稀土元素的特性

稀土元素 (REE) 包括元素周期表中从镧 (La) 到镥 (Lu) 的15镧系元素，也适当地包括过渡金属钪 (Sc) 和钇 (Y)。稀土元素被归类为金属，相对较软、有延展性和可锻性。大多数具有银灰色光泽，在空气中迅速氧化，形成氧化物组合物 (REE) ₂ O ₃ 。镧系元素（La 到 Lu）和 Y（表1 ）的正常三价离子形式和离子半径的逐步减小导致了相似的地球化学性质和自然界中的常见关联。尽管 Sc 也具有三价离子形式，但其离子尺寸小得多，导致其地球化学行为不同于其他稀土元素，并且更常与铬 (Cr)、钴 (Co) 和镍 (Ni) 等金属元素相关。镧系元素钷（Pm）是该系列中唯一的放射性元素，在自然界中极为稀有，主要作为铀裂变的副产品合成产生。

稀土元素通常细分为轻稀土元素 (LREE)，包括镧、铈、镨、钕、钐、钐、铕和钆，以及重稀土元素 (HREE)，包括铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇（表1 ）。虽然名称有些随意，但 LREE 具有与钙类似的较大离子半径（Ca ^{2 +} = 1 . 12埃)和钍(Th ^{4 +} = 1 . 05埃），而重稀土元素通常具有与铀类似的较小离子半径（U ^{4 +} = 1 . 0埃)和锰(Mn ^{2 +} = 0 . 96埃）（Shannon， 1976 ）。因此，离子尺寸范围可以替代超过200造岩矿物，尤其是磷酸盐和碳酸盐。含稀土元素的矿物通常表现出轻稀土元素或重稀土元素的选择性富集，这取决于矿物化合物的原始成分和晶体结构、矿物形成的地质条件以及各种复杂的离子交换机制。

稀土元素1	原子序数	原子量	离子半径2 （埃，CN 8 ）	地壳丰度3 (ppm)	密度（克/立方厘米3 ）	熔点（华氏度）	硬度（莫氏）	电导率 (W/m - 1 K - 1 )
镧（La）	57	138 。 905	1 。 160	31	6 。 15	1688	2 。 5	13 。 4
铈（Ce）	58	140 。 116	1 。 143	63	6 。 77	1463	2 。 5	11 。 3
镨（Pr）	59	140 。 908	1 。 126	7 。 1	6 。 77	1715	1 。 41	12 。 5
钕（Nd）	60	144 。 242	1 。 109	27	7 。 01	1875	1 。 23	16 。 5
钷（Pm）	61	145	1 。 093	-	7 。 26	1908	-	17 。 9
钐（Sm）	62	150 。 36	1 。 079	4 。 7	7 。 52	1962	1 。 44	13 。 3
铕（Eu）	63	151 。 964	1 。 066	1 。 0	5 。 24	1519	3 。 07	13 。 9
钆（Gd）	64	157 。 25	1 。 053	4 。 0	7 。 90	2394	5 。 13	10 。 6
铽（Tb）	65	158 。 925	1 。 040	0 。 7	8 。 23	2473	2 。 33	11 。 1
镝（Dy）	66	162 。 500	1 。 027	3 。 9	8 。 55	2565	1 。 8	10 。 7
钬（Ho）	67	164 。 930	1 。 015	0 。 83	8 。 79	2662	1 。 65	16 。 2
铒（Er）	68	167 。 259	1 。 004	2 。 3	9 。 07	2784	1 。 97	14 。 5
铥（Tm）	69	168 。 934	0 。 994	0 。 30	9 。 32	2813	1 。 77	16 。 9
镱（Yb）	70	173 。 045	0 。 985	1 。 96	6 。 90	1515	不适用	38 。 5
镥（Lu）	71	174 。 967	0 。 977	0 。 31	9 。 84	3006	2 。 6	16 。 4
钪（Sc）	21	44 。 956	0 。 870	14 。 0	2 。 99	2806	不适用	15 。 8
钇（Y）	39	88 。 906	1 。 019	21	4 。 47	2779	不适用	17 。 2

表1 ：稀土元素（REE）的基本性质

1. LREE常见包括La至Gd，HREE包括Tb至Lu、Sc、Y。
2. 三价离子半径，单位为埃 (Shannon, 1976 )；CN 8 = 配位数 VIII。
3. 鲁德尼克和高， 2003

在含有痕量或更多稀土元素的200多种矿物中，只有少数矿物含有可能形成经济矿床的富集物。表2列出了重要的稀土矿石矿物，以及普遍接受的化学式和理论稀土氧化物含量。具体的稀土元素成分可能会有所不同。所有这些矿物的产地均已在弗吉尼亚州被发现。

矿物名称	化学式	比重 g/cm 3	1理论 (REE) 2 O 3 %
氟碳铈矿	(铈，镧)(CO 3 )F	4 。 98	74 。 81
独居石	(铈、镧、钕、钍) PO 4	5 . 04 - 5 . 15	69 。 73
磷钇矿	青年创新中心4	3 . 14 - 4 . 27	61 。 40
巴黎石	Ca(Ce,La) 2 (CO 3 ) 3 F 2	4 。 34	60 。 89
安西莱特	CeSr(CO 3 ) 2 (OH)·H 2 O	3 。 95	47 。 98
萤石	CeAl 3 (PO 4 ) 2 (OH) 6	3 。 58	31 。 99
铼矿	(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti) 2 O 6	5 . 3 - 5 . 9	25 。 77
褐铍铅矿	(钕，铈)(铌，钛)氧4	4 . 5 - 5 . 7	18 。 86
磷灰石	钙5 (PO 4 ) 3 (OH)(F,Cl)	3 . 16 - 3 . 22	变量最多为 ~ 19
褐帘石	(Ce,Ca,Y) 2 (Al,Fe 3 + ) 3 (SiO 4 ) 3 (OH)	3 . 5 - 4 . 2	变量最多为 ~ 17

表2 ：含稀土元素的经济矿物

1. 马里亚诺， 1989 。

稀土元素的用途

1787年，一位业余地质学家在瑞典的一个采石场发现了一种外观奇特的矿物。这种矿物，即铍钇矿，含有第一种被确认的稀土元素钇。在接下来的几十年里，其他稀土元素也被发现。如今，稀土元素被视为国内冶金应用中的“关键矿物”，服务于航空航天、国防、能源、电信、电子和运输技术（Fortier 等人， 2018 ），许多经济部门都受益于稀土元素技术。稀土元素被用作化学反应（尤其是石油生产）的催化剂、玻璃和陶瓷生产以及光纤的催化剂。清洁能源技术经常需要各种稀土元素，例如用于电动汽车发动机和风力涡轮发电机的钕。镝、钆、镨、钐和钕用于生产计算机和手机的强力磁铁。铈、钕、钐和镨对于可充电电池也很重要。医疗行业需要铒、钆、铥、镱和钇用于制造X射线和MRI设备、激光手术和癌症治疗。铈、镧和钕是重要的合金。

稀土元素	特征	使用
铈（Ce）	柔软、有延展性	合金、抛光剂、着色剂、催化剂、打火机、涡轮叶片涂层
镝（Dy）	柔软、磁性	激光器、核反应堆、磁铁、计算机
铒（Er）	柔软，正电性	激光手术、光纤
铕（Eu）	柔软、高反应性、稀有	电视屏幕、核反应堆、激光器、荧光灯
钆（Gd）	延展性、磁性	中子屏蔽、磁共振成像（MRI）、激光、计算机
钬（Ho）	柔软、磁力强	磁场、激光、着色剂
镧（La）	柔软、高反应性	催化剂、打火机、灯具、光学器件、合金
镥（Lu）	反应式	催化剂、正电子发射断层扫描（PET）
钕（Nd）	反应性强、坚硬、可塑性强	激光器、磁铁、计算机、电动机、发电机、照明、合金
镨（Pr）	柔软、有延展性、可锻造、有磁性	磁铁、着色剂、激光器、燧石
钷（Pm）	放射性、稀有、反应性	油漆、核电池
钐（Sm）	坚硬、反应性、磁性	磁铁、激光器、核反应堆控制棒
钪（Sc）	柔软、反应灵敏	航空合金、灯泡
铽（Tb）	柔软、有延展性、有韧性、有磁性	磁铁、激光器、荧光灯、合金、声纳技术、燃料电池
铥（Tm）	放射性、柔软、可塑性	X射线技术、激光
镱（Yb）	柔软、有延展性、有韧性	激光、核医学、地震学、合金
钇（Y）	柔软、反应灵敏	激光、电视、超导体、LED、灯泡、癌症治疗

表3 ：稀土元素的特性和用途

稀土元素地质学

尽管有这样的名称，大多数稀土元素在地球地壳岩石中都相对丰富，尽管很少以天然金属的形式存在。相比之下，镧的平均地壳浓度为31百万分率 (ppm)（表1 ），略高于铜 (Cu) 的平均浓度28 ppm（Rudnick 和 Gao， 2003 ）。自然界中含量最少的稀土元素是铥，其平均浓度为0 . 30 ppm，但仍远高于地壳中的银含量，后者为0 . 053百万分之一。

岩浆系统中稀土元素的离子尺寸相对较大，且电荷平衡特性通常使其无法被包含在大多数常见的造岩矿物中，包括长石、石英、角闪石、云母等。因此，稀土元素往往集中在经过高度分馏的岩浆所形成的岩石中。这些岩石包括碱性和硅质火成岩杂岩、伟晶岩、长英质火山岩和碳酸盐岩。由于离子尺寸非常相似，钍和铀经常与稀土元素相关。高温热液，特别是富含氯、氟和锂的热液也能活化稀土元素。经济型稀土矿床存在于岩浆系统、岩浆磁铁矿-赤铁矿或氧化铁-铜-金 (IOCG) 矿床、重矿物砂矿以及离子吸附粘土矿床内的化学风化带中（美国地质调查局， 2020 ）。

弗吉尼亚能源公司的地质和矿产资源计划目前正在进行一项研究，以评估皮埃蒙特地区花岗岩类岩体上方风化层中稀土元素的富集和动员情况。这项研究由北卡罗来纳州地质调查局牵头并与南卡罗来纳州地质调查局合作进行，是首次在离子粘土吸附矿床背景下评估美国东南部区域稀土地球化学的研究。更多详细信息请参阅我们的项目网页（地球 MRI ）。

矿物系统	存款类型	地质省
砂矿	重矿砂	沿海平原、外大陆架
砂矿	古砂矿	蓝岭，皮埃蒙特
海洋化学跃层	磷酸盐	沿海平原
岩浆稀土元素	岩浆 Ti-Fe-P（斜长岩、铁长岩）	蓝岭，皮埃蒙特
化学风化	腐泥土中的风化层（离子吸附）浓度	蓝岭，皮埃蒙特

表4 ：弗吉尼亚州的潜在稀土矿物系统、矿床类型（Hofstra 和 Kreiner， 2020 ）和地质省

稀土元素在工业中的应用

尽管美国在国防储备中保留了稀土元素供应，但该国目前100 % 依赖进口，主要来自中国、爱沙尼亚、日本和马来西亚。加州的芒廷帕斯矿目前是美国唯一的稀土精矿生产商，但所有这些材料都被运往中国进行加工、精炼，并制造电池、磁铁和其他高科技产品。阿拉斯加州、亚利桑那州、爱达荷州、蒙大拿州、密苏里州、内布拉斯加州、内华达州、德克萨斯州和怀俄明州均已发现地质资源（美国地质调查局， 2020 ）。与稀土开采相关的担忧包括加工地点附近的水和土壤可能受到污染（美国地质调查局， 2020 ）。

在弗吉尼亚州，许多不同类型的地质岩石中都含有相对较低的稀土元素。稀土元素的源岩包括基岩花岗岩侵入岩和花岗片麻岩（例如在皮埃蒙特很常见）。沉积矿床是稀土元素更可能的来源，因为它们比变质岩和火成岩中的稀土元素更容易获取且浓度更高。

稀土元素的沉积源包括现代和古代砂矿床，这些矿床分布在从弗吉尼亚州南部经卡罗来纳州一直到佐治亚州的大西洋沿岸平原（Mertie， 1975 ）。这些砂矿含有钛铁矿、金红石、锆石等重矿砂，以及富含稀土元素的独居石和磷钇矿。尤其是独居石，在1849中被认定为弗吉尼亚州重矿物的重要来源（Mertie， 1975 ）。过去，弗吉尼亚州曾开采过包括富含稀土元素的矿物在内的重矿砂的经济矿床，新发现的可能性被认为非常高。

尽管弗吉尼亚州已知存在硬岩稀土元素矿床，但这些矿床的范围有限，而且其浓度目前不具有经济可行性。只有一个地点专门勘探了独居石（Chestnut Knob），下面描述的所有其他地点都开采其他商品，例如钛和锆，但也可能含有少量稀土元素。

稀土元素也可能集中在由富含稀土元素的火成岩化学风化形成的风化层中。基岩矿物分解形成的粘土沉积物可能通过离子吸附等过程保留稀土元素。当含有稀土元素的花岗岩围岩受到强烈风化时，在恶化的硬岩上会形成一层厚厚的粘土风化层。稀土元素可能会在粘土风化层中富集。

以下章节描述了弗吉尼亚州一些重要的稀土元素矿点。尽管这些地点尚未进行稀土元素的商业化生产，但明年将对新发现的可能性进行评估。

丁威迪县和格林斯维尔县

在丁威迪县和格林斯维尔县，经济重矿砂以古砂矿的形式出现在现已暴露的古海岸线上。重矿物由于风和波浪的作用自然集中在上新世的海岸线海滩和沙丘沙中。这些矿床中的主要重矿物包括钛铁矿、金红石、锆石、独居石和白钛矿。1997年，RGC Resources（现为 Iluka Resources Ltd）开始在位于丁威迪县的 Old Hickory 矿床开采和加工重矿砂。2008年，获准在格林斯维尔县以南约19英里处开采第二座矿山 (Brink)。在这两个地点，都用挖掘机开采重矿砂，然后通过重力螺旋选矿机加工以生产矿物精矿。采矿作业于2017停止，目前场地正在进行复垦。从1997到2017 ，共生产了超过6 . 2万吨重矿物精矿。除了主要的重矿物外，这些地点还可被视为富含稀土元素矿物的潜在来源。

截至2024 ，Atlantic Strategic Minerals 已重启位于弗吉尼亚州 Stony Creek 附近的 Millrun 矿场的采矿作业 (https://www.atlanticstrategicminerals.com/)。作为地球磁共振成像 (MRI)计划的一部分，有关含有潜在稀土资源的重矿砂的额外调查已经完成。

亨利县

1950 ，在亨利县里奇韦镇附近发现了一处独居石矿床。到1953 ，稀土金属被确认，南方矿业公司 (Martinsville Bulletin, 1957 ) 制定了开采 Chestnut Knob 矿区的计划。1955年，矿产权被租赁给弗吉尼亚矿业公司 (Virginia Minerals Inc.)，该公司因放射性勘测结果良好而对 Chestnut Knob 地区产生了兴趣。到1957 ，已挖掘出一条10英尺深、 30英尺长的沟渠，其中发现了含有独居石的矿脉 (Gooch, 1958 )。约15吨独居石精矿被取出进行分析和加工（Gooch， 1958 ）。在1957到1960年间，开采了独居石、磁铁矿和锆石。该矿石含有4 - 5 % 的独居石。建造了一个中试工厂来提炼独居石。大约有275吨精矿从其他地点运来该工厂进行加工，据报道每天的矿石产量为100吨，产量为4 。 5吨独居石，其中钍含量为5 ％。弗吉尼亚矿业公司在 Chestnut Knob 地区拥有约3 , 000英亩土地，根据勘探钻探估计，可能的独居石储量高达1 , 700吨（马丁斯维尔公报， 1957 ）。尽管勘探看似有希望，但作业持续时间很短，该地区从未开发，并且在1960世纪初期开采就停止了。

Chestnut Knob 矿床是新元古代片麻岩和片岩中的砂矿，被划分为 Fork Mountain 组。在整个勘探区域内都发现了独居石矿脉或矿脉。矿石的化学分析表明，其中含有69 % 的磁铁矿、 15 % 的钛铁矿、 9 % 的独居石和3 % 的锆石 (Mertie 1955 )。

罗阿诺克县

在罗阿诺克县，布什-哈钦斯矿场勘探到了重矿物。基岩主要为绿岩，并伴有正长岩和黑云母岩脉侵入。早在1890 ，人们就首次在该地区发现了含有钛铁矿和磷灰石的岩石钛铁矿，当时该地区对铁矿开采很感兴趣 (Hickman, 1947 )。当时，当地的铁炉开采和加工了数千吨铁（Hickman， 1947 ）。该矿规模小，间歇性使用，总产量为200 , 000吨矿石 (Hickman, 1947 )。矿石主要来自一个大型露天矿（ 500英尺长、 75英尺宽和60英尺深），此外还有四个较小的露天矿和几个勘探坑开采出来 (Hickman, 1947 )。矿物钛铁矿中的钛是主要商品，一些富含钛铁矿的矿石样品被开采并运往里士满进行加工（Watson 和 Taber， 1913 ）。尽管有记录表明后来在该地区进行了矿产勘探，但据沃森和泰伯 ( 1913 ) 报道，该遗址在20世纪初就已被废弃。然而，据报道， 1943开采出了 8 车矿石（Hickman， 1947 ）。在进行了一次有希望的地球物理调查 (Hickman, 1947 ) 之后，美国矿业局于1946钻了四个勘探孔，随后再次访问了该地点。从孔中切下的岩屑表明，在纳米钛矿脉中含有高达19 . 1 ％ 的 TiO ₂ 。该地点矿石中存在磷灰石可能表明稀土元素含量尚未评估。

阿默斯特县

在蓝岭省，阿默斯特县有几处含有富含稀土元素矿物的历史矿场。尽管这些地点并不是专门为稀土元素而开采的，但它们可能作为次要商品而存在。

小修士山矿（Little Friar Mountain Mine，又名 Massie Mine）位于阿默斯特县 Massies Mill 镇附近，是爱尔兰溪锡矿区的一部分，该矿区在1900之前就因其矿产资源而被发现。该线性矿体长约150英尺，宽约20英尺，含有褐连石、微晶石和褐钇铌矿，这些矿石在19世纪末和1925被开采用于寻找稀土氧化物以及长石、铌和钽 (Mallet, 1877 )。矿体为紫苏花岗闪长岩中的伟晶岩脉。褐帘石和褐钇石主要来源于堤坝的中心部分，该部分宽度约为2 - 6英尺。分析显示6 . 5百分比的氧化铈和6 . 42褐钇石样品中氧化钇的百分比，以及27 。 94百分比铒钇氧化物， 1 。 37氧化铈百分比， 3 。 92百分比的氧化镧，以及4 . 06镝钇矿样品中的氧化镝百分比。

派尼河-罗斯兰矿区包括阿默斯特县和纳尔逊县的几座矿山，包括美国金红石公司矿山、美国氰胺公司矿山、卡姆登矿山和卢西安伯利矿区。这些遗址主要在20世纪上半叶进行勘探或开采。主要在腐泥土中挖掘了许多坑和沟，其中的钛铁矿脉含有钛铁矿、褐钛矿、金红石、钛铁矿和褐铁矿。尽管其中有几处遗址产有矿石，但留存的记录却很少。（Pegau， 1932 ；Fish 和 Swanson， 1958 ）。