新礦物“空鋅銀黝銅礦”發(fā)布后，在國際權(quán)威礦物學(xué)網(wǎng)站受到礦物學(xué)家們的廣泛關(guān)注和熱議——有人認為，空位黝銅礦的成因是黝銅礦族的未解之謎；也有人推測，這一特殊結(jié)構(gòu)可能與礦物形成時熱液中特定的Ag/Cu比例有關(guān)?；谶@個假設(shè)，熱液中過多的銀含量可能反而不利于黝銅礦中空位的形成……2021年，中國地調(diào)局天津地調(diào)中心曲凱研究團隊在銀洞坡礦床中再次發(fā)現(xiàn)新礦物——空鐵黝銀礦，而這一新發(fā)現(xiàn)直接否定了上述學(xué)界的猜想。
“河南省十大地質(zhì)成就”近期發(fā)布，“河南發(fā)現(xiàn)并命名自然界的兩種新礦物”作為十大地質(zhì)成就之一受到社會各界廣泛關(guān)注。“空鋅銀黝銅礦”和“空鐵黝銀礦”就是本次發(fā)布的成就中提及的兩種新礦物，由中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心高級工程師曲凱科研團隊發(fā)現(xiàn)并命名。兩種新礦物的發(fā)現(xiàn)，不僅增加了自然界的礦物種類，提升了我國礦物學(xué)的國際影響力，同時還為認識和利用自然界礦物提供了新的參考。
兩種新礦物是如何被發(fā)現(xiàn)的？其發(fā)現(xiàn)在礦物學(xué)研究領(lǐng)域具有怎樣的價值？我國在新礦物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域具有怎樣的潛力？圍繞以上問題，《中國礦業(yè)報》記者日前采訪了曲凱。
發(fā)現(xiàn)，為兩種新礦物命名
新礦物研究，是地球科學(xué)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性研究工作。礦物的發(fā)現(xiàn)及命名是“從0到1”的原創(chuàng)性成果，在國際礦物學(xué)研究領(lǐng)域享有至高榮譽，它是一個國家礦物學(xué)研究水平的重要標志之一。截至2022年3月，全球已累計發(fā)現(xiàn)新礦物5794種。
“空鋅銀黝銅礦”和“空鐵黝銀礦”兩種新礦物均發(fā)現(xiàn)于河南省南陽市桐柏縣銀洞坡金礦，相關(guān)研究由中國地調(diào)局天津地調(diào)中心聯(lián)合河南省第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院等6家國內(nèi)科研院所合作完成。2020年，曲凱科研團隊在河南銀洞坡開展了元素賦存狀態(tài)研究。“這項工作于2020年初啟動，受新冠肺炎疫情影響，野外樣品在同年6月底才取得，隨后經(jīng)過2個月的樣品處理和鏡下鑒定，于8月25日初步鎖定目標新礦物。”采訪中，曲凱向記者介紹了“空鋅銀黝銅礦”的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過。研究過程中，團隊發(fā)現(xiàn)一種成分特殊的黝銅礦，在對其進行物理性質(zhì)、化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征等系統(tǒng)礦物學(xué)研究后，確認為一種自然界尚未被發(fā)現(xiàn)的黝銅礦族新礦物。這種新礦物相較一般的鋅銀黝銅礦缺少1個二價陰離子，通過出現(xiàn)[Ag6]4+這一特殊結(jié)構(gòu)，從而保持整個礦物的電價平衡。因其結(jié)構(gòu)空位的出現(xiàn)，故而被命名為“空鋅銀黝銅礦”。同年9月24日，研究團隊正式向國際礦物學(xué)會新礦物命名及分類委員會提交新礦物申請。2021年1月，該礦物經(jīng)國際礦物學(xué)會新礦物命名與分類委員會全票通過，獲得正式批準。
新礦物“空鋅銀黝銅礦”發(fā)布后，在國際權(quán)威礦物學(xué)網(wǎng)站受到礦物學(xué)家們的廣泛關(guān)注和熱議——有人認為，空位黝銅礦的成因是黝銅礦族的未解之謎；也有人推測，這一特殊結(jié)構(gòu)可能與礦物形成時熱液中特定的Ag/Cu比例有關(guān)?；谶@個假設(shè)，熱液中過多的銀含量可能反而不利于黝銅礦中空位的形成……2021年，曲凱研究團隊在銀洞坡礦床中再次發(fā)現(xiàn)新礦物——空鐵黝銀礦。而這一新發(fā)現(xiàn)直接否定了上述學(xué)界的猜想。2022年4月，“空鐵黝銀礦”正式獲得國際礦物學(xué)協(xié)會新礦物命名及分類委員會批準。目前，新礦物全型標本已被中國地質(zhì)博物館典藏。“但是，究竟是銀洞坡哪些方面的物理化學(xué)條件導(dǎo)致新礦物的形成，下一步我們將進行重點研究。”曲凱表示。
研究，探索新礦物的社會價值
新礦物的發(fā)現(xiàn)可以豐富自然界的礦物種類，亦可為人類認識與利用自然界的新物質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。
曲凱告訴記者，黝銅礦族作為“古老”的礦物種族，常見于多種類型熱液礦床中。由于多個結(jié)晶學(xué)位置存在同價或異價元素替代，被認為是最復(fù)雜的硫鹽礦物族。作為熱液礦床中的常見礦物，黝銅礦具有重要的經(jīng)濟價值，同時其銀的含量也是成礦溫度的指標參數(shù)，對礦床研究有著重要意義。“空鋅銀黝銅礦”和“空鐵黝銀礦”均為黝銅礦族中的一員，其特征主要包括：礦物在手標本上呈灰黑色，反射光下呈灰色，略帶灰綠色調(diào)，并具有棕紅色內(nèi)反射；不透明金屬光澤，黑色條痕；性脆，貝殼狀或不規(guī)則斷口；與鋅黝銅礦、螺狀硫銀礦、硫金銀礦、閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦、黃銅礦和石英等礦物緊密共生。特性方面，空鋅銀黝銅礦因其獨有的特殊結(jié)構(gòu)，在催化、化學(xué)傳感和光電功能材料方面能顯示出突出性能，同時它的形成機制可為合成材料領(lǐng)域提供新的參考。而空鐵黝銀礦是自然界最富銀的黝銅礦族礦物，銀含量高達52.3%，其銀的含量是成礦溫度的指標參數(shù)，對礦床成因研究具有重要意義。
曲凱進一步解釋道，作為地球系統(tǒng)的基本組成單元和環(huán)境要素之一，礦物一直是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但在目前發(fā)現(xiàn)的6000余種自然礦物中僅有百余種的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)被較充分地掌握，并得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著新礦物不斷被發(fā)現(xiàn)，礦物的新特性不斷被揭示，包括地球科學(xué)和物質(zhì)材料科學(xué)在內(nèi)的多學(xué)科交叉領(lǐng)域在礦物資源和功能材料研究領(lǐng)域上取得了豐碩成果。網(wǎng)絡(luò)上流傳著這樣一句話——“遇事不決石墨烯，靈丹妙藥鈣鈦礦”。1839年，德國礦物學(xué)家古斯塔夫·羅斯（Gustav Rose）在考察烏拉爾山脈時發(fā)現(xiàn)了一種元素組成為CaTiO3礦物，并將其命名為“perovskite”(中文譯名鈣鈦礦)。如今，這種具有ABX3結(jié)構(gòu)通式的礦物衍生出的材料已成為新能源材料領(lǐng)域最炙手可熱的“明星”。而源自石墨剝片獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎的“石墨烯”更是早已家喻戶曉。
可見，隨著新礦物的不斷被發(fā)現(xiàn)，以及礦物新特性不斷揭示，在豐富經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展所需礦產(chǎn)資源種類、促進找礦突破的同時，還將為實現(xiàn)資源高效清潔利用作出重要貢獻。
據(jù)了解，曲凱科研團隊發(fā)現(xiàn)的新礦物——空鋅銀黝銅礦，[Ag6]4+這一特殊結(jié)構(gòu)雖然在自然界中僅在包括上述新礦物在內(nèi)的3種礦物中被發(fā)現(xiàn)，但在合成材料領(lǐng)域已有報道，其在催化、化學(xué)傳感和光電功能材料方面展示出了突出性能。黝銅礦是地球上較為豐富的天然礦物族，主要由銅、硫等環(huán)保元素組成，每個晶胞具有大量原子的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，有助于提供低熱導(dǎo)率。同時，由于其高對稱的晶體結(jié)構(gòu)而具有高能帶簡并度，有助于提高功率因數(shù)。目前，人工合成材料領(lǐng)域已將黝銅礦特別是富含鎳元素的黝銅礦列為大規(guī)模熱電材料應(yīng)用領(lǐng)域的熱門候選材料之一。因此，曲凱科研團隊在自然界中發(fā)現(xiàn)的上述具有特殊結(jié)構(gòu)的新礦物，其晶體化學(xué)性質(zhì)與形成機制可為人工合成材料領(lǐng)域提供新的參考。
聚焦，持續(xù)加強與關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)相關(guān)新礦物研究
1958年，我國發(fā)現(xiàn)第一個新礦物“香花石”。64年來，我國已發(fā)現(xiàn)自然界新礦物共162種（其中包括國外科研團隊牽頭發(fā)現(xiàn)的21種），總數(shù)排名世界第八，年均發(fā)現(xiàn)新礦物2.5種。“我國幅員遼闊，礦產(chǎn)豐富，從這個角度來看，我國在新礦物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域依然有很大潛力。”曲凱表示。
據(jù)了解，中國地調(diào)局天津地調(diào)中心礦物研究團隊主要從事與關(guān)鍵礦產(chǎn)相關(guān)的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查與成因礦物學(xué)研究工作，重點關(guān)注關(guān)鍵金屬的賦存狀態(tài)與富集機制研究以及新礦物的發(fā)現(xiàn)與研究工作。2019年至今，中國地調(diào)局天津地調(diào)中心已牽頭發(fā)現(xiàn)自然界新礦物5種，參與發(fā)現(xiàn)新礦物4種，其中5種為黝銅礦族礦物，4種為與關(guān)鍵礦產(chǎn)相關(guān)的稀有元素或稀土元素礦物。此外，還有若干種稀散元素和稀土元素潛在新礦物正在開展系統(tǒng)礦物學(xué)研究工作。
下階段，圍繞新礦物研究團隊將開展哪些工作？曲凱表示，下一步，研究團隊擬重點開展以下三方面工作：一是密切跟蹤掌握礦物學(xué)領(lǐng)域的新理論、新技術(shù)，繼續(xù)加強與關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)相關(guān)的新礦物及其成因研究。積極參與國際礦物學(xué)會關(guān)于礦物族的分類與規(guī)則制定，提升我國在新礦物研究領(lǐng)域的國際影響力。二是聚焦深地和深空，從礦物學(xué)角度探討地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)太陽系類地行星形成與演化的奧秘。三是充分發(fā)揮中國地質(zhì)調(diào)查局實物地質(zhì)資料優(yōu)勢，聯(lián)合相關(guān)單位組織開展我國潛在新礦物基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，深度挖掘已有珍貴標本潛力，推進實物地質(zhì)資料的二次開發(fā)利用，將更多的新礦物發(fā)現(xiàn)在祖國的大地上。
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