新资源矿产是个新概念,中国科学院院士赵鹏大在他主编的著作《非传统矿产资源概论》中提出了非传统矿产资源这一概念。非传统矿产资源是指因当今技术、经济条件限制而未能被工业开发利用的潜在矿产资源,或其用途尚未准确查明的新类型矿产资源和矿业废弃物。它是一个动态的概念,随着科学技术和经济的发展,人类对自然资源的认识也在不断进步,新矿种、新类型矿床及其新用途不断被发现和利用,这将是资源科学领域创新的重大突破口。
根据非传统矿产资源这个概念,我们把新矿种、新类型、新领域和新用途的这些资源统称为新资源。
首先是新矿种。大自然的资源无穷无尽,而我们对其认识还只在盲人摸象阶段。21世纪前后有两个矿种被认为是新矿种,一是页岩气,二是可燃冰。
页岩气是指从页岩层中开采出来的天然气,主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,页岩气是主体上以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中的天然气,气体的成分为甲烷气。与常规储层气藏不同,页岩既是天然气生成的源岩,也是聚集和保存天然气的储层和盖层。
国土资源部于2011年12月31日在其官方网站发布了新发现矿种公告,称页岩气已被正式列为新发现矿种,将对其按单独矿种进行投资管理,页岩气已正式成为中国的第172种矿产。2012年3月1日,国土资源部发布我国页岩气资源潜力首次评价成果,称我国页岩气地质资源潜力为134万亿立方米,可采资源潜力为25万亿立方米。这个数字和美国相当。
“天然气水合物”最早是于20世纪由美国人在实验室发现的,后来前苏联人在冻土中发现了可燃冰。可燃冰的研究从此开始了,而我国跟踪和开始可燃冰研究开始于1997年,中国地质科学院矿床所(现在的矿产资源研究所)完成了一项课题为“西太平洋气水化合物找矿方法和找矿前景”。之后,一直在进行可燃冰的找矿和研究工作。
可燃冰的学名为“天然气水合物”,是天然气在0℃、30个大气压的作用下结晶而成的“冰块”。“冰块”里甲烷占80%~99.9%,可直接点燃,燃烧后几乎不产生任何残渣,污染比煤、石油、天然气都要小得多,每立方米可燃冰可转化为164立方米的天然气和0.8立方米的水。
形成可燃冰有3个基本条件:温度、压力和原材料。一是低温。可燃冰在0~10℃时生成,超过20℃便会分解。海底温度一般保持在2~4℃左右。二是高压。可燃冰在0℃时,只需30个大气压即可生成,而以海洋的深度,30个大气压很容易保证,并且气压越大,水合物就越不容易分解。三是充足的气源。海底的有机物沉淀,其中丰富的碳经过生物转化,可产生充足的气源。海底的地层是多孔介质,在温度、压力、气源三者都具备的条件下,可燃冰晶体就会在介质的空隙间生成。
据估计,陆地上20.7%和大洋底90%的地区,具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,其资源量是陆地上的100倍以上。据潜在气体联合会(PGC,1981)估计,永久冻土区天然气水合物资源量为1.4×1013~3.4×1016立方米,包括海洋天然气水合物在内的资源总量为7.6×1018立方米。但是,大多数人认为储存在汽水合物中的碳至少有1×1013吨,约是当前已探明的所有化石燃料(包括煤、石油和天然气)中碳含量总和的两倍。
新矿种的发现不可能是无穷尽的,极地、海洋和陆地深部都有发现新矿种的可能。
其次是矿床新类型,也就是以前没有被发现过的矿床类型。中国科学院院士涂光炽在1995年的《回顾30年来的矿床学》一文中认为:“在100多年矿床学发展历史中,黑色金属和有色金属矿床类型确立较早,已经基本定型,即发现新矿床类型的可能性甚小,但对稀有金属、贵金属来说,它们的新类型还会不断有所发现”。同时他列举了30多个新类型矿床,其中一种就是红土型金矿。
随着海底矿产资源调查的深入进行,在海底发现了豆状的深海铁锰结核、深海钴结壳和深海金属软泥,它们构成了一个大规模、独特的矿床类型。据初步调查,每平方米海底约有60千克的锰结核。锰结核所含的金属成分有锰(27%~30%,最高可达55%)、镍(1.25%~1.5%)、铜(1%~1.4%)及钴(0.2%~0.25%)。其他成分还有铁(6%,最高可达37%)。仅就太平洋底的储量而论,这种锰结核中含锰4 000亿吨、镍164亿吨、铜88亿吨、钴98亿吨,其金属资源相当于陆地上总储量的几百倍甚至上千倍。
媒体上说得最多的“城市矿产”以及采矿百年来留下的尾矿,尤其是在选矿工艺不太成熟的20世纪(中国在20世纪90年代以前,发达国家在20世纪70年代以前)留下的尾矿中有用元素还很高。笔者在1999年评价过陕西一个铅锌矿尾矿库,原来是一家县办集体企业,矿床的矿石铅锌含量(学术上称品位)较高,铅加锌为18%左右。我们布置了4个砂钻,很明显样品从尾矿表层到深部,铅锌含量逐渐升高。表层代表了矿山当年(1999年)选矿工艺水平,品位大约在2.46%(铅+锌),到了最底层品位升高到5.78%(铅+锌),反推最初的选矿回收率仅为70%多一点。可见,如此高的尾矿品位比现在有些低品位矿床还要高呀!(www.daowen.com)
不管是城市矿产(实际上是城市垃圾)还是尾矿矿产,其实都是一种“人工矿床”,也是一种矿床新类型。
第三是新领域,就是过去未曾找过矿的新区域,包括新的深度、大部分的海底以及宇宙能到达的星球。21世纪最有望实现的新领域突破就是找矿深度可能突破3 000米,海底矿床的浅海区可以实现采矿赢利的梦想,还有月球采矿可能会变为现实。
关于前两个新领域在前面都有描述,这里重点对月球采矿做一些介绍。
依现在的技术,我们登上月球已经不是难事。已有的资料表明,月壤中存在相对于地球品位很高的氦-3,有科学家对氦-3的资源总量进行了估算,有说100~500万吨的,也有说71.5万吨的。不管哪一组数据都说明了月球上确实存在有丰富的氦-3,而它在我们地球却很缺乏。
大家对氦-3感兴趣是因为一个核聚变技术有望突破。什么是核聚变技术呢?大家都知道氢弹,那是一种核聚变技术,只不过是一个不可控的核聚变技术,威力巨大。我们现在要开发的是一种可控核聚变技术,可用于民用发电。法国科学家宣布,采用氘和氦-3进行核聚变反应发电,2030年将能实现核聚变发电商业化。研究还显示,中国2009年的年发电总量只需近20吨氦-3聚变发电就可以了,以此推算,全世界每年有100吨氦-3就够了。
还有科学家以目前人类掌握的宇航技术来估算,从月球运载每吨氦-3到地球,成本约需1亿美元,以石油每桶约70美元计算,使用氦-3的能源成本仅是石油的1/10。但问题是,如何在月球上提炼氦-3?
不管怎么说,如果核聚变技术研究成功,则是人类的一个福音。由于使用氦-3同位素建立的热核反应堆无中子辐射,也就意味着没有放射性污染,那么就不会产生现在令各国都头痛的核废料,并且这种热核反应堆的体积将会变得更小,由此技术设计的军用动力反应堆将是高效而轻巧的,未来核动力舰艇、航空母舰以及航天飞机都可以使用这种小型化的核反应堆作为动力,其体积大大减小而安全性能和推进效率会变得更高。
目前世界各国设想中的航天舰队,将很可能均会使用这种体积大幅缩小的核聚变反应推进堆,它们将巡航在广阔无垠的太阳系中。
20世纪的核裂变技术全面用于了民用发电,笔者相信21世纪核聚变发电技术也一定能获得成功。
第四种是矿物新用途。不断深入研究和发掘天然岩石和矿物材料的新用途,是不断开拓新资源的必要途径,也是满足新兴产业对矿产资源的新要求所不可缺少的。进入21世纪后,有关稀土金属的新用途层出不穷,这17种神奇的金属把我们带入了神奇的世界。前面已经有很多章节介绍了这方面的成果。我们认为对稀土金属的研究还远远不够,尤其是对产量大的轻稀土金属镧、铈、镨、钇的研究。
矿物新用途体现的最广阔领域当属非金属矿物和岩石。超细粉体技术、表面改性技术和高纯技术的突破开启了非金属矿物与有机高分子材料复合的新天地。
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