煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)資源：意義和挑戰(zhàn)

代世峰，劉池洋，趙 蕾，劉晶晶，王西勃，任德貽

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2. 西北大學(xué) 地學(xué)系，陜西 西安 710069；3.中國礦業(yè)大學(xué) 國際煤地質(zhì)學(xué)研究中心，江蘇 徐州 221116)

戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)資源在新材料、新能源、信息技術(shù)、航天航空和國防軍工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有不可替代性，直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和國防安全。由于它們在自然界的儲量相對較少且分布高度不均，存在較高供應(yīng)受限風(fēng)險，特別是20 世紀(jì)80 年代以來，全球礦產(chǎn)資源日趨緊缺，大部分國家面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的礦產(chǎn)資源短缺的巨大壓力，世界各國對其高度重視，因此尋找和研發(fā)新型礦產(chǎn)資源對保障國家的資源安全具有重要意義。

煤炭是一種特殊的沉積有機(jī)巖石，其形成過程(包括泥炭堆積、壓實成巖、后期改造等)復(fù)雜，在其形成過程中的特殊地質(zhì)和地球化學(xué)條件下，可以富集戰(zhàn)略性金屬，并且在豐度上可以和傳統(tǒng)的金屬礦床相當(dāng)，在規(guī)模上可以形成大型或超大型金屬礦床，因此成為傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)的重要補(bǔ)充，也成為世界產(chǎn)煤國家的前沿研究課題。特別是2014年以來，世界產(chǎn)煤國家對煤和煤系中包括稀土元素在內(nèi)的戰(zhàn)略性金屬的研究倍加關(guān)注(“煤和煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)”以下簡稱“煤系金屬礦產(chǎn)”)。一些歐洲國家、俄羅斯、南非、中國、美國等產(chǎn)煤諸國均對此進(jìn)行了研究，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了煤系中系列戰(zhàn)略性金屬礦床。2021年12月，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心與科睿唯安聯(lián)合向全球發(fā)布了《2021研究前沿》和《2021研究前沿?zé)岫戎笖?shù)》報告，在地球科學(xué)領(lǐng)域Top10 熱點前沿中有4個屬于地理學(xué)、3個屬于地質(zhì)學(xué)、3個屬于大氣科學(xué)的研究；其中，“煤中稀土元素地球化學(xué)研究”繼2018年再次入選地質(zhì)學(xué)的熱點前沿。

美國對煤中稀土元素的研究特別重視，涉及的部門廣、立項速度快、資金投入多。美國能源部投入巨資研發(fā)煤、煤灰、煤矸石、酸性礦井水中稀土元素的分布和提取技術(shù)，美國能源部國家技術(shù)實驗室專門成立了煤中稀土元素的研究和發(fā)展計劃。杜克大學(xué)、肯塔基大學(xué)、弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、北達(dá)科他大學(xué)、懷俄明大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局等眾多高等院校和科研院所參與了該項研究，涉及的研究區(qū)包括美國的主要含煤盆地(如阿巴拉契亞盆地、圣胡安河—拉頓—黑山盆地、伊利諾伊盆地、波德河盆地、尤盈塔盆地、格林河—溫德河盆地、墨西哥灣盆地、阿拉斯加盆地等)。

2019年，中國國家自然科學(xué)基金委員會立項的 “戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬超常富集成礦動力學(xué)重大研究計劃”中，對煤系金屬礦產(chǎn)的重點項目和培育項目也進(jìn)行了立項。2021年科技部實施了“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)利用”重點專項，對煤系金屬礦產(chǎn)也專門立項，旨在深入系統(tǒng)研究煤系金屬礦產(chǎn)的分布規(guī)律，研發(fā)地質(zhì)勘查技術(shù)和分離提取技術(shù)等。

一些學(xué)者對煤系金屬礦產(chǎn)的資源進(jìn)行了論述，包括煤系金屬礦產(chǎn)的類型、豐度和開發(fā)利用品位、富集成礦機(jī)理和規(guī)律、成礦專屬性、金屬元素賦存狀態(tài)、礦床時空分布特征、成礦規(guī)模和礦產(chǎn)資源特點等。雖然煤系金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用表現(xiàn)出良好的前景，基于煤系金屬礦產(chǎn)的資源特點，相關(guān)研究也面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。

1 煤系金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)和意義

早在100 a前，煤中部分高度富集的金屬及其利用價值就引起了關(guān)注(如美國懷俄明州和猶他州煤中的金和銀)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，煤中鈾是美國和前蘇聯(lián)核工業(yè)材料的主要來源，成為煤中金屬元素工業(yè)化開發(fā)利用的里程碑。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)和捷克斯洛伐克實現(xiàn)了從煤灰中工業(yè)化提取鍺。到目前為止，煤中鍺的提取是煤中金屬元素工業(yè)化開發(fā)利用最成功的實例。2011年，中國神華集團(tuán)建立了從粉煤灰中提取鋁和鎵的實驗工廠，2018年建立了提取鋁和鎵的工業(yè)化示范生產(chǎn)線。值得特別注意的是，目前眾多的研究表明，從粉煤灰中提取稀土元素在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。從煤系金屬礦產(chǎn)的豐度和規(guī)模、粉煤灰中金屬元素(如鍺、鎵、鋁、鈾等)現(xiàn)有提取利用的情況及其他金屬潛在開發(fā)利用的可行性來看，煤系金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，將為戰(zhàn)略性金屬資源增儲和環(huán)境保護(hù)(如燃煤引起的環(huán)境污染控制和碳中和目標(biāo)的實現(xiàn))發(fā)揮重要作用。

1.1 中國煤炭地質(zhì)的區(qū)域特色為煤系金屬礦產(chǎn)的研究提供了有利條件

中國是世界上成煤條件最復(fù)雜的國家之一。中國煤炭資源豐富、成煤時代多、分布地域廣闊、煤類齊全多樣、成煤地質(zhì)背景因地而異。中國的主要成煤時代達(dá)6個：晚石炭世—早二疊世、晚二疊世、晚三疊世、早—中侏羅世、晚侏羅世—早白堊世、古近紀(jì)—新近紀(jì)。與傳統(tǒng)的戰(zhàn)略性金屬礦床相比，大部分煤中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的含量較低。但是，在所有的成煤期均發(fā)現(xiàn)了戰(zhàn)略性金屬高度礦化的煤層(或地層)或富集成礦的實例。在煤炭資源豐富的西南地區(qū)、鄂爾多斯盆地、山西、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)的煤系中，均有戰(zhàn)略性金屬富集并成礦的諸多實例。這些地區(qū)包含了中國14個億噸級大型煤炭基地的10個，并且大部分含煤盆地構(gòu)造背景和成煤過程復(fù)雜，這為煤系中戰(zhàn)略性金屬的礦化提供了有利條件，并且金屬元素礦化具有類型復(fù)雜、組合樣式多樣、成礦物質(zhì)多元的特征。

同時，這些煤炭基地將影響中國未來的煤炭能源戰(zhàn)略格局。對這些大型煤炭基地中煤系金屬礦床的研發(fā)，不僅在全國煤炭資源循環(huán)利用中具有帶動和示范作用，對世界范圍內(nèi)煤系金屬礦床的研究和開發(fā)也具有極大的推動作用。這些煤炭基地也是世界著名的中—東亞成礦帶的重要組成部分，該研究也會帶動和指導(dǎo)中—東亞成礦帶及世界其他地區(qū)煤系金屬礦床的研究和勘探。這些煤炭基地地域的特色性和多種戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)資源成礦的復(fù)雜性，充分體現(xiàn)了我國的自然優(yōu)勢和資源特色。同時這些煤炭基地地理位置重要，在地域上既是銜接?xùn)|部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)和西北和西南部經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的樞紐，它又可就近得到東部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的科技支援和經(jīng)濟(jì)支持，提領(lǐng)和推動西部的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又可為促進(jìn)東部進(jìn)一步發(fā)展提供能源礦產(chǎn)等基礎(chǔ)原材料。

1.2 煤系金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用是實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的重要舉措

粉煤灰是煤炭燃燒后產(chǎn)出的主要固體廢棄物，它可長期堆積并占用大量的土地資源；粉煤灰中的有害元素經(jīng)雨水淋溶作用后，會對周圍的土壤和水資源造成污染，粉煤灰的揚塵也會造成空氣污染。因此，粉煤灰的綜合利用不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，也可在很大程度上緩解環(huán)境污染問題，從而變廢為寶、變害為利，節(jié)約礦床開采成本，實現(xiàn)煤炭經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)發(fā)展。目前我國粉煤灰主要應(yīng)用于建筑、環(huán)保和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但是整體綜合利用率低，在提取戰(zhàn)略性金屬、其他有用組分及高附加值利用領(lǐng)域的利用率不足5%，具有很大的利用提升空間。因此，積極推進(jìn)煤炭高效潔凈和循環(huán)利用，走安全清潔低碳利用的綠色之路，尋找和利用煤系金屬礦產(chǎn)是實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)(污染物控制和“碳中和”目標(biāo))的重要舉措。

1.3 煤系是戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)增儲的重要來源

SEREDIN和FINKELMAN列出了世界上礦化煤中鍺、鈾、稀土、金、銀、鈹、鈧、釩、鎵、銻、銫、鉬、錸、鎢等金屬的含量(灰基)，均表明一些煤灰中戰(zhàn)略性金屬在豐度上可與傳統(tǒng)的金屬礦床相當(dāng)或更高。在規(guī)模上，煤系金屬礦床往往是大型或超大型礦床，這主要受煤炭資源的賦存特點決定的，即與傳統(tǒng)的金屬礦床相比，煤炭的資源量巨大，分布面積廣，煤層厚度大，空間分布穩(wěn)定；同時，煤系金屬礦產(chǎn)不僅分布在煤層本身，而且也可賦存于煤層頂?shù)装?、夾矸，或者煤系中正常的沉積巖、火山灰蝕變黏土巖或凝灰?guī)r中。因此，煤或煤系為戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)不僅提供了增儲的可能，并且是其中某些礦種的重要或主要來源(如煤中鍺)。

1.4 煤系金屬礦產(chǎn)是完善已有成礦理論和突破重大地學(xué)難題的新途徑

煤系中不同類型戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)具有成礦的獨特性(或?qū)傩?，可以用來預(yù)測和指導(dǎo)礦床的勘探和開發(fā)。我國煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)類型多、成礦過程復(fù)雜，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有鍺、釩、鋰、稀土、鈾-錸-硒、鎵-鋁、鈮-鋯-稀土-鎵等礦產(chǎn)，它們各具特定的地質(zhì)成礦條件和賦存環(huán)境，對其來源、富集成礦過程、時空分布規(guī)律的解剖與總結(jié)，有望帶動和引領(lǐng)國內(nèi)外煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的研究和勘探。

與傳統(tǒng)的金屬礦床相比，有機(jī)質(zhì)在煤系中戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)的成礦過程中具有重要作用，因此，煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)是研究有機(jī)質(zhì)(礦產(chǎn))和無機(jī)質(zhì)(礦產(chǎn))相互作用的難得案例，其成礦機(jī)理處于學(xué)科前沿。對其研究將會發(fā)展、補(bǔ)充和完善已有成礦理論，在國際基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域中將占有重要一席之地。

與常規(guī)沉積巖相比，煤炭在形成過程中對所經(jīng)受的各種地質(zhì)作用更為敏感，通過煤系中戰(zhàn)略性金屬礦床的有機(jī)巖石學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)記錄，可揭示古地理、古氣候、蝕源區(qū)以及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化等重大科學(xué)問題，并在這些方面取得原始創(chuàng)新成果。

煤系金屬礦產(chǎn)的物質(zhì)來源和富集成礦，是在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和重要的地球動力學(xué)過程中進(jìn)行和完成的，深刻體現(xiàn)了中國大陸的地質(zhì)個性、自然優(yōu)勢和資源特色，可從新的視角、更廣闊的領(lǐng)域豐富和發(fā)展中國區(qū)域地質(zhì)和礦床學(xué)理論，屬國家的重大需求與前沿科學(xué)問題密切結(jié)合的重要命題。

1.5 以往工作為規(guī)?；_發(fā)利用煤系金屬礦產(chǎn)筑建了較高平臺

以往研究表明，煤系(包括石煤)中工業(yè)化開發(fā)利用的元素有鈾、鍺、釩、硒、鎂、鎵、鋁等，這些元素的成功開發(fā)利用為煤系中其他戰(zhàn)略性金屬的勘查和提取利用提供了經(jīng)驗。眾多研究結(jié)果均表明，煤中稀土元素的開發(fā)利用在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

研究表明，多種戰(zhàn)略性金屬往往在煤系中共存富集，為多種金屬的綜合開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)效益的提升提供了可能。煤系中戰(zhàn)略性金屬礦床不僅種類多、組合多樣，而且均屬于大型或超大型礦床，可以為煤系中戰(zhàn)略性金屬的持續(xù)開發(fā)利用提供保障。值得注意的是，雖然我國的傳統(tǒng)稀土礦產(chǎn)資源量相對較為豐富，但其資源量只占世界的38%，并且我國的稀土產(chǎn)量幾乎支撐了全球稀土消耗，作為不可再生的寶貴資源，稀土元素的高產(chǎn)和高消費量持續(xù)性問題值得高度重視；煤系作為稀土資源的重要后備補(bǔ)充和可能的主要來源，應(yīng)該作為勘查和開發(fā)的重點，美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在此方面進(jìn)行了很多研究工作，并取得了重要研究進(jìn)展。

與傳統(tǒng)的金屬礦床相比，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的煤系金屬礦床空間分布穩(wěn)定，地層分界和圍巖特征明晰；并且煤系中不同的金屬礦產(chǎn)在成礦過程與賦存條件方面各具專屬性(個性)，有利于判識和開采；在提取技術(shù)方面，研究表明，粉煤灰顆粒細(xì)小，部分金屬元素在不同粒徑級別和不同物相的粉煤灰中分異明顯，便于分離和提取。

2 煤系金屬礦產(chǎn)面臨的理論與技術(shù)方面的難題或挑戰(zhàn)

雖然煤系金屬礦產(chǎn)對國家戰(zhàn)略性資源增儲方面切實可行，前景良好，在環(huán)境保護(hù)和實現(xiàn)碳中和目標(biāo)等方面將發(fā)揮重要作用，同時，在理論方面為補(bǔ)充和完善已有成礦理論和解決重大地學(xué)問題提供了可能，但由于該領(lǐng)域研究時間尚短、研究問題復(fù)雜和難度大，存在諸多科學(xué)和技術(shù)問題尚未得到解決，例如煤系金屬礦產(chǎn)來源的特殊地球動力學(xué)過程和機(jī)制，多種戰(zhàn)略性金屬耦合成礦作用；煤系金屬礦產(chǎn)的賦存狀態(tài)與機(jī)理，煤系金屬礦產(chǎn)的分布規(guī)律及其賦存的構(gòu)造環(huán)境；煤系金屬礦產(chǎn)的地球物理響應(yīng)等。在諸多科學(xué)和技術(shù)問題中，一些核心科學(xué)和技術(shù)難題的解決對引領(lǐng)煤系金屬礦產(chǎn)的成礦理論研究、勘查技術(shù)和分離提取技術(shù)的研發(fā)等具有帶動作用，主要包括以下4個方面。

2.1 成礦理論方面的關(guān)鍵科學(xué)問題與挑戰(zhàn)

在基礎(chǔ)理論方面，與傳統(tǒng)的戰(zhàn)略性金屬礦床相比，煤系金屬礦產(chǎn)成礦作用的顯著特色表現(xiàn)為分散金屬元素的富集及其與有機(jī)質(zhì)礦產(chǎn)(煤)共(伴)生。煤和煤系中金屬元素的來源是多元、多期的，有地表(如富集戰(zhàn)略性金屬的蝕源區(qū))、空中(如堿性火山灰)、淺部(如地下水)和深部(如深部熱液、巖漿活動)，以及盆地基地或周邊的花崗巖類巖石，均可作為戰(zhàn)略性金屬的來源，并可發(fā)生在沉積充填、埋藏成巖和后生改造各個階段。有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)相互作用，有機(jī)物質(zhì)對金屬元素富集和保存的影響貫穿成礦的全過程，并且可以發(fā)生于成煤的各階段。揭示泥炭堆積和煤化(變質(zhì))作用各階段全過程中金屬元素的來源和有機(jī)物質(zhì)對金屬元素富集地球化學(xué)行為的影響，是煤系金屬礦產(chǎn)成礦需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

前人對泥炭和低階煤中金屬元素的來源及其與有機(jī)質(zhì)相互作用做了許多研究，但由于物質(zhì)來源的多樣性和相互作用的復(fù)雜性，仍有諸多問題尚待攻克。特別是隨著煤階的升高，煤的芳構(gòu)化程度逐漸加強(qiáng)，給有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)相互作用的研究增加了難度。煤系金屬礦產(chǎn)成礦作用所經(jīng)歷的“蝕源區(qū)供給(和蝕源區(qū)形成)—物質(zhì)遷移—金屬富集—后期改造保存”4個過程，是在盆地沉積物“堆積—成巖—后期改造” 3個演化階段中發(fā)生和發(fā)展的，探討這4個過程與3個階段不同組合形式在時空配置框架下的成礦模式，是揭示戰(zhàn)略性金屬富集成礦和分布規(guī)律的關(guān)鍵，也是研究煤系戰(zhàn)略性金屬分布規(guī)律的主要難題和挑戰(zhàn)。值得提出的是，對于由蝕源區(qū)供給形成的煤系金屬礦床，不僅要研究蝕源區(qū)的位置和性質(zhì)，還要研究蝕源區(qū)的形成過程和機(jī)制，這也對區(qū)域地質(zhì)歷史演化、古氣候和古地理特征具有重要的啟示意義。

2.2 在勘查技術(shù)方面的難題及原因

由于煤系金屬礦產(chǎn)類型多，與傳統(tǒng)金屬礦床相比，大部分金屬元素豐度較低，目前地球物理勘查技術(shù)的精度，難以定量表征或準(zhǔn)確判識煤系中大部分金屬元素的豐度、組合關(guān)系、時空展布等特征；適應(yīng)于煤系中某種戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的地球物理和地球化學(xué)勘查技術(shù)，難以適應(yīng)煤系中其他類型的礦床。產(chǎn)生這些難題的地質(zhì)原因復(fù)雜多樣，具體表現(xiàn)有：

(1) 成因類型復(fù)雜。有火山灰成因(煤中鈮-鋯-鎵-稀土礦床)、蝕源區(qū)供給成因(煤中鎵鋁礦床)、火山灰和熱液流體改造復(fù)合成因(煤系中鈮-鋯-鎵-稀土礦床)、同生熱液淋溶成因(煤中鍺礦床)、后生熱液淋溶成因(煤和煤系中鈾礦床)、海底噴流成因(煤中鈾礦床)、熱液和沉積環(huán)境復(fù)合成因(石煤中釩礦床)等。

(2) 礦床賦存條件復(fù)雜。煤系金屬礦床的賦存條件的復(fù)雜表現(xiàn)為礦床的基地和圍巖的巖性各不相同。例如，煤中鍺礦床的盆地基地或盆地周邊為花崗巖；煤系中鈮-鋯-鎵-稀土礦床的底部為玄武巖(它們中間有正常的沉積巖)或者為灰?guī)r；煤中鈮-鋯-鎵-稀土礦床均含有堿性火山灰夾矸(Tonstein)；后生成因的煤中鈾礦床的圍巖與砂巖型鈾礦床密切相關(guān)，同生的煤中鈾礦床的頂?shù)装逋ǔ榛規(guī)r等。

(3) 金屬組合形式復(fù)雜。煤系金屬礦床有鍺、鋰、鋰-稀土、鍺-鈾、鍺-金-銀、鎵-鋁、鈮-鋯-鎵-稀土、鈾-錸-硒、鈾-錸-硒-稀土等組合類型。

(4) 放射性核素復(fù)雜。有表現(xiàn)為放射性異常的煤系金屬礦床，如鍺-鈾、鈮-鋯-鎵-稀土、鈾-錸-硒、鈾-錸-硒-稀土；也存在沒有放射性異常的煤系金屬礦床，如鍺、鍺-金-銀、鎵-鋁等類型。盡管鈮-鋯-稀土-鎵礦床在測井曲線上表現(xiàn)為自然伽馬的高正異常，但對此異常的原因尚不清楚。

因此，煤系不同類型戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的成礦過程、賦存環(huán)境和組合形式不同，煤系金屬礦床與煤層的依存關(guān)系各異，具有明顯的專屬性特征。依據(jù)礦床專屬性特征選擇合適的地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理(電法、磁法、地震、放射性)勘查技術(shù)是實現(xiàn)煤層中與煤系中不同類型戰(zhàn)略性金屬礦床精細(xì)協(xié)同勘探的關(guān)鍵。

2.3 在資源開發(fā)評價方面的標(biāo)準(zhǔn)探討

對煤系金屬礦產(chǎn)開發(fā)的評價，應(yīng)主要考慮以下因素：金屬元素的豐度和資源量、開采和提取分離技術(shù)、提取分離的經(jīng)濟(jì)性、礦產(chǎn)的戰(zhàn)略重要性、開發(fā)過程中的環(huán)境問題等。以下重點討論豐度和資源量問題。

評價煤系中戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的開發(fā)，要求金屬元素要達(dá)到一定的品位和成礦規(guī)模。但是，我國在煤系金屬礦產(chǎn)的成礦標(biāo)準(zhǔn)制定方面尚不完善，已經(jīng)制定的煤中鎵的工業(yè)品位尚值得探討，包括標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)(例如金屬的含量基準(zhǔn)是全煤基還是灰基)和其他重要因素(如金屬所賦存的煤層厚度，共伴生的其他金屬元素的豐度和賦存狀態(tài)等)。文獻(xiàn)[4]在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，提出了煤和煤系中18種(類)戰(zhàn)略性金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用品位，包括鈾(1 000 μg/g)、鍺(300 μg/g)、釩(1 000 μg/g)、硒(500～800 μg/g)、鎵(100 μg/g；如果鎵和鋁聯(lián)合提取，鎵的品位為50 μg/g)、稀土元素(氫化物，1 000 μg/g)、釔(300 μg/g)、鈧(100 μg/g)、鈮(300 μg/g)、鋯(2 000 μg/g)、鉬(1 000 μg/g)、錸(1 μg/g)、鎢(1 000 μg/g)、金+鉑+鈀(2 μg/g)、銀(10 μg/g)、鈹(300 μg/g)、銻(1 000 μg/g)、銫(150 μg/g)。需要指出的是，以上金屬的開發(fā)利用品位，均是以灰基為基準(zhǔn)的含量，而不是全煤基準(zhǔn)的含量，這是因為：迄今為止，煤中戰(zhàn)略性金屬的提取，均是從粉煤灰中提取，而不是從原煤中提??；對灰分產(chǎn)率較低的煤層，其對應(yīng)的煤灰中金屬含量可能會很高，并可以達(dá)到開發(fā)利用的價值。同時，對共伴生的金屬元素，需要特別考慮那些儲量少但用途更大的金屬在所有共伴生金屬中所占的比例。例如，對煤中稀土元素開發(fā)利用價值的評價，不僅要考慮稀土元素總含量及其賦存狀態(tài)，也要考慮緊缺的稀土元素(如釹、銪、鋱、鏑、 鉺、釔)在總稀土元素含量中所占的比例。

對多種金屬共伴生富集的礦產(chǎn)和對提取技術(shù)要求不高的礦產(chǎn)，其品位要求可有所降低。對以上煤系金屬礦產(chǎn)的開發(fā)潛力評價，還需要在礦產(chǎn)基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)實踐中進(jìn)一步驗證和完善。

2.4 在提取利用方面的技術(shù)難題與環(huán)境問題

煤中富集的戰(zhàn)略性金屬在煤高溫燃燒后的粉煤灰中會更為富集，加之粉煤灰的粒度較細(xì)，故戰(zhàn)略性金屬物質(zhì)一般從粉煤灰中提取和分離。例如內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤中鎵和鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.6 μg/g和10.56%，在粉煤灰中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100 μg/g和51%。內(nèi)蒙古烏蘭圖嘎煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為273 μg/g，在其粉煤灰中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%；云南臨滄煤中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為1 294 μg/g，在其粉煤灰中鍺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)3.9%。

在提取煤系戰(zhàn)略性金屬方面面臨的最具有挑戰(zhàn)性的難題是，礦產(chǎn)的低豐度和對賦存狀態(tài)的精準(zhǔn)確定困難。粉煤灰的物相組成通常主要為玻璃質(zhì)或莫來石(根據(jù)燃燒工況和入料原煤的不同，物相組成差異明顯)，戰(zhàn)略性金屬元素的賦存狀態(tài)大多賦存在這2種物相中。例如KOLKER等運用離子探針微區(qū)分析技術(shù)，驗證了稀土元素主要賦存在硅鋁玻璃質(zhì)中。值得提出的是，富鍺粉煤灰中鍺的存在形式與其他金屬元素不同，鍺主要以氧化物形式存在(GeO晶體)，該氧化物中可含有砷、銻、鎢等元素，形成(Ge,As)O，(Ge,As,Sb)O，(Ge,As,W)O和(Ge,W)O等晶體化合物；飛灰中的玻璃體、含鈣鐵酸鹽、SiO等晶體中均可含有鍺。因此，粉煤灰中戰(zhàn)略性金屬的提取，需要包含破壞莫來石等晶體結(jié)構(gòu)以及玻璃質(zhì)，釋放金屬元素等過程。在提取過程中，首先要查明金屬元素在粉煤灰中的賦存狀態(tài)，然后有針對性地采用化學(xué)或物理(如粒度分級、密度分級)與化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)方法，釋放結(jié)晶礦物或玻璃質(zhì)中的金屬元素后再進(jìn)行提取；同時需充分考慮所采用的提取技術(shù)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保問題。

除了考慮技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理外，在戰(zhàn)略性金屬提取過程中有害物質(zhì)對環(huán)境和人體健康的危害，也是煤系戰(zhàn)略金屬物質(zhì)分離提取面對的挑戰(zhàn)。煤系中不僅多種戰(zhàn)略性金屬往往共同富集，而且也經(jīng)常富集有害元素，例如內(nèi)蒙古烏蘭圖嘎煤中鍺礦床中富集砷、汞、鉈等，該礦床相應(yīng)的富鍺粉煤灰中砷和汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9 215.0和67.5 μg/g，是目前文獻(xiàn)報道中砷和汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的粉煤灰。臨滄鍺礦床中鈹?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2 000 μg/g，含量之高，非常罕見。雖然有的鍺提煉廠對砷進(jìn)行了污染控制處理，但是對其他有害元素的控制尚未關(guān)注。煤中鎵鋁礦床經(jīng)常富集鉛和氟，例如在內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾鎵鋁礦床中鉛和氟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值分別為35.7 μg/g和101.0 μg/g。煤中鈾礦床中經(jīng)常富集鉬、硒、鉻等有害元素，例如在貴州貴定上二疊統(tǒng)富鈾煤中，氟、鉻、硒和鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2 076.0，391.0，35.3，364.0 μg/g。

對煤和煤系中戰(zhàn)略性金屬提取利用的問題，還面臨不同提取源選擇的問題，除了粉煤灰和煤系中非煤巖石外，還有酸性礦井水以及煤炭開采和加工利用中產(chǎn)生的矸石、煤的氣化產(chǎn)物、煤的洗選產(chǎn)品等。需要研究戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬物質(zhì)在這些提取源中的豐度、賦存狀態(tài)、富集機(jī)理，以及提取的可行性等。

3 結(jié) 語

基于我國能源資源的稟賦特征，在可預(yù)見的未來，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生根本性改變，因此對煤系中戰(zhàn)略金屬礦產(chǎn)成礦理論的基礎(chǔ)研究及其勘探開發(fā)和綜合利用的研究至關(guān)重要。煤系金屬礦產(chǎn)是保障戰(zhàn)略性金屬供給的重要補(bǔ)充，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，同時也是減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，建立資源節(jié)約型、清潔生產(chǎn)型、生態(tài)環(huán)保型社會的重要組成部分。

雖然已有的研發(fā)進(jìn)展表明煤系金屬礦產(chǎn)的開發(fā)利用具有良好的應(yīng)用前景，由于該領(lǐng)域研究時間短，其成礦理論和提取技術(shù)研發(fā)難度大，諸多關(guān)鍵的核心科學(xué)和技術(shù)問題或難題尚未得到解決，存在諸多挑戰(zhàn)。同時，該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)涉及學(xué)科多，因此這些關(guān)鍵問題的解決，可以推動煤炭地質(zhì)、金屬礦產(chǎn)地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理勘探、冶金、選礦、煤炭加工利用、大數(shù)據(jù)科學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科的交叉融合與發(fā)展。