辐射百科
科学发现总是打破人们对于世界的惯常认识，仿佛从“无”中找到“有”。在粒子物理学领域，中微子振荡的发现如此，观测到由五夸克组成的重子态如此，而在核地学研究领域，金属铀在自然界的发现也是如此。
近日，中国核工业集团公司核工业北京地质研究院院长李子颖带领的科研团队在自然界中发现金属铀。这在世界上是首次发现，在国际上是原创性的成果。这一发现打破了科学界形成的自然界中没有金属铀的惯常认识，也将为人们研究新的铀矿成矿理论、找矿突破甚至重新认识地球热等打开新视野。而在这一创新成果的背后，是我国地质科研工作者对核地质科学几十年的探索与追逐，是其为探索铀世界奥秘而贡献的智慧。
六价、四价到零价 发现意义重大
铀在它的发现之初并非如现在这般“迷人”。早在1789年德国科学家就发现了铀元素，但直到1939年铀的核裂变现象被发现，铀被主要用作核反应堆和原子弹中使用的核燃料，铀元素才被赋予了更多的神秘色彩。
如今，发现金属铀这一原创性成果，在人类揭秘铀这一“迷人”元素的路上又迈出了重要一步。
“铀元素广泛分布于地球。但由于铀非常活泼，很不稳定，也很容易氧化，铀元素主要以四价和六价铀化合物的形式存在。国际上普遍认为铀在自然界没有金属态。我们通过研究和比对，于自然界沥青铀矿中首次发现了零价态金属铀的存在。”李子颖研究团队为此感到很自豪。
对于这一科学发现的意义，李子颖表示：“金属铀的发现，从学科发展角度，在铀的地球化学、成矿方面，要进行重新思考和研究，教科书将被改写。在铀找矿成矿理论的创新方面，我们认为，地球深部铀有可能是以金属态存在的，铀是从地质深部上来的，这个发现提供了对这一认识的一个佐证。从预测的角度来讲，通过进一步研究确定矿石里面金属铀的比例，根据比例关系可以预测铀矿成矿的深度。”“而从铀资源开发的角度来讲，通过理论创新，不断地投入，深部找矿的前景还是比较大的，应该会有更大的资源突破。”对于这一发现的实际应用价值及未来前景，李子颖也表达了其对未来我国铀资源进一步突破的期待。
除了在铀勘探研究领域的贡献，自然界金属铀的发现对研究地球演化、研究地球热产生的意义也非同寻常。
人们眼见的事实是，世界上铀矿的分布很不均匀。“我们看到世界上的铀矿相对来讲比较集中，有的比较富也比较大。像我国发现金属铀的热液型铀矿为什么主要集中在南方，国际上热液型铀矿主要在加拿大北部、德国东部等。自然界中铀矿的品位有些达到百分之几十，最高的可能达到70%~80%。澳大利亚的铀矿很大，一个矿床有一百多万吨。这在自然界是难以想象的。”“人们认为铀元素是66亿年前超新星时期形成的，地球的年龄则大概是46亿年。地球在形成时铀的分布可能是不均匀的，这也可能是今天铀矿床分布不均匀或集中在某一区域的原因，当然这只是一个推测。金属铀的发现将为这一研究提供一种手段。”
而早有科学家认为，铀裂变热或天然核反应产生的热是地球热动力作用的重要热源。事实上，上世纪70年代法国科学家在非洲加蓬发现了发生在地球早期约20亿年前的天然核反应堆，美国科学家基于火山作用也检测到核裂变产物，认为地核有可能存在液态的铀，存在核裂变反应，是地球热的重要来源。火山爆发就是地球内部能量释放的一个依据。无疑，自然界金属铀的发现将打开一个新的视角，或将为未来的基础科学研究和探索提供无限的可能。
创新思维 挑战既有理论
任何一项成果的发现都是长期积累与创新的结晶。
金属铀这一科学发现并非偶然。
“在铀矿成矿理论研究方面，早期我们几乎都沿袭国外专家提出的理论。大家都认为铀是以六价形式迁移，在成矿中还原成四价沉淀的。但为什么在地球深部氧逸度低的情况下会呈现高价态铀，而不是低价态铀？这与迁移下降的理论不符合。所以当时我们就提出了这个问题，并进行了深部成矿理论研究和试验。”该研究团队成员、已近80岁还坚持铀矿地质研究的黄志章向记者介绍。
该研究团队长期致力于铀成矿理论及深部探测研究，针对热液铀矿成因提出了热点铀成矿作用理论认识。该理论认为铀是岩浆-热流体演化过程中在晚期的流体中富集，是成矿流体进入近地表时，由于物理化学条件的改变而沉淀富集成矿的。
早在1993年该团队就对热液成矿流体开始了探索和研究。1997年，在德国取得博士学位又回到核地研院工作的李子颖接手并开始主持这一课题的研究。当时，我国铀矿地质研究正处于低迷状态，但该研究团队始终执着坚守科研，很快提出了这一新的理论。正是在这一理论的指导下，该团队对热液成矿流体中是否以低价铀的形式进行迁移富集成矿进行了攻关。“我们主要是针对南方贵东和下庄铀矿，2011年我们就发现了零价态的金属铀，最近才在国内权威的学术刊物《地质学报》英文版的最新一期上进行了成果发表。”在取得四价态实验结果的情况下，2011年课题组探索采用了新的研究方法——X光电子能谱分析技术，也由此开始了零价态金属铀的发现历程。当测定的能谱曲线上出现一个新的波峰时，根据研究团队长期跟踪铀的价态研究的经验和积累，他们意识到这可能是一个新发现。“开始发现金属铀存在零价态的时候，我们是又震惊，又惊喜！”谈到当时的反应，李子颖还记得很清楚。
但科学需要慎而又慎。“为了确保这个结果可靠，我们做了大量的样品的比对，还与人工合成金属铀进行了比对。”“为了采集到新鲜的样本，我们课题组到贵东、相山、辽宁、陕西、新疆等地进行采样，有的取自地表，有的要下到坑道，有的要下到矿井。取到的样品的深度有的有四五百米深。”研究团队成员、长期坚持科研一线、已近80岁的李秀珍对于样品取样记忆深刻。
在后来历时近5年的时间里，除热液型铀矿，研究团队还对砂岩型铀矿进行了研究，并与人工合成的金属铀进行比对。最终他们得出了结论：在热液型铀矿里面含有零价态的金属铀。同时也确认了砂岩型铀矿不含金属铀。这一成果也是对热液型铀成矿理论的进一步丰富。
金属铀的发现无疑将有利于深部找矿实践。事实上也正是基于此前新的找矿理论，深部找矿的价值不断被挖掘。2013年我国进行了铀矿第一科学深钻，将地质铀矿勘查研究的深度延伸到了2818米。“在深部我们不仅发现了铀矿，还有铅锌矿、金矿、铜矿。打到2817米时，我们发现一个铜矿的品位能达到1%~2%，这应该是我国最深的一个铜矿。铀矿化是在八九百米。可以说，金属铀的发现为后续的深部找矿工作提供了新的证明。”“借鉴这一成果我们还要开展进一步的勘查研究工作。不仅是铀矿，也可在其他矿种领域进行成矿理论创新，突破更多的资源。这也是我们所乐意看到的。”李子颖对于深部找矿成果很乐观。但他也深知，“越往深部去，经济上的成本也会越高。”
“实际上，国土资源部已经提出来了，深部找矿要进入第二找矿空间。我们铀矿找矿从过去的500多米，现已推进到500~1500米。从广东、江西来讲，研究的铀矿床已经达到1000多米。从深部的研究来讲，反映出我们国家有更大的潜力和前景。下一步还要向第三找矿空间探索，也就是1500米以上的。”但李子颖也强调，这一方面要考虑需求，一方面要考虑经济性，需要找一个平衡点。“毕竟经济市场也是比较重要的考量因素。”
创新手段 创造发展新空间
创新思维也需要创新手段。找准研究方向，研究的方法也同样重要。
IAEA的一位技术官员在给李子颖发来的贺信中说到：“对于我而言，X光电子能谱方法也是一项非常重要的铀矿勘查工具。”
据了解，地表是一个强氧化环境，金属铀在地表或富含氧的环境中极易氧化，形成有价态的氧化物。用常规的化学价态分析方法很难分析发现零价态金属铀。此次研究中研究团队采用了X光电子能谱方法。该方法是一种重要的表面分析技术，可以微区原位探测物质表面的化学元素组成、元素的化学价态和含量。
X光电子能谱法的应用在其他领域并不鲜见，但在铀矿价态分析中却并不常见。课题组最年轻的成员郭建在初入课题组接触这一方法时还有些抵触。“后来才认识到这是一个创新的方法。”“任何一个科研要取得成果，思路都是非常重要的。X光电子能谱方法在地学界研究矿藏方面确实用得不多，从方法上来讲是一个新的思路，是一个创新。”科研团队成员黄志章也特别强调了这一点。也正是选择了这一方法并进行长期的研究，科研团队获得了新发现。
无疑，这一创新方法将为未来世界找矿的发展带来新的启示。
事实上，无论是在核地矿理论创新方面，还是方法创新方面，中国核地质几代科研工作者都为世界铀矿勘查理论及找矿做出过重要的贡献。
我国在花岗岩内部发现铀矿就是对世界铀矿类型的一个贡献。在早期，大家都认为，花岗岩岩体里没有铀矿，只有花岗岩外面有铀矿。我国老一辈的核地质科技工作者突破了这样的认识，不光在花岗岩外面、在花岗岩里面也找到了铀矿，为世界花岗岩型铀矿类型的发现做出了很大的贡献。目前花岗岩型铀矿已成为我们国家一个主要的铀矿类型。此次发表成果的两个样品，即来自我国最早的花岗岩型铀矿的重要产地——广东粤北。
目前，我国铀矿找矿正取得更多的突破。“通过不断的找矿理论创新和找矿突破，我国潜在铀矿资源总量超过200万吨，能够满足我国核电发展的需求。”李子颖表示，我国核地质科学工作者将在铀矿资源领域不断探索、不懈努力。
仰望星空，脚踏实地。在铀矿地质勘查科学探索以及找铀的路上，他们还将一直向前。（来源：中国核工业杂志 作者：王晨香）
