关键金属(Critical Metals)或关键矿产(Critical Minerals)是指当前和未来相当长时间内现代社会可持续发展所必须但在稳定供给方面又存在高风险的金属矿产资源,主要包括稀有金属(如Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、Zr、Hf、W和Sn 等)、稀土金属(REE:La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc和Y)、稀散金属(Ga、Ge、Se、Cd、In、Te、Re和Tl)和部分稀贵金属(铂族元素(PGE:Pt、Pd、Os、Ir、Ru和Rh)、Co和Cr等)。关键金属由于具有极度耐高温、耐腐蚀、光学和电磁性质优良等物理化学特性,是航空航天、电子信息、高端制造、新能源、新材料等重点领域和新兴产业发展的重要物质基础。由于高科技和新兴产业的快速发展,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,可以说,未来国际矿产资源和科技的竞争在很大程度上将集中于对关键矿产资源的博弈[1]。为此,以美国、欧盟及澳大利亚为首的西方国家,相继提出关键矿产目录和清单,明确其供应安全为国家战略,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。中国关键矿产具有明显的优势,特别是稀土元素矿产,具有较大的储量优势和资源潜力。但也应该看到,数十年的经济高速增长和高科技、新兴产业的快速发展,对资源的消耗极大。已有资料表明,43种主要矿产资源中,我国有32种消费量居世界第一,24种消费量占比超过全球的40%,18种大宗和关键金属矿产对外依存度居高不下(40%~99%)[2.3.4.5],未来较长时间(>10年)内对关键矿产的需求量仍将持续增长,中国一度优势的稀土元素和若干稀有、稀散元素矿产储量全球占比近年来也在下降,国际话语权有所减弱。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。

　　关键矿产对新材料、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或重大的用途。基于关键矿产对国家安全和新兴产业发展的重大意义,全球各大经济体,近年来先后制定了各自的关键矿产发展战略(表1)。日本资源匮乏,早在20世纪60年代就对工业生产所需的矿产资源进行过分析,并对海外矿产资源进行调查。2009年日本出台了“稀有金属保障战略”,直接给出了31种优先考虑的战略矿产[6]。美国20世纪 70 年代中期就开展了关键进口材料的研究和布局。2008 年,随着战略性新兴产业的快速发展,美国又开始了新一轮的关键矿产研究,在2017年发布对经济发展和国家安全至关重要关键矿产种类为43种,2018年又调整为35种(表1),并围绕这些关键金属矿产进行了项目布局[7]。2019年,美国发布应对矿物进口依赖提出了6项行动纲领、24项目标和61项建议,包括推进关键矿产供应链转型、加强与盟国合作、减少国内矿产资源开发审批限制、促进国内稀土和其他关键矿产的生产等[8]。欧盟于2008 年就启动了关键矿产的布局。并在2018年提出了原材料2050愿景与科技创新路线图,建立了关键金属原材料信息系统(RMIS),并设立了相关的重要研究计划[9]。澳大利亚2019年列出了对于国防、太空、能源和先进制造非常重要的24种关键矿产清单[10]。2018年,俄罗斯确定了主要三类战略矿物原料和重要的矿产资源类型清单(表1)[11],并明确提出保障提高俄罗斯地质研究程度,保持俄罗斯在全球矿物原料供给中的领先地位。此外,联合国环境规划署也在2019年列出了4类未来可持续技术及所应用的金属[12]。

全球主要经济体及联合国对关键/战略性矿产的界定

　　近些年来,各国的关键矿产战略呈现政策数量增加、政策关注点系统化、清单定期更新与完善等特征。关键矿产资源的“关键性”界定是各国关键矿产发展战略的基础,虽然各国列出的关键金属种类和数量有所不同,但各国均把“供应风险”和“经济重要性”作为关键矿产界定的重要指标。此外,结合各自的国情,日本将“可操作性”作为界定评价关键矿产“关键性”的指标之一,而美国将“市场动态与产量增长”视为“关键性”的重要指标。因此,关键金属矿产是现今各国经济发展必须的且具有安全供应风险的一类矿产资源。

　　2015年5月,《中国制造2025》中按高新技术领域将关键矿产分为洁净能源领域(Gd、In、Y、Nd、U和Sn等)、光伏电池领域(Gd、Te、In、Ge、Li和Co)、信息产业领域(REE、Sb、Nb、W和Sn)、航天航空领域(Re和Be等)和国防安全领域(REE、W、Be、Nb和Ta等)[13]。2016年11月,国务院批复通过《全国矿产资源规划(2016—2020年)》,将24种矿产列入战略性矿产目录[14](表1)。这些战略性矿产作为矿产资源宏观调控和监督管理的重点对象,并在资源配置、财政投入、重大项目、矿业用地等方面加强引导和差别化管理,提高资源安全供应能力和开发利用水平。因此,我国的关键矿产是对国家经济、国防和战略性新兴产业发展至关重要的矿产资源,包括我国有资源优势可以调控国际市场的矿产资源控制性的或者是我国资源短缺、存在较大安全隐患的矿产资源控制性的。其中,我国具有优势地位的关键矿产有W、REE、In、Ge、Ga、Se、Tl和Te等,紧缺的关键矿产主要有Li、Be、Nb、Ta、Zr、Hf、Re、PGE、Cr和Co等。

　　关键矿产的主要特征

　　与传统大宗矿产相比,关键矿产在矿床中常以“稀”“伴”“细”为主要特征:

(1)关键金属元素的地壳丰度极低(一般为10-6及以下),成矿需要元素数百甚至上万倍的超常富集,成矿条件十分苛刻,这也造成关键金属矿产资源在全球分布的极度不均性;

(2)由关键金属元素独立形成的矿床较为少见,它们多以共生和伴生元素形式产于其他矿床中,元素组合复杂,如煤系中的关键金属 Ge、Ga、Li和U等,钒钛磁铁矿床中的REE,与铝土矿伴生的沉积型锂矿和与斑岩型铜矿伴生的Re、Se和Te等关键金属资源;

(3)关键金属元素的载体矿物通常非常细小,含量也极其低,往往呈吸附、类质同象以及极细小矿物包体等形式存在,因此它们不易被直接观察到;

(4)关键金属元素地球化学行为及成矿机制复杂,矿化类型多样,认知难度较大;

(5)关键金属矿产在全球范围内分布极度不均,造成“卡脖子”和被“卡脖子”的情况。上述地质属性决定了关键矿产的成矿元素来源示踪、矿产勘查评价理论和方法、元素绿色高效提取分离技术等方面均面临很大挑战。

　　关键矿产研究的科学和技术问题

　　如前述,关键金属元素具有相对独特的地质特征。关键金属元素的成矿需要经历 “超常富集”,那么,什么样的地质过程导致元素超常富集行为?目前,对关键金属元素的地球化学性质及行为研究还较薄弱,成矿过程与超常富集机理争议较大。许多关键金属元素为共伴生产出或依附主元素成矿,难以形成独立矿床。那么是什么因素控制了这些元素的共生与分异行为?许多关键金属元素在自然界常以吸附、类质同象和细小矿物形式存在,对其赋存状态认识的不足极大增加了分离及其综合利用难度。因此,低丰度金属元素超常富集成矿过程与驱动机制是关键矿产成矿学研究的核心科学问题。为解决这一问题,我们必须解决“源、运、储、变、保”各环节的过程和机制问题,最终为找矿、勘查、评价和开发利用提供技术支持。翟明国院士牵头,众多科学家参与,开展了“新常态下中国矿产资源需求、安全和风险预判”的专项研究,提出了我国关键金属资源研究存在的主要科学问题。

　　（1）地球多圈层相互作用对关键金属元素富集的控制作用

　　近年来,分析测试技术特别是原位微区分析技术的进步,为深入开展关键金属元素在复杂体系和复杂地质过程中的地球化学行为研究提供了可能;壳幔循环是地球上最重要的元素富集过程,元素通过地幔岩浆活动进入地壳,地壳又以板块俯冲、岩石圈拆沉等进入地幔,该过程导致不相容元素在地壳中不断富集,相容元素则在地幔中富集。但关键金属元素如何通过壳幔循环过程、在何种特定地质条件下才能富集的机制目前尚不清楚;一些关键金属元素在表生过程中得以富集而成矿,地球表面有很多氧化-还原界面,很多关键金属元素都是变价元素,对氧逸度的变化十分敏感,如Co和Re等关键金属元素在氧化-还原过程中可以高度富集,风化淋滤过程是另一个重要的表生循环过程,REE、Li、Ga、Zr、Hf、Nb和Ta等关键金属元素在这一过程中可以大幅度富集。但目前对大多数关键金属元素在表生过程中的循环研究尚处于起步阶段。

　　（2）关键金属富集机制与成矿规律

　　矿床的形成是多个地质-物理-化学作用的综合结果,查明关键金属矿床特征、分布规律及控制关键金属矿床形成的地质-物理-化学过程,是理解关键金属元素成矿规律与形成机制的关键。由于多数关键金属矿床品位低,矿物颗粒细小,成矿时限难以直接精细约束,所以全球范围内关键金属矿床成矿规律与机制研究还存在较多尚未解决的重要问题。如不同构造背景对关键矿产矿种是否有控制作用?大陆裂解、洋壳分离洋中脊形成、洋壳俯冲火山岩浆弧形成,陆-陆(弧)碰撞及碰撞后拉张等不同构造岩浆作用是否对特定矿种具有成矿专属性?岩浆/热液演化过程中,关键金属元素的地球化学行为及分配关系如何?关键金属元素以什么状态迁移?不同性质流体中影响关键金属元素溶解和沉淀的主要因素有哪些?伴生的关键金属元素如何与主元素结合?最终需要查明关键金属成矿系统的主控因素,矿床的时空分布规律及特征。

　　（3）关键金属元素赋存状态

　　关键金属元素常伴随主要成矿元素在一些特定矿床中相对富集而具有开采和综合利用价值,但需要揭示关键金属元素共生分异规律,明确不同关键金属元素共伴生富集成矿的主要控制因素。关键金属元素在矿物中的赋存状态既是揭示成矿机制的有效信息,也是影响矿床有效利用的重要因素。因此,需要系统解决关键金属元素在矿物中的微观赋存状态和赋存机制,查明不同关键金属元素在矿石中形成何种矿物,寄主矿物类型。关键金属矿床品位低,成分复杂,赋存状态多样,需要对关键金属元素共伴生富集成矿的主控因素、关键金属元素赋存状态作深入研究,为金属元素分离和充分利用提供支撑。

　　（4）关键矿产勘查评价和综合利用等方面的问题

　　我国关键矿产的勘查开发,从宏观层面有以下问题:资源潜力大,但调查评价工作滞后,资源家底不清;找矿方法技术落后,遥感等高新技术未能有效应用;关键金属矿物识别能力不高,综合评价不足;开发利用技术研发滞后,开发利用水平较低;我国关键金属资源条件好,但基础研究薄弱,形成机制、成矿规律不清;国家统筹规划不足,有效利用率低。

　　在勘查评价方面,勘查阶段更多关注矿床主金属和主要共伴生的常规金属,对稀有、稀土、稀散和稀贵金属关注度不够,甚至将矿石的多元素分析仅作为报告提交要求做的事项,并未认真分析“四稀”金属,特别是稀散金属的含量及赋存状态,是否随主要金属回收富集或加流程可以很好回收等问题。在勘查工作中,从勘查开始就重注绿色勘查的行为尚未成为自觉。

　　在关键金属元素的提取和综合利用方面,大多数关键金属元素的提取和回收率都比较低,资源浪费严重。如白云鄂博稀土矿石的回收率不足25%,其尾矿库本身就是一个超大型的稀土矿[67],南方离子吸附型稀土矿回收率也常徘徊于30%~50%,且开采对环境影响较大。不少关键金属矿产仍然存在粗放开发利用的问题,严重污染环境。如稀土冶炼分离流程复杂,化工材料消耗高,产生大量废水、废气、废渣,缺乏高效综合回收-循环利用理论和技术,稀土冶炼过程排放、矿渣成为污染源,含稀土的各类废弃物成为污染源。另外,我国很多关键金属矿产的附加值低。

来源：《中国关键矿产现状、研究内容与资源战略分析》