1 引言

1.1 全球范围关键金属矿产资源需求的驱动力

 在过去50年里，全球人口从36亿增长到了77亿，预计到2050年将达到100亿。与此同时，全球的国民生产总值（GDP）从1970年的约3万亿美元上升到2019年的约90万亿美元。在全球范围内，居住在城市中的人口也出现了大幅增长，已经从1950年的约7.5亿增长到了2018年的约42亿。随着城市化进程的不断加快，人们的日常生活已经越来越离不开科学技术。比如，预计2020年全球手机产量将达到9亿部。

 伴随着国民生产总值呈指数级增长，全球对矿产资源的需求量也在不断攀升，从1970年的约250亿吨增加到2017年的约1000亿吨，增幅达400%，预计到2050年矿产资源需求量将增长近一倍，达到约1850亿吨。预计通过两个主要供应渠道的发展来满足不断增长的矿产资源需求：一是通过新矿山的发现来提升矿产资源产量，二是发展矿产资源循环利用技术。

 然而，在人类社会可持续发展的政治、社会和经济模式方面，各方所持的观点依然是冲突且无法调和的，这使得在应对矿产资源可持续发展所面临的挑战时各个国家所采取的政策和措施是不同的。这些不同的政策和措施增强了矿产资源供应链的不确定性。欧盟的战略重点是加强与矿产资源丰富国家的沟通和交流，而日本和美国的战略重点则是加强对稀土元素替代矿产品的研究和勘查工作；澳大利亚和中国的矿产资源政策导向则是加强本国矿产资源的勘查和生产力度，并且加强矿产资源保护。然而，世界矿产资源的大环境也在不断变化，例如日本政府支持开拓境外矿产资源开发，包括澳大利亚Mt Weld矿开采项目和马来西亚选厂项目。此外，美国政府大力扶持企业在国内的稀土矿开采和矿物加工。

 根据各个国家的社会经济发展目标和矿产资源禀赋状况，各国政府都将一些矿产品列为“关键金属/矿物/矿产品”，并且这一术语迅速成为了各国政府矿产资源经济和政策的一个重要组成部分。

 一般而言，关键矿产资源是指那些对某国目前和未来的经济社会发展至关重要的金属和非金属矿产资源，这些矿产资源的供应可能会遭受“卡脖子”风险，包括地质赋存上的稀缺、地缘政治问题或者贸易政策等。欧盟委员会于2014年将关键原材料定义为“相比于大多数其他原材料，关键原材料供应短缺所带来的风险及其对经济发展的影响是举足轻重的”。相比之下，日本对关键金属资源/矿物做出了不同的定义，即在经济或技术上难以进行开采的，并且在技术创新的推动下在现在和未来的工业需求上都很巨大的矿产资源”。

 根据上述定义，列入关键金属资源/矿物清单的矿产资源种类会因国家、时期和经济价值而有所不同。例如，欧盟目前制定的关键原材料（金属/矿物）清单中包含了30种重要的矿产品。相比之下，2011年欧盟制定的关键原材料清单中只有14种矿产品，2014年是20种，2017年是27种。然而，无论是哪个时期，也无论是哪个国家，稀土元素总是名列其中。稀土元素包括了15种镧系元素（La、Ce、Pr、Nd、Pm（不含稳定同位素）、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu）。根据相关的定义和技术方法，以及化学特征的相似性，Y和Sc常常也被纳入到稀土元素之中。

1.2 全球稀土元素储量：需求与供给

 稀土元素的全球经济储量估计为1.2亿吨。储量最大的几个国家分别是中国（37%）、越南（18%）、巴西（18%）、俄罗斯（10%）、印度（6%）和澳大利亚（3%）。从稀土元素的实际产量来看，主要是中国（63%）、美国（12%）、缅甸（10%）和澳大利亚（9%）。根据欧盟市场情况，预测到2050年稀土矿产品的需求量将增长10倍（如电动汽车、数字技术和风力涡轮机）。加拿大和美国政府旨在是通过能源资源治理倡议（Energy Resource Governance Initiative）来确保关键矿产资源供应链的稳定。在未来25年里，预计Dy和Nd的需求量将分别增长超过2600%和700%。自1943年以来，美国一直是世界稀土元素科学研究的中心。20世纪80年代，这一地位转移到了日本，21世纪初又转移到了中国。

1.3稀土元素与碳酸岩

 稀土元素的地质来源有四种类型：①岩浆岩（如碳酸岩及碱性岩、伟晶岩等）；②沉积岩（盆地，如重砂矿物）；③风化岩层（如粘土矿物离子吸附型矿床）；④变质岩（钙硅质岩）。碳酸岩是稀土元素最具勘查前景的赋矿岩石类型之一。

 许多碳酸岩中都赋存有丰富的轻稀土元素资源。然而，大多数与碳酸岩有关的稀土元素矿床不含有丰富的重稀土元素资源。碳酸岩是Nb和稀土元素的主要来源。例如，Seis Lagos碳酸岩型铌矿床中的Nb2O5的含量为2.81 wt%，估算的资源量约为29亿吨，是一个与红土风化岩层单元有关的矿床。目前，巴西的Araxa和Catalao矿是铌的全球主要供给来源。

 随着时代的变迁，碳酸岩这一术语的内涵也发生了很大的变化。根据国际地质科学联合会（IUGS），碳酸岩是指碳酸岩含量大于50%且SiO2含量小于20 wt%的岩石。还有一些作者提出了不同的碳酸岩定义，即碳酸岩（广义上的）是指原生火成碳酸盐岩矿物含量超过30 vol%的岩石（不考虑SiO₂的含量）。

 根据相关报道，全球约发现了530个碳酸岩赋存。其中，三分之二的碳酸岩形成于显生宙，它们的丰度随着形成年龄逐渐年轻而呈指数级增加。然而，约90%的已发现碳酸岩是与前寒武纪克拉通有关的，这强烈表明即使碳酸岩的形成年龄较为年轻，但碳酸岩也倾向于在前寒武纪岩层中发育。约80%的碳酸岩赋存与不同的碱性岩有关（最常出现的是霞石-霓霞岩、响岩-长石正长岩和粗面岩-正长岩）。从大地构造的角度来看，碳酸岩的形成通常与伸展构造环境有关。一些研究表明，碳酸岩可能与俯冲系统中发生的地幔熔融作用有关，而这种俯冲系统中出现了向下俯冲的大洋板块对地幔过渡带的渗透作用。

 关于碳酸岩浆的形成机制问题、碳酸岩与其他硅酸盐岩的成因关系问题，以及与其伴生的岩浆和流体问题，各种观点纷呈，争论也十分激烈。对碳酸岩与某些特定岩石类型（如金伯利岩和煌斑岩）的关系也不是十分清楚。对喷出型碳酸岩的研究工作大大提高了我们对碳酸岩组合及其侵位机制的认识。

 通过对不同国家和地区的碳酸岩/碳酸岩杂岩体开展的大量研究（坦桑尼亚、中国、加拿大、韩国、挪威、蒙古、俄罗斯、塔吉克斯坦和挪威），本专刊旨在为碳酸岩及其作为关键金属来源的矿产资源潜力的现有认识提供一些新的信息。

2 碳酸岩的新研究成果：争论中提出的新证据

 本期专刊中发表的论文有助于我们对碳酸岩中稀土元素富集机制的讨论和更好认识。这种富集机制可能主要起源于岩浆作用过程。然而，稀土元素的岩浆富集过程并不是许多碳酸岩中稀土元素含量达到经济可采的关键因素。与碳酸岩侵位作用相关的热液事件以及与大气流体的混合作用，或者与沉积作用之后的过程相关的热液事件（如风化作用），都在碳酸岩的稀土元素富集过程中发挥了重要作用。本期专刊在论文征集过程中考虑到了各种因素和作用过程，这些因素和作用过程均对碳酸岩的稀土元素富集产生了影响。

 Witt等报道了坦桑尼亚中元古代Ngualla碳酸岩杂岩体的相关信息（这是自20世纪60年代以来首次公开发表相关信息）。Ngualla碳酸岩侵位于一些岩石圈规模的构造单元之中，这些构造单元将坦桑尼亚克拉通与西非、刚果和Kalahari克拉通分割开来。作者的研究表明，风化作用是Ngualla碳酸岩稀土元素形成的一个关键因素。然而，原生矿床则主要形成于原地火成作用。Ngualla碳酸岩的总稀土氧化物（TREO）含量在1%~2%到3%~6%之间变化，这是由风化作用造成的（如果按稀土氧化物含量为4.75%且重晶石含量为37.7%计算，其资源量为2130万吨）。作者认为，风化作用是碳酸岩形成的一个关键性作用过程，该过程形成了具有经济开发价值的稀土元素矿床。作者建议，非洲的稀土元素矿产资源勘查工作的重点靶区是那些经历了长期风化作用且没有遭受侵蚀的碳酸岩侵入体。

 Chen等对加拿大、蒙古、韩国和中国的Oka、MushgaiKhudag、Hongcheon和白云鄂博四个碳酸岩杂岩体中的磁铁矿化学成分进行了研究。作者的研究表明，高场强元素（HFSE；Zr、Hf、Nb、Ta、U、Th）通常是亏损的，分析测试表明Ge的含量为2~5 ppm，V和Zn的含量则变化较大（从10 ppm级到1000 ppm级不等）。基于这项研究成果，Chen等认为，Ti与Zr+Hf、Ti与Nb+Ta以及Ni/Cr与Ti之间的相关性可用于区分碳酸岩中岩浆型磁铁矿和热液型磁铁矿的形成环境。此外，Zn/Co与Cu/Mo及Cu与Zr+Hf的比值也可用于区分碳酸岩成因的磁铁矿与其他环境中形成的磁铁矿（Fe-Ti-P矿床、安山岩、IOCG、斑岩、条带铁质建造、铁质矽卡岩、钠长石化花岗岩和碳酸盐蚀变杂岩体）。鉴于磁铁矿是岩浆岩中最常见的副矿物之一，本次研究有力地证实了磁铁矿可以作为圈定碳酸岩赋存位置的一种指示性矿物。

 Shu和Liu通过对中国四川省新生代大陆槽碳酸岩型稀土元素矿床中流体包裹体的分析，对热液在稀土元素迁移和沉淀过程中的作用进行了研究。作者研究了影响大陆槽碳酸岩形成的四种不同作用机制：岩浆作用、伟晶岩、热液作用和表生作用。在伟晶岩成岩阶段，熔体和熔体-流体包裹体的发育被认为是岩浆起源的成矿流体。相反地，流体的冷却作用和大气降水的渗入作用则被认为是导致热液型稀土元素发生沉淀的因素。Shu和Liu认为，从矿产勘查的角度来看，克拉通边缘往往富集有Sr、Ba和稀土元素，并且伴有伟晶岩、细晶岩化作用和某些矿物组合（包括萤石-重晶石-方解石），以及一些含CO2且高盐度的包裹体组合，因此克拉通边缘地区是富含稀土元素的碳酸岩集中发育的地方。

 Vrublevskii等对俄罗斯西伯利亚Yenisei Ridge的Penchenga新元古代霓长岩-碳酸岩杂岩体开展了研究。作者识别出了高温原生矿物相、晚期岩浆副矿物以及热液和表生成因矿物的次生相。Vrublevskii等认为，早期碱性白云岩熔体的脱气作用及其与大气降水的相互作用导致了霓长岩和热液流体的形成。含稀土元素的矿物相是从这些富含稀土元素的流体中析出的。碳酸岩、磷灰石、磁铁矿和烧绿石矿物的氧同位素体系的封闭温度介于250oC至480oC之间。这项研究对Penchenga型碳酸岩体系的化学组分演化以及碳酸岩富集Nb-Ta和稀土元素的条件提出了一些重要的创新性认识。

 Hong等对于塔吉克斯坦帕米尔Dunkeldik地区最近发现的碳酸岩-正长岩杂岩体进行了报道。作者对碳酸岩及其碱性-碳酸岩带进行了岩石学和地球化学研究，并且开展了锆石U-Pb年龄和Hf同位素的分析测试工作。作者提出，碳酸岩的母岩浆源自增厚的下地壳，其中富含一个古老俯冲大洋板块的物质和流体组分。作者认为碳酸岩和正长斑岩形成于中新世后碰撞环境。新生代一个软流圈地幔底辟的上涌导致经历了交代作用的岩石圈地幔和下地壳（印度-欧亚大陆碰撞带西缘之下）发生了部分熔融。形成的碳酸岩质岩浆沿着Karakorum走滑断层不断上涌。本次研究指出了主要地壳构造单元对碳酸岩侵入体侵位作用的重要意义。

 Feng等通过对蒙古UlgiiKhiid碳酸岩中磷灰石熔融包裹体的研究，对碳酸岩岩浆作用过程中稀土元素的富集机制进行了探讨。作者在熔融包裹体中识别出了一种明显富含稀土元素的磷酸盐玻璃体（phosphate glass），其均一温度高于1200oC。作者认为碳酸岩中大量的岩浆成因磷灰石可能是熔体中磷元素饱和的一种指示。这可以解释为什么一些富含磷灰石的碳酸岩可以形成具有经济开采价值的矿床，尽管这些碳酸岩的稀土元素含量比其他碳酸岩要少一些。因此，作者认为，在碳酸岩的形成演化过程中，磷元素在稀土元素富集方面起着重要的控制作用。Feng等提出贫磷灰石且富重晶石/天青石/氟元素的碳酸岩是稀土元素矿床勘查中具有更大前景的目标靶区。

 Ren等对于白云鄂博Fe-REEs-Nb矿床中的磷灰石和白云石开展了矿物学和地球化学研究，白云鄂博矿床是世界上最大的稀土矿床。作者识别出了三类氟磷灰石。I型和II型氟磷灰石的稀土元素含量较高（17470~77090 ppm），III型氟磷灰石的稀土元素含量较低（2452~7496 ppm），而且Y、Na和Sr的含量存在明显差异。I型和II型氟磷灰石被解释为流体引发的溶解-再沉淀过程中再活化作用的产物，此时正是富稀土元素热液事件的后期阶段，III型氟磷灰石则是贫稀土元素阶段的产物。Ren等认为，白云鄂博矿床经历了多期次的热液交代作用，原生稀土元素来源于碳酸岩质岩浆，后期流体流入矿床，导致了稀土元素的再活化。

 Zheng和Liu对新生代毛牛坪稀土矿床（位于青藏高原东部）进行了研究，该矿床是中国第二大碳酸岩型稀土矿床。根据地质观测和流体包裹体的岩相学研究，Zheng和Liu将毛牛坪稀土矿床的成矿作用过程划分为四个阶段，即岩浆作用阶段、伟晶岩阶段、热液作用阶段和稀土元素富集阶段。作者认为，流体的δD和δ18Ofluid值以及较高的N2/Ar比值表明成矿流体来源于碳酸岩质岩浆。相对地，岩浆水和大气降水在第二次热液事件和稀土元素富集阶段是共存的。在稀土元素富集阶段，岩浆流体的冷却以及与大气降水的混合在成矿过程中起着重要作用，成矿作用的发生条件为160oC~240oC和低于0.5千巴。Zheng和Liu认为，Na、K、Sr、Ba和稀土元素的高含量、伟晶岩的发育、强烈的霓裳长岩化作用以及稳定的矿物组合（萤石、重晶石和方解石）是碳酸岩型稀土元素矿床勘查的指示标志。

 Zhang等对中国秦岭造山带的庙垭稀土元素远景区开展了同位素和矿物学研究。作者利用该实例研究考虑了形成碳酸岩型稀土矿床的各种作用机制。Zhang等的LA-ICP-MS分析表明碳酸岩中的磷灰石和方解石富含稀土元素。作者认为，庙垭远景区的稀土元素来源于伴生的碳酸岩-正长岩杂岩体。作者指出，庙垭远景区中稀土元素含量较低是由两个主要因素造成的，一是该地区的构造变形较小使热液活动受到了限制，二是缺少再活化和富集稀土元素的成矿流体。

 Dietzel等对欧洲最大的碳酸岩型稀土元素和钍矿床（挪威Fen杂岩体中的热液型REEs-Th-Nb矿化带）进行了矿物学和地球化学研究。作者指出，Fen杂岩体经历了三次强烈的岩浆期后热液蚀变事件，从而形成了两个不同的矿化阶段。Dietzel等认为源自碳酸岩的流体和大气流体的混合导致了不同稀土元素矿化带的形成。其中最强烈的热液蚀变作用导致了最高含量的重稀土元素富集。富钍元素矿物的析出与富重稀土元素矿物密切相关。在第二个蚀变期间，富稀土元素流体导致了Fe和Al的再活化和再分配，并且形成了REEs-F碳酸岩。交代硅化作用使P得以重新分配，并且导致了轻稀土元素的再活化。Dietzel等指出，稀土元素的富集过程是由大量源自碳酸岩的富稀土元素流体沿着渗透带渗入早期结晶形成的碳酸岩中而引发的。

3 碳酸岩型稀土元素勘探目标靶区的意义

 已故的Robert Kerrich教授曾指出，稀土元素的丰度其实并不十分低，而且稀土元素形成于太阳系诞生之初（因为稀土元素是通过超新星爆发形成的）。上陆壳（UCC）、澳大利亚后太古代页岩（PAAS）和北美太古代页岩（NASC）中稀土元素（不包括Y和Sc）的平均含量值分别约为150 ppm、185 ppm和175 ppm。尽管上述平均含量值作为背景值是非常低的，但这表明盆地中的沉积岩组合具有提供大量稀土元素的潜力，只要有一种可富集和回收沉积地层中稀土元素的技术即可。现在的问题不在于如何找到稀土元素富集的矿床，而是如何将矿石中的稀土元素以经济且环保的方式采出并形成精矿。

 碳酸岩是稀土元素资源最具开发前景的赋矿岩石之一，但是并非所有的碳酸岩都富含稀土元素，因此需要通过次生地质过程实现稀土元素的富集。然而，尚不清楚导致碳酸岩中关键金属资源富集的地质过程。据报道，碳酸岩中稀土元素的富集机制有多种类型，包括岩浆作用、热液作用或晚期风化作用。然而，仍不确定为什么有些碳酸岩中富含稀土元素，而有些碳酸岩中则不富含稀土元素。因此，降低圈定矿化碳酸岩的不确定性将是勘查碳酸岩型稀土元素矿床的重要一步。

 根据已知碳酸岩赋存的分布特征，最有利于碳酸岩侵位的地质环境是克拉通构造环境。然而，碳酸岩露头的小规模（约3平方千米）使得其很难被圈定。另一方面，大多数碳酸岩与碱性杂岩体有关，而碱性杂岩体的规模较大，因此从岩性、地球化学和地球物理的特征显示上也更明显。如果碳酸岩相关特征可以以可填图的指示标志显示的话，并且在一个成矿系统框架中可以用作矿石载体，则这对于矿产资源勘查具有重要意义。

 在平面视图上，很多碳酸岩杂岩体呈现出圆形或半圆形的几何结构，各种地球科学数据库中都识别出了这种几何结构特征，特别是遥感数据（例如全色、多光谱、高光谱以及微波图像和数字高程模型）和地球物理（辐射、地磁和重力）数据。将几何结构、光谱和地球物理特征与地球化学特征（例如稀土元素、PO4、F、Cl等的富集）结合起来，可以为碳酸岩提供一些有用的勘查指示标志。数据科学和分析技术的最新进展为区域尺度的数据集成提供了强大且具发展前景的勘探手段。然而，一些不利因素阻碍了数据分析技术在很多区域的应用，这包括区域数据库有限的可用性（具有适当的数据密度）和较小规模的碳酸岩露头和分布范围。此外，大陆上的许多伸展构造带，特别是克拉通地区，覆盖有厚盖层，这使得对碳酸岩的识别变得较为困难。

 已发现碳酸岩的地理分布情况，显示了不同克拉通区域的地理相关性，其中包括北美洲的Superior克拉通、非洲的Tanzania和Kapvaal克拉通、南美洲的Amazonian克拉通、俄罗斯的Siberian克拉通以及印度的Dharwar克拉通。此外，碳酸岩的分布与一些地形起伏较大的区域具有某种相关性。这种地貌环境可能有助于碳酸岩型矿床的发现。根据有关报道，西澳大利亚州Yilgarn克拉通Forrestania地区中的矿床与Au地表地球化学异常分布和该地区的侵蚀地貌区域具有相似的地理相关性。

 目前，采用数学/统计或机器学习方法将碳酸岩侵位的概念模型和不同的空间指示标志联系起来的前瞻性分析研究成果并不是很多。这些研究工作有助于圈定含有新的碳酸岩赋存的潜在目标靶区，也有助于对不同规模和不同地质环境下的概念模型及其勘查指示标志进行验证。需要特别强调的是，在遭受强烈风化作用且上覆有盖层的区域中，碳酸岩的识别尤其具有挑战性。

 为了有效圈定碳酸岩和碳酸岩型稀土元素矿床，将数据驱动下的技术方法与对碳酸岩侵位和碳酸岩中稀土元素富集的控制作用（岩浆、热液或者表层）的更好认识结合起来正变得至关重要。其中，数据驱动下的技术方法基于的是对遥感数据、区域地球化学和地球物理（地磁、辐射和重力）数据库的集成。这种综合方法可以从根本上影响对与碳酸岩这种罕见岩性的岩石类型相关的稀土元素矿产资源的评估。