与“胡”谋“铍”

中科院半导体所 2022-03-20 18:00

以下文章来源于战略性关键金属科普平台 ，作者张志琦、王琪

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文章来源于：战略性关键金属科普平台

作者：张志琦、王琪


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铍（Beryllium）是一种超轻金属。铍金属及其金属互化物具有熔点高、耐高温、耐腐蚀、高导热、高反射率等特性，广泛应用于尖端科技新兴领域（如图1）。

随着尖端科技发展，Be的需求也呈爆发式增长，Be作为一种关键稀有金属资源备受人们关注。
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图1 铍的应用：金属铍用于制作詹姆斯·韦伯太空望远镜的反射镜（a）；铍铜合金连接器（b）；铝-铟-铍-磷发光二极管（c）（Foley et al., 2017）


一、不相容与双性特征

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图2 Be的基本性质


铍是一种不相容元素，在大部分造岩矿物中表现为不相容，而在一些特殊的岩浆-热液中得到强烈富集和结晶。

铍是一种典型的双性元素，在酸性环境中呈阳离子Be2+，在碱性环境中与碱土金属结合形成复杂的络阴离子如[BeO3OH]5-、[BePO4F]2-等，铍的富集成矿方式多样。



二、赋存形式

目前，自然界铍的独立矿物有120多种，主要包括Be的氧化物、硅酸盐、磷酸盐、氢氧化物、硼酸盐、砷酸盐等矿物（如图3和图4），但具有工业开采价值的主要为绿柱石Be3Al2[Si6O18]和（羟）硅铍石Be2[SiO4]/Be4[Si2O7](OH)，其他铍矿物有金绿宝石BeAl2O4、日光榴石Be3Mn4[SiO4]3S、蓝柱石 BeAl[SiO4]、铍方钠石Na4AlBeSi4O12Cl等。

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图3 A.祖母绿；B.磷钠铍石NaBe(PO4)；
C.索伦森石(Sørensenite)Na4Be2Sn(Si3O9)2·2H2O；
D.铯绿柱石CsLiBe2Al2Si6O18；
E. 铍锑非石Ca4[Mg9(Sb5+)3]O4[Si6Be3Al(Fe3+)2O36];
F.硼锂铍石,KBe4Al4(B11Be)O28;G羟碳钠铍石NaBeCO3(OH)·2H2O;
H.羟硅铍石Be4Si2O7(OH)2（Grew, 2014）


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图4 Pezzottaite Cs(Be2Li)Al2(Si6O18)晶体及其结构 

来源于mindata.org



三、铍矿的时空分布

世界上铍矿床的成矿年代范围分布很广泛，从太古代到新生代均有铍矿床的形成。但不同大洲内铍矿床的形成年代差别较大。其中大洋洲（澳大利亚）和非洲铍的成矿年龄较老，普遍形成于元古代—太古代；亚洲，欧洲和美洲也有部分铍矿区形成于元古代，但大部分的矿床是形成于中新生代，例如著名的美国Spor mountain铍矿床和我国的巴尔哲矿床都是中生代时期形成的大型铍矿床（Barton and Young, 2002）。
目前，探明的铍资源中，60%铍矿分布于美国，其次是巴西、俄罗斯、哈萨克斯坦、印度、中国以及非洲的马达加斯加、莫桑比克等国家，全球的铍矿空间分布如下图：
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图5 铍矿床的全球分布特征（Foley et al., 2017）


美国铍资源主要集中在犹他州、得克萨斯州和阿拉斯加等地区，其中Spor mountain铍矿是世界上著名的以羟硅铍石为主的火山岩型铍矿。



四、铍矿床类型及成矿规律

铍矿床可分为与岩浆-热液过程有关的铍矿床和非岩浆-热液过程的铍矿床。非岩浆-热液过程的铍矿床主要涉及构造变质作用和沉积作用形成的铍矿，产出宝石级绿柱石或祖母绿、金绿宝石和硅铍石。与岩浆-热液过程相关的铍矿床主要包括“火山岩型”铍矿、高分异花岗岩-伟晶岩型铍矿、云英岩-石英岩型铍矿、碱性岩型铍矿、矽卡岩型铍矿、碳酸岩型铍矿等铍矿床。
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图6 与岩浆-热液过程相关的铍成矿模式

（Foley et al., 2017）


01

 火山岩型铍矿床

指火山岩系统中由火山作用、岩浆作用以及火山-热液过程而形成的铍矿床，是最具有经济价值的矿床类型，产出羟硅铍石、硅铍石、日光榴石等铍矿物。该类矿床最为著名的为美国Spor mountain铍矿床，铍矿物充填于强烈蚀变的流纹岩、凝灰岩和相关断层角砾岩的层间和透镜体中。其基本的成矿模式为火山多次喷发和溢流形成流纹岩和凝灰岩，而后来自岩浆或大气的热液与下层的凝灰岩交代充填使Be富集成矿。


02

 碱性岩型铍矿床

在碱性岩（钠质角闪岩和含钠辉石的花岗岩、石英正长岩和霞石正长岩）形成过程中，铍获得富集结晶成矿，形成铍矿物包括含铍的钠钙硅酸盐矿物（板晶石、硅铍钠石、白铍石等），硅铍钇矿和含锌-锰的日光榴石。在加拿大的Strange Lake 和Thor Lake 大型矿床都具有复杂的内部结构和明显的热液活动叠加。另外我国华北地区内蒙古巴尔哲也存在一个超大型的碱性岩型铍矿床。


03

高分异花岗岩-伟晶岩型铍矿床

在花岗质岩浆发生高度演化形成高分异花岗岩或伟晶岩过程中，铍得到富集成矿，且此类矿床与其他稀有金属成矿密切相关，铍的赋存形式主要为绿柱石，最重要的工业绿柱石来源是LCT型花岗伟晶岩。成矿与富含B、F、P等挥发组分的流体密切相关，矿体主要分布于岩体顶部，或岩浆热液演化强烈部位，甚至远离岩体。


04

 矽卡岩型铍矿

花岗斑岩、稀有金属花岗岩或正长岩等侵入碳酸盐围岩过程中，与围岩发生高温接触变质作用而形成矽卡岩型铍矿。此类矿床在我国南岭地区较为常见，常与W-Sn矿伴生，石英脉型和交代岩型钨锡矿床是该地区主要铍资源。


05

碳酸岩型铍矿床

一种特殊的铍矿，主要为碳酸盐围岩高温蚀变而来。如得克萨斯州Sierra Blanca和墨西哥的Aguachile附近铍矿床。铍矿物赋存于方解石、石英中，且与过碱、准铝质火山岩伴生，常位于两者接触间隙。另外，在俄罗斯西部Transbaikalia地区也存在许多典型的与交代蚀变有关的碳酸盐岩为围岩的铍矿床（Lykhin et al., 2014; Damdinova et al., 2019），铍矿石呈现出铍矿物、萤石、磁铁矿和硅酸盐矿物呈韵律条纹状交代的特点。



五、现状与发展趋势

根据美国USGS年报的数据显示，全球铍资源储量总计10 万吨，其中美国占总探明储量的60%以上，为世界第一，主要分布在犹他州、得克萨斯州和阿拉斯加等地区。世界前三大铍矿储量占有国分别为巴西、俄罗斯和印度，中国的储量排在第四位。美国的储量仅居世界第六位，但铍产品的产量居世界第一位。
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表2 世界铍矿资源储量情况表（铍金属量/万吨）

（许秀婷，2021）


由于新兴产业的兴起，对于铍的需求量增加，从2003年开始铍产量开始回升，到2014年达到顶峰；14年以后，又由于市场对于铍的需求量有所下降，使得铍产量有所降低（如图7）。
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图7 2014-2020年全球铍产量 

（来源于：www.huaon.com）


目前，仅有绿柱石和羟硅铍石两种铍矿石具有商业开采价值。美国、中国、俄罗斯等国具有工业规模的从铍矿石开采、提取冶金到铍金属及合金加工的完整铍工业体系（如图8）。而美国具有完整和成熟的的工业生产链，使得美国的铍出口一直处于世界第一的位置，2020年占据全世界的62.50%（如图9）。
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图8 铍工业简化流程图（梁飞, 2018）


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图9 2020年全球主要铍生产国铍产量占比情况

（来源于：www.huaon.com）


全球铍消费大国是美国和中国。根据美国地质调查局的统计，美国在2015年消费的铍产品达268t。铍消费的最大领域为铍铜合金，80%以上的氢氧化铍用于生产铍铜母合金（铍含量4%）。铍的最大应用领域在工业部件，占铍应用的20%（如图10）；其次为消费类电子产品，汽车电子等。
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图10 铍的应用领域占比情况

（来源于：www.huaon.com）



六、摸清家底

据统计，我国的铍资源产地有241处（图11）。其中，特大型3处( BeO储量≥40000 t )、大型6 处(10000 t＜BeO储量 ≤40000 t)、中型19 处 (2000t ≤ BeO储量＜10000 t)，小型矿床32处 (BeO储量＜2000 t)，总体而言，与国外相比，中国大多数铍矿规模较小，品位较低，开发利用成本较大。铍矿物以绿柱石为主，羟硅铍石很少。
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图11 中国铍矿床分布（李健康，2017）


根据土壤Be地球化学异常分布看，中国的铍成矿主要在华南地区、川西地区、藏南地区、阿尔泰地区、大兴安岭地区、秦岭地区等区域。
根据统计情况，国内铍资源储量主要集中在新疆、四川、云南、内蒙古等省份（如图12）。其中,新疆的储量占全国的近一半以上。
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图12 中国铍资源基础储量分布情况

（来源于：www.huaon.com）



七、“谋”

根据国土资源部调查报告，我国铍资源的工业储量仅能保障到2040年。并且铍矿品位偏低，成本高，严重依赖进口。此外，虽然铍具有可回收性，但由于我国的技术相对落后，导致几乎不能循环利用铍价值。
所以，在与“胡”谋“铍”的过程中，我们要努力创新，争取自给自足，保障我国未来发展和科技创新的需要。


谋

今后主要“谋”：

1


创造新技术，分离提纯。研发低品位铍矿的回收利用技术;

2



摸清铍家底，寻找新资源。加强铍资源的勘探与找矿;

3


建立铍储库，长远规划。国家相关机构有效管理，建立有效储备制度;

4


鼓励新投资，拓宽渠道。鼓励国内企业海外投资铍矿资源。




参考文献（下滑查看）

        Barton M.D. and Young S., 2002. Non-pegmatitic deposits of beryllium: mineralogy, geology, phase equilibria and origin, in E.S., Grew, ed., Beryllium-mineralogy, petrology, and geochemistry. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 50, 591-691..

        Foley N.K., Hofstra A.H., Lindsey D.A., et al., 2012. Occurrence model for volcanogenic beryllium deposits, Ch. F of Mineral deposit models for resource assessment. In: U. S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2010-5070-F, 43 p.

        Foley N.K., Jaskula B.W., Piatak N.M., et al., 2017. Beryllium, chapter E of Schulz, K.J., DeYoung, J.H., Jr, Seal, R.R. and Bradley, D.C., EDS., Critical mineral resources of the United States—Economic and environmental geology and prospects for future supply. In: U. S. Geological Survey Professional Paper 1802, p. E1-E23.

        Lederer G.W., Foley N.K., Jaskula B.W., et al., 2016. Beryllium—A critical mineral commodity—Resources, production, and supply chain. In: U. S. Geological Survey, FS 2016-3081, 4 p.

        Lykhin D.A., Yarmolyuk V.V. Magmatism and formation conditions of the Urma helvite-bertrandite deposit, West Transbaikal berillium province. Geol. Ore Deposits 56, 281–301 (2014).

        Mingqian Wu, Iain M. Samson, Kunfeng Qiu, Dehui Zhang; Concentration Mechanisms of Rare Earth Element-Nb-Zr-Be Mineralization in the Baerzhe Deposit, Northeast China: Insights from Textural and Chemical Features of Amphibole and Rare Metal Minerals. Economic Geology 2021;; 116 (3): 651–679.

        Yongwang Zhang, Yan Liu, Xinxiang Zhu, Markus B. Raschke, Nengping Shen, Genesis of highly fractionated granite and associated W-Sn-Be mineralization in the Xuebaoding area, Sichuan Province, China,Ore Geology Reviews, 2021, 0169-1368.

        李建康，邹天人，王登红等. 中国铍矿成矿规律[J]. 矿床地质, 2017, 36(04): 951-978.

        梁飞,赵汀,王登红,刘超,王安建.中国铍资源供需预测与发展战略[J].中国矿业,2018,27(11):6-10+17.

        许秀婷,教镇渤,海国泉,杨雨,李军丽,滕莹雪.铍矿产业发展现状[J].新疆有色金属,2021,44(01):4-8.



-THE END-


作者：张志琦、王琪（博士研究生，浙江大学）

审稿人：葛文春教授（吉林大学）、洪涛副教授（中山大学）

编辑：颜娄旺

校正：欧阳柳芸

编辑：紫苏

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