中国国土资源经济：美国稀土研究及政策对我国的启示

2020-04-15 18:10:47
来源：中国国土资源经济
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导读

自2009年以来，美国针对稀土开展了大量研究，出台了系列政策举措。先后开展了DOE—NETL稀土回收可行性计划和地球填图倡议等，研发经济、环保地从煤炭和煤基资源中提取、回收稀土的技术方法，利用先进的地质填图、航空遥感和地形测量技术，加强国内稀土资源调查；制定系列政策措施，确保稀土等关键矿产的安全可靠供给。中国作为稀土储量大国、生产大国，需要贯彻落实习近平生态文明思想，制定关键矿产相关战略，构建资源利用新格局，促进稀土产业的高质量发展，进一步加强稀土资源地质调查，加强科技创新，推动矿业绿色发展，确保国家资源安全。

本文引用信息

张所续，马朋林.美国稀土研究及政策对我国的启示[J].中国国土资源经济,2020，33（1）:35-42.

0 、引言

稀土元素是从镧到镥（“镧系”）原子序数为57至71的15种元素，再加上化学性质与镧系元素相似的钪、钇（原子序数21、39），按原子量分为轻稀土元素（LREEs）和重稀土元素（HREEs）。从世界范围来看，稀土在地壳中相对丰富，总储量约1.2亿吨，但可开采丰度较低，稀土元素很少集中在可开采的矿床中。由于特殊的物理和化学特性，稀土素有“工业黄金”“工业维生素”“新材料之母”等美誉，在国防、新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息等领域有着不可替代的作用。鉴于此，日本、美国和欧盟等西方发达国家，高度重视对稀土的研究。

稀土矿床形成的地质过程包括岩浆作用、岩浆热液作用、变质作用、地表风化作用和沉积作用。稀土资源主要分布在碳酸岩、碱性火成岩系统、离子吸附粘土矿和含独居石—磷钇矿的砂积矿四种地质环境中。碳酸岩和砂积矿是生产轻稀土元素的主要来源，离子吸附粘土矿是生产重稀土元素的主要来源。全球几乎没有针对性地对稀土进行勘探，过去许多重要的发现都是偶然的。中国的白云鄂博矿区是世界上最大的稀土矿，其稀土资源的发现源于20世纪50年代对白云鄂博地区进行铁矿资源的勘察。加利福尼亚州的芒廷帕斯矿是在进行一个放射性勘测项目时意外发现的。许多含稀土碳酸岩矿床最初是作为铌或磷酸岩的来源进行勘探的。

01、美国稀土资源概况

1.1 美国稀土矿类型

美国的主要稀土矿床存在于碳酸岩和碱性火成岩复合物、与碱性侵入岩有关的矿脉、与岩浆热液作用有关的铁矿床、碱性火成岩边缘侵蚀的河流和海滩沉积物（砂矿）中。最大的稀土矿床分布于碳酸岩和碱性火成岩中，集中在与碱性火成岩侵入体有关的矿脉中，与碱性火成岩的结合也使得稀土元素与含有其他有价值元素（如钛、铌、磷和钍）的矿物共生。美国地质调查局根据矿床类型，分别在美国阿拉斯加、西部、中部和东部确定了四个重点区域，包括已知的稀土矿床以及可能具有潜力的稀土资源区域。通过获取这些区域内新的地质填图数据、地球物理数据和（或）详细地形信息，将使研究人员能够评估这些区域的稀土元素潜力，并提供可用于矿产勘探的数据。未来勘探和开发国内非燃料稀土资源潜在的矿床类型包括与碳酸岩和过碱性岩石有关的矿床、氧化铁磷灰石矿、独居石磷钇矿和富稀土磷灰石。

美国境内可能存在的稀土矿床类型，分布在不同的矿物系统中（表1）。在一个特定的矿物系统中，可以形成各种不同类型的矿床。例如岩浆作用可产生碳酸岩、过碱性火成岩、伟晶岩和含稀土矿脉。认识到这些矿床的类型及这些岩石在时空上的分布，可以指导对未发现的国内稀土矿床的勘探。

表1中列出的矿床类型反映了世界各地已知经济或潜在经济稀土矿床的地质环境。除了这些稀土的基岩和砂矿来源外，美国的煤和褐煤也是稀土的潜在来源。在美国发现的含稀土矿物主要包括黑稀金矿、氟碳铈矿、磷钇矿、独居石、褐帘石。此外在铌钇矿、易解石、褐钇铌矿、氟碳钙铈矿、氟碳钙铈矿、水菱钇矿、碳酸锶铈矿、磷铝铈矿、铈磷灰石、钙钇铒矿、红钇矿中也有稀土发现。最近的研究表明，北达科他州的褐煤和褐煤相关原料以及肯塔基州、阿拉巴马州、西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和弗吉尼亚州的阿巴拉契亚地区的烟煤也可作为稀土来源。

1.2 主要稀土矿点

美国稀土矿点广泛分布在全国各地（表2）。美国2019年6月重新修订了稀土矿点的数据，包括200多个矿区、矿山和矿点，这些矿区、矿山和矿点含有大量稀土元素。该稀土矿点数据汇编是美国目前记录最完整的可公开获取的稀土资源数据，包括资源和生产信息，以及矿床类型和参考资料的信息。除了矿点数据外，地理信息系统还显示包括矿床轮廓，矿区和采矿区、砂矿开采范围和采矿相关地表开采的图形。

1.3 美国稀土进口情况

美国35种关键矿产中有31种矿产依赖进口（进口量大于年消费量的50%），其中14种矿产的进口依赖度为100%。稀土作为美国重要的关键矿产，虽然储量也较为丰富，但目前只有加利福尼亚州的芒廷帕斯矿生产稀土，这也是美国唯一生产稀土的矿。芒廷帕斯矿是全球领先的轻稀土生产商，直到1993年左右，中国产量（主要来自白云鄂博）才超过其产量。该矿自1952年开采，一直持续到2002年，主要生产稀土矿物氟碳铈矿的精矿。2002年之后因环境和经济问题而停产，Molycorp公司将芒廷帕斯矿置于“维护和保养”状态。2017年芒廷帕斯矿由MP Mine Operations LLC拥有，2018年第一季度重新恢复生产。近些年来，美国在怀俄明州、内布拉斯加州、得克萨斯州和阿拉斯加州开展了稀土的高级勘探项目。

从稀土用途分类来看，全球26%的稀土用于磁学材料，19%用于金属合金，16.5%用于抛光剂，15.5%用于催化剂；美国43%的稀土用于催化剂原料，17%用于抛光剂，13%用于磁学材料（详见图1）。美国国内稀土产量远不能满足需求，导致美国稀土原材料高度依赖国外。美国2018年进口的稀土化合物和金属的估计价值为1.6亿美元，比2017年的1.37亿美元有所增加。美国的稀土金属和化合物进口的主要来源为中国，占其进口总量的80%，此外从爱沙尼亚进口占比6%，法国和日本各占比3%，其他来源占8%。而且从爱沙尼亚、法国和日本进口的稀土金属和化合物，也主要来自中国和其他地方生产的精矿和化学中间产品。

图1 全球和美国稀土用途分类情况

02、美国稀土研究及相关政策

为了确保稀土资源的安全可靠供给，提高经济和国防安全保障，美国先后制定发布了第13806号行政命令、第13817号行政令等系列政策，并以国家战略的形式提出确保稀土等关键矿产安全供应的政策措施。政府和科研机构先后开展了DOE—NETL稀土回收可行性计划和地球填图倡议等，研发经济、环保地从煤炭和煤基资源中提取、回收稀土元素技术，激励矿产勘探，确定美国关键矿产资源的潜力区。

2.1 DOE—NETL稀土回收可行性计划

煤矸石、发电灰渣、灰池和酸性矿山排水污泥因其含有稀土元素而具有潜在的经济价值，因而备受关注。2014年，美国能源部和国家能源技术实验室实施了“稀土回收可行性计划”，主要研究开发从煤炭和煤基资源中提取、分离和回收稀土元素和关键材料的技术，验证利用煤炭和煤基资源生产高纯稀土和关键材料的小型中试装置的技术经济可行性。最终目标是验证小型、国产、中试规模、原型设施，以环保方式从300 ppm煤基资源中生产90~99 wt%（90~99万 ppm）高纯度稀土氧化物的技术和经济可行性。发展具有经济竞争力的稀土和关键材料供应将有助于保障美国的经济增长和国家安全，该计划也为改善美国国内煤炭价值链的经济性和减少环境影响提供了一条途径。

长期从煤炭和煤基资源中经济回收稀土的机会不仅取决于研究与开发，重点是短期技术和经济可行性的成功，而且还取决于利用所获得的知识开发适用于低稀土浓度原料的新回收观念。这些新的过程和系统必须包含恢复、分离和改进稀土的步骤，在不产生多余产品的前提下对稀土进行精炼。这些进展可能有助于从大量粉煤灰和底灰中回收稀土，以及其他低含量材料，如矿山酸性排水废水和（或）污泥。此外，与煤基资源中存在的其他有用材料共同生产稀土，为进一步提高稀土回收的经济可行性提供了潜力。跨越煤炭价值链的众多稀土回收机会如图2所示。

图2 跨煤炭价值链的众多稀土回收机会

计划的核心技术领域主要包括使用技术、分离技术和过程系统（图3）。使用技术主要包括资源识别、取样和鉴定，技术经济分析，以及现场/过程传感器的开发。目前该计划在确定现场位置和评估含有稀土的潜在煤炭和煤炭副产品成分方面取得了重大进展，未来将继续致力于确定支持未来稀土商业生产的最佳材料来源。煤炭和煤炭副产品中稀土浓度和组成的化学和物理表征对于开发可行的稀土分离工艺至关重要，目前正在开发和评估识别煤基稀土资源的便携式传感器，以及用于确定分离工艺中稀土浓度的设备；同时开展国际稀土需求市场评估，对从传统分离过程以及潜在的先进转化分离过程中商业化生产稀土的经济性进行评估。正在开展一项初步的稀土就业分析，其中包括对在美国建造和运营稀土分离和处理设施（或设备）的经济影响评估。分离技术主要包括验证利用商用提取和分离设备成为替代技术开发（如通过泡沫浮选、磁选、超声波选矿，湿法冶金和溶剂萃取工艺，以及高温冶金技术如电渣精炼、酸焙烧等）系统的可行性，并验证其从煤基材料中提取和分离稀土的能力（即技术转让）。过程系统主要包括设计、建造、运行实验室规模和（或）小型中试规模系统，以验证从至少含有300ppm稀土的煤炭和煤炭相关资源中分离稀土并浓缩到大于或等于2wt%的初始预浓缩基质，进而提取高纯度稀土的经济可行性。

图3 DOE—NETL 稀土计划结构及核心技术领域

2014—2015年，美国能源部和国家能源技术实验室对可能在煤炭矿床和相关矿物中发现的稀土含量进行了初步评估。据估算，可以从蒙大拿、怀俄明、科罗拉多等州的已知煤炭储量中回收大约600万吨稀土。在宾夕法尼亚、西弗吉尼亚、肯塔基等州的煤矿中，稀土储量可能达到490万吨。此外，如果对煤灰和煤矿废弃物中可能存在的稀土总量进行单独的估算，还可以获得约几百万吨的稀土。这些稀土可使美国减少对其他关键材料的依赖，并在经济依赖煤炭的地区创造新的产业。

自2014年启动DOE—NETL稀土回收可行性计划以来，洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、爱达荷州国家实验室（INL）和太平洋西北国家实验室（PNNL）等国家实验室及高校、企业积极参与，先后开展了约25~30个研究、开发和示范项目。围绕提取和分离稀土取得了许多技术成果（详见表3）。在煤基材料方面，将原料中300ppm的稀土浓缩到80万ppm以上。2019年，肯塔基州、西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的实验室和试点工厂将利用煤渣、酸性矿井排水和发电煤灰生产稀土氧化物。

2.2 美国地球填图倡议

美国存在一部分未发现的关键和战略矿产矿床，由于缺乏现代地质、地球物理和地形数据等原因，阻碍了私营部门的矿产勘探。2019年2月，美国地质调查局（USGS）、美国国家地质学家协会（AASG）和其他联邦、州和私营部门组织合作启动了新的地球填图倡议。其目的是利用先进的地质填图、航空遥感和地形测量技术开展地质勘探工作，提高对美国地质构造格架的认识，获取新的地质、地球物理和地形测绘数据，在全国范围内确定关键矿产的重点潜力区。从而激励矿产勘探，确保国家关键矿产的供应，减少对国外关键矿产的依赖，增强国家安全能力，并为私营机构创造就业机会，进而产生附加的经济和社会效益。通过地球填图倡议获得的信息有助于对其他有价值矿产资源（如铜、锌、黄金和工业矿产）、能源和地下水资源以及地质灾害的了解，还可以服务于解决其他迫切需要详细地球科学信息的社会问题，例如确定振兴国家道路、桥梁和其他基础设施系统所需的资源。

美国地球填图倡议由地质调查局矿产资源项目管理，并通过美国地质调查局国家合作地质填图计划、国家地质和地球物理数据保护计划与州地质调查局之间建立成本分摊合作协议提供资金支持，用于新的地质填图和数据保存，初期资金将集中在美国最优先的地区。与私营公司签订合同，开展地球物理和激光雷达调查。地球填图倡议利用矿产系统方法，将矿床特征，勘探标准，关键矿产品、副产品、副产物和地球物理技术纳入关键矿产的简要总结。美国地质调查局和州地质调查局（东、中、西、阿拉斯加州）组成四个区域工作组和专家指导小组。工作组根据矿物系统、矿床类型、采矿状态、生产历史等，确定将对国内关键矿产供应产生重大影响的重点区域（空间范围），由美国地质调查局与州地质调查局合作确定最终填图区域。并研发地理空间数字平台，允许用户通过一个门户访问美国地质调查局的地形、地质、地球物理、地球化学和矿床权威信息。2019和2020财年，地球填图倡议将收集14个不同区域的填图数据和5个主要地球物理调查数据。2019财年，将重点放在收集新的具有含稀土矿床潜力的地区数据。稀土矿床类型数据主要包括碱性/过碱性火成岩系统、碳酸岩、氧化铁磷灰石（IOA）和氧化铁铜金（IOCG）矿床、古砂矿、风化层稀土元素等。在2020财年及以后，将重点放在新的关键矿产上，并确定新的重点领域进行综合研究。主要聚焦高度依赖进口、使用量超出可预见的国内产量的未探明矿产资源。

2.3 稀土相关政策

美国一直尝试通过政策引导实现稀土的安全可靠供给。2010年1月，美国众议院通过《国防关键稀土材料的评估与规划》，要求国防部对国防应用中的稀土材料供求进行评估，并确定对美国重要军事装备的生产维持或运行至关重要的稀土材料，以及由于美国政府控制之外的行动或事件导致供应中断的稀土材料。2010年，重启《稀土供应链技术与资源转化法案》《稀土供应技术与资源转化法案》，要求重建有竞争力的国内稀土生产产业，国内稀土加工、精炼、净化和金属生产等行业，国内稀土金属合金行业，以及国内以稀土为主的磁铁生产行业和供应链（包括建立稀土储备）。《国防授权法》责成政府问责办公室（GAO）评估国防部的稀土使用和风险缓解计划，经评估发现稀土金属在美国国内已经停止生产而几乎完全依赖于进口。2011年《国防授权法》要求国防部评估稀土材料供应链，以确定稀土材料是否具有战略意义或对国家安全至关重要。2011年2月，出台《稀土及关键材料振兴法案》，对《国家材料与矿产政策》《1980年研究与发展法案》进行修订，并制定稀土材料计划，确保关键材料的长期国内供应；同年4月，出台《稀土资源评估法案》，授权内政部对全球稀土元素及其他用途进行评估。

特朗普执政以来，也先后签署系列命令，要求全面评估和保障稀土等关键矿产的安全可靠供给。2017年7月21日，特朗普签署第13806号行政命令——《评估和强化制造与国防工业基础及供应链弹性》，要求评估美国的制造能力，国防工业基础和供应链弹性，确定对国家安全至关重要的军用和民用物资、原材料和其他物品等。2018年10月5日，美国国防部发布《评估和强化制造与国防工业基础及供应链弹性》报告,评估指出唯一来源、单一来源、国外依赖等十大因素威胁美国制造业和国防工业基础。2017年12月19日，美国地质调查局发布第1802号《美国的关键矿产》专业报告，报告列举了对美国国家安全和经济福祉至关重要的23种关键矿产，这是44年来美国地质调查局同类专业报告的首次更新。2017年12月20日，特朗普签署第13817号行政令——《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》。2018年5月18日，内政部公布了包含稀土在内的35种关键矿产清单。2019年6月4日，商务部发布《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》报告，着眼于确保关键矿产安全和可靠供应，提出了6项行动、24项目标和为确保行动目标实现的61项建议，旨在解决整个关键矿产供应链的脆弱性问题，以及改变美国关键矿产依赖国外供给的格局。

总体来看，美国一方面通过加强技术创新，拓展稀土等关键矿产的来源；另一方面通过出台一系列的政策举措，对美国国内稀土生产、加工、供给等进行全面评估，特别是稀土在军事领域的应用。通过技术创新和政策引导，确保稀土安全可靠供给。

03、启示及建议

稀土作为重要的关键矿产，对保障美国国家经济安全和国防安全至关重要。美国通过地球填图倡议，确定国内稀土潜力区，鼓励私营公司提高国内稀土勘查，提高美国稀土供给潜力。通过稀土回收计划，研发经济、环保的从煤炭和煤基资源中提取、分离和回收稀土和关键材料的技术，确保国家稀土和关键材料的安全可靠供给。美国开展的系列研究和制定的政策举措，对我国开展相关工作具有借鉴意义。

3.1 制定关键矿产相关战略，确保国家资源安全

关键矿产是经济高质量发展的基础，是产业升级换代不可替代的动力之源。美国《确保关键矿产安全可靠供应的联邦战略》包括6项行动、24项目标和为确保行动目标实现的61项建议。该战略的实施实现了从关键矿产勘查到开发利用的重大政策调整，包括加强地质填图、修订规划流程、优先考虑矿产勘查的准入、缩短审批时间等方面，对改变稀土严重依赖国外的现状，解决整个关键矿产供应链的脆弱性问题，确保国家经济和国防安全具有重要意义。我国应坚持国家总体安全观，对国家急需、战略意义重大的关键矿产，摸清资源家底，统筹关键矿产开发利用，保证关键矿产的供应及其供应链的弹性，确保国家资源安全。

3.2 构建资源利用新格局，促进稀土产业的高质量发展

稀土是重要的战略资源，也是不可再生资源。我国是全球稀土第一储量大国，也是第一生产大国。加强稀土资源的科学开发利用，对于保障国家经济和国家安全具有重要意义。我国应通过延伸产业链，提高附加值，加快构建产业结构合理、科技水平先进、资源有效保护和生产运行有序的稀土行业发展格局，不断提升产业的竞争能力，推动稀土产业的高质量发展。

3.3 加强稀土资源地质调查，构建科学、全面的地质数据集

随着科技发展，全球对稀土的需求将增加，而且会持续增长。我国应针对稀土资源利用先进的地质测绘、航空遥感和地形测量技术开展地质勘探工作，系统收集新的地质填图、地球物理学、地形（激光雷达）数据，构建科学、可用的地质数据集，确定潜在的稀土资源区，摸清资源家底，全面保障稀土的安全可靠供给。

3.4 加强科技创新，推动矿业绿色发展

创新是引领发展的第一动力，是实现矿业绿色、安全和高效发展的动力。要加大科技创新工作力度，拓展关键矿产的来源，如研发经济、环保的从煤基资源中提取及回收稀土的技术、从酸性矿山排水中回收稀土技术等。完善创新激励机制，加强企业知识产权保护，不断提高开发利用的技术水平。树立节约集约循环利用的资源观，不断提升资源节约集约利用水平，以最少的资源环境代价取得最大的经济社会效益。

3.5 建立评估机制，加强政策引导

美国针对稀土等关键矿产，出台了系列政策措施，对确保安全可靠供给具有重要意义。我国也应针对对国家经济和社会发展具有重要作用的战略矿产，不定期对国内外生产、供求等情况进行评估，制定相关政策，为战略矿产的安全可靠供给提供政策支持。