浅析“三稀”元素类型及主要矿物特征_李刚.pdf

031030摘要：“三稀”元素数量众多，经济价值巨大，既是产业发展的战略资源，也是地质勘查的热门矿种。文章通过介绍独居石、磷钇矿、锂辉石、锆石、方铅矿等矿物的特征及形成条件，普及“三稀”元素及主要矿物知识。关键词：“三稀”元素；矿物特征；磷钇矿；锂辉石；方铅矿中图分类号：P618 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-30-3浅析“三稀”元素类型及主要矿物特征李 刚（山西地质博物馆，山西 太原 030024）“三稀”元素包括稀土元素、稀有元素和稀散元素三大类元素，它们在地壳中总体丰度较低，在地质作用过程中不易富集，主要以离子化合物或类质同象置换的形式分散存在于矿物之中，较少形成独立矿物及矿床。但因其具有独特而优良的物理、化学性质，在能源、材料、信息技术、生物技术等高新技术领域具有“四两拨千斤”的重要作用，是不可或缺的战略性矿产资源。1 稀土元素及主要矿物特征稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），再加上与它们原子结构和化学性质相近的钪（Sc）和钇（Y），共计17个元素。其中，前15个元素也称为镧系元素。稀土元素的离子半径相近，晶体化学性质相似，它们在自然界中紧密共生。目前，已知的含稀土元素的矿物有250多种，其中具有工业价值的矿物主要是萤石、磷灰石、独居石、磷钇矿、氟碳铈矿、褐帘石、烧绿石、易解石等。萤石晶体呈立方体和八面体，常以粒状、块状等集合体产出。颜色变化多样，从白色、绿色到紫色、黑色等。透明到半透明，具有玻璃光泽（见图1）。萤石在紫外线照射下会发出强烈的荧光，故得名萤石。萤石主要形成于热液矿脉中，晶体中的部分钙元素常会被铈元素和钇元素替代。磷灰石晶体呈柱状或板状，也以块状等集合体产出。通常呈白色、绿色等，半透明，玻璃光泽或松脂光泽。磷灰石主要形成于岩浆岩和变质岩中，一般含有多种稀土元素，如镧、铈、镥等。独居石晶体呈板状或柱状，晶面通常有条纹。颜色有棕色、黄色等，透明到半透明，蜡状光泽或玻璃光泽（见图2）。独居石主要形成于变质岩和伟晶岩中，在沉积矿床中也有发现，一般含有镧、铈、钕等元素，有时因含有钍而具有轻度放射性。磷钇矿晶体呈锥状，有时形成玫瑰形晶群。颜色有红棕色、绿色等，半透明，玻璃光泽。磷钇矿主要形成于伟晶岩和酸性岩中，一般含有镧、铈、铒、钇等元素。烧绿石晶体为八面体，也呈粒状和块状集合体。颜色有棕色、黑色，半透明，玻璃光泽。烧绿石主要形成于伟晶岩和碳酸盐岩中，也会以副矿物的形式出现于霞石正长岩中，一般含有多种稀土元作者简介：李刚（1990），男，工程师，硕士，毕业于中国矿业大学，主要从事地质矿产工作。素，如铈、钇等。2 稀有元素及主要矿物特征稀有元素包括锂（Li）、铍（Be）、铷（Rb）、锶（Sr）、锆（Zr）、铌（Nb）、铯（Cs）、铪（Hf）、钽（Ta）9个元素，其中铍能形成独立的矿物，锶主要与钙产生类质同象的替代关系，很少和其他稀有元素共生，锆、铌、铪、钽是典型的亲石元素，具有强烈的亲氧性。目前，已知的含锂矿物有150多种，主要矿物有锂辉石、锂云母、铁锂云母、透锂长石、锂磷铝矿等。锂云母晶体呈板状，还以鳞片状、块状产出。颜色变化大，有白色、粉红色等，透明，珍珠光泽。锂云母主要形成于酸性岩中，也可见于富锡的矿脉中。已知的含铍矿物有60余种，主要矿物有硅铍石、羟硅铍石、绿柱石、金绿宝石、日光榴石等。绿柱石晶体呈柱状，柱面有纵向条纹，以块状、柱状等集合体产出（见图3）。颜色变化很大，不同色彩的绿柱石有不同的名称，如绿色者称为祖母绿、黄色者称为金绿玉、蓝色者称为海蓝宝石。透明或半透明，具有玻璃光泽。绿柱石主要形成于花岗岩及一些区域变质岩中。金绿宝石晶体呈板状或柱状，以粒状、块状集合体产出。颜色较多，从黄色、绿色到灰色、浅棕色。透明或半透明，玻璃光泽（见图4）。金绿宝石主要形成于伟晶岩、片麻岩和大理岩中，也产于砂岩中。在自然界中没有独立的铷矿物，主要从锂云母、铁锂云母和光卤石中提取。光卤石常呈粒状或块状，极少形成晶体。颜色为无色，一般因含氧化铁而呈红色。透明或半透明，具有油脂光泽。光卤石主要形成于碳酸盐岩、硫酸盐岩等沉积岩中。工业上用于提取锶的原料主要是天青石和菱锶矿。天青石晶体为板状和柱状，常呈块状、纤维状集合体。颜色有白色、蓝色等，透明到半透明，玻璃光泽。天青石主要形成于热液矿脉中，在沉积岩图1 萤石 图2 独居石图3 绿柱石图4 金绿宝石华北自然资源地质勘探2023.2李 刚：浅析“三稀”元素类型及主要矿物特征总第113期022023年031030摘要：“三稀”元素数量众多，经济价值巨大，既是产业发展的战略资源，也是地质勘查的热门矿种。文章通过介绍独居石、磷钇矿、锂辉石、锆石、方铅矿等矿物的特征及形成条件，普及“三稀”元素及主要矿物知识。关键词：“三稀”元素；矿物特征；磷钇矿；锂辉石；方铅矿中图分类号：P618 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-30-3浅析“三稀”元素类型及主要矿物特征李 刚（山西地质博物馆，山西 太原 030024）“三稀”元素包括稀土元素、稀有元素和稀散元素三大类元素，它们在地壳中总体丰度较低，在地质作用过程中不易富集，主要以离子化合物或类质同象置换的形式分散存在于矿物之中，较少形成独立矿物及矿床。但因其具有独特而优良的物理、化学性质，在能源、材料、信息技术、生物技术等高新技术领域具有“四两拨千斤”的重要作用，是不可或缺的战略性矿产资源。1 稀土元素及主要矿物特征稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），再加上与它们原子结构和化学性质相近的钪（Sc）和钇（Y），共计17个元素。其中，前15个元素也称为镧系元素。稀土元素的离子半径相近，晶体化学性质相似，它们在自然界中紧密共生。目前，已知的含稀土元素的矿物有250多种，其中具有工业价值的矿物主要是萤石、磷灰石、独居石、磷钇矿、氟碳铈矿、褐帘石、烧绿石、易解石等。萤石晶体呈立方体和八面体，常以粒状、块状等集合体产出。颜色变化多样，从白色、绿色到紫色、黑色等。透明到半透明，具有玻璃光泽（见图1）。萤石在紫外线照射下会发出强烈的荧光，故得名萤石。萤石主要形成于热液矿脉中，晶体中的部分钙元素常会被铈元素和钇元素替代。磷灰石晶体呈柱状或板状，也以块状等集合体产出。通常呈白色、绿色等，半透明，玻璃光泽或松脂光泽。磷灰石主要形成于岩浆岩和变质岩中，一般含有多种稀土元素，如镧、铈、镥等。独居石晶体呈板状或柱状，晶面通常有条纹。颜色有棕色、黄色等，透明到半透明，蜡状光泽或玻璃光泽（见图2）。独居石主要形成于变质岩和伟晶岩中，在沉积矿床中也有发现，一般含有镧、铈、钕等元素，有时因含有钍而具有轻度放射性。磷钇矿晶体呈锥状，有时形成玫瑰形晶群。颜色有红棕色、绿色等，半透明，玻璃光泽。磷钇矿主要形成于伟晶岩和酸性岩中，一般含有镧、铈、铒、钇等元素。烧绿石晶体为八面体，也呈粒状和块状集合体。颜色有棕色、黑色，半透明，玻璃光泽。烧绿石主要形成于伟晶岩和碳酸盐岩中，也会以副矿物的形式出现于霞石正长岩中，一般含有多种稀土元作者简介：李刚（1990），男，工程师，硕士，毕业于中国矿业大学，主要从事地质矿产工作。素，如铈、钇等。2 稀有元素及主要矿物特征稀有元素包括锂（Li）、铍（Be）、铷（Rb）、锶（Sr）、锆（Zr）、铌（Nb）、铯（Cs）、铪（Hf）、钽（Ta）9个元素，其中铍能形成独立的矿物，锶主要与钙产生类质同象的替代关系，很少和其他稀有元素共生，锆、铌、铪、钽是典型的亲石元素，具有强烈的亲氧性。目前，已知的含锂矿物有150多种，主要矿物有锂辉石、锂云母、铁锂云母、透锂长石、锂磷铝矿等。锂云母晶体呈板状，还以鳞片状、块状产出。颜色变化大，有白色、粉红色等，透明，珍珠光泽。锂云母主要形成于酸性岩中，也可见于富锡的矿脉中。已知的含铍矿物有60余种，主要矿物有硅铍石、羟硅铍石、绿柱石、金绿宝石、日光榴石等。绿柱石晶体呈柱状，柱面有纵向条纹，以块状、柱状等集合体产出（见图3）。颜色变化很大，不同色彩的绿柱石有不同的名称，如绿色者称为祖母绿、黄色者称为金绿玉、蓝色者称为海蓝宝石。透明或半透明，具有玻璃光泽。绿柱石主要形成于花岗岩及一些区域变质岩中。金绿宝石晶体呈板状或柱状，以粒状、块状集合体产出。颜色较多，从黄色、绿色到灰色、浅棕色。透明或半透明，玻璃光泽（见图4）。金绿宝石主要形成于伟晶岩、片麻岩和大理岩中，也产于砂岩中。在自然界中没有独立的铷矿物，主要从锂云母、铁锂云母和光卤石中提取。光卤石常呈粒状或块状，极少形成晶体。颜色为无色，一般因含氧化铁而呈红色。透明或半透明，具有油脂光泽。光卤石主要形成于碳酸盐岩、硫酸盐岩等沉积岩中。工业上用于提取锶的原料主要是天青石和菱锶矿。天青石晶体为板状和柱状，常呈块状、纤维状集合体。颜色有白色、蓝色等，透明到半透明，玻璃光泽。天青石主要形成于热液矿脉中，在沉积岩图1 萤石 图2 独居石图3 绿柱石图4 金绿宝石华北自然资源地质勘探2023.2李 刚：浅析“三稀”元素类型及主要矿物特征总第113期022023年033032（如石灰岩）、基性岩中也有发现。锆、铪密切共生，目前已知的含锆矿物约50种，主要矿物有锆石、铪锆石、异性石等。锆石晶体呈柱状、双锥状，常呈粒状集合体。颜色有红色、黄色等，透明到不透明，玻璃光泽或油脂光泽。锆石主要形成于岩浆岩（如正长岩）和一些变质岩中，往往含有少量的铀和钍，具有放射性。铌、钽密切共生，含铌钽的矿物有130多种，主要矿物有铌铁矿、铌钇矿、钽铁矿、金红石、烧绿石、易解石、锰钽矿、黄钇钽矿、细晶石等。铌钇矿晶体呈柱状，以块状或致密状集合体产出。黑色或浅棕色，半透明到不透明，玻璃光泽或松脂光泽。铌钇矿主要形成于花岗伟晶岩中。金红石晶体呈柱状，晶面常有条纹。颜色有红棕色、黑色，透明到不透明，金属光泽至金刚光泽。金红石主要以副矿物的形式产于岩浆岩和片麻岩中，也会在石英、刚玉及其他透明矿物中形成针状包裹体。含铯的主要矿物有铯榴石、铯沸石、铯硼锂矿、星叶石等。星叶石晶体呈片状，常聚集成放射状，极易碎裂。黄铜色至金黄色，半透明，金属光泽至珍珠光泽。星叶石主要形成于岩浆岩中（如正长岩），还可产于其他深成侵入岩中。3 稀散元素及主要矿物特征稀散元素包括镓（Ga）、锗（Ge）、硒（Se）、镉（Cd）、铟（In）、碲（Te）、铼（Re）、铊（Tl）8个元素，它们主要以类质同象的形式存在于铁、铜、铅、锌、钼等金属硫化物内。镓主要伴生在磁铁矿、斑铜矿中，锗主要分布在方铅矿中，镓、锗还以沉积方式出现于煤层、铝土矿、油页岩中。磁铁矿晶体呈八面体和十二面体，也以块状和粒状集合体产出。颜色为黑色，不透明，金属光泽或暗淡光泽，具有强磁性。磁铁矿主要形成于岩浆岩中，也见于矽卡岩矿床中。铝土矿常呈结核状、鲕状或豆状产出，颜色变化很大，从白色到浅黄色或红棕色。在热带气候条件下，含铝硅酸盐岩经过风化作用、成岩作用形成原始铝土矿层，后随地壳抬升到地表受到雨水淋滤，使硅质流失、铝质富集，最终形成铝土矿。硒与硫的性质相似，主要伴生于黄铁矿中，镉、铊、碲、铟广泛存在于方铅矿、闪锌矿等矿物中。方铅矿晶体呈立方体、八面体，也以块状、粒状集合体产出。铅灰色、不透明，具有金属光泽。方铅矿主要形成于热液矿脉中。铟主要是从赤铁矿的冶炼过程中作为副产品回收，铼几乎全部伴生于辉钼矿中。赤铁矿晶体呈板状或六面体，多以致密状、肾状等集合体产出。颜色多样，从浅棕色、鲜红色到钢灰色、铁黑色等。不透明，金属光泽至暗淡光泽。赤铁矿主要形成于矽卡岩矿床中，也以副矿物形式出现于岩浆岩中。辉钼矿晶体呈板状，也以粒状、鳞片状等集合体产出。灰色，不透明，金属光泽，触摸时有油脂感。辉钼矿主要形成于热液矿脉和花岗岩中。4 结语我国“三稀”矿产资源丰富，是世界主要生产国和出口国，资源开发利用具有巨大潜力。“三稀”元素数量众多，含有“三稀”元素的矿物种类繁杂、成因多样，研究“三稀”元素及主要矿物特征，能有效支撑“三稀”矿产资源勘查与开发。摘要：山西煤炭运销集团同富新煤矿2021年9月15日10月10日乡宁县连续出现3次强降水过程，累计降水量382.5 mm，长时间连续强降水导致矿井涌水量呈十多倍增长，造成矿井水害事故，影响矿井正常采掘作业。通过对矿井2021年9月15日10月10日强降雨过程矿井涌水量动态进行分析，提出了大气降水对矿井充水的防治措施及建议。关键词：降雨量；矿井涌水量；上层滞水；降水强度中图分类号：P641 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）02-33-3杨 展（山西省煤炭地质水文勘查研究院有限公司，山西 太原 030006）山西煤炭运销集团同富新煤业有限公司矿井位于乡宁县东约18 km处管头镇上善土崖底三王沟村一带，行政区划属管头镇管辖，井田面积211.8938 km，批准开采1-10号煤层，批准生产规模600 kt/a。2021年9月15日10月10日乡宁县连续出现3次强降水过程，累计降水量382.5 mm，矿井涌水量迅3速增加，9月28日达到137.95 m/h，10月7日达到33141.1 m/h，是原核定最大涌水量（12 m/h）的11.8倍，涌水量的突增造成了矿井的水害事故，影响了正常采掘作业。1 历年矿井涌水量与大气降水相关性分析同富新煤矿位于河东煤田乡宁矿区东南部边缘浅埋露头区，盖山厚度0250 m。2号煤层露头发育，煤矿东北、东南及西部均有剥蚀。10号煤层在井田西部和东南部存在煤层露头，顺沟谷发育浅埋带。10号煤层东翼三条大巷局部埋深仅4050 m，北翼大巷三条大巷埋深仅2030 m。煤矿地处分水岭地带，地表水排泄迅速，缺乏地下水径流补给，含水层总体补给条件差，富水性弱。井田内2号煤层大部、10号煤层部分采空，采空区上覆含水层大多已疏干，潜水位埋藏深，包气带厚度大，降水入渗补给潜水含水层难度较大，局部上层滞水或2号煤采空区对降水入渗有迟滞和削峰的作用。从20142020年降水量与矿井涌水量3观测资料分析，矿井正常涌水量约7 m/h，最大涌水3量12 m/h，大气降水充水对矿井涌水量动态有明显影响。2 2021.92021.10降雨过程中矿井涌水量动态分析2.1 矿井涌水量及涌水点调查1）矿井涌水量调查同富新煤矿井田内一采区受煤层底板标高控制，一部分入渗采空区的涌水顺井巷以渗流方式向东南各沟谷排泄，一部分以积水的形式积存于采空区内，各密闭处无采空积水外溢。二采区受煤层底板标高控制，一部分入渗采空区的涌水顺井巷以渗流方式向东部各沟谷排泄，一部分入渗矿井顺井巷作者简介：杨展（1972），男，高级工程师，本科，毕业于太原工业大学，主要从事水工环地质、煤矿地质相关工作。大气降水对矿井涌水量影响分析以山西煤炭运销集团同富新煤矿为例参考文献：1 王 登红,孙艳,代鸿章,等.我国“三稀矿产”的资 源特征及开发利用研究J.中国工程科学,2019,21(1):120-1212 谢长江,尹建华,李新敏.三稀元素矿床类型及找 矿标志J.四川地质学报,2018,38(3):451-4523 王登红,赵汀,何晗晗,等.中南地区三稀矿产资源 调查研究及开发利用进展综述J.桂林理工大学 学报,2016,36(1):3-54 靳皇玉,李德洪,臧兴运,等.吉林省“三稀”元素 矿床成矿特征及找矿前景J.黄金,2019,6(40):8 -95 张苏江,张立伟,张彦文,等.国内外稀土矿产资源 及其分布概述J.无机盐工业,2020,52(1):12-13华北自然资源地质勘探2023.2杨 展：大气降水对矿井涌水量影响分析总第113期022023年