何宏平, 楊武斌

我國稀土資源現(xiàn)狀和評價

何宏平, 楊武斌

(中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所 礦物學(xué)與成礦學(xué)重點實驗室/廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

稀土元素是鑭系元素和鈧、釔共十七種金屬元素的總稱。由于稀土具有獨特的光、電、磁等物理化學(xué)性質(zhì), 在新能源、通信、航空航天、國防軍工等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛, 被譽為“工業(yè)維生素”, 因此它們是一類重要的戰(zhàn)略資源。稀土是我國的優(yōu)勢資源, 同時, 我國也是稀土生產(chǎn)和消費大國。自20世紀(jì)90年代以來, 我國一直是主要的稀土生產(chǎn)國, 提供了全球80%以上的稀土原材料供給, 其中重稀土的供給占90%以上。長期的產(chǎn)/儲比失衡和粗放式利用已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)峻的資源與環(huán)境安全問題。因此, 對我國的稀土資源現(xiàn)狀、資源可利用性和資源安全風(fēng)險做一個客觀的梳理和評價已成為當(dāng)務(wù)之急。本文系統(tǒng)概述了我國現(xiàn)有稀土資源儲量、主要類型和分布現(xiàn)狀, 評估了我國稀土資源的可利用性, 提出“保輕擴重”和“綠色開采”是我國未來稀土資源勘查與利用應(yīng)遵循的重要原則。

稀土資源; 堿性巖型; 風(fēng)化殼型; 資源可利用性; 資源安全風(fēng)險

21世紀(jì)以來, 各大國之間對不可再生自然資源的爭奪日趨激烈, 導(dǎo)致了全球戰(zhàn)略資源的供需矛盾的日益加劇, 是當(dāng)前國際局勢動蕩的重要原因之一。稀土元素(rare earth elements, REE), 或簡稱稀土, 是地球化學(xué)性質(zhì)相似的鑭系元素和鈧、釔等17種金屬元素的總稱, 其中钷是人造放射性元素。人們通常把稀土元素分為輕、重稀土兩組, 輕稀土包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)和銪(Eu)等元素, 而重稀土則包括釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)等元素; 其中輕稀土也常被稱為“鈰組”, 而重稀土則常被稱為“釔組”(Williams-Jones et al., 2012)。此外, 也有人將稀土元素分為輕、中、重稀土三組, 即將釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)和鏑(Dy)五個元素作為中稀土元素。稀土元素具有特殊的光、電、磁等物理化學(xué)特性, 因此稀土可與其他材料合成各種性能優(yōu)異、品種繁多的新型高性能復(fù)合材料, 被廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、新能源等眾多領(lǐng)域, 已成為各國競相爭奪的關(guān)鍵性戰(zhàn)略資源。我國是稀土資源大國, 已探明的稀土資源儲量超過了世界已探明儲量的1/3。從20世紀(jì)90年代起, 我國承擔(dān)了全球80%以上的稀土原材料供給, 特別是中重稀土的供給量超過了90%。采/儲比嚴(yán)重失衡、境外新稀土礦床及深海潛在稀土資源的相繼發(fā)現(xiàn), 使我國現(xiàn)有稀土資源優(yōu)勢和相關(guān)產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此, 對我國稀土資源現(xiàn)狀和長期需求進行評估及預(yù)判事關(guān)國家資源安全與經(jīng)濟發(fā)展等重大問題。

1 我國稀土資源現(xiàn)狀

1.1 我國稀土資源儲量和分布

稀土元素剛被發(fā)現(xiàn)時, 人們誤以為非常稀少, 實際上它們在地殼中的豐度并不低。地殼中稀土總含量平均約為147×10?6, 其中Ce豐度最高, 為43×10?6, 遠高于Cu(27×10?6)和Pb(11×10?6)等一些大宗金屬元素(Rudnick et al., 2003)。在地殼中不同稀土元素豐度差異顯著, 主要受元素的奇偶效應(yīng)(Oddo-Harkins效應(yīng))和不相容性控制。稀土元素通常以三價形式(REE3+)存在, 有時Ce和Eu會以Ce4+和Eu2+的形式存在。由于離子半徑和化學(xué)價態(tài)相似, 稀土元素之間極易發(fā)生類質(zhì)同象置換, 導(dǎo)致多個稀土元素共存在同一礦物晶體結(jié)構(gòu)中, 而某個稀土元素的單一礦物或礦化較罕見。

稀土資源在全球分布極度不均, 主要分布在中國、越南、巴西、美國、澳大利亞和俄羅斯等國家。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 全球已探明稀土氧化物(REE2O3, 常簡寫成REO)總資源量約為1.2億噸, 其中我國儲量約為4.4千萬噸, 占全球總量的36.7%(圖1; U.S. Geological Survey, 2022)。由于全球市場需求的持續(xù)增長, 近年來各國都逐漸加強了稀土資源的勘查與開發(fā)力度。例如, 美國西部Mountain Pass稀土礦床在停產(chǎn)了十余年之后, 于2012年重啟開采。資料顯示, 后啟動的稀土勘查項目已超過500個, 其中部分新發(fā)現(xiàn)稀土礦床現(xiàn)已處于鉆探驗證或開采階段, 主要分布于巴西、澳大利亞、格林蘭、加拿大和南非等國家和地區(qū)(Hatch, 2014; Simandl, 2014)。近年來全球稀土資源儲量和分布正在發(fā)生明顯變化。越南新發(fā)現(xiàn)了多個大中型稀土礦床, 已成為全球稀土的重要產(chǎn)地之一; 日本學(xué)者提出南太平洋和印度洋部分地區(qū)深海沉積物中富含稀土元素, 而且其稀土資源儲量巨大, 可以作為一種潛在的稀土資源以滿足未來日益增長的稀土需求(Kato et al., 2011; Yasukawa et al., 2016)。

我國稀土資源主要分布在內(nèi)蒙古白云鄂博、川西和南方七省區(qū)三大基地(圖2)。其中, 白云鄂博礦床的稀土氧化物儲量高達三千余萬噸(British Geological Survey, 2011), 川西稀土礦集區(qū)僅牦牛坪和大陸槽兩個礦床已探明的稀土氧化物儲量就達到近500萬噸,南方七省區(qū)風(fēng)化殼型稀土礦中稀土氧化物總資源量也高達數(shù)百萬噸。

白云鄂博是全球最大的稀土資源產(chǎn)地, 同時還是全球第二大鈮礦和我國重要的鐵礦產(chǎn)地。白云鄂博礦床位于華北克拉通北緣中元古代狼山?渣尓泰?白云鄂博裂谷系內(nèi), 圍巖為白云鄂博群淺變質(zhì)陸緣碎屑沉積巖。白云鄂博稀土礦床東西長約20 km, 礦化總體呈東西向帶狀展布, “主礦”和“東礦”是礦區(qū)最主要的礦體, 呈近東西向或東北向透鏡狀產(chǎn)出, “西礦”由一系列近東西向排列的小礦體組成。另外, 在礦區(qū)東部還發(fā)現(xiàn)了東介勒格勒、菠蘿頭山和都拉哈拉等礦化體(范宏瑞等, 2020; 謝玉玲等, 2020)。稀土礦物主要為獨居石和氟碳鈰礦, 以及少量的黃河礦、氟碳鈣鈰礦和氟碳鈰鋇礦等氟碳酸鹽稀土礦物。

圖1 全球稀土資源分布和主要用途(據(jù)U.S. Geological Survey, 2022)

圖2 中國主要稀土礦床(點)分布圖(審圖號GS(2008)1502)

川西冕寧?德昌稀土礦集區(qū)發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)90年代, 主要為典型的碳酸巖?堿性雜巖體型稀土礦床, 形成于新生代。該礦集區(qū)沿著攀西裂谷展布, 長達270 km, 最寬處達15 km, 自北向南包括有牦牛坪、木落寨、里莊和大陸槽等礦床, 其稀土氧化物總儲量超過500萬噸, 其中規(guī)模最大的牦牛坪礦床資源儲量約為317萬噸, 大陸槽礦床約為159萬噸。該礦集區(qū)的稀土礦石類型主要為偉晶巖型、碳酸巖型網(wǎng)脈狀和浸染狀礦石; 稀土礦物主要為氟碳鈰礦; 脈石礦物主要為重晶石、螢石、霓輝石、方解石和正長石等(牛賀才和林傳仙, 1994; Weng et al., 2022)。

華南風(fēng)化殼型(也常稱為離子吸附型)稀土礦床是我國特色的優(yōu)質(zhì)稀土資源。目前, 我國已確定的離子吸附型稀土礦床已超過170個, 主要分布于江西、廣東、廣西、福建和云南等七省區(qū), 其主要賦存于花崗巖或火山巖風(fēng)化殼中, 厚度約5～30 m, 一般為8～10 m, 代表性礦床有江西贛州的足洞、河嶺和南橋, 以及廣東平遠的八尺等礦床。該類礦床原礦為黃、淺紅或白色松散的砂土混合物, 可直接進行人工開采; 其礦物組成比較簡單, 主要是由黏土礦物、石英和長石等組成, 重砂含量很少。其中黏土礦物含量約占40%～70%, 主要有高嶺石、埃洛石、伊利石和極少量的蒙脫石。稀土氧化物品位介于0.05%～0.3%之間, 在垂向剖面中表現(xiàn)為“上貧、中富、下又貧”的特征, 表明稀土從風(fēng)化殼上部淋濾到中下部沉淀富集(馬英軍和劉叢強, 1999; Bao and Zhao, 2008)。

1.2 我國稀土資源的主要類型

我國稀土資源儲量大、稟賦優(yōu), 而且種類齊全, 總體上表現(xiàn)出“北輕(稀土)南重(稀土)”的特征。根據(jù)賦礦巖石特征和礦床成因, 我國稀土資源可分為堿性巖型、風(fēng)化殼型、沉積型以及少量的砂礦和伴生稀土礦化(表1)。

表1 我國主要稀土礦床(點)和類型

續(xù)表1:

續(xù)表1:

注: 砂礦的品位以主要經(jīng)濟礦物平均含量的形式表述。

堿性巖型稀土礦床是我國乃至全球稀土資源的主要類型, 指的是產(chǎn)于堿性巖(主要包括火成碳酸巖、正長巖和堿性花崗巖等)相關(guān)的巖漿?熱液體系中的稀土礦床, 具有品位高、儲量大的特點(圖3)。至今為止, 全球已報道的堿性巖體超過2500個、火成碳酸巖體超過600個, 然而含稀土礦的堿性巖和碳酸巖體只有數(shù)十個。全球范圍內(nèi), 約超過51.4%已探明的稀土資源賦存在與堿性巖相關(guān)的稀土礦床中(范宏瑞等, 2020)。我國的堿性巖型稀土礦床主要包括火成碳酸巖型(如白云鄂博、華陽川和黃龍鋪等礦床)、堿性正長巖型(如微山、賽馬和闊克塔格等礦床)、堿性花崗巖型(如巴爾哲、波孜果爾和茨達等礦床)和碳酸巖?堿性雜巖體型(如牦牛坪、廟埡和木落寨等礦床)。此外, 一些堿性基性巖中也常富集巖漿鈧礦床, 例如云南牟定鈧礦床(Wang et al., 2022b)。

風(fēng)化殼型稀土礦床是堿性基性?超基性巖、富稀土堿性花崗巖、正長巖、流紋巖、變質(zhì)巖等多種巖石風(fēng)化后的產(chǎn)物(周美夫等, 2020)。到目前為止, 我國華南地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的風(fēng)化殼型稀土礦床超過了170個, 其中富含重稀土的礦床約為10%, 并提供了當(dāng)前全球90%以上的重稀土資源供給(García et al., 2017; Li et al., 2019)。華南地區(qū)風(fēng)化殼型稀土礦床的成礦母巖主要為花崗類巖石, 其稀土總量一般在(200～1000)×10?6之間, 局部可高達數(shù)千×10?6。據(jù)統(tǒng)計, 華南地區(qū)奧陶紀(jì)?晚白堊世不同時代花崗巖風(fēng)化均可成礦, 其中75%的稀土礦成礦母巖為侏羅紀(jì)?早白堊世巖體, 18%的稀土礦成礦母巖為晚奧陶世?早志留世巖體(周美夫等, 2020)。

海相沉積物被認(rèn)為是解決全球稀土供應(yīng)危機的一個潛在資源, 特別是某些特定地質(zhì)歷史時期形成的海相磷塊巖(Emsbo et al., 2015)。例如, 我國貴州織金地區(qū)早寒武世磷塊巖中具有較高的稀土氧化物含量(0.05%～0.13%), 以富含重稀土為特征(Y2O3平均占比約為32.2%), 預(yù)估稀土氧化物總儲量為144.6萬噸(Xing et al., 2021; Zhang et al., 2021)。近年來, 在西南太平洋和中印度洋部分地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了富稀土的深海沉積物, 被認(rèn)為是一種儲量巨大的潛在稀土資源(Kato et al., 2011; Yasukawa et al., 2016; Yu et al., 2021)。此外, 我國滇西赫章、威寧等地區(qū)出露的二疊系宣威組底部陸相沉積巖也具有較高稀土含量, 以輕稀土為主, 其稀土氧化物總儲量預(yù)計可達數(shù)十萬噸(黃訓(xùn)華, 1997)。

除上述三種主要類型之外, 我國還有少量的其他類型稀土資源, 主要包括東南沿海多地廣泛分布的沖積?殘積砂礦和海濱型砂礦(表1)、三江地區(qū)鐵氧化物銅金礦床(IOCG)中伴生的稀土礦化(如拉拉和迤納廠), 以及少量產(chǎn)狀不太明確的熱液交代型礦床中伴生的稀土礦化(如福建洋墩)(蘇友慶, 1997; 袁忠信等, 2012; Chen and Zhou, 2015; Li and Zhou, 2015)。

2 資源可利用性分析

總體來說, 稀土資源的可利用性主要受礦床品位、賦存狀態(tài)、開采提取成本和市場價格等綜合因素的影響。目前, 我國正在開采的稀土資源主要來自于堿性巖型和風(fēng)化殼型稀土礦床, 包括白云鄂博、牦牛坪、微山和足洞等礦床(圖1); 而海相稀土主要賦存在磷灰石中, 提取成本較高, 可利用性差, 目前尚不具有開采的經(jīng)濟價值。

圖3 中國主要稀土礦床稀土氧化物品位和儲量圖

堿性巖型稀土礦床中稀土主要以獨立稀土礦物的形式產(chǎn)出, 其中火成碳酸巖型稀土礦床的主要經(jīng)濟礦物是氟碳鈰礦和獨居石; 正長巖和堿性花崗巖型稀土礦床中稀土礦物類型相對復(fù)雜, 主要包括氟碳鈰礦、獨居石、氟碳鈣鈰礦、磷釔礦、褐簾石、異性石、褐釔鈮礦、氟磷灰石、燒綠石和鋯石等(表1)。目前, 我國開采的主要稀土礦物是氟碳鈰礦, 如白云鄂博、牦牛坪和微山等稀土礦床; 而以獨居石、磷釔礦等其他稀土礦物為主的稀土礦床, 由于提取和生產(chǎn)稀土氧化物的成本相對較高, 短期內(nèi)尚不具有明顯的經(jīng)濟效益。

風(fēng)化殼型稀土礦床的品位相對較低(圖3), 但由于其稀土元素賦存狀態(tài)比較獨特, 近年來采用原地浸礦的工藝使得開采成本大大降低。該類礦床中稀土元素賦存狀態(tài)主要包括水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)、強有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和殘渣態(tài)。在風(fēng)化殼剖面中, 稀土元素主要賦存狀態(tài)為離子交換態(tài)(富礦層的離子交換態(tài)稀土可達50%～90%)、殘渣態(tài)和鐵錳氧化態(tài), 而水溶態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)和強有機結(jié)合態(tài)的稀土元素含量較少。目前, 工業(yè)上主要采用硫酸銨來提取離子交換態(tài)稀土, 通常采用原地浸取的方式。鐵錳氧化態(tài)稀土的提取需要加入鹽酸羥氨溶液, 該試劑價格較高且會導(dǎo)致土壤酸化, 不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。但事實上, 在銨法原位浸取過程中, 由于硫酸銨溶液呈酸性, 因此部分鐵錳氧化態(tài)稀土也可以被硫酸銨溶液浸出。殘渣態(tài)稀土主要為一些難風(fēng)化的礦物、次生的稀土磷酸鹽礦物和氧化物礦物, 提取需要加入強酸, 危害性極大, 故殘渣態(tài)稀土一般無法利用。綜上, 風(fēng)化殼型稀土礦床中只有離子交換態(tài)稀土最具經(jīng)濟價值, 而其他賦存狀態(tài)稀土的可利用價值較低。

3 戰(zhàn)略意義分析

3.1 我國稀土資源產(chǎn)量

“中東有石油, 中國有稀土”。1992年, 中國稀土資源占當(dāng)時全世界已知儲量的80%, 其地位可與中東的石油相比, 具有極其重要的戰(zhàn)略意義。但是, 在相當(dāng)長時間內(nèi)我國對稀土資源的戰(zhàn)略意義認(rèn)識不足、重視不夠, 出口創(chuàng)匯是其主要任務(wù)之一。20世紀(jì)90年代初開始, 我國生產(chǎn)的稀土礦石原材料逐漸搶占了美國Mountain Pass的市場份額。1997年之后, 我國憑著自身的資源優(yōu)勢、勞動力成本低以及開采環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)不高等因素, 一躍成為全球最大的稀土礦石原材料開采和出口國, 稀土年產(chǎn)量長期占全球總產(chǎn)量的80%以上, 甚至一度高達97%(圖4)。

圖4 1995～2020年期間全球各國稀土氧化物年產(chǎn)量(數(shù)據(jù)來源于USGS網(wǎng)站)

為了保護環(huán)境和遏制資源過度開發(fā), 2009年我國開始管控和限制稀土礦石原材料出口。但美國、日本、歐盟等發(fā)達國家對中國限制稀土出口極為不滿, 從多方面對我國稀土資源政策進行攻擊。一方面, 美國等西方國家于2012年要求世界貿(mào)易組織(WTO)在爭端解決機制下成立專家組, 就所謂中國限制稀土出口問題進行調(diào)查、審議和裁決; 另一方面, 日本科學(xué)家于2011年聲稱在太平洋海底發(fā)現(xiàn)巨大的稀土資源儲量, 可開采量約與目前全球陸地上已探明儲量相當(dāng)(Kato et al., 2011)。隨后, 2012年東京大學(xué)研究團隊又聲稱, 在日本最東端的南鳥島周邊海域發(fā)現(xiàn)富含稀土的深海軟泥, 其稀土儲量可以滿足日本約230年的消費量。不論相關(guān)報道是否屬實, 僅從經(jīng)濟角度來考慮, 海底開采稀土資源短期內(nèi)無法實現(xiàn), 目前也沒有任何國家嘗試在太平洋海底開采稀土資源。

2014年3月, 美國、日本和歐盟正式向WTO起訴中國稀土、鎢和鉬出口限制。事實上, 美歐各國也有大量稀土資源, 但因其國內(nèi)勞動力成本較高, 且開采的環(huán)境壓力大, 因而選擇長期從我國進口低價稀土原材料。盡管我國以環(huán)境保護等理由進行申辯, 但遺憾的是WTO最終裁定我國敗訴。之后, 英國《金融時報》稱“這是美國、歐盟和日本取得的重大勝利”。盡管如此, 自2010年起我國稀土出口限制政策略顯成效, 在隨后的幾年里我國稀土年產(chǎn)量顯著下降(圖4), 而美日歐等稀土消費大國也開始逐漸從澳大利亞、緬甸和越南等國家尋找替代品。為了擺脫對中國稀土的依賴, 2017年12月, 時任美國總統(tǒng)特朗普簽署了確保關(guān)鍵礦產(chǎn)材料供應(yīng)安全的行政令(Trump, 2018)。2019年6月, 美國商務(wù)部發(fā)布了多部門聯(lián)署的“保證關(guān)鍵金屬獲得以及可靠供應(yīng)的聯(lián)邦戰(zhàn)略”報告。隨后2019年9月特朗普會見澳總理莫里森, 討論稀土事宜并出臺美澳“保證稀土供應(yīng)”計劃。由此可見, 美國自2017年起先后通過系列政策, 正在加速擺脫對中國稀土的依賴, 并同時努力重建其稀土產(chǎn)業(yè)鏈。此外, 歐盟多國也聯(lián)合推出了EURARE計劃, 以保障歐盟稀土原材料供應(yīng)的安全(Deady et al., 2017)。

3.2 全球稀土資源需求量

美國地調(diào)局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示, 2020年全球稀土總產(chǎn)量約為24萬噸, 比2019年增長了9.1%, 但仍未能滿足全球市場的需求(U.S. Geological Survey, 2022)。據(jù)澳大利亞工業(yè)礦業(yè)公司(IMCOA)的估算, 2015～2020年期間永磁材料產(chǎn)業(yè)對稀土的需求年增量為10%～15%, 合金材料對稀土需求的年增量為5%～10%?？梢灶A(yù)見, 在未來數(shù)十年內(nèi)國際市場對稀土原材料的需求將越來越大。另外, 加拿大Promine公司的預(yù)測報告認(rèn)為, 全球市場對稀土需求的年增長幅度將在8%以上(http: //promine.gtk.fi)。據(jù)此估算, 今后數(shù)十年內(nèi)全球稀土供給缺口將越來越大(圖5), 特別是, 對新型清潔能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的Nd、Eu、Tb、Dy、Y等五種稀土的需求增長可能會更大。因此, 有限的不可再生稀土資源與日益增長的需求之間的矛盾將長期存在, 勢必加劇大國對全球稀土資源的爭奪, 由此引發(fā)的利益沖突或?qū)㈦y以避免。

3.3 我國稀土資源安全風(fēng)險

我國是稀土資源大國, 但近三十年來大規(guī)模的稀土開采和初級產(chǎn)品出口, 快速的消耗了我國的稀土資源優(yōu)勢。我國的稀土資源以氟碳鈰礦和獨居石等富輕稀土的礦物為主(如白云鄂博和川西牦牛坪礦床), 而磷釔礦和褐釔鈮礦等富重稀土為主的礦物資源量卻較少。此外, 國外相繼開展了大量的稀土勘探項目, 并開始關(guān)注海底的潛在稀土資源(Kato et al., 2011; Yasukawa et al., 2016), 這使得我國稀土資源優(yōu)勢在全球市場上的競爭力下滑, 后勁不足。因此, 開展現(xiàn)有稀土資源的深部找礦增儲、拓展新的稀土資源基地和增加重稀土資源儲量, 對保持我國稀土資源優(yōu)勢具有重大現(xiàn)實意義。

圖5 全球稀土需求量和產(chǎn)量預(yù)測(據(jù)ProMine, 2022資料改編)

我國不僅是稀土生產(chǎn)大國, 也是消費大國, 但資源回收率低, 工業(yè)生產(chǎn)的稀土原材料和初級產(chǎn)品的附加值不高, 這對我國稀土資源造成了極大的浪費, 如目前白云鄂博礦床的稀土總回收率不足20%。此外, 我國大規(guī)模生產(chǎn)的稀土氧化物和稀土合金材料是我國出口的主要稀土產(chǎn)品, 長期為美國、日本和歐盟等國提供初級原材料。低端稀土產(chǎn)品的大量出口固然可以帶來一時的經(jīng)濟效益, 但也給我國稀土資源的戰(zhàn)略儲備安全帶來了隱患。據(jù)此, 大力發(fā)展稀土開采和高效提取技術(shù)、嚴(yán)格管控稀土原材料和低端產(chǎn)品的生產(chǎn)與出口, 應(yīng)是保障我國稀土相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

此外, 大規(guī)模稀土生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險也不容忽視。稀土礦區(qū)土壤、河水、沉積物及農(nóng)作物中稀土元素含量遠高于非礦區(qū)(Li et al., 2013)。例如, 江西某地小白菜中的稀土總量高達79×10?6, 遠高于非礦區(qū)的0.58×10?6(金姝蘭等, 2014)。毒理學(xué)研究表明, 成人的稀土元素允許日攝入量約為2～36 mg, 同時重稀土元素毒性遠高于輕稀土元素。如果人體攝入過量稀土元素, 會導(dǎo)致肝臟、骨骼等組織損傷, 以及血液成分改變等一系列生理和病理變化(秦俊法等, 2002; 袁兆康等, 2003)。還有研究認(rèn)為, 稀土元素異常區(qū)兒童的智商和記憶力較其他地區(qū)有偏低的趨勢, 并推測稀土元素可能會影響大腦功能(朱為方和徐素琴, 1996)。最新調(diào)查結(jié)果表明, 即使在遠離稀土礦區(qū)的某大型城市, 區(qū)域內(nèi)河流水系底泥中稀土元素含量可能是全國土壤平均含量的2～3倍(Wang et al., 2022a)。相對較高濃度稀土元素含量對生態(tài)環(huán)境的長期影響目前尚缺乏詳細的研究和評估標(biāo)準(zhǔn), 但稀土作為一類具有生態(tài)環(huán)境毒性的重金屬元素, 使得華南地區(qū)大面積出露的風(fēng)化殼型稀土有可能會成為“環(huán)境化學(xué)定時炸彈”(Wang et al., 2022a)。因而, 嚴(yán)格管控稀土資源的粗放式開采、大力研發(fā)新一代綠色高效開采技術(shù)對我國生態(tài)環(huán)境和人民健康都有重要意義。

4 未來展望

近年來, 我國稀土產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展, 不僅滿足了國內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展的需求, 也為全球稀土供應(yīng)做出了重要貢獻。但是, 這種短期的蓬勃發(fā)展以資源過度消耗和嚴(yán)重的環(huán)境問題為代價, 是不可持續(xù)的。因此, 基于國家安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需求, 必須加強我國稀土資源的長遠規(guī)劃, 一方面需要加強成礦基礎(chǔ)理論的研究, 另一方面需要特別重視資源勘查和清潔利用技術(shù)的研發(fā)。在稀土成礦理論方面, 需要重點關(guān)注以下幾個關(guān)鍵問題: ①為什么只有極少數(shù)堿性巖體含有稀土礦床？②為什么大部分稀土礦床都是以輕稀土為主？③地質(zhì)歷史時期和現(xiàn)今海相沉積物中的稀土資源的形成機制及可利用性如何？在資源勘查和清潔利用方面, 可以考慮兩方面的舉措: 一是“保輕(稀土)擴重(稀土)”, 增加我國稀土資源戰(zhàn)略儲備; 二是“綠色開采”, 加強綠色、高效的稀土開采與利用技術(shù)的研發(fā), 實現(xiàn)稀土資源的清潔和高效利用。

“保輕擴重, 海陸并舉”, 從大陸和海洋兩方面同時開展稀土資源勘查, 以保障我國輕稀土資源儲量優(yōu)勢并擴大重稀土資源儲備。堿性巖型稀土礦床是全球最主要的稀土資源類型, 且分布廣、遍及主要稀土資源國家, 與其他稀土礦床類型相比, 該類礦床具有“易采、易選、易冶”等優(yōu)勢, 經(jīng)濟效益高。我國川西稀土礦集區(qū)和山東微山稀土礦均屬于堿性巖型優(yōu)質(zhì)輕稀土礦, 且深部找礦的潛力很大。以川西稀土礦集區(qū)為例, 該礦集區(qū)已探明稀土資源巨大, 僅牦牛坪和大陸槽兩個礦床稀土氧化物的儲量就近500萬噸, 還相繼發(fā)現(xiàn)了麥地溝、馬則殼、里莊、羊房溝、木落寨和馬頸子等多處稀土礦床(點)。且在該礦集區(qū)近30年勘查和勘探主要集中在距地表500 m以淺的范圍, 如牦牛坪礦區(qū)共實施鉆探總進尺近50000 m, 但單孔最深僅為530 m。2017～2021年, 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所牽頭承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃“稀土元素成礦系統(tǒng)與資源基地深部探測”項目在該礦區(qū)實施了兩個千米鉆孔, 發(fā)現(xiàn)深部仍存在大規(guī)模具有工業(yè)價值的稀土礦體。同樣, 目前大陸槽礦區(qū)已完成鉆探總進尺11000 m, 但單孔最深僅為550 m。顯然, 川西稀土礦集區(qū)的勘探深度與國土資源部2008年提出的主要固體礦產(chǎn)工業(yè)礦體勘查深度要推進到1500 m的要求相差甚遠, 其深部找礦潛力較大, 是開展深部探測增儲最理想的地區(qū)。此外, 華南離子吸附型稀土礦床是我國重要的稀土資源類型之一, 具有儲量大、分布廣、中重稀土含量高和放射性低等特點, 其巨大的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義現(xiàn)已備受關(guān)注。由于我國華南獨特的地質(zhì)和氣候條件, 該類礦床進一步找礦增儲的空間也很大, 例如, 2016年廣西平南縣新發(fā)現(xiàn)了一處離子吸附型稀土礦, 其稀土氧化物約有20萬噸。另外, 海相沉積物中的稀土資源或?qū)⑹俏磥硐⊥恋闹匾獊碓? 例如, 現(xiàn)今太平洋和印度洋海底的富稀土軟泥, 以及貴州織金地區(qū)的前寒武紀(jì)海相沉積巖中的富稀土磷塊巖等。針對這類稀土資源開展前瞻性的基礎(chǔ)理論與利用技術(shù)研究, 將有助于開拓新的稀土資源, 特別是開拓重稀土資源, 為我國持續(xù)主導(dǎo)國際市場的稀土資源供給提供知識與技術(shù)支撐。

“綠色開采, 資環(huán)兼顧”就是既要金山銀山又要綠水青山, 實現(xiàn)稀土資源的清潔和高效利用, 以保障我國稀土產(chǎn)業(yè)全鏈條的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)粗放式開采方式、廉價稀土原材料和低端產(chǎn)品的大量出口, 不僅過度地消耗了我國稀土資源, 還對生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重威脅, 不符合我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟利益, 甚至將危害我國自身的稀土需求和國家安全。因此, 我國必須加強對稀土資源和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施的投入。首先, 應(yīng)加強對我國特色稀土礦床的基礎(chǔ)地質(zhì)研究, 積極推進綠色礦山和綜合利用示范基地建設(shè), 開發(fā)綠色、高效開采和提取技術(shù), 大幅度提高稀土回收率, 支持開發(fā)新一代的稀土開采技術(shù)和選礦設(shè)備, 提高稀土選礦回收率, 開展貧礦和尾礦中低品位稀土的人工誘導(dǎo)再富集技術(shù)的研發(fā)(王焰等, 2022)。其次, 加快建立規(guī)范稀土開采、生產(chǎn)和監(jiān)管的長效機制, 深入推進稀土企業(yè)兼并重組, 淘汰落后工藝和產(chǎn)能, 實現(xiàn)規(guī)?；⒓s化生產(chǎn)。同時, 要高度重視稀土資源的綜合利用, 促進稀土的平衡利用, 鼓勵鑭、鈰等相對豐富輕稀土的應(yīng)用研究, 加快開發(fā)銪、鋱、鏑等稀缺重稀土的減量與替代技術(shù), 推進其他伴生金屬在選礦和冶煉過程中的綜合回收利用, 關(guān)注稀土礦中鈮、釷、螢石和重晶石等伴生資源的回收利用。此外, 要大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟, 積極開展稀土二次資源回收再利用。例如, 鼓勵開發(fā)稀土廢舊物收集、處理、分離、提純等方面的專用工藝、技術(shù)和設(shè)備, 支持建立專業(yè)化稀土材料綜合回收基地, 對稀土火法冶金熔鹽、爐渣、稀土永磁廢料和廢舊永磁電機、廢稀土熒光燈、失效稀土催化劑、廢棄稀土拋光粉, 以及其他含稀土的廢棄元器件等進行資源二次回收再利用。更為重要的是, 需要大力提升我國稀土產(chǎn)業(yè)的科技含量和稀土產(chǎn)品的附加值, 嚴(yán)格限制稀土原材料和低端產(chǎn)品的出口。至今為止, 我國尚不能大規(guī)模量產(chǎn)混合動力汽車發(fā)動機、高性能激光系統(tǒng)和航空發(fā)動機等高科技稀土產(chǎn)品, 需要從美日歐等國家大量進口, 然而其原材料都來自于我國出口的廉價稀土原材料和初級產(chǎn)品。高端產(chǎn)業(yè)鏈的缺失, 不利于我國稀土產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展, 也必將嚴(yán)重?fù)p害我國稀土產(chǎn)業(yè)在全球市場上的話語權(quán), 同時對我國經(jīng)濟發(fā)展和國防安全帶來不可估量的威脅。

致謝:感謝中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會廣州地球化學(xué)研究所小組的邀稿, 感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所范宏瑞研究員和中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所陳偉研究員在審稿過程中對本文提出的建設(shè)性修改建議。

范宏瑞, 牛賀才, 李曉春, 楊奎鋒, 楊占峰, 王其偉. 2020. 中國內(nèi)生稀土礦床類型、成礦規(guī)律與資源展望. 科學(xué)通報, 65(33): 3778–3793.

高成, 康清清, 江宏君, 鄭惠, 李鵬, 張熊貓, 李雷, 董強強, 葉興超, 胡小佳. 2017. 秦嶺造山帶發(fā)現(xiàn)新型鈾多金屬礦: 華陽川與偉晶巖脈和碳酸巖脈有關(guān)的超大型鈾?鈮?鉛?稀土礦床. 地球化學(xué), 46(5): 446–455.

高龍剛, 陳佑緯, 畢獻武, 胡瑞忠, 高成, 董少花, 駱金誠. 2019. 陜西華陽川鈾鈮礦床中鈾礦物的年代學(xué)與礦物化學(xué)研究及其對鈾成礦的啟示. 地質(zhì)學(xué)報, 93(9): 2273–2291.

黃訓(xùn)華. 1997. 威寧鹿房稀土礦地質(zhì)特征及成礦作用初步分析. 貴州地質(zhì), 53(4): 328–333.

蔣榮良. 1989. 內(nèi)蒙阿右旗桃花拉山稀有稀土礦床地質(zhì)特征及賦存規(guī)律. 西北地質(zhì), (3): 41–48.

金姝蘭, 黃益宗, 胡瑩, 喬敏, 王小玲, 王斐, 李季, 向猛, 徐峰. 2014. 江西典型稀土礦區(qū)土壤和農(nóng)作物中稀土元素含量及其健康風(fēng)險評價. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 34(12): 3084–3093.

藍廷廣, 范宏瑞, 胡芳芳, 王永. 2011. 山東微山稀土礦礦床成因: 來自云母Rb-Sr年齡、激光Nd同位素及流體包裹體的證據(jù). 地球化學(xué), 40(5): 428–442.

李靖輝, 陳化凱, 張宏偉, 張云海, 張同林, 溫國棟, 張盼盼. 2017. 豫西太平鎮(zhèn)輕稀土礦床礦化特征及礦床成因. 中國地質(zhì), 44(2): 288–300.

馬英軍, 劉叢強. 1999. 化學(xué)風(fēng)化作用中的微量元素地球化學(xué)——以江西龍南黑云母花崗巖風(fēng)化殼為例. 科學(xué)通報, 44(22): 2433–2437.

牛賀才, 林傳仙. 1994. 論四川冕寧稀土礦床的成因. 礦床地質(zhì), 13(4): 345–353.

秦俊法, 陳祥友, 李增禧. 2002. 稀土的毒理學(xué)效應(yīng). 廣東微量元素科學(xué), 9(5): 1–10.

蘇友慶. 1997. 福建洋墩磷?鐵?鈮?稀土礦床地質(zhì)特征及成因探討. 地質(zhì)找礦論叢, 12(2): 1–8.

王焰, 李寧波, 朱建喜, 鮮海洋, 朱潤良, 陳情澤, 馬靈涯, 吳世軍, 梁曉亮, 肖兵. 2022. 誘導(dǎo)成礦學(xué): 一門亟待建設(shè)的新興交叉學(xué)科. 大地構(gòu)造與成礦學(xué), 46(5): 842–847.

謝玉玲, 夏加明, 崔凱, 曲云偉, 梁培, 鐘日晨. 2020. 中國碳酸巖型稀土礦床: 時空分布與成礦過程. 科學(xué)通報, 65(33): 3794–3808.

楊學(xué)明, 張培善. 1991. 姑婆山花崗雜巖體稀土元素地球化學(xué)特征及其巖石成因意義. 中國稀土學(xué)報, 9(1): 70–75.

袁兆康, 劉勇, 俞慧強, 鄭輝烈, 王耐芬, 吳明康, 劉英庭, 顏世銘. 2003. 血稀土負(fù)荷水平與居民健康狀況關(guān)系的研究. 中國公共衛(wèi)生, 19(2): 133–135.

袁忠信, 李建康, 王登紅, 鄭國棟, 婁德波, 陳鄭輝, 趙芝, 于揚. 2012. 中國稀土礦床成礦規(guī)律. 北京: 地質(zhì)出版社.

曾凱, 李朗田, 祝向平, 夏斌. 2019. 滇西勐往?曼賣地區(qū)離子吸附型稀土礦成礦規(guī)律與找礦潛力. 地質(zhì)與勘探, 55(1): 19–29.

張海軍. 2019. 新疆庫爾勒地區(qū)上戶稀土礦床地質(zhì)特征及成因. 廣州: 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士學(xué)位論文: 1–185.

周美夫, 李欣禧, 王振朝, 李曉春, 劉嘉成. 2020. 風(fēng)化殼型稀土和鈧礦床成礦過程的研究進展和展望. 科學(xué)通報, 65(33): 3809–3824.

朱為方, 徐素琴. 1996. 稀土區(qū)兒童智商調(diào)查研究: Ⅰ. 贛南稀土區(qū)生物效應(yīng)研究. 科學(xué)通報, 41(10): 914–916.

鄒天人, 徐玨, 陳偉十, 夏鳳榮. 2002. 塔里木盆地北緣堿性巖型稀有稀土礦床. 礦床地質(zhì), 21(S1): 845–848.

Bao Z W, Zhao Z H. 2008. Geochemistry of mineralization with exchangeable REY in the weathering crusts of granitic rocks in South China., 33(3): 519–535.

British Geological Survey. 2011. Rare earth elements profile. Available online: https: //www.bgs.ac.uk/downloads/start. cfm?id=1638.

Chen W T, Zhou M F. 2015. Mineralogical and geochemical constraints on mobilization and mineralization of rare earth elements in the Lala Fe-Cu-(Mo, REE) deposit, SW China., 315(7): 671–711.

Deady E, Shaw R, Goodenough K. 2017. Research and development for the rare earth element supply chain in Europe. Available online: https: //nora.nerc.ac.uk/id/eprint/ 518729/1/EURAREbrochure_vfinal%20%281%29.pdf.

Emsbo P, McLaughlin P I, Breit G N, du Bray E A, Koenig A E. 2015. Rare earth elements in sedimentary phosphate deposits: Solution to the global REE crisis?, 27(2): 776–785.

Fan H R, Yang K F, Hu F F, Liu S, Wang K Y. 2016. The giant Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit, China: Controversy and ore genesis., 7(3): 335–344.

García M V R, Krzemien A, del Campo M á M, álvarez M M, Gent M R. 2017. Rare earth elements mining investment: It is not all about China., 53: 66–76.

Hatch G. 2014. TMR advanced rare-earth project index, TMR technology metals research. Available online: http: // www.techmetalsresearch.com/metricsindices/tmr-advanced-rare-earth-projects-index/.

Hou Z Q, Tian S H, Xie Y L, Yang Z S, Yuan Z X, Yin S P, Yi L S, Fei H C, Zou T R, Bai G, Li X Y. 2009. The Himalayan Mianning-Dechang REE belt associated withcarbonatite-alkaline complexes, eastern Indo-Asian collision zone, SW China., 36(1–3): 65–89.

Kato Y, Fujinaga K, Nakamura K, Takaya Y, Kitamura K, Ohta J, Toda R, Nakashima T, Iwamori H. 2011. Deep-sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for rare-earth elements., 4(8): 535–539.

Li M Y H, Zhou M F, Williams-Jones A E. 2019. The genesis of regolith-hosted heavy rare earth element deposits: Insights from the world-class Zudong deposit in Jiangxi Province, South China., 114(3): 541–568.

Li X C, Zhou M F. 2015. Multiple stages of hydrothermal REE remobilization recorded in fluorapatite in the Paleoproterozoic Yinachang Fe-Cu-(REE) deposit, Southwest China., 166: 53–73.

Li X F, Chen Z B, Chen Z Q, Zhang Y H. 2013. A human health risk assessment of rare earth elements in soil and vegetables from a mining area in Fujian Province, Southeast China., 93: 1240–1246.

ProMine. 2022. Development of a sustainable exploitation scheme for Europe’s rare earth ore deposits. Available online: http: //promine.gtk.fi/documents_news/promine_final_conference/8_50_PASPALIARIS_EURARE_project_ promine.pdf.

Rudnick R L, Gao S, Holland H D, Turekian K K. 2003. Composition of the continental crust., 3: 1–64.

Simandl G J. 2014. Geology and market-dependent significance of rare earth element resources., 49(8): 889–904.

Trump D. 2018. A federal strategy to ensure secure and reliable supplies of critical minerals. Donald Trump, Washington, D.C.

U.S. Geological Survey. 2022. Mineral commodity summaries 2022: U.S. Geological Survey. https: //doi.org/10.3133/ mcs2022.

Wang Y Y, Wang G F, Sun M Q, Liang X L, He H P, Zhu J X, Takahashi Y. 2022a. Environmental risk assessment of the potential “Chemical Time Bomb” of ion-adsorption type rare earth elements in urban areas., 822(3), 153305.

Wang Z C, Zhou M F, Li M Y H, Robinson P T, Harlov D E. 2022b. Kinetic controls on Sc distribution in diopside and geochemical behavior of Sc in magmatic systems., 325: 316–332.

Weng Q, Yang W B, Niu H C, Li N B, Mitchell R H, Zurevinski S, Wu D. 2022. Formation of the Maoniuping giant REE deposit: Constraints from mineralogy andbastn?site U-Pb geochronology., 107(2): 282–293.

Williams-Jones A E, Migdisov A A, Samson I M. 2012. Hydrothermal mobilisation of the rare earth elements —A tale of “ceria” and “yttria”., 8(5): 355–360.

Xing J Q, Jiang Y H, Xian H Y, Zhang Z Y, Yang Y P, Tan W, Liang X L, Niu H C, He H P, Zhu J X. 2021. Hydrothermal activity during the formation of REY-rich phosphorites in the early Cambrian Gezhongwu Formation, Zhijin, South China: A micro- and nano-scale mineralogical study., 136(3–4), 104224.

Yang W B, Niu H C, Shan Q, Sun W D, Zhang H, Li N B, Jiang Y H, Yu X Y. 2014. Geochemistry of magmatic and hydrothermal zircon from the highly evolved Baerzhealkaline granite: Implications for Zr-REE-Nb mineralization., 49(4): 451–470.

Yasukawa K, Nakamura K, Fujinaga K, Iwamori H, Kato Y. 2016. Tracking the spatiotemporal variations of statisticallyindependent components involving enrichment of rare-earth elements in deep-sea sediments., 6(1), 29603.

Yu M, Shi X F, Huang M, Liu J H, Yan Q S, Yang G, Li C S, Yang B J, Zhou T C, Bi D J, Wang H M, Bai Y Z. 2021. The transfer of rare earth elements during early diagenesis in REY-rich sediments: An example from the Central Indian Ocean Basin., 136(8), 104269.

Zhang D X, Liu Y, Pan J Q, Dai T G, Bayless R C. 2019. Mineralogical and geochemical characteristics of the Miaoya REE prospect, Qinling orogenic Belt, China: Insights from Sr-Nd-C-O isotopes and LA-ICP-MS mineral chemistry., 110, 102932.

Zhang Z Y, Jiang Y H, Niu H C, Xing J Q, Yan S, Li A, Weng Q, Zhao X C. 2021. Enrichment of rare earth elements in the early Cambrian Zhijin phosphorite deposit, SW China: Evidence from francolite micro-petrography and geochemistry., 138(2), 104342.

Zhao X C, Yan S, Niu H C, Zhang Q B, Zhao X, Wu J, Yang W B. 2021. Isotopic fingerprints of recycled eclogite facies sediments in the generation of the Huanglongpu carbonatite, central China., 139(5), 104534.

REE Mineral Resources in China: Review and Perspective

HE Hongping, YANG Wubin

(CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny/Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Rare earth elements (REE) have unique physical and chemical properties and are critical raw materials for the high-technology industries. They are known as “industrial vitamins” and are widely used in clean energy, communications, national defense and military industries and other high-tech fields. China is the major producer and consumer of REE. Since the 1990s, China has been the major rare earth producer, providing more than 80% of the global REE supply, especially the heavy REE (up to 90%). The sustainability of the long-term high volume and gross production and the corresponding environmental security issues are becoming matters of concern. Therefore, it is the time to make a review of the REE mineral reserves in China, and to make a perspective on the global REE availability and supply risks. This paper presents a comprehensive review on the REE occurrences, deposit types, reserves, and environmental impacts in China. We suggest that “heavy REE exploration” and “efficient and clean mining” are the long-term goals in future exploration and production of REE mineral resources in China.

rare earth elements; carbonatite-alkaline REE deposit; regolith-host REE deposit; mineral resource availability; mineral supply risk

2022-05-03;

2022-07-26;

2022-09-09

國家重點研發(fā)計劃項目(2021YFC2901705)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目(2019B030302013)、廣東省科技計劃項目(2020B1212060055)和中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院重點部署項目(IGGCAS-201901)聯(lián)合資助。

何宏平(1967–), 男, 研究員, 主要從事黏土礦物學(xué)、礦物表面物理化學(xué)和表生成礦作用等方面的研究。E-mail: hehp@gig.ac.cn

P617

A

1001-1552(2022)05-0829-013

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.001