中國國土資源經濟：美國稀土研究及政策對我國的啟示

2020-04-15 18:10:47
來源：中國國土資源經濟
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導讀

自2009年以來，美國針對稀土開展了大量研究，出臺了系列政策舉措。先后開展了DOE—NETL稀土回收可行性計劃和地球填圖倡議等，研發經濟、環保地從煤炭和煤基資源中提取、回收稀土的技術方法，利用先進的地質填圖、航空遙感和地形測量技術，加強國內稀土資源調查；制定系列政策措施，確保稀土等關鍵礦產的安全可靠供給。中國作為稀土儲量大國、生產大國，需要貫徹落實習近平生態文明思想，制定關鍵礦產相關戰略，構建資源利用新格局，促進稀土產業的高質量發展，進一步加強稀土資源地質調查，加強科技創新，推動礦業綠色發展，確保國家資源安全。

本文引用信息

張所續，馬朋林.美國稀土研究及政策對我國的啟示[J].中國國土資源經濟,2020，33（1）:35-42.

0 、引言

稀土元素是從鑭到镥（“鑭系”）原子序數為57至71的15種元素，再加上化學性質與鑭系元素相似的鈧、釔（原子序數21、39），按原子量分為輕稀土元素（LREEs）和重稀土元素（HREEs）。從世界范圍來看，稀土在地殼中相對豐富，總儲量約1.2億噸，但可開采豐度較低，稀土元素很少集中在可開采的礦床中。由于特殊的物理和化學特性，稀土素有“工業黃金”“工業維生素”“新材料之母”等美譽，在國防、新能源、新材料、節能環保、航空航天、電子信息等領域有著不可替代的作用。鑒于此，日本、美國和歐盟等西方發達國家，高度重視對稀土的研究。

稀土礦床形成的地質過程包括巖漿作用、巖漿熱液作用、變質作用、地表風化作用和沉積作用。稀土資源主要分布在碳酸巖、堿性火成巖系統、離子吸附粘土礦和含獨居石—磷釔礦的砂積礦四種地質環境中。碳酸巖和砂積礦是生產輕稀土元素的主要來源，離子吸附粘土礦是生產重稀土元素的主要來源。全球幾乎沒有針對性地對稀土進行勘探，過去許多重要的發現都是偶然的。中國的白云鄂博礦區是世界上最大的稀土礦，其稀土資源的發現源于20世紀50年代對白云鄂博地區進行鐵礦資源的勘察。加利福尼亞州的芒廷帕斯礦是在進行一個放射性勘測項目時意外發現的。許多含稀土碳酸巖礦床最初是作為鈮或磷酸巖的來源進行勘探的。

01、美國稀土資源概況

1.1 美國稀土礦類型

美國的主要稀土礦床存在于碳酸巖和堿性火成巖復合物、與堿性侵入巖有關的礦脈、與巖漿熱液作用有關的鐵礦床、堿性火成巖邊緣侵蝕的河流和海灘沉積物（砂礦）中。最大的稀土礦床分布于碳酸巖和堿性火成巖中，集中在與堿性火成巖侵入體有關的礦脈中，與堿性火成巖的結合也使得稀土元素與含有其他有價值元素（如鈦、鈮、磷和釷）的礦物共生。美國地質調查局根據礦床類型，分別在美國阿拉斯加、西部、中部和東部確定了四個重點區域，包括已知的稀土礦床以及可能具有潛力的稀土資源區域。通過獲取這些區域內新的地質填圖數據、地球物理數據和（或）詳細地形信息，將使研究人員能夠評估這些區域的稀土元素潛力，并提供可用于礦產勘探的數據。未來勘探和開發國內非燃料稀土資源潛在的礦床類型包括與碳酸巖和過堿性巖石有關的礦床、氧化鐵磷灰石礦、獨居石磷釔礦和富稀土磷灰石。

美國境內可能存在的稀土礦床類型，分布在不同的礦物系統中（表1）。在一個特定的礦物系統中，可以形成各種不同類型的礦床。例如巖漿作用可產生碳酸巖、過堿性火成巖、偉晶巖和含稀土礦脈。認識到這些礦床的類型及這些巖石在時空上的分布，可以指導對未發現的國內稀土礦床的勘探。

表1中列出的礦床類型反映了世界各地已知經濟或潛在經濟稀土礦床的地質環境。除了這些稀土的基巖和砂礦來源外，美國的煤和褐煤也是稀土的潛在來源。在美國發現的含稀土礦物主要包括黑稀金礦、氟碳鈰礦、磷釔礦、獨居石、褐簾石。此外在鈮釔礦、易解石、褐釔鈮礦、氟碳鈣鈰礦、氟碳鈣鈰礦、水菱釔礦、碳酸鍶鈰礦、磷鋁鈰礦、鈰磷灰石、鈣釔鉺礦、紅釔礦中也有稀土發現。最近的研究表明，北達科他州的褐煤和褐煤相關原料以及肯塔基州、阿拉巴馬州、西弗吉尼亞州、賓夕法尼亞州和弗吉尼亞州的阿巴拉契亞地區的煙煤也可作為稀土來源。

1.2 主要稀土礦點

美國稀土礦點廣泛分布在全國各地（表2）。美國2019年6月重新修訂了稀土礦點的數據，包括200多個礦區、礦山和礦點，這些礦區、礦山和礦點含有大量稀土元素。該稀土礦點數據匯編是美國目前記錄最完整的可公開獲取的稀土資源數據，包括資源和生產信息，以及礦床類型和參考資料的信息。除了礦點數據外，地理信息系統還顯示包括礦床輪廓，礦區和采礦區、砂礦開采范圍和采礦相關地表開采的圖形。

1.3 美國稀土進口情況

美國35種關鍵礦產中有31種礦產依賴進口（進口量大于年消費量的50%），其中14種礦產的進口依賴度為100%。稀土作為美國重要的關鍵礦產，雖然儲量也較為豐富，但目前只有加利福尼亞州的芒廷帕斯礦生產稀土，這也是美國唯一生產稀土的礦。芒廷帕斯礦是全球領先的輕稀土生產商，直到1993年左右，中國產量（主要來自白云鄂博）才超過其產量。該礦自1952年開采，一直持續到2002年，主要生產稀土礦物氟碳鈰礦的精礦。2002年之后因環境和經濟問題而停產，Molycorp公司將芒廷帕斯礦置于“維護和保養”狀態。2017年芒廷帕斯礦由MP Mine Operations LLC擁有，2018年第一季度重新恢復生產。近些年來，美國在懷俄明州、內布拉斯加州、得克薩斯州和阿拉斯加州開展了稀土的高級勘探項目。

從稀土用途分類來看，全球26%的稀土用于磁學材料，19%用于金屬合金，16.5%用于拋光劑，15.5%用于催化劑；美國43%的稀土用于催化劑原料，17%用于拋光劑，13%用于磁學材料（詳見圖1）。美國國內稀土產量遠不能滿足需求，導致美國稀土原材料高度依賴國外。美國2018年進口的稀土化合物和金屬的估計價值為1.6億美元，比2017年的1.37億美元有所增加。美國的稀土金屬和化合物進口的主要來源為中國，占其進口總量的80%，此外從愛沙尼亞進口占比6%，法國和日本各占比3%，其他來源占8%。而且從愛沙尼亞、法國和日本進口的稀土金屬和化合物，也主要來自中國和其他地方生產的精礦和化學中間產品。

圖1 全球和美國稀土用途分類情況

02、美國稀土研究及相關政策

為了確保稀土資源的安全可靠供給，提高經濟和國防安全保障，美國先后制定發布了第13806號行政命令、第13817號行政令等系列政策，并以國家戰略的形式提出確保稀土等關鍵礦產安全供應的政策措施。政府和科研機構先后開展了DOE—NETL稀土回收可行性計劃和地球填圖倡議等，研發經濟、環保地從煤炭和煤基資源中提取、回收稀土元素技術，激勵礦產勘探，確定美國關鍵礦產資源的潛力區。

2.1 DOE—NETL稀土回收可行性計劃

煤矸石、發電灰渣、灰池和酸性礦山排水污泥因其含有稀土元素而具有潛在的經濟價值，因而備受關注。2014年，美國能源部和國家能源技術實驗室實施了“稀土回收可行性計劃”，主要研究開發從煤炭和煤基資源中提取、分離和回收稀土元素和關鍵材料的技術，驗證利用煤炭和煤基資源生產高純稀土和關鍵材料的小型中試裝置的技術經濟可行性。最終目標是驗證小型、國產、中試規模、原型設施，以環保方式從300 ppm煤基資源中生產90~99 wt%（90~99萬 ppm）高純度稀土氧化物的技術和經濟可行性。發展具有經濟競爭力的稀土和關鍵材料供應將有助于保障美國的經濟增長和國家安全，該計劃也為改善美國國內煤炭價值鏈的經濟性和減少環境影響提供了一條途徑。

長期從煤炭和煤基資源中經濟回收稀土的機會不僅取決于研究與開發，重點是短期技術和經濟可行性的成功，而且還取決于利用所獲得的知識開發適用于低稀土濃度原料的新回收觀念。這些新的過程和系統必須包含恢復、分離和改進稀土的步驟，在不產生多余產品的前提下對稀土進行精煉。這些進展可能有助于從大量粉煤灰和底灰中回收稀土，以及其他低含量材料，如礦山酸性排水廢水和（或）污泥。此外，與煤基資源中存在的其他有用材料共同生產稀土，為進一步提高稀土回收的經濟可行性提供了潛力。跨越煤炭價值鏈的眾多稀土回收機會如圖2所示。

圖2 跨煤炭價值鏈的眾多稀土回收機會

計劃的核心技術領域主要包括使用技術、分離技術和過程系統（圖3）。使用技術主要包括資源識別、取樣和鑒定，技術經濟分析，以及現場/過程傳感器的開發。目前該計劃在確定現場位置和評估含有稀土的潛在煤炭和煤炭副產品成分方面取得了重大進展，未來將繼續致力于確定支持未來稀土商業生產的最佳材料來源。煤炭和煤炭副產品中稀土濃度和組成的化學和物理表征對于開發可行的稀土分離工藝至關重要，目前正在開發和評估識別煤基稀土資源的便攜式傳感器，以及用于確定分離工藝中稀土濃度的設備；同時開展國際稀土需求市場評估，對從傳統分離過程以及潛在的先進轉化分離過程中商業化生產稀土的經濟性進行評估。正在開展一項初步的稀土就業分析，其中包括對在美國建造和運營稀土分離和處理設施（或設備）的經濟影響評估。分離技術主要包括驗證利用商用提取和分離設備成為替代技術開發（如通過泡沫浮選、磁選、超聲波選礦，濕法冶金和溶劑萃取工藝，以及高溫冶金技術如電渣精煉、酸焙燒等）系統的可行性，并驗證其從煤基材料中提取和分離稀土的能力（即技術轉讓）。過程系統主要包括設計、建造、運行實驗室規模和（或）小型中試規模系統，以驗證從至少含有300ppm稀土的煤炭和煤炭相關資源中分離稀土并濃縮到大于或等于2wt%的初始預濃縮基質，進而提取高純度稀土的經濟可行性。

圖3 DOE—NETL 稀土計劃結構及核心技術領域

2014—2015年，美國能源部和國家能源技術實驗室對可能在煤炭礦床和相關礦物中發現的稀土含量進行了初步評估。據估算，可以從蒙大拿、懷俄明、科羅拉多等州的已知煤炭儲量中回收大約600萬噸稀土。在賓夕法尼亞、西弗吉尼亞、肯塔基等州的煤礦中，稀土儲量可能達到490萬噸。此外，如果對煤灰和煤礦廢棄物中可能存在的稀土總量進行單獨的估算，還可以獲得約幾百萬噸的稀土。這些稀土可使美國減少對其他關鍵材料的依賴，并在經濟依賴煤炭的地區創造新的產業。

自2014年啟動DOE—NETL稀土回收可行性計劃以來，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、愛達荷州國家實驗室（INL）和太平洋西北國家實驗室（PNNL）等國家實驗室及高校、企業積極參與，先后開展了約25~30個研究、開發和示范項目。圍繞提取和分離稀土取得了許多技術成果（詳見表3）。在煤基材料方面，將原料中300ppm的稀土濃縮到80萬ppm以上。2019年，肯塔基州、西弗吉尼亞州和賓夕法尼亞州的實驗室和試點工廠將利用煤渣、酸性礦井排水和發電煤灰生產稀土氧化物。

2.2 美國地球填圖倡議

美國存在一部分未發現的關鍵和戰略礦產礦床，由于缺乏現代地質、地球物理和地形數據等原因，阻礙了私營部門的礦產勘探。2019年2月，美國地質調查局（USGS）、美國國家地質學家協會（AASG）和其他聯邦、州和私營部門組織合作啟動了新的地球填圖倡議。其目的是利用先進的地質填圖、航空遙感和地形測量技術開展地質勘探工作，提高對美國地質構造格架的認識，獲取新的地質、地球物理和地形測繪數據，在全國范圍內確定關鍵礦產的重點潛力區。從而激勵礦產勘探，確保國家關鍵礦產的供應，減少對國外關鍵礦產的依賴，增強國家安全能力，并為私營機構創造就業機會，進而產生附加的經濟和社會效益。通過地球填圖倡議獲得的信息有助于對其他有價值礦產資源（如銅、鋅、黃金和工業礦產）、能源和地下水資源以及地質災害的了解，還可以服務于解決其他迫切需要詳細地球科學信息的社會問題，例如確定振興國家道路、橋梁和其他基礎設施系統所需的資源。

美國地球填圖倡議由地質調查局礦產資源項目管理，并通過美國地質調查局國家合作地質填圖計劃、國家地質和地球物理數據保護計劃與州地質調查局之間建立成本分攤合作協議提供資金支持，用于新的地質填圖和數據保存，初期資金將集中在美國最優先的地區。與私營公司簽訂合同，開展地球物理和激光雷達調查。地球填圖倡議利用礦產系統方法，將礦床特征，勘探標準，關鍵礦產品、副產品、副產物和地球物理技術納入關鍵礦產的簡要總結。美國地質調查局和州地質調查局（東、中、西、阿拉斯加州）組成四個區域工作組和專家指導小組。工作組根據礦物系統、礦床類型、采礦狀態、生產歷史等，確定將對國內關鍵礦產供應產生重大影響的重點區域（空間范圍），由美國地質調查局與州地質調查局合作確定最終填圖區域。并研發地理空間數字平臺，允許用戶通過一個門戶訪問美國地質調查局的地形、地質、地球物理、地球化學和礦床權威信息。2019和2020財年，地球填圖倡議將收集14個不同區域的填圖數據和5個主要地球物理調查數據。2019財年，將重點放在收集新的具有含稀土礦床潛力的地區數據。稀土礦床類型數據主要包括堿性/過堿性火成巖系統、碳酸巖、氧化鐵磷灰石（IOA）和氧化鐵銅金（IOCG）礦床、古砂礦、風化層稀土元素等。在2020財年及以后，將重點放在新的關鍵礦產上，并確定新的重點領域進行綜合研究。主要聚焦高度依賴進口、使用量超出可預見的國內產量的未探明礦產資源。

2.3 稀土相關政策

美國一直嘗試通過政策引導實現稀土的安全可靠供給。2010年1月，美國眾議院通過《國防關鍵稀土材料的評估與規劃》，要求國防部對國防應用中的稀土材料供求進行評估，并確定對美國重要軍事裝備的生產維持或運行至關重要的稀土材料，以及由于美國政府控制之外的行動或事件導致供應中斷的稀土材料。2010年，重啟《稀土供應鏈技術與資源轉化法案》《稀土供應技術與資源轉化法案》，要求重建有競爭力的國內稀土生產產業，國內稀土加工、精煉、凈化和金屬生產等行業，國內稀土金屬合金行業，以及國內以稀土為主的磁鐵生產行業和供應鏈（包括建立稀土儲備）。《國防授權法》責成政府問責辦公室（GAO）評估國防部的稀土使用和風險緩解計劃，經評估發現稀土金屬在美國國內已經停止生產而幾乎完全依賴于進口。2011年《國防授權法》要求國防部評估稀土材料供應鏈，以確定稀土材料是否具有戰略意義或對國家安全至關重要。2011年2月，出臺《稀土及關鍵材料振興法案》，對《國家材料與礦產政策》《1980年研究與發展法案》進行修訂，并制定稀土材料計劃，確保關鍵材料的長期國內供應；同年4月，出臺《稀土資源評估法案》，授權內政部對全球稀土元素及其他用途進行評估。

特朗普執政以來，也先后簽署系列命令，要求全面評估和保障稀土等關鍵礦產的安全可靠供給。2017年7月21日，特朗普簽署第13806號行政命令——《評估和強化制造與國防工業基礎及供應鏈彈性》，要求評估美國的制造能力，國防工業基礎和供應鏈彈性，確定對國家安全至關重要的軍用和民用物資、原材料和其他物品等。2018年10月5日，美國國防部發布《評估和強化制造與國防工業基礎及供應鏈彈性》報告,評估指出唯一來源、單一來源、國外依賴等十大因素威脅美國制造業和國防工業基礎。2017年12月19日，美國地質調查局發布第1802號《美國的關鍵礦產》專業報告，報告列舉了對美國國家安全和經濟福祉至關重要的23種關鍵礦產，這是44年來美國地質調查局同類專業報告的首次更新。2017年12月20日，特朗普簽署第13817號行政令——《確保關鍵礦產安全可靠供應的聯邦戰略》。2018年5月18日，內政部公布了包含稀土在內的35種關鍵礦產清單。2019年6月4日，商務部發布《確保關鍵礦產安全可靠供應的聯邦戰略》報告，著眼于確保關鍵礦產安全和可靠供應，提出了6項行動、24項目標和為確保行動目標實現的61項建議，旨在解決整個關鍵礦產供應鏈的脆弱性問題，以及改變美國關鍵礦產依賴國外供給的格局。

總體來看，美國一方面通過加強技術創新，拓展稀土等關鍵礦產的來源；另一方面通過出臺一系列的政策舉措，對美國國內稀土生產、加工、供給等進行全面評估，特別是稀土在軍事領域的應用。通過技術創新和政策引導，確保稀土安全可靠供給。

03、啟示及建議

稀土作為重要的關鍵礦產，對保障美國國家經濟安全和國防安全至關重要。美國通過地球填圖倡議，確定國內稀土潛力區，鼓勵私營公司提高國內稀土勘查，提高美國稀土供給潛力。通過稀土回收計劃，研發經濟、環保的從煤炭和煤基資源中提取、分離和回收稀土和關鍵材料的技術，確保國家稀土和關鍵材料的安全可靠供給。美國開展的系列研究和制定的政策舉措，對我國開展相關工作具有借鑒意義。

3.1 制定關鍵礦產相關戰略，確保國家資源安全

關鍵礦產是經濟高質量發展的基礎，是產業升級換代不可替代的動力之源。美國《確保關鍵礦產安全可靠供應的聯邦戰略》包括6項行動、24項目標和為確保行動目標實現的61項建議。該戰略的實施實現了從關鍵礦產勘查到開發利用的重大政策調整，包括加強地質填圖、修訂規劃流程、優先考慮礦產勘查的準入、縮短審批時間等方面，對改變稀土嚴重依賴國外的現狀，解決整個關鍵礦產供應鏈的脆弱性問題，確保國家經濟和國防安全具有重要意義。我國應堅持國家總體安全觀，對國家急需、戰略意義重大的關鍵礦產，摸清資源家底，統籌關鍵礦產開發利用，保證關鍵礦產的供應及其供應鏈的彈性，確保國家資源安全。

3.2 構建資源利用新格局，促進稀土產業的高質量發展

稀土是重要的戰略資源，也是不可再生資源。我國是全球稀土第一儲量大國，也是第一生產大國。加強稀土資源的科學開發利用，對于保障國家經濟和國家安全具有重要意義。我國應通過延伸產業鏈，提高附加值，加快構建產業結構合理、科技水平先進、資源有效保護和生產運行有序的稀土行業發展格局，不斷提升產業的競爭能力，推動稀土產業的高質量發展。

3.3 加強稀土資源地質調查，構建科學、全面的地質數據集

隨著科技發展，全球對稀土的需求將增加，而且會持續增長。我國應針對稀土資源利用先進的地質測繪、航空遙感和地形測量技術開展地質勘探工作，系統收集新的地質填圖、地球物理學、地形（激光雷達）數據，構建科學、可用的地質數據集，確定潛在的稀土資源區，摸清資源家底，全面保障稀土的安全可靠供給。

3.4 加強科技創新，推動礦業綠色發展

創新是引領發展的第一動力，是實現礦業綠色、安全和高效發展的動力。要加大科技創新工作力度，拓展關鍵礦產的來源，如研發經濟、環保的從煤基資源中提取及回收稀土的技術、從酸性礦山排水中回收稀土技術等。完善創新激勵機制，加強企業知識產權保護，不斷提高開發利用的技術水平。樹立節約集約循環利用的資源觀，不斷提升資源節約集約利用水平，以最少的資源環境代價取得最大的經濟社會效益。

3.5 建立評估機制，加強政策引導

美國針對稀土等關鍵礦產，出臺了系列政策措施，對確保安全可靠供給具有重要意義。我國也應針對對國家經濟和社會發展具有重要作用的戰略礦產，不定期對國內外生產、供求等情況進行評估，制定相關政策，為戰略礦產的安全可靠供給提供政策支持。