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战略性关键矿产研究现状与科学前沿

已有 1055 次阅读 2020-12-4 15:20 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流

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专辑编者按


战略性关键矿产研究现状与科学前沿

侯增谦,陈骏,翟明国

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关键矿产或关键金属是国际上最近提出的资源概念,是现今社会必需、但安全供应存在较高风险的一类矿产的总称,主要包括稀有金属(如Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W、Sn等)、稀土金属(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y)、稀散金属(Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re、Tl)和部分稀贵金属(PGE、Co等)。


关键金属因具有极度耐热、难熔、耐腐蚀以及优良的光电磁等独特性能,在新能源、新材料、信息技术等新兴产业和国防军工等行业中具有不可替代的重大用途。随着科技和新兴产业的发展,未来几十年全球对关键矿产的需求将迅猛增长,供需矛盾将日益突出。以美国、英国及澳大利亚为首的西方国家,基于其国家战略安全,率先制定了各自的关键矿产发展战略,并启动了关键矿产重大研究及勘探计划,旨在减少因关键矿产资源供应链中断而带来的国家安全与经济发展隐患,保障关键矿产资源的稳定供给。面对迫切的新兴产业资源需求和严峻的国际资源竞争态势,迫切需要加大科技创新力度,为保障我国关键矿产资源的安全供应提供科技支撑。


在此背景下,国家自然科学基金委员会于2019年7月启动了“战略性关键金属超常富集成矿动力学”重大研究计划,拟通过我国关键矿产资源成矿规律、成矿作用和高效利用的综合研究,摸清我国关键矿产资源家底,创新关键矿产成矿及分离理论,提升我国对关键矿产的控制力和话语权。


确定成矿元素赋存状态及其“源-运-聚”过程是建立关键矿产成矿理论及分离理论的核心。然而,与铁、铜等传统大宗金属相比,关键金属元素在矿床中常具有“稀、细、伴”的特征,通常含量极低,独立矿物小而少,不易被直接观察到;同时,关键金属元素地球化学行为较为复杂,矿化类型繁多,成矿机制多样,认知难度大。另一方面,关键矿产是国际上最近提出的资源概念,针对此类矿床的专门研究刚刚起步,且目前的研究多聚焦赋存状态、资源潜力等方面,针对成矿机理的研究较少,认知程度较低。


因此,相对于传统大宗金属矿产来说,关键矿产成矿及分离理论的研究面临着更大的科学挑战。传统大宗金属元素, 其地壳丰度较高,正常富集几倍到几十倍即可成矿。然而,大多数关键金属元素的地壳丰度很低(一般为ppm级以下),需要百倍甚至万倍的富集才能形成可供开采的矿床。显而易见,关键金属元素的成矿经历了“超常富集”,因此,低丰度金属元素超常富集成矿过程与驱动机制,亦即低丰度金属元素超常富集成矿动力学,则成为关键矿产成矿学研究的核心科学问题。


那么到底是什么地质过程驱动和地球化学机制导致这些关键金属元素的超常富集?要回答这一核心科学问题,必须解决好以下三个关键科学问题:

  1. 地球多圈层相互作用与关键金属元素富集过程,主要包括关键金属元素的地球化学行为、壳幔及表生循环过程及机制;

  2. 关键金属元素成矿机制与成矿规律,主要包括关键金属矿床形成及时空分布规律的地质及构造控制、影响矿化特征及矿化式样(元素组合、矿物类型、赋存状态、矿床类型、定位空间、成矿专属性等)的主控因素;

  3. 关键金属元素赋存状态与强化分离机理,主要包括关键金属元素共生分异规律、共伴生富集成矿的主控因素、关键金属元素界面性质差异性放大与强化分离新方法。


解决上述核心科学问题, 聚焦以下科学前沿: 

  1. 关键金属源区特征及金属转移机制;主要包括:矿床的形成是否需要源区金属富集?如需要源区金属富集,富集的机制为何?部分熔融或水岩交互过程中金属从源区转移的机制如何?

  2. 关键金属的运移富集机制;主要包括迁移关键金属的介质组成、迁移过程中的物理化学条件、迁移形式及富集情况等。

  3. 关键金属的沉淀机制;主要包括不同介质中关键金属的溶解度及其随物理化学条件的变化情况、不同体系中控制关键金属溶解度变化的主要因素、不同类型关键金属矿床的成因模式等。


在“战略性关键金属超常富集成矿动力学”重大研究计划启动之初, 特此在《科学通报》上组织出版了“中国关键矿产资源研究”专辑,系统梳理我国主要关键矿产资源现状、研究进展及存在的主要科学挑战,为中国关键矿产今后的研究或项目部署提供综合性素材及框架性认识。本专辑共收录13篇文章,主要作者来自中国科学院、教育部及自然资源部等多个系统,内容上几乎涵盖了上述所有关键金属元素。本专辑的编辑出版得到了南京大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院地球化学研究所、中国地质科学院地质研究所等单位相关研究组的大力支持,在此表示衷心的感谢。希望通过本专辑的出版,能使读者了解我国关键矿产资源的现状、进展和挑战, 活跃本领域的交流与合作,促进我国关键矿产研究的快速发展。


专辑文章


进展

中国斑岩铜矿床中的主要关键矿产

杨志明, 侯增谦, 周利敏, 周怿惟

斑岩铜矿是铼、硒及碲等关键矿产的主要来源. 中国现有70余个斑岩铜矿床, 但其内关键矿产的禀赋及规律不清. 本文详细分析了中国斑岩铜矿中关键矿产的吨位品位、赋存状态及成矿规律, 并对未来研究及利用提出了建议.


长江中下游成矿带关键金属矿产研究现状与进展

周涛发, 范裕, 陈静, 肖鑫, 张舒

长江中下游是我国重要的铁铜金多金属成矿带, 矿床中伴生镉、钴、硒、碲和铼等我国战略亟需, 且有待重点研究和突破的关键金属资源. 本文对成矿带内矿床中关键金属矿产的赋存状态及富集特征进行了总结, 提出了成矿带斑岩-矽卡岩型矿床中关键金属下一步重点关注和研究的主要科学问题.

关键矿产资源铟研究进展

李晓峰, 朱艺婷, 徐净

铟是我国重要的战略性关键矿产资源. 铟的赋存状态及其选择性超常富集机制研究是铟成矿作用研究中的热点和前沿. 加强铟资源相关基础研究是实现我国铟资源安全稳定供给的重要保证.


中国镓锗铊镉资源

温汉捷, 朱传威, 杜胜江, 范裕, 罗重光

本文以全球的稀散金属资源储量和分布规律为背景, 对镓、锗、铊、镉4种稀散金属在中国的分布、主要矿床类型、赋存状态及其主要富集过程进行了系统的总结, 以期揭示稀散金属分布规律和形成条件.


评述

扬子地块西南部关键金属元素成矿作用

胡瑞忠, 温汉捷, 叶霖, 陈伟, 夏勇, 樊海峰, 黄勇, 朱经经, 付山岭

扬子地块西南部经历了长期地质演化并形成了多样化的富含关键金属的矿床类型. 本文总结了该区关键金属元素成矿作用的主要特点, 讨论了区域地质事件与成矿事件的关系, 并提出了一些重要成矿系统值得进一步探索的领域.


中国煤系中关键金属资源:富集类型与分布

代世峰, 赵蕾, 魏强, 宋晓林, 王文峰, 刘晶晶, 段飘飘

煤炭不仅是重要的化石能源, 也是战略性关键金属的重要载体, 在一定条件下能形成煤型关键金属矿床. 本文总结了中国煤系中锗矿床、镓铝矿床、稀土矿床、铌-锆-稀土-镓矿床等的富集成因、分布特征、赋存状态和成矿机制.


中国钨锡矿床时空分布规律、地质特征与成矿机制研究进展

蒋少涌, 赵葵东, 姜海, 苏慧敏, 熊索菲, 熊伊曲, 徐耀明, 章伟, 朱律运

钨锡是重要的战略性关键矿产. 我国原生钨锡矿床有5种主要类型和3种次要类型. 成矿以燕山期最为重要, 岩浆-热液演化过程中温度降低、流体不混溶、流体沸腾、流体混合和水岩反应是钨锡矿石沉淀的重要机制.


江南世界级钨矿带:地质特征、成矿规律和矿床模型

毛景文, 吴胜华, 宋世伟, 戴盼, 谢桂青, 苏蔷薇, 刘鹏, 王先广, 余忠珍, 陈祥云, 唐维新

江南钨矿带是新确定的一个世界级钨矿带. 本文描述了江南钨矿带的主要矿床类型和成矿元素的分带性, 确定了钨(锡)矿的时空分布规律, 鉴别出氧化性W-Mo矿和还原性钨(W)矿, 建立了矿床模型, 探讨了与成矿有关花岗岩类的性质和来源, 提出成矿动力学背景.


中国铌钽锆铪资源

王汝成, 车旭东, 邬斌, 谢磊

铌、钽、锆、铪是重要的关键金属. 本文系统总结了我国铌、钽、锆、铪资源的主要成矿矿物、成矿类型特征、时空分布规律、资源储量及利用现状, 并对我国这些资源的勘查方向和现存资源的高效利用提出有参考性的建议.

中国内生稀土矿床类型、成矿规律与资源展望

范宏瑞, 牛贺才, 李晓春, 杨奎锋, 杨占峰, 王其伟

我国内生稀土资源禀赋特优, 以碳酸岩型、碱性岩-碱性花岗岩型、热液(IOCG)型最为典型, 成矿与碳酸岩或碱性岩强烈演化和热液交代/叠加相关. 今后需摸清资源家底, 寻找富中-重稀土内生矿床, 加强伴生资源综合利用.


中国碳酸岩型稀土矿床:时空分布与成矿过程

谢玉玲, 夏加明, 崔凯, 曲云伟, 梁培, 钟日晨

在综合已有研究基础上, 对我国碳酸岩型稀土矿床的时空分布、成矿构造背景、成矿岩浆起源、成矿流体特征及演化、稀土富集及沉淀机理、矿化分带规律进行了系统总结, 旨在为碳酸岩型稀土矿床研究和找矿提供参考.


风化壳型稀土和钪矿床成矿过程的研究进展和展望

周美夫, 李欣禧, 王振朝, 李晓春, 刘嘉成

风化壳型稀土和钪矿床为战略资源, 是全球重稀土的主要来源. 本文纵观近年的研究进展, 从母岩特征、表生地貌特征和风化行为等角度综述了稀土元素和钪的赋存和富集机制以及成矿模式, 并对有关研究和资源远景作出展望.


我国铂族元素、钴和铬主要矿床类型的分布特征及成矿机制

王焰, 钟宏, 曹勇华, 魏博, 陈晨

介绍了我国与镁铁-超镁铁质岩有关的主要PGE、Co和Cr矿床类型, 总结了成矿元素赋存状态和富集机制的研究进展. 提出微-纳米尺度PGE赋存状态、Co富集机制与赋存状态以及Cr富集机制精细刻画等三方面需深入探索的问题.




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