基于價格因素的深海富稀土沉積物價值評價與陸地稀土礦床比較分析

王春娟,2，王璽茜3，劉大海,2，于 瑩,2 ，劉芳明

(1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266061；3.中國人民大學，北京 100872)

作為高新技術研發、軍事國防、清潔能源等領域內最核心的原材料[1]，稀土元素極高的戰略價值決定了其必將成為未來國家之間政治博弈的焦點。當前對于稀土資源的開發利用主要集中在陸地稀土元素[2]，但隨著陸地稀土資源的逐漸匱乏，日本、美國等國已將開發稀土資源的目光由陸地轉向海底[3]。海底稀土元素含量豐富，主要分布于海底沉積物、多金屬結核、熱液硫化物和海水中[4]。全球許多海底沉積物中都含有豐富的稀土元素，但由于海底沉積物空間分布數據不足，當前并沒有將其作為稀土元素的主要來源。Kato Y、Fujinaga K、Nakamura K等[5]學者指出，在海底資源開發不受經濟和技術限制的前提下，太平洋等海域海底沉積物的稀土元素將會為未來稀土的供應做出重要的貢獻。因此，對海底稀土資源的探索和研究將成為稀土資源開發的主要發展趨勢。

學者們對于稀土元素的研究主要集中在兩方面：一是對稀土資源地質分布特征的研究，即對不同地區或海域內稀土元素含量、豐度和分布模式等進行深入研究；二是結合經濟特征，從市場、價格、貿易政策和開發戰略等角度對稀土元素及其開發利用做進一步分析。例如，Schlinkert D和Gerald V D B K[6]通過建立經濟模型，對稀土元素市場上企業的壟斷行為及其價值鏈進行了研究；Georgios Charalampides、Konstantinos I Vatalis、Baklavaridis Apostoplos等[7]具體分析了各個稀土元素的應用價值，并從市場供需和貿易政策的角度對歐洲地區進口稀土元素的依賴性進行了探討；Erika Machacek、Jessika Luth Richte、Komal Habib等[8]在循環經濟背景下分析回收利用稀土熒光燈的價值，從產品的角度進行了稀土元素價值分析；倪平鵬、蒙運兵、楊斌[9]從稀土元素開發戰略角度提出了我國要提高國家稀土應用水平的政策建議；吳巧生和孫奇[10]、畢占天[11]對稀土價格機制進行了研究；邱南平[12]從稀土產品經濟特征等方面進行研究，剖析了稀土市場的市場結構、產品需求特征和價格彈性等。

本文嘗試結合稀土資源的地質分布和市場價格特征，采用基于價格因素的比較分析方法對稀土資源的經濟價值進行評價分析。通過對現有海底沉積物稀土元素含量測定的相關數據進行歸納處理，結合稀土元素的市場價格，測算太平洋、印度洋等海域富稀土沉積區域單位海底沉積物中稀土元素的經濟價值，進一步與陸地稀土礦床進行經濟比較，以探索其區域分布規律。

1 數據基礎與研究方法

1.1 樣本選取

太平洋東部地區是一個環境變化較復雜的地區，也是重要的多金屬結核富集區域和稀土元素富集區域之一，眾多學者對該區域稀土元素含量進行了研究[13-15]。根據東太平洋CC區表層沉積物的地質特征研究各類表層沉積物中稀土元素分布規律，發現沸石粘土沉積物稀土元素富集程度較高，硅質軟泥中稀土元素含量最低，所有沉積物中均存在著明顯的Ce負異常和Eu正異常的輕稀土元素虧損特征[16]。根據Kato Y、Fujinaga K、Nakamura K[5]等分析，東南太平洋表層沉積物稀土含量較高，沉積物中稀土元素差異可達數十倍，即使在相同類型的沉積物中，稀土元素含量差異也非常大。總體來說，沸石粘土中稀土元素含量最高，遠洋粘土和硅質軟泥次之，鈣質軟泥中稀土元素含量最低[17]。在中印度洋海盆表層沉積物中的沸石粘土、深海粘土等類型沉積物中，稀土元素較富集，相對富集重稀土元素，HREY富集系數可到10以上，Y元素富集系數最高可達14，根據沉積巖心和箱式樣稀土元素含量的分析，稀土含量為上地殼的6.33倍，是名副其實的富稀土深海粘土[18]。日本在南鳥礁拓洋第5海山的東部海域發現了含稀土海底沉積物的高品位分布區，稀土品位最高可達5366ppm，平均品位1221ppm。根據樣品分析和聲學數據解釋結果，按現階段估算的稀土遠景資源量約為77萬t[19]。

我國陸地稀土資源較為豐富，全國存在著上千處礦床和礦點。稀土礦床主要分為礦物型和風化型兩種。著名的礦物型稀土礦有白云鄂博鐵稀土鈮礦，該礦是我國最大的稀土礦，被譽為“稀土之都”，在有限的48km2范圍內，聚集了全世界70%的稀土資源[20]。風化型稀土礦主要是風化殼淋積型稀土礦，廣泛分布在江西、廣東、福建、廣西、海南、湖南、云南和浙江等省份[21]，粵東饒平縣花崗巖風化殼稀土礦床的REE在礦床中的分布具有“頂、底貧礦，中間富礦”的特征[22]。

本文基于前人研究，選取東太平洋CC區、東南太平洋海域、中印度洋海盆和南鳥礁周邊海域富稀土沉積物[23]與陸地礦物型稀土礦白云鄂博[24]、風化型稀土礦廣西饒平縣稀土礦床進行了分析與比較，并將前人對各海域內和陸地兩種類型稀土礦中稀土元素含量數據進行整理歸納，結果見表1。

其中，∑REE為單位沉積物中稀土元素的總含量，LREE為輕稀土元素的含量，HREE為重稀土元素的含量。

表1 深海富稀土沉積物和陸地稀土礦床中稀土元素含量(ug/g)

(續表1)

1.2 研究方法

采用引入價格因素的地質經濟比較分析方法，將地質分布特征與市場價格特征結合，在選擇不同地區的稀土元素沉積物時，根據不同的地質因素進行劃分，通過引入價格對沉積物中稀土元素的經濟價值進行比較分析。該方法在確定單位沉積物中稀土元素價格的基礎上，為每種類型的稀土元素建立了兩個比較參數：相對潛在價格(С相對)和自然約定價格(Р約定)。相對潛在價格是指單位沉積物稀土元素相對于標準沉積物稀土元素的相對潛在價格，代表了單位沉積物中稀土元素的相對市場價值。因為稀土元素市場價格變化快且幅度大，所以絕對評估作用時間短，相對評估更為穩定。自然約定價格是通過單位沉積物稀土元素的相對潛在價格與沉積物中稀土元素豐度的乘積計算而得，這一參數考量了相對潛在價格(С相對)和稀土元素豐度(P或∑REE)兩個指標，反映了沉積物的組成和數量兩個方面，更具綜合性，可全面地反映沉積物稀土元素的綜合地質經濟意義。測算相對潛在價格(С相對)和自然約定價格(Р約定)時，需要用到兩個中間參數，分別是不同海域每千噸海底沉積物稀土元素的價格(Сi)和海底沉積物稀土元素標準物質作為基準物質進行比較的價格(С標準)，各參數和指標含義如下：

Сi—不同海域每千噸海底沉積物稀土元素的價格(以美元表示)。依據為稀土元素價格，將每單位沉積物中各個稀土元素的含量與對應的價格相乘，加總得到該類型沉積物稀土元素的市場價格(Сi)。美國地質調查局有關稀土元素價格統計資料顯示，2011—2015年部分稀土元素價格數據缺失，因此選取2010年稀土元素價格進行分析比較(表2)。從表2可見，在15種稀土元素中，Eu、Tb、Tm、Lu等4種元素的市場價格最高。

表2 2010年稀土元素價格表(美元/kg)

С標準----海底沉積物稀土元素標準物質作為基準物質比較的價格(以美元表示)。選取國家一級海底沉積物標準物質(GBW07313)作為標準物質(沉積物稀土元素含量見表3)，價格作為基準價格(С標準)，即С標準為62,611美元。①С相對=Сi/С標準----103t海底沉積物稀土元素的相對潛在價格。②Р約定=С相對×Р----單位(103t)海底沉積物稀土元素的自然約定價格。其中，Р為稀土元素豐度。

表3 國家一級海底沉積物標準物質(GBW07313)各稀土元素含量(ug/g)[14]

2 結果及分析

本文根據上述公式，計算得到世界海域海低沉積物與陸地稀土礦床中稀土元素的相對潛在價格(С相對)和自然約定價格(Р約定)，并通過С相對和P約定值的大小進行了稀土元素的經濟價值比較分析，見表4。

表4 世界海域海底沉積物和陸地稀土礦產中稀土元素的相對潛在價格和自然約定價格(美元)

(續表4)

2.1 深海沉積物中稀土元素價值比較分析

從東太平洋CC區沉積物類型看，稀土元素在沸石粘土中最為富集，且在該區域按照沸石粘土、硅質粘土、硅質軟泥的順序，稀土元素含量逐漸降低，Ci、C相對和P約定值也逐漸降低。硅質粘土和粘土質硅質軟泥中的稀土元素含量高，但引入價格因素后，硅質粘土中的Ci、C相對和P約定值比粘土質硅質軟泥中的數值要低?？梢?，價格因素對于東太平洋CC區的稀土元素經濟價值具有較大的影響。東太平洋CC區沉積物中稀土含量的平均值為665.47×10-6，C相對和P約定值分別為4.61和3069.45，最高值為788.84×10-6，對應的C相對和P約定值分別為5.6941和4491.7619(圖1)。

圖1 深海富稀土沉積物與陸地礦物型、風化型稀土礦的

從東南太平洋區域表層沉積物類型來看，按照沸石粘土、遠洋粘土、硅質軟泥、鈣質軟泥的順序，稀土元素含量依次降低，Ci、C相對和P約定值也隨著沉積物類型逐漸降低。在東南太平洋海域內，沸石粘土類沉積物的稀土元素含量最高，是稀土含量最低的鈣質軟泥的8.59倍。相應的，沸石粘土類沉積物稀元素的C相對和P約定值也是最高，分別為鈣質軟泥的8.49和73.01倍。東南太平洋區域沉積物中稀土含量的平均值為462.71×10-6，C相對和P約定值分別為3.07和1421.45。

沸石粘土型沉積物的稀土含量，在中印度洋海盆海底沉積物較之東太平洋CC區更高，但略遜于東南太平洋區域。Ci、C相對和P約定值情況與稀土含量一致，也是東南太平洋最高，中印度洋海盆次之，最后是東太平洋CC區。

根據目前數據，南鳥礁周邊海域海底沉積物的稀土含量及其經濟價值在深海沉積物中最高，稀土含量高達1858×10-6，C相對值分別為東太平洋CC區、東南太平洋區域和中印度洋海盆的2.20、1.61、1.84倍，P約定值分別是東太平洋CC區、東南太平洋區域和中印度洋海盆的5.18、2.72、3.19倍。

С相對值越高，稀土元素的相對潛在價格越高，單位沉積物中稀土元素相對市場價值越高，價值表現也相對穩定。從深海沉積物類型來看，沸石粘土類沉積物中的稀土元素含量和單位沉積物元素相對價值最高，其后依次為遠洋粘土、硅質軟泥和鈣質軟泥。從深海區域看，南鳥礁附近海域、東南太平洋海域、中印度洋海盆、東太平洋CC區的相對市場價值依次降低。P約定值越高，稀土元素的綜合經濟價值越高，并相對穩定。沸石粘土類沉積物對于稀土元素來講，無論是含量還是價值，均是深海沉積物中最高的。根據沸石粘土類沉積物所在不同深海區域，南鳥礁附近海域的P約定數值最高，綜合經濟價值最高，其次是東南太平洋海域，其P約定值分別是東太平洋CC區和中印度洋海盆的1.91和1.71倍，綜合經濟價值較高。

2.2 深海沉積物與陸地稀土礦稀土元素價值比較

本文引入價格因素，測算了白云鄂博稀土礦和廣東饒平縣花崗巖風化殼離子吸附型稀土礦床稀土元素含量及其С相對和P約定值，并與深海沉積物稀土經濟價值進行了比較，分析了深海沉積物與我國陸地的礦物型和風化型兩種稀土礦床的稀土元素經濟價值。在分析礦物型白云鄂博礦床時，根據礦物組成的不同，選取白云石型、白云石—方解石共存型和方解石型3種碳酸鹽脈的稀土元素進行價值測算。3種類型鹽脈的稀土含量差別較大，方解石型含量明顯高于其他兩種類型，而白云石型最低。與深海沉積物相比較，白云石類型中的稀土含量、Ci、C相對和P約定值僅高于東南太平洋鈣質軟泥；而方解石型的稀土含量、Ci、C相對和P約定值遠遠高于深海沉積物，稀土元素含量分別是東太平洋CC區沸石粘土、東太平洋沸石粘土、中印度洋海盆沸石粘土、南鳥礁的111.30、79.45、81.89、47.25倍，P約定值分別是東太平洋CC區沸石粘土、東太平洋沸石粘土、中印度洋海盆沸石粘土、南鳥礁的4293.77、2250.20、2639.71、828.68倍；共存型巖脈稀土元素含量、Ci、C相對和P約定值均低于深海沸石粘土型沉積物和南鳥礁周邊海域沉積物，但高于東太平洋CC區和東南太平洋各自沉積物類型的平均含量值?？傮w上看，白云鄂博稀土礦3種碳酸鹽脈的稀土元素含量、Ci、C相對和P約定平均值在方解石型巖脈的高值作用下，均高于深海沉積物。由此可見，即使稀土元素含量和經濟價值較高的東南太平洋沸石粘土沉積物和南鳥礁附近海域沉積物，其經濟客觀性也遠遠落后于白云鄂博稀土礦床。

根據各地區或海區的稀土元素含量、Ci、C相對和P約定的平均值，深海沉積物均高于廣東饒平縣風化殼離子吸附型稀土礦床，東太平洋CC區、東南太平洋、中印度洋海盆沸石粘土與南鳥礁附近深海沉積物中的C相對和P約定值分別是廣東饒平縣風化殼離子吸附型稀土礦床的1.47、2.20、3.26、5.98倍和1.49、3.22、7.66、24.41倍。除了東太平洋CC區沸石粘土的各值比廣東饒平縣稀土礦床下段風化殼低以外，其他各海區的最高值均高于它。因此，與廣東饒平縣風化殼離子吸附型稀土礦床各值進行比較，深海沉積物稀土元素的相對潛在價格較高，因此相對穩定的綜合經濟價值也較高，具備較高的開采經濟潛力。

3 討論與建議

3.1 討論

從稀土元素含量和價格因素兩個角度來看，深海富稀土沉積物的經濟價值較高，雖然低于我國白云鄂博稀土礦，但是遠遠高于以我國廣東省饒平縣風化殼離子吸附型稀土礦床為代表的稀土礦床經濟價值。尤其是南鳥礁附近海域沉積物，不但稀土元素含量較高，而且單位沉積物產生的經濟價值也很高。日本已在該海域周邊進行了間距100km的網格點調查，在“稀土富集區”開展了間距25km的詳細調查，并確定了“高品位分布區”，經濟價值的可行性和調查的詳細性可為該區深海稀土開采奠定一定的基礎。該區水深達5700m，是所選樣本中水深最深的區域，開采難度較大。當前雖然勘探程度較深，但是需考慮的水深和超高粘度深海泥采集技術等因素也較多，且目前取樣間距距離高精度資源量評價仍然存在一定的差距。結合JOGMEC目前的研究成果[19]，商業化開采仍處于利潤邊界附近，如果稀土元素市場價格稍有波動，很可能面臨巨大的經濟損失。東南太平洋和中印度洋海盆沸石粘土型富稀土沉積物的單位經濟價值雖然較高，但是目前勘探調查程度較低，在資源量評價方面的取樣精度遠遠不能滿足要求。因此，這些海區仍需深入開展勘探調查，從取樣間距、聲學調查、沉積物類型分布規律等角度開展更加詳細的調查。太平洋CC區沸石粘土型沉積物中的稀土元素單位經濟價值高于陸地風化型稀土礦床，但由于CC區錳結核大量發育，且在錳結核研究過程中對該區已開展了相對詳細的調查，其開采的經濟價值不局限于稀土資源本身，因此錳結核資源也是需要綜合考慮的。

3.2 發展方向與對策建議

針對南鳥礁附近海域沉積物，需要從深度、廣度和精度3個方面共同探查稀土資源分布范圍，并綜合利用淺地層剖面、聲學探測等多種勘探技術與方法，以提高工作效率和覆蓋的廣度與深度[25]，更精確地估測潛在資源量和可采資源量，并從經濟價值角度探測評價其經濟可行性。針對東南太平洋和中印度洋海盆沸石粘土型富稀土沉積物，由于單位經濟價值較高，但勘探程度較低，因此需要加大勘探力度，增加勘探開發與評價的科技投入，并進行中長期的調查規劃，從調查精度、資源靶區圈定、資源量評價、經濟價值評價、開采技術創新等方面有計劃、有步驟地開展相關研究。太平洋CC區沸石粘土型沉積物的研究程度較深，在增加科技投入并納入規劃的基礎上，開采需要綜合考慮錳結核與稀土資源的共同開發，從開發技術上探討多種礦物共同開發的可能性和可行性，以達到經濟利益的最大化。

總體上看，本文僅從稀土元素的含量和價格因素兩個角度開展了分析[26]，未考慮構成稀土礦床的總體資源量、主量元素和微量元素及其經濟價值、深海礦產開采技術、深海采礦風險與環境影響等相關因素，因此深海富稀土沉積物進入商業開采還存在著許多憂慮，需要從深海富稀土沉積物的技術調查、資源遠景預測和開采系統角度進行綜合考慮。①技術方面，需要從采礦、揚礦、冶煉和深水超高粘度礦物采集等角度加強研究[27]，在注重技術提升的基礎上進一步考慮環境影響。②資源遠景預測方面，不僅要考慮資源量的評價，還要考慮資源的經濟價值，同時要兼顧面向事業化、商業化的各類要素。③開采系統方面，需要從技術與適宜性評價、成本估算和經濟性評價、環境影響和風險評價等各角度進行綜合考慮[28]。

4 結論

整體上，深海沉積物稀土元素受其沉積物類型、品位與價格因素的影響，С相對與P約定呈現不同的變化趨勢。東太平洋CC區、東南太平洋、中印度洋海盆和南鳥礁周邊海域的富稀土沉積物的С相對與P約定值較高，且沸石粘土型沉積物的稀土元素含量和單位經濟價值更高，與其他沉積物類型相比優勢明顯。深海沸石粘土型富稀土沉積物與陸地風化型稀土礦床比較，單位經濟價值存在相當的優勢，與我國最大的稀土礦白云鄂博比較還存在一定差距。

上述結論強調了稀土地質經濟比較的意義所在。以往單從稀土元素豐度的角度進行分析未能反映某區域海底沉積物稀土元素的開采利用價值，引入價格因素針對分析海底沉積物稀土元素的經濟價值，并與陸地礦物型和風化型稀土礦床進行比較分析，凸顯了不同海底沉積物類型和不同海區稀土元素的開發價值，為今后對稀土資源的開采提供了必要的經濟依據。同時，針對各海區的稀土資源勘探程度和經濟價值評價等具體情況，分析了進一步勘探與研究方向。本文尚存在不足之處，如僅引入價格因素對經濟價值的影響，未考慮資源量和開采環境影響等因素。未來將在此基礎上，進一步通過收集整理分析資源量等相關數據，開展全面的沉積物稀土元素經濟價值評價。