揭開礦山內部奧秘的新鑰匙

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近日，蘭州大學教育部稀有同位素前沿科學中心、甘肅核產業研究院劉志毅教授團隊在甘肅甘南某金礦成功實施了亞洲首次天然射線繆子探礦實驗，對其礦脈、采空區和地質結構進行了較為準確的探測和內部結構成像，這是繆子成像技術繼文物挖掘與保護應用方面又一重要的產業化實踐成果。

根據國際能源機構的預測，到2040年，對礦物和金屬的需求量將增長近500%。地下礦體勘探和采空區的精確構建等一直是采礦業面臨的難題。傳統的地球物探手段如鉆孔取芯、地震法和重力法等存在經濟成本高、探測精度低、圈定不準確和潛在環境破壞等問題。此外，采礦過程中形成的采空區對安全生產構成潛在威脅，但由于其隱蔽性和不規律的空間分布特征，如何準確圈定地下采空區一直是工程技術人員面臨的關鍵難題。

天然射線繆子成像技術作為一種新型的、綠色的無損探測技術，為解決上述難題提供了全新的方案。該技術通過大范圍掃描圈定礦體的位置和形態，可以大大降低勘探投入，同時它對空腔的高敏感性有助于評估和處理地下采空區，規避采礦相關風險。與傳統勘探方法相比，繆子成像技術無需進行批量地面開挖或爆破，減少了對環境的破壞和污染，對保護生態環境和實現“雙碳”目標具有重要意義。

團隊自主研發了6臺套國產化的繆子成像系統（CORMIS）。為適應生產礦區的復雜環境，團隊通過正演技術設計了最佳的實測方案，并對CORMIS系統進行了針對性的改裝，將它們放置在巷道中進行了大范圍繆子“CT”掃描。團隊還提出了一種簡便有效的高海拔繆子測量數據修正方法，大大降低了海拔對成像精度的影響。

自然資源部青年科技人才稱號獲得者、團隊骨干教師劉軍濤博士說：“我們還研發了一種新的可交互低密度差異分布重構算法，通過‘種子生長’原理高效解構出三維密度異常體，解決了遠距離異常體形變和位置偏移等問題。”

團隊合作方之一的甘肅地礦局第三勘查院王玉璽總工程師說：“成像結果清晰地展示了掃描上方的金礦礦脈、多處采空區以及一處密度較低的地質結構。這次試驗不僅突破了繆子技術中的多個難題，還有效地解決了一直以來困擾采礦業的三維礦體圈定和采空區探測問題。這一成果為繆子成像技術在礦藏勘探領域的深入產業化提供了有力的支持和示范。”

劉志毅教授對該綠色核技術未來在各個領域的產業化進行了展望，他表示該成果是團隊繼“西安城墻繆子CT”成果（鏈接）后在產業化實踐方面的又一重要進展，通過進一步的研究和技術創新，天然射線繆子成像技術有望成為礦產勘探領域的新鑰匙，為我國礦產資源開發和利用提供更科學、更高效、可持續的解決方案。他還表示積極發展服務地方經濟發展、符合地方產業特色的綠色核技術產業將是甘肅核產業破局的關鍵之一，該成果是甘肅科研人員踐行“四強”行動的重要典范。

相關論文鏈接：

  礦區內繆子成像實施照片。蘭州大學供圖。