离子吸附型稀土矿床研究现状及展望

离子吸附型稀土矿床研究现状及展望

稀土元素（rees）指含17种元素的元素，包括系统元素、系统和系统元素。稀土元素因其特殊而广泛的用途被誉为“万能之土”、“工业维生素”、“农业激素”、“战争金属”。稀土矿产资源所发挥的经济、社会效益日益显著,需求量持续增加,已成为国内外公认的关乎新兴产业发展的战略性资源。离子吸附型稀土矿床富含铕、铽、镝等其他途径难以获得的、附加值又极高的中稀土和重稀土元素,且开采成本低、矿山生产周期短,在各种稀土矿床类型中独占鳌头。该类型稀土矿床作为中国独具特色的珍贵资源,一直是按照涉密矿种来对待的。国外千方百计想了解中国离子吸附型稀土矿产资源的基本特征,也试图寻找类似矿床,但目前为止尚未找到可匹敌者。在离子吸附型稀土矿床发现至今的四十多年间,科技工作者对其成因机制、开采技术、矿山环境等方面的问题进行了大量研究,取得了丰硕成果,但也存在地质勘查规范与现行提取工艺技术相互脱节等问题。本文对离子吸附型稀土矿床的成矿理论、勘查技术方法、资源综合利用等方面的研究进展及矿政管理作一评述,分析了地质勘查、开采开发等方面存在的问题,并指出进一步工作的方向。1矿法的科学研究1.1离子吸附型稀土矿床在东南亚、我国地质区的发现和发展1969年原江西九〇八地质大队在赣州龙南地区首次发现离子吸附型稀土矿床,之后在广东、福建、广西、湖南、云南等地陆续发现,近几年甚至在越南、缅甸等东南亚国家也有发现,从而打破了离子吸附型稀土矿床只发育在中国北纬22°~29°,东经106°~119°范围内的传统认识。中国稀土矿床成矿远景区见图1,南岭是中国离子吸附型稀土矿的矿集区。1.2多期次岩体晚期成矿随着高精度同位素年代学资料的积累,确认了一批含稀土矿的岩体形成时代。例如,以往认为加里东期的桂坑岩体、清溪岩体实际上形成于燕山期和印支期;以往定为燕山期的龙舌岩体和黄沙、黄坊岩体,分别形成于加里东期和印支期。也确认了多期次岩体晚期可产稀土矿,如韩坊岩体中的粗粒花岗岩主要形成于奥陶纪晚期(U-Pb年龄为445Ma),细粒花岗岩则形成于中侏罗世(170Ma),为良好的成矿母岩;证实了加里东期产稀土岩体的存在,如龙舌岩体(457Ma)、阳埠(垇子下)岩体(461Ma)。可见,加里东期、印支期和燕山期岩浆岩均可成矿(表1)。1.3稀土及微量元素的含量特征完整的风化壳剖面中稀土元素常出现分异现象,并具有一定的规律性。按照稀土元素总量(ΣREEs)在风化壳剖面上的变化规律可归纳为四大类(见图2a):(1)弓背式,分为正常式和浅伏式;(2)喇叭式,分为深潜式和表露式;(3)波浪式;(4)直线式。在风化壳剖面中(见图2b),各稀土元素富集程度不一,但仍具有一定的变化规律:(1)轻稀土、重稀土具有分层性,可分为重稀土下部相对富集和重稀土上部相对富集两种形式;(2)具有系统、互补的Ce正异常和负异常。1.4稀土矿中的抗风化能力基岩中稀土矿物(稀土独立矿物和含稀土矿物)的存在与否,对稀土元素在风化过程中的迁移、富集有着重要的影响。稀土矿物中稀土元素的含量、配分模式及矿物自身的抗风化能力均存在差异,随着风化作用的持续进行,易风化的稀土载体矿物(包含稀土矿物和含稀土的造岩矿物)不断解体并释放出REEs,释放出的REEs部分通过淋滤作用在风化壳中发生迁移、富集,部分随地表水、地下水流失。一些难风化的稀土矿物在风化残积中逐渐富集。也有一些稀土载体矿物(如褐钇铌矿)的抗风化能力介于上述两者之间,可在残坡积砂矿和离子吸附型稀土矿中并存。稀土矿物的REEs含量和配分类型主要取决于REEs在矿-熔体中的分配系数,其次还与熔体中REEs的浓度、氧逸度、温度和压力等参数有关。因此,不同成因、不同来源的稀土副矿物中的REEs含量、配分类型、同位素组成不尽相同,也可以导致风化壳中REEs含量和配分类型存在较大差异。2矿条件与矿标的研究2.1ph值对风化过程的调节(1)黏土矿物:黏土矿物是离子相REEs的重要载体。但黏土矿物能否引起REEs的分异?有学者认为风化壳中黏土矿物的带状分异是引起REEs分异的关键因素。但是实验研究指出,黏土矿物组合的变化并不是稀土分异的主要原因。(2)pH值:风化壳剖面中介质的pH值自上而下呈现逐渐升高的趋势。p值对风化过程氧化还原条件的变化、REEs的吸附或脱附、迁移和富集都起着重要的作用。酸性条件下REEs容易从黏土中移出,中性或碱性条件下REEs沉淀,由于重稀土元素(HREEs)迁移速度大于轻稀土元素(LREEs),随着介质pH值的升高,各稀土元素在风化壳剖面的不同层位沉淀富集,而且随着风化淋滤程度的加深,各元素富集带不断向下迁移,导致REEs分异程度不断增大。(3)氧化还原条件(Eh值):直接受到Eh影响的是变价的稀土元素,最为典型的是Ce。Ce3+很容易被氧化为Ce4+,形成稳定的方铈石(CeO2)而与其他REEs分离。(4)有机质及微生物:风化壳剖面中含有丰富的有机质和微生物,它们可以通过改变风化壳介质的pH值,影响稀土元素的迁移,也可以直接与稀土离子络合或螯合,对风化壳中REEs的活化迁移和分异产生积极的影响。2.2风化壳生长随立地条件的变化目前离子吸附型稀土矿床的分布区,年平均气温在18~21℃之间,年平均降雨量在1500~2000mm,主要属于亚热带、热带气候区,区内物理、化学、水文和生物条件有利于风化壳的发育。长期强烈的风化淋滤和生物地球化学作用,容易使稀土元素发生活化迁移,在风化壳内重新分布,直至随地表、地下水彻底流失。2.3离子吸附型稀土矿一般认为,离子吸附型矿床主要分布在低山丘陵区,海拔高程多在160~400m,相对切割深度多在30~100m,地势起伏高度在100~300m。随着更多离子吸附型稀土矿床的发现,海拔相对较高的丘陵区也能成矿,如江西定南的离子吸附型稀土矿,海拔主要在300~800m之间,相对切割深度在100~200m。但是,局部地形地貌的差异程度,不仅影响着风化壳的发育程度,也影响矿体的发育和保存,同时也因为影响到地表、地下水的迁移方向而影响稀土元素的分布特征。所以,地形地貌是非常重要的成矿条件,也是至关紧要的找矿标志。3洛阳拾沉技术的优势对于离子吸附型稀土矿产资源的评价与勘查,虽然经历了40多年的历史,但仍然不断有新的改进,其中最为突出的技术改进是采用洛阳铲代替浅井和小圆井。按照传统的做法和勘查规范,浅井和小圆井是主要的勘查技术手段,但也存在进度慢、深度小、成本高、施工难度大、安全隐患多、环境破坏严重等问题,而洛阳铲的使用不但可以解决这些问题,还可以显著地加大探测深度,增加资源量,避免了因探井挖不穿风化壳而导致矿体圈不全的现象出现。尤其是对于风化壳厚度在10m以上的矿区,洛阳铲的优势更加明显。此外,野外快速分析测试技术的改进、矿体圈定方法的改进、资源储量计算方法的改进,对查明离子吸附型稀土资源的赋存规律和资源储量、合理选择开采方式以及环境保护都是非常必要的,实践证明也是切实有效的。4制堆浸,鼓励原产地浸渍对于离子吸附型稀土矿产资源的开采开发,经历了池浸、堆浸和原地浸出三个主要的发展阶段,目前政策层面上是禁止池浸,限制堆浸,鼓励原地浸出。显然,原地浸出工艺的普及与推广,极大地改变了传统的“搬山运动式”的采矿方式,在根本上改变了矿山开采的理念,与砂岩铀矿的原地浸出技术一样具有划时代的意义。原地浸出方式不但可以进一步降低成本,减少对表观地质环境的破坏,而且能够提高稀土资源的回收率,使得原先被圈定在矿体之外的“表外矿”、“低品位矿”也可以得到充分利用。5实现资源、资源集约利用与资源开采的有机统一近年来对于离子吸附型稀土矿产资源开采开发过程中存在的问题,公众的关注度非常高,但无外乎“私挖乱采”、“越界开采”、“环境污染”、“超指标开采”、“走私严重”等表面现象。实际上,对于离子吸附型稀土矿产,存在的问题还不只是矿政管理和环境污染的问题,还包括资源储量不明、产能膨胀、地方保护主义、国际政治深度介入等多方面的问题。以资源储量不明为例,中国在上世纪七八十年代探明了一批矿产地,随后由于市场不景气等原因而长期停止了地质勘查工作,使得探明资源储量消耗过快,新增资源量不能满足现有产能的增长,尤其是2011年稀土矿产品的大涨价导致稀土采矿呈遍地开花之势;另一方面,南方各省的私挖乱采现象也证明了稀土资源的确普遍存在。但是,离子吸附型稀土资源究竟分布在什么地方,究竟有多大的资源量,究竟有哪些已经被盗采开采或者哪些有可能被私挖乱采,则还是一个未知数。这需要开展地质工作才能查明资源储量,才能有的放矢地加强监管,才能通过合理地设置矿业权和统筹分配开采总量控制指标来抢救性地开发利用稀土资源,才能主动地保护资源、保护环境。对于采矿方式,也不是没有问题。原地浸出作为当前主要的采矿手段得到了鼓励和推广,但也存在隐患,如地下水可能受到污染、浸出后山体稳定性受到破坏而易产生滑坡、泥石流等次生地质灾害等问题。6矿政管理的必要性显然,合理地评价资源储量、优化开采利用方案、加强矿政管理,是当前迫切需要解决的现实问题。要解决这些问题,除了管理层面的工作之外,在技术层面还有很多工作需要开展。6.1离子相稀土元素分布特征只有查明规律才能有针对性地查明资源,或者即使在资源储量不明、未开展系统地质工作的情况下也能做到心中有数,进而提出加强矿政管理的预案。目前对风化壳中稀土分布、迁移规律的研究,所采用的稀土含量多为稀土全相,反映的是稀土总量的分布规律。对于离子吸附型稀土矿,只有离子相的稀土元素才是真正的“矿物质”,才是开采回收的对象,才具有经济价值。虽然风化壳中离子相占绝大多数,但与全相的稀土含量和配分类型仍存在一定差异,尤其是离子相含量偏低的情况下,两者差异更大。因此,只有查明风化壳中离子相的稀土元素分布特征才能反映成矿元素贫化与富集的基本规律。当前,这一工作做得还不够。6.2稀土元素地球化学现行的稀土矿产地质勘查规范已经不适应当前的形势,需要修改。尤其是当前对离子吸附型稀土矿种的管理,仅仅区分为轻稀土、重稀土和中稀土三大类,有的只分出轻稀土和重稀土,甚至不分轻重。实际上,不同的稀土元素价格相差甚大,即便是同为重稀土或中稀土的不同元素,其在风化壳中的含量、赋存状态也是显著不同的,如果不加以区分,会漏掉矿体。以往采用“配分”的办法来反推各个元素的存在与否及其含量高低,而现在电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测试技术非常成熟,可以很方便地精确测定每个稀土元素的含量。因此,目前完全有可能、也完全有必要通过实测每个稀土元素的含量来圈定不同稀土元素的矿体,进而分别计算各个元素的资源储量,再综合评价整个矿区的经济价值。修订现行的“勘查规范”,相关的工作涉及面广,社会影响大,需要慎重,但不能等待下去。6.3与市场价格关联的动态计算方法除了“勘查规范”中规定的储量计算方法,在当前的技术经济条件下,不妨借鉴国内外经验,采取多种手段计算各个矿区的资源储量。由于稀土资源种类较多,不同元素的市场价格变化很大,现有的工业指标难以反映实际地质情况,造成表外矿实际在产而表内矿可能无法利用的反常现象。因此必须改变现有的资源储量计算方法,采用与市场价格直接关联的动态计算方法。即:在查明风化壳基本地质特征以及稀土元素分布情况的前提下,根据市场价格的变化和企业经营成本确定盈亏平衡点,再综合考虑利润率等指标确定边界品位和工业品位,进而利用计算机技术圈定矿体,计算资源储量,为开采方案的合理确定提供依据。一般来说,可以根据近5年来市场价格的最大值和最小值,根据各个企业成本的变化情况,根据矿体的地质特征,提出不同的矿体圈定方案,求得不同的资源量,进而制定多种开采利用方案。这样无论是在市场稳定还是在极其动荡的状况下都能应对自如,不至于涨价时一哄而上,降价时一哄而散。需要指出的是,矿区勘查阶段和矿山生产阶段可以采用不同的资源储量计算方法。与市场价格、企业成本实时挂钩的动态储量计算方法,显然更适合于矿山生产过程,也更具有现实意义。6.4原产地浸渍技术的研发进一步改进开采方式,重点研究原地浸出技术中的各个参数,建立合乎环保要求的指标体系,既充分利用资源又对环境效应和地质灾害问题防患于未然。原地浸出技术虽然看似简单,但掌握不好既无法回收稀土又严重破坏环境,因此有关部门和企业一直在深入研究,不断改进原地浸出技术。鉴于技术的保密性,不同企业之间还难以互相公开,主管部门也没有提供一整套技术指标(包括:浸出液的配方、注液孔的密度、导流坑道的坡度、矿体底板的透水性等)。这些技术参数一方面具有普遍的推广意义,但也需要从各个矿区的实际情况出发,通过试点和实验来确定,如风化壳的厚度、坡度,花岗岩的岩性,断裂裂隙的发育程度,稀土元素的种类等都是影响原地浸出效果的重要因素,需要综合研究。6.5最终产品研究不充分,无法具体地开发出稀土元素近十年来中国向全世界提供了绝大部分的轻稀土和几乎全部的重稀土资源,但并没有从国际市场上获得相应的权益,被称为“黄金买了个白菜价”。一方面说明中国稀土在矿山生产、冶炼分离和产品加工等方面虽然取得了长足进展,某些领域居于世界前列,但高端产品仍然受制于人,类似于“钆喷酸葡胺”(即医疗影像检查所用的造影剂)这样的民用产品也还需要进口,出口一吨钆与进口一吨钆产品的差价达数百倍,而钆主要来自于离子吸附型稀土矿。因此,今后要延伸稀土产业链,增加产品附加值,需要对每个矿区的最终产品加以研究,从而为开采总量指标的界定或原地储备等政策的制定提供科学依据。自然界中15个稀土元素往往成组存在,在成矿过程中也往往一起迁移、