中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室
2023年中国科学院院士增选结果正式揭晓,中国科学院广州地球化学研究所 何宏平 研究员当选中国科学院院士!何宏平,现任中国科学院广州地球化学研究所所长,研究员,博士生导师。1989年毕业于南京大学地质系,1991年和1999年分别在中科院地球化学所和中科院地质所获矿物学硕士和博士学位。2003-2004年在法国INSA-Lyon从事博士后研究工作。2007年获国家杰出青年基金,现为国家基金委创新群体和国家重点研发计划项目负责人、国家基金委“关键金属”重大研究计划指导专家组成员。
何宏平研究员长期以来主要研究黏土矿物学、矿物晶体化学、矿物表面物理化学、表生成矿等领域,在矿物晶体生长理论、矿物表–界面作用、矿物资源利用等领域取得了系统性创新成果。
何宏平研究员在PNAS、Nature Astronomy、Nature Communications、Nature Sustainability、American Mineralogist等刊物发表SCI论文300多篇,出版专著2部,获国家发明专利51件。论文被SCI他引14000余次(H指数70),入选Elsevier“中国高被引学者榜”;曾获李四光地质科学奖、国际黏土学会杰出成就奖(AIPEA Medal)、美国黏土学会Jackson奖、法-中科学与应用基金会首届Gilles Kahn奖、广东省自然科学一等奖2项、南粤百杰、金锤奖、全国优秀科技工作者等荣誉和奖励,并入选新世纪百千万人才工程国家级人选和美国矿物学会Fellow。现任中国矿物岩石地球化学学会副理事长、国际黏土学会矿物命名委员会委员、美国黏土学会奖励委员会委员和矿物命名委员会委员,昆士兰科技大学兼职教授,Clays and Clay Minerals、Clay Minerals、GSA Bulletin等国际主流期刊副主编。(简介来源:矿物科学与工程公众号)
导读:
稀土是我国的优势资源,我国是稀土生产和消费大国。自20世纪90年代以来,我国一直是主要的稀土生产国,提供了全球80%以上的稀土原材料供给。然而,随着近三十年的大规模稀土开采和初级产品出口,快速消耗了我国稀土资源的优势。目前,我国稀土资源存在轻稀土多重稀土少、采/储比严重失衡等问题,稀土资源优势正在下滑,后劲不足。
目前,我国的稀土资源现状、资源可利用性和资源安全风险如何?未来如何发展?这些都是需要认真考虑的问题。
何宏平院士等在大量分析研究我国68个主要稀土矿床(点)特征基础上,系统概述了我国现有稀土资源储量、主要类型和分布现状,评估了我国稀土资源的可利用性,分析了我国稀土资源安全风险,提出了我国未来稀土资源勘查“保轻扩重,海陆并举”资源勘查和“绿色开采,资环兼顾”开发利用的战略建议,研究成果对保持我国稀土资源优势具有重大现实意义。
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0 引言
21世纪以来,各大国之间对不可再生自然资源的争夺日趋激烈,导致了全球战略资源的供需矛盾的日益加剧,是当前国际局势动荡的重要原因之一。稀土元素(rare earth elements,REE),或简称稀土,是地球化学性质相似的镧系元素和钪、钇等17种金属元素的总称,其中钷是人造放射性元素。人们通常把稀土元素分为轻、重稀土两组,轻稀土包括镧(La)、肺(Ce)、错(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)和铕(Eu)等元素,而重稀土则包括钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)等元素;其中轻稀土也常被称为“铈组”,而重稀土则常被称为"钇组"。此外,也有人将稀土元素分为轻、中、重稀土三组,即将钐(Sm)、铕(Eu)、轧(Gd)、铽(Tb)和镝(Dy)五个元素作为中稀土元素。稀土元素具有特殊的光、电、磁等物理化学特性,可与其他材料合成各种性能优异、品种繁多的新型高性能复合材料,被广泛应用于国防工业、电子产业、新能源等众多领域,因此稀土已成为各国竞相争夺的关键性战略资源。我国是稀土资源大国,已探明的稀土资源储量超过了世界已探明储量的1/3。从20世纪90年代起,我国承担了全球80%以上的稀土原材料供给,特别是中重稀土的供给量超过了90%。采/储比严重失衡、境外新稀土矿床及深海潜在稀土资源的相继发现,使我国现有稀土资源优势和相关产业面临严峻挑战。因此,对我国稀土资源现状和长期需求进行评估及预判事关国家资源安全与经济发展等重大问题。1 我国稀土资源现状
1.1 我国稀土资源储量和分布稀土元素刚被发现时,人们误以为非常稀少,实际上它们在地壳中的丰度并不低。地壳中稀土总含量平均约为147X10-6,其中铈丰度最高,为43xl0-6,远高于铜(27X10-6)和铅(11X10-6)等一些大宗金属元素。在地壳中不同稀土元素丰度差异显著,主要受元素的奇偶效应(Oddo-Harkins效应)和不相容性控制。稀土元素通常以三价形式(REE3+)存在,有时Ce和Eu会以Ce4+和Eu2+的形式存在。由于离子半径和化学价态的相似,稀土元素之间极易发生类质同象置换,导致多个稀土元素共存在同一矿物晶体结构中,而某个稀土元素的单一矿物或矿化较罕见。稀土资源在全球分布极度不均,主要分布在中国、越南、巴西、美国、澳大利亚和俄罗斯等国家。根据美国地质调查局最新的统计数据,全球已探明稀土氧化物(REE2O3,常简写成REO)总资源量约为1.2亿吨,其中我国储量约为4.4千万吨,占全球总量的36.7%(图1)。由于全球市场需求的持续增长,近年来各国都逐渐加强了稀土资源的勘查与开发力度。例如,美国西部Mountain Pass稀土矿床在停产了十余年之后,于2012年重启开采。资料显示,后启动的稀土勘查项目已超过500个,其中部分新发现稀土矿床现已处于钻探验证或开采阶段,主要分布于巴西、澳大利亚、格林兰、加拿大和南非等国家和地区。近年来全球稀土资源储量和分布正在发生明显变化。越南新发现了多个大中型稀土矿床,已成为全球稀土的重要产地之一;日本学者提出南太平洋和印度洋部分地区深海沉积物中富含稀土元素,而且其稀土资源储量巨大,可以作为一种潜在的稀土资源以满足未来日益增长的稀土需求。图2 中国主要稀土矿床(点)分布图
图3 中国主要稀土矿床稀土氧化物品位和储量图
3 战略意义分析
3.1 我国稀土资源产量“中东有石油,中国有稀土”。1992年,中国稀土资源占当时全世界已知储量的80%,其地位可与中东的石油相比,具有极其重要的战略意义。但是,在相当长时间内我国对稀土资源的战略意义认识不足、重视不够,出口创汇是其主要任务之一。20世纪90年代初开始,我国生产的稀土矿石原材料逐渐抢占了美国Mountain Pass的市场份额。1997年之后,我国凭着自身的资源优势、劳动力成本低以及开采环境保护标准不高等因素,一跃成为全球最大的稀土矿石原材料开采和出口国,稀土年产量长期占全球总产量的80%以上,甚至一度高达97%(图4)。图4 1995~2020年期间全球各国稀土氧化物年产量(数据来源于USGS网站)
图5 全球稀土需求量和产量预测
3.3 我国稀土资源安全风险我国是稀土资源大国,但近三十年来大规模的稀土开采和初级产品出口,快速的消耗了我国的稀土资源优势。我国的稀土资源以氟碳铈矿和独居石等富轻稀土的矿物为主(如白云鄂博和川西牦牛坪矿床),而磷钇矿和褐钇铌矿等富重稀土为主的矿物资源量却较少。此外,国外相继开展了大量的稀土勘探项目,并开始关注海底的潜在稀土资源,这使得我国稀土资源优势在全球市场上的竞争力下滑,后劲不足。因此,开展现有稀土资源的深部找矿增储、拓展新的稀土资源基地和增加重稀土资源储量,对保持我国稀土资源优势具有重大现实意义。我国不仅是稀土生产大国,也是消费大国,但资源回收率低,工业生产的稀土原材料和初级产品的附加值不高,这对我国稀土资源造成了极大的浪费,如目前白云鄂博矿床的稀土总回收率不足20%。此外,我国大规模生产的稀土氧化物和稀土合金材料是我国出口的主要稀土产品,长期为美国、日本和欧盟等国提供初级原材料。低端稀土产品的大量出口固然可以带来一时的经济效益,但也给我国稀土资源的战略储备安全带来了隐患。据此,大力发展稀土开采和高效提取技术、严格管控稀土原材料和低端产品的生产与出口,应是保障我国稀土相关产业可持续发展的当务之急。此外,大规模稀土生产的生态环境风险也不容忽视。稀土矿区土壤、河水、沉积物及农作物中稀土元素含量远高于非矿区。例如,江西某地小白菜中的稀土总量高达79x10-6,远高于非矿区的0.58x10-6。毒理学研究表明,成人的稀土元素允许日摄入量约为2~36mg,同时重稀土元素毒性远高于轻稀土元素。如果人体摄入过量稀土元素,会导致肝脏、骨骼等组织损伤,以及血液成分改变等一系列生理和病理变化。还有研究认为,稀土元素异常区儿童的智商和记忆力较其他地区有偏低的趋势,并推测稀土元素可能会影响大脑功能。最新调查结果表明,即使在远离稀土矿区的某大型城市,区域内河流水系底泥中稀土元素含量可能是全国土壤平均含量的2~3倍。相对较高浓度稀土元素含量对生态环境的长期影响目前尚缺乏详细的研究和评估标准,但稀土作为一类具有生态环境毒性的重金属元素,使得华南地区大面积出露的风化壳型稀土有可能会成为“环境化学定时炸弹”。因而,严格管控稀土资源的粗放式开采、大力研发新一代绿色高效开采技术对我国生态环境和人民健康都有重要意义。4 未来展望
近年来,我国稀土产业的快速发展,不仅满足了国内经济社会发展的需求,也为全球稀土供应做出了重要贡献。但是,这种短期的蓬勃发展以资源过度消耗和严重的环境问题为代价,是不可持续的。因此,基于国家安全和经济可持续发展的需求,必须加强我国稀土资源的长远规划,一方面需要加强成矿基础理论的研究,另一方面需要特别重视资源勘查和清洁利用技术的研发。在稀土成矿理论方面,需要重点关注以下几个关键问题:①为什么只有极少数碱性岩体含有稀土矿床?②为什么大部分稀土矿床都是以轻稀土为主?③地质球历史时期和现今海相沉积物中的稀土资源的形成机制及可利用性如何?在资源勘查和清洁利用方面,可以考虑如下两方面的举措:一是“保轻(稀土)扩重(稀土)”,增加我国稀土资源战略储备;二是“绿色开采”,加强绿色、高效的稀土开采与利用技术的研发,实现稀土资源的清洁和高效利用。“保轻扩重,海陆并举”,从大陆和海洋两方面同时开展稀土资源勘查,以保障我国轻稀土资源储量优势并扩大重稀土资源储备。碱性岩型稀土矿床是全球最主要的稀土资源类型,且分布广、遍及主要稀土资源国家,与其他稀土矿床类型相比,该类矿床具有“易采、易选、易冶”等优势,经济效益高。我国川西稀土矿集区和山东微山稀土矿均属于碱性岩型优质轻稀土矿,且深部找矿的潜力很大。以川西稀土矿集区为例,该矿集区已探明稀土资源巨大,仅牦牛坪和大陆槽两个矿床稀土氧化物的储量就近500万吨,还相继发现了麦地沟、马则壳、里庄、羊房沟、木落寨和马颈子等多处稀土矿床(点)。且在该矿集区近30年勘查和勘探主要集中在距地表500m以浅的范围,如牦牛坪矿区共实施钻探总进尺近50000m,但单孔最深仅为530m。2017〜2021年,中国科学院广州地球化学研究所牵头承担的国家重点研发计划“稀土元素成矿系统与资源基地深部探测”项目在该矿区实施了两个千米钻孔,发现深部仍存在大规模具有工业价值的稀土矿体。同样,目前大陆槽矿区已完成钻探总进尺11000m,但单孔最深仅为550m。显然,川西稀土矿集区的勘探深度与国土资源部2008年提出的主要固体矿产工业矿体勘查深度要推进到1500m的要求相差甚远,其深部找矿潜力较大,是开展深部探测增储最理想的地区。此外,华南离子吸附型稀土矿床是我国重要的稀土资源类型之一,具有储量大、分布广、中重稀土含量高和放射性低等特点,其巨大的经济价值和战略意义现已备受关注。由于我国华南的独特地质和气候条件,该类矿床的进一步找矿增储空间也很大,例如,2016年广西平南县新发现了一处离子吸附型稀土矿,其稀土氧化物约有20万吨。另外,海相沉积物中的稀土资源或将是未来稀土的重要来源,例如,现今太平洋和印度洋海底的富稀土软泥,以及贵州织金地区的前寒武纪海相沉积岩中的富稀土磷块岩等。针对这类稀土资源开展前瞻性的基础理论与利用技术研究,将有助于开拓新的稀土资源,特别是开拓重稀土资源,为我国持续主导国际市场稀土资源供给提供知识与技术支撑。“绿色开采,资环兼顾”就是既要金山银山又要绿水青山,实现稀土资源的清洁和高效利用,以保障我国稀土产业全链条的可持续发展。传统粗放式开采方式、廉价稀土原材料和低端产品的大量出口,不仅过度地消耗了我国稀土资源,还对生态环境带来了严重威胁,不符合我国相关产业的经济利益,甚至将危害我国自身的稀土需求和国家安全。因此,我国必须加强对稀土资源和相关产业的技术研发和基础设施的投入。首先,应加强对我国特色稀土矿床的基础地质研究,积极推进绿色矿山和综合利用示范基地建设,开发绿色、高效开采和提取技术,大幅度提高稀土回收率,支持开发新一代的稀土开采技术和选矿设备,提高稀土选矿回收率,开展贫矿和尾矿中低品位稀土的人工诱导再富集技术的研发。其次,加快建立规范稀土开采、生产和监管的长效机制,深入推进稀土企业兼并重组,淘汰落后工艺和产能,实现规模化、集约化生产。同时,要高度重视稀土资源的综合利用,促进稀土元素的平衡利用,鼓励La、Ce等相对丰富轻稀土元素的应用研究,加快开发Eu、Tb、Dy等稀缺重稀土元素的减量与替代技术,推进其他伴生金属在选矿和冶炼过程中的综合回收利用,关注稀土矿中铌、钍、萤石和重晶石等伴生资源的回收利用。此外,要大力发展循环经济,积极开展稀土二次资源回收再利用。例如,鼓励开发稀土废旧物收集、处理、分离、提纯等方面的专用工艺、技术和设备,支持建立专业化稀土材料综合回收基地,对稀土火法冶金熔盐、炉渣、稀土永磁废料和废旧永磁电机、废稀土荧光灯、失效稀土催化剂、废弃稀土抛光粉,以及其他含稀土的废弃元器件等进行稀土资源二次回收再利用。更为重要的是,需要大力提升我国稀土产业的科技含量和稀土产品的附加值,严格限制稀土原材料和低端产品的出口。至今为止,我国尚不能大规模量产混合动力汽车发动机、高性能激光系统和航空发动机等高科技稀土产品,需要从美日欧等国家大量进口,然而其原材料都来自于我国出口的廉价稀土原材料和初级产品。高端产业链的缺失,不利于我国稀土产业的可持续发展,也必将严重损害我国稀土产业在全球市场上的话语权,同时对我国经济发展和国防安全带来不可估量的威胁。
致谢:感谢中国科学院青年创新促进会广州地球化学研究所小组的邀稿,感谢中国科学院地质与地球物理研究所范宏瑞研究员和中国科学院地球化学研究所陈伟研究员在审稿过程中对本文提出的建设性修改建议。
原文来源:大地构造与成矿学. doi: 10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.001
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