我国“三稀矿产”的资源特征及开发利用 | 中国工程院院刊
难度最大而具有革命性意义的,是锂作为可控核聚变的基础原材料!
作者:王登红,孙艳,代鸿章,郭唯明,赵芝,赵汀,李建康,王成辉,黄凡,于扬,李德先
编者按
我国“三稀矿产”总体上资源丰富,既是资源大国,也是主要生产国和出口国,但因为深加工技术落后、环境代价太大、战略意识不强等原因而始终拿不到市场的话语权。目前,我国已经进入科技创新引领社会发展的关键时期,“三稀矿产”的开发和综合利用将带来无限的创新潜力。
中国工程院院刊《中国工程科学》刊发《我国“三稀矿产”的资源特征及开发利用研究》,通过梳理2011年以来全国“三稀矿产”资源调查和找矿过程中积累的资料,总结了我国稀有、稀土和稀散元素矿产的主要特点,提出了具体的开发利用建议,进一步强调“稀土不土,稀有常有,稀散不散”的禀赋特征,提出了开发利用过程中“稀土管得着,稀有找得到,稀散用得好”的基本思路。
一、稀有金属矿产资源的主要特点与开发利用
我国稀有金属除锶矿在世界资源储量中占优势地位外,其余矿种均因赋存状态、矿床类型等原因不具备竞争力。其贸易结构主要为低端出口,高端进口。加强找矿、调整产业结构、扩宽应用领域已迫在眉睫。
(一)锂(Li)的主要特点与开发利用
锂在冶金领域可用于制造各种合金,目前主要应用于原子能、特种合金、特种玻璃和新能源电池等领域,尤其是在锂电池方面的广泛应用而被称为“能源金属”,既是高科技新兴产业所必需的高端材料,也成为老百姓日常生活所必需的常规材料。
锂矿床按地质成因可划分为花岗伟晶岩型、卤水型、云英岩化花岗岩型和富锂黏土型四类。卤水型是锂矿床最重要的类型,但花岗伟晶岩型锂矿因常伴生多种稀有元素可作综合利用,黏土岩型锂矿也作为“潜在”资源应被高度重视。
对锂资源的开发利用,难度最大而具有革命性意义的是锂作为可控核聚变的基础原材料在民用发电方面的应用。据科学家计算,1 kg锂通过热核反应放出的能量相当于两万多吨优质煤的燃烧。我国四川甲基卡地区的锂矿是全球已知锂矿中6 Li 富集度最高的,其战略意义非同小可,应予以高度重视。我国锂的主要成矿区带和找矿远景区主要有:青藏高原盐湖型锂成矿带、新疆阿尔泰伟晶岩型稀有金属成矿带、川西伟晶岩型稀有金属成矿带和华南铌钽锂成矿带(包括幕阜山-九岭-武功山一带和南岭、武夷山成矿带)。
从发展趋势看,随着新能源、新材料行业的快速发展,以电池级碳酸锂为代表的高端锂产品需求强劲,特别是动力电池、特种工程塑料等领域需求旺盛,成为锂产品行业的主要增长点。目前中国的锂产品主要集中于工业级碳酸锂、氢氧化锂等生产难度小、附加值低的传统锂产品。在高端锂产品加工方面,中国与国际先进水平还存在较大的差距,供应不足,需要大量进口。深加工技术水平的高低决定了企业的竞争力,也决定了中国锂行业在国际竞争格局中的定位。因此,加快中国锂资源的开发,丰富锂产品种类,进行产品结构升级换代,开发各类高端锂产品,提升综合竞争力,成为中国锂行业的紧迫任务。
(二)铍(Be)的主要特点与开发利用
铍主要以铍铜合金和铍金属的形式广泛用于航空、航天和核反应堆等领域,是新兴产业发展必需的战略性金属矿产资源。铍铜合金在民用领域具有广泛的前途,如用铍青铜制成的弹簧可以压缩几亿次以上。铍具有良好的耐腐性和高温强度,热导率大,具良好的辐射透过性和对中子慢化、反射及红外线的反射性能。
铍矿以花岗伟晶岩型最重要,储量也大,其余还包括接触交代型铍矿、火山热液型铍矿、云英岩型铍矿及石英脉型铍矿等。
中国铍矿产资源丰富,分布在 14 个省区。中国已探明的铍储量以伴生矿产为主,主要与锂、钽铌矿伴生(占 48%),其次与稀土矿伴生(占27%)或与钨矿伴生(占 20%)。花岗伟晶岩型是我国最主要的铍矿类型,约占总储量的一半,主要产于新疆、四川、云南等地。热液石英脉型铍矿具有规模中等、品位较富、矿物结晶较粗等特点,主要分布在中南及华东地区。花岗岩型铍矿多见于地槽褶皱带,成矿时代以中生代为主,如新疆青河县阿斯喀尔特铍矿;另一种以钽铌为主,伴生铍等稀有金属,如江西宜春 414 矿。中国铍矿产资源具有分布高度集中、单一矿床少、共伴生矿床多、品位低、储量大等特点。
我国铍的对外依存度高,加强找矿乃当务之急。新疆阿尔泰和川西稀有金属成矿带中的铍矿仍然具有找矿前景,而西藏高喜马拉雅与淡色花岗岩有关的岩体型铍矿及其接触带中的矽卡岩型或类矽卡岩型铍矿与湘鄂赣幕阜山地区的铍矿具有相似性,前者近年来取得了找矿进展,可作为资源储备对待。中国钨矿资源特别丰富,而铍是钨矿经常共伴生产出的资源,需要注意在钨矿区寻找独立的铍矿。这是具有现实意义的找矿新方向,至少在秦岭成矿带的雪宝顶,既有独立的钨矿脉也有共伴生的钨铍矿以及独立的铍矿体。东秦岭、滇西(如麻花坪)、滇东南(如麻栗坡)等钨锡铍多金属成矿带都有类似情况,找矿前景大。对于南岭钨锡多金属成矿带,可以根据矿床成矿系列的理论寻找其他类型。东南沿海霞浦大湾及新疆准噶尔盆地西北边缘发现的火山岩型铍矿床,给近年来的铍矿勘查注入新的活力。
(三)铌和钽(Nb、Ta)的主要特点与开发利用
铌和钽具有熔点高、延性好、蒸汽压低、耐蚀性强和热导率高等优良特性,是电子、原子能、宇航、钢铁、化工等工业的重要原料,在新兴产业发展中用途广泛。铌钽资源主要来自于碳酸岩风化壳型矿床、含铌铁矿 – 钽铁矿的花岗岩及花岗伟晶岩矿床和砂矿床,以碳酸岩风化壳型最重要。中国的钽资源禀赋差,大规模露采的矿山较少,尚未找到独立的铌矿。由于中国规定的花岗岩型和花岗伟晶岩型钽铌矿床的最低工业品位指标定得过低,因此,虽然钽储量和基础储量大,但实际上难以开发。因此,我国的铌钽仍需大量进口。
中国铌钽矿资源有以下特点:
①产地分布广泛,资源又相对集中。已探明的铌矿分布于全国17个省区,但高度集中在内蒙古和湖北两省区,其占全国铌资源量的95.5%;
②中国已利用铌矿的铌钽品位低,与国外铌钽矿石品位相比大大偏低;
③共生矿物复杂,选冶困难;
④资源量很大,但可供利用的矿产地和储量却很少。
因此,必须加大找好矿(品位高、易采选)的力度。一方面在江西宜春(414)、江西横峰葛源、福建南平等老矿区寻找优质资源、接替资源,另一方面也要加大对大兴安岭成矿带巴尔哲铌–稀土矿床、湖北竹山庙垭碳酸岩型铌–稀土矿、湖北通城断峰山伟晶岩型钽铌矿以及近年来新发现的稀有金属矿床(如内蒙古武川县赵井沟)的综合研究,争取在大吨位、高品位铌钽矿床方面有所突破。
铌钽最主要的特点是耐热,被称为稀有高熔点金属,高纯 Nb2O5(>99.9%)主要应用于高科技领域;全世界 60% 以上的钽金属用于制造电子产品。巴西是世界最大的铌矿产地,澳大利亚是最大的钽矿生产国。中国以东方钽业为代表的大型硬质合金集团和诸多钽铌及其合金应用企业,形成了从采矿、冶炼、加工到应用较完整的工业体系,生产规模、工艺技术、生产装备、检测手段、产品质量均跃上了新台阶,使我国跨进世界钽产品生产和钽产品应用的大国行列。
美国、俄罗斯和中国,对于铌钽的战略意义一直以来都非常重视,随着新兴产业的发展,对于铌钽的重视程度将有增无减。我国对现有资源的管理还不到位,如海南的滨海砂矿曾经被乱采滥挖,不但损耗了资源也破坏了环境;另一方面是对成矿条件、成矿规律等基础地质工作重视不够,资源潜力不明,找矿进展不大,可持续发展问题比较突出。加强地质找矿,深入研究现有资源的合理开发利用技术方法,提高资源的保障程度,乃当务之急。
(四)锆(Zr)的主要特点与开发利用
锆被称为“稀有金属”,是因为纯锆的冶炼相当困难。在寻找高品位的锆原材料的同时,需加大冶金方面的创新力度。中国锆矿资源可分为砂矿和硬岩型锆矿两大类,探明储量仅为 5×105 t,不足全球锆资源的 1%。国外大部分锆资源来自于滨海砂矿,我国锆砂很少,因此资源结构十分不利。中国锆石砂矿分布于东南沿海,以广东南部海岸和海南岛东海岸最为集中;硬岩矿则散布于内蒙古和南方各省区。探明储量在 1×105 t 以上的省区有内蒙古、海南、广东、云南和广西,其储量合占全国的 97.6%。砂矿以海南最多,储量占全国的67%,但大部分已消耗,剩余资源出于环境保护的需要而不再开发。
金属锆按用途分为原子能级和工业级两个级别。此外,一些具有一定重量、无色或色泽鲜丽、透明的优质锆石,可用作宝石级原料。
中国锆矿的资源特点为:分布不均,储量相对集中;富矿少,伴生矿产多;矿床类型较齐全,分布规律清晰;易采选,可综合开发利用;放射性偏高。
我国锆矿资源不具备市场竞争力,硬岩型矿床几乎全是低品位伴生矿,海滨砂矿则主要分布在环境保护区。而这两大类型又恰恰是中国锆矿的主要类型,为了从战略上保证国家安全,建议如下:
①在滨海非环境保护区或基建区优先开展砂矿资源调查,必须按规定进行“压覆资源调查评估”,先回收资源再开展建设;
②在低品位硬岩型原生矿分布区开展高品位锆矿的找矿工作,取得找矿突破是可能的;
③在成矿地质条件具备的地区探索国际上最优质的风化壳型或残坡积砂矿的可能性;
④加强管理,立足国内,适当进口,限制出口,避免恶性竞争;
⑤加强技术创新和理论创新,充分提高已有资源的利用效率,改善产品结构。
(五)铪(Hf)的主要特点与开发利用
铪是稀有金属中的分散元素,或者分散元素中的稀有金属。铪的用量小,却是高技术领域必不可少的原材料。世界85%的铪以金属形式用作核反应堆的控制棒和紧急停堆棒,3%用作合金添加剂。铪往往与锆共伴生,但作为原子能反应堆结构材料的锆必须除铪,以保证中子捕获截面达到0.18巴恩。中国海绵铪的生产始于1966年,主要用作核潜艇及原子能反应堆芯的控制棒。
中国铪矿床的类型包括海相沉积型(滨海型)、河流冲积型、风化壳及残坡积型、碱性花岗岩型和伟晶岩型,但难以形成独立矿床且品位低,工业原料主要是锆石。
开发利用建议如下:
①加强铪的综合利用,尤其是要加强对伴生铪的综合查定和综合评价工作;
②加强资源开发和综合利用基础学科、边缘学科的研究,开拓新领域;
③改进和提高矿床物质成分研究的技术方法;
④把有关科学和工业技术新进展运用到地质工作中,提高铪的回收率和工业利用率;
⑤摸清资源家底,建立原料基地;
⑥努力提高铪产品质量,实行保护性开发;
⑦建立健全相应的科研机构,提高应用和研发水平;
⑧在地质勘查工作中切实加强综合评价;
⑨重视废杂金属的再生回收和环境保护。
(六)锶(Sr)的主要特点与开发利用
工业上用于提取锶原料的主要是天青石和菱锶矿。截至2011年,中国天青石储量为1.545×10 7 t,占世界探明锶储量的69.4%。已探明的天青石锶矿床以大型、特大型单一锶矿为主,储量约占总储量的87%。主要分布在7个省区,其中青海省约占全国天青石储量的95.6%,其次是重庆、江苏和云南。四川什邡磷矿中的硫磷铝锶矿、云南金顶铅锌矿中的伴生锶以及含锶卤水中的共伴生锶资源,在一定程度上也得到了综合利用。
中国是世界锶产品的主要生产国,2013年的产量约占世界产量的40%,其中80%以上供出口。锶产品中碳酸锶是最主要的锶化合物,其用量约占锶产品总量的80%。目前全球的碳酸锶年产能约4×105 t,中国约占 2.6×105t。中国是锶资源大国,但目前在产业发展中也存在一些问题:①开发形势严峻。由于采富弃贫式开采,损失率较高,资源浪费较严重。中国锶矿已开采多年,在采矿山纷纷进入了尾采期;②产品质量较低,高品质锶需进口。
目前国内外均注重资源的综合利用,建议如下:
①加强锶矿开采和锶化工生产管理,保护锶矿资源;
②调整产业结构,限制矿石直接出口;
③重视伴生锶矿的综合评价;
④加强锶矿成矿理论研究及远景预测;
⑤扩宽锶的应用领域,积极研发高端产品。
(七)铷和铯(Rb、Cs)的主要特点与开发利用
铷和铯具有优异的光电性能,在新兴产业中的应用具有广阔前景。在自然界尚没有独立的铷矿物,铷主要从锂云母、铁锂云母和光卤石中提取,属于稀有金属中的“分散元素”。中国主要铷、铯矿床共有产地13处,其中特大型5处,大型2处,中型l处,小型5处。中国铷矿的品质远远不如国外,如加拿大伯尼克湖-坦科矿床中Rb2O的含量是1.0%,而我国江西宜春414矿床只有0.22%。
铷矿床的主要类型包括:①锂云母钠长石花岗岩型;②花岗伟晶岩及天河石花岗岩型;③花岗岩体中钨、锡矿脉周围云英岩化作用所形成的白云母及锂云母中的铷,有时也可达到工业要求;④盐类矿床。
铯矿床的主要类型包括:①锂云母钠长石花岗岩型;②伟晶岩型;③钨、锡矿脉及云英中的白云母及铁锂云母等矿物中的铯,有时也可达工业要求;④钾盐矿床;⑤盐湖型铯矿;⑥现代温泉。目前可工业开采的主要为含铯伟晶岩,占总储量的98%,主要分布于新疆的阿尔泰地区和江西的宜春。宜春锂云母中铯的储量占我国铯储量的40%以上,居全国第一。新疆冶金研究所从1958年开始,用阿勒泰铯榴石进行小批量氯化铯的生产,年产纯度为99%的产品2t左右。铷铯无独立矿山,一般从其他矿床中作为共伴生组分回收。
中国铷、铯资源具有分布广,矿床类型多但资源集中,成矿时代集中,独立矿床少,开发利用难度大等特点。中国在开发铷矿时应注意:
①充分利用已有矿山的尾矿资源;
②加强低品位铷矿资源的选矿工艺研究,寻找高品位的云母型铷矿源;
③对西藏盐湖铯资源开展可利用性评价;
④加强铷、铯资源的综合利用研究;
⑤完善中国铷、铯工业生产相关标准。
中国的铯储量虽然在世界上也名列前茅,但多为锂云母中伴生铯,而铯榴石矿储量较少,资源禀赋不利。
二、稀土矿产资源的主要特点及开发利用
三、稀散元素矿产资源的主要特点及开发利用
四、结语
注:本文内容呈现略有调整,若需可查看原文。
扩展阅读:
阅读原文背景简介:文章2021年2月20日发表于微信公众号 中国工程院院刊(战略研究丨我国“三稀矿产”的资源特征及开发利用),风云之声获授权转载。 责任编辑:孙远
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