離子吸附型稀土礦床研究現(xiàn)狀及展望

離子吸附型稀土礦床研究現(xiàn)狀及展望

稀土元素（rees）指含17種元素的元素，包括系統(tǒng)元素、系統(tǒng)和系統(tǒng)元素。稀土元素因其特殊而廣泛的用途被譽為“萬能之土”、“工業(yè)維生素”、“農(nóng)業(yè)激素”、“戰(zhàn)爭金屬”。稀土礦產(chǎn)資源所發(fā)揮的經(jīng)濟、社會效益日益顯著,需求量持續(xù)增加,已成為國內(nèi)外公認的關乎新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。離子吸附型稀土礦床富含銪、鋱、鏑等其他途徑難以獲得的、附加值又極高的中稀土和重稀土元素,且開采成本低、礦山生產(chǎn)周期短,在各種稀土礦床類型中獨占鰲頭。該類型稀土礦床作為中國獨具特色的珍貴資源,一直是按照涉密礦種來對待的。國外千方百計想了解中國離子吸附型稀土礦產(chǎn)資源的基本特征,也試圖尋找類似礦床,但目前為止尚未找到可匹敵者。在離子吸附型稀土礦床發(fā)現(xiàn)至今的四十多年間,科技工作者對其成因機制、開采技術(shù)、礦山環(huán)境等方面的問題進行了大量研究,取得了豐碩成果,但也存在地質(zhì)勘查規(guī)范與現(xiàn)行提取工藝技術(shù)相互脫節(jié)等問題。本文對離子吸附型稀土礦床的成礦理論、勘查技術(shù)方法、資源綜合利用等方面的研究進展及礦政管理作一評述,分析了地質(zhì)勘查、開采開發(fā)等方面存在的問題,并指出進一步工作的方向。1礦法的科學研究1.1離子吸附型稀土礦床在東南亞、我國地質(zhì)區(qū)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展1969年原江西九〇八地質(zhì)大隊在贛州龍南地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)離子吸附型稀土礦床,之后在廣東、福建、廣西、湖南、云南等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn),近幾年甚至在越南、緬甸等東南亞國家也有發(fā)現(xiàn),從而打破了離子吸附型稀土礦床只發(fā)育在中國北緯22°~29°,東經(jīng)106°~119°范圍內(nèi)的傳統(tǒng)認識。中國稀土礦床成礦遠景區(qū)見圖1,南嶺是中國離子吸附型稀土礦的礦集區(qū)。1.2多期次巖體晚期成礦隨著高精度同位素年代學資料的積累,確認了一批含稀土礦的巖體形成時代。例如,以往認為加里東期的桂坑巖體、清溪巖體實際上形成于燕山期和印支期;以往定為燕山期的龍舌巖體和黃沙、黃坊巖體,分別形成于加里東期和印支期。也確認了多期次巖體晚期可產(chǎn)稀土礦,如韓坊巖體中的粗粒花崗巖主要形成于奧陶紀晚期(U-Pb年齡為445Ma),細?；◢弾r則形成于中侏羅世(170Ma),為良好的成礦母巖;證實了加里東期產(chǎn)稀土巖體的存在,如龍舌巖體(457Ma)、陽埠(垇子下)巖體(461Ma)?？梢?加里東期、印支期和燕山期巖漿巖均可成礦(表1)。1.3稀土及微量元素的含量特征完整的風化殼剖面中稀土元素常出現(xiàn)分異現(xiàn)象,并具有一定的規(guī)律性。按照稀土元素總量(ΣREEs)在風化殼剖面上的變化規(guī)律可歸納為四大類(見圖2a):(1)弓背式,分為正常式和淺伏式;(2)喇叭式,分為深潛式和表露式;(3)波浪式;(4)直線式。在風化殼剖面中(見圖2b),各稀土元素富集程度不一,但仍具有一定的變化規(guī)律:(1)輕稀土、重稀土具有分層性,可分為重稀土下部相對富集和重稀土上部相對富集兩種形式;(2)具有系統(tǒng)、互補的Ce正異常和負異常。1.4稀土礦中的抗風化能力基巖中稀土礦物(稀土獨立礦物和含稀土礦物)的存在與否,對稀土元素在風化過程中的遷移、富集有著重要的影響。稀土礦物中稀土元素的含量、配分模式及礦物自身的抗風化能力均存在差異,隨著風化作用的持續(xù)進行,易風化的稀土載體礦物(包含稀土礦物和含稀土的造巖礦物)不斷解體并釋放出REEs,釋放出的REEs部分通過淋濾作用在風化殼中發(fā)生遷移、富集,部分隨地表水、地下水流失。一些難風化的稀土礦物在風化殘積中逐漸富集。也有一些稀土載體礦物(如褐釔鈮礦)的抗風化能力介于上述兩者之間,可在殘坡積砂礦和離子吸附型稀土礦中并存。稀土礦物的REEs含量和配分類型主要取決于REEs在礦-熔體中的分配系數(shù),其次還與熔體中REEs的濃度、氧逸度、溫度和壓力等參數(shù)有關。因此,不同成因、不同來源的稀土副礦物中的REEs含量、配分類型、同位素組成不盡相同,也可以導致風化殼中REEs含量和配分類型存在較大差異。2礦條件與礦標的研究2.1ph值對風化過程的調(diào)節(jié)(1)黏土礦物:黏土礦物是離子相REEs的重要載體。但黏土礦物能否引起REEs的分異?有學者認為風化殼中黏土礦物的帶狀分異是引起REEs分異的關鍵因素。但是實驗研究指出,黏土礦物組合的變化并不是稀土分異的主要原因。(2)pH值:風化殼剖面中介質(zhì)的pH值自上而下呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。p值對風化過程氧化還原條件的變化、REEs的吸附或脫附、遷移和富集都起著重要的作用。酸性條件下REEs容易從黏土中移出,中性或堿性條件下REEs沉淀,由于重稀土元素(HREEs)遷移速度大于輕稀土元素(LREEs),隨著介質(zhì)pH值的升高,各稀土元素在風化殼剖面的不同層位沉淀富集,而且隨著風化淋濾程度的加深,各元素富集帶不斷向下遷移,導致REEs分異程度不斷增大。(3)氧化還原條件(Eh值):直接受到Eh影響的是變價的稀土元素,最為典型的是Ce。Ce3+很容易被氧化為Ce4+,形成穩(wěn)定的方鈰石(CeO2)而與其他REEs分離。(4)有機質(zhì)及微生物:風化殼剖面中含有豐富的有機質(zhì)和微生物,它們可以通過改變風化殼介質(zhì)的pH值,影響稀土元素的遷移,也可以直接與稀土離子絡合或螯合,對風化殼中REEs的活化遷移和分異產(chǎn)生積極的影響。2.2風化殼生長隨立地條件的變化目前離子吸附型稀土礦床的分布區(qū),年平均氣溫在18~21℃之間,年平均降雨量在1500~2000mm,主要屬于亞熱帶、熱帶氣候區(qū),區(qū)內(nèi)物理、化學、水文和生物條件有利于風化殼的發(fā)育。長期強烈的風化淋濾和生物地球化學作用,容易使稀土元素發(fā)生活化遷移,在風化殼內(nèi)重新分布,直至隨地表、地下水徹底流失。2.3離子吸附型稀土礦一般認為,離子吸附型礦床主要分布在低山丘陵區(qū),海拔高程多在160~400m,相對切割深度多在30~100m,地勢起伏高度在100~300m。隨著更多離子吸附型稀土礦床的發(fā)現(xiàn),海拔相對較高的丘陵區(qū)也能成礦,如江西定南的離子吸附型稀土礦,海拔主要在300~800m之間,相對切割深度在100~200m。但是,局部地形地貌的差異程度,不僅影響著風化殼的發(fā)育程度,也影響礦體的發(fā)育和保存,同時也因為影響到地表、地下水的遷移方向而影響稀土元素的分布特征。所以,地形地貌是非常重要的成礦條件,也是至關緊要的找礦標志。3洛陽拾沉技術(shù)的優(yōu)勢對于離子吸附型稀土礦產(chǎn)資源的評價與勘查,雖然經(jīng)歷了40多年的歷史,但仍然不斷有新的改進,其中最為突出的技術(shù)改進是采用洛陽鏟代替淺井和小圓井。按照傳統(tǒng)的做法和勘查規(guī)范,淺井和小圓井是主要的勘查技術(shù)手段,但也存在進度慢、深度小、成本高、施工難度大、安全隱患多、環(huán)境破壞嚴重等問題,而洛陽鏟的使用不但可以解決這些問題,還可以顯著地加大探測深度,增加資源量,避免了因探井挖不穿風化殼而導致礦體圈不全的現(xiàn)象出現(xiàn)。尤其是對于風化殼厚度在10m以上的礦區(qū),洛陽鏟的優(yōu)勢更加明顯。此外,野外快速分析測試技術(shù)的改進、礦體圈定方法的改進、資源儲量計算方法的改進,對查明離子吸附型稀土資源的賦存規(guī)律和資源儲量、合理選擇開采方式以及環(huán)境保護都是非常必要的,實踐證明也是切實有效的。4制堆浸,鼓勵原產(chǎn)地浸漬對于離子吸附型稀土礦產(chǎn)資源的開采開發(fā),經(jīng)歷了池浸、堆浸和原地浸出三個主要的發(fā)展階段,目前政策層面上是禁止池浸,限制堆浸,鼓勵原地浸出。顯然,原地浸出工藝的普及與推廣,極大地改變了傳統(tǒng)的“搬山運動式”的采礦方式,在根本上改變了礦山開采的理念,與砂巖鈾礦的原地浸出技術(shù)一樣具有劃時代的意義。原地浸出方式不但可以進一步降低成本,減少對表觀地質(zhì)環(huán)境的破壞,而且能夠提高稀土資源的回收率,使得原先被圈定在礦體之外的“表外礦”、“低品位礦”也可以得到充分利用。5實現(xiàn)資源、資源集約利用與資源開采的有機統(tǒng)一近年來對于離子吸附型稀土礦產(chǎn)資源開采開發(fā)過程中存在的問題,公眾的關注度非常高,但無外乎“私挖亂采”、“越界開采”、“環(huán)境污染”、“超指標開采”、“走私嚴重”等表面現(xiàn)象。實際上,對于離子吸附型稀土礦產(chǎn),存在的問題還不只是礦政管理和環(huán)境污染的問題,還包括資源儲量不明、產(chǎn)能膨脹、地方保護主義、國際政治深度介入等多方面的問題。以資源儲量不明為例,中國在上世紀七八十年代探明了一批礦產(chǎn)地,隨后由于市場不景氣等原因而長期停止了地質(zhì)勘查工作,使得探明資源儲量消耗過快,新增資源量不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)能的增長,尤其是2011年稀土礦產(chǎn)品的大漲價導致稀土采礦呈遍地開花之勢;另一方面,南方各省的私挖亂采現(xiàn)象也證明了稀土資源的確普遍存在。但是,離子吸附型稀土資源究竟分布在什么地方,究竟有多大的資源量,究竟有哪些已經(jīng)被盜采開采或者哪些有可能被私挖亂采,則還是一個未知數(shù)。這需要開展地質(zhì)工作才能查明資源儲量,才能有的放矢地加強監(jiān)管,才能通過合理地設置礦業(yè)權(quán)和統(tǒng)籌分配開采總量控制指標來搶救性地開發(fā)利用稀土資源,才能主動地保護資源、保護環(huán)境。對于采礦方式,也不是沒有問題。原地浸出作為當前主要的采礦手段得到了鼓勵和推廣,但也存在隱患,如地下水可能受到污染、浸出后山體穩(wěn)定性受到破壞而易產(chǎn)生滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災害等問題。6礦政管理的必要性顯然,合理地評價資源儲量、優(yōu)化開采利用方案、加強礦政管理,是當前迫切需要解決的現(xiàn)實問題。要解決這些問題,除了管理層面的工作之外,在技術(shù)層面還有很多工作需要開展。6.1離子相稀土元素分布特征只有查明規(guī)律才能有針對性地查明資源,或者即使在資源儲量不明、未開展系統(tǒng)地質(zhì)工作的情況下也能做到心中有數(shù),進而提出加強礦政管理的預案。目前對風化殼中稀土分布、遷移規(guī)律的研究,所采用的稀土含量多為稀土全相,反映的是稀土總量的分布規(guī)律。對于離子吸附型稀土礦,只有離子相的稀土元素才是真正的“礦物質(zhì)”,才是開采回收的對象,才具有經(jīng)濟價值。雖然風化殼中離子相占絕大多數(shù),但與全相的稀土含量和配分類型仍存在一定差異,尤其是離子相含量偏低的情況下,兩者差異更大。因此,只有查明風化殼中離子相的稀土元素分布特征才能反映成礦元素貧化與富集的基本規(guī)律。當前,這一工作做得還不夠。6.2稀土元素地球化學現(xiàn)行的稀土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范已經(jīng)不適應當前的形勢,需要修改。尤其是當前對離子吸附型稀土礦種的管理,僅僅區(qū)分為輕稀土、重稀土和中稀土三大類,有的只分出輕稀土和重稀土,甚至不分輕重。實際上,不同的稀土元素價格相差甚大,即便是同為重稀土或中稀土的不同元素,其在風化殼中的含量、賦存狀態(tài)也是顯著不同的,如果不加以區(qū)分,會漏掉礦體。以往采用“配分”的辦法來反推各個元素的存在與否及其含量高低,而現(xiàn)在電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測試技術(shù)非常成熟,可以很方便地精確測定每個稀土元素的含量。因此,目前完全有可能、也完全有必要通過實測每個稀土元素的含量來圈定不同稀土元素的礦體,進而分別計算各個元素的資源儲量,再綜合評價整個礦區(qū)的經(jīng)濟價值。修訂現(xiàn)行的“勘查規(guī)范”,相關的工作涉及面廣,社會影響大,需要慎重,但不能等待下去。6.3與市場價格關聯(lián)的動態(tài)計算方法除了“勘查規(guī)范”中規(guī)定的儲量計算方法,在當前的技術(shù)經(jīng)濟條件下,不妨借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗,采取多種手段計算各個礦區(qū)的資源儲量。由于稀土資源種類較多,不同元素的市場價格變化很大,現(xiàn)有的工業(yè)指標難以反映實際地質(zhì)情況,造成表外礦實際在產(chǎn)而表內(nèi)礦可能無法利用的反?，F(xiàn)象。因此必須改變現(xiàn)有的資源儲量計算方法,采用與市場價格直接關聯(lián)的動態(tài)計算方法。即:在查明風化殼基本地質(zhì)特征以及稀土元素分布情況的前提下,根據(jù)市場價格的變化和企業(yè)經(jīng)營成本確定盈虧平衡點,再綜合考慮利潤率等指標確定邊界品位和工業(yè)品位,進而利用計算機技術(shù)圈定礦體,計算資源儲量,為開采方案的合理確定提供依據(jù)。一般來說,可以根據(jù)近5年來市場價格的最大值和最小值,根據(jù)各個企業(yè)成本的變化情況,根據(jù)礦體的地質(zhì)特征,提出不同的礦體圈定方案,求得不同的資源量,進而制定多種開采利用方案。這樣無論是在市場穩(wěn)定還是在極其動蕩的狀況下都能應對自如,不至于漲價時一哄而上,降價時一哄而散。需要指出的是,礦區(qū)勘查階段和礦山生產(chǎn)階段可以采用不同的資源儲量計算方法。與市場價格、企業(yè)成本實時掛鉤的動態(tài)儲量計算方法,顯然更適合于礦山生產(chǎn)過程,也更具有現(xiàn)實意義。6.4原產(chǎn)地浸漬技術(shù)的研發(fā)進一步改進開采方式,重點研究原地浸出技術(shù)中的各個參數(shù),建立合乎環(huán)保要求的指標體系,既充分利用資源又對環(huán)境效應和地質(zhì)災害問題防患于未然。原地浸出技術(shù)雖然看似簡單,但掌握不好既無法回收稀土又嚴重破壞環(huán)境,因此有關部門和企業(yè)一直在深入研究,不斷改進原地浸出技術(shù)。鑒于技術(shù)的保密性,不同企業(yè)之間還難以互相公開,主管部門也沒有提供一整套技術(shù)指標(包括:浸出液的配方、注液孔的密度、導流坑道的坡度、礦體底板的透水性等)。這些技術(shù)參數(shù)一方面具有普遍的推廣意義,但也需要從各個礦區(qū)的實際情況出發(fā),通過試點和實驗來確定,如風化殼的厚度、坡度,花崗巖的巖性,斷裂裂隙的發(fā)育程度,稀土元素的種類等都是影響原地浸出效果的重要因素,需要綜合研究。6.5最終產(chǎn)品研究不充分,無法具體地開發(fā)出稀土元素近十年來中國向全世界提供了絕大部分的輕稀土和幾乎全部的重稀土資源,但并沒有從國際市場上獲得相應的權(quán)益,被稱為“黃金買了個白菜價”。一方面說明中國稀土在礦山生產(chǎn)、冶煉分離和產(chǎn)品加工等方面雖然取得了長足進展,某些領域居于世界前列,但高端產(chǎn)品仍然受制于人,類似于“釓噴酸葡胺”(即醫(yī)療影像檢查所用的造影劑)這樣的民用產(chǎn)品也還需要進口,出口一噸釓與進口一噸釓產(chǎn)品的差價達數(shù)百倍,而釓主要來自于離子吸附型稀土礦。因此,今后要延伸稀土產(chǎn)業(yè)鏈,增加產(chǎn)品附加值,需要對每個礦區(qū)的最終產(chǎn)品加以研究,從而為開采總量指標的界定或原地儲備等政策的制定提供科學依據(jù)。自然界中15個稀土元素往往成組存在,在成礦過程中也往往一起遷移、