基于价格因素的深海富稀土沉积物价值评价与陆地稀土矿床比较分析

王春娟,2，王玺茜3，刘大海,2，于 莹,2 ，刘芳明

(1.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061； 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061；3.中国人民大学，北京 100872)

作为高新技术研发、军事国防、清洁能源等领域内最核心的原材料[1]，稀土元素极高的战略价值决定了其必将成为未来国家之间政治博弈的焦点。当前对于稀土资源的开发利用主要集中在陆地稀土元素[2]，但随着陆地稀土资源的逐渐匮乏，日本、美国等国已将开发稀土资源的目光由陆地转向海底[3]。海底稀土元素含量丰富，主要分布于海底沉积物、多金属结核、热液硫化物和海水中[4]。全球许多海底沉积物中都含有丰富的稀土元素，但由于海底沉积物空间分布数据不足，当前并没有将其作为稀土元素的主要来源。Kato Y、Fujinaga K、Nakamura K等[5]学者指出，在海底资源开发不受经济和技术限制的前提下，太平洋等海域海底沉积物的稀土元素将会为未来稀土的供应做出重要的贡献。因此，对海底稀土资源的探索和研究将成为稀土资源开发的主要发展趋势。

学者们对于稀土元素的研究主要集中在两方面：一是对稀土资源地质分布特征的研究，即对不同地区或海域内稀土元素含量、丰度和分布模式等进行深入研究；二是结合经济特征，从市场、价格、贸易政策和开发战略等角度对稀土元素及其开发利用做进一步分析。例如，Schlinkert D和Gerald V D B K[6]通过建立经济模型，对稀土元素市场上企业的垄断行为及其价值链进行了研究；Georgios Charalampides、Konstantinos I Vatalis、Baklavaridis Apostoplos等[7]具体分析了各个稀土元素的应用价值，并从市场供需和贸易政策的角度对欧洲地区进口稀土元素的依赖性进行了探讨；Erika Machacek、Jessika Luth Richte、Komal Habib等[8]在循环经济背景下分析回收利用稀土荧光灯的价值，从产品的角度进行了稀土元素价值分析；倪平鹏、蒙运兵、杨斌[9]从稀土元素开发战略角度提出了我国要提高国家稀土应用水平的政策建议；吴巧生和孙奇[10]、毕占天[11]对稀土价格机制进行了研究；邱南平[12]从稀土产品经济特征等方面进行研究，剖析了稀土市场的市场结构、产品需求特征和价格弹性等。

本文尝试结合稀土资源的地质分布和市场价格特征，采用基于价格因素的比较分析方法对稀土资源的经济价值进行评价分析。通过对现有海底沉积物稀土元素含量测定的相关数据进行归纳处理，结合稀土元素的市场价格，测算太平洋、印度洋等海域富稀土沉积区域单位海底沉积物中稀土元素的经济价值，进一步与陆地稀土矿床进行经济比较，以探索其区域分布规律。

1 数据基础与研究方法

1.1 样本选取

太平洋东部地区是一个环境变化较复杂的地区，也是重要的多金属结核富集区域和稀土元素富集区域之一，众多学者对该区域稀土元素含量进行了研究[13-15]。根据东太平洋CC区表层沉积物的地质特征研究各类表层沉积物中稀土元素分布规律，发现沸石粘土沉积物稀土元素富集程度较高，硅质软泥中稀土元素含量最低，所有沉积物中均存在着明显的Ce负异常和Eu正异常的轻稀土元素亏损特征[16]。根据Kato Y、Fujinaga K、Nakamura K[5]等分析，东南太平洋表层沉积物稀土含量较高，沉积物中稀土元素差异可达数十倍，即使在相同类型的沉积物中，稀土元素含量差异也非常大。总体来说，沸石粘土中稀土元素含量最高，远洋粘土和硅质软泥次之，钙质软泥中稀土元素含量最低[17]。在中印度洋海盆表层沉积物中的沸石粘土、深海粘土等类型沉积物中，稀土元素较富集，相对富集重稀土元素，HREY富集系数可到10以上，Y元素富集系数最高可达14，根据沉积岩心和箱式样稀土元素含量的分析，稀土含量为上地壳的6.33倍，是名副其实的富稀土深海粘土[18]。日本在南鸟礁拓洋第5海山的东部海域发现了含稀土海底沉积物的高品位分布区，稀土品位最高可达5366ppm，平均品位1221ppm。根据样品分析和声学数据解释结果，按现阶段估算的稀土远景资源量约为77万t[19]。

我国陆地稀土资源较为丰富，全国存在着上千处矿床和矿点。稀土矿床主要分为矿物型和风化型两种。著名的矿物型稀土矿有白云鄂博铁稀土铌矿，该矿是我国最大的稀土矿，被誉为“稀土之都”，在有限的48km2范围内，聚集了全世界70%的稀土资源[20]。风化型稀土矿主要是风化壳淋积型稀土矿，广泛分布在江西、广东、福建、广西、海南、湖南、云南和浙江等省份[21]，粤东饶平县花岗岩风化壳稀土矿床的REE在矿床中的分布具有“顶、底贫矿，中间富矿”的特征[22]。

本文基于前人研究，选取东太平洋CC区、东南太平洋海域、中印度洋海盆和南鸟礁周边海域富稀土沉积物[23]与陆地矿物型稀土矿白云鄂博[24]、风化型稀土矿广西饶平县稀土矿床进行了分析与比较，并将前人对各海域内和陆地两种类型稀土矿中稀土元素含量数据进行整理归纳，结果见表1。

其中，∑REE为单位沉积物中稀土元素的总含量，LREE为轻稀土元素的含量，HREE为重稀土元素的含量。

表1 深海富稀土沉积物和陆地稀土矿床中稀土元素含量(ug/g)

(续表1)

1.2 研究方法

采用引入价格因素的地质经济比较分析方法，将地质分布特征与市场价格特征结合，在选择不同地区的稀土元素沉积物时，根据不同的地质因素进行划分，通过引入价格对沉积物中稀土元素的经济价值进行比较分析。该方法在确定单位沉积物中稀土元素价格的基础上，为每种类型的稀土元素建立了两个比较参数：相对潜在价格(С相对)和自然约定价格(Р约定)。相对潜在价格是指单位沉积物稀土元素相对于标准沉积物稀土元素的相对潜在价格，代表了单位沉积物中稀土元素的相对市场价值。因为稀土元素市场价格变化快且幅度大，所以绝对评估作用时间短，相对评估更为稳定。自然约定价格是通过单位沉积物稀土元素的相对潜在价格与沉积物中稀土元素丰度的乘积计算而得，这一参数考量了相对潜在价格(С相对)和稀土元素丰度(P或∑REE)两个指标，反映了沉积物的组成和数量两个方面，更具综合性，可全面地反映沉积物稀土元素的综合地质经济意义。测算相对潜在价格(С相对)和自然约定价格(Р约定)时，需要用到两个中间参数，分别是不同海域每千吨海底沉积物稀土元素的价格(Сi)和海底沉积物稀土元素标准物质作为基准物质进行比较的价格(С标准)，各参数和指标含义如下：

Сi—不同海域每千吨海底沉积物稀土元素的价格(以美元表示)。依据为稀土元素价格，将每单位沉积物中各个稀土元素的含量与对应的价格相乘，加总得到该类型沉积物稀土元素的市场价格(Сi)。美国地质调查局有关稀土元素价格统计资料显示，2011—2015年部分稀土元素价格数据缺失，因此选取2010年稀土元素价格进行分析比较(表2)。从表2可见，在15种稀土元素中，Eu、Tb、Tm、Lu等4种元素的市场价格最高。

表2 2010年稀土元素价格表(美元/kg)

С标准----海底沉积物稀土元素标准物质作为基准物质比较的价格(以美元表示)。选取国家一级海底沉积物标准物质(GBW07313)作为标准物质(沉积物稀土元素含量见表3)，价格作为基准价格(С标准)，即С标准为62,611美元。①С相对=Сi/С标准----103t海底沉积物稀土元素的相对潜在价格。②Р约定=С相对×Р----单位(103t)海底沉积物稀土元素的自然约定价格。其中，Р为稀土元素丰度。

表3 国家一级海底沉积物标准物质(GBW07313)各稀土元素含量(ug/g)[14]

2 结果及分析

本文根据上述公式，计算得到世界海域海低沉积物与陆地稀土矿床中稀土元素的相对潜在价格(С相对)和自然约定价格(Р约定)，并通过С相对和P约定值的大小进行了稀土元素的经济价值比较分析，见表4。

表4 世界海域海底沉积物和陆地稀土矿产中稀土元素的相对潜在价格和自然约定价格(美元)

(续表4)

2.1 深海沉积物中稀土元素价值比较分析

从东太平洋CC区沉积物类型看，稀土元素在沸石粘土中最为富集，且在该区域按照沸石粘土、硅质粘土、硅质软泥的顺序，稀土元素含量逐渐降低，Ci、C相对和P约定值也逐渐降低。硅质粘土和粘土质硅质软泥中的稀土元素含量高，但引入价格因素后，硅质粘土中的Ci、C相对和P约定值比粘土质硅质软泥中的数值要低。可见，价格因素对于东太平洋CC区的稀土元素经济价值具有较大的影响。东太平洋CC区沉积物中稀土含量的平均值为665.47×10-6，C相对和P约定值分别为4.61和3069.45，最高值为788.84×10-6，对应的C相对和P约定值分别为5.6941和4491.7619(图1)。

图1 深海富稀土沉积物与陆地矿物型、风化型稀土矿的

从东南太平洋区域表层沉积物类型来看，按照沸石粘土、远洋粘土、硅质软泥、钙质软泥的顺序，稀土元素含量依次降低，Ci、C相对和P约定值也随着沉积物类型逐渐降低。在东南太平洋海域内，沸石粘土类沉积物的稀土元素含量最高，是稀土含量最低的钙质软泥的8.59倍。相应的，沸石粘土类沉积物稀元素的C相对和P约定值也是最高，分别为钙质软泥的8.49和73.01倍。东南太平洋区域沉积物中稀土含量的平均值为462.71×10-6，C相对和P约定值分别为3.07和1421.45。

沸石粘土型沉积物的稀土含量，在中印度洋海盆海底沉积物较之东太平洋CC区更高，但略逊于东南太平洋区域。Ci、C相对和P约定值情况与稀土含量一致，也是东南太平洋最高，中印度洋海盆次之，最后是东太平洋CC区。

根据目前数据，南鸟礁周边海域海底沉积物的稀土含量及其经济价值在深海沉积物中最高，稀土含量高达1858×10-6，C相对值分别为东太平洋CC区、东南太平洋区域和中印度洋海盆的2.20、1.61、1.84倍，P约定值分别是东太平洋CC区、东南太平洋区域和中印度洋海盆的5.18、2.72、3.19倍。

С相对值越高，稀土元素的相对潜在价格越高，单位沉积物中稀土元素相对市场价值越高，价值表现也相对稳定。从深海沉积物类型来看，沸石粘土类沉积物中的稀土元素含量和单位沉积物元素相对价值最高，其后依次为远洋粘土、硅质软泥和钙质软泥。从深海区域看，南鸟礁附近海域、东南太平洋海域、中印度洋海盆、东太平洋CC区的相对市场价值依次降低。P约定值越高，稀土元素的综合经济价值越高，并相对稳定。沸石粘土类沉积物对于稀土元素来讲，无论是含量还是价值，均是深海沉积物中最高的。根据沸石粘土类沉积物所在不同深海区域，南鸟礁附近海域的P约定数值最高，综合经济价值最高，其次是东南太平洋海域，其P约定值分别是东太平洋CC区和中印度洋海盆的1.91和1.71倍，综合经济价值较高。

2.2 深海沉积物与陆地稀土矿稀土元素价值比较

本文引入价格因素，测算了白云鄂博稀土矿和广东饶平县花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿床稀土元素含量及其С相对和P约定值，并与深海沉积物稀土经济价值进行了比较，分析了深海沉积物与我国陆地的矿物型和风化型两种稀土矿床的稀土元素经济价值。在分析矿物型白云鄂博矿床时，根据矿物组成的不同，选取白云石型、白云石—方解石共存型和方解石型3种碳酸盐脉的稀土元素进行价值测算。3种类型盐脉的稀土含量差别较大，方解石型含量明显高于其他两种类型，而白云石型最低。与深海沉积物相比较，白云石类型中的稀土含量、Ci、C相对和P约定值仅高于东南太平洋钙质软泥；而方解石型的稀土含量、Ci、C相对和P约定值远远高于深海沉积物，稀土元素含量分别是东太平洋CC区沸石粘土、东太平洋沸石粘土、中印度洋海盆沸石粘土、南鸟礁的111.30、79.45、81.89、47.25倍，P约定值分别是东太平洋CC区沸石粘土、东太平洋沸石粘土、中印度洋海盆沸石粘土、南鸟礁的4293.77、2250.20、2639.71、828.68倍；共存型岩脉稀土元素含量、Ci、C相对和P约定值均低于深海沸石粘土型沉积物和南鸟礁周边海域沉积物，但高于东太平洋CC区和东南太平洋各自沉积物类型的平均含量值。总体上看，白云鄂博稀土矿3种碳酸盐脉的稀土元素含量、Ci、C相对和P约定平均值在方解石型岩脉的高值作用下，均高于深海沉积物。由此可见，即使稀土元素含量和经济价值较高的东南太平洋沸石粘土沉积物和南鸟礁附近海域沉积物，其经济客观性也远远落后于白云鄂博稀土矿床。

根据各地区或海区的稀土元素含量、Ci、C相对和P约定的平均值，深海沉积物均高于广东饶平县风化壳离子吸附型稀土矿床，东太平洋CC区、东南太平洋、中印度洋海盆沸石粘土与南鸟礁附近深海沉积物中的C相对和P约定值分别是广东饶平县风化壳离子吸附型稀土矿床的1.47、2.20、3.26、5.98倍和1.49、3.22、7.66、24.41倍。除了东太平洋CC区沸石粘土的各值比广东饶平县稀土矿床下段风化壳低以外，其他各海区的最高值均高于它。因此，与广东饶平县风化壳离子吸附型稀土矿床各值进行比较，深海沉积物稀土元素的相对潜在价格较高，因此相对稳定的综合经济价值也较高，具备较高的开采经济潜力。

3 讨论与建议

3.1 讨论

从稀土元素含量和价格因素两个角度来看，深海富稀土沉积物的经济价值较高，虽然低于我国白云鄂博稀土矿，但是远远高于以我国广东省饶平县风化壳离子吸附型稀土矿床为代表的稀土矿床经济价值。尤其是南鸟礁附近海域沉积物，不但稀土元素含量较高，而且单位沉积物产生的经济价值也很高。日本已在该海域周边进行了间距100km的网格点调查，在“稀土富集区”开展了间距25km的详细调查，并确定了“高品位分布区”，经济价值的可行性和调查的详细性可为该区深海稀土开采奠定一定的基础。该区水深达5700m，是所选样本中水深最深的区域，开采难度较大。当前虽然勘探程度较深，但是需考虑的水深和超高粘度深海泥采集技术等因素也较多，且目前取样间距距离高精度资源量评价仍然存在一定的差距。结合JOGMEC目前的研究成果[19]，商业化开采仍处于利润边界附近，如果稀土元素市场价格稍有波动，很可能面临巨大的经济损失。东南太平洋和中印度洋海盆沸石粘土型富稀土沉积物的单位经济价值虽然较高，但是目前勘探调查程度较低，在资源量评价方面的取样精度远远不能满足要求。因此，这些海区仍需深入开展勘探调查，从取样间距、声学调查、沉积物类型分布规律等角度开展更加详细的调查。太平洋CC区沸石粘土型沉积物中的稀土元素单位经济价值高于陆地风化型稀土矿床，但由于CC区锰结核大量发育，且在锰结核研究过程中对该区已开展了相对详细的调查，其开采的经济价值不局限于稀土资源本身，因此锰结核资源也是需要综合考虑的。

3.2 发展方向与对策建议

针对南鸟礁附近海域沉积物，需要从深度、广度和精度3个方面共同探查稀土资源分布范围，并综合利用浅地层剖面、声学探测等多种勘探技术与方法，以提高工作效率和覆盖的广度与深度[25]，更精确地估测潜在资源量和可采资源量，并从经济价值角度探测评价其经济可行性。针对东南太平洋和中印度洋海盆沸石粘土型富稀土沉积物，由于单位经济价值较高，但勘探程度较低，因此需要加大勘探力度，增加勘探开发与评价的科技投入，并进行中长期的调查规划，从调查精度、资源靶区圈定、资源量评价、经济价值评价、开采技术创新等方面有计划、有步骤地开展相关研究。太平洋CC区沸石粘土型沉积物的研究程度较深，在增加科技投入并纳入规划的基础上，开采需要综合考虑锰结核与稀土资源的共同开发，从开发技术上探讨多种矿物共同开发的可能性和可行性，以达到经济利益的最大化。

总体上看，本文仅从稀土元素的含量和价格因素两个角度开展了分析[26]，未考虑构成稀土矿床的总体资源量、主量元素和微量元素及其经济价值、深海矿产开采技术、深海采矿风险与环境影响等相关因素，因此深海富稀土沉积物进入商业开采还存在着许多忧虑，需要从深海富稀土沉积物的技术调查、资源远景预测和开采系统角度进行综合考虑。①技术方面，需要从采矿、扬矿、冶炼和深水超高粘度矿物采集等角度加强研究[27]，在注重技术提升的基础上进一步考虑环境影响。②资源远景预测方面，不仅要考虑资源量的评价，还要考虑资源的经济价值，同时要兼顾面向事业化、商业化的各类要素。③开采系统方面，需要从技术与适宜性评价、成本估算和经济性评价、环境影响和风险评价等各角度进行综合考虑[28]。

4 结论

整体上，深海沉积物稀土元素受其沉积物类型、品位与价格因素的影响，С相对与P约定呈现不同的变化趋势。东太平洋CC区、东南太平洋、中印度洋海盆和南鸟礁周边海域的富稀土沉积物的С相对与P约定值较高，且沸石粘土型沉积物的稀土元素含量和单位经济价值更高，与其他沉积物类型相比优势明显。深海沸石粘土型富稀土沉积物与陆地风化型稀土矿床比较，单位经济价值存在相当的优势，与我国最大的稀土矿白云鄂博比较还存在一定差距。

上述结论强调了稀土地质经济比较的意义所在。以往单从稀土元素丰度的角度进行分析未能反映某区域海底沉积物稀土元素的开采利用价值，引入价格因素针对分析海底沉积物稀土元素的经济价值，并与陆地矿物型和风化型稀土矿床进行比较分析，凸显了不同海底沉积物类型和不同海区稀土元素的开发价值，为今后对稀土资源的开采提供了必要的经济依据。同时，针对各海区的稀土资源勘探程度和经济价值评价等具体情况，分析了进一步勘探与研究方向。本文尚存在不足之处，如仅引入价格因素对经济价值的影响，未考虑资源量和开采环境影响等因素。未来将在此基础上，进一步通过收集整理分析资源量等相关数据，开展全面的沉积物稀土元素经济价值评价。