位是8亿吨。对比之下铜的产量是160万吨,说明我们这的是进入了铁器时代。

  

 

 

  过了铁器时代,大概是18世纪,人类进入了工业化时代。因为机器开始为人类做工了。接下来我们正在处于工业化时代和信息化时代交替的时代,在工业化时代人类对自然资源的需求是大量的,也消耗大量的各种矿产资源。我预测的真正的信息化时代应该是从2050年,大概还有30多年的时间才是真正的信息化时代的来临,到时人类对金属资源的需求就很少了,反而对硅、锗这样的与半导体相关的资源需求大大增加。信息化时代还有一个非常重要的特征就是,你不需要动脑筋了,在家里打麻将吧,有什么事情都有电脑帮你想,这多好啊,但那个时候还是需要用资源。在之后大概过了一百多年,我的预言,基因时代是不需要资源了,只要产生生物跟着你的要求做就可以了。我觉得人类最终登峰造极的年代应该是基因的年代。最后我们把人类发展的这几个时代做一个比较,大家会发现在旧石器和新石器时期中间有一个巨大的断层,一个年代断层。这个断层到现在还只是一个问号。我有一个判断:人类文明的发展最终将脱离对地球资源的依赖!可惜的是我们现在还处于工业化和信息化时代交融的时代。



 

  接下来我们把注意了转移到矿物资源。这里有几个名词我给大家解释一下,因为在座不一定全是搞地质或者搞矿物的。这里有一个名词叫“矿物”,之前几位老师都已经讲了,地球的基本组成单元。这句话比较抽象,我们知道地表上就是那么100多种元素,这些元素是看不到摸不着的。我们人类能感知的实体物质就是这些元素按照某种规律结合起来形形色色的实体物质。这些实体物质就是矿物。这100多种元素结合的方式可能是无限的,但是可惜的是我们矿物的定义“地球基本组成单元”是很有限的,最新的数字是5312种,这个之前杨老师和谢老师都有讲到。“岩石”也是我们在地球上能接触到的实体物质,他是由各种各样的矿物所构成的集合体。“矿石”就是我们拿了用的,换钱的有用的石头。“宝石”是单个矿物晶体长得够大,只有一种矿物但是它的个体够大,这就是宝石。“玉石”是基本上一种矿物,但是每一种元素都是很细很细最终构成的结合体。宝石和玉石有两个极端,宝石是越大越好,晶体越大越值钱;玉石是里面的晶体越细越质地越好。所以宝石和玉石是质地的两个极端。“化石”是古生物遗体石化遗迹,构成主要是方解石、碳酸盐、磷酸盐等物质。“陨石”是天上掉下来的石头。这是一些相关概念。



 

  在讲到我们的金属矿石,元素周期表上属于金属类的大概就是这么几种,这里我没有按顺序罗列。这么多金属元素,但是可利用的矿物是非常有限的。总共从5312种中我们可以利用的是不到10%,不到500种。要从某种矿物种提炼铜的话,99%以上都来自大概也就是这几种矿物:黄铜矿、辉铜矿、赤铜矿、孔雀石。铁矿90%是来自磁铁矿,少量来自于赤铁矿和菱铁矿。



 

  这是另外一种金属元素利用的矿物。我们就根据这些矿物看看在拉曼光谱中有哪些利用呢?

  第一个拉曼光谱在氧化矿和硫化矿中的应用。对于一个金属矿石,当它与硫结合在一起时形成硫化矿。这种在工业上的流程是一种;当它与氧,或是碳酸盐、磷酸盐结合在一起的时候,这就是氧化矿,在工业上要利用它的方式又是另外一种工业流程。所以在工业上区分氧化矿或者硫化矿是一个非常重要的基础工作。拉曼光谱这时候就能发挥非常有效的作用。通过铜、铅、锌这三种金属元素它的氧化矿或者硫化矿的拉曼特征给大家简单做一个展示。对于铜矿而言,它的硫化矿是黄铜矿和辉铜矿;它的氧化矿是赤铜矿和孔雀石、绿松石。铅的硫化矿是方铅矿;它的氧化矿是白铅矿和硫酸铅矿。锌矿而言它的硫化矿是闪锌矿;氧化矿是菱锌矿和硅锌矿。

 




 

 



 

 

  这是在铜、铅、锌矿石硫化矿和氧化矿拉曼光谱中所起的作用。在工业上,铝是一个大宗矿种,每年中国生产的铝也是上千万的,当然比铁还是少的。在铝矿石中有一个重要的区分就是软水铝石和水硬铝石的区分。最重要的指标就是溶出温度。拉曼光谱光谱对它们的区分都是非常有效的。



 

  这个是拉曼光谱关于磁铁和赤铁之间的区分。我们知道铁矿石分为有磁性的和没磁性的。绝大部分的铁矿石都是要利用它的磁性。但是在一个矿里,磁性的矿石和没磁性的矿石都是有的,其中有一个最重要的指标就是磁性铁所占的比例。磁铁矿就是磁性石。赤铁矿、铁橄榄石、黄铁矿这些都是硫化物,都是非磁性石。拉曼光谱可以很容易的将磁性铁和非磁性铁区分出来。

  下面我们看拉曼光谱在地质找矿中有哪些作用。刚才黄老师已经给我们举了很多有意义的例子,在这里我就很简洁的给大家做一个总结。找矿的过程就是根据已揭露地质体的物理化学性质及排布特征寻找未知的矿物。我们先看找矿利用了哪些线索:有物理性质线索(导电性、磁化率)这里有一个方法就是地球物理探矿方法,这方面中南大学在全国还是蛮有名气的;化学成分线索,采来样品根据化学的成分、浓度的变化推测矿体可能在哪个部位,叫做地球化学探矿方法;传统的地质学研究就是一个锤子一个榔头漫山遍野地跑,找地质线索,产状线索中应用到的就是构造地质;成矿温度线索是根据标志性矿物它的温度的变化推测矿体在哪个部位;还根据成矿流体在地表所留下的物体,我们叫做蚀变矿物有什么样的特征进行找矿。拉曼技术是确定流体成分、成矿温度和压力的有力武器,也是区分原生/蚀变矿物、结晶取向的重要工具。

  首先我们看蚀变矿物的特征。蚀变矿物是成矿的水在流动过程中与周围的岩石发生反应所形成的一些矿物。这些蚀变矿物就是我们找矿的线索。有哪些标志性的蚀变矿物呢?有绢云母化等这些。拉曼光谱鉴定这些蚀变矿物是很简单的事情。用拉曼仪在野外做蚀变矿物的检测是非常重要的。



 

  刚才黄老师讲到了,拉曼光谱不光做表面的文章,它还可以深入到内部去。这个内部就是流体包裹体。用台湾人士的话说就是内含物。这时候我就深刻的体会到统一祖国刻不容缓,因为我发现我们之间语言的差距是越来越多了。分析流体包裹体的成分有以下这么多,有液体的有气相的。但是无论是液体的还是气相的他们能不能产生拉曼光谱这是有讲究的。大部分的液相比如硫酸根、碳酸根、碳酸氢根他们的拉曼表现都不是很好,但凡气相物质在拉曼中表现都是不错的。这是一个综合表,大家可以留意一下。

  这些气相和酸根在拉曼光谱下有哪些表现呢,就是看哪里有峰,就是看在哪里冒头。比如说氢气在4156这里。这个综合表中液态气态的成分,拉曼光谱可以定量的算出哪种成分占多少百分比。这种百分比出来后就可以做一个换算,温度、PH值,这就是我们找矿需要换算的一些数值。根据这些物理化学数值我们找矿就更加充分了。拉曼光谱就可以做这些很具体的事情。



 

  这个是油气包裹体中拉曼光谱的应用。石油和天然气在形成的过程中肯定会跟周围的矿物产生作用,矿物的形成可能会包含一些油气包裹体比如甲烷之类。拉曼光谱就可以深入这些包裹体中把其中每一种成分的含量都显示出来。根据不同成分含量的比例关系最后获得这个油气形成过程中的成熟度。就是石油在成熟到什么时候是最好的呢?这个我不清楚。石油成熟到最成熟的阶段就是沥青。

 

 

  



 

  这个图是黄老师刚才给大家讲的炭质包裹体,前面是具体面向石油的,但是这个炭质物的分布是非常广泛的,不光是石油有关系,与我们的金属矿床也是很有关系的。关于炭质物的一个叫做低峰一个叫做高峰,他们强度比例关系以及半高宽的关系,可以很好的推断当时地质形成的温度和样子。

  



 

  下面讲拉曼光谱在构造地质中的应用。这个领域可以说还没有开始。至少从我以前做矿物学工作中有小小的体会,叫做显微组构。在构造地质中显微组构是一个非常重要的课题。它利用的主要对象是矿物晶体。在a、b、c中怎么摆布。我们显微组构的目的就是把其中一个晶体的方位,比如说c晶体的方位是如何摆在岩石中的,是朝南还是朝东朝西,这就是显微组构。在显微祖构里我们应用的主要是石英。我想看看石英在拉曼光谱中有没有应用,我测的是石英垂直于光柱或者是垂直于光柱的拉曼光谱。利用拉曼光谱可以探讨晶体的结晶学取向,最后获得岩石的显微组构。拉曼光谱可以应用到构造地质的研究当中。

  最后总结几点,我尤其要强调的是人类发展以来,人类的智慧发生了很多大事。第一个是天上掉馅饼的大事—Google,对于我们认识世界,人际交往而言是一个大馅饼。对于地质学家而言RRUFF是一个大馅饼,希望大家可以好好利用,味道不错。用拉曼,找RRUFF。

  最后我用诗词来总结一下:“山海因缘迁”陆地和海洋他们因为某种因缘关系在变迁;“水火任洗炼”在变迁过程中一个是水火交融的过程;“石品秀神奇”水火历练出来的就是我们的石头,大家可以一会在展馆好好欣赏一下大自然的精华,神奇的石头;“拉曼细分辨”这些美丽的石头我们可以用拉曼好好研究分辨。

  



 

版权所有:华夏(湖南)矿物宝石展览有限公司  2012GMGE 湘ICP备 12007101号

电话:0731-89798077  传真:0731-89798066  网址:www.changsha-show.com

邮编:410008  地址:湖南长沙开福区湖南国际会展中心