一文读懂稀土矿：从元素、矿物、岩石到矿床的系统讲解--黑金刚播报
发布时间：
2025-12-25
1、引言
过去几年间，越来越多的人开始关注一类颇为特殊的金属——稀土元素。许多人从未听说过它们，或者可能只知道它们是元素周期表主体下方两行元素中的上方那一行。事实上，尽管这类金属有着数量惊人的应用场景，但在十几年之前，公众对它们知之甚少。
稀土元素有多个名称：稀土金属、稀土，或简称为REE。它们是一组联系紧密的重元素，共17种，包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系元素。在图1的元素周期表中，它们用红色轮廓标出。其中，镧系元素本应位于钡（Ba）和铪（Hf）两种元素之间。
图1 元素周期表
这17种稀土元素具体包括：21号元素钪（Sc）、39号元素钇（Y）、57号元素镧（La）、58号元素铈（Ce）、59号元素镨（Pr）、60号元素钕（Nd）、61号元素钷（Pm）、62号元素钐（Sm）、63号元素铕（Eu）、64号元素钆（Gd）、65号元素铽（Tb）、66号元素镝（Dy）、67号元素钬（Ho）、68号元素铒（Er）、69号元素铥（Tm）、70号元素镱（Yb）和71号元素镥（Lu）。另外，根据稀土元素的物理化学性质的差异性和相似性，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为三组。轻稀土组：镧、铈、镨、钕、钷，中稀土组：钐、铕、钆、铽、镝，重稀土组：钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
2、名称
“稀土元素”这一术语实际上是用词不当。首先，它们并非碱土金属——碱土金属指的是元素周期表中第2族的元素，包括铍、镁、钙、锶、钡和镭。相反，从图1中可看出，稀土元素属于过渡金属（第3B族）。其次，稀土元素也并不“稀少”。
“稀土元素”这一名称的由来与其发现历程密切相关。大多数稀土元素发现于19世纪，仅有钇（1794年）、镥（1907年）和钷（1943年）除外。在19世纪，人们已知的稀土矿床仅有一处——瑞典伊特比镇附近的采石场，因此当时认为这类元素十分稀少。而“土”的由来则是：大多数稀土元素最初是以氧化物形式被提取出来的，在19世纪的主要科学语言法语中，元素的氧化物被称为该元素的“terre”（意为“土”）；在当时另一重要科学语言德语中，元素的氧化物也被称作该元素的“Erde”（意为“土”）。
如前所述，稀土元素其实并不稀少。虽然稀土矿床的数量相对有限，但这些元素的丰度却相当高。最常见的稀土元素是铈（Ce），其地壳丰度为60ppm，在地球地壳元素丰度排名中位列第27位，丰度高于排名第37位的铅（Pb，地壳丰度为10ppm）。即便是丰度最低的稀土元素之一 ——镥（地壳丰度为0.5ppm），其地壳丰度也约为金（0.0031ppm）的200倍。
在稀土元素系列内部，其丰度呈现锯齿状分布（图2），该现象源于奥多-哈金斯法则。该法则指出，原子序数为偶数的元素丰度高于原子序数为奇数的元素。
图2 元素丰度（以原子分数表示）随原子序数变化的曲线
3、主要矿石矿物
目前，稀土元素的主要矿石矿物为独居石、氟碳铈矿和磷钇矿。最早被利用的稀土矿物是加多林矿——多种稀土元素首次从该矿物中分离得到，但它并未实现工业化应用。而首个用于工业化提取稀土元素的矿石矿物是独居石。
独居石
独居石的通用化学式为CePO₄。其名称源自希腊语“monazeis”（意为独处），一方面因其晶体常呈孤立状，另一方面也因该矿物在首次发现时较为罕见（见图3）。除铈（Ce）外，独居石中还含有其他稀土元素，且以轻稀土元素（LREEs：镧 La、铈 Ce、镨 Pr、钕 Nd、钐 Sm）为主，且必然呈现多种稀土元素的混合状态。命名时会添加后缀 “-Ce”“-La”“-Nd”或“-Pr”，以表示其中含量最高的稀土元素。独居石中通常还含有钍（Th）或铀（U），但二者含量普遍过低，无法作为有价值的副产品提取。
独居石通常作为次要矿物存在于花岗岩、花岗闪长岩及其伴生的伟晶岩中，同时也见于多种变质岩中。独居石之所以能形成富集，主要源于以下两个特性：（1）属于重矿物，比重介于 4.8 至5.5 之间，平均值为 5.15；（2）抗风化能力极强。因此，在火成岩或变质岩母岩风化后，经搬运作用，独居石会富集于砂矿床和重矿物砂中。
图3 独居石
氟碳铈矿
氟碳铈矿由瑞典化学家威廉・希辛格首次描述，当时他将其命名为碱式氟铈矿，该矿物发现于瑞典韦斯特曼兰省里达胡坦附近的贝什纳斯矿。氟碳铈矿的通用化学式为 Ce (CO₃) F。
作为另一种主要的稀土矿石矿物，氟碳铈矿以轻稀土元素为主，主要含铈（Ce）、镧（La）、镨（Pr）和钕（Nd）；重稀土元素中，仅钇（Y）较为常见。命名时需在矿物名前添加后缀“-Ce”“-La”“-Nd”或“-Y”，以指示其中含量占主导的稀土元素。此外，该矿物中还含有少量其他重稀土元素，同时存在含羟基的变种矿物——羟基氟碳铈矿-(Ce)和羟基氟碳铈矿-(Nd)。
由于不含铀（U）和钍（Th），氟碳铈矿已取代独居石，成为提取轻稀土元素的主要矿石矿物。氟离子和碳酸根离子发生置换时，可能形成相关的派生矿物。尽管氟碳铈矿分布广泛，但从未以大规模聚集的形式出现。它多见于多种火成岩中，如碳酸岩、脉状矿床、接触变质岩及伟晶岩。大型氟碳铈矿矿床通常与碳酸岩侵入体相关，而碳酸岩常与碱性侵入岩伴生。
图4 氟碳铈矿
磷钇矿
磷钇矿（图5）由贝采利乌斯首次描述，其样本来源于挪威的希德拉岛。该矿物名称源自希腊语“xenos”（意为外来的）和“time”（意为荣誉）。磷钇矿的通用化学式为YPO₄。
与独居石、氟碳铈矿不同，磷钇矿除含钇（Y）外，通常还含有大量重稀土元素（HREEs：钇Y、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu）。其稀土氧化物（REO）含量最高可达67%，且以重稀土氧化物为主。其中最常见的重稀土元素为镝、镱、铒和钆，同时还含有少量铽、钬、铥和镥。
磷钇矿是提取重稀土元素的主要来源，但与独居石类似，它也含有钍（Th）或铀（U）——这两种元素究竟是可回收的副产品，还是需处理的杂质，取决于矿床位置及矿物中这两种元素的含量。
磷钇矿是伟晶岩及其他非基性火成岩中的副矿物，同时也常见于变质岩中。与独居石特性十分相似，磷钇矿同样具有较高比重，介于4.4至5.1之间，平均值为4.75，因此也会富集于砂矿床和重矿物砂中。不过，此类磷钇矿矿床分布并不广泛。在锕系元素富集特性上，独居石倾向于富集钍，而磷钇矿则倾向于富集铀，但也能吸附大量钍。
图5 磷钇矿
异性石
异性石（见图6）由克拉普罗特于1810年首次描述。它是一种环状硅酸盐矿物，通用化学式为 Na₄(Ca, Ce)₂(Fe²⁺, Mn²⁺) ZrSi₈O₂₂(OH, Cl)₂。其名称源自希腊语，意为“易分解的”，这指的是它易溶于酸的特性。火成岩中的异性石产于不饱和碱性侵入岩及其伴生伟晶岩中。
图6 异性石（呈淡红色物质）
4、次要矿石矿物
其他稀土矿物种类繁多，但通常对稀土工业提取而言无重要意义。表1列出了迄今为止已知的其他含稀土矿物。与主要稀土矿物类似，许多次要稀土矿物也存在多种类似矿物——这是因为多种稀土元素可相互置换。对于这类矿物，人们会在其名称后添加后缀，以标识其中含量占主导的稀土元素，而每一种带后缀的矿物都是独立的矿物种类。例如，易解石就有明确分类：铈易解石、钕易解石和钇易解石。
表1 次要稀土矿物
矿物名称 | 化学式 |
易解石（Aeschynite） | (Ce, Ca, Fe)(Ti, Nb)2(O, OH)6) |
三斜闪石（Aenigmatite） | (Na,Ca)4(Fe,Ti,Mg)12Si12O40 |
褐帘石（斜帘石）（Allanite (Orthite)） | (Ca, Ce)(Al, Fe2+)(Si2O7)(SiO4)O(OH) |
钙铈锶矿（Ancylite） | SrCe(CO3)2(OH)·(H2O) |
磷灰石（Apatite） | Ca5(PO4)3F |
钛铀矿（Brannerite） | (U, Ca, Ce)(Ti, Fe)2O6 |
铈硅磷灰石（Britholite） | Ca2(Ce, Ca)3(SiO4,PO4)3(OH, F) |
铈硅石（Cerite） | (Ce,La,Ca)9(Mg,Fe)(SiO4)3(HSiO4)4(OH)3 |
方铈石（Cerianite） | (Ce, Th)O |
铈钍磷灰石（Cheralite） | (Ca, Ce)(Th, Ce)(PO4) |
水磷钇矿（Churchite） | YPO4∙2(H2O) |
黑稀金矿（Euxenite） | (Y, Ce, Ca)(Nb, Ta, Ti)2O6 |
褐钇铌矿（Fergusonite） | Y(Nb, Ti)O4 |
氟碳铈铝石（Florencite） | (Ce, La)Al3(PO4)2(OH)6 |
硅铍钇矿（Gadolinite） | Y2Fe2+Be2Si2O10 |
黄河矿（Huanghoite） | BaCe(CO3)2F |
羟氟碳铈矿（Hydroxylbastnaesite） | (Ce, La, Nd)CO3(F, OH) |
硅碳铈钇矿（Kainosite） | Ce2(Y, Ce)2(Si4O12)(CO3)·H2O |
铈铌钙钛矿（Loparite） | (Na, Ce, Ca, Sr, Th)(Ti, Nb, Fe)O3 |
硅钛铈钠石（Mosandrite） | Na(Na,Ca)2(Ca,Ce,Y)4(Ti,Nb,Zr)(Si2O7)2(O, F)2F3 |
碳铈钙矿（Parisite） | Ca(Ce, La)2(CO3)3F2 |
硅钛铈钙石（Rinkite） | (Na, Ca)3(Ca, Ce)4Ti(Si2O7)2OF3 |
钐钇矿（Samarskite） | (Y, Fe3+, U) (Nb, Ta)5O4 |
碳铈钙矿（Synchisite） | Ca(Ce, Nd, Y)CO3F |
磷硅铈钠石（Steenstrupine） | Na14Ce6Mn2+Mn3+Fe22+(Zr,Th)(Si6O18)2(PO4)7⋅3(H2O) |
水碳钇矿（Tengerite） | Y2(CO3)3⋅2−3(H2O) |
硅钇矿（Thalenite） | Y3Si3O10(OH) |
钇钽矿（Yttrotantalite） | (Y,U,Fe)(Ta,Nb)O4 |
锆石（Zircon） | ZrSiO4 |
5、含稀土元素岩石
含稀土元素的主要岩石类型以火成岩为主，部分变质岩和沉积岩也有富集，核心类型及特征如下：
一、核心火成岩类型（稀土富集主力）
1、火成碳酸岩：与碱超基性杂岩体伴生，是轻稀土最主要的赋矿岩石。代表性矿物有独居石、氟碳铈矿，我国白云鄂博超大型稀土矿即与此类岩石相关，稀土总量常达数百至数千ppm。
2、碱性岩：包括霞石正长岩、霓石正长岩、碱性花岗岩等，富集轻稀土和高场强元素。常形成综合性矿床，如辽宁赛马岩体，矿物以绿层硅铈钛矿、异性石为主。
3、煌斑岩：浅成侵入岩（多呈岩墙产出），源区来自交代岩石圈地幔，部分富碳酸盐的煌斑岩稀土含量显著，内蒙古乌海地区已发现此类富稀土岩墙。
二、次要岩石类型（局部富集或含量较低）
1、花岗片麻岩（变质岩）：元古代变质岩中常见，稀土矿物为独居石、褐帘石，内蒙古巴彦淖尔地区此类岩石中高价值镨、钕占比可达18%-25%。
2、玄武岩（基性火成岩）：分布广泛，稀土含量整体较低，其中碱性玄武岩轻稀土相对富集，配分特征与岩石成因（大洋/大陆）密切相关。
3、沉积岩：少数沉积岩如磷块岩、粘土岩会通过沉积作用吸附稀土元素，但工业价值远低于上述火成岩类型。
6、稀土矿床
稀土矿床大致可分为两类：由热液作用和岩浆作用形成的原生矿床，以及由风化作用和沉积作用形成的次生矿床。前人根据矿床的矿物组合及形成的地质过程进行分类，具体类别包括：1、碳酸岩相关矿床；2、碱性火成岩相关矿床；3、岩浆热液矿床；4、风化残积矿床；5、砂矿矿床；6、海洋沉积矿床；7、煤中稀土矿床。
目前已在超过34个国家发现稀土矿床，按稀土氧化物（REO）含量计算，全球稀土储量估计约为1.3亿吨。储量排名靠前的国家包括中国（约33.8%）、越南（约16.9%）、巴西（约16.2%）、俄罗斯（约16.2%）、印度（约5.3%）、澳大利亚（约3.2%）和美国（约1.8%）。
自20世纪90年代末以来，中国在稀土市场占据主导地位，无论是原矿还是加工/提纯产品的供应，2000年代至2010年代初中国稀土产量均占全球的90%以上。但近年来，受国际稀土市场调整影响，中国以外地区的稀土氧化物产量有所增加。中国的稀土产量占比已降至全球的55%-70%，而美国、越南和泰国的产量则逐年上升。
图7 全球已知稀土元素矿山及矿床（2024）
7、我国主要的稀土矿床
白云鄂博稀土矿
白云鄂博铁-稀土-铌矿床位于内蒙古自治区包头市西北部，赋存于白云鄂博群中。该群由9个古元古代-中元古代沉积岩组组成，自下而上依次命名为H1至H9，但H8岩性的划分存在争议。这些岩组主要由板岩和变砂岩组成，而H8岩组则以白云质大理岩为主，兼具细粒和粗粒结构。H8岩组呈东西向延伸的纺锤状层状体，长度超过18千米，宽度超过1千米，是大多数矿石的主要赋矿围岩。矿床内广泛分布着不同类型的碳酸岩脉。
由于成矿过程复杂（主要归因于矿化晚期及变质作用期间广泛而强烈的热液蚀变与改造），该矿床的成因一直存在争议。图8a-d展示了该矿床成因的一种可能模型：碳酸岩演化经历了三个不同阶段——以镁铁碳酸岩（原生赋矿白云岩）为特征的岩浆阶段、由钙碳酸岩流体驱动的碳热阶段，以及伴有大量萤石沉积和碱性蚀变的热液阶段。此后，强烈的地质构造运动导致局部改造及稀土-铌富集。
复杂的多阶段稀土矿化主要源于钙碳酸岩流体与稍早侵入的镁铁碳酸岩发生的交代作用。此外，需注意的是，尽管镁铁碳酸岩岩浆中稀土元素已富集，但赋矿白云岩（即开采矿体）中最终稀土元素的大量富集，主要来自与钙碳酸岩相关的岩浆期后流体。
白云鄂博矿床中的主要含稀土矿物包括氟碳铈矿-（Ce）和独居石-（Ce），此外还有黄河矿、铈易解石、褐钕矿、铌铁矿等多种稀土和铌矿物。该矿床稀土储量约8亿吨，稀土氧化物平均品位为6%；铌储量估计为220万吨，Nb₂O₅平均品位为0.13%；铁矿总储量至少15亿吨，平均品位为35%。矿床中轻稀土含量极高，占稀土总量的97%。
图8 左侧：白云鄂博稀土矿床形成模型（(a) 原生赋矿白云岩形成、(b) 碳热阶段、(c) 热液阶段、(d) 地质构造运动）；右侧：牦牛坪稀土矿床成矿流体演化与矿化过程（2024）
牦牛坪稀土矿
该矿床位于扬子板块西部与青藏高原东部交界处，受攀西裂谷控制。赋矿围岩由泥盆纪-二叠纪泥质碎屑岩、石灰岩和第三纪崩积物组成；区内火成岩包括燕山期花岗岩、碱性正长岩-碳酸岩杂岩和中生代流纹岩，在矿床范围内广泛分布。
稀土矿化赋存于脉状体系中，主要包括重晶石-方解石伟晶岩脉，以及牦牛坪北东向正长岩-碳酸岩杂岩中的线性脉体。该杂岩体长约1400米，宽260-350米。通过流体包裹体研究（图8e）对矿床成因进行了探讨，结果表明成矿流体源自碳酸岩-正长岩杂岩：热液第一阶段发生霓长岩化，第二阶段出现不混溶流体，最后阶段发生稀土矿化。
然而，近期一项研究提出，浅部持续的幔源岩浆底侵作用，结合稳定的区域热异常，为稀土矿化的形成提供了有利条件。该矿床的主要含稀土矿物为氟碳铈矿-（Ce），伴有少量碳钙铈矿-（Ce）和独居石-（Ce），稀土储量以轻稀土富集为特征。此外，矿床还伴生有378万吨重晶石、33万吨铅、240万吨萤石和174吨银储量。
离子吸附型矿床
中国南方存在另一类典型稀土矿床——风化壳淋积型矿床，又称“离子吸附型矿床”。这类矿床通常富含高价值轻稀土，少数则富含重稀土。离子吸附型矿床的成分差异主要受母岩化学组成多样性的影响。
此类矿床形成于相对稳定的构造地质环境（低隆升、低侵蚀速率），主要分布在中国南方部分地区。离子吸附型稀土矿床的形成过程为：在温暖高湿的地表环境中，母岩（尤其是花岗岩、片麻岩和花岗斑岩）经风化淋滤作用，溶解的稀土离子在迁移过程中被黏土矿物吸附。此外，微生物在风化过程中对稀土元素的迁移和分馏也具有积极作用。
风化带富含稀土元素，厚度通常为3-10米。根据矿物学特征，可将其分为四层：表层土壤层（0-2米）；全风化层（5-10米），为主要稀土矿体，稀土浓度一般为 0.03%-0.15%；半风化母岩层（3-5米）；母岩层或弱风化层（典型剖面见图9）。
这类矿床的优势在于，通过离子交换可轻松从黏土中提取吸附态稀土元素。因此，尽管此类矿床规模相对较小、稀土浓度较低，但从中提取稀土仍具有经济可行性。数据显示，离子吸附型黏土矿床仅占中国稀土总储量的2.9%，但1988-2008年贡献了中国稀土总产量的26%，2009年以来这一占比高达35%。
图9 中国滇西地区离子吸附型黏土矿床典型模型（2024）
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