矿大（北京）代世峰教授揭示煤系战略性金属矿产资源开发利用的意义和挑战

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能源危机、环境污染和主要金属矿产资源短缺已成为全球性重大战略性问题。

　　煤是一种特殊的沉积有机岩石，在形成过程中可以富集战略性金属，且在丰度上可以和传统的金属矿床相当，在规模上可以形成大型或超大型金属矿床，已成为世界产煤国家的前沿研究课题。虽然煤系金属矿产的开发利用表现出良好的前景，但仍面临诸多挑战。

3月15日，在网络首发于《煤炭学报》的《煤系中战略性金属矿产资源：意义和挑战》一文中，中国矿业大学（北京）代世峰教授论述了煤系金属矿产资源开发利用的基础和意义，并从成矿理论、勘探和提取的理论与技术等方面揭示了面临的难题和挑战。

一、煤系金属矿产资源开发利用的基础和意义

　　早在100年以前，煤中部分高度富集的金属及其利用价值就引起了关注。第二次世界大战结束后，煤中铀是美国和前苏联核工业材料的主要来源，成为煤中金属元素工业化开发利用的里程碑。上个世纪60年代，前苏联和捷克斯洛伐克实现了从煤灰中工业化提取锗。到目前为止，煤中锗的提取是煤中金属元素工业化开发利用最成功的实例。

2011年，中国神华集团建立了从粉煤灰中提取铝和镓的实验工厂，2018年建立了提取铝和镓的工业化示范生产线。目前众多研究表明，从粉煤灰中提取稀土元素在技术和经济上均可行。从煤系金属矿产的丰度和规模、粉煤灰中金属元素（如锗、镓、铝、铀等）现有提取利用的情况及其他金属潜在开发利用的可行性来看，煤系金属矿产的开发利用表现出了良好的应用前景，将为战略性金属资源增储和环境保护发挥重要作用。

　　研究分别从“中国煤炭地质的区域特色为煤系金属矿产的研究提供了有利条件”“煤系金属矿产的开发利用是实现环境保护的重要举措”“煤系是战略性金属矿产增储的重要来源”“煤系金属矿产是完善已有成矿理论和突破重大地学难题的新途径”“以往工作为规模化开发利用煤系金属矿产筑建了较高平台”等方面论述了煤系金属矿产资源开发利用的基础和意义。

二、煤系金属矿产面临的理论与技术方面的难题或挑战

　　在诸多科学和技术问题中，一些核心科学和技术难题的解决对引领煤系金属矿产的成矿理论研究、勘查技术和分离提取技术的研发等具有带动作用，包括：

（1）成矿理论方面的关键科学问题与挑战

　　在基础理论方面，与传统的战略性金属矿床相比，煤系金属矿产成矿作用的显著特色表现为分散金属元素的富集及其与有机质矿产（煤）共（伴）生。煤和煤系中金属元素的来源是多元、多期的，有地表、空中、浅部和深部，以及盆地基地或周边的花岗岩类岩石，均可作为战略性金属的来源，并可发生在沉积充填、埋藏成岩和后生改造各个阶段。有机质和无机质相互作用，有机物质对金属元素富集和保存的影响贯穿成矿的全过程，并且可以发生于成煤的各阶段。揭示泥炭堆积和煤化（变质）作用各阶段全过程中金属元素的来源和有机物质对金属元素富集地球化学行为的影响，是煤系金属矿产成矿需要解决的关键科学问题。

　　前人对泥炭和低阶煤中金属元素的来源及其与有机质相互作用做了许多研究，但由于物质来源的多样性和相互作用的复杂性，仍有诸多问题尚待攻克。特别是随着煤阶的升高，煤的芳构化程度逐渐加强，给有机质和无机质相互作用的研究增加了难度。煤系金属矿产成矿作用所经历的“蚀源区供给（和蚀源区形成）—物质迁移—金属富集—后期改造保存”4个过程，是在盆地沉积物“堆积—成岩—后期改造”3个演化阶段中发生和发展的，探讨这4个过程与3个阶段不同组合形式在时空配置框架下的成矿模式，是揭示战略性金属富集成矿和分布规律的关键，也是研究煤系战略性金属分布规律的主要难题和挑战。值得提出的是，对于由蚀源区供给形成的煤系金属矿床，不仅要研究蚀源区的位置和性质，还要研究蚀源区的形成过程和机制，这也对区域地质历史演化、古气候和古地理特征具有重要的启示意义。

（2）在勘查技术方面的难题及原因

　　由于煤系金属矿产类型多，与传统金属矿床相比，大部分金属元素丰度较低，目前地球物理勘查技术的精度，难以定量表征或准确判识煤系中大部分金属元素的丰度、组合关系、时空展布等特征；适应于煤系中某种战略性金属矿产的地球物理和地球化学勘查技术，难以适应煤系中其他类型的矿床。产生这些难题的地质原因复杂多样，具体表现有：

　　成因类型复杂：有火山灰成因、蚀源区供给成因、火山灰和热液流体改造复合成因、同生热液淋溶成因、后生热液淋溶成因、海底喷流成因、热液和沉积环境复合成因等。

　　矿床赋存条件复杂：煤系金属矿床的赋存条件的复杂表现为矿床的基地和围岩的岩性各不相同。例如，煤中锗矿床的盆地基地或盆地周边为花岗岩；煤系中铌-锆-镓-稀土矿床的底部为玄武岩或为灰岩；煤中铌-锆-镓-稀土矿床均含有碱性火山灰夹矸；后生成因的煤中铀矿床的围岩与砂岩型矿床密切相关，同生的煤中铀矿床的顶底板通常为灰岩等。

　　金属组合形式复杂：煤系金属矿床有锗、锗-铀、锗-金-银、镓-铝、铌-锆-镓-稀土、铀-铼-硒、铀-铼-硒-稀土等组合类型。

　　放射性核素复杂：有表现为放射性异常的煤系金属矿床，如锗-铀、铌-锆-镓-稀土、铀-铼-硒、铀-铼-硒-稀土；也存在没有放射性异常的煤系金属矿床，如锗、锗-金-银、镓-铝等类型。尽管铌-锆-稀土-镓矿床在测井曲线上表现为自然伽马的高正异常，但对此异常的原因尚不清楚。

　　因此，煤系不同类型战略性金属矿产的成矿过程、赋存环境和组合形式不同，煤系金属矿床与煤层的依存关系各异，具有明显的专属性特征。依据矿床专属性特征选择合适的地质、地球化学、地球物理（电法、磁法、地震、放射性）勘查技术是实现煤层中与煤系中不同类型战略性金属矿床精细协同勘探的关键。

（3）在资源开发评价方面的标准探讨

　　对煤系金属矿产开发的评价，应主要考虑以下因素：金属元素的丰度和资源量、开采和提取分离技术、提取分离的经济性、矿产的战略重要性、开发过程中的环境问题等。以下重点讨论丰度和资源量问题。

　　评价煤系中战略性金属矿产的开发，要求金属元素要达到一定的品位和成矿规模。但是，我国在煤系金属矿产的成矿标准制定方面尚不完善，已经制定的煤中镓的工业品位尚值得探讨，包括标准制定的依据（例如金属的含量基准是全煤基还是灰基）和其他重要因素（如金属所赋存的煤层厚度；共伴生的其他金属元素的丰度和赋存状态等）。Dai和Finkelman在系统总结国内外文献基础上，提出了煤和煤系中18种（类）战略性金属矿产的开发利用品位，包括铀（1000µg/g）、锗（300µg/g）、钒（1000µg/g）等。这18种（类）金属的开发利用品位，均是以灰基为基准的含量，而不是全煤基准的含量，这是因为：迄今为止，煤中战略性金属的提取，均是从粉煤灰中提取，而不是从原煤中提取；对灰分产率较低的煤层，其对应的煤灰中金属含量可能会很高，并可以达到开发利用的价值。同时，对共伴生的金属元素，需要特别考虑那些储量少但用途更大的金属在所有共伴生金属中所占的比例。例如，对煤中稀土元素开发利用价值的评价，不仅要考虑稀土元素总含量及其赋存状态，也要考虑紧缺的稀土元素在总稀土元素含量中所占的比例。

　　对多种金属共伴生富集的矿产和对提取技术要求不高的矿产，其品位要求可有所降低。对以上煤系金属矿产的开发潜力评价，还需要在矿产基础研究和技术研发实践中进一步验证和完善。

（4）在提取利用方面的技术难题与环境问题

　　煤中富集的战略性金属在煤高温燃烧后的粉煤灰中会更为富集，加之粉煤灰的粒度较细，故战略性金属物质一般从粉煤灰中提取和分离。

　　在提取煤系战略性金属方面面临的最具有挑战性的难题是，矿产的低丰度和对赋存状态的精准确定困难。粉煤灰的物相组成通常主要为玻璃质或莫来石，战略性金属元素的赋存状态大多赋存在这两种物相中。粉煤灰中战略性金属的提取，需要包含破坏莫来石等晶体结构以及玻璃质，释放金属元素等过程。在提取过程中，首先要查明金属元素在粉煤灰中的赋存状态，然后有针对性地采用化学或物理与化学相结合的技术方法，释放结晶矿物或玻璃质中的金属元素后再进行提取；同时需充分考虑所采用的提取技术的经济与环保问题。

　　除了考虑技术上可行、经济上合理外，在战略性金属提取过程中有害物质对环境和人体健康的危害，也是煤系战略金属物质分离提取面对的挑战。煤系中不仅多种战略性金属往往共同富集，而且也经常富集有害元素。

　　对煤和煤系中战略性金属提取利用的问题，还面临不同提取源选择的问题，除了粉煤灰和煤系中非煤岩石外，还有酸性矿井水以及煤炭开采和加工利用中产生的矸石、煤的气化产物、煤的洗选产品等。需要研究战略性关键金属物质在这些提取源中的丰度、赋存状态、富集机理，以及提取的可行性等。

引用格式：代世峰,刘池洋,赵蕾,刘晶晶,王西勃,任德贻.煤系中战略性金属矿产资源：意义和挑战[J/OL].煤炭学报:1-12[2022-03-16].[https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.MJ22.0011]

知识多一点：

　　关 键 金 属 （Critical Metals）和关键矿产资源（Critical Minerals）是指对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代重大用途的一类金属元素及其矿床的总称。

　　欧盟2018年发布的《关键原材料和循环经济》报告中所列的关键金属为27种（类）；美国2017年发布的《美国的关键矿产资源—经济和环境地质及未来供应展望》报告中所列的关键金属为43种。虽各国列出的关键金属种类和数量有所不同，但这些元素绝大部分都属于稀有金属（如Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W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）和其他稀少稀贵金属（PEG、Cr、Co等），可简称为“四稀”元素。这些关键矿产中，我国紧缺的主要有Li、Be、Nb、Ta、Zr、Hf、Re、PEG、Cr、Co等，优势的主要包括W、REE、In、Ge、Ga、Se、Tl、Te等。