中国科学院国家科学图书馆 科学研究动态监测快报 201年2月1日第3期(总第105期) 地球科学专辑 中国科学院资源环境科学与技术局 中国科学院国家科学图书馆兰州分馆 中国科学院国家科学图书馆兰州分馆 甘肃省兰州市天水中路8号 邮编:730000电话:0931-8271552 http://www.llas.ac.cn
中国科学院国家科学图书馆 中国科学院国家科学图书馆 中国科学院国家科学图书馆 中国科学院国家科学图书馆 科学研究动态监测快报 2011 年 2 月 1 日 第 3 期（总第 105 期） 地球科学专辑 ═════════════════════════════════════════ 中国科学院国家科学图书馆兰州分馆 甘肃省兰州市天水中路 8 号 邮编：730000 电话：0931-8271552 http://www.llas.ac.cn 中国科学院资源环境科学与技术局 中国科学院国家科学图书馆兰州分馆
地球科学专辑 2011年第3期(总105期 目录 专题 美国主要稀土矿产一一国内概况与全球展望 全球稀土矿业形势浅析 短讯 科学家提出计算地壳形成时间的新方法 12 科学家再次测定夏威夷岩浆库深度 专辑主编:张志强 执行主编:郑军卫 本期责编:赵纪东 E-mail: zhaojdallasaccn
地球科学专辑 2011 年第 3 期（总 105 期） 目 录 专 题 美国主要稀土矿产——国内概况与全球展望...........................................1 全球稀土矿业形势浅析............................................................................. 7 短 讯 科学家提出计算地壳形成时间的新方法................................................ 12 科学家再次测定夏威夷岩浆库深度........................................................ 12 专辑主编：张志强 执行主编：郑军卫 本期责编：赵纪东 E-mail：zhaojd@llas.ac.cn
专题 编者按:稀土元素( Rare earth elements,REE)包括原子序数从57到71的15 种镧系元素,以及钇〔原子序数39,其化学性质与镧系元素相似)。如果以吨来计 算,这些元素在工业上的需求量相对很小,但它们却是许多高技术应用的必需品, 如风力发电、电动汽车、节能照明等。同时,稀土也是许多核心囯防防御系统和先 进材料的关键。2010财年的美国国防授权法案( National Defense Authorization act 要求总审计长( Comptroller General)完成一份基于国防供应链的稀土材料评估报告 因此,美囯工业政策办公室与其他美囯政府杋构进行合作,开始对稀土进行详细研 究。为了帮助完成该项工作,美囯地质调查局(USGS)从全球背景出发,对美国稀 土资源和储量进行了研究,于2010年11月中旬发布了名为《美国主要稀土矿产 囯内概况与全球展望》( The Principal Rare Earth Elements Deposits of the United States- A Summary of Domestic Deposits and a global Perspective)的报告。该报告主 要对美国囯内的稀土资源和储量等进行了非技术性的评估,在此,我们对其核心内 容作一简要介绍 美国主要稀土矿产——国内概况与全球展望 1全球展望 1稀土元素地壳丰度高,但可采量低 大部分稀土元素其实并不如“稀土”这个名字所表示的那样稀有。之所以称作 稀土,是因为大部分稀土元素是在18世纪和19世纪期间以稀有矿产(当时很稀少) 中的氧化物组成成分被发现的。铈(Ce)是稀土元素中地壳丰度最高的一种元素, 其在地壳中比铜和铅还要常见。同时,除钷(Pm)外,其他稀土元素的丰度比银和 汞还要高( Taylor and McLennan,1985)。因为稀土元素基本都为+3价,且具有相似 的离子半径,所以稀土元素经常在地壳中被集中发现。 尽管稀土元素在地壳中相对比较丰富,但是,它们在可开采矿床中的含量却非 常小。据估计,稀土元素在地壳中的平均浓度在百万分之150~220这样一个范围内 这远远超过了其他以工业规模开采的金属,如铜(其丰度为百万分之55),锌(其 丰度为百万分之70)。与大多数商业开采的贱金属和贵金属不同,稀土元素在可开 采矿床中的富集量很小。稀土元素的富集主要与罕见的火成岩类密切相关,即碱性 岩和碳酸岩类。在砂矿、火成岩深度风化形成的残积矿( residual deposit)、伟晶岩 矿、铁氧化物铜-金矿床、海洋磷酸盐矿中均发现有达到潜在可利用浓度的含稀土元 素的矿物 1.2稀土矿组成复杂,且具放射性
1 专 题 编者按：稀土元素（Rare Earth Elements，REE）包括原子序数从 57 到 71 的 15 种镧系元素，以及钇（原子序数 39，其化学性质与镧系元素相似）。如果以吨来计 算，这些元素在工业上的需求量相对很小，但它们却是许多高技术应用的必需品， 如风力发电、电动汽车、节能照明等。同时，稀土也是许多核心国防防御系统和先 进材料的关键。2010 财年的美国国防授权法案（National Defense AuthorizationAct） 要求总审计长（Comptroller General）完成一份基于国防供应链的稀土材料评估报告 。 因此，美国工业政策办公室与其他美国政府机构进行合作，开始对稀土进行详细研 究。为了帮助完成该项工作，美国地质调查局（USGS）从全球背景出发，对美国稀 土资源和储量进行了研究，于 2010 年 11 月中旬发布了名为《美国主要稀土矿产—— 国内概况与全球展望》（The Principal Rare Earth Elements Deposits of the United States—A Summary of Domestic Deposits and a Global Perspective）的报告。该报告主 要对美国国内的稀土资源和储量等进行了非技术性的评估，在此，我们对其核心内 容作一简要介绍。 美国主要稀土矿产——国内概况与全球展望 1 全球展望 1.1 稀土元素地壳丰度高，但可采量低 地壳丰度高，但可采量低 地壳丰度高，但可采量低 地壳丰度高，但可采量低 大部分稀土元素其实并不如“稀土”这个名字所表示的那样稀有。之所以称作 稀土，是因为大部分稀土元素是在 18 世纪和 19 世纪期间以稀有矿产（当时很稀少） 中的氧化物组成成分被发现的。铈（Ce）是稀土元素中地壳丰度最高的一种元素， 其在地壳中比铜和铅还要常见。同时，除钷（Pm）外，其他稀土元素的丰度比银和 汞还要高（Taylor and McLennan, 1985）。因为稀土元素基本都为＋3 价，且具有相似 的离子半径，所以稀土元素经常在地壳中被集中发现。 尽管稀土元素在地壳中相对比较丰富，但是，它们在可开采矿床中的含量却非 常小。据估计，稀土元素在地壳中的平均浓度在百万分之 150～220 这样一个范围内 ， 这远远超过了其他以工业规模开采的金属，如铜（其丰度为百万分之 55），锌（其 丰度为百万分之 70）。与大多数商业开采的贱金属和贵金属不同，稀土元素在可开 采矿床中的富集量很小。稀土元素的富集主要与罕见的火成岩类密切相关，即碱性 岩和碳酸岩类。在砂矿、火成岩深度风化形成的残积矿（residual deposit）、伟晶岩 矿、铁氧化物铜-金矿床、海洋磷酸盐矿中均发现有达到潜在可利用浓度的含稀土元 素的矿物。 1.2 稀土矿组成复杂，且具放射性
稀土矿在矿物学和化学上非常复杂,且通常情况下具有放射性。一般而言,单 矿物相的金属很容易分离,而双矿物相或多矿物相金属的分离则存在很大困难。 尽管目前已经具有多矿物相连续分离的加工能力,但这并不总是具有成本效益。因 此,到目前为止,稀土生产很大程度上来自于单矿物相矿床,如中国的白云鄂博(氟 碳铈矿)、美国的 Mountain pass(氟碳铈矿)、印度的重矿物砂矿(独居石)。加工流 程方面,稀土矿经一次分离后,含有的稀土元素仍多达14种(镧系和钇),所以, 仍然需要许多步骤来进一步分离出稀土元素,并去除相关杂质。冶金学上的这种复 杂性归因于没有2种稀土矿物是真正相同的,因此也没有标准的开采和冶炼方法。 稀土矿中的主要有害杂质是钍(Th),这给其带来了不必要的放射性。因此,除 了面对复杂的加工流程外,还要处理由此带来的安全问题,所以大大妨碍了放射性 较强的稀土矿的经济开采,特别是独居石类(在20世纪9年代该类稀土矿曾一度 被市场放弃)。 13轻稀土元素较重稀土元素辛富 不同稀土元素在某一个矿体中的相对含量变化很大。主要差别反映在轻稀土 元素与重稀土元素的相对比例上,与平均地壳丰度相比,稀土矿体中富含轻稀土 元素(从镧到钆)。相比之下,很多稀土矿体明显缺少重稀土元素(从铽到镥)。 只有极少数矿床含有相对比较丰富的重稀土元素,大多数情况下,含有磷钇矿的 矿床是重稀土矿物的主要产出者。 铈是稀土元素中最为丰富的一种元素,其可用量已经超过了传统利用水平下的 需求。目前,考虑开发中的很多稀土矿床富含轻稀土元素,一旦投产,将使铈市场 出现供大于求的状况。相比之下,由于储量有限,重稀土元素处于供应短缺的状况 些稀土元素,如镥,十分紧缺 14多以副产品形式被开发 当对一个采矿项目的经济可行性进行评估后,潜在的矿产产品便分为主要产品 及副产品2种。主要产品,例如,一个锌矿中的锌,是矿物生产中价值贡献最大的 物质。一般来说,从主要产品中获得的回报,足以支付开采和加工的成本。其他产 品都被称为副产品( byproduct,从这部分产品得到的回报通常是对矿山整体盈利能 力的增强。如果获得2个或者2个以上具有基本价值的产品,它们便被称为副产物 稀土矿业中的一个明显特征是,富含稀土元素的矿物常常以副产品或副产物的 形式在开采其他矿产品的时候被开采,而不是以主要产品的形式被开采。中国当前 (2010)供应着全球稀土96%的稀土产品(表1、表2),在120000吨的总供应量 中,有55000吨来自内蒙古的白云鄂博矿山,且均为副产品,这一事实意味着全球 稀土产品中至少有44%是以副产品形式被开发的。中国的其余供应量中,有25000
2 稀土矿在矿物学和化学上非常复杂，且通常情况下具有放射性。一般而言，单 一矿物相的金属很容易分离，而双矿物相或多矿物相金属的分离则存在很大困难。 尽管目前已经具有多矿物相连续分离的加工能力，但这并不总是具有成本效益。因 此，到目前为止，稀土生产很大程度上来自于单矿物相矿床，如中国的白云鄂博（氟 碳铈矿）、美国的 Mountain Pass（氟碳铈矿）、印度的重矿物砂矿（独居石）。加工流 程方面，稀土矿经一次分离后，含有的稀土元素仍多达 14 种（镧系和钇），所以， 仍然需要许多步骤来进一步分离出稀土元素，并去除相关杂质。冶金学上的这种复 杂性归因于没有 2 种稀土矿物是真正相同的，因此也没有标准的开采和冶炼方法。 稀土矿中的主要有害杂质是钍（Th），这给其带来了不必要的放射性。因此，除 了面对复杂的加工流程外，还要处理由此带来的安全问题，所以大大妨碍了放射性 较强的稀土矿的经济开采，特别是独居石类（在 20 世纪 90 年代该类稀土矿曾一度 被市场放弃）。 1.3 轻稀土元素较重稀土元素丰富 轻稀土元素较重稀土元素丰富 轻稀土元素较重稀土元素丰富 轻稀土元素较重稀土元素丰富 不同稀土元素在某一个矿体中的相对含量变化很大。主要差别反映在轻稀土 元素与重稀土元素的相对比例上，与平均地壳丰度相比，稀土矿体中富含轻稀土 元素（从镧到钆）。相比之下，很多稀土矿体明显缺少重稀土元素（从铽到镥）。 只有极少数矿床含有相对比较丰富的重稀土元素，大多数情况下，含有磷钇矿的 矿床是重稀土矿物的主要产出者。 铈是稀土元素中最为丰富的一种元素，其可用量已经超过了传统利用水平下的 需求。目前，考虑开发中的很多稀土矿床富含轻稀土元素，一旦投产，将使铈市场 出现供大于求的状况。相比之下，由于储量有限，重稀土元素处于供应短缺的状况。 一些稀土元素，如镥，十分紧缺。 1.4 多以副产品形式被开发 多以副产品形式被开发 多以副产品形式被开发 多以副产品形式被开发 当对一个采矿项目的经济可行性进行评估后，潜在的矿产产品便分为主要产品 及副产品 2 种。主要产品，例如，一个锌矿中的锌，是矿物生产中价值贡献最大的 物质。一般来说，从主要产品中获得的回报，足以支付开采和加工的成本。其他产 品都被称为副产品（byproduct），从这部分产品得到的回报通常是对矿山整体盈利能 力的增强。如果获得 2 个或者 2 个以上具有基本价值的产品，它们便被称为副产物 （coproduct）。 稀土矿业中的一个明显特征是，富含稀土元素的矿物常常以副产品或副产物的 形式在开采其他矿产品的时候被开采，而不是以主要产品的形式被开采。中国当前 （2010）供应着全球稀土 96％的稀土产品（表 1、表 2），在 120 000 吨的总供应量 中，有 55 000 吨来自内蒙古的白云鄂博矿山，且均为副产品，这一事实意味着全球 稀土产品中至少有 44％是以副产品形式被开发的。中国的其余供应量中，有 25 000
吨来自南方的铁吸附型矿床,这里的稀土以主产品的形式被开发。总体而言,全球90 %的稀土产品属于副产品或副产物 表12009年全球主要稀土矿山的生产情况 2009出口量 国家 矿山 主产品 副产品 (吨TREO) 巴西 北布埃纳 钛铁矿精矿 独居石精矿 白云鄂博 55000 铁矿 氟碳铈矿精矿 中国 四川* 10000 氟碳铈矿精矿 中国南部* 45000 稀土 印度 重矿物砂矿 2700 钛铁矿精矿 独居石精矿 马来西亚怡保砂矿 380 锡石精矿 磷钇矿精矿 俄罗斯 洛沃泽罗 2500 铈铌钙钛矿精矿稀土氯化物 多数为小型生产者和少数为大中型生产者,数据为2010年数据 表2全球稀土储量和产量(2009) 产量储量 国家 TREO(吨)比例(%)TREO(吨)比例(%) 澳大利亚 5400000 0.5 48000 0.05 中国 120000 36000000 独联体 2500 2 19000000 印度 2700 2 3100000 马来西亚 0.3 30000 0.03 美国 13000000 其他 0 22000000 合计 126230 99000000 2美国国内情况 21主要矿床类型及分布 美国最大的稀土矿床在碳酸岩和碱性火成岩中被发现,它们聚集于岩脉之中, 空间分布与碱性火成岩侵入密切相关。同时,稀土矿与碱性火成岩的密切关系使得 稀土元素常与其他有价值的元素伴生,如钛、铌、磷、钍( Van gosen and others,2009) 美国主要的稀土矿床发现于:①碳酸岩和碱性火成杂岩;②与碱性侵入相关的 岩脉;③一些与岩浆-水热过程相关的铁矿床;④碱性火成地体侵入形成的河积矿床 TREO——一总稀土氧化物(稀土常以复杂氧化物等形式存在)
3 吨来自南方的铁吸附型矿床，这里的稀土以主产品的形式被开发。总体而言，全球90 ％的稀土产品属于副产品或副产物。 表 1 2009 年全球主要稀土矿山的生产情况 *多数为小型生产者和少数为大中型生产者，数据为 2010 年数据。 表 2 全球稀土储量和产量（2009） 2 美国国内情况 2.1 主要矿床类型及分布 主要矿床类型及分布 主要矿床类型及分布 主要矿床类型及分布 美国最大的稀土矿床在碳酸岩和碱性火成岩中被发现，它们聚集于岩脉之中， 空间分布与碱性火成岩侵入密切相关。同时，稀土矿与碱性火成岩的密切关系使得 稀土元素常与其他有价值的元素伴生，如钛、铌、磷、钍（Van Gosen and others, 2009）。 美国主要的稀土矿床发现于：①碳酸岩和碱性火成杂岩；②与碱性侵入相关的 岩脉；③一些与岩浆-水热过程相关的铁矿床；④碱性火成地体侵入形成的河积矿床 国家 矿山 2009 出口量 （吨 TREO1） 主产品 副产品 巴西 北布埃纳 650 钛铁矿精矿 独居石精矿 中国 白云鄂博 55 000 铁矿 氟碳铈矿精矿 四川* 10 000 氟碳铈矿精矿 中国南部* 45 000 稀土 印度 重矿物砂矿 2 700 钛铁矿精矿 独居石精矿 马来西亚 怡保砂矿 380 锡石精矿 磷钇矿精矿 俄罗斯 洛沃泽罗 2 500 铈铌钙钛矿精矿 稀土氯化物 国家 产量 储量 TREO（吨） 比例（％） TREO（吨） 比例（％） 澳大利亚 0 0 5 400 000 5 巴西 650 0.5 48 000 0.05 中国 120 000 95 36 000 000 36 独联体 2 500 2 19 000 000 19 印度 2 700 2 3 100 000 3 马来西亚 380 0.3 30 000 0.03 美国 0 0 13 000 000 13 其他 0 0 22 000 000 22 合计 126 230 99 000 000 1 TREO——总稀土氧化物（稀土常以复杂氧化物等形式存在）