在祖国大地上发现更多的新矿物

　——揭秘“空锌银黝铜矿”“空铁黝银矿”两种新矿物背后的故事

　　◎  本报记者 刘烜

　　核心阅读：

　　新矿物“空锌银黝铜矿”发布后，在国际权威矿物学网站受到矿物学家们的广泛关注和热议——有人认为，空位黝铜矿的成因是黝铜矿族的未解之谜；也有人推测，这一特殊结构可能与矿物形成时热液中特定的Ag/Cu比例有关。基于这个假设，热液中过多的银含量可能反而不利于黝铜矿中空位的形成……2021年，中国地调局天津地调中心曲凯研究团队在银洞坡矿床中再次发现新矿物——空铁黝银矿，而这一新发现直接否定了上述学界的猜想。

　　“河南省十大地质成就”近期发布，“河南发现并命名自然界的两种新矿物”作为十大地质成就之一受到社会各界广泛关注。“空锌银黝铜矿”和“空铁黝银矿”就是本次发布的成就中提及的两种新矿物，由中国地质调查局天津地质调查中心高级工程师曲凯科研团队发现并命名。两种新矿物的发现，不仅增加了自然界的矿物种类，提升了我国矿物学的国际影响力，同时还为认识和利用自然界矿物提供了新的参考。

　　两种新矿物是如何被发现的？其发现在矿物学研究领域具有怎样的价值？我国在新矿物发现领域具有怎样的潜力？围绕以上问题，《中国矿业报》记者日前采访了曲凯。

　　发现，为两种新矿物命名

　　新矿物研究，是地球科学领域重要的基础性研究工作。矿物的发现及命名是“从0到1”的原创性成果，在国际矿物学研究领域享有至高荣誉，它是一个国家矿物学研究水平的重要标志之一。截至2022年3月，全球已累计发现新矿物5794种。

　　“空锌银黝铜矿”和“空铁黝银矿”两种新矿物均发现于河南省南阳市桐柏县银洞坡金矿，相关研究由中国地调局天津地调中心联合河南省第三地质矿产调查院等6家国内科研院所合作完成。2020年，曲凯科研团队在河南银洞坡开展了元素赋存状态研究。“这项工作于2020年初启动，受新冠肺炎疫情影响，野外样品在同年6月底才取得，随后经过2个月的样品处理和镜下鉴定，于8月25日初步锁定目标新矿物。”采访中，曲凯向记者介绍了“空锌银黝铜矿”的发现经过。研究过程中，团队发现一种成分特殊的黝铜矿，在对其进行物理性质、化学成分、晶体结构和谱学特征等系统矿物学研究后，确认为一种自然界尚未被发现的黝铜矿族新矿物。这种新矿物相较一般的锌银黝铜矿缺少1个二价阴离子，通过出现[Ag6]4+这一特殊结构，从而保持整个矿物的电价平衡。因其结构空位的出现，故而被命名为“空锌银黝铜矿”。同年9月24日，研究团队正式向国际矿物学会新矿物命名及分类委员会提交新矿物申请。2021年1月，该矿物经国际矿物学会新矿物命名与分类委员会全票通过，获得正式批准。

　　新矿物“空锌银黝铜矿”发布后，在国际权威矿物学网站受到矿物学家们的广泛关注和热议——有人认为，空位黝铜矿的成因是黝铜矿族的未解之谜；也有人推测，这一特殊结构可能与矿物形成时热液中特定的Ag/Cu比例有关。基于这个假设，热液中过多的银含量可能反而不利于黝铜矿中空位的形成……2021年，曲凯研究团队在银洞坡矿床中再次发现新矿物——空铁黝银矿。而这一新发现直接否定了上述学界的猜想。2022年4月，“空铁黝银矿”正式获得国际矿物学协会新矿物命名及分类委员会批准。目前，新矿物全型标本已被中国地质博物馆典藏。“但是，究竟是银洞坡哪些方面的物理化学条件导致新矿物的形成，下一步我们将进行重点研究。”曲凯表示。

　　研究，探索新矿物的社会价值

　　新矿物的发现可以丰富自然界的矿物种类，亦可为人类认识与利用自然界的新物质提供科学依据。

　　曲凯告诉记者，黝铜矿族作为“古老”的矿物种族，常见于多种类型热液矿床中。由于多个结晶学位置存在同价或异价元素替代，被认为是最复杂的硫盐矿物族。作为热液矿床中的常见矿物，黝铜矿具有重要的经济价值，同时其银的含量也是成矿温度的指标参数，对矿床研究有着重要意义。“空锌银黝铜矿”和“空铁黝银矿”均为黝铜矿族中的一员，其特征主要包括：矿物在手标本上呈灰黑色，反射光下呈灰色，略带灰绿色调，并具有棕红色内反射；不透明金属光泽，黑色条痕；性脆，贝壳状或不规则断口；与锌黝铜矿、螺状硫银矿、硫金银矿、闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、黄铜矿和石英等矿物紧密共生。特性方面，空锌银黝铜矿因其独有的特殊结构，在催化、化学传感和光电功能材料方面能显示出突出性能，同时它的形成机制可为合成材料领域提供新的参考。而空铁黝银矿是自然界最富银的黝铜矿族矿物，银含量高达52.3%，其银的含量是成矿温度的指标参数，对矿床成因研究具有重要意义。

　　曲凯进一步解释道，作为地球系统的基本组成单元和环境要素之一，矿物一直是人类生存和发展的重要物质基础，但在目前发现的6000余种自然矿物中仅有百余种的结构-性质被较充分地掌握，并得到广泛应用。近年来，随着新矿物不断被发现，矿物的新特性不断被揭示，包括地球科学和物质材料科学在内的多学科交叉领域在矿物资源和功能材料研究领域上取得了丰硕成果。网络上流传着这样一句话——“遇事不决石墨烯，灵丹妙药钙钛矿”。1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）在考察乌拉尔山脉时发现了一种元素组成为CaT_iO₃矿物，并将其命名为“perovskite”(中文译名钙钛矿)。如今，这种具有ABX3结构通式的矿物衍生出的材料已成为新能源材料领域最炙手可热的“明星”。而源自石墨剥片获得2010年诺贝尔物理学奖的“石墨烯”更是早已家喻户晓。

　　可见，随着新矿物的不断被发现，以及矿物新特性不断揭示，在丰富经济社会高质量发展所需矿产资源种类、促进找矿突破的同时，还将为实现资源高效清洁利用作出重要贡献。

　　据了解，曲凯科研团队发现的新矿物——空锌银黝铜矿，[Ag6]4+这一特殊结构虽然在自然界中仅在包括上述新矿物在内的3种矿物中被发现，但在合成材料领域已有报道，其在催化、化学传感和光电功能材料方面展示出了突出性能。黝铜矿是地球上较为丰富的天然矿物族，主要由铜、硫等环保元素组成，每个晶胞具有大量原子的复杂晶体结构，有助于提供低热导率。同时，由于其高对称的晶体结构而具有高能带简并度，有助于提高功率因数。目前，人工合成材料领域已将黝铜矿特别是富含镍元素的黝铜矿列为大规模热电材料应用领域的热门候选材料之一。因此，曲凯科研团队在自然界中发现的上述具有特殊结构的新矿物，其晶体化学性质与形成机制可为人工合成材料领域提供新的参考。

　　聚焦，持续加强与关键金属矿产相关新矿物研究

　　1958年，我国发现第一个新矿物“香花石”。64年来，我国已发现自然界新矿物共162种（其中包括国外科研团队牵头发现的21种），总数排名世界第八，年均发现新矿物2.5种。“我国幅员辽阔，矿产丰富，从这个角度来看，我国在新矿物发现领域依然有很大潜力。”曲凯表示。

　　据了解，中国地调局天津地调中心矿物研究团队主要从事与关键矿产相关的基础地质调查与成因矿物学研究工作，重点关注关键金属的赋存状态与富集机制研究以及新矿物的发现与研究工作。2019年至今，中国地调局天津地调中心已牵头发现自然界新矿物5种，参与发现新矿物4种，其中5种为黝铜矿族矿物，4种为与关键矿产相关的稀有元素或稀土元素矿物。此外，还有若干种稀散元素和稀土元素潜在新矿物正在开展系统矿物学研究工作。

　　下阶段，围绕新矿物研究团队将开展哪些工作？曲凯表示，下一步，研究团队拟重点开展以下三方面工作：一是密切跟踪掌握矿物学领域的新理论、新技术，继续加强与关键金属矿产相关的新矿物及其成因研究。积极参与国际矿物学会关于矿物族的分类与规则制定，提升我国在新矿物研究领域的国际影响力。二是聚焦深地和深空，从矿物学角度探讨地球内部结构以及内太阳系类地行星形成与演化的奥秘。三是充分发挥中国地质调查局实物地质资料优势，联合相关单位组织开展我国潜在新矿物基础地质调查，深度挖掘已有珍贵标本潜力，推进实物地质资料的二次开发利用，将更多的新矿物发现在祖国的大地上。