關鍵金屬的富集機制、礦產勘查和綜合利用：前言*

周濤發 范裕

1. 合肥工業大學資源與環境工程學院，合肥工業大學礦床成因與勘查技術研究中心(ODEC)，合肥 230009

2. 安徽省礦產資源與礦山環境工程技術研究中心，合肥 230009

關鍵金屬(critical metals)和關鍵礦產資源(critical minerals)是國際上近年來提出的新概念，是指對戰略性新興產業的發展至關重要的一類金屬元素及其礦床的總稱，其成礦特點和成礦機制研究已成為國際礦床學研究的熱點(翟明國等，2019;陳駿等，2019;毛景文等,2019；蔣少涌等，2019)。在此背景下，國家基金委員會地球科學部，于2019年立項了重大研究計劃《戰略性關鍵金屬超常富集成礦動力學》，提出關鍵礦產資源研究地質方面主要科學問題包括：元素地球化學性質和賦存狀態、重大地質事件和層圈物質循環與成礦物質基礎、超常富集的苛刻條件和成礦規律。在重大研究計劃的資助下，本專輯重點從關鍵金屬元素地球化學性質入手，圍繞上述主要科學問題，結合地質過程和區域地質及一些具體礦床實例的研究，探討關鍵金屬的成礦機制。本專輯共包括17篇文章，內容涵蓋碲、鈷、硒、錸、鍺、銣、鈾、鉬、PGE等多種關鍵金屬。

1 綜述性論文

銣是重要的“關鍵金屬”礦產資源，是未來各國資源爭奪的焦點。吳昌志等(2021)在對花崗(偉晶)巖銣礦主要研究進展進行綜述的基礎上，簡介中亞造山帶東、西段典型天河石花崗巖及相關銣等稀有金屬礦床的主要特征和時空分布，并對未來研究重點進行了展望。綜合分析后提出中亞造山帶是全球最重要的天河石花崗巖和相關稀有金屬礦床成礦域，其西段大量發育三疊紀天河石花崗巖，而東段大量發育晚侏羅世至早白堊世天河石花崗巖。兩者形成時代和構造背景分別與古亞洲洋向古特提斯洋構造域，以及古亞洲洋向古太平洋構造域的巨大轉折相對應，銣等稀有金屬成礦潛力巨大。

低熔點親銅元素(LMCE)As、Sb、Bi、Hg、Pb、Se、Te、Tl、Sn等，均具有親銅性、低熔點、半金屬的特性，在成礦過程中可以形成LMCE熔體，并對Au、Ag、PGE等貴金屬的高效富集沉淀起到一種重要的橋梁作用。劉家軍等(2021)對前人研究資料與LMCE熱力學相圖進行了分析，并結合淺成低溫熱液型、造山型、卡林-類卡林型、堿性-偏堿性侵入巖型金礦床的研究成果，探討了LMCE熔體形成、類型及其對Au、Ag、PGE等貴金屬富集成礦的機理，并總結了LMCE熔體參與成礦的礦物組合與結構特征標志。

花崗巖型鈾礦床是我國最重要的鈾礦床類型之一，且主要分布在華南地區。張龍等(2021)在簡要介紹華南花崗巖型鈾礦床主要地質特征的基礎上，重點總結了華南花崗巖型鈾礦床的產鈾花崗巖、成礦時代、成礦流體和成礦物質來源等方面的研究進展。論文綜合分析后，提出了花崗巖型鈾礦床的研究應重點加強花崗巖中鈾活化機制、鈾成礦時代、以及下莊鈾礦田侏羅紀(175～145 Ma)鈾成礦作用等方面。

陳濤亮等(2021)通過對全球斑巖型Cu(Mo)、Mo(Cu)礦床中Mo品位、輝鉬礦的微量元素組成和Re-Os年齡、成礦巖體的化學組成、Sr-Nd同位素等數據的匯總，深入探討了影響該類礦床輝鉬礦中Re含量變化的主要因素。結果顯示，Re含量與礦床中鉬的平均品位呈負相關，地幔物質的加入可能是形成高Re輝鉬礦的基礎。本研究證實，輝鉬礦Re含量與其成礦時代不具耦合關系，并且Re的含量與輝鉬礦沉淀的位置、以及輝鉬礦多型之間亦無明顯相關性，而可能與成礦巖體的成分、巖漿分異程度、成礦流體的性質、熱液蝕變及表生作用過程有關。

地質冶金學是一門交叉學科，將礦體的地質學、地球化學和礦物學特征與冶金性能聯系起來，目標是描述和了解礦體的冶金性質的多樣性，并建立三維地質冶金學模型，用于協助礦山開采計劃和優化工藝設計流程等。劉蘭海等(2021)介紹了近年來典型的熱液金礦床包括斑巖型、淺成低溫熱液型、IOCG型、卡林型和矽卡巖型的地質冶金學的研究進展，以及應用于地質冶金學上的新方法如VNIR-SWIR高光譜技術、地球化學數據機器學習。關鍵金屬具有含量低、礦物細小的研究難點，與金的地質冶金學研究具有諸多相似之處，因此本文提出將金的賦存狀態研究的流程和新技術方法應用于關鍵金屬礦床，并設計了關鍵金屬賦存狀態的研究流程和規范化表達，進一步延伸了地質冶金學的內涵和外延。

2 研究性論文

輝鉬礦是Re的主要富集礦物，但納米尺度上，Re在輝鉬礦中的賦存狀態研究仍十分薄弱。陳雪峰等(2021)以安徽省涇縣新發現的湛嶺斑巖型鉬礦床中的輝鉬礦為研究對象，通過電子探針(EPMA)和激光剝蝕電桿耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS)、聚焦離子束(FIB)原位取樣和透射電鏡(TEM)分析發現，在微米和納米尺度上，輝鉬礦Re含量均具有較大不均一性。研究表明，湛嶺斑巖型鉬礦床中的Re除了類質同象替代Mo進入輝鉬礦晶格外，還以Re-S的形式吸附在輝鉬礦晶格表面，Re的兩種賦存狀態是輝鉬礦中Re含量不均一性的主要原因。

城門山銅金礦床是長江中下游成礦帶中典型的斑巖-矽卡巖型礦床，也是該區目前已報道的最大的共伴生碲礦床，然而碲在該礦床的賦存狀態、碲的沉淀機制等尚不清楚。國顯正等(2021)在詳細劃分成礦階段基礎上，對該礦床不同類型礦石中礦物開展電子探針測試、LA-ICP-MS微量元素分析以及面掃描研究工作。研究表明碲的成礦物質來源應為巖漿來源，碲的成礦作用與花崗閃長斑巖巖漿熱液作用有關。自花崗閃長斑巖向碳酸鹽巖地層圍巖，從成礦早階段到晚階段，硫逸度和溫度逐漸降低，碲逸度升高，這是城門山礦床碲礦物沉淀的主要機制。

鍺(Ge)是我國的一種優勢戰略性關鍵礦產，閃鋅礦中鍺的替代方式和超常富集機制仍缺乏深入理解。羅開等(2021)以揚子地塊西南緣的川滇黔鉛鋅礦集區中烏斯河大型鉛鋅鍺礦床為研究對象，開展了礦床中鍺的超常富集機制研究。綜合研究認為，該礦床閃鋅礦中Ge很可能是直接替代Zn。烏斯河礦床同一閃鋅礦顆粒不同部位(如扇形分區和振蕩環帶)Ge含量變化顯著，暗示Ge的超常富集很可能受閃鋅礦的沉淀速率和結晶過程控制，而Sp1與Sp2中Ge含量的明顯差異，則很可能與成礦流體演化過程流體成分和成礦物理化學條件改變有關。因此，烏斯河大型鍺鉛鋅礦床鍺的超常富集是流體成分、物化條件、沉淀速率和結晶過程等多要素耦合作用特殊地球化學過程的結果，并受到礦物和礦床等不同尺度苛刻成礦條件的影響。

以碳酸鹽巖為容礦巖石的后生熱液鉛鋅礦床(Mississippi Valley-type, MVT礦床)是世界上一種重要的鉛鋅礦床類型，也是鍺的重要工業來源之一。位于貴州省貴定縣境內的竹林溝鍺鋅礦床，是近年來新發現的富鍺鋅礦床。楊智謀等(2021)對礦床的綜合研究表明，竹林溝鍺鋅礦床的形成經歷如下過程：在伸展背景下，深循環盆地鹵水萃取下伏地層和基底巖石中的Zn、Ge和REE等元素，形成富金屬流體，受構造作用驅動沿區域性斷裂不斷向上運移，在賦礦層位與富硫流體發生混合作用，導致閃鋅礦等硫化物沉淀；在整個成礦過程，成礦環境經歷了還原→氧化的轉變，成礦元素發生了共生分異，在竹林溝形成富鍺鋅礦體，在牛角塘形成富鎘鋅礦體，而pH始終保持弱酸性，直至被圍巖碳酸鹽巖中和。

龍橋矽卡巖型鐵礦床位于長江中下游成礦帶，是成礦帶內伴生鈷含量最高的矽卡巖型鐵礦床，開展鐵礦床中鈷的賦存狀態和分布規律具有重要的理論意義和礦產綜合利用價值。閻磊等(2021)對礦床中鈷賦存狀態和空間分布規律開展了相關研究。龍橋鐵礦床中鈷主要賦存在黃鐵礦和磁鐵礦中，其次為獨立鈷礦物(主要為輝砷鈷礦)。黃鐵礦總體上具有邊緣富鈷、核部貧鈷的特征，黃鐵礦邊部的鈷含量是核部的100～1000倍，Co主要以類質同象形式替代Fe進入黃鐵礦晶格。由于鈷在黃鐵礦中分布極不均勻，不同空間位置采集的黃鐵礦樣品中Co含量平均值和變化范圍沒有明顯規律。通過類比，提出中國東部矽卡巖型鐵礦床中鈷礦物可能是普遍存在的，但以前受限于分析測試手段未能發現；如何在選礦過程中分離富集鈷礦物和富鈷黃鐵礦，是矽卡巖型鐵礦床硫精粉中鈷回收利用的關鍵。

礦山產品礦精粉中關鍵金屬的分布特征和可利用性是當前關鍵金屬資源利用的核心問題之一。張一帆等(2021)對長江中下游成礦帶內玢巖型鐵礦床、矽卡巖型鐵礦床、矽卡巖型鐵銅礦床、矽卡巖型銅金礦床、斑巖型銅金礦床和角礫巖筒型銅金礦床等六類礦床的礦山產品(銅金粉，硫精粉，鐵精粉和金精粉)進行了系統化學成分分析，在此基礎上，本次工作利用綜合礦物分析技術(TIMA)、掃描電鏡(SEM)和激光剝蝕-等離子體質譜儀(LA-ICP-MS)三種測試方法，系統開展了富鈷硫精粉中鈷的賦存狀態研究。結果表明，龍橋硫精粉中鈷礦物為輝砷鈷礦、鐵硫砷鈷礦和硫銅鈷礦，分別占硫精粉中總鈷含量的9.93%、0.64%和0.01%。黃鐵礦晶格中類質同象形式產出的鈷占總量的81.97%，此外還有7.46%的鈷賦存在其他礦物中。通過對比研究，初步建立了礦精粉中關鍵金屬元素賦存狀態的研究方法流程，為礦精粉中鈷的回收利用提供了依據。

黃竹園銀多金屬礦床位于長江中下游成礦帶廬樅礦集區東南緣，是成礦帶斷凹區火山巖盆地內首次發現的淺成低溫熱液型銀多金屬礦床。劉杰添等(2021)基于礦床地質特征研究，通過對礦床中采集樣品進行手標本及室內鏡下觀察、短波紅外分析測試(SWIR)、掃描電子顯微鏡(SEM-EDS)、電子探針分析(EPMA)和自動礦物綜合分析(TIMA)等方法，重點開展銀和關鍵金屬賦存狀態及礦床成因類型研究。研究表明，黃竹園礦床是高硫型淺成低溫熱液礦化疊加于斑巖型礦化之上的復合成礦的典型實例。通過與礦區北部錢鋪酸性蝕變巖帽(<1km)之間對比研究，提出黃竹園-錢鋪酸性蝕變巖帽地區可能存在大型“斑巖-淺成低溫熱液成礦系統”，為廬樅盆地下一步深部找礦提供了方向。

安徽桂林鄭鉬鎢礦床位于江南鎢礦帶北部，是目前區內唯一鉬儲量達到大型的鉬鎢礦床。張達玉等(2021)在對該礦床地質特征和已有成果總結基礎上，系統開展了礦床地質地球化學特征研究，確定了礦床具鎂質矽卡巖礦床特征，是桂林鄭花崗斑巖熔體與奧陶系白云質灰巖地層交代的產物。綜合對比國內外相似礦床，提出桂林鄭鉬鎢礦床是首個以富鉬白鎢礦為主要礦石礦物的鉬-多金屬礦床，這一特殊鉬鎢礦床的發現深化了矽卡巖鉬鎢礦床的成因認識，對江南鎢礦帶內區域成礦規律與找礦勘探工作的推進提供了依據。

磷灰石可以記錄和保存巖漿和熱液活動的信息。可可托海偉晶巖型稀有金屬礦床磷灰石發育，為研究該礦床偉晶巖成巖成礦過程提供了優良的條件。白應雄等(2021)選取可可托海偉晶巖型稀有金屬礦床富礦偉晶巖脈(3號脈)和相對貧礦偉晶巖脈(1號、2b號和3a號脈)中的磷灰石作為研究對象，進行磷灰石巖相學和地球化學研究。研究表明，在偉晶巖形成過程中，磷灰石并非保持穩定，其分帶結構和主微量成分變化記錄了后期熱液活動，暗示后期熱液活動對偉晶巖的成礦具有重要作用。

全球范圍內出露的碳酸巖大多為鈣質、鎂質、鐵質碳酸巖，少量為鈉質和硅質碳酸巖，極少有富Sr碳酸巖的報道，其巖石成因、資源意義及對碳酸巖巖漿演化的指示意義尚不清楚。曲云偉等(2021)在四川省牦牛坪稀土礦區南部包子山稀土礦床的露天采坑中發現了超級富Sr的碳酸巖。對這類特殊碳酸鹽的綜合地質地球化學研究表明，早期基性礦物(如霓輝石、黑云母)及碳酸鹽礦物(如方解石、白云石等)的結晶分離是造成晚期碳酸巖中稀土元素富集的重要原因。富Sr碳酸巖中石英斑晶的發現和其較低的SiO2含量表明碳酸巖巖漿演化晚期可能是硅飽合的，且這種巖漿具有很低的SiO2溶解能力。以菱鍶礦(體積分數>50%)為主要碳酸鹽礦物的稀土碳酸巖可能代表了一種新的碳酸巖類型，其明顯不同于已知的鈣質、鎂質、鐵質和鈉質碳酸巖。

巖漿演化和熱液蝕變過程中PGE的遷移富集機制和PGM的成因，一直是研究PGE地球化學行為非常關注的問題。董宇等(2021)對金川銅鎳硫化物礦床中PGM的研究發現，其主要類型包括含PGE的硫砷化物(硫砷銥礦)和砷化物(砷鉑礦)、Pd的鉍化物、碲化物和硒化物、以及少量其他鉑族礦物。系統的礦物學，地球化學研究表明，巖漿期后酸性、高鹽度、高氧逸度的富Cl-流體對金川銅鎳硫化物礦床中Pd的遷移和富集起到了關鍵控制作用。

西藏岡底斯帶中段的崗講斑巖銅-鉬礦床發育多期次侵入體，而成礦作用主要與其中一期巖體(流紋英安斑巖)密切相關，為探究其原因，田豐等(2021)對崗講斑巖銅-鉬礦床中發育的各期次侵入體進行了全巖主、微量元素分析，并重點研究各期次侵入體內部新鮮斑晶(黑云母、斜長石)和副礦物(鋯石、磷灰石)的化學成分和結構特征。結果表明礦區各期次侵入巖均屬于高鉀鈣堿性系列，具有相近的鋯石飽和溫度，都來自較為氧化的巖漿。此外，相比其他期次侵入巖，主成礦期的流紋英安斑巖中的磷灰石具有較高的SO3、Cl含量和較低的F含量，黑云母含有較高的Cl含量和較低的F含量。同時，斜長石發育反環帶。這些數據表明在主成礦期巖漿就位之前，存在富S、Cl的偏基性巖漿注入了深部巖漿房，并發生巖漿混合作用，這不僅導致了主成礦期斑巖體就位，同時還誘發流體出溶進入淺部巖漿房，并最終形成崗講斑巖銅-鉬礦床。

致謝本專輯的出版得到了期刊編輯部的大力支持，俞良軍常務副主編付出了大量工作。36名審稿專家在百忙之中對稿件進行了認真的審閱，并給予了很多建設性意見，提高了論文的質量。在此一并致以衷心地感謝！