《Journal of Rare Earths》：Heavy rare earth elements: Critical resources, environmental challenges and pathways to sustainability
编辑推荐：
离子吸附型重稀土矿床（IADs）是全球HREEs主要来源但面临资源可持续性和生态风险挑战。本文系统综述其形成机制（强调表生风化、稀土分异及母岩控制）、采矿技术革新（对比传统氨浸与电动力学、生物浸出等绿色技术）、环境影响（生态与人体风险）及修复策略（植物稳定化、土壤淋洗等）。研究提出13项重点研究方向，为可持续HREE利用提供框架，需多学科协作平衡资源安全与生态健康。
一琳何|永进徐|高峰王|永强杨|林周|杰徐|振月张|洪波赵|静明魏|如安池|关洲邱|建西朱
中国科学院广州地球化学研究所深部地球过程与资源国家重点实验室，中国广州510640
摘要
重稀土元素（HREEs）对现代技术至关重要，但面临着供应链脆弱性和环境挑战。离子吸附矿床（IADs）提供了全球90%以上的HREEs，这些矿床与资源可持续性和生态系统韧性密切相关。本文综述了离子吸附HREE研究的四个相互关联的方面：(i) 形成机制，重点讨论了表生风化过程、REE分馏动态及原岩控制；(ii) 开采创新，对比了传统的铵浸出技术与新兴的电动浸出和生物浸出技术；(iii) 环境影响，重点关注环境、生态和人类风险；(iv) 废弃物处理策略，包括植物稳定化、土壤清洗和微生物固定。我们指出了关键的知识空白，并提出了13个有针对性的研究重点，旨在阐明HREE的起源，开发可持续的现场适用采矿方法，量化REE的生态毒性阈值，并推进循环经济驱动的修复框架。通过整合跨学科见解，本文为实现HREE的可持续利用提供了路线图，呼吁地质科学家、工程师和政策制定者共同努力，平衡资源安全与地球健康。
引言
稀土元素（REEs）包括17种元素，如镧系元素（La至Lu）、钪（Sc）和钇（Y），是现代工业中不可或缺的原材料[1, 2]。许多国家和经济体（如美国、澳大利亚、欧盟和中国）已将它们列为“关键金属”，认识到其重要的战略意义[3, 4, 5]。根据美国地质调查局（USGS）的数据，全球对REEs的需求以每年5%的速度持续增长[6]，预计在未来10年内，钕（Nd）和镝（Dy）的需求将分别增加700%和2600%[7]。REEs通常分为轻稀土元素（LREEs；La至Nd）、中稀土元素（MREEs；Sm至Gd）和重稀土元素（HREEs；Tb至Lu和Y）。由于MREEs和HREEs在航空航天、先进军事和尖端技术中的关键作用，它们比LREEs具有更大的战略意义和经济价值[8, 9]。
离子吸附稀土矿床（IADs），也称为风化壳淋溶沉积的稀土矿床[10]，是MREEs和HREEs的主要来源，贡献了全球90%以上的MREE和HREE供应[11, 12]。然而，这类矿床仅占中国总稀土资源的2.9%[13]。富含HREE的IADs的总储量有限，这对可持续供应构成了巨大挑战。随着对MREEs和HREEs需求的增长，关于IADs矿化机制的研究也在增加，以寻找新的资源。文献计量分析显示，过去十年间相关出版物显著增加，其中84%的研究发表于最近五年[图1(a)]。
近年来，富含REE的深海泥浆引起了科学界和工业界的广泛关注，被视为一种新兴的稀土资源[14]。这些深海沉积物中含有较高浓度的稀土元素，主要存在于生物碎屑、火山灰衍生物和次生自生相中[15]。它们的成矿过程与大陆风化系统根本不同：深海泥浆中的稀土元素是通过缓慢沉积、热液输入和持续从海水中吸收而积累的[16]。值得注意的是，一些矿床表现出极高的HREE/Y和HREE/LREE比值，使其成为迄今为止发现的最富稀土的天然来源之一。这一发现通过引入一个庞大且之前未充分探索的储库，改变了全球对关键金属安全的看法，该储库在深海平原上分布相对均匀。尽管它们具有重要意义，但由于深海采矿的技术、环境和监管考虑，尚不确定深海富含稀土的泥浆是否会成为经济上可行的资源。因此，虽然认识到它们在稀土研究中的重要性，但本文主要关注离子吸附稀土矿床。
这种独特稀土矿床的普遍接受的形成机制涉及含REE基岩的风化，释放出稀土元素，然后这些元素在风化产物上积累和分馏[17]。高岭石和哈罗岩被认为是这些矿床中稀土元素的主要载体[8, 17, 18]。在先前的研究中，提出了多种影响风化壳中稀土元素分馏的因素，如原生含REE矿物的溶解[19]、矿物组成[17, 20]、高岭石的边缘位置和晶体结构[17]、pH值、氧化还原和配位环境[21]、有机和无机配体[22]、地下水[23]、微生物[24]以及其他物理和化学因素[24]。然而，风化壳中稀土元素吸附、迁移、富集和分馏的机制仍存在争议。最近发现的富Sc的红土矿床也具有类似的地表成矿过程，两者都源于长期的热带-亚热带风化，这种风化过程会移动和浓缩关键金属[25]。在IADs中，稀土元素从母岩中释放出来，并通过离子交换保留在粘土矿物表面；而富Sc的红土则将Sc储存在Fe–Mn氧化物和粘土相中[25]。这两种矿床类型都依赖于强烈的浸出、脱硅作用和次生矿物转化，但在金属载体和吸附机制上有所不同。它们共同的风化起源突显了相似的成矿环境，但在金属富集方面存在不同的地球化学控制因素。
同样，为确保稀土元素供应的可持续开采方法的研究也取得了进展，过去五年内相关研究占比达到了93%（图1(b)）。自20世纪60年代以来，采矿技术从池浸出和堆浸出发展到使用铵盐作为浸出剂的原位浸出[26, 27, 28]。虽然原位浸出克服了前两种技术的缺点，并已在工业上得到应用，但它带来了严重的生态风险，主要与铵污染有关[29, 30, 31, 32, 33]。
尽管稀土元素是宝贵的战略资源，但无论是通过采矿还是自然浸出，它们释放到环境中都会带来潜在的生态风险。与铅和汞等重金属类似，稀土元素会在土壤和水中积累，导致污染和潜在的健康危害。最近的研究越来越多地将稀土元素视为新兴污染物，对其环境风险的评估已成为主要的研究焦点（图1(c)）。与此同时，关于矿场修复和水污染管理的研究也日益受到重视，过去十年中与“稀土”和“修复”相关的研究出版物显著增加，其中74%发表于最近五年（图1(d)）。
总体而言，过去十年（2014–2024年）稀土资源及其环境影响的研究成为重要焦点，共有4455篇相关出版物。每年的出版物数量呈持续上升趋势，表明对该领域的兴趣持续增长（图1(e)和(f)）。值得注意的是，74%的论文发表于最近五年。然而，尚无全面综述过去十年稀土元素研究的文献。
本文对离子吸附稀土资源及其环境影响的研究进行了全面分析。我们重点关注稀土元素整个生命周期的四个关键方面，包括矿化机制、采矿技术、环境影响和修复策略。此外，我们还分别为这四个领域提出了未来研究的4个、4个、2个和3个方向。通过综合最新研究成果，本文旨在加深对离子吸附稀土资源及其环境和特征的理解，并支持可持续采矿方法和有效生态风险管理策略的发展。
章节摘录
风化壳载稀土资源的形成
自1969年在中国江西省首次发现以来[34, 35]，风化壳载IADs的形成引起了广泛关注。大量研究探讨了岩浆作用过程中REE在母岩中的预富集过程，以及风化过程中REE的迁移、分馏和富集机制。在本节中，我们全面回顾了风化壳载IADs的主要特征和关键因素
风化壳载IADs的采矿技术演变
风化壳载IADs的采矿技术经历了三个阶段的发展，即氯化钠池塘浸出、硫酸铵堆浸出和原位浸出[96]。近年来，这些技术的环境问题促使人们开发了可持续的替代方案，包括非铵盐浸出技术、电动采矿（EKM）和生物浸出[97]。尽管这些技术在环境保护和稀土回收率方面有所改进，但在规模化应用方面仍存在挑战
稀土元素的环境影响
虽然稀土元素在推动低碳技术方面发挥着不可或缺的作用，但它们与重金属的地球化学相似性要求对其相关的环境和生态风险进行严格评估。最近的研究强调了与稀土元素开采相关的日益增加的人为压力，特别是来自密集型IAD采矿[155]。这些操作不仅引发地质技术不稳定，还会导致一系列环境问题，如植物毒性、土壤
稀土元素污染的修复技术
为了恢复稀土元素造成的环境影响，已经开发了针对性的修复策略。本节系统总结了针对IAD采矿区域的土壤和废水修复技术，评估了这些技术的操作效果和可扩展性，并建立了优化受采矿影响生态系统环境管理的框架。图5展示了各种修复方法的示意图。
风化壳载IADs的形成机制
风化壳载IADs的形成受内在地质因素和外部环境条件的共同控制。尽管取得了显著进展，但仍有一些关键问题需要解决：
- (1)
稀土元素在母岩中的预富集机制，以及它们的矿物学和地球化学特征如何影响矿体的组成。
- (2)
气候、地貌和水文条件在风化壳形成和保存中的具体作用
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了深部地球探测和矿产资源勘探-国家科技重大项目（2024ZD1004002，J.Z.）、国家自然科学基金（92462303，J.Z.，42572033，G.W.）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2025B0303000017，G.W.）、中国科学院的战略优先研究计划（XDA0430205，J.Z.）、广州市科技项目（2024A04J6520，G.W.）和广东省科技计划的支持
