“鋰”從山中來，仗劍走天涯
□ 鄧偉 李成秀 冀成慶 徐鶯 周雄
1.“鋰”的家族群
1）鋰（Li）
鋰的克拉克值為30ppm，是較分散而又廣泛分佈的元素，主要在岩漿結晶作用的晚期階段富集在偉晶岩中；花崗岩中含量最高，其次是鹼性岩。礦床中經常與鈹、銣、銫、鉭等有益元素共生。
目前，已知含鋰的礦物有150多種，呈獨立礦物形式的有30多種，主要工業鋰礦物有鋰輝石、鋰雲母、透鋰長石、磷鋰鋁石、鐵鋰雲母等。川西稀有金屬礦集區中的鋰資源基本以鋰輝石形式產出。
鋰輝石，化學成分LiAl[Si2O6]。一般Li2O含量7%左右；晶體呈柱狀、板狀、針狀，顏色可呈無色、灰白、淡紫、淡綠、淡黃、寶石綠色；條痕白色；摩式硬度6.5-7；比重3.03-3.22。
含鋰礦物特徵
2）鈹（Be）
鈹的克拉克值為6ppm，為顯著的親石元素。在花崗岩及霞石正長巖中的含量較高，在岩漿分異過程中富集於岩漿殘液中，經常固結集中在岩石圈最上部，在地殼深部含量減少。
世界上已發現的鈹礦物和含鈹礦物有60多種，常見的礦物約有40多種，主要的工業礦物有綠柱石、硅鈹石（似晶石）、羥硅鈹石、金綠寶石（鈹尖晶石）和日光榴石。
綠柱石，化學成分Be3Al2[Si6O18]，一般BeO含量13%左右；晶體一般呈柱狀，呈綠色、黃色、淺藍色、紅色；條痕白色；玻璃光澤或樹脂光澤；性脆；硬度7.5-8；比重2.65-2.91。
含鈹礦物
3）鈮（Nb）和鉭（Ta）
鈮和鉭的原子構造類似，因此，兩者在物理化學性質、地球化學性質及礦物學性質方面都很相近。鈮、鉭經常共生，在岩石和絕大多數礦物中鈮和鉭的含量此消彼長。在成因上與鹼性岩有關的礦物中鈮相對富集，與花崗岩有關的礦物中鉭相對富集。
鈮在地殼中的丰度為3.2ppm，鉭的丰度為2.4ppm。由於鈮、鉭的地球化學遷移行為不同，鈮開始早、收斂晚，鉭主要富集於晚期。所以鈮礦物種類多，分佈廣；而鉭的變種少，分佈不廣。目前，已知的鈮、鉭礦物和含鈮、鉭礦物有130多種，常見的有30多種。如鈮鐵礦-鉭鐵礦、鉭鐵礦、鉍鐵礦、褐釔鈮礦、易解石、鈮易解石、鈮鐵金紅石、燒綠石、錳鉭礦、重鉭鐵礦、黃釔鉭礦、細晶石等。鈮鉭礦物基本呈黑-棕紅色，半金屬光澤、油脂光澤，少數為金剛光澤；比重大，因此可用重選方式得以富集；化學成分極為複雜。
含鈮鉭礦物
4）銣（Rb）和銫（Cs）
銣在地殼中的丰度為90ppm。目前沒有發現銣的獨立礦物，呈分散狀態，常以類質同象混入物出現在含鉀礦物中。工業來源主要從富含銣的鋰、鈹、鉀的礦物中提取。如鋰雲母中含Rb2O3%、微斜長石（天河石）中含Rb2O0.3%、銫榴石中含微量銣等。
銫在地殼中的含量為20ppm。含銫的礦物有10多種，但銫的主要來源還是稀有金屬偉晶岩中的銫榴石和鋰雲母。除此之外，銫還分散在其他礦物中，如綠柱石、黑雲母、天河石和堇青石等。
含銣銫礦物
銫榴石，化學式Cs[AlSi2O6] nH2O。一般含Cs2O30%左右，晶體往往呈立方體、粒狀及緻密塊狀，無解理；顏色為無色、白色，有時帶灰、粉紅、淺紫等色顏色；性脆，硬度6.5-7；比重2.67-3.03。
2.“鋰”從哪裡來
1）傳統礦山
在您印象中礦山是什麼樣的？答案也許是偏遠、荒涼、破舊的廠房，艱苦的條件，又或許是漫天塵土、泥漿滿地、汙水四溢，像這樣又或許是那樣……
2）綠色礦山
隨著時代的發展和綠色礦山建設的推進，如今的礦山早已不再是從前的樣子。先進的設備、一流的技術、現代化的廠房，一座座“花園式”的礦山正拔地而起。清潔生產，循環用水，大家再也不用擔心環境汙染了！
3）“石頭”變“電池”
石頭是如何變為電池的呢？鋰輝石礦經過採礦進入選礦廠，選礦廠採用物理方法分選出含鋰礦物，含鋰礦物經過冶金處理成為碳酸鋰產品，再由產業部門深加工，最終脫胎換骨成為電池。
3.嶄新“鋰”程
1） 鋰之應用——走入尋常百姓家，健康美好新生活
隨著科技的快速迭代升級，鋰在日常生活中的應用越來越常見。含丁基鋰的橡膠輪胎更加耐用，壽命比原來提高了4倍以上，讓駕車出行更加安心；鋰動力電池驅動的新能源汽車逐漸進入普通家庭，成為城市代步、環保出行的首選之一；鋰電池和其他鋰產品在娛樂設備上也得到廣泛應用，為我們的休閒娛樂生活開啟了無限可能性；鋰的應用在家中隨處可見，它為我們提供了便捷舒適的智能生活。
廚房裡，添加了鋰的電磁爐面板等玻璃製品，可以使其變得更輕、更結實、更耐溶。鋰鹽可為蔬果進行“健康護理”，防止西紅柿腐爛和小麥鏽穗病，讓人們吃得放心、吃得安心。鋰在醫學保健方面也有新的應用，不僅可以強身健體，還能防治疾病，是人體健康的“守護者”。國外研究發現，鋰與阿爾茨海默病存在關聯，一款為中老年市場打造的天然礦泉水“鋰水”就此誕生。而鋰的用途還在不斷拓展中，從交通工具到健康護理，鋰的應用遍佈我們生活的每個角落，改寫了每一個人的生活方式。
新世紀嶄新的“鋰”程指日可待。
2） 鈹之應用——讓醫療成像、診斷和激光醫學走到科技前端的金屬材料
鈹，是僅次於鋰的輕金屬，主要是以鈹銅合金和鈹金屬的形式廣泛應用於航空、醫學等領域，是新興產業發展必需的戰略性礦產資源。目前，世界上只有美國、中國、俄羅斯等國具有工業規模的從鈹礦石開採、提取冶金，到鈹金屬及合金加工的完整鈹工業體系。
①提高X射線成像效果
因為鈹金屬既可以穩定地處理高溫阻抗，又可以實現對X射線的高度透明，鈹箔在醫療和科研X射線設備當中已經使用了很長時間。鈹箔作為窗口來穿透聚焦的X射線，同時可以保持X射線發生管那一側的真空環境。
②使低輻射成為可能
鈹箔仍是CT掃描和乳腺X射線成像等高分辨率醫學成像設備中必不可少的材料。在新一代乳腺癌X射線成像設備中使用低輻射掃描可以得到更精細的腫瘤分辨率，使許多早期可治療階段的乳腺癌被及時發現，治癒乳腺癌成為可能。
③改善X射線光管強度和穩定性
作為成像技術的前端科技，鈹持續為滿足X射線光管高強度、穩定性、抗高溫、X射線穿透率等性能要求。
④光學激光器的小型化
使用氧化鈹的醫學激光器可以幫助眼科醫生為數百萬患者恢復或改善視力。具有高導熱、高強度、介電性能的氧化鈹是唯一能控制微小高功率氣體激光器的材料。
⑤簡化外科手術
銅鈹連接器將精確的電信號傳送到精密手術器械和最新的非侵入性外科技術的監測裝置當中。這種技術減少了對病人的創傷和感染風險，同時加快了癒合和恢復的過程。
⑥分析血液
鈹還用於分析HIV和其他疾病的血液分析設備部件當中，給醫生和病人提供所需的精確性和可靠性數據。
3） 鈮之新應用——冉冉升起的電子材料之星
鈮行業全球市場集中度非常高，目前全球最大的鈮礦企業是巴西礦冶公司(CBMN)，佔據全球市場80%-85%的產量，主要從事鈮產品的開發、工業化和商業化運營，是世界上唯一一家可以生產全系列鈮產品(包括標準鈮鐵、特殊牌號鈮鐵、真空鈮鐵、真空鎳鈮、鈮金屬和五氧化二鈮)的企業，對鈮價格的走勢具有較強的影響力，控制著全球鈮產品擴產計劃的進度。
具有超導性能的元素不少，鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用鈮製造的合金，臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二十一度，是目前最重要的超導材料之一。
2019年，材料領域國際頂級期刊《自然材料》發表了復旦大學修發賢團隊的最新研究論文《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導率》。文章顯示製備出二維體系中具有目前已知最高導電率的外爾半金屬材料——砷化鈮納米帶，電導率是銅薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。此次製備出的材料砷化鈮納米帶的電導率是銅薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。業內表示，導電材料是電子工業的基礎，現在最主要的材料是銅，已經大規模運用於晶體管的互連導線。
4）鉭之新應用——人體“親金屬”的神奇醫學材料
鉭作為一種金屬材料，具有優異的力學性能和抗疲勞特性，因此被廣泛應用於醫學領域，尤其是在骨科領域。它可以替代人體骨組織，起到承重作用，目前已在臨床取得顯著療效。鉭金屬材料在與人體組織結合時，具有強度、生物相容性和穩定性等優點。因此，它比傳統金屬材料的人工置入物更具有優勢，在醫學領域的發展前景十分廣泛。
研究和臨床應用表明，多孔鉭金屬具有比金屬鈦和鈦合金更好的骨融合和骨傳導性能，運用鉭金屬材料製作的仿生骨骨組織長入良好，骨性生物固定優良。未來，利用3D打印高緻密度和高力學性能鉭金屬核心技術，將為我國在高端骨科植入物、醫療器械和難熔金屬工業部件發展領域做出積極的貢獻。
不僅如此，將鉭金屬與其他金屬材料結合應用在臨床醫學中也取得了十分重要的突破。很多金屬材料因其獨特的性能可用於醫學領域，但是由於缺乏生物相容性，不能將其優點很好地應用在臨床。為此，科研人員想到將耐腐蝕性強且穩定的鉭金屬塗覆在這些金屬材料的表面，使那些有獨特性能但原先忌於低生物相容性而不能用於臨床的金屬材料重新用於臨床，並取得顯著療效。
5）銣之應用——超視距精確授時，極佳光電傳感器件製造
全球獨立銣礦床非常少，下游應用供應鏈受限，已成為全球對該元素髮展的約束要素。銣是自然界一種最大光電效應的稀有分散元素，其合成材料在智能製造中逐漸開始發力。
銣因其極佳的光電效應，在光電管、紅外輻射儀表、太陽能光電池等器件製造方面均實現了重大革命性變革。據外媒報道，太陽能電池在通往最高效率的道路上正在不斷改進中。德國國家可再生能源實驗室研究人員開發了一種新的太陽能電池，為了改善用於吸收可見光的鈣鈦礦與用於吸收紅外線的銅、銦、鎵和硒的混合物兩層之間的接觸，研究小組在它們之間添加了一層銣原子，團隊讓電池的峰值效率達到24.16%。
銣基設備材料精準計時功能助力集群醫用設備同步獲取精確時間信號。近年來，基於星載銣鍾開發的網絡同步時間服務器在國內衛生部門得到良好的推廣，為醫院提供標準的網絡時間統計信息服務，也為局部輻射區域近萬臺網絡客戶端提供精度小於5毫秒的時間同步服務器，較大程度地改善了全區醫療機構網絡系統，包括：醫護人員的辦公PC及醫療設備、走廊、大堂子鍾系統等授時操作的統一性，充分實現了大數量集群精確醫療設備同步作業中時間的精準性保障。
銣基量子傳感器有望用於診斷房顫。心房顫動（AF）是一種導致心率異常的疾病，發作時心臟中傳導的電生理信號易出現紊亂行為。目前，常規用於檢測房顫的心電圖受到靈敏度、時間等諸多限制。據一項發表於《應用物理學快報》的研究，科學家利用原子磁強計，通過基於銣的量子傳感器接受信號，成功對導電率與生物組織相近的溶液進行電磁感應成像，可測出高導電性的區域。這項技術實現了非屏蔽環境下的小體積成像，且靈敏度較傳統技術提高了50倍，為房顫的快速臨床診斷帶來了希望。
固體廢棄物如何變身寶藏？
□ 鄧傑 鄧善芝
幾個世紀以來，人類社會的快速發展基於對自然資源的使用與消耗。尤其是第三次工業革命以後，生物科技與產業革命的迅速發展，使人們對能源和礦石的需求量激增。同時，為滿足迅速增長的社會需求，各行各業紛紛擴能擴產。2012年，國際民間組織“全球足跡網絡”（GFN）及英國智庫“新經濟基金會”提出“地球生態超載日”的概念。“地球生態超載日”是指地球當天進入了本年度生態赤字狀態，已用完了地球本年度可再生的自然資源總量。據測算，約從1970年起，人類對自然的索取開始超越地球生態的臨界點。從過去數十年來看，幾乎每隔10年這一天的到來就會提前1個月。
資源過度開採和廢棄物的無節制排放，造成越來越嚴重的生態環境問題。人類用碧海藍天換來了現代社會的方便快捷和科技的快速發展。隨著人們經濟水平的提高以及對自身健康的重視，環境的重要性被越來越多的人認識。如何在保障人類需求的前提下，儘可能保護和改善環境，尋求資源環境和諧發展的解決方案，成為時下人們關注的重點。為節約資源、提高現有資源的利用率，資源綜合利用的概念逐漸被人們所熟知。
在資源開發利用及使用消費過程中，不可避免會產生伴生礦石、圍巖及選礦尾礦等，比如鎢礦中伴生的銅、鉛、鋅等含有稀有分散元素的礦物，氧化礦中的碳酸鹽和硅酸鹽類脈石、有機物生產中產生的廢水、生活中的廢舊金屬和電池等，這些生產和生活廢棄物中含有大量的有價金屬、有機及無機鹽類礦物質資源，將其直接排放到環境中，不僅會造成大量的寶貴資源白白流失，還會影響耕地質量、汙染空氣和水源，破壞生態環境。在資源開發利用和消費過程中，針對這些伴生礦物資源和生產生活中的廢棄物開展回收利用，使其重新資源化，從而最大限度地實現現有資源的高效利用，可以稱之為資源的綜合利用。
如何實現資源的綜合利用？現階段，資源的綜合利用主要從三方面開展：
一、在礦產資源開採過程中對共生、伴生礦進行綜合開發與合理利用。
煤炭被人們譽為“黑色的金子”“工業的糧食”，它是18世紀以來人類世界使用的主要能源之一。煤矸石是與煤伴生的一種含煤高嶺土，過去採煤過程中產生的大量煤矸石一直被作為大宗固體廢棄物堆放在煤礦周圍。正如猶太經典《塔木德》中所說：“世上沒有廢物，只是放錯了地方。”煤的伴生礦——煤矸石也是如此。煤矸石綜合利用的途徑很多，除了傳統的利用途徑，如回填煤礦採空區、鋪路、土壤改良、做建築材料和發電等。最新研究表明，煤矸石還可以作為下游精細加工業的原料。如，煤矸石經處理後可以作為橡膠填料，獲得與炭黑相當的補強效果；還可以製備聚硅酸鋁鐵，用於處理造紙綜合廢水等；此外，煤矸石可以用於陶瓷、耐火材料、橡膠工業、塗料、塑料、4A分子篩、鋁硅鐵合金等十多個行業。
二、對生產過程中產生的廢渣、廢水（液）、廢氣、餘熱餘壓等進行回收和合理利用。
除礦石中的伴生資源外，礦石資源生產加工過程中還會產生大量的廢棄物資源。以銅礦尾礦為例，研究表明，銅尾礦中除了可以回收有價金屬元素銅之外，還可以回收非金屬組分石榴子石、硅灰石等，並將剩餘部分作為植物培養基等原料進行利用，實現銅尾礦的減量化和資源化。部分有色金屬尾礦的主要成分為SiO2，且包含大量鈣、鎂等元素的氧化物，和市場上普遍運用的建築材料的化學組成非常相似。尾礦用作建築材料時加工方式比較簡潔，能夠有效解決成本和能耗問題。
三、對社會生產和消費過程中產生的各種廢物進行回收和再生利用。
除開展礦山資源的綜合利用之外，再生資源回收利用也是開展資源綜合利用的重要方面。發展再生資源回收行業可以節省採礦、冶煉、電解等工藝環節，大量減少汙染排放和能源消耗，也是降低資源對外依存度、推動我國生態文明建設的必由之路。中國是全球公認的製造業大國，然而近些年隨著人口紅利日益消失，以及環保成本的不斷抬升，我國資源的對外依存度逐漸走高。在此背景下，大力發展再生資源回收利用產業，具有積極重要的戰略性意義。
現階段，資源環境和諧發展之路仍然崎嶇且漫長，人類需要開展更多的探索與實踐。相信在不久的未來，資源綜合利用方法和途徑會越來越多，資源環境和諧發展之路必將越來越順利。
帶你瞭解這朵“雲”——地質雲
□ 戴新宇
“地質雲1.0”閃亮登場，魅力初現
“地質雲”是自然資源部中國地質調查局主持研發的一套綜合性地質信息服務系統，集地質調查、管理、共享、服務四大功能於一身，面向社會公眾、地質調查技術人員、地學科研機構、政府部門提供豐富的各類地質信息服務。經過“地質雲”研究開發團隊艱辛付出，2017年11月6日，“地質雲1.0”閃亮登場，邁出了“地質雲”建設三步走的第一步。
“地質雲1.0”剛上線運行，就受到地質調查科技工作者的青睞，局系統內外正式用戶達4000多人，日均訪問量突破6000次，在地質調查管理和應急事件服務上體現出精準、快捷的特點。例如，在2017年11月18日西藏林芝市米林縣發生6.9級地震後，“地質雲”首次啟動了應急服務工作機制，在2小時內線下完成震區地質圖數據製作，僅用10小時就為應急救災在線提供了震區區域地質圖、國家地質資料館藏涉及震區的地質資料，以及林芝地區衛星遙感影像圖、震中300公里範圍地質鑽孔、林芝專題地質文獻庫等系列地質信息產品。毫無疑問，“地質雲1.0”實現了地質調查數據共享破冰，為75個國家核心地質數據庫的互聯共享和2382個信息產品提供社會化服務。
“地質雲2.0”華麗轉身，颯爽英姿
在2018年10月18日召開的中國國際礦業大會上，“地質雲2.0”宣佈正式上線，完成“地質雲1.0”雲上數據資源和系統功能的全面升級，完成手機版地質雲APP國家地質大數據共享服務平臺研發，通過數據資源整合和信息系統集成，全面提升地質調查數據採集、匯聚、處理、分析、共享與服務能力，為新時代地質調查工作轉型升級提供核心動力，及時、有效地滿足政府部門、行業用戶、社會公眾等各類用戶對地質信息的多元需求，以信息化帶動地質調查現代化。
“地質雲3.0”鯤鵬展翅，大展宏圖
“地質雲”建設三步走設想2020年上線運行“地質雲3.0”。為此，地質雲研發團隊的科研人員做足了功課，全力以赴助推雲平臺、大數據、智能化“三位一體”建設應用邁上新臺階，為新時代地質調查工作轉型升級提供核心動力支撐，建成分佈式地質大數據中心，並在以下九個方面提供全方位綜合地質服務：
一是升級完善“在線化”調查系統、研發升級重要專業應用系統，初步實現在線化調查，構建立體式地質信息感知體系。二是顯著擴大中大比例尺實體數據共享資源，精準開發地質信息系列產品，提供地質信息專題服務，提升“地質雲”服務門戶訪問便捷性，加快構建地質信息共建共享雲生態，基本實現在線化服務，顯著擴大地質信息線上共享服務規模。三是升級地質調查業務管理系統，完善地質調查業務管理大數據輔助決策系統，強化在線化管理，支撐地質調查業務管理高效運行。四是推行地質調查在線化辦公，支撐遠程辦公、便捷辦公。五是通過攻關實現智能區調礦調、智能識別、智能管理、智能數據搜索引擎等智能地質調查技術突破，示範構建智能化工作模式。六是建立完善地球科學“一張圖”大數據體系，更新維護國家核心地質數據庫。七是採取優化地質調查網絡、規範化運維“地質雲”節點體系、加強網絡安全建設等措施，建實地質調查基礎設施與網絡安全體系，保障安全穩定運行。八是完善地質調查信息化制度標準體系，支撐自然資源信息化建設。九是加強信息化人才隊伍建設與國際合作，提升中國地質調查局在國內外的影響力。
這就是中國地質調查局功能強大的地質雲（Geocloud）！神奇的地質雲（Geocloud）！
網站編輯：宮莉
