鉻：從地球深處到現代工業的奇妙旅程

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（本文發表于2024年第4期）

> 鉻鐵合金

第一作者簡介蔡鵬捷，博士，主要從事鉻鐵礦成因研究。

通信作者簡介連東洋，副教授，主要從事地幔巖與鉻鐵礦研究。

鉻（chromium），元素符號Cr，原子序數為24，是一種在元素周期表中位于第Ⅵ B族的過渡金屬。鉻的名稱來源于希臘文“chroma”，意為“顏色”，因為鉻的化合物大多具有鮮明的顏色。鉻在地殼中的含量雖然不高，僅為0.01%，但它對人類的生產生活有著不可估量的價值。鉻是一種銀白色帶有光澤的金屬，純鉻具有良好的延展性，而含有雜質的鉻則變得硬而脆。鉻的密度約為7.15克/立方厘米，熔點高達1907℃，沸點為2679℃。鉻不溶于水，但可以溶于強堿溶液。在空氣中，鉻的表面會迅速形成一層致密氧化鉻薄膜，這層薄膜能有效阻止其進一步氧化和腐蝕。鉻與濃硫酸反應會生成二氧化硫和硫酸鉻，但與濃硝酸反應時，由于其表面生成的致密氧化物薄膜，鉻會呈現鈍化狀態，不會被溶解。鉻的價態多樣，常見的有+6、+3和+2價。其中，+6價的鉻化合物如重鉻酸鈉（Na2Cr2O7）具有強氧化性，而+3價的鉻在酸性溶液中最穩定。鉻與氧形成的氧化物中，三價鉻的氧化物Cr2O3和六價鉻的氧化物CrO3最為常見。

鉻的發現是一段迷人的旅程，從豐富多彩的礦物開始，到化學上的突破，它見證了人類對自然界奧秘的探索與理解不斷深化的過程。科學家們通過不懈努力，從無數礦石中識別出這一獨特的金屬元素，隨后在實驗室中通過一系列精巧實驗揭示了鉻的獨特化學性質與廣泛應用，為材料科學、冶金學乃至現代工業的發展鋪設了基石。早在鉻被確認為一種元素之前，人們就欣賞并使用含鉻的礦物，因為它們具有引人注目的顏色。我國古代西夏時期的工匠就使用含鉻的紅色礦物用于制作釉下彩。這種顏色鮮紅的礦物，暗示著里面有什么特別的物質。直到18世紀末的法國，一位名叫路易斯—尼古拉斯·瓦奎林（Louis-Nicolas Vauquelin）的化學家才揭開這些彩色礦物的秘密。1797年，瓦奎林在俄羅斯烏拉爾山脈發現了一條鉻鉛礦的礦脈，被它強烈的顏色吸引，他決定進一步調查。瓦奎林對鉻鉛礦進行了一系列實驗。用鹽酸處理后，他得到了一種黃色溶液和一種紅色沉淀物，這讓他更加堅定自己發現了新的物質。通過堅持不懈和反復實驗，瓦奎林在1798年成功地用碳還原氧化鉻，分離出一種新元素。發現這種新元素后，瓦奎林將其命名為“鉻”。由于其獨特的性質，鉻的應用價值被迅速開發。起初，它被用來制造充滿活力的顏料和染料，徹底改變了藝術界。后來，鉻進入皮革工業，成為制革必不可少的原料。特別是鉻作為制造不銹鋼的關鍵成分，改變了現代工業和人們的日常生活。鉻的發現打開了一個色彩和創新的世界，展示了一個化學家的好奇心如何導致科學技術的重大進步。

鉻鐵礦雙生花：

“層狀”與“豆莢狀”

鉻元素在地殼中的含量約為0.01%。值得注意的是，自然界中并不存在游離狀態的鉻，而鉻鐵礦則是含鉻的主要礦石類型。根據鉻鐵礦的產出形態，主要分為“層狀鉻鐵礦”和“豆莢狀鉻鐵礦”。

層狀鉻鐵礦，就像是 “千層蛋糕”一樣，巖石和礦石互相堆疊起來，主要產出于大陸克拉通中的層狀鎂鐵質和超鎂鐵質雜巖體中，其分布范圍廣泛，主要包括南非、津巴布韋、芬蘭和美國等地。其礦石類型主要以塊狀（鉻尖晶石含量超過90%）和浸染狀（鉻尖晶石含量超過60%）為主。具有經濟價值的層狀鉻鐵礦的形成時代主要可以分為三個階段：約27億年前形成的，如美國的斯蒂爾沃特雜巖體和加拿大的鳥河席狀巖體；約25億年前形成的，如津巴布韋的大巖墻、芬蘭的凱米侵入體和俄羅斯的普拉科夫斯特侵入體；約20億年前形成的，如南非的布什維爾德雜巖體和巴西的巖床。層狀鉻鐵礦的巖體規模通常非常巨大，例如，南非的布什維爾德，作為全球最大的層狀侵入巖體，其出露面積約65000平方千米，占據了全球鉻鐵礦產量的45%和儲量的40%。總體而言，層狀鉻鐵礦的資源量非常豐富，約占全球鉻鐵礦總資源量的75%。

> 典型層狀鉻鐵礦

豆莢狀鉻鐵礦則是以不規則形態（如豆莢狀、透鏡狀、板狀等）產于蛇綠巖地幔和殼幔過渡帶中的鉻鐵礦類型。其分布也相對廣泛，主要分布在土耳其、哈薩克斯坦、菲律賓、阿爾巴尼亞、阿曼和俄羅斯等國家。豆莢狀鉻鐵礦在全球鉻鐵礦總產量中的占比約為25%。與層狀鉻鐵礦相比，豆莢狀鉻鐵礦體的規模通常較小，大型礦體的延伸往往僅數百米。這類鉻鐵礦的圍巖多為純橄巖，部分可與二輝/方輝橄欖巖直接接觸，其礦石結構相比層狀鉻鐵礦則顯得更為豐富多樣。

> 豆莢狀鉻鐵礦中豐富多變的礦石類型

地球深部的秘密：

鉻鐵礦裹挾的信息

鉻鐵礦的成因模式一直是科學家們深入探索的課題，它與地球的動力學背景及物質循環緊密相連。對于層狀鉻鐵礦的成因，科學界已達成共識，認為其與巖漿作用密切相關。這一認知主要基于層狀鉻鐵礦的產出特征及相關巖石組合的研究，明確了巖漿混合作用、分離結晶過程及同化混染作用在成礦過程中的重要作用。

然而，豆莢狀鉻鐵礦的成因模式則顯得更為復雜多變，這反映了科學是一個不斷發展、不斷觀察、再認識、再突破的過程。很久以前，科學家們就開始研究這些豆莢狀鉻鐵礦是怎么形成的。他們認為，豆莢狀鉻鐵礦的形成與基性—超基性巖漿在位于地幔或殼幔過渡帶中的巖漿通道或巖漿房中的分離結晶作用有關，與層狀鉻鐵礦的成因有相似之處。而這個過程并不是那么簡單。科學家們還提出了一個叫作“部分熔融殘余”的理論，即地幔巖石在高溫高壓下部分熔融，形成了鉻鐵礦。豆莢狀鉻鐵礦還有個特別之處，就是它們外部經常披著的“純橄巖薄殼”外衣。科學家們認為，這是巖石和熔體之間“親密互動”的證據，也就是“巖石—熔體反應”的結果。最令人興奮的是，科學家們在豆莢狀鉻鐵礦中竟然發現了原位的金剛石。楊經綏院士領導的研究團隊在全球十多個國家的造山帶蛇綠巖地幔橄欖巖和鉻鐵礦中，都找到了金剛石的蹤跡。這些金剛石告訴我們，這些鉻鐵礦可能來自地球非常深的地方，那里的壓力之大和溫度之高都是我們無法想象的，瞬間打開了通往地球深部秘密世界的大門。

> a. 全球構造背景下鉻鐵礦的深部成因模式；

b,c. 豆莢狀鉻鐵礦內金剛石

鉻的跨界之旅：

從礦石到現代工業的奇妙應用

鉻是一種多功能元素，憑借其獨特的物化性質，在眾多行業中展現出了廣泛的應用價值。

在冶金工業中，鉻是制造不銹鋼的關鍵元素之一。不銹鋼之所以具備出色的耐腐蝕性能，主要歸功于鉻在其中形成的致密氧化鉻膜。此外，鉻還廣泛應用于各種金屬合金中，以提高材料的硬度、強度和耐磨損、耐腐蝕性能。例如，鎳鉻合金常用于加熱元件，而特定的高溫合金則用于噴氣發動機和燃氣輪機中。在電鍍領域，鉻電鍍層因其優異的耐腐蝕性和美觀性，廣泛應用于汽車、家電、電子等行業。鉻鍍層不僅能有效提升金屬制品的防腐性能，還能為其賦予獨特的光澤。鉻及其化合物還在耐火材料中發揮著重要作用，這些材料能夠承受極高的溫度，對于窯爐和其他高溫工業設備的襯里至關重要。在化工與催化劑方面，鉻及其化合物作為催化劑在化學工業中得到廣泛應用，能夠加速多種化學反應的進行。例如，鉻可用于制造合成氨的催化劑，而氧化鉻（Cr2O3）則用于有機合成和合成橡膠的生產中。鉻化合物以其鮮艷的顏色而著稱，能夠調制出色彩鮮明的紅、黃、橙、綠等色調，是非常穩定的顏料成分。由鉻鐵礦加工制成的鉻鹽，在顏料、染料、陶瓷等領域有著廣泛的應用。例如，氧化鉻是一種綠色顏料，常用于油漆、油墨和陶瓷中；而鉻酸鉛（PbCrO4）則能生產亮黃色顏料，常用于校車、道路標志的涂裝。在醫療領域，鉻也有著重要的應用。它可用于制造人工心臟瓣膜、人工關節等人工器官。此外，鉻還是人體必需的微量元素之一，其參與胰島素的活動并在葡萄糖代謝中發揮作用。因此，鉻也用于治療糖尿病等疾病，吡啶甲酸鉻是一種常見的膳食補充劑。在半導體制造過程中，鉻被用作掩膜版的關鍵材料。由于其在紫外光下表現出的高光學密度，鉻能夠有效阻擋光線，確保光刻過程的精確性。在航空航天領域，鉻被用作保護涂層，以提高部件的耐用性并減少維護需求。這些應用進一步展示了鉻在多個行業中的廣泛價值和重要性。

> 鉻在各個行業的用途

全球鉻鐵礦資源版圖：

現狀與未來的雙重奏

全球鉻鐵礦的資源分布呈現出極不均衡的特點，主要的鉻鐵礦開采國有芬蘭、印度、哈薩克斯坦、南非和土耳其等國家。相比之下，我國的鉻鐵礦資源則顯得相對匱乏。根據中國礦產資源報告2014—2023年的數據，2019年我國鉻鐵礦的資源保有量還有1210.8萬噸，但到了2022年，資源保有量已經銳減至279.47萬噸。這一減少趨勢反映了我國鉻鐵礦資源的緊缺狀況。

根據2023年中國海關總署的最新數據，中國進口了1833.26萬噸鉻鐵礦，與2022年同期的1500.74萬噸相比，同比增長22.16%。近十年來，我國的鉻鐵礦進口量一直保持著高速增長的態勢，而對外依存度更是高達99%以上，凸顯了我國在鉻鐵礦資源方面嚴重依賴進口的現狀。

> 2014-2023年世界主要開采鉻鐵礦國家的鉻鐵礦儲量與產量

（數據來源：USGS美國地質調查局報告）

當前，我國高碳鉻鐵的產量已穩居世界第一，2023年年產量達到了驚人的792萬噸（數據來源：Mysteel年報），這一數字約占全球總產量的半壁江山。展望2024年，全球鉻鐵礦的供應預期總產量將達到4240萬噸，與上一年相比有1.9%的增幅（數據來源：Mysteel年報）。由于我國是不銹鋼消費市場的最大占比國，2023年的不銹鋼表觀消費量達到了約3108.22萬噸，比上年增加了296.97萬噸，增幅為10.56%（數據來源：中國特鋼企業協會不銹鋼分會網站統計數據）。隨著經濟的穩步恢復，未來鉻鐵礦的需求仍將保持不斷增長的趨勢，對外依存度也將持續上升。然而，國內鉻鐵礦儲量已經接近枯竭，這使得我國的資源安全保障面臨著重大的挑戰。

因此，我國必須加大對鉻鐵礦的勘查力度，積極尋找新的鉻資源，以提升我國的資源安全保障能力。值得注意的是，我國的鉻鐵礦進口來源十分單一，高度集中，面對當前復雜的國際形勢，保障鉻資源的供應變得刻不容緩。

為了降低鉻鐵礦進口國家單一的風險，加強“一帶一路”沿線“富鉻”國家之間的資源合作，實現優勢互補尤為重要。我們應該進一步開展境外鉻資源的調查，摸清境外鉻資源及其成礦規律，這一任務迫在眉睫。

> 2024-2023年中國鉻鐵礦儲量、進口量與全球鉻鐵礦產量對比

（數據來源：中國礦產資源報告2013-2023；中國海關總署網）

作者： 蔡鵬捷 連東洋 芮會超 陳 鑫

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

官網： https://kpwhbjb.cgl.org.cn