關(guān)鍵金屬的富集機(jī)制、礦產(chǎn)勘查和綜合利用：前言*

周濤發(fā) 范裕

1. 合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥工業(yè)大學(xué)礦床成因與勘查技術(shù)研究中心(ODEC)，合肥 230009

2. 安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心，合肥 230009

關(guān)鍵金屬(critical metals)和關(guān)鍵礦產(chǎn)資源(critical minerals)是國(guó)際上近年來(lái)提出的新概念，是指對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要的一類金屬元素及其礦床的總稱，其成礦特點(diǎn)和成礦機(jī)制研究已成為國(guó)際礦床學(xué)研究的熱點(diǎn)(翟明國(guó)等，2019;陳駿等，2019;毛景文等,2019；蔣少涌等，2019)。在此背景下，國(guó)家基金委員會(huì)地球科學(xué)部，于2019年立項(xiàng)了重大研究計(jì)劃《戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬超常富集成礦動(dòng)力學(xué)》，提出關(guān)鍵礦產(chǎn)資源研究地質(zhì)方面主要科學(xué)問題包括：元素地球化學(xué)性質(zhì)和賦存狀態(tài)、重大地質(zhì)事件和層圈物質(zhì)循環(huán)與成礦物質(zhì)基礎(chǔ)、超常富集的苛刻條件和成礦規(guī)律。在重大研究計(jì)劃的資助下，本專輯重點(diǎn)從關(guān)鍵金屬元素地球化學(xué)性質(zhì)入手，圍繞上述主要科學(xué)問題，結(jié)合地質(zhì)過(guò)程和區(qū)域地質(zhì)及一些具體礦床實(shí)例的研究，探討關(guān)鍵金屬的成礦機(jī)制。本專輯共包括17篇文章，內(nèi)容涵蓋碲、鈷、硒、錸、鍺、銣、鈾、鉬、PGE等多種關(guān)鍵金屬。

1 綜述性論文

銣?zhǔn)侵匾摹瓣P(guān)鍵金屬”礦產(chǎn)資源，是未來(lái)各國(guó)資源爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。吳昌志等(2021)在對(duì)花崗(偉晶)巖銣礦主要研究進(jìn)展進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)介中亞造山帶東、西段典型天河石花崗巖及相關(guān)銣等稀有金屬礦床的主要特征和時(shí)空分布，并對(duì)未來(lái)研究重點(diǎn)進(jìn)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(guān)稀有金屬礦床成礦域，其西段大量發(fā)育三疊紀(jì)天河石花崗巖，而東段大量發(fā)育晚侏羅世至早白堊世天河石花崗巖。兩者形成時(shí)代和構(gòu)造背景分別與古亞洲洋向古特提斯洋構(gòu)造域，以及古亞洲洋向古太平洋構(gòu)造域的巨大轉(zhuǎn)折相對(duì)應(yīng)，銣等稀有金屬成礦潛力巨大。

低熔點(diǎn)親銅元素(LMCE)As、Sb、Bi、Hg、Pb、Se、Te、Tl、Sn等，均具有親銅性、低熔點(diǎn)、半金屬的特性，在成礦過(guò)程中可以形成LMCE熔體，并對(duì)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(duì)前人研究資料與LMCE熱力學(xué)相圖進(jìn)行了分析，并結(jié)合淺成低溫?zé)嵋盒?、造山型、卡?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(duì)Au、Ag、PGE等貴金屬富集成礦的機(jī)理，并總結(jié)了LMCE熔體參與成礦的礦物組合與結(jié)構(gòu)特征標(biāo)志。

花崗巖型鈾礦床是我國(guó)最重要的鈾礦床類型之一，且主要分布在華南地區(qū)。張龍等(2021)在簡(jiǎn)要介紹華南花崗巖型鈾礦床主要地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)了華南花崗巖型鈾礦床的產(chǎn)鈾花崗巖、成礦時(shí)代、成礦流體和成礦物質(zhì)來(lái)源等方面的研究進(jìn)展。論文綜合分析后，提出了花崗巖型鈾礦床的研究應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)花崗巖中鈾活化機(jī)制、鈾成礦時(shí)代、以及下莊鈾礦田侏羅紀(jì)(175～145 Ma)鈾成礦作用等方面。

陳濤亮等(2021)通過(guò)對(duì)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(xué)組成、Sr-Nd同位素等數(shù)據(jù)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(jié)果顯示，Re含量與礦床中鉬的平均品位呈負(fù)相關(guān)，地幔物質(zhì)的加入可能是形成高Re輝鉬礦的基礎(chǔ)。本研究證實(shí)，輝鉬礦Re含量與其成礦時(shí)代不具耦合關(guān)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(wú)明顯相關(guān)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(zhì)、熱液蝕變及表生作用過(guò)程有關(guān)。

地質(zhì)冶金學(xué)是一門交叉學(xué)科，將礦體的地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和礦物學(xué)特征與冶金性能聯(lián)系起來(lái)，目標(biāo)是描述和了解礦體的冶金性質(zhì)的多樣性，并建立三維地質(zhì)冶金學(xué)模型，用于協(xié)助礦山開采計(jì)劃和優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)流程等。劉蘭海等(2021)介紹了近年來(lái)典型的熱液金礦床包括斑巖型、淺成低溫?zé)嵋盒汀OCG型、卡林型和矽卡巖型的地質(zhì)冶金學(xué)的研究進(jìn)展，以及應(yīng)用于地質(zhì)冶金學(xué)上的新方法如VNIR-SWIR高光譜技術(shù)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)。關(guān)鍵金屬具有含量低、礦物細(xì)小的研究難點(diǎn)，與金的地質(zhì)冶金學(xué)研究具有諸多相似之處，因此本文提出將金的賦存狀態(tài)研究的流程和新技術(shù)方法應(yīng)用于關(guān)鍵金屬礦床，并設(shè)計(jì)了關(guān)鍵金屬賦存狀態(tài)的研究流程和規(guī)范化表達(dá)，進(jìn)一步延伸了地質(zhì)冶金學(xué)的內(nèi)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(tài)研究仍十分薄弱。陳雪峰等(2021)以安徽省涇縣新發(fā)現(xiàn)的湛嶺斑巖型鉬礦床中的輝鉬礦為研究對(duì)象，通過(guò)電子探針(EPMA)和激光剝蝕電桿耦合等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)、聚焦離子束(FIB)原位取樣和透射電鏡(TEM)分析發(fā)現(xiàn)，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(zhì)同象替代Mo進(jìn)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(tài)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(zhǎng)江中下游成礦帶中典型的斑巖-矽卡巖型礦床，也是該區(qū)目前已報(bào)道的最大的共伴生碲礦床，然而碲在該礦床的賦存狀態(tài)、碲的沉淀機(jī)制等尚不清楚。國(guó)顯正等(2021)在詳細(xì)劃分成礦階段基礎(chǔ)上，對(duì)該礦床不同類型礦石中礦物開展電子探針測(cè)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(zhì)來(lái)源應(yīng)為巖漿來(lái)源，碲的成礦作用與花崗閃長(zhǎng)斑巖巖漿熱液作用有關(guān)。自花崗閃長(zhǎng)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(jī)制。

鍺(Ge)是我國(guó)的一種優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)，閃鋅礦中鍺的替代方式和超常富集機(jī)制仍缺乏深入理解。羅開等(2021)以揚(yáng)子地塊西南緣的川滇黔鉛鋅礦集區(qū)中烏斯河大型鉛鋅鍺礦床為研究對(duì)象，開展了礦床中鍺的超常富集機(jī)制研究。綜合研究認(rèn)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(qū)和振蕩環(huán)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(jié)晶過(guò)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(guò)程流體成分和成礦物理化學(xué)條件改變有關(guān)。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(jié)晶過(guò)程等多要素耦合作用特殊地球化學(xué)過(guò)程的結(jié)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(yè)來(lái)源之一。位于貴州省貴定縣境內(nèi)的竹林溝鍺鋅礦床，是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的富鍺鋅礦床。楊智謀等(2021)對(duì)礦床的綜合研究表明，竹林溝鍺鋅礦床的形成經(jīng)歷如下過(guò)程：在伸展背景下，深循環(huán)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(gòu)造作用驅(qū)動(dòng)沿區(qū)域性斷裂不斷向上運(yùn)移，在賦礦層位與富硫流體發(fā)生混合作用，導(dǎo)致閃鋅礦等硫化物沉淀；在整個(gè)成礦過(guò)程，成礦環(huán)境經(jīng)歷了還原→氧化的轉(zhuǎn)變，成礦元素發(fā)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(zhǎng)江中下游成礦帶，是成礦帶內(nèi)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(tài)和分布規(guī)律具有重要的理論意義和礦產(chǎn)綜合利用價(jià)值。閻磊等(2021)對(duì)礦床中鈷賦存狀態(tài)和空間分布規(guī)律開展了相關(guān)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(dú)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(zhì)同象形式替代Fe進(jìn)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(guī)律。通過(guò)類比，提出中國(guó)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(cè)試手段未能發(fā)現(xiàn)；如何在選礦過(guò)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(guān)鍵。

礦山產(chǎn)品礦精粉中關(guān)鍵金屬的分布特征和可利用性是當(dāng)前關(guān)鍵金屬資源利用的核心問題之一。張一帆等(2021)對(duì)長(zhǎng)江中下游成礦帶內(nèi)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(chǎn)品(銅金粉，硫精粉，鐵精粉和金精粉)進(jìn)行了系統(tǒng)化學(xué)成分分析，在此基礎(chǔ)上，本次工作利用綜合礦物分析技術(shù)(TIMA)、掃描電鏡(SEM)和激光剝蝕-等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)三種測(cè)試方法，系統(tǒng)開展了富鈷硫精粉中鈷的賦存狀態(tài)研究。結(jié)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(zhì)同象形式產(chǎn)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(guò)對(duì)比研究，初步建立了礦精粉中關(guān)鍵金屬元素賦存狀態(tài)的研究方法流程，為礦精粉中鈷的回收利用提供了依據(jù)。

黃竹園銀多金屬礦床位于長(zhǎng)江中下游成礦帶廬樅礦集區(qū)東南緣，是成礦帶斷凹區(qū)火山巖盆地內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的淺成低溫?zé)嵋盒豌y多金屬礦床。劉杰添等(2021)基于礦床地質(zhì)特征研究，通過(guò)對(duì)礦床中采集樣品進(jìn)行手標(biāo)本及室內(nèi)鏡下觀察、短波紅外分析測(cè)試(SWIR)、掃描電子顯微鏡(SEM-EDS)、電子探針分析(EPMA)和自動(dòng)礦物綜合分析(TIMA)等方法，重點(diǎn)開展銀和關(guān)鍵金屬賦存狀態(tài)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?zé)嵋旱V化疊加于斑巖型礦化之上的復(fù)合成礦的典型實(shí)例。通過(guò)與礦區(qū)北部錢鋪酸性蝕變巖帽(<1km)之間對(duì)比研究，提出黃竹園-錢鋪酸性蝕變巖帽地區(qū)可能存在大型“斑巖-淺成低溫?zé)嵋撼傻V系統(tǒng)”，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(qū)內(nèi)唯一鉬儲(chǔ)量達(dá)到大型的鉬鎢礦床。張達(dá)玉等(2021)在對(duì)該礦床地質(zhì)特征和已有成果總結(jié)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開展了礦床地質(zhì)地球化學(xué)特征研究，確定了礦床具鎂質(zhì)矽卡巖礦床特征，是桂林鄭花崗斑巖熔體與奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r地層交代的產(chǎn)物。綜合對(duì)比國(guó)內(nèi)外相似礦床，提出桂林鄭鉬鎢礦床是首個(gè)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(fā)現(xiàn)深化了矽卡巖鉬鎢礦床的成因認(rèn)識(shí)，對(duì)江南鎢礦帶內(nèi)區(qū)域成礦規(guī)律與找礦勘探工作的推進(jìn)提供了依據(jù)。

磷灰石可以記錄和保存巖漿和熱液活動(dòng)的信息?？煽赏泻ゾr型稀有金屬礦床磷灰石發(fā)育，為研究該礦床偉晶巖成巖成礦過(guò)程提供了優(yōu)良的條件。白應(yīng)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(hào)脈)和相對(duì)貧礦偉晶巖脈(1號(hào)、2b號(hào)和3a號(hào)脈)中的磷灰石作為研究對(duì)象，進(jìn)行磷灰石巖相學(xué)和地球化學(xué)研究。研究表明，在偉晶巖形成過(guò)程中，磷灰石并非保持穩(wěn)定，其分帶結(jié)構(gòu)和主微量成分變化記錄了后期熱液活動(dòng)，暗示后期熱液活動(dòng)對(duì)偉晶巖的成礦具有重要作用。

全球范圍內(nèi)出露的碳酸巖大多為鈣質(zhì)、鎂質(zhì)、鐵質(zhì)碳酸巖，少量為鈉質(zhì)和硅質(zhì)碳酸巖，極少有富Sr碳酸巖的報(bào)道，其巖石成因、資源意義及對(duì)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(qū)南部包子山稀土礦床的露天采坑中發(fā)現(xiàn)了超級(jí)富Sr的碳酸巖。對(duì)這類特殊碳酸鹽的綜合地質(zhì)地球化學(xué)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(jié)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(fā)現(xiàn)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?jǐn)?shù)>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(zhì)、鎂質(zhì)、鐵質(zhì)和鈉質(zhì)碳酸巖。

巖漿演化和熱液蝕變過(guò)程中PGE的遷移富集機(jī)制和PGM的成因，一直是研究PGE地球化學(xué)行為非常關(guān)注的問題。董宇等(2021)對(duì)金川銅鎳硫化物礦床中PGM的研究發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)的礦物學(xué)，地球化學(xué)研究表明，巖漿期后酸性、高鹽度、高氧逸度的富Cl-流體對(duì)金川銅鎳硫化物礦床中Pd的遷移和富集起到了關(guān)鍵控制作用。

西藏岡底斯帶中段的崗講斑巖銅-鉬礦床發(fā)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(guān)，為探究其原因，田豐等(2021)對(duì)崗講斑巖銅-鉬礦床中發(fā)育的各期次侵入體進(jìn)行了全巖主、微量元素分析，并重點(diǎn)研究各期次侵入體內(nèi)部新鮮斑晶(黑云母、斜長(zhǎng)石)和副礦物(鋯石、磷灰石)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明礦區(qū)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(lái)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(shí)，斜長(zhǎng)石發(fā)育反環(huán)帶。這些數(shù)據(jù)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(fā)生巖漿混合作用，這不僅導(dǎo)致了主成礦期斑巖體就位，同時(shí)還誘發(fā)流體出溶進(jìn)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(wù)副主編付出了大量工作。36名審稿專家在百忙之中對(duì)稿件進(jìn)行了認(rèn)真的審閱，并給予了很多建設(shè)性意見，提高了論文的質(zhì)量。在此一并致以衷心地感謝！