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技术创新,找矿突破的坚实支撑——成矿理论与勘查技术重大科技成果展示之三

发布时间:2016-09-14

导读: 随着我国社会经济的快速发展,工业化与城镇化建设的步伐也不断加快,使得对地下矿产资源的需求量与消耗量也随之上升,矿产资源逐渐成为了制约我国经济发展的重要因素。作为发现和获取地下矿产资源的主要手段,地质勘查钻探设备的重要性不断上升,其设备的先进性与技术创新已经成为了我国经济发展的重点。

钻探工作具有环境复杂性与多变性的特点。

  一直以来,我国存在钻探设备陈旧、技术方法落后、钻探效率低下等诸多问题。因此,大力推进钻探技术与钻探装备的现代化化,研究开发先进的钻探技术与钻探装备,创新、应用、推广新技术和新设备,培养高素质的技术人员,成为当务之急。
  随着我国社会经济的快速发展,工业化与城镇化建设的步伐也不断加快,使得对地下矿产资源的需求量与消耗量也随之上升,矿产资源逐渐成为了制约我国经济发展的重要因素。作为发现和获取地下矿产资源的主要手段,地质勘查钻探设备的重要性不断上升,其设备的先进性与技术创新已经成为了我国经济发展的重点。
  中国矿业报记者从国土资源部获得的信息表明,经过地质科技工作者的努力,我国在一些关键的钻探技术研究及钻探设备的研发上,已经赶超世界水平,逐步建立起了拥有自主知识产权并具有国际先进水平的现代化深部钻探技术体系、同位素热年代学技术体系,同位素地质研究专用仪器的研发也取得重大进展,进一步拓宽了找矿空间。
  深部钻探技术取得长足发展
  钻探技术是获取地下实物地质资料信息、建立地下观测与开采通道、验证深部地质推断与解释的唯一技术方法,广泛应用于基础地质、水文地质、能源矿产、地质环境等的调查以及地球科学研究、灾害防治和资源开发利用等领域。
  记者手头掌握的资料显示,在“十一五”初步建立2000米地质钻探体系基础上,“十二五”期间,在国土资源部科技与国际合作司和中国地质调查局的统筹组织下,中国地质科学院勘探技术研究所等单位的科技工作者,充分利用国家“863”计划项目、国土资源公益性行业科研专项、地质矿产调查评价专项等项目的实施,系统地组织开展了钻探装备、技术及工艺方法的研究,全面提升了钻探工程技术与装备的能力、质量和效率,降低施工成本,使得我国的钻探技术与装备取得长足发展,整体技术水平与国际达到同步,部分达到了国际领先水平,对我国的深部地质调查和矿产资源勘探开发起到了有力的支撑。
  一是深化了新一代地质钻探装备体系的研发与应用。完成了3500米地质岩心钻机及 2500米车载水井钻机、3000米电动直驱顶驱钻机、400米轻便钻机、浅层取样钻机和600米反循环钻机等的研发;开展了永磁电机驱动、自动化检测与控制技术在钻探设备中的应用探索,新型泥浆固控离心设备在地质钻探中逐步得到推广应用,对国内钻探设备的现代化发展起到了积极的引导作用,加快了我国地质钻探装备的更新换代。
  二是结合科学钻探施工开发了钻探装备。围绕汶川地震断裂带科学钻探工程和松辽盆地资源与环境科学钻探工程的实施,随钻开展了新技术与装备的研究与应用,开发了KZ3000型深孔取心钻探设备、科学钻探复杂地层高效取心钻具、复杂地层钻进技术、大直径薄壁取心技术、海洋钻探取样技术、铝合金钻杆技术等,推动了我国深部科技钻探技术体系的发展。
  三是地质岩心钻探深孔钻探技术取得了长足的进步。先后开发了XJY-850、XJY-950高钢级钻探管材及绳索取心钻杆,薄壁绳索取心钻杆最大应用深度超过2700米,绳索取心液动潜孔锤技术得以普遍应用(最大深度达到了 4006.17米),深孔钻进用小直径涡轮钻具等研究取得了突破,深孔钻进用金刚石钻头的工作寿命和效率明显提高,深孔用高温磁中靶技术在近 3000 米深孔成功应用,新型孔内事故处理工具的推广应用提升了地质岩心钻探事故处理的能力和水平,极大地推动了我国深孔地质钻探的水平。
  四是复杂地层钻进能力明显提高。通过深入的理论研究和试验应用,开发多种地质钻探用新型泥浆体系,大大降低了复杂地质条件下的孔壁坍塌、漏失、缩径问题,提高了复杂条件下的钻探施工能力;同时开展的小直径膨胀套管技术(实体、波纹及有缝管)在国内深孔复杂地层中成功应用,提供了一种新的复杂体层护壁手段,在国内外处于领先地位。
  五是钻探工程信息化水平不断提升。随着现代化信息技术和网络技术的迅速发展,为钻探工程的信息化提供了良好的基础。“十二五”期间建立了探矿工程(岩土钻掘工程)技术网络服务平台,建成的数据库包括从业机构、装备制造、行业词汇、行业论文等数据库,为开展更深层次的探矿工程信息化和社会化服务提供了基础条件。开展了钻探参数采集与传输技术的研究,初步实现了将钻探施工的各类信息实时记录在统一规范的数据库中,为管理、统计分析及生产和科研工作提供数据服务,对提高钻探工程的管理水平和施工技术优化、促进钻探技术学科进步等具有重要意义。
  记者了解到,“十二五”期间,上述钻探技术成果在地质调查及矿产资源勘探开发领域得到了广泛的应用,覆盖了地质调查、地球科学研究、深部矿产资源勘探开发等领域,解决了深部及复杂地质条件下的钻探技术难题。
  此外,上述钻探成果在汶川地震断裂带科学钻探工程、松辽盆地资源与环境深部钻探工程、中国岩金勘查第一深钻、庐枞及铜陵矿集区深部矿产资源勘查及各类地质钻探工程中均发挥了关键作用。部分钻探新装备与技术与我国地勘单位走出国门,全液压地质岩心钻机由进口转向了对外出口。
  专家称,这些成果对提高钻探施工能力和效率,降低工程风险,增强竞争力,提升地质勘查工程管理水平与效益发挥了重要作用,意味着已成功建立起了拥有自主知识产权并具有国际先进水平的现代化深部钻探技术体系。
  据了解,相关技术成果获得国土资源科学技术奖一等奖1项、二等奖2项,河北省科技进步奖1项,通过国家科技进步奖二等奖初评1项。研发的钻探新装备与新工艺技术得到使用单位的高度评价,大幅度提升了我国深部钻探技术能力和水平,并为相关产品生产企业带来了良好的社会效益和经济效益。
  同位素热年代学为找矿新技术支撑
  同位素热年代学是一门集同位素年代学、构造地质学、岩石矿物学、计算机模拟技术等为一体的综合性学科。据了解,同位素热年代学方法不仅能够提供地质事件年龄值等时间信息,而且能提供所测定矿物、岩石形成的温度、经历的构造作用以及可能的形成深度等深层次的地质信息,已经成为国际地学界关注的热点之一,近年来在国际上得到了快速发展。
  “十二五”期间,中国地调局中国地质科学院地质研究所同位素热年代学研究团队在中-低温热年代学技术方法研发和示范应用两方面开展工作,完善和新开发了多种同位素热年代学分析技术,初步构建了中-低温同位素热年代学实验技术体系,并在东天山成矿带、南天山造山带、库车含油气盆地等地开展示范性应用研究,取得了一系列创新性研究成果。
  专家表示,这些成果不仅为我国的同位素热年代学研究提供了分析测试实验平台条件,而且揭示出同位素热年代学理论和技术在造山带造山历史研究、沉积盆地热历史研究、金属矿床成矿作用过程和抬升剥露过程研究等方面具有巨大的应用潜力,为我国的地质科研和矿产资源勘查工作提供了新的技术支撑。
  一是建成了我国第一家(U-Th)/He 同位素定年实验室,为我国的低温热年代学研究提供了分析实验技术平台条件。
  二是研制出新生代Ar-Ar同位素定年标准物质,解决了我国长期以来缺少新生代氩同位素定年分析标准物质的问题,为新生代地质样品精确定年分析提供了技术保障。
  三是揭示了天山东段地区晚古生代以来构造热演化历史及金属矿床成矿和抬升揭顶过程。
  四是精细刻画出南天山造山带中段构造热演化历史与隆升过程,重建了南天山中段晚古生代以来的构造热演化历史及隆升剥蚀历史。
  五是库车盆地构造热演化及天然气成藏史研究取得重要进展。
  记者了解到,以Ar-Ar法和(U-Th)/He法定年技术为主构建的中-低温同位素热年代学技术平台,已经成为我国最主要的热年代学分析测试实验基地。所研制的标准物质为国内相关实验室共享,其量可供我国所有的Ar-Ar法同位素定年实验室使用数10年。
  专家称,同位素热年代学在我国是一门新兴的学科,中国地质科学院地质研究所同位素热年代学研究团队开展示范应用研究取得的一系列创新性研究成果,不仅深化了对天山乃至中亚造山带地质演化过程的认识,为了解天山地区金属矿床成矿规律、进行成矿预测及实现区域找矿突破等提供了新的科学依据,对指导库车盆地油气勘探具有重要的实用价值,同时充分显示同位素热年代学理论和技术在造山带造山历史研究、沉积盆地热历史研究、金属矿床成矿作用过程和抬升揭顶过程研究等方面具有巨大的应用潜力。
  同位素地质研究专用仪器成功研发
  我国大型高端质谱仪器一直以引进为主,受国外技术封锁,一些用于高精度同位素分析和核科学研究的质谱仪器引进十分困难,且价格高昂。
  为了推动我国高端质谱仪器的自主研发,针对目前宇宙样品及地球化学珍贵样品稳定同位素、稀土元素微区原位分析的难题,国家重大科学仪器设备开发专项设立“同位素地质学专用 TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)科学仪器”项目,由中国地质科学院地质研究所国家科技基础条件平台北京离子探针中心牵头实施。
  据了解,根据记者掌握的情况,项目研制的两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器,将为岩石成因学、矿床成因学、地球环境、气候变化、月球及行星演化等热点研究领域提供最先进的技术支撑。
  专家称,用于高精度同位素丰度分析的 TOF-SIMS 是一项全新的技术,它的成功研制,将是质谱学技术划时代的里程碑,同时将进一步推动地球化学和宇宙化学向更微的空间发展。像 SHRIMP 的诞生一样,这项新技术的诞生将带来一系列重要的科学成果,特别是将直接为我国探月工程在获得月球样品后的分析研究工作奠定坚实的技术基础。
  据介绍,经过近4年的技术攻关,北京离子探针中心联合中国科学院大连化学物理研究所和吉林大学等单位完成了两台 TOF-SIMS仪器的整体设计,对一次离子源等关键部件进行了设计加工和单独调试,并完成了TOF-SIMS专用系统控制软件和数据处理软件的开发和优化。
  自2014年8月起,项目组开始对两台TOF-SIMS整机进行总装配和总调试工作。2015年6月,TOF-SIMS整机的质量分辨率可达12000(m=106)。截至2015 年初,项目共取得新装置 12套、核心部件20个;新申请专利 33项,获专利授权8项(其中发明专利2项);登记软件著作权3项;发表论文24篇,取得了重要的阶段性成果。
  一是首次将飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)技术应用于精密同位素分析和元素丰度测定。近年来,随着离子接收系统在技术上取得突破性进展,北京离子探针中心和相关合作单位在国内率先尝试将 TOF技术应用于高精度同位素分析仪器的研发。
  二是开发了一套适用于珍贵地质样品(如月岩、宇宙颗粒等)高灵敏度、高分辨率同位素分析的小束斑氧离子一次源和离子光学系统。
  三是开发了提高地学样品分析灵敏度的二次中性粒子激光后电离技术。实验结果表明,在优化条件下,飞秒后电离技术可使信号提高60 倍。
  四是研发了高分辨TOF质量分析器。有效解决了双聚焦SIMS质谱的低离子通过率、体积庞大、成本高昂的不足。
  五是开发了一套满足超高真空环境下高精度同位素分析要求的创新型三维样品台及样品传送系统。
  项目组专家表示,该科研项目尽管取得了一定的成效,但该仪器目前尚处于研发阶段,待目标仪器的技术指标达到任务书的设计要求后,项目组将启动以下两项应用示范研究工作:一是应用TOF-SIMS-SI仪器分析金属硫化物(黄铁矿、闪锌矿等)的硫同位素,探讨典型铜矿床铜的富集和矿床形成机理;二是应用TOF-SIMS-REE仪器对月岩和月球陨石样品中锆石的稀土含量和配分模式进行分析,以探讨月岩中锆石的成因;测定月岩样品和月球陨石中锆石的Ti元素含量,估算其结晶时的温度,从而推算撞击事件的温度。
  据中国矿业报记者了解到,2015年8月,项目组已将TOF-SIMS-REE仪器应用于纯金属样品铜和银的同位素丰度分析,分析精度可达 1%。

来源: 中国矿业报 


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