科学通报 | 在纳米尺度认识地球：超微物质结构与资源环境效应

在我们熟悉地山川、河流、盆地和矿床背后，许多真正改变资源形成、环境演化和生命健康的关键过程，往往发生在肉眼不可见的纳米尺度上。一粒悬浮在空气中的尘埃、一组页岩中的纳米孔道、一颗包裹在矿物晶格中的金属颗粒，都可能记录着地球系统中物质迁移、能量转化和元素富集的深层信息。

纳米地球科学已成为国际上新兴前沿交叉学科。它关心的不只是“看见更小的颗粒”，而是追问：纳米颗粒如何形成？纳米孔隙如何控制油气储集？纳米矿物如何影响成矿元素富集？污染物又如何借助纳米颗粒在大气、水体、土壤、岩石和生物之间迁移？这些问题连接着地球科学前沿，也直接关联国家战略性能源、关键矿产资源、生态环境治理和人类健康安全。

欧阳自远院士指出：“纳米地球科学将是地球科学研究的一条必经途径” 。《纳米地球科学及资源环境效应》一文正是从纳米尺度认知地球物质运动过程，形成纳米地球观，研究范围广泛涉及地球以及行星各圈层纳米尺度特性及其成因。从纳米视角探索地球乃至行星系统，将极大促进行星科学在超微观尺度上获得重大突破，并服务于国家战略性能源、矿产资源与功能材料的高效勘探、绿色开发和可持续利用，为资源安全保障与环境精准治理提供新的理论支撑。

纳米世界观地球：从方法到研究对象

要理解地球系统中的纳米过程，首先需要“看见”它们。文章概述了扫描隧道显微镜、电子显微学、原子力显微镜、同步辐射成像、纳米光谱、分子模拟和机器学习等方法，用于识别纳米物质的形貌、组成、结构和演化过程。

这些方法就像打开纳米世界的“显微窗口”。通过它们，研究者可以观察矿物表面极细微的结构变化，识别纳米级金属颗粒和矿物包裹体，重建页岩、煤岩和致密岩石中的纳米孔隙网络，也可以模拟气体分子在孔隙中的吸附、扩散和渗流行为。

在研究对象上，文章将地球系统中的纳米实体概括为纳米矿物、矿物纳米颗粒、纳米单质、纳米矿物—有机质复合体、纳米生物矿物、纳米包裹体和纳米孔隙等。它们分布于大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈，因粒径小、比表面积大、表面缺陷多，常表现出更强的吸附、反应和迁移能力（图1）。

图1 地球圈层中的纳米物质与结构类型。不同形态的纳米矿物、纳米单质、有机质结构和生物矿物，共同构成认识地球系统的新入口。

纳米物质怎样在圈层之间旅行？

纳米物质并不会固定停留在某一圈层。大气纳米颗粒可由燃烧、风化、海浪飞沫、生物排放和气-粒转化产生，并随环流长距离输送；水体和土壤中的纳米黏土、金属氧化物、有机胶体和工程纳米材料，会改变营养元素、重金属和有机污染物的迁移路径；岩石圈中的纳米结构则可记录深部循环、断裂活动和热液过程。

这些过程通过大气沉降、水—岩相互作用、生物吸收、沉积埋藏、俯冲和地幔再循环彼此连接。换言之，纳米物质不是地球系统中的微小旁观者，而是参与物质迁移、界面反应和元素循环的活跃载体（图2）。

图2 纳米物质在地球不同圈层间循环。大气、水体、土壤、岩石和生物介质之间持续发生物质交换。

资源线索：纳米孔隙与纳米颗粒

在资源领域，纳米尺度过程直接影响能源和矿产开发。页岩气、煤层气等非常规能源主要赋存在纳米孔隙中，甲烷可吸附在有机质孔隙表面，也可以游离态存在于较大孔喉和裂隙中。孔隙大小、连通性和表面性质，决定了气体能否储得住、留得出。

在成矿系统中，纳米颗粒和纳米包裹体提供了识别金属迁移与富集的新线索。卡林型金矿中的纳米金颗粒、斑岩铜金矿中的纳米级成分分带、钒钛磁铁矿中的纳米出溶结构，都可记录热液演化、元素富集和矿物结晶过程。

传统上依赖宏观地质构造、矿物组合和元素异常来认识资源形成的方式，正在被进一步细化到纳米尺度。通过识别纳米颗粒、纳米孔隙和纳米界面反应，研究者有可能更深入理解非常规能源富集机制、关键金属成矿过程和地球化学找矿信息（图3）。

图3 与纳米资源有关的典型物质和结构。纳米金颗粒、矿物成分分带和纳米出溶结构，为理解成矿富集过程提供了微观证据。

环境与健康：看不见的有害物质携带者

纳米尺度机制也具有另一面。大气、水体和土壤中的天然或人为纳米颗粒，可能吸附重金属、有机污染物和其他有害组分，并通过胶体共输运提高污染物迁移效率。与较大颗粒相比，纳米颗粒更容易进入细胞、穿越生物屏障，并影响生态系统和人体健康。

例如，大气中的纳米颗粒会影响颗粒物的光学性质、反应活性和潜在健康风险；水体和土壤中的纳米胶体可携带污染物穿过原本难以通过的孔隙网络；纳米塑料、金属氧化物纳米颗粒和含有害元素的天然纳米颗粒，则可能通过饮水、食物链和呼吸暴露进入生物体。

因此，纳米地球科学不仅服务于资源勘查，也为环境风险评估和污染治理提供基础。识别纳米污染物的来源、形态、迁移、转化和暴露过程，是判断长期生态效应和发展修复技术的前提（图4）。

图4 大气中的典型纳米物质与纳米结构。纳米颗粒的形态和混合状态，会影响其迁移能力、反应活性和潜在健康风险。

从“看得见”走向“算得清”

文章最后指出，纳米地球科学正在从“现象识别”走向“机制定量”。未来的关键，不只是发现更多纳米颗粒和纳米孔隙，而是建立原位超微成像、精细谱学表征、实验反应约束、跨尺度模拟和机器学习预测相结合的体系。只有把粒径、矿物相、表面化学、流体条件和迁移通量同时纳入分析，才能更好解释资源形成、环境演化、健康风险和地球行星过程。

从更深层看，纳米地球科学的意义并不止于提供一种新的观测尺度。它正在推动地球科学从“宏观描述”走向“微观机制”，从“单一圈层研究”走向“地球系统耦合”，从“经验性认识”走向“可计算、可预测、可调控”的新阶段。

在资源安全方面，纳米尺度研究有助于揭示非常规油气储层、关键金属矿床和矿物材料形成的微观机制；在生态环境方面，它有助于识别污染物迁移、转化和暴露的真实路径；在行星科学方面，它也为理解地球以外天体的物质组成和演化过程提供了新的入口。

一粒尘埃可以连接大气环流，一个纳米孔隙可以决定能源储集，一颗纳米金属颗粒可以记录成矿过程。纳米地球科学所揭示的，正是宏观地球背后更隐微、更基础也更活跃的运行逻辑。未来，当我们能够真正“看见”并“算清”这些纳米过程时，对地球资源、环境风险和行星演化的认识也将随之进入新的层次。

文章信息

琚宜文, 蔡卓程, 冯宏业, 万泉, 李金华, 孙岩, 黄菲, 杨毅, 王学求, 曹建劲, 邵龙义, 孙晓明, 陈韧哲, 黄骋, 朱洪建, 裴紫杞, 琚丽婷, 牟家骏, 郭红根. 纳米地球科学及资源环境效应. 科学通报, 2026, 71(25): 5912-5934

Ju Yiwen, Cai Zhuocheng, Feng Hongye, Wan Quan, Li Jinhua, Sun Yan, Huang Fei, Yang Yi, Wang Xueqiu, Cao Jianjin, Shao Longyi, Sun Xiaoming, Chen Renzhe, Huang Cheng, Zhu Hongjian, Pei Ziqi, Ju Liting, Mu Jiajun, Guo Honggen. Nanogeoscience and its resource and environmental effects (in Chinese). Chinese Science Bulletin, 2026, 71(25): 5912-5934. DOI: 10.1360/CSB-2026-0440

《科学通报》是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性中文学术期刊，致力于快速报道自然科学各学科基础理论和应用研究的最新研究动态、消息、进展, 点评研究动态和学科发展趋势。

• 旬刊，每10天出版1期；

• 栏目：进展、评述、快讯、论文、观点、科技前沿、科学访谈、亮点述评、悦读科学等；

• 《新锐期刊分区表》 综合性大类1区TOP期刊；

• 中国科技期刊卓越行动计划领军期刊；

• 入选2025年度世界一流科技期刊目录；

• 《中国科技论文与引文数据库》和《中国科学引文数据库》的源期刊，同时被EI、ESCI和Scopus等收录；

• 期刊官网：http://csb.scichina.com.

转载、投稿请留言

| 关注科学通报 | 了解科学前沿