战略性非金属矿产厘定、关键应用和供需形势研究

王春连, 王九一, 游 超, 余小灿, 刘殿鹤, 颜 开,刘思晗, 薛 燕, 刘延亭, 刘 雪, 尹传凯

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;2)中国地质大学(武汉)地质调查研究院, 湖北武汉 430074;3)北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;4)冰岛大学地球科学学院, 冰岛雷克雅未克 101;5)昆明理工大学国土资源工程学院, 云南昆明 650093;6)长江大学资源与环境学院, 湖北武汉 430100;7)东华理工大学地球科学学院, 江西南昌 330013

进入 21世纪以来, 放眼全球, 我们正面临百年未有之大变局, 中国特色社会主义进入新时代, 人类社会进入前所未有的创造活跃期, 人类社会的发展更加依赖矿产资源, 矿产资源领域的博弈成为各国竞争的重要阵地(王安建等, 2010; 王登红, 2019;陈从喜等, 2020; 陈军元等, 2021; 郭娟等, 2021; 姜雅等, 2021; 焦森等, 2021; 滕晓华等, 2022), 全世界感觉到矿产资源供应面临危机(陈其慎等, 2021)。萤石、高纯石英、石墨、硼、叶蜡石、重晶石等非金属矿产中的绝大部分被美国、欧洲、日本、澳大利亚、印度等国列为“危机矿产”、“战略性矿产”或“关键矿产”(European Commission, 2017;U.S. Department of Commerce, 2019; Australian Government Department of Industry and Innovation and Science Australian Trade and Investment Commission,2019; 王春连等, 2022)。这些矿种都与战略新兴产业(信息技术、新能源、新材料、生物、高端制造、节能环保、电子信息和传统应用)密不可分。对战略性非金属矿产的合理厘定, 对于指导当前国家资源布局和采取可行的应对措施具有重要意义。本文对战略非金属矿产种类厘定过程、关键性应用、供需形势等进行了初步分析, 供矿产资源领域的研究人员、管理者参考。

1 战略性非金属矿产厘定

1.1 战略非金属矿产定义

战略性非金属矿产是指在一定时间期限内, 对保障经济发展、国际民生与国家安全具有重大意义、存在供应风险或在国际上具有市场优势的非金属矿产资源(陈从喜等, 2020; 李娜等, 2020; 董延涛等,2021)。具体包括以下几个方面: (1)对战略性新兴产业发展具有关键作用; (2)需要大量进口, 供应存在风险; (3)能够提升国际话语权和控制力, 其他国家强化管理的矿产。

当前, 加快产业发展, 尤其是战略性新兴产业,实现中国制造历史性飞跃, 是我国的国家战略目标之一。战略非金属矿产在战略性新兴产业发展中具有重要作用或不可替代的, 建议将其纳入战略性矿产范畴。

1.2 战略性非金属矿产的厘定原则

全世界专家学者对战略性矿产的研究和认识经历了漫长的时期, 得出了战略性矿产具有以下几个惯有的特征: (1)保证战略性新兴产业持续健康发展的重要材料基础; (2)应用领域前景广阔; (3)在一定的经济成本条件下, 在战略性新兴产业中难易被替代,是战略性新兴产业关键领域的关键原材料。本文重点介绍的非金属矿产, 或多或少都与战略性新兴产业有关。同时要求该矿产在战略性新兴产业领域的消费量占总消费量比例高于 50%, 且消费比例还有增加的趋势。

1.3 战略性非金属矿产种类的厘定

根据上述关于战略性非金属矿产的定义及厘定原则的分析和讨论, 主要聚焦我国非金属矿产资源现状、主要且关键的应用、消费形势、供需现状等, 反复论证暂定将萤石矿、高纯石英原料矿、晶质石墨矿、硼矿、金红石矿、重晶石矿、叶蜡石矿、硅藻土矿、石榴子石矿、金刚石矿和泥炭矿等11个矿种列为战略非金属矿产。以上11个矿种中的多数也被世界多个国家列为“战略性矿产”、“危机矿产”或“关键矿产”。

2 战略性非金属矿产在战略性产业中的关键应用

2.1 萤石

冶金行业生产炼铝熔剂冰晶石的原料萤石又称氟石, 是自然界中常见的一种矿物, 其主要成分为氟化钙, 化学式CaF2。萤石制作氟化氢(氢氟酸)及其他氟化合物应用于战略性新兴产业。萤石是最重要的氟化物的原料, 含氟材料是重要的化工新材料之一, 具有性能高、附加值高等特性, 被誉为“黄金产业”, 并走向“高端化”资源(陈军元等, 2021; 周博文等, 2022; 刘殿鹤等, 2022)。以萤石为原料的产品除广泛应用于冶金行业和日常工业外, 在新材料、信息技术、新能源、生物、高端制造、节能环保等战略性新兴产业中也应用广泛(表1)。在信息技术领域,氟化氢及含氟特种气体是大规模集成电路、薄膜晶体管液晶显示器、半导体等清洗剂和刻蚀气体; 氟化物玻璃光纤用于光纤制成的电子激光器和光纤制成的电子放大器; 氟硅酸钠还原用于制备多晶硅。在新能源领域, 氢氟酸是铀浓缩过程中用于提高纯度必用原材料, 氟化锂晶体用于核电站内环境剂量监测;六氟磷酸锂用作锂离子电池电解液; 氟化石墨用作一次锂电池的正极材料。在新材料领域, 氟硅胶材料用于汽车、摩托车、飞机发动机严密封闭等; 高性能氟材料用于高速铁路、家用汽车、航天、光伏发电等方面。在生物领域, 高效氟化试剂、新型含氟中间体, 主要用于含氟药物的研制。在高端制造领域, 氟化氢是火箭燃料推进剂中氧化剂的组成成分, 氟碳树脂和氟硅树脂用作飞机蒙皮涂料。钍基熔盐高温堆是未来第四代核反应堆堆型, 液态氟熔盐(FLiBe)用作冷却剂。在节能环保领域, PVDF中空纤维膜主要用于污水处理; 氟碳涂料、全氟醚真空脂主要用于建筑、Low-E玻璃; PTFE滤膜主要用于污染物过滤(陈军元等, 2021)。

表1 萤石在战略性新兴产业中的关键应用Table 1 Key application of fluorite in strategic emerging industries

萤石是与稀土、重晶石等类似的世界级稀缺资源, 美国将萤石列为“危机矿产”, 中国、欧盟、澳大利亚、日本等国家都将萤石列为或者“关键矿产”“战略性矿产”(张艳飞等, 2021)。

2.2 石英(高纯石英原料)

高纯石英指二氧化硅纯度超过 99.995%的石英矿物原料。严格而言, 高纯石英不是一种矿产, 而是由水晶、脉石英、花岗伟晶岩、尾矿等矿产作为原料经工艺提纯后的一种产品。目前国际及国内对高纯石英纯度没有统一的标准。国内通常认为高纯石英是SiO2含量大于99.9%的石英(汪灵等, 2014)。国际上一般认为高纯石英是杂质含量小于 50 μg/g的石英(Harben, 2002)。

高纯石英具有独特的物理、化学特性, 特别是内在的晶体结构、形状和晶格变化规律使其具有耐高温、耐腐蚀、抗磨、热膨胀系数小、高度绝缘、压电效应、谐振效应以及独特的光学特性, 是国家战略性产业和支柱性产业发展过程中不可替代的基础性材料。高纯石英是高档石英制品的原料(表2), 广泛用于信息技术、新能源、新材料、电子信息、高端制造和传统应用领域等(Haus et al., 2012; 王九一, 2021)。国内外专家学者普遍认为高纯石英和超高纯石英是当代乃至未来高科技产品生产的重要原料基础, 是衡量一个国家科技实力的重要标志, 各国高科技竞争的制高点。在欧洲部分国家, 已将高石英原料列为限制出口他国的重要战略资源。

表2 高纯石英原料矿在战略性新兴产业中的关键应用Table 2 Key application of high purity quartz raw material ore in strategic emerging industries

高纯石英原料广泛应用于战略性新兴产业。在信息技术领域, 用于制作晶体管、存储器和集成电路(芯片)等; 用于制作通讯领域的石英光纤, 玻璃基板,半导体化合物单晶及其生长用的容器, 光掩模基板,高纯石英坩埚等; 用于制作石英晶体振荡器的压电水晶等; 石英球形微粉用作大规模集成电路封装覆铜板以及环氧塑封料填料。在新能源领域, 单晶硅或多晶硅用于制作太阳能电池组件, 石英玻璃用于核聚变激光点火装置。在新材料领域, 石英纤维可用于制造火箭的喷火口等高温部件; 电子级硅微粉主要用于电子原件的塑封料和包装料。在电子信息领域,用于光通讯、电子信息、模集成电路基板、高端光源等。在高端制造领域, 石英玻璃用于普通及精密光学透镜、航空航天器的光学系统、红外线搜索与跟踪测量的光学系统、显微光学仪器等窗口材料; 石英球形微粉陶瓷复合材料用于飞机、火箭、卫星等防热瓦片, 也是导弹天线罩的主要材料之一; 石英玻璃纤维用于军事飞行器雷达罩(Perny et al., 1992)。

2.3 石墨

石墨具有导热、导电、耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、可塑性、涂敷性等特有的物理化学性能, 一直是战略新兴产业发展中不可或缺的重要战略资源, 不仅应用于电极电刷、铅笔、耐火材料、润滑等传统工业领域, 更是新材料领域、新能源领域、战略性新兴及核电领域的关键资源。在信息技术领域, 石墨烯用于超级电容, 用于智能设备芯片散热膜; 石墨烯用于触摸屏。在新能源领域, 石墨用于锂电池、太阳能电池和风力发电的电池电极材料和储能材料等; 锂离子电池、新型动力电池, 超级电容等。在新材料领域,应用于轮船、军舰、航母、化工厂等领域的防腐涂料; 用于高温的不粘锅和电灯等的热涂料。在生物医药领域, 用于医用消毒物品、治疗肿瘤的化疗药物、DNA测序、人造肌肉等领域。在高端制造领域,多用于生产中子减速剂和防护材料等; 制造火箭、导弹等武器的鼻锥, 宇航设备的高端耐高温零件(陈军元等, 2021); 人造卫星上的导电结构材料和无线电链接装置。在节能环保领域, 用于清理放射性废弃物行业污水处理等(表3)。

表3 石墨在战略性新兴产业中的关键应用Table 3 Key application of graphite in strategic emerging industries

美国将石墨列为“危机矿产”, 中国、欧盟、日本、OECD等国家相继出台了有关石墨矿产资源发展和相关产业规则, 已经把石墨列为“战略性矿产”或“关键矿产”(陈军元等, 2021)。

2.4 硼

硼是十分重要的化工非金属战略矿产资源, 自然界业已发现有 150多种含硼的矿物, 但无单质形态产出的硼, 全是以化学物形式产出的硼。目前,根据化学组成一般可把硼酸盐矿石矿物分成 3类:钠钙硼酸盐矿物, 铁镁硼硅酸盐矿物和镁铁锰硼酸盐矿物。硼及硼化合物具有质轻、阻燃、耐热、高硬、高强、耐磨及催化作用等特殊性能, 广泛用于信息技术、新能源、新材料、电子信息、高端制造和传统应用领域等(表4)。

表4 硼在战略性新兴产业中的关键应用Table 4 Key application of boron in strategic emerging industries

在信息技术领域, 硼是重要的半导体掺杂剂。在新能源领域, 硼用作核工业压水堆中子的屏蔽材料,控制核反应速度快慢的控制棒。在新材料领域, 由于氮化硼耐高温, 所以应用于电解、电阻材料; 由于氮化硼耐高温且硬度大, 用于高温润滑剂、受高强度挤压的抗磨和生产陶瓷的添加剂, 由于氮化硼耐高温且稳定性高, 应用于耐火材料和抗氧化添加剂, 耐高温的绝缘材料等方面。在电子信息相关领域, 用于雷达传递窗。在生物环保领域, 用于植物营养素。在高端制造领域, 高纯度硼粉(99%)用于固体火箭燃料推进剂, 氮化硼具有抗化学侵蚀性应用于特殊电解行业, 超高性能钕铁硼永磁材料应用于电机。

2.5 金红石

金红石就是较纯的TiO2, 一般含TiO2在95%以上, 是提炼金属钛的重要原料, 但在地壳中含量较少。它具有耐高低温、耐腐蚀、高强度、小比重等优异性能, 用以生产高端海绵钛, 进而加工成钛合金, 以此来用于战略性新兴产业。在信息技术领域,镍钛合金用于电子微动开关、移动电话天线等。在新能源领域, 钛金属用于核电站、火电站的汽轮机冷凝器和冷却水热交换器; 镍钛合金用于温控开关、大功率电缆连接插头。在新材料领域, 用于血管支架和非血管支架、心房心室栓堵器、牙齿矫形丝, 以及各种骨科应用。在生物环保领域, 主要是用于医用钛合金。在高端制造领域, 钛合金(Ti-6Al-4V)用于飞机发动机压气机、风扇叶片, 起落架等相关部件制造; 用于制造核潜艇外壳、内部管道回路系统, 用作深潜器结构材料; 用于海洋石油钻探和海洋电站防腐蚀器件等, 在传统应用领域, 用于涂料、颜料、塑料制品、催化剂、陶瓷制品(表5)。

表5 金红石在战略性新兴产业中的关键应用Table 5 Key application of rutile in strategic emerging industries

2.6 硅藻土

硅藻土尽管国内应用领域和应用水平较低, 但在战略性新兴产业已经展现广泛应用前景(表6)。在信息技术领域, 硅藻土用于电子封装外用的管壳。在新能源领域, 室温条件下, 硅藻土的疏松多孔且吸附力强是储存氢气的绝好材料; 加有硅藻土的材料, 可用于潜热相变储能材料。在生物环保领域,硅藻土的重要用途是作为助滤剂, 应用在啤酒、制药、净水、糖类等行业得到广泛应用; 硅藻土用于吸附工业生产废水中的重金属离子, 也用于处理造纸废水、印刷废水、染布废水、城镇生活污水、杀猪废水等; 硅藻土基体负载纳米TiO2制备的新材料可用于制作室内百叶窗以净化空气。在高端制造领域, 用于飞机防热部件的生产。在传统领域, 制作球形硅粉用到硅藻土。

表6 硅藻土在战略性新兴产业中的关键应用Table 6 Key application of diatomite in strategic emerging industries

2.7 叶蜡石

叶蜡石的化学组成为 Al2[Si4O10](OH)2, 化学稳定性强、低热传导性、低导电性、高熔点、良好的抗腐蚀性等特点。叶蜡石是制作玻璃纤维的外包装材料、过滤材料、高端制造业外防火层、超硬材料等的重要生产原料之一, 是重要的新能源风机叶片的新型功能材料(表7)。在信息技术领域, 玻璃纤维用于制作光纤纤芯的包层; 玻纤电子布用于制作多层印刷电路的覆铜板。在新能源领域, 玻璃纤维布用于风力涡轮机叶片。在新材料领域, 用于玻璃纤维生产工业中的的玻璃球; 叶蜡石作为传压密闭介质在高压合成行业需要密闭介质, 叶蜡石是最好的传压密闭介质, 因此应用广泛; 生产洗涤剂和分子筛中叶蜡石也是必备的原材料。在生物环保领域, 叶蜡石制成的玻璃纤维过滤材料用于过滤各种汽车尾气、工厂、公共场所的烟气粉尘, 叶蜡石还可用于防止水土流失; 天然叶蜡石合成沸石分子筛作为吸附剂使用。在高端制造领域, 玻璃纤维用于飞机轮船的浆叶、机械的方向舵、雷达防护罩、各类仪表盘等; 由于叶蜡石可以制成超硬材料, 因此广泛应用于制造高超音速导弹外壳、返回舱外壳、太空舱外壳、防弹盔甲、防弹服、宇航服反射绝缘层和外防火层等方面。在传统应用领域, 用于超硬陶瓷和超高压电瓷、没有环境污染的新型耐火材料、新能优异的玻璃纤维、硬度超高的材料等的重要生产原料(陈军元等, 2021)。

表7 叶蜡石在战略性新兴产业中的关键应用Table 7 Key application of pyrophyllite in strategic emerging industries

2.8 石榴子石(天然)

石榴子石化学通式为 A3B2[SiO4]3, 是一种用量不大, 但应用领域宽、应用效益高的非金属矿产。石榴子石性能十分优异, 在信息技术领域, 石榴子石制成的磨料用于粗抛光和细磨精磨硅片(表8); 生产激光晶体的人工合成钇铝榴石生产过程中需要用到叶蜡石; 计算机存储元件的制造过程中用到合成镓钆榴石, 该原料的合成需要用到叶蜡石。在生物环保领域,水过滤器的底层介质, 需要一定量的石榴子石。在高端制造领域, 石榴子石用于航空航天器、大飞机、舰载机、宇航等水射流切割和抛光作业; 用于航母、油气采掘设备管道等水射流切割和喷砂除锈作业; 作制造精密仪器仪表的轴承需要纯度高、质量优的石榴子石。

表8 石榴子石在战略性新兴产业中的关键应用Table 8 Key application of garnet in strategic emerging industries

2.9 金刚石(天然)

金刚石, 俗称“金刚钻”, 它是一种由碳元素组成的矿物, 是石墨的同素异形体, 化学式为 C, 也是常见的首饰钻石的原身。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。石墨可以在高温高压条件下形成人造金刚石。金刚石的用途非常广泛, 例如: 工艺品和工业中的切割工具, 也是一种贵重宝石。尽管普通工业应用已多采用人造金刚石, 但一些尖端领域人造金刚石仍然无法达到天然金刚石性能(表9)。在信息技术领域, 金刚石用作微波器件、激光器件、高功率晶体管、集成电路等散热片(Ⅱa型), 整流器、三极管、半导体电阻温度计(Ⅱb型), 微波通信和光通信表面波滤器衬底; 天然含杂质金刚石可作为p型半导体; 超纯金刚石未来可能制作量子比特。在新材料领域用作航海表、宇宙飞行表支点宝石。在高端制造领域, 金刚石用作人造卫星、月球探测器、火星探测器、宇宙飞船和高速导弹红外窗口材料和整流罩材料(Ⅱa型), 用作高功率CO2激光窗口材料,用作光电对抗激光的防护材料。在传统领域, 用于首饰等工艺品、工业中的坚硬物品的切割工具(陈军元等, 2021)。

表9 金刚石在战略性新兴产业中的关键应用Table 9 Key application of diamond in strategic emerging industries

2.10 泥炭

泥炭是沼泽发育过程中的产物, 又名“草炭”,亦叫作“泥煤”, 形成于第四纪, 由沼泽植物的残体, 在多水的厌氧的条件下, 有机质不能完全分解堆积而成。泥炭是煤化程度最低的煤, 因此在生态修复领域应用广泛。泥炭是盐碱地地区风沙土、大量采矿废弃地和环保监管不到位被污染的土壤的重要改良基质, 以泥炭为植物和微生物的共同体用于土壤复合净化系统, 因此泥炭广泛应用于土壤修复方面。泥炭广泛应用于废水处理, 对金属离子和极性有机物有很高的吸附能力。泥炭应用于废气处理,用泥炭制成的活性炭, 作为填料用于处理大气二氧化碳、氮氧化物等废气、烟尘和臭气。泥炭也广泛应用于蘑菇养殖、花卉盆栽、种子孕育、蔬菜种植等。因泥炭中含有大量腐植酸, 应用于煤气脱硫处理, 应用于工业处理放射性废物和废水, 应用于净化含酚污水或用作阳离子交换剂等。

2.11 重晶石

重晶石是钡的最常见矿物, 它的成分为BaSO4。产于低温热液矿脉中, 如石英-重晶石脉,萤石-重晶石脉等。我国湖南、广西、青海、江西等省所产的重晶石矿床多是热液单矿物矿脉。由于重晶石“物美价廉”, 尚无其它替代矿产, 全球超过95%的钻井泥浆加重剂都是选用的重晶石。因此,它符合在特定行业、特定领域具备较高不可替代性的稀缺性原则(姜雅等, 2021)。在油气井钻探过程中,主要为了稳定井壁, 兼顾应对高压地层, 需在钻井液中加入密度大的物质来提高钻井泥浆密度。加重材料需要具备自身密度大、磨损性小、易粉碎、惰性强、不溶于钻完井液、不与钻完井液中其它组分发生作用等物理化学性状(姜雅等, 2021)。

3 战略性非金属矿产资源供需形势

3.1 中国萤石产量占世界一半以上, 但资源保障程度较低

2020年我国普通萤石储量 1.1亿 t; 产量380万t, 约占世界63%。我国萤石储量中, 单一萤石矿约占53%、共伴生萤石矿约占47%。我国共有27个省份生产萤石, 主要分布在湖南、江西、浙江、内蒙古、福建、河南等省(游超等, 2022), 一直是全球第一大萤石生产国, 萤石产量全球占比均超过50%。近20年以来我国萤石总产量总体呈先增加后降低, 再趋于稳定的趋势, 目前稳定在 380～400万 t(图1)。我国萤石生产的萤石矿山综述超过1200个,以中小型矿山为主(赵鹏等, 2020)。假设我国按照单一萤石矿53%、共伴生萤石矿47%的比例开采, 将基础储量全部升级为储量, 酸级萤石静态保障年限约为 10年, 远远低于全球 44.3年的静态保障年限(陈军元等, 2021)。产量、出口量过大导致我国萤石资源保障程度逐年降低, 已经不再是优势资源, 严重威胁着我国萤石资源的安全。

图1 我国萤石产量及全球萤石产量占比(陈军元等, 2021)Fig. 1 Fluorite production in China and the proportion of global fluorite production (from CHEN et al., 2021)

近年来我国萤石消费量由2000年的125.1万t增长到 2019年的 410.7万 t(图2), 年均增速高达6.5%, 主要是由于我国氟化工、冶金、建材等行业对萤石的需求旺盛所致。

图2 2000年以来我国萤石消费变化(陈军元等, 2021)Fig. 2 Changes of fluorite consumption in China since 2000(from CHEN et al., 2021)

2017年我国光学萤石基础储量228 kg(其中储量91 kg)。光学萤石用于制造紫外、红外仪器的分光棱镜、透镜、透射窗口和滤光片等, 可由其他产品替代。

3.2 中国高纯石英储量大, 但品质较差

我国高纯石英提取技术起步较晚, 只有20多年。我国高纯石英 90%依赖进口, 主要供货商是美国尤尼明公司(陈军元等, 2021)。

花岗伟晶岩和脉石英中的石英结晶粒度粗, 易于单体解离, 是加工高纯石英中端和高端产品的理想原料。我国尚未发现具有工业价值的大型花岗伟晶岩矿床; 2017年玻璃用脉石英基础储量2038万t(其中储量1021万t), 当前高纯石英砂年需求量约为20万t。但我国脉石英结晶粒度细或为隐晶质, 至今尚未发现大规模优质脉石英矿床。受资源限制, 高纯石英材料除了光纤预制棒国产化趋势较明显, 其他工业产品大量依赖进口。

2014年以来, 我国高纯石英砂进口量和产量整体呈增长趋势, 普通高纯石英砂产量由 2014年的494.0万 t增长到2018年的 636.0万 t, 年均增速为6.5%。2018年石英砂用量中, 普通高纯石英砂产量为636.0万t(颜玲亚等, 2020), 仅占7.7%(图3)。

图3 2014—2018年我国普通高纯石英砂产量(数据来源: 颜玲亚等, 2020)Fig. 3 Production of ordinary high purity quartz sand in China from 2014 to 2018 (data source: YAN et al., 2020)

我国是高纯石英消费大国, 近 10年来我国高纯石英消费总体呈增长趋势, 由2014年的517.8万t增长到2018年804.6万t, 年均增速高达11.7%(图4)。

图4 高纯石英砂消费情况(数据来源: 颜玲亚等, 2020)Fig. 4 Consumption of high purity quartz sand(data source: YAN et al., 2020)

3.3 中国石墨大国, 需加强深加工技术

我国是石墨资源大国, 2017年石墨(晶质)基础储量7435万t(其中储量1004万t)。我国是第一大石墨生产国、消费国、出口国。2019年我国石墨产量90.0万 t, 占全球石墨产量的 62.2%, 其中晶质石墨占比较大, 产量约占 56.0%, 隐晶质石墨占比较小,约占44.0%。主要生产基地在黑龙江、山东、内蒙古、湖南和吉林。我国一直是全球第一大石墨消费国,2014年我国石墨消费量全球占比仅为 40.5%, 其余年份占比均在 48.0%以上。2019年石墨消费量为80.4万t, 全球消费占比55.6%(陈军元等, 2021)。每年需进口约2万t大鳞片石墨; 受国内加工技术限制,电池负极用球化石墨的60%需要从日本进口。因此,化石墨与大鳞片石墨反而存在供应风险。

3.4 中国硼对外依存度近80%, 需加强找矿勘查

2020年我国硼矿储量(B2O3含量)4670万t, 主要分布在辽宁、吉林、青海、西藏和湖北(未上表)。当前开采的主要是辽宁硼镁铁矿, B2O3含量低、铁含量高, 矿石分选难度大, 造成选矿成本太高。盐湖型硼矿占总储量36.2%, 主要分布在青藏高原, 受交通条件和自然条件等限制, 开发利用程度低。但湖北江汉盆地近些年发现高品位富硼卤水, 正开展勘探开发,有望形成资源接替区, 需加大勘查力度。美国是硼矿资源大国, 储量达4000万t, 主要包括火山沉积型硼矿中的粗硼砂、四水硼砂和卤水中的硼酸, 开发利用水平高。中国火山沉积型硼矿在新疆有分布, 但规模小, 需加大勘查力度; 卤水硼矿目前尚未大规模利用。20世纪, 中国硼矿产品自给率约80%。21世纪,随着国内工业化和科技大发展, 硼资源除了应用于传统领域, 更多应用到战略新兴产业等新领域, 需求量日益攀升, 导致硼矿对外依存度逐年增高(王春连等, 2021)。在国内供应量稳定的前提下, 导致进口量显著增长, 硼资源对外依存度由2001年的20%增至79%(图5), 国内硼矿的供需严重失衡。中国目前主要从土耳其和玻利维亚进口, 进口量43万t, 对其依存度超过70%。

图5 2001—2016年中国硼资源对外依存度变化(数据来源: 袁建国等, 2018)Fig. 5 Change in the external dependence of boron resources in China from 2001 to 2016(data source: YUAN et al., 2018)

3.5 中国极度缺乏金红石, 且品位普遍偏低

天然金红石中 TiO2含量高、杂质少, 可直接生产海绵钛; 而钛(磁)铁矿需要经过多道工序才可以生产海绵钛。我国钛资源主要是钛(磁)铁矿, 2017年钛(磁)铁矿基础储量(TiO2含量)2.13亿 t(其中储量1.23亿t), 金红石基础储量(TiO2含量)46.63万t(其中储量31.47万t)。国内天然金红石矿原矿TiO2, 资源禀赋差、品位低、粒度细、伴生矿物种类多, 导致可选性差、回收率低, 难于大规模开发利用。受资源量和资源禀赋限制, 高端海绵钛、高档钛白粉目前主要依赖进口。中国国产大飞机C919钛合金材料用量约为 10%。未来国产大飞机、空间站、火星探测器、航天器、月球车、舰船以及核电站等国家重大工程建设对高端钛材和金红石原料的需求将呈逐年快速增长。

金红石主要分布在北美洲、非洲和亚洲这 3个大洲。金红石储量前 7位国家占比分别为美国(46.77%)、肯尼亚(20.97%)、南非(13.39%)、印度(11.94%)、乌克兰(4.03%)、莫桑比克(1.42%)、塞拉利昂(0.97%)。美国、肯尼亚、南非、印度, 这 4个国家的金红石储量合计起来约占世界总储量的 90%左右(张晓伟等, 2019)。我国金红石储量较少, 主要供应基地分布于河南省、湖北省、山西省、陕西省等地。

3.6 中国硅藻土资源丰富, 开发利用空间巨大

2017年我国硅藻土基础储量2.05亿t(其中储量1.51亿 t), 其中吉林省基础储量 1.62亿 t(储量1.21亿t), 占全国79.2%。优质硅藻土仅集中分布于吉林省长白山地区, 可直接利用, 其他地区含杂质较多的硅藻土一般不能直接利用。全球最大硅藻土资源国、生产国和消费国都是美国, 中国硅藻土资源开发利用尚处于起步阶段, 具有较大潜力和发展空间。

3.7 中国是叶蜡石生产大国, 因需求旺盛, 需增加保障程度

我国是全球第一大叶蜡石生产国, 2010年以来我国叶蜡石产量呈上升趋势, 由2010年的180.2万t增长至 2017年的 276.0万 t, 年均增长速率为6.3%(陈军元等, 2021)。产量在全球产量占比也由2010年的55.4%增长到2017年的68.3%, 长期稳定增长。世界叶蜡石主要分布在日本、朝鲜、中国、美国、加拿大、俄罗斯。

叶蜡石是具有重要意义的战略性新兴产业矿产,对国防和战略性新兴产业不可或缺, 我国叶蜡石资源保障程度持续降低, 2017年储采比仅11年, 各种填料级和涂料级深加工产品也严重依赖进口, 玻璃纤维用和人造金刚石用叶蜡石供应不足, 总体供应风险较高, 制约我国新材料产业发展。

自2010年以来, 我国叶蜡石消费呈较快增长态势, 年均增速为6.9%, 由2010年的180.0万t增长到2018年的306.0万t, 主要是因为我国高端玻璃纤维行业的快速发展, 玻纤的原料中超过一半要用到叶蜡石(陈军元等, 2021)。因此带动我国对叶蜡石需求量的快速增长, 预计未来叶蜡石需求仍呈增长趋势,近10年需求增速为5.0%～7.0%。

3.8 中国石榴子石需摸清资源家底

截至2017年底, 中国石榴子石矿物查明资源储量约为48 840万t, 其中基础储量2 373万t, 占查明资源储量的 4.86%, 石榴子石中利用价值最高的铁铝榴石, 但资源储量不明, 因此亟需开展石榴子石的详细分类评价及完善高端利用产品结构等工作。

3.9 中国金刚石极为匮乏, 需加强找矿勘查

金刚石矿床资源在全球仅集中分布在澳大利亚、加拿大、俄罗斯、南非、博茨瓦纳、刚果(金)、巴西等少数国家(彭艳菊等, 2013)。上述几个国家的金刚石的总资源量和产量占据了全球金刚石超过90%(Janse, 2007)。与上述国家相比, 中国金刚石资源极为匮乏, 产量仅占全球金刚石产量的 0.1%, 资源濒临枯竭, 金刚石主要采矿区大部分停产。我国的金伯利岩主要分布于华北地台和扬子地台区内,如辽宁、山东、贵州、湖北、河南等地。我国的含矿钾镁煌斑岩主要产于黔东南、鄂中以及湘中地区(董振信, 1991)。

2017年, 全国金刚石查明资源储量3 124.64 kg,其中基础储量2 036.14 kg, 与2010年相比, 2017年我国金刚石查明资源储量下降了 15.6%。我国金刚石资源远不能满足民用和一般工业、尤其是空间技术和尖端工业的消费需求, 严重依赖进口。

3.10 中国泥炭极为丰富, 需加强高附加值产品研发

我国泥炭资源丰富, 泥炭资源量 46.8亿 t(烘干重), 但 99.42%为草本泥炭, 木本和藓类泥炭资源量极低, 分别仅为2 311万t(0.53%)、221.86万t(0.05%)。草本泥炭灰分高、热值低, 分解度大、纤维含量低、结构性差, 利用价值低(柴岫, 1981)。当前, 用于环境污染治理、生态保护、土壤修复、种苗生产、基质栽培等新兴领域的主要是木本和藓类泥炭。我国藓类泥炭资源量紧缺, 需从俄罗斯和北欧大量进口,木本泥炭需从印尼等东南亚国家进口。由于泥炭资源已经由传统的能源矿产类型转为战略性新兴产业矿产, 而且近 30年来的气候变化, 泥炭地发生了巨大的变化, 过去的沼泽湿地大部分已经干涸, 湿地保护价值已然消失, 永久地无法恢复。科学合理地开发和管理这些地区的泥炭, 可作为我国有机非金属战略资源。目前, 泥炭资源的调查评价工作开展较少,缺乏系统性和完整性。目前我国的泥炭利用主要是直接开采粉碎后作为营养土、有机肥料应用于农业生产, 属于初级低值利用阶段, 没有经过深加工, 不能发挥其潜在重要的高端价值。

3.11 中国重晶石资源丰富, 加强管控和合理开发

中国重晶石资源丰富, 且分布广泛。截至2016年底, 全国总查明资源量为 35 149.73万t,其中基础储量为3 626.21万t(储量为1551.38万t),资源量为31 523.52万t(屈云燕等, 2020)。

在供给侧, 排名前四的生产国依次是中国、印度、摩洛哥和美国, 占世界总供给量的80%, 中国一直以来是世界重晶石第一大生产国和出口国。石油行业在2012以来不景气, 导致重晶石国际贸易市场低迷, 主要出口国纷纷减产, 但并没有影响供需形势。中国重晶石 2012—2018年产量一直稳定在300万 t左右, 占世界总产量的近一半(姜雅等,2021)。

4 主要结论和建议

(1)石墨、硅藻土、重晶石、泥炭是我国优势非金属矿产, 是具有影响和改变全球供应格局的矿产,要强调加强战略储备, 应运用现代工业技术, 加强上述矿产深加工技术, 丰富产品数量, 在品质上逐渐走向高端化, 满足战略性新兴产业发展的最新最前沿需求, 提升上述矿种的国际话语权和控制力;硼、萤石、金刚石、高纯石英是我国紧缺非金属矿产, 要加强找矿勘查, 加强资源综合利用, 降低对外依存度; 叶蜡石、石榴子石、金红石等矿种, 因其勘查程度低, 应加大勘查投入力度, 增加资源储量, 保障未来需求。

(2)战略性新兴产业与非金属矿及其制品密切相关, 尤其是萤石、高纯石英、石墨、硼、叶蜡石等矿种在战略新兴产业中应用广泛; 萤石、高纯石英、石墨、硼、金红石、叶蜡石、石榴子石、金刚石、重晶石等矿种在特定的新兴产业中具有不可替代的属性。

(3)我国正处于工业化发展初级阶段, 矿产资源需求量逐渐增加、需求种类也逐渐增多、对外依存度逐渐增高。因此, 我国战略性矿产则是既包括保障经济发展、对国计民生和国家安全具有重大战略意义的矿产, 也要充分考虑在国际市场具有一定影响力、控制力和话语权的矿产; 既要考虑常规能源和新能源矿产, 也要考虑非金属矿产; 既要考虑传统大宗矿产资源, 也要考虑战略性新兴产业矿产。

(4)战略性新兴产业某个领域重要产品生产制造的关键原材料。这些矿产或为组分或者辅助材料用于生产之中, 均是战略性新兴产业发展所必需, 并且难以替代; 即便在特殊时期能够实现暂时的替代,也可能对产品的质量和制造成本造成严重影响。重点关注与战略性新兴产业密切相关的非金属矿产,以便聚焦关键重要矿种。

(5)针对战略非金属应用领域开展产业需求调研,了解掌握主要应用终端、关键性、需求量、前瞻研究领域等。

(6)分析研究战略非金属矿产资源形势、保障程度、供应风险、未来需求趋势等因素, 收集分析对外依存度、进口集中度、出口比重、保障程度等相关数据, 研究确定需加强调查评价的矿种及需要加强管控的矿种清单。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. U20A2092,42002106, 41907262 and 41502089), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund(Nos. KK2005 and KK2110), China Geological Survey(Nos. DD20221684 and DD20190606), and National Program on Key Basic Research Project (973 Program)(No. 2011CB403007).