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陈毓川:解析矿产资源

作者:陈毓川  来源:科学中国人  发布时间:2014-01-04

导读:  矿产资源是世界和我国经济社会发展的重要物质基础,现阶段矿产资源提供了我国:95%以上的能源;80%以上的工业原料;70%以上农业生产资料;30%的农业用水与饮用水。

 

专家简介:
  陈毓川(1934.12.7-),中国工程院院士,矿床地质专家。1959年毕业于乌克兰顿涅茨理工大学。原任地矿部总工、中国地质科学院院长。现任地科院科技委主任和矿床地质专业委员会主任。
  
  矿产资源是世界和我国经济社会发展的重要物质基础,现阶段矿产资源提供了我国:95%以上的能源;80%以上的工业原料;70%以上农业生产资料;30%的农业用水与饮用水。
  
一、人类社会发展与矿产资源开发利用共存
  
  细石器文化中有关农业的石器在内蒙古自治区林西发现。
  商代司母戍方鼎(河南安阳殷墟出土)。
  重875kg;化学成分:Cu84.77%,Sn 11.64%,Pb2.79%。
  人类社会发展史亦是一部人类认识矿产、利用矿产的历史。
  
二、矿产资源的性质、种类与应用
  
  矿产资源是人类社会产生与发展过程中形成的一个概念。
  矿产资源是指由地质作用形成的,具有利用价值的,呈固态、液态、气态的矿物 (矿物质) 和岩石资源,是自然资源中的重要组成部分。
  1、矿产资源的性质
  矿产资源具有三重性:应用性、可变性、不可再生性。
  应用性:可为人类社会所利用。
  可变性:随社会科学技术发展,矿产资源的数量及其内涵是不断变化的。
  不可再生性:绝大部分矿产资源是不可再生的。
  目前世界上已知的矿产资源有近二百种。
  2、矿产资源的种类
  从人类社会对矿产资源利用的角度来划分,有四种分类方案:
  ⅰ.以存在形式;
  ⅱ.以有机、无机属性;
  ⅲ.按可利用的特性;
  ⅳ.按化学物理性质及在各经济部门的应用不同。
  3. 目前社会上常用的分类方案
  按化学物理性质及在各经济部门的应用不同,划分为:
  能源矿产(煤炭、油页岩、石油、天然气、页岩气、铀、钍、地下热水等)
  金属矿产:
  1.黑色金属矿产(铁、锰、铬、 钛、钒等 );
  2.有色金属矿产(铜、铅、锌、镁、镍、钴、钨、锡、铋、汞、锑等);
  3.贵金属矿产(金、银、铂、钯、铱、铑、锇、钌);
  4.稀有金属矿产(铌、铍、锂、钽、锆、锶、铷、铯);
  5.分散元素金属矿产(镓、铟、铊、铼、镉、钪、硒、碲);
  6.稀土金属矿产(钇、镝、铈、镧、镨、钐、铕)。
  非金属矿产:
  ⑴、冶金辅助原料非金属矿产,如蓝晶石、夕线石、菱镁矿等;
  ⑵、化工原料非金属矿产,如硫铁矿、明钒石、重晶石、萤石、磷矿、钾盐、盐矿、硼矿等;
  ⑶、宝玉石非金属矿产,如金刚石、宝石、玉石;
  ⑷、建材非金属矿产,如高岭土、陶瓷土、膨润土、各种建筑材料岩石等;
  ⑸、气水非金属矿产,如矿泉水、地下水、二氧化碳气。
  4、矿产资源需要经过地质调查与矿产勘查才能获得。调查、预查、普查、祥查、勘探五阶段。
  获得的矿产资源根据其有用组分的含量、规模以及其开发利用的经济、技术和环境可行性,可分为当前可利用的矿产资源和不可利用的或潜在的矿产资源。
  5、矿床(矿产资源)的成因分类
  从矿产资源在地质作用过程中形成的宏观机制可分为三大类:
  ●由沉积作用在海洋、湖、河、沼泽以及陆地地表风化带形成的沉积矿床类;
  ●由地球内部与岩浆作用(包括地幔、地壳中各种成因的岩浆及其火山、侵入混融活动)有关形成的岩浆和热液交代、充填矿床类;
  ●由岩石圈内变质作用形成的变质矿床类。
  三大类矿床之间相互都有过渡型矿床。各大类内部还有次一级的各种成因分类。
  在这三大类之外,根据大陆科学深钻的资料,在地壳深处存在矿化度高的热流体,因此有可能存在另一类与岩浆作用、变质作用无关的地壳流体形成矿床,成为第四大类矿床。
  
三、世界矿产资源形势
  
  1、世界矿产资源消费与现状
  20世纪100年以来,全球累计消费了石油1420亿吨;天然气78万亿立方米;煤2650亿吨;铁(钢)380亿吨;铝               7.6亿吨;铜4.8亿吨。
  2、资源供需格局发生重大变化,区域性供需不平衡
  (1) 能源
  过去30年全球能源消费总量增长90%,消费重心转向亚洲。
  ●2011年全球一次能源消费123亿吨油当量,为1980年1.9倍;
  ●2011年全球石油、煤炭和天然气消费量分别为41亿吨、72亿吨、32229亿M3,是1980年的1.4倍、2.1倍和2.2倍。
  全球形成中东、北美、前苏联三大油气供应中心。
  中东、北美、前苏联石油产量分别占全球32%、17%和17%,合计占2/3。
  北美、前苏联、中东天然气产量分别占全球25%、24%和16%;合计占2/3 。
  过去30年全球能源供需格局重大转变。
  石油格局贸易
  2011年,全球石油贸易量27亿吨;中东是最大输出地,占36%。亚洲-中东贸易圈:亚洲56%来自中东;欧洲-前苏联贸易圈;亚洲一半来自前苏联;美洲贸易圈:美国44%来自美洲国家。
  天然气贸易格局
  2010年,全球天然气贸易量1.03万亿立方米,其中管道气占68%;亚洲-中东贸易圈:亚洲区外进口60%来自中东;欧洲-前苏联贸易圈:欧洲区外进口66%来自前苏联;美洲贸易圈:美国进口90%来自加拿大。
  逐步形成美洲、亚洲-中东、欧洲-前苏联三大区域油气贸易圈以及两大供需体系。
  全球能源消费形势,近10年全球增量的55%来自中国。
  铁铜铝
  资源需求的周期性上升与工业化周期和人口增长密切相关。2011年,中国  钢消费量6.5亿吨,占全球45%;铜消费量786万吨,占全球40%;铝消费量1724万吨,占全球41%;全球60-70%的钢铜铝被亚太消费,比例还在扩大。                    
  全球资源消费中心随着工业浪潮在不断转移。
  未来20年全球钢、铜和铝需求仍将持续增长,累计需求是过去20年的2倍。
  2030年,全球钢、铜和铝需求量将分别达到24亿吨、3800万吨和8400万吨,较2011年分别增长64%、98%和100%。
  2011-2030年,全球钢累计需求390亿吨,铜5.6亿吨,铝13.0亿吨,分别是过去20年的2.0倍、2.2倍和2.5倍。
  印度、东盟等发展中国家成为资源需求增长的主要拉动者。
  ●中国钢需求顶点已到来,2030年仍是第一需求大国,占全球比例仍高达25%;
  ●未来10年,中国铜需求仍将继续增长,全球占比可达45%;
  ●未来10年,中国铝需求继续增长,10年后占全球比例仍超40%;
  全球铁矿石产能增长较快,或将出现短暂的供大于求局面。全球铜矿产量增长缓慢,供应压力较大。全球铝土矿资源丰富,供应集中度不高,资源供应压力相对较小。
  3.主要认识和判断
  (1)未来5年,全球资源需求增速放缓,供需矛盾将有所缓解。
  ●中国进入工业化中期转型调整期,资源需求增速放缓。
  ●西方国家金融危机,经济增长乏力,资源需求不振。
  ●十年勘查繁荣,主要矿产资源储量和产能增长明显。
  ●全球金融治理,炒作将得到一定抑制,资源价格逐步回归。
  (2)能源格局发生重大调整,亚洲油气供需矛盾最为突出。
  ●初步形成美洲、亚洲-中东、欧洲-前苏联三大区域油气贸易圈以及供需供需一体、供需分离两大体系。
  ●非常规油气利用将重绘全球能源版图。
  ●中、印和东盟仍将是全球能源消费的主要拉动者,亚洲油气供应将日趋紧张,地缘政治矛盾将会日益突出。
  ●美国趋于能源独立,有可能继续在中东、中亚制造混乱,获取石油利益
  ●福岛核事故导致全球核电发展放缓,但未来仍将较快发展。
  (3)全球矿产资源有保障,供需分离和市场垄断是主要矛盾。
  ●全球石油、天然气、铁、铝、铜、铅、锌、镍等大部分资源储量增长明显,资源保障程度上升。
  ●资源安全主要表现为供需方分离、垄断、炒作造成的市场风险。
  ●未来20年中国仍是全球资源需求第一大国,加之日本、东盟和印度为主要需求方,南美和澳大利亚为主要供应方的供需 分离格局将愈演愈烈(非洲的资源地位有上升趋势)。
  ●未来铁矿石产能增长较快,或将出现短暂的供大于求的局面。
  
四、我国矿产资源形势
  
  (一)矿产资源概况
  截至2011年底,全国已发现172种矿产(含页岩气),具有查明资源储量的矿产159种,其中能源矿产10种,金属矿产54种,非金属矿产92种,水气矿产3种,是全球矿产资源种类比较齐全的国家之一。
  我国矿产资源特点:总量丰富,但人均较少;小品种资源丰富,大宗矿产资源相对不足;资源品质较差,难利用资源多;大矿少,小矿多;成矿地质条件良好,找矿潜力大。
  我国资源品质较差,铁矿石平均品位为33%,比世界平均水平低近20个百分点,富铁矿资源储量仅占全国总量的1.4%;锰矿平均品位22%,不到世界商品矿石工业标准48%的一半;铝土矿几乎全部是利用难度大、成本高的一水硬铝石;磷矿平均品位仅17%,且胶磷矿多。品质原因使得我国部分矿产开发成本过高,产能增长乏力。
  我国石油、天然气、铁、铜、铝、镍等大宗矿产资源禀赋不佳,稀土、钨、钼、锑等小品种资源和石墨、重晶石等非金属矿产比较丰富,世界排名第一。
  我国人均矿产资源储量较低,人均石油、天然气储量不足世界人均的10%,铁、铜、铝、镍人均储量等不足世界人均的50%,只有稀土、钨等稀散金属和石墨、重晶石等非金属资源超过了世界人均水平。
  (二)我国矿产资源供需形势
  2000年以来,中国经济快速发展,矿产资源消费迅猛增长。
  我国矿业产业快速发展,矿业产值从2000年的0.4万亿人民币增长到了2010年的4.5万亿人民币。
  2000-2010年,中国煤炭消费量增长了2.5倍。
  2000-2010年,中国粗钢消费量增长了4.3倍。
  2000-2010年,中国铜消费量增长了4.0倍。
  2000-2010年,中国铝消费量分别增长了4.6倍。
  2011年,我国煤炭消费量34亿吨。
  2011年,我国原油消费量4.44亿吨,进口量2.54亿吨,对外依存度54%。
  2011年,我国铁矿消费量10亿吨(标矿),进口6.9亿吨,对外依存度68.6%。
  2011年,我国精炼铜消费量786万吨,矿山铜产量127万吨,考虑二次资源,对外依存度69%。
  2011年,我国原铝消费量1724万吨,铝土矿产量3194万吨(折原铝581万吨),考虑二次资源,对外依存度60%。
  2000年以来的12年间,我国共消费了283亿吨煤炭、46亿吨钢、1.1亿吨铝和5300万吨铜,远远超过建国以后50年的消费总量。
  2000-2011年,中国粗钢消费占全球的比例从16%增长到了45%、铜占全球的比例从13%增长到了41%、铝消费量占全球的比例从13%增长到了42%。
  巨量的消费需求带动了我国矿产品进口的不断增长和对外依存度的持续攀升,带动了全球矿产品价格的飙升。
  2000-2010年煤炭、铁矿石、铜、铅、锡、镍价格分别上涨了2.8倍、3.8倍、3.2倍、3.7倍、2.8倍和1.5倍。
  2000-2010年,我国矿产品进口总额从594.3亿美元上涨到了4828.52亿美元,折合人民币近3万亿。
  我国2010年经济发展所消耗的能源和矿产资源价值量超过7万亿人民币,相当于GDP总量的17.5%。
  资源需求趋势
  2030-2035年能源需求达到40-45亿吨油当量的顶点;
  2013年左右钢铁需求达到7亿吨左右的顶点;
  2020-2025年左右铜需求达到1500万吨左右的顶点;
  2025年前后原铝需求达到2800万吨左右的顶点。
  2011-2030年(未来20年)累计需求:一次能源:720亿吨油当量,是过去20年的3倍(石油:120亿吨、煤炭约700亿吨、天然气9万亿m3);粗钢:129亿吨,是过去20年的2.6倍;铜:2.4亿吨,是过去20年的4.6倍;铝:4.8亿吨,是过去20年4.4倍。
  除能源矿产外,未来10年多数矿产对外依存度将陆续下降,但对外依存绝对量仍然巨大。
  资源供需形势小结
  >能源矿产:未来20年能源需求持续增长,石油、天然气供应紧张,煤炭面临清洁开采和使用问题;
  >铁矿石:未来几年,供需形势仍然很严峻,但2015年以后供需将出现明显缓解,但国内供应能力依然不容乐观,对外依存度将长期保持在50%以上;
  >铅、锌、铝:未来10年需求仍将持续增长,资源储量的静态保障年限过低,已查明资源的保障能力不足。
  >铜、镍:未来10-15年,需求仍将不断增长,对外依存度将持续保持70%以上,形势非常严峻。
  >传统的优势矿产中煤炭、钨、钼、稀土和磷保障能力较强,但仍需加强全球市场控制能力。
  
五、我国矿产资源可持续发展的战略
  
  为保证全球矿产资源可持续供应,需共同实施三项战略。
  1、持续找矿战略,并部署、实施、开拓新矿产资源领域。
  2、公平、合理、科学地配置全球矿产资源战略,各国家和平、合作、互利、互惠,共同开发利用全球资源,谋求双赢。
  3、合理、节约、循环利用矿产资源和保护矿山环境战略。
  我国应采取的对策:
  1、持续地加强矿产勘查工作,增加投入,扩大规模。开展新一轮矿产评价勘查工作,国家投入做到普查工作,为商业勘查、开犮投入减小风险提供条件。提高大宗矿产自供率。
  2、重点加强西部地区矿产勘查工作,建立西部地区矿产资源新基地。
  3、开展老矿山深部、外围勘查工作,延长矿山寿命、生产周期。
  4、积极开拓新矿产资源。
  5、科学、合理地向国外供给国内优势矿产,充分利用我国短缺的国外矿产资源。
  6、实施战略矿产资源储备。
  7、合理、节约、循环利用矿产        资源。
  8、加强矿产环境保护和冶理。
  9、加强矿产资源管理。提高全民资源意识。
  10、强化矿产资源领域地质科学理论与勘查技术研究开发。
  11、切实加强对地质矿产勘查工作的领导,加快国家地质队伍(野战军)的组建和地质人才培养。
  让我们共同关心矿产资源形势,大力支持矿产勘查与开发,为提高我国矿产资源自给率,保障国民经济与社会健康发展共同努力!
  
科普链接:

走进现代钼铜冶炼工业

  1782年,瑞典的埃尔姆(P.J. Hjelm,1746-1813)用亚麻子油调过的木炭和钼酸混合物密闭灼烧,而得到钼。1953年确知钼为人体及动植物必须的微量元素。
  钼主要用于钢铁工业,其中的大部分是以工业氧化钼压块后直接用于炼钢或铸铁,少部分熔炼成钼铁后再用于炼钢。低合金钢中的钼含量不大于1%,但这方面的消费却占钼总消费量的50%左右。不锈钢中加入钼,能改善钢的耐腐蚀性。在铸铁中加入钼,能提高铁的强度和耐磨性能。含钼18%的镍基超合金具有熔点高、密度低和热胀系数小等特性,用于制造航空和航天的各种高温部件。金属钼在电子管、晶体管和整流器等电子器件方面得到广泛应用。氧化钼和钼酸盐是化学和石油工业中的优良催化剂。二硫化钼是一种重要的润滑剂,用于航天和机械工业部门。除此之外,二硫化钼因其独特的抗硫性质,可以在一定条件下催化一氧化碳加氢制取醇类物质,是很有前景的C1化学催化剂。钼是植物所必需的微量元素之一,在农业上用作微量元素化肥。钼在电子行业有可能取代石墨烯:
  美国加州纳米技术研究院(简称CNSI)成功使用MoS2(辉钼,二硫化钼)制造出了辉钼基柔性微处理芯片,这个MoS2为基础的微芯片只有同等硅基芯片的20%大小,功耗极低,辉钼制成的晶体管在待机情况下的功耗为硅晶体管的十万分之一,而且比同等尺寸的石墨烯电路更加廉价!而最大的变化是其电路有很强的柔性,极薄,可以附着在人体皮肤之上。
  2011年,瑞士联邦理工学院洛桑分校(EPFL)科学家制造出全球第一个辉钼矿微晶片(上面有更小且更节能的电晶体)辉钼是未来取代硅基芯片强力竞争者!领导研究的安德拉斯·基什教授表示,辉钼是良好的下一代半导体材料,在制造超小型晶体管、发光二极管和太阳能电池方面具有很广阔的前景秀,而这次美国加州纳米技术研究院制成的辉钼基柔性微处理芯片未来前景将更加广泛。
  同硅和石墨烯相比,辉钼的优势之一是体积更小,辉钼单分子层是二维的,而硅是一种三维材料。在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上,电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易,辉钼矿是可以被加工到只有3个原子厚的。
  辉钼所具有的机械特性也使得它受到关注,有可能成为一种用于弹性电子装置(例如最近出现在弹性薄层晶片设计中的那种)中的材料。可以用在制造可卷曲的电脑或是能够贴在皮肤上的装置。甚至可以植入人体。
  英国《自然·纳米技术》杂志就指出:单层的辉钼材料显示出良好的半导体特性,有些性能超过现在广泛使用的硅和研究热门石墨烯,可望成为下一代半导体材料。
  目前,世界上最大的钼矿为美国科罗拉多州克莱麦克斯钼矿,储量300余万吨。河南西部的栾川钼矿,总储量206万吨、平均品位0.103%,是此前亚洲最大的钼矿。金寨沙坪沟巨型钼矿,是我省建国以来发现的最大金属矿床,它的发现无论在储量还是品位上都超越了栾川钼矿,也改写了大别山东段无大矿的历史。
  铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿,铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为0.01%,在个别铜矿床中,铜的含量可以达到3%-5%。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石,开采出来的铜矿石,经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。是唯一的能大量天然产出的金属,也存在于各种矿石(例如黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石)中,能以金属状态及黄铜、青铜和其他合金的形态用于工业、工程技术和工艺上。如:铜山(出产铜矿的山);铜花(铜屑);铜金(赤铜);铜粉(铜屑。铜和其他金属熔融在一起所做出来的黄金色粉状合金,可当作颜料);铜陵(产铜的山);铜落(铜屑,可入药)……
  铜它是人类最早发现的金属之一,也是最好的纯金属。
  世界铜矿资源比较丰富。铜不难从它的矿石中提取,但可开采的矿藏相对稀少。有些,如在瑞典法伦的铜矿,从13世纪开始,曾是巨大财富的来源。一种提取这种金属的方法是烘烤硫化矿石,然后用水分离出其形成的硫酸铜。之后流淌过铁屑表面铜就会沉淀,形成的薄层很容易分离。世界上已探明的铜约为3.5-5.7亿吨,其中斑岩铜矿约占76%。
  钼铜是钼和铜的复合材料,一种很好的替代铜、钨铜应用的材料。钼铜合金综合铜和钼的优点,高强度、高比重、耐高温、耐电弧烧蚀、导电电热性能好、加工性能好。采用高品质钼粉及无氧铜粉,应用等静压成型(高温烧结-渗铜),组织细密,断弧性能好,导电性好,导热性好,热膨胀小。
  钼铜在航天领域的应用具有更优异于钼的性能,因此它同样可用于火箭和导弹的高温部分的材料。
  钼铜具有优良的热传导性,因为使用了钼铜无烧结添加剂。把钼铜用于航天是因为热膨胀系数匹配。
  用于航天的钼铜有很高的熔点,而且有良好的机械技能,有利于生产。
  此外钼铜合金已规模应用的有高压真空开关用电工合金、微电子封装热沉材料,以及仪器仪表元器件。
  智利、美国、加拿大、秘鲁、墨西哥,是从铜钼矿石中回收钼精矿的主要国家。国外的实践表明、近年开采的铜钼矿床,其最低铜品位为0.2-0.3%,最低钼品位为0.01-0.011%。
  目前国外铜钼矿石选矿有三个特点:一是大多采用混合浮选加分离的流程;二是快速建设具有现代化高效工艺的大型新选厂,仅1975年-1980年就建了平托瓦利选厂(36000吨/日,美国)、夸霍内选厂(41000吨/日,秘鲁)、拉卡利达德选厂(90000吨/日,墨西哥)、厄登内汀奥勃选厂(40000吨/日)、卡普切什墨赫选厂(40000吨/日,伊朗)、萨契什曼选厂(40000吨/日)、巴格达德选厂(36000吨/日,美国);三是大力加强钼回收工艺的研究。
  从天上的飞机,到身边的空调,在我们的生产生活中,钼和铜不可或缺,发挥着巨大的作用,被广泛应用在钢铁、微电子、电气、轻工、建筑、国防等领域。国家相关环境标准中,所指的有毒重金属为汞、镉、砷、铅、铬这五种,钼和铜属于一般重金属,不在其列。
  传统的钼和铜冶炼技术设备,工艺落后、自动化程度低,会产生含有二氧化硫、粉尘等污染物质的废气,以及含有铅和砷的废水和废渣,由于处理不到位,对外排放的废水、废气、废渣就会对环境和人体造成危害。
  如今,随着科学技术快速发展,国际上运用先进成熟的技术和设备,使钼和铜的清洁生产、环保冶炼,成为了现实。
  澳大利亚新南威尔士州肯布拉港铜厂,该厂距离居民区仅有二百多米。位于德国汉堡的惠特维尔.凯撒冶炼厂,厂址周边五百多米就有大片的居民区。
  现在关于铜和钼的冶炼的技术已经很成熟了,现在看来在国外,美国也好,其他国家也好,已经可以对环保,对资源的综合利用,高效的提炼,技能的方面,都可以做很大的对以往的改进,例如山东阳谷祥光铜业有限公司,是一家现代化大型有色金属冶炼企业,其冶炼厂区与肉鸡生产企业凤祥集团,直线距离不足3公里,凤祥集团生产的肉鸡,主要出口到对食品监管非常严格的欧盟、韩国、日本等国家;并且,新建的住宅社区距工厂仅1公里。
  同样,我国其他先进的金属冶炼企业,也实现了环保冶炼、清洁生产。云南驰宏锌锗,紧邻着曲靖师范学院和曲靖医专两所高等院校,企业运行近10年来一直与师生和谐共处;河南洛钼集团的钼铁生产线,距离娃哈哈洛阳生产基地仅有不到2公里。

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