中山大学：用动植物体内中含金属微粒探测隐伏矿体

中国矿业报报道：中山大学地球科学与工程学院曹建劲团队发明纳米微粒找矿技术，这是中国科研人员发明、中山大学拥有自主知识产权一项找矿技术，也是一项原始创新的国际领先技术。

2003年，中山大学地球科学与工程学院曹建劲教授团队将透射电镜载网直接用于野外介质中微粒采样（微粒找矿关键技术之一），使用透射电镜单一自然纳米微粒分析技术，首次获得隐伏矿体地表介质中纳米金等单一微粒分析结果，发明用微粒的种类、大小、形状、结构、化学成分、聚合关系等探测隐伏矿体，创建了纳米微粒找矿技术，揭示了从隐伏矿体到地表含金属微粒在形成和迁移过程中微粒成分和结构的变化规律。已在30余个不同类型的矿床中开展了相关研发工作，形成完善的技术体系，已获8项国家发明专利授权（表1）。

动植物是自然界重要组成部分，曹建劲教授团队很早就开展了利用动植物体内纳米微粒探测深部隐伏矿床的研发工作，选择了4个以铅、锌、铜为主要成矿元素的多金属硫化物矿床（广东凡口矿床、湖南柏坊矿床、留书塘矿床和康家湾矿床）作为研究对象，在其远离采矿点的未开采区域开展了地表生物样品的采集工作。其中，凡口矿床采集了枇杷叶、苦楝树叶、榕树叶和茎，以及蚂蚁、蚯蚓和蜘蛛，留书塘矿床和康家湾矿床采集了蚯蚓，柏坊矿床采集了小飞蓬根部和苎麻根部。另外选择河源内莞镇和肇庆白土盆地作为背景区，采集了对应的动植物样品用于对比。使用高分辨率透射电镜对生物体内纳米微粒的特征（形状、大小、化学成分、元素组合、赋存状态、超微观结构构造、聚合关系、生物效应、分布位置等）进行观察和分析，通过动植物体内的含金属纳米微粒特征探测深部隐伏矿体的矿物组成、矿体分布等相关信息，取得的成果如下：

1、4个矿床地表生物体内均发现了大量含金属纳米微粒，它们在一维尺度上多小于100nm，边缘光滑，多见不规则状和圆球状，单颗粒和微粒聚集体形式均有出现。这些含金属纳米微粒所含元素种类丰富，可以检测到较多的Fe、Cu、Pb、Zn、Ba等与深部矿体相关的金属元素（如图1，图2示例），它们主要以氧化物和硫酸盐的形式出现，常见的元素组合形式有Zn-O、Pb-S-O、Pb-Zn-S-O、Pb-Zn-Cr-O、Cu-Zn-O、Cu-Zn-Cr-O、Cu-S-O、Cu-O、Ba-S-O、Fe-Mn-Cr、Fe-O、Fe-Zn-O等，表明铅锌铜多金属硫化物矿床地表动植物体内纳米微粒的特征具备共性，可作为探测同类型矿床的指示微粒。

2、化学成分相似的纳米微粒在生物体内可以通过微粒集合体和多个单微粒集中分布这两种方式得到有效的聚集（图3，图4），实现生物体对矿体相关纳米微粒的富集作用，且纳米微粒有在细胞边缘聚集的趋势（图5）。另外，部分纳米微粒所处位置周围的细胞形态出现了一些微观异常（图6），如细胞破损，超微观生物效应也是重要的找矿标志。

3、矿床地表生物体内纳米微粒与背景区生物体内纳米微粒在元素组成上有明显的区别，背景区样品中未检测到含成矿元素微粒。而矿床地表生物体内纳米微粒中所含元素种类、元素组合形式与深部矿体的矿石矿物组成呈现出较大的相关性，说明矿床地表生物体内含金属纳米微粒来源于深部隐伏矿体（图7）。

4、矿床地表生物体内纳米微粒特征能有效地反映深部矿体的基本特征，生物体特殊的富集能力也可为矿化异常的检测提供便利，通过搭建生物体内纳米微粒特征的数据库，建立一种基于生物体内纳米微粒特征分析的找矿技术。

上述研发成果获《一种利用生物内部纳米微粒寻找隐伏矿床的方法》、《一种利用微粒在生物组织内部引起的超微观异常现象寻找隐伏矿床的方法》国家发明专利授权，在国际地学期刊《Ore Geology Reviews》和《Resource Geology》上发表，胡乖博士为第一作者，曹建劲教授为通信作者（Email:[e-mail]）,论文信息如下:

Hu Guai, Cao Jianjin*, Jiang Tao. Discovery and prospecting significance of metal-bearing nanoparticles within natural invertebrate tissues. Ore Geology Reviews, 2018, 99: 151-165.

Hu Guai, Cao Jianjin*, Jiang Tao, Wang Zhengyang, Yi Zebang. Prospecting application of nanoparticles and nearly nanoscale particles within plant tissues. Resource Geology, 2017, 67:316-329.

表1获得授权国家发明专利情况表

申 请 日 期	专 利 号	名  称	发明人	权利人
2020.2.18	ZL202010100162.8	一种利用单一纳米微粒的化学成分数据预测隐伏矿床方法	曹建劲、陆美曲、胡乖	中山大学
2010.4.16	ZL201010154422.6	一种地气微粒找矿方法	曹建劲、熊志华、刘昶	中山大学
2014.7.18	ZL201410347067.2	一种水微粒地球化学找矿方法及其应用	曹建劲	中山大学
2014.12.12	ZL201410763148.0	一种利用生物内部纳米微粒寻找隐伏矿床的方法	曹建劲、胡乖	中山大学
2016.8.19	ZL201610692141.3	一种利用微粒在生物组织内部引起的超微观异常现象寻找隐伏矿床的方法	曹建劲、胡乖	中山大学
2013.1.4	ZL201310000879.5	一种利用含碳微粒寻找隐伏矿床的方法	曹建劲、赖佩欣	中山大学
2013.7.24	ZL201310313191.2	一种微粒预测地震的方法	曹建劲	中山大学
2014.7.18	ZL201410347082.7	一种利用微粒分析判别海水入侵的方法	曹建劲、刘千红、易泽邦、彭益军、赖佩欣、宾兰、张剑	广州市地质调查院、中山大学

图 1凡口矿床苦楝树叶中两个Cr-Zn-O微粒的STEM图（a，d）、

TEM图（b，e）和选区衍射图（c，f）

图2 凡口矿床地表蚂蚁体内三个Pb-S-O微粒的TEM图（a，b，c）、STEM图（d）、选区衍射图（e）和HRTEM图（f）

图3植物体内的微粒富集图

图4动物体内的微粒富集图

图5植物细胞边缘赋存的微粒（a，b，c）和动物细胞

边缘赋存的微粒（d，e，f）

图6植物细胞内纳米微粒引起的微观异常（a，b，c）和动物细胞内

纳米微粒引起的微观异常（d，e，f）

图7与隐伏矿体相关纳米微粒的迁移模式图