石墨是一种通常以黑色晶体片和块状形式出现的纯碳形式。它具有重要的性质,如化学惰性、热稳定性、高电导率和润滑性(滑腻感),使其适用于许多工业应用,包括电子、润滑剂、冶金和钢铁制造,其中一些应用没有合适的替代品。石墨矿石根据矿石的结晶性、粒度和形态被分类为“非晶态”(微晶态)和“晶态”(“片状”或“块状”或“片状”)。今天开采的所有石墨矿床都是由碳质沉积岩的变质作用形成的,矿石类型由地质环境决定。热变质煤通常是非晶态石墨的来源。晶态片状石墨是从碳质变质岩中开采的,而块状或片状石墨是从高级变质区的脉中开采的。因为石墨是化学惰性的,无毒,所以与石墨开采相关的主要环境问题是吸入细颗粒尘埃,包括硅酸盐和硫化物矿物颗粒,以及在矿石的开采和加工过程中产生的烃类蒸气。合成石墨是通过高温热处理从烃源制造的,比天然石墨的生产成本更高。天然石墨的生产主要由中国、印度和巴西主导,这些国家向全球出口石墨。中国提供了全球约67%的天然石墨产量,作为主导出口国,有能力设定世界价格。中国拥有丰富的石墨储备,预计中国的石墨产量将增加,尽管劳动力成本上升和一些矿山生产问题正在发展。预计中国将在近期内继续是主导出口国。
图1中的世界地图显示了108个天然石墨矿床和矿区的位置:(a)由于高碳含量沉积物的热变质或接触变质而形成的无定形矿床,通常是石墨化的煤层,或者(b)由于碳含量沉积物在超过角闪岩相的条件下经历区域变质而形成的散布的鳞片石墨的结晶矿床,或者在切割火成岩和变质岩的断裂充填静脉中的粗石墨聚集体(块状或碎片状)。这两种结晶短床类型(鳞片,或块状和碎片)大部分位于结晶变质基底岩(图1)中,主要由粗颗粒的石英长石质变质沉积岩组成,变质级别高(Chorlton,2007)。
表1描述了图1中显示的108个已知产出石墨或具有未来开发潜力的重要前景的天然石墨矿床和矿区的特征。(文末有获取高清大图的方法)
许多具有过去生产的矿床和矿区,特别是美国的那些,其品位和吨位特征使得矿床在当前条件下开采成本特别高;但是这些矿资源被包括在内,以识别可能成为未来石墨生产来源或可能含有未发现矿床的广大地区和地域。
表1中的大部分矿床的名称、位置和描述取自国际战略矿物库存(ISMI)石墨库存(Krauss等人,1988)和美国地质调查局矿产资源数据系统(MRDS)(美国地质调查局,2012)。
表1 全球108处天然石墨矿分布及储量详细数据(部分)
(文末有获取全球108处天然石墨矿的详细数据的方法)
图2显示了一些矿床的矿床品位(百分比碳)和报告的吨位,按矿床类型划分。图2中最低的吨位和品位矿床在当前市场条件下是不经济的,成本太高。
天然石墨由20多个国家生产,主要集中在中国、印度和巴西。图3显示了2006年至2010年间全球各地区自然石墨平均生产水平和数量,数据来源于Olson (2011)。在此期间,中国占全球自然石墨生产的约67%,并确立了自己作为主导出口国的地位,有能力设定世界价格。中国在1980年代成为石墨的主要全球供应商,部分原因是生产成本低,市场推广积极。印度和巴西是石墨的重要全球出口国,而墨西哥和加拿大主要向美国出口。
图3 2006-2010年期间各国或地区的年均天然石墨产量的饼图,以千公吨(kt)为单位。这些吨数是根据Olson(2011)报告的数据估算的。
全球石墨资源相对于年度全球消耗量来说储量还是非常大的。
工业矿产资源通常不会在开发前就被完全勘查和报告。对任何一个主要的石墨区域来说,可能都没有完整的石墨资源估计。表2列出了一些主要石墨生产国的可采石墨资源的保守估计。
天然石墨的储量(即,被认为在储量确定时有经济开采价值的石墨矿,且已被识别、勘查和报告的全球石墨矿资源)相当于8100万公吨。
约26%的储量是晶体石墨(片状和脉状类型[lump or chip]),晶体石墨的需求正在增加。除储量外的其他已识别资源(表2中的“其他已识别资源”)约为额外的14亿公吨,从而估计全球已识别石墨资源总量约为15亿公吨。这个总资源估计中,约一半是片状石墨。未来的勘探可能会导致发现的世界资源量是这个估计的多倍;然而,许多新发现可能位于偏远地区,采矿成本高,且距离使用石墨的工业市场较远,且基础设施差。加拿大魁北克的Lac Knife矿床就是一个相对较新的、位于偏远地区的发现的例子(Bonneau and Raby, 1990)。
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