稀土礦物

稀土礦物（rare minerals）又稱“萬能之土”，是指稀土和其他元素以離子化合物形式存在于礦物晶格中的礦物，廣義上還包括含稀土礦物和吸附稀土離子的礦物。在稀土礦物中，氟碳鈰礦是最有工業價值的一種、獨居石和磷釔礦。

稀土礦物屬于氟化物、復氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽和硅酸鹽等。稀土礦物的顏色因成分不同而不同，不含鐵的稀土礦物呈黃色、黃褐色、橙黃色和紅褐色，含鐵稀土礦物為黑色。稀土礦物的摩擦硬度為4~6，折射率為1.6~1.9，氧化物的折射率達到2.0以上。

稀土礦產是重要的戰略礦產資源，礦產中所含的稀土材料可應用于冶金、機械、玻璃、陶瓷、石油、化工、電子、光學、磁學、醫學、生物、航空航天、原子能工業和其他領域。

稀土發現

人類發現稀土的歷史始于1794年釔土首次從硅鈹釔礦中分離出來，最后一種稀土元素钷終于在1947年被發現，跨越了150年，耗費了幾十個化學家的大量精力。1787年，瑞典人阿倫尼烏斯在斯德哥爾摩附近的伊特比村發現了一塊黑色的石頭（硅鈹釔礦）1794年，芬蘭人加多林從中分離出一種土壤氧化物，命名為釔土。1803年，德國人克萊普勒斯瑞典人貝特利烏斯和西辛格分別從鈰礦提取和處理鈰礦。鈰和釔不是單一金屬元素的氧化物，而是多種氧化物的混合物1907年，從中分離出16種稀土元素。第17種稀土元素钷是一種放射性元素1947年，MaryskyGlendenning等人在鈾裂變產物中發現了147Pm，至此所有稀土元素都已被發現。1972年，在第一批天然鈾提取物中發現了147Pm。

礦物發現

巴西是世界上第一個生產和銷售稀土礦物的國家巴西出口獨居石的歷史可以追溯到1884年，其獨居石資源主要位于巴西東部沿海。印度特拉凡科獨居石礦床位于印度西南海岸的恰瓦拉和馬納凡拉庫里克它于1911年被發現在1911年，-1945年獨居石供應量占全球一半；1958年，印度在比哈爾邦牧場高原發現獨居石礦，至今尚未開發。1949年，美國兩名礦工在將樣品交給美國地質調查局檢測時意外發現了稀土成分，隨后美國進行了大規模勘探，從而發現了山口稀土礦；同年，美國的貝諾杰稀土礦被發現，并于1953年上報。1976年，海伍德資源公司在加拿大西北領地麥肯錫礦區進行鈾礦勘探時發現了托爾胡稀土礦；1999年，加拿大霍伊達斯湖的稀土礦被發現。澳大利亞維爾德山的稀土礦是1966年進行航磁測量時發現的。

1934年，中國科學家何發現白云鄂博鐵礦中含有稀土礦物元素此后，中國陸續發現了一批重要的稀土礦。內蒙古白云鄂博鐵鈮稀土礦床發現于20世紀50年代；江西是60年代中期發現的、廣東等地的風化殘積稀土礦床；山東巍山中型稀土礦床發現于20世紀70年代；四川涼山是20世紀發現的“牦牛坪式”大型稀土礦。

成因和礦床類型

稀土礦床是由各種地質作用形成的，不同的地質作用形成不同類型的礦床。地質礦化，根據其性質和能量來源，可分為：巖漿成礦作用、沉積—風化礦化和變質礦化。這三種礦化作用分別形成相應的稀土礦床：巖漿型稀土礦床、沉積—風化沉積物和變質沉積物。

巖漿型礦床

巖漿礦床的形成主要與巖漿活動有關，巖漿活動是在地球不同深度的溫度和壓力作用下完成的。根據物理、根據化學條件和巖漿熱液類型的不同，巖漿稀土礦床可分為以下類型：1.花崗巖、堿性花崗巖、花崗閃長巖和鈉長石花崗巖的稀土礦床；2.堿性巖型稀土礦床；3.火成碳酸鹽稀土礦床；4.偉晶巖型稀土礦床；5.熱液脈狀稀土礦床。

沉積—風化型礦床

沉積—風化的稀土礦床是由于水、空氣與生物相互作用和沉淀形成的稀土礦床，包括：1.沉積巖型稀土礦床；2.砂巖型稀土礦床；3.花崗巖風化殼型稀土礦床。

變質型礦床

變質稀土礦床包括變質稀土礦床和沉積變質碳酸鹽稀土礦床。變質稀土礦床是由變質作用引起的稀土富集而形成的，其中獨居石是廣泛分布的礦物；沉積變質碳酸鹽稀土礦床規模一般較小，礦體附近有火成巖侵入體和透輝石、石榴石、水鎂石等礦物質的形成。

礦物組成

許多稀土礦物成分復雜，含有釷、鈾、鋸、鈕、許多有價值的成分，如鈦，來自礦物的化學形式，含有磷酸鹽、氟碳酸鹽、硅酸鹽、硅鈦酸鹽、鈮鉭酸鹽和鈦鉭酸鹽由于等價和異質的類質同象置換現象，成分是可變的，稀土元素的類質同象決定了它們共同參與某些礦物的形成一種普通礦物中有四種、五種稀土元素，偶爾數量可以達到15種。

物理特性

稀土礦物的顏色因成分不同而不同，不含鐵的稀土礦物呈黃色、黃褐色、橙黃色和紅褐色，含鐵稀土礦物為黑色。稀土礦物的摩擦硬度為4~6，折射率為1.6~1.9，氧化物的折射率達到2.0以上。在一些類質同象礦物中，折射率會隨著TR含量的增加而增加。稀土礦物磁性弱，含鐵氧化物和硅酸鹽是順磁性的，導電性差，幾乎都是電介質。大多數稀土礦物都是高放射性的，它們的熔點一般在1500到2000°C之間，只有含堿金屬的稀土硅酸鹽除外。下圖是常見工業稀土礦物的物理化學性質。

結構特征

表生稀土礦物具有膠體和膠體結構，部分礦物為變質非晶，變質非晶轉化在不同礦床中發育程度不同。大多數稀土礦物具有等軸晶系、三方晶系和正交晶系等，晶體形態罕見且完整，通常只有十分之幾厘米。

氟碳鈰礦是一種三方晶體，根據鍵能分為離子晶格結構氟碳鈰礦是由鈰和鈰組成的典型晶體、F和CO2-島狀結構，其中有Ce-O、Ce-F和C-o鍵，前兩者是離子型的，在外力作用下容易斷裂它們的晶體結構見下圖：鎂橄欖石的結構類似于氟碳鈰礦。獨石是單斜晶體在這種結構中，【PO4】它是一個孤立的四面體，陽離子Ce位于四面體的中間，有6【PO4】連接成一個孤立的四面體。外觀為菱面體晶體，為面上有條紋的板狀或柱狀晶體。也是單斜晶系的稀土礦物也是SiBeY礦物。

磷釔礦是四方晶系，結構類似鋯石它是一種復合雙錐晶體，有一個延長C軸的短柱。易溶石是正交晶系，晶體結構中有Ti、Nb構成一個扭曲的八面體，每兩個八面體通過邊成對連接，每對八面體通過角頂連接形成一個平行于C軸的鋸齒形鏈，鏈之間交錯排列，通過角頂連接形成一個框架。陽離子Ce位于骨架間隙中，配位數為8。晶體形態為菱形雙錐和粒狀、板狀、針狀晶體。弗格森石是四方晶系，加熱時可轉變為單斜晶體，晶體為四方柱狀、方形雙錐或桶形。但常呈粒狀產出。 

世界稀土資源主要集中在中國、巴西、越南、俄羅斯、美國、印度、澳大利亞、格陵蘭島、加拿大、南非等國家和地區。根據美國地質調查局的數據（United States Geological Survey）統計，世界與2017年美國稀土儲量（按氧化物計）總量12億噸，其中中國和巴西4400萬噸、越南2200萬噸，俄羅斯1800萬噸。

我國稀土資源分布廣泛，22個省市自治區都有稀土礦床，品種齊全。主要稀土礦有：內蒙古白云鄂博稀土礦四川冕寧稀土礦山東巍山稀土礦南方七省離子吸附稀土礦漫長海岸線上的濱海砂礦等。白云鄂博的稀土礦物與鐵共生，主要稀土礦物為氟碳鈰礦和獨居石，故稱混合礦物；巍山稀土礦和冕寧稀土礦以氟碳鈰礦為主，伴有重晶石等是一種成分相對簡單易于分離的稀土礦；江西風化殼殘積稀土礦是一種新型稀土礦，選冶相對簡單，中重稀土含量高，是一種很有潛力的稀土礦。

印度的稀土主要是砂礦，獨居石的開采歷史始于 19113356年，最大的礦床位于拉拉邦、馬德拉斯和奧里薩拉州。馬來西亞稀土礦物的主要來源是錫礦尾礦，從中可以回收獨居石、磷釔礦鈮酸釔等稀土礦，馬來西亞是世界重稀土和釔的主要來源。

整個美國都蘊藏著稀土資源。美國的稀土資源主要有氟碳鈰礦、獨居石和黑色稀有金礦石是在分選其他礦物時作為副產品回收的、綠柱石和磷釔礦。加利福尼亞州圣貝都諾縣的帕斯山礦是世界上最大的單一氟碳鈰礦。佛羅里達州的格林科夫泉礦富含獨居石。此外，北卡羅來納州、南卡羅來納州、佐治亞州、愛達荷州和蒙大納州也有大量的砂礦。加拿大稀土礦物的主要來源是安大略省的鈾副產品、魁北克省、紐芬蘭和拉布拉多都有分布。巴西的獨居石資源集中在從里約熱內盧到北部福塔萊薩的東部沿海地區。

重要的戰略礦產資源

稀土是重要的戰略礦產資源。稀土礦產具有必要的戰略資源重要性、稀缺性和獨特性在國防和經濟中起著不可或缺和不可替代的作用。稀土在原子能、冶金、石油、航天、航空、電子產業、光學影像、化工、紡織、服裝、醫藥生產、農業生產離不開稀土元素，稀土元素廣泛應用于高端科技產品和軍事精密武器，對國家安全意義重大。

稀土可用于制造武器制造領域的雷達、夜視鏡和什么 叫做“靈巧炸彈”精確制導武器和其他武器裝備，如：釤鈷磁鐵被用于“艾布拉姆斯”坦克攜帶的導航系統和驅逐艦配備的間諜-1雷達。

傳統領域

冶金/機械

混合稀土金屬、稀土硅化物和稀土有色金屬中間化合物可用于精煉優質鋼、有色金屬及合金材料，在鋁合金或鎂合金中加入稀土后，可用于制造船舶發動機上的葉輪、對于飛機汽車發動機導彈等部件，在鋁鋯合金中加入適量的稀土，可以在不降低電纜導電性能的前提下，提高電纜的抗拉強度。

石油/化工

稀土在石油/主要用于化學工業中的裂化催化領域，可以提高催化劑的活性和穩定性，提高原料油的裂化轉化率，增加汽油和柴油的收率，減少石油催化裂化過程中二氧化硫的排放，降低燃料油中的硫含量。

玻璃

稀土玻璃主要是指含有稀土氧化物的硼酸鹽和硅酸鹽體系的光學玻璃。除了稀土光學玻璃，稀土是著色感光玻璃、光敏微晶玻璃、旋光玻璃、光致變色玻璃、紅外玻璃、有色玻璃、防輻射和抗輻射玻璃在許多新型光學功能玻璃中有著非常重要的應用。

農業/輕工/紡織

稀土在農業上的應用包括農產品、飼料等其在輕工業和紡織中的應用包括合成樹脂、橡膠催化劑、纖維助染劑、塑料熱穩定劑、加工改性劑、成核劑、轉光劑等。

新材料領域

稀土永磁材料

稀土永磁材料具有很高的磁性、耐高溫、穩定性好等特點，在風力發電中、交通運輸工具、國防軍工、微波通信技術等領域得到了應用。比如在風力發電中，使用燒結釹鐵硼永磁體后，發電機的耗電量增加了20%，使用壽命提高一倍。在國防和軍事工業方面，“愛國者”導彈制導系統中使用了約4公斤的釤鈷磁體和釹鐵硼永磁體；F-22戰斗機發動機使用稀土永磁材料；神舟九號、嫦娥一號、嫦娥二號、天宮一號的運載系統及其他、對接機構、掃描成像系統中大量使用高性能釤鈷永磁材料。

稀土儲氫材料

稀土儲氫材料可用于航空航天、軍事、能源、化工、在電子等許多領域，稀土儲氫材料被廣泛應用于計算機，因為當用作陰極材料時，它們可以使鎳氫電池的能量密度增加一倍、筆記本電腦、數碼相機、用于數字通信設備等的電池的研究和開發。

稀土發光材料

稀土發光材料具有很強的光吸收能力、轉化效率高、色純度高、色彩鮮艷、物理和化學性質穩定、它能承受高能輻射，可應用于固態光源、發光二極管、平板圖像顯示、彩色電視、X射線成像、閃爍體、熒光燈、激光材料和其他領域的研究。

稀土催化材料

稀土催化劑主要用于機動車尾氣的凈化、天然氣催化燃燒、橡膠催化合成等領域。比如2009年，我國成功研發出完全自主設計的汽車尾氣凈化器，使汽車排放水平超過國IV排放標準，提高了凈化器的使用壽命。2015年，我國研發的新型高效稀土催化體系實現萬噸稀土異戊橡膠工業裝置應用，使每噸異戊橡膠產品主催化劑成本降至300元以下，產品質量達到國內外同類產品最高水平。

其他稀土功能材料

納米稀土功能材料開發了納米粘結釹鐵硼永磁體、納米稀土磁致冷材料和稀土納米晶體、稀土功能有序介孔材料、高質量上轉換發光納米晶和納米晶超晶格等功能材料。

采礦

有三種采礦方法第一種是露天開采，要求在開采礦體前剝離礦體上覆的巖土。其中硬巖礦產多采用臺階機械化開采，砂礦開采包括臺階機械化、水利機械化開采、采砂船采礦等。第二類是地下開采，適用于剝采比過大或地表需要保護，不適合露天開采的礦床根據采場地壓管理的特點，地下采礦方法可分為空場采礦方法、充填采礦法和崩落采礦法等。第三類是特種開采，包括浸出（池浸、堆浸、原地浸礦）水溶、熱熔、鹽湖開采和海洋開采等。

選礦

礦物型稀土礦

原生稀土礦常用的選礦方法如下：單一浮選、浮選-重選、重選-電選-強磁-組合工藝流程，如浮選。為了獲得高質量的稀土精礦，有時需要浮選稀土浮選在強酸強堿介質中會受到抑制，在弱堿或中堿性介質中浮選效果通常較好。

離子型稀土礦

離子型稀土礦物中的稀土元素主要以離子形式吸附在粘土礦物表面或層間，只能通過化學選礦回收。離子型稀土礦的化學選礦可分為浸出和萃取兩個步驟先從礦體中浸出稀土，再從浸出液中提取稀土。浸礦的機理是：在離子型稀土礦物中，吸附在粘土表面的稀土陽離子遇到化學性質更活潑的陽離子（Sodium, ammonium, etc）它會被更活潑的陽離子解吸，進入溶液中，達到浸出的目的。

分類

世界上已知的稀土礦物大約有150種，含稀土元素的礦物有250多種，具有工業價值的稀土礦物只有50~60種，但實際上工業上使用的礦物只有10種左右。主要有獨居石、鈰硅石、氟碳鈰礦、硅鈹釔、磷釔礦、褐釔鈮礦、褐簾石、鈮釔礦、黑稀金礦、釔螢石、氟鈰礦、硅鈦鈰礦、離子吸附型等。常見的稀土礦物根據其化學成分并參照其晶體結構和晶體化學特征可分為五類：

1）碳酸鹽和碳氟化合物礦物。含三角形碳酸根陰離子基團的，如氟碳鈰礦、碳鍶鈰礦等。

2）磷酸鹽砷酸鹽和釩酸鹽礦物。含有孤立的四面體陰離子基團的，如獨居石、磷氣礦、砷釔礦、釩釔礦等。

3）氧化物可分為簡單和復雜兩種。簡單氧化物由單個陰極組成、陽離子陰離子是氧，如鈰礦；復合氧化物具有大的陽離子、中型和小型陽離子的復雜堆積，如弗格森礦、黑稀金礦、易解石、鈰鈮鈣鈦礦等。

4）硅酸鹽類礦物。含有孤立的成對連接或環狀硅氧四面體基團的，如綠柱石、鈧釔石、鈰硅礦、褐簾石、硅鈦鈰礦等。

5）氟化物類。由單個陰、陽離子成分，不含陰離子基團，如釔螢石、氟鈰礦、氟鈣鈉釔石等。 

稀土礦物正在被開采、在選礦和冶煉過程中，會排放大量對環境有害的污染物。如稀土開采會造成植被破壞、采場塌陷、水土流失、河道堵塞、尾礦壩滲漏等；稀土冶煉、在提取和分離過程中使用大量的酸和堿、萃取劑和其他化工原料會產生大量廢氣、廢水和廢渣的產生，特別是放射性廢渣，會嚴重污染河流、湖泊、地下水和農田將對當地的生活環境和生態環境構成嚴重威脅。稀土冶金的廢氣進入大氣后，其中所含的放射性元素會衰變產生氧氣、鈾、釷衰變子體，這些子體不僅直接危害生產人員的健康，還通過通風擴散到居民區，對附近居民的健康產生影響。

稀土元素進入人體的方式不同，對人體的直接毒性也不同。一般口服攝入表現為低毒性，吸入或腹腔注射表現為中度毒性，靜脈注射表現為高毒性。不同化合物的毒性也不同，毒性大小順序如下：某些稀土硝酸鹽硫酸鹽配合物的氯化物氧化物。