稀土矿物 （稀土元素矿）

简介

稀土矿物属于氟化物、复氧化物、碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐类等。稀土矿物的颜色依成分而变，不含铁的稀土矿物呈黄色、黄褐色、橙黄色和红褐色，含铁的稀土矿物呈黑色。稀土矿物的摩式硬度为4~6，折光率为1.6~1.9，氧化物的折光率达2.0以上。

稀土矿物为重要战略矿产资源，矿物中蕴含的稀土材料，可应于冶金、机械、玻璃、陶瓷、石油、化工、电子、光学、磁学、医学、生物、航空航天、原子能工业等领域。

主要特征

矿物组成

许多稀土矿物组成复杂，含有钍、铀、锯、钮、钛等多种有价值成分，就矿物的化学形态而来，含有磷酸盐、氟碳酸盐、硅酸盐、硅钛酸盐、铌钽酸盐和钛铌钽酸盐等成分，由于其广泛发生等价和异价类质同象置换现象，许多矿物的成分变化无常，而稀土元素存在的类质同象决定了它们共同参与形成一定的矿物，常见一种矿物中存在四、五种稀土元素，偶尔其数目可达15种。

物理特性

稀土矿物的颜色依成分而变，不含铁的稀土矿物呈黄色、黄褐色、橙黄色和红褐色，含铁的稀土矿物呈黑色。稀土矿物的摩式硬度为4~6，折光率为1.6~1.9，氧化物的折光率达2.0以上。在部分类质同象系列矿物中，折射率会随TR含量的增加而增加。稀土矿物的磁性较弱，含铁的氧化物和硅酸盐具有顺磁性，其导电性不良，几乎全部都是介电体。多数稀土矿物的放射性都偏高，熔点一般介于1500~2000°C之间，只有含硷金属的稀土硅酸盐例外。下图是常见工业稀土矿物的物化性质。

结构特征

表生的稀土矿物具有偏胶质和胶质结构，部分矿物是变生非晶体，而变生非晶转变作用在不同的矿床中发育程度不同。大多数稀土矿物都具有等轴晶系、三方晶系和斜方晶系等，晶体少见晶形完好，通常只有零点几厘米。

氟碳铈矿为三方晶体，依据键能分类为离子晶格结构，氟碳铈矿是典型的由Ce、F和CO组成的岛状结构，其内部存在Ce-O、Ce-F和C-O键，前两者离子性较强，在外力作用下易断裂，其晶体结构见下图：氟菱钙铈矿与氟碳铈矿结构类似。

独居石为单斜晶体，这一结构中，【PO₄】呈孤立四面体，阳离子Ce位于四面体中间，与6个【PO₄】呈孤立四面体相连。外观为斜方柱晶类，呈板状或柱状晶体，晶面常有条纹。同为单斜晶系的稀土矿物还有硅铍钇矿。

磷钇矿为正方晶系，与锆石结构相似，形态为复方双锥晶类，呈c轴延长的短柱状。常见单形为四方柱和双方锥，见下图：

易解石为斜方晶系，晶体结构中Ti、Nb组成歪曲的八面体，每两个八面体以棱相连成对，每对八面体再以角顶相连呈锯齿状平行于c轴的链，链与链间错开以角顶相连构成架。阳离子Ce以配位数为8位于骨架空隙中。晶体形态为斜方双锥类，粒状、板状、针状晶体。如图所示：同为斜方晶系的稀土矿物还有：复稀金矿、黑稀金矿等。

褐钇铌矿为四方晶系，受热可变成单斜晶体，晶体呈四方柱状、四方双锥状或桶状。但常呈粒状产出。见下图

发现历史

稀土的发现史

人类发现稀土的历史始于1794年，首次从硅铍钇矿中分离出钇土，终于1947年发现最后一种稀土元素钷，跨越了150年，消耗了几十位化学家的大量精力。1787年瑞典人阿伦尼乌斯在斯德哥尔摩附近的伊特比村发现了一种黑色石头（硅铍钇矿），1794年芬兰人加多林从中分离出了一种土性氧化物，将其命名为钇土。1803年德国人克莱普罗斯，瑞典人贝采利乌斯和西辛格尔各自从铈硅矿中提取处理铈土。铈土和钇土并非单一金属元素的氧化物，而是多种氧化物的混合物，1907年人们陆续从中分离出16种稀土元素。第17种稀土元素钷为放射性元素，1947年玛利斯基和格伦丹宁等人在铀裂变产物中找到了Pm，至此稀土元素全部被发现。1972年人们在首次天然铀提取物中找到了天然存在的Pm。

世界主要稀土矿的发现

巴西是世界上最早生产和销售稀土矿物的国家，巴西出口独居石的历史可以追溯到1884年，其独居石资源主要位于巴西东部沿海。印度的特拉范科独居石矿床位于印度西南海岸的恰瓦拉和马纳范拉库里奇，于1911年发现，1911年-1945年间独居石供应量占全球一半；1958年印度在比哈尔邦的兰契高原发现独居石矿，尚未开发。1949年，美国两名找矿工人将样品交给美国地质调查局检测时意外发现稀土成分，随后美国进行大规模勘探，从而发现了芒廷帕斯稀土矿；同年美国贝诺杰稀土矿被发现并于1953年被报道。1976年海伍德资源公司在对加拿大西北领地州麦肯锡矿区进行铀矿勘探时发现了托尔胡稀土矿；1999年加拿大霍益达斯湖稀土矿被发现。澳大利亚维尔德山稀土矿于1966年开展航空磁测时被发现。

1934年中国科学家何作霖发现白云鄂博的铁矿中有稀土矿物元素，此后中国陆续探明了一批重要的稀土矿。20世纪50年代发现内蒙古白云鄂博铁铌稀土矿；20世纪60年代中期发现江西、广东等地的风化淋积型稀土矿；20世纪70年代发现山东微山中型稀土矿；20世纪发现四川凉山“牦牛坪式”大型稀土矿。

形成原因及矿床类型

稀土矿床是由各种地质作用形成的，各种不同的地质作用形成不同的矿床类型。地质成矿作用，按照其性质和能量来源可分为：岩浆成矿作用、沉积—风化成矿作用和变质成矿作用。这三种成矿作用分别形成相应的稀土矿床：岩浆型稀土矿床、沉积—风化型矿床和变质型矿床。

岩浆型矿床

岩浆型矿床的形成主要与岩浆活动有关，是在地球不同深度的温度和压力作用下完成的。根据物理、化学条件以及岩浆热液类型的不同，岩浆型稀土矿床分可为以下几种类型：1.花岗岩、碱性花岗岩、花岗闪长岩及钠长石花岗岩稀土矿床；2.碱性岩型稀土矿床；3.火成碳酸盐型稀土矿床；4.伟晶岩型稀土矿床；5.热液脉型稀土矿床。

沉积—风化型矿床

沉积—风化型稀土矿床是由于水、空气和生物作用及沉淀作用，而形成的稀土矿床，它包括：1.沉积岩型稀土矿床；2.砂岩型稀土矿床；3.花岗岩类风化壳型稀土矿床。

变质型矿床

变质型稀土矿床包括变质岩型稀土矿床和沉积变质碳酸盐型稀土矿床两种类型。变质岩型稀土矿床是由于变质作用引起稀土的富集而形成的，其中广泛分布的矿物是独居石；沉积变质碳酸盐型稀土矿床规模一般不大，矿体附近有火成岩的侵入，并有透辉石、石榴石、硅镁石等矿物形成。

分布区域

世界稀土资源主要集中在中国、巴西、越南、俄罗斯、美国、印度、澳大利亚、格陵兰岛、加拿大、南非等国家和地区。据美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）的统计，2017年世界稀土储量（按氧化物计）总量为12000万吨，其中中国为4400万吨，巴西、越南均为2200万吨，俄罗斯为1800万吨。

中国稀土资源分布广泛，22个省市自治区都存在稀土矿藏，品种齐全。主要稀土矿有：内蒙古白云鄂博稀土矿，四川冕宁稀土矿，山东微山稀土矿，南方七省的离子吸附型稀土矿，以及漫长海岸线上的海滨砂矿等。白云鄂博的稀土矿与铁共生，主要稀土矿物为氟碳铈矿与独居石，因此被称为混合矿；微山稀土矿和冕宁稀土矿主要是氟碳铈矿，并有重晶石等伴生，是一类组成相对简单且易选的稀土矿；江西风化壳淋积型稀土矿是一种新型的稀土矿种，它的选冶相对比较简单，且含中重稀土含量较高，是一类极具潜力的稀土矿种。

印度的稀土主要为砂矿,其独居石的开采历史始于 1911 年，最大矿床分布在拉拉邦、马德拉斯邦和奥里萨拉邦。马来西亚的稀土矿来源主要是锡矿的尾矿，从中可以回收独居石、磷钇矿和铌钇矿等稀土矿物，马来西亚是世界重稀土和钇的主要来源。

整个美洲都蕴藏着稀土资源。美国的稀土资源主要有氟碳铈矿、独居石及在选别其他矿物时作为副产品回收的黑稀金矿、硅铍钇矿和磷钇矿。位于加利福尼亚的圣贝迪诺县的芒廷帕斯矿，是世界上最大的单一氟碳铈矿。佛罗里达州的格林科夫斯普林斯矿，独居石较为丰富。此外，北卡罗来纳州、南卡罗来纳州、佐治亚州、爱达荷州和蒙大拿州也有储量相当可观的砂矿分布。加拿大的稀土矿主要来源为铀矿副产物，安大略省、魁北克省、纽芬兰岛和拉布拉多省均有分布。巴西的独居石资源集中分布在从里约热内卢到北部福塔莱萨的东部沿海地区。

应用领域

重要战略矿产资源

稀土是重要的战略矿产资源。稀土矿物具有战略资源必须的重要性、稀缺性和独特性等特点，在国防和经济中扮演着不可或缺且难以替代的角色。稀土在原子能、冶金、石油、航天、航空、电子产业、光学影像、化工、纺织、服装、医药生产、农业生产等都离不开稀土元素，由于其广泛应用于高端科技产品及军事精密武器等领域，对国家安全意义重大。

稀土在武器制造领域可用于制造雷达、夜视镜以及被称为“灵巧炸弹”的精密制导武器等各种武器装备，例如：钐钴磁铁被用于“艾布拉姆斯”坦克搭载的导航系统和驱逐舰装备的SPY-1雷达。

传统领域

冶金/机械

混合稀土金属、稀土硅化物及稀土有色金属中间化合物可炼制优质钢、有色金属及合金材料，在铝合金或镁合金中加入稀土后，可以制造轮船引擎上的叶轮、飞机及汽车发动机和导弹上的部件，在铝锆合金中加入适当的稀土可以提高电缆的抗拉强度，而不降低其导电性。

石油/化工

稀土在石油/化工中主要应用于裂化催化领域，可提高催化剂的活性和稳定性，提高原料油裂化转化率，增加汽油和柴油的产率，减少石油催化裂化过程中二氧化硫的排放，降低燃油中的硫含量等。

玻璃

稀土玻璃主要是指含有稀土氧化物的硼酸盐和硅酸盐系统的光学玻璃。除稀土光学玻璃之外，稀土在着色感光玻璃、光敏微晶玻璃、旋光玻璃、光致变色玻璃、红外玻璃、有色玻璃、防辐射及耐辐射玻璃等多种新型光功能玻璃中都有十分重要的应用。

农业/轻工/纺织

稀土在农业中的应用有农用产品、饲料等，在轻工及纺织中的应用包括有合成树脂、橡胶催化剂、纤维助染剂、塑料热稳定剂、加工改性剂、成核剂、转光剂等。

新材料领域

稀土永磁材料

稀土永磁材料具有高磁性、耐高温、稳定性好等特点，在风力发电、交通运输工具、国防军工、微波通信技术等领域有所应用。如在风力发电方面，发电机使用烧结钕铁硼永磁体后电量提高了20%，使用寿命延长一倍。在国防军工方面，“爱国者”导弹制导系统中使用了约4kg的钐钴磁体和钕铁硼永磁体；F-22战斗机发动机使用了稀土永磁材料；神舟九号、嫦娥一号、嫦娥二号、天宫一号等的运载系统、对接机构、扫描及成像系统中使用了大量高性能的钐钴永磁材料。

稀土储氢材料

稀土储氢材料可应用于航空航天、军事、能源、化工、电子等众多领域，当稀土储氢材料作为镍氢电池的阴极材料时，能够使电池能量密度提升两倍，因而被广泛用于计算机、笔记本电脑、数码相机、数码通信设备等的电池研发中。

稀土发光材料

稀土发光材料具有光吸收能力强、转化效率高、色纯度高、色彩鲜艳、物理化学性质稳定、可承受高能辐射等特点，可被应用于固体光源、发光二极管、平板图像显示、彩色电视、X射线成像、闪烁体、荧光灯、激光材料等领域的研究。

稀土催化材料

稀土催化剂主要应用于机动车尾气净化、天然气催化燃烧、催化合成橡胶等领域。如2009年，我国成功研制出完全自主设计的机动车尾气净化器，使汽车排放水平超过国IV排放标准，提升了净化器器的使用寿命。2015年，我国研发的新型高效稀土催化体系实现了万吨级稀土异戊橡胶工业化装置的应用，使每吨异戊橡胶产品的主催化剂成本降至300元以下，产品质量达到了国内外同类产品的最高水平。

其他稀土功能材料

纳米稀土功能材料已经研发出纳米黏结钕铁硼永磁体、纳米稀土磁制冷材料，以及稀土纳米晶、稀土功能有序介孔材料、高质量的上转换发光纳米晶及纳米晶超晶格等多种功能材料。

矿物开采

采矿

有三种类型的开采方法，第一类为露天开采，需先将矿体上覆的岩土剥离，然后开采矿体。其中硬岩矿物多采用台阶式机械化开采，砂矿开采包括台阶式机械化开采、水利机械化开采、采砂船开采等方式。第二类为地下开采，适用于剥采比过大或者地表需要保护而不宜露天开采的矿床，根据采场地压管理的特点，地下采矿方法可分为空场采矿法、充填采矿法和崩落采矿法等。第三类为特殊开采，包括溶浸（池浸、堆浸、原地浸矿）、水溶、热熔、盐湖采矿和海洋采矿等。

选矿

矿物型稀土矿

原生稀土矿常用的选矿方法有：单一浮选、浮选-重选、重选-电选-强磁-浮选等联合工艺流程。要获得高品质的稀土精矿，有时还需要经过浮选，稀土浮选在强酸和强碱介质中会受到抑制，通常在弱碱或者中等碱度介质中浮选效果更好。

离子型稀土矿

离子型稀土矿中的稀土元素主要是以离子形态吸附于黏土类矿物表面或晶层间，故只能采用化学选矿的方法进行回收。离子型稀土矿的化学选矿可分为浸矿和提取两步，先将稀土从矿体中浸出，然后再从浸出液中提取稀土。浸矿的机理是：在离子型稀土矿中，被吸附在黏土表面的稀土阳离子遇到化学性质更活泼的阳离子（Na，NH等）时，会被更活泼的阳离子解吸下来进入溶液，达到浸出目的。

分类

世界上已知的稀土矿物约有150种，含有稀土元素的矿物有250种以上，具有工业价值的稀土矿物只有50~60种，但实际上在工业上利用的矿物总共只有10种左右。主要有独居石、铈硅石、氟碳铈矿、硅铍钇、磷钇矿、褐钇铌矿、褐帘石、铌钇矿、黑稀金矿、钇萤石、氟铈矿、硅钛铈矿、离子吸附型等。常见的稀土矿物可按其化学成分，并参照其晶体结构和晶体化学特征，将其分为五大类：

（1）碳酸盐及氟碳酸盐类矿物。含有三角形的碳酸根阴离子基团，如氟碳铈矿、碳锶铈矿等。

（2）磷酸盐及砷酸盐和钒酸盐类矿物。含有孤立的四面体阴离子基团，如独居石、磷气矿、砷钇矿、钒钇矿等。

（3）氧化物类，又可细分为简单和复杂两种类型。简单氧化物类是是由单个阴、阳离子组成，阴离子为氧，如方铈石等；复杂氧化物类具有大阳离子、中等大小的及小阳离子的复杂堆积，如褐钇铌矿、黑稀金矿、易解石、铈铌钙钛矿等。

（4）硅酸盐类矿物。含有孤立的两两相连的或环状的硅氧四面体基团，如硅铍钇矿、钪钇石、铈硅矿、褐帘石、硅钛铈矿等。

（5）氟化物类。由单个阴、阳离子组成，没有阴离子基团，如钇萤石、氟铈矿、氟钙钠钇石等。

名称来源

受到发现年代（十八、十九世纪）的技术水平的限制，人们只能利用稀土硫酸复盐等溶解度的微小差异，艰难地制得少量不溶于水的氧化物。由于当时不溶于水的固体氧化物通常被称为土，如氧化镁被称为苦土，氧化锆被称为锆土，又由于当时发现的稀土矿物较少，因而人们将其命名为稀土，并一直沿用至今。事实上稀土元素总量上并不“稀”，性质上也不“土”，而是比一些普通元素在地壳中丰度还高的金属元素。各稀土名称的由来见下表：

环境影响

稀土矿物在被采矿、选矿和冶炼过程中，均会排放大量对环境有害的污染物。如稀土开采时会造成植被破坏、采场塌陷、水土流失、河道堵塞、尾矿坝渗漏等现象；稀土冶炼、萃取分离过程中使用的大量酸碱、萃取剂等化工原料，会造成大量废气、废水与废渣的产生，特别是放射性废渣会严重污染江河、湖泊、地下水和农田，对当地生活环境和生态环境将构成严重威胁。稀土冶金中产生的废气进入大气后，含有的放射性元素衰变后会产生氧、铀、钍的衰变子体，这些子体除直接危害生产人员的健康外，还会通过通风扩散进入居民区，对附近的居民健康产生影响。

稀土元素对人体的直接毒性，随其进入人体的途径不同而存在差别。一般经口摄入呈现低毒性，经吸入或腹腔注射呈现中等毒性，经静脉注入呈现高毒性。不同化合物毒性也不同，其毒性由大至小顺序为：稀土硝酸盐>硫酸盐>某些络合物>氯化物>氧化物。