鈰鉭易解石：含稀土、稀有元素的新礦物

（本文發(fā)表于2024年第2期）

作者簡介諸澤穎，博士，現(xiàn)為中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所博士后，長期從事稀有金屬成因礦物學(xué)研究。攻讀博士期間獲得南京大學(xué)和法國洛林大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，并獲得中-法雙博士學(xué)位。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“江西東北部靈山地區(qū)稀有金屬成礦研究”，等等。

稀土元素包括鑭系元素和鈧、釔共計(jì)17種，稀有元素包括鋰、銣、銫、鈹、鋯、鉿、鈮、鉭8種元素。稀土和稀有金屬是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)或關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的重要組成部分，也是近幾年來國際上對(duì)礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略角逐的新焦點(diǎn)。我國是稀土資源大國，但稀有金屬，特別是鈮和鉭，則長期依賴進(jìn)口，是我國被“卡脖子”的關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)。因此，查明稀有金屬賦存狀態(tài)并提高資源利用效率迫在眉睫。

2024年2月5日，由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所礦物微區(qū)物質(zhì)組分與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室在江西黃山偉晶巖中發(fā)現(xiàn)并申報(bào)的新礦物——鈰鉭易解石，經(jīng)歷嚴(yán)格的審查與投票后，獲得國際礦物學(xué)協(xié)會(huì)（IMA）新礦物命名及分類委員會(huì)（CNMNC）高票批準(zhǔn)，批準(zhǔn)號(hào)IMA2023-058，英文名為Tantalaeschynite-（Ce），礦物縮寫為Taes-Ce。鈰鉭易解石樣品現(xiàn)保存于中國地質(zhì)博物館，編號(hào)為M16122。

鈰鉭易解石不僅是新礦物，而且還是一個(gè)“寶藏”，因?yàn)樗粌H富含稀土和稀有元素，還能告訴我們一些地球的秘密。它的發(fā)現(xiàn)，將為我國開展的新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)提供新的線索，幫助我們更快更好地找到新的礦藏，而且它還有望為能源資源帶來新的可能性，可謂是地球的“財(cái)富密碼”。

石之初遇

鈰鉭易解石的發(fā)現(xiàn)可以說是地質(zhì)界的一次“奇遇”。它的故事始于江西葛源鎢錫鈮鉭多金屬礦區(qū)，這個(gè)地方可謂是礦藏的寶庫 。相關(guān)地質(zhì)報(bào)告顯示，黃山鈮鉭礦床出露中粗粒花崗巖、細(xì)粒鈉長石花崗巖及偉晶巖脈。偉晶巖型鈮礦又可分為富鈮偉晶巖礦體和富鉭偉晶巖礦體。富鈮偉晶巖礦體呈大脈狀，充填于近接觸帶的圍巖中，富鉭偉晶巖礦體則為不規(guī)則狀，充填于遠(yuǎn)接觸帶的圍巖中。鈮鉭礦物主要以鈮鐵礦為主，主要賦存于富鈮偉晶巖中，在富鉭偉晶巖中較少見。

自2012年起，筆者所在團(tuán)隊(duì)開始對(duì)江西葛源鎢錫鈮鉭多金屬礦區(qū)開展系統(tǒng)研究工作，多次深入黃山鈮鉭礦床進(jìn)行野外考察，終于發(fā)現(xiàn)了大量偉晶巖脈。這些巖脈或穿插在粗粒花崗巖中、或侵入圍巖中，寬可達(dá)1~2米。由于這些偉晶巖脈含有大量天河石（一種富銣的鉀長石），因此，巖脈呈現(xiàn)一種淺藍(lán)綠色的迷人外觀。經(jīng)過精細(xì)的礦物學(xué)研究后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些巖脈中鈮鉭礦物的氧化鈮含量可達(dá)75.73%，但鉭含量極低，均為富鈮貧鉭的鈮鐵礦。也就是說，前期大量野外采樣工作只采到富鈮偉晶巖，未見富鉭偉晶巖。但根據(jù)推測，富鉭偉晶巖中的富鉭礦物可能分布于偉晶巖邊部，也就是細(xì)晶巖的位置。因此，在2021年，筆者所在團(tuán)隊(duì)再次踏上赴江西葛源的征程，對(duì)一個(gè)廢棄坑道內(nèi)的偉晶巖接觸帶進(jìn)行采樣工作，以期找到富鉭偉晶巖。

在這次采樣中，筆者所在團(tuán)隊(duì)終于幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)了富鉭偉晶巖，并且發(fā)現(xiàn)富鉭金紅石、富鉭榍石等富鉭礦物。其中一個(gè)礦物晶體呈束狀產(chǎn)出，其化學(xué)成分極度富鉭，氧化鉭含量可達(dá)41.68%。根據(jù)礦物形態(tài)及富鈰、鉭、鈦的化學(xué)特征，團(tuán)隊(duì)推測其可能為易解石的富鉭端元。更令人驚喜的是，在查閱大量資料后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該礦物目前還未被國際礦物學(xué)協(xié)會(huì)認(rèn)定，屬于一種新礦物。隨后，筆者開始著手準(zhǔn)備相關(guān)申報(bào)材料。得益于之前扎實(shí)的礦物學(xué)研究基礎(chǔ)，申請(qǐng)書的撰寫十分順暢，但在晶體結(jié)構(gòu)解析過程中犯了難。通常情況下，晶體結(jié)構(gòu)解析采用的是單晶衍射方法。然而，該礦物晶體呈束狀集合體產(chǎn)出，很難將單個(gè)晶體進(jìn)行成功剝離，甚至在進(jìn)行聚焦離子束（FIB）切割后，仍然以集合體聚集的形式出現(xiàn)，因此難以利用單晶衍射來擬合結(jié)構(gòu)。經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國外材料學(xué)方向研究者已經(jīng)合成了Ce（TiNb）O6成分材料并進(jìn)行精細(xì)的結(jié)構(gòu)解析。經(jīng)過縝密研討，團(tuán)隊(duì)最終決定采用透射電鏡來計(jì)算新礦物的晶體結(jié)構(gòu)，并在原子尺度上分析原子的堆垛排列方式，與已有的合成材料Ce（TiNb）O6的結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，兩者結(jié)構(gòu)擬合匹配非常好。這次，礦物學(xué)與材料學(xué)兩大學(xué)科的緊密結(jié)合發(fā)揮了作用，促進(jìn)了跨學(xué)科的交流和應(yīng)用。隨后，新礦物的申報(bào)書多次獲得IMA-CNMNC主席的幫助，并提出相應(yīng)修改意見，于2024年2月憑借新礦物命名及分類委員會(huì)超2/3贊成票高票通過。自此，鈰鉭易解石新礦物被正式批準(zhǔn)，并根據(jù)其化學(xué)成分命名。

> 鈰鉭易解石晶體結(jié)構(gòu)

石之特性

鈰鉭易解石在顯微鏡下為針狀、束狀或短柱狀產(chǎn)出，呈棕黑色或黑色，與長石、細(xì)晶石、螢石等礦物共生。化學(xué)成分中極度貧鈮富鉭，計(jì)算獲得理想化學(xué)式為Ce（TiTa）O6。鈰鉭易解石屬于斜方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)由鈰氧多面體和鈦/鉭氧八面體組成，屬于易解石族礦物結(jié)構(gòu)。

由于鈰鉭易解石單礦物顆粒相對(duì)較小，其硬度、條痕及反射率等物理化學(xué)參數(shù)和性質(zhì)，還需要通過后期的礦物學(xué)研究工作進(jìn)行補(bǔ)充。但可以肯定的是，鈰鉭易解石是目前自然界發(fā)現(xiàn)的少數(shù)同時(shí)富稀土和富稀有金屬鉭的礦物之一，它的發(fā)現(xiàn)具有極大的地質(zhì)意義和經(jīng)濟(jì)意義，開啟了對(duì)于這類礦物研究的新篇章。

> 鈰鉭易解石礦物共生組合

石之家族

易解石族礦物的通用分子式為AB2O6，其中A位置可由三價(jià)的稀土元素、釔，以及二價(jià)的鈣或四價(jià)的釷和鈾占據(jù)，B位置被鈦、鈮、鉭等元素占據(jù)。目前被IMA-CNMNC所認(rèn)定的易解石族礦物共有9種，包括鈰易解石（Aeschynite-Ce）、釹易解石（Aeschynite-Nd）、釔易解石（Aeschynite-Y）、鈰鈮易解石（Nioboaeschynite-Ce）、釔鈮易解石（Nioboaeschynite-Y）、釔鉭易解石（Tantalaeschynite-Y）、鈰鉭易解石（Tantalaeschynite-Ce）、維鈮鈣礦（Vigezzite）、鉭鈣礦（Rynersonite）。易解石族礦物出現(xiàn)于花崗偉晶巖、堿性巖及碳酸巖中，化學(xué)成分以富鈮富鈦端元的易解石和鈮易解石為主，在自然界中富鉭端元較少。

易解石和鈮易解石在我國最早是由著名礦物學(xué)家張培善先生于1957年發(fā)現(xiàn)于白云鄂博礦床，自此白云鄂博超大型共伴生型鈮礦被世人所熟知，也從此拉開了白云鄂博鈮礦綜合開發(fā)利用和科學(xué)研究的序幕。易解石族礦物本身含有較高含量的稀有金屬元素鈮，且顆粒較大，解離度較高，具有易采易選的優(yōu)勢，因此成為白云鄂博理想的選礦目標(biāo)。此外，在我國湖北竹溪縣粗面質(zhì)巖和陜西朱家院堿性巖中也有報(bào)道，這些代表了富鈮富稀土的成礦環(huán)境，具有較大的成礦潛力。

> 易解石族礦物

石之意義

關(guān)鍵金屬在新興產(chǎn)業(yè)中扮演著重要角色，而鉭金屬和鈰金屬就是其中一份子。鉭金屬硬度高，具有一定延展性，無需退火就可軋制成很薄的鉭箔，厚度甚至可以小于0.01 毫米；鉭的熔點(diǎn)高達(dá)2996 ℃，僅次于鎢和錸，沸點(diǎn)可達(dá)5425 ℃，密度為16.68 克/立方厘米，莫氏硬度為6.5；鉭還具有耐腐蝕性，而且金屬鉭在常溫下穩(wěn)定性極高，只有加熱到500 ℃以上才會(huì)氧化形成氧化鉭。因此，鉭被廣泛應(yīng)用于電容器，全球約有34%的鉭應(yīng)用于鉭電容器。鉭還因其具有眾多優(yōu)異性能而在通信、計(jì)算機(jī)及航空航天等軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如，鉭酸鋰應(yīng)用于音箱、電視及手機(jī)聲波過濾器，而鉭錠則應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等高溫合金和導(dǎo)彈穿甲彈頭，等等。鈰則是重要的輕稀土元素，在工業(yè)上主要用作還原劑、催化劑。含鈰的合金具有耐高熱等性能，用于制造噴漆推進(jìn)器等零件。鈰也可用來生產(chǎn)鈰鹽，用于醫(yī)藥、制革、玻璃、紡織、冶金等工業(yè)，是工業(yè)上不可缺少的元素。

稀土、稀有元素作為重要的戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬元素，具有“稀”“伴”和“細(xì)”的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)制約著稀土、稀有金屬綜合高效利用。鉭在地殼中的含量為百萬分之二，常與鈮共伴生，兩者是重要的化學(xué)元素對(duì)。截至2022年末，全球已探明的鉭資源只有約14萬噸，主要分布在剛果（金）、澳大利亞和巴西等地，已探明可采儲(chǔ)量之和占全球總量的99%以上。我國鉭礦床分布于江西、內(nèi)蒙古和廣東三省（自治區(qū)），由于礦床總體規(guī)模小、礦石品位低、嵌布粒度低等問題，導(dǎo)致回收率較低。我國鉭的對(duì)外依存度超過80%，仍然長期依賴進(jìn)口，高對(duì)外依存度下單一集中來源供給對(duì)我國資源戰(zhàn)略安全存在較大威脅。稀土在我國是絕對(duì)優(yōu)勢金屬礦產(chǎn)品種，但大量過度開采使得我國稀土資源的優(yōu)勢被逐年削弱，稀土資源安全局勢十分危急。這就要求我們進(jìn)一步加強(qiáng)鈮鉭和稀土礦床的勘查及投入，摸清鉭、稀土資源家底，為我國稀有金屬、稀土元素綜合利用提供有利支撐。

摸清資源家底離不開對(duì)其賦存狀態(tài)和基礎(chǔ)礦物學(xué)的了解，從而推進(jìn)了成因礦物學(xué)與找礦礦物學(xué)的研究。雖然自然界中存在大量含稀土的礦物，但能夠同時(shí)富含稀土和稀有金屬元素的礦物依然非常少見，因此鈰鉭易解石的發(fā)現(xiàn)具有重要的地質(zhì)意義和找礦意義。富鉭礦物常出現(xiàn)于高演化的偉晶巖中，而江西黃山花崗巖的鈰鉭易解石出現(xiàn)于偉晶巖邊緣相細(xì)晶巖中，這表明在偉晶巖邊界層中稀有金屬鉭元素極度富集。根據(jù)偉晶巖邊界層理論，對(duì)于稀有金屬元素的找礦方向可進(jìn)一步聚焦在偉晶巖邊緣相的邊界層中。鈰鉭易解石的發(fā)現(xiàn)恰好說明特定的成礦環(huán)境能夠形成新的礦物，其成因理論給我們今后尋找類似礦物帶來一定啟示，應(yīng)更多關(guān)注偉晶巖的精細(xì)礦物學(xué)研究。通過礦物學(xué)的精細(xì)研究，以及成因礦物學(xué)理論的進(jìn)一步深化，礦物學(xué)工作在新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)中將發(fā)揮舉足輕重的作用。

作者： 諸澤穎

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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