中国战略性矿产——镓

学术 2024-11-03 08:01 上海

镓，作为一种新兴的战略性矿产资源，在当今全球电子信息产业中占据着举足轻重的地位。其独特的物理和化学性质，使其在半导体材料、光电材料、超导材料以及新能源等领域展现出广泛的应用潜力。随着信息技术的飞速发展和全球对高性能材料需求的持续增长，镓的战略地位日益凸显，成为各国竞相争夺的重要资源之一。

近年来，随着5G通信、物联网、大数据、云计算等新兴技术的崛起，电子信息产业呈现出爆炸式增长。作为电子信息产业的核心材料之一，镓的需求量也随之急剧增加。

镓在地壳中的含量虽然相对较高，但主要以伴生矿的形式存在，提取难度大，且全球分布不均。目前，主要的镓资源集中在少数几个国家和地区，这使得镓的供应存在较大的不确定性和风险。鉴于镓的战略价值，各国纷纷加强对镓资源的争夺和布局。通过政策扶持、技术研发、国际合作等手段，努力提升本国在镓产业链中的竞争力和话语权。

镓在电子信息产业中具有广泛应用前景，是推动产业升级和转型的重要力量。通过加强镓资源的开发利用和技术创新，可以促进电子信息产业的快速发展，提升国家在全球产业链中的地位和竞争力。镓作为战略性矿产资源，其供应安全直接关系到国家的经济安全和国防安全。通过深入研究镓的资源分布、开发利用等，可以为国家制定科学合理的资源战略提供有力支撑，确保国家安全和可持续发展。

图1 镓

一、镓的基本性质与用途

（一）物理性质

镓（Ga）是一种银白色的金属元素，具有一系列独特的物理特性。其熔点相对较低，约为29.76°C，这意味着在室温下镓就能呈现为柔软的金属状态，是少数几种在常温下呈液态的金属之一（尽管实际上在常温下它仍然是固态，但接近室温时极易熔化）。镓的沸点则高达2477°C，显示出其较高的热稳定性。其密度约为5.907克/立方厘米，属于密度较大的金属之一。

图2 镓熔点低

（二）化学性质

镓位于元素周期表的第三主族，具有典型的金属性和一定的化学反应活性。它在空气中容易被氧化，形成一层致密的氧化物保护膜，从而减缓进一步的氧化过程。镓能与稀酸反应生成氢气，但与水的反应相对缓慢。此外，镓还能与碱金属或碱土金属形成合金，并表现出一定的两性性质，即既能与酸反应也能与碱反应。

（三）主要用途

1.半导体工业

镓是半导体材料的重要组成部分，特别是砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）等化合物半导体材料，在集成电路、微波器件、光电子器件等领域有着广泛的应用。

图3 氮化镓

砷化镓作为第二代半导体材料的代表，被广泛应用于雷达、卫星电视广播、微波及毫米波通信、无线通信及光纤通信等领域。

氮化镓作为第三代半导体材料，具有高稳定性、高硬度、宽能隙和高熔点等特性，是新兴半导体光电产业的核心材料和基础器件。

氧化镓作为第四代半导体的典型代表，具有更宽的禁带以及优异的发光特性，在高功率、光电子器件领域的应用优势愈加明显。

2.太阳能工业

砷化镓聚光太阳能电池具有良好的耐热、耐辐射等特性，被应用在航天工业和军工领域，以及大规模发电站。

图4 镓应用

铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代多元化合物太阳能电池中的佼佼者，能够吸收大部分太阳光，光电转化率高，发展潜力巨大。

3.磁性材料工业

镓在磁性材料领域也有应用，如用于制造高性能的磁记录材料和磁传感器等。

4.医疗领域

镓的放射性同位素（如镓67）可用于临床诊断，如肝癌、肺癌、淋巴系统肿瘤以及活动性炎症的诊断。

镓盐制剂具有固钙强骨和抗癌功效，如硝酸镓能有效抑制异常骨再吸收和降低因骨吸收钙流入血液，对大骨节病治疗效果显著。

镓是继铂族元素之后第二种治疗癌症的有效元素，通过进入癌细胞后可降低其对铁的吸收，达到杀死癌细胞的目的。

5.其他领域

镓与铟、锡等金属可配制成液态金属，如镓铟液态金属合金可替代水银制成环保型的温度计。

镓铟锡合金在常温下为液态，凭借其优良的导电性能可以搭接神经之“桥”。

镓铂合金由于其生物学性能远超银汞合金，可替代银汞合金作为良好的镶牙材料。

二、全球镓资源概况

（一）储量情况

全球镓的总储量相对有限，但分布相对集中。据美国地质调查局（USGS）等权威机构的数据，全球镓的金属储量约为23万吨至27.93万吨之间（不同年份和机构的统计数据略有差异）。其中，中国的镓金属储量最为丰富，约占全球总储量的68%至85%（不同数据来源有所不同，但均显示中国储量占比极高）。其他地区的镓储量相对较少，但也具有一定的开采价值。

图5 世界镓、锗资源储量分布

（二）产量情况

近年来，全球镓的产量呈现出稳步增长的趋势。这主要得益于新兴技术的快速发展和应用领域的不断拓展，特别是半导体、新能源等领域的快速发展，对镓的需求不断增加。2021年全球镓产量为430吨，而到了2023年，全球镓产量已经增长至730吨。其中，中国的镓产量占据了绝大部分份额，2023年中国镓产量约为701吨，占全球产量的90%以上。这主要得益于中国丰富的镓资源储量和完善的产业链体系。

图6 全球主要粗镓生产国及其产量

（三）主要产区

全球镓资源的主要产区包括中国、非洲、大洋洲、南美洲以及欧洲等地。其中，中国的镓资源主要分布在四川、贵州、江西、山西和云南等地，这些地区的镓资源储量丰富，且开采条件相对较好。非洲的镓资源主要分布在一些特定的矿区和矿床中，如刚果（金）等地。大洋洲的镓资源则主要分布在澳大利亚等地，该地区的镓资源储量也相对较高。南美洲的镓资源主要分布在巴西等地，而欧洲的镓资源则相对分散，但也有一些重要的矿区。

图7 世界典型伴生镓矿床与镓资源分布

此外，虽然美国本土也拥有一定量的镓资源储量，但由于其相关产业链几乎为零，即使能迅速重建也无法进行有效提纯，因此其镓产量并不高。不过，随着全球对镓资源需求的不断增加，美国也在积极寻求增加其镓产量的途径。

三、中国镓资源概况

（一）储量与分布

中国镓资源储量丰富，在全球占据领先地位。据不同数据来源，中国镓金属储量约占全球总储量的68%至85%，总量约为19万吨至23万吨。这些镓资源主要分布在山西、吉林、河南、贵州、广西和江西等省区，其中一些地区拥有具有工业价值的富镓矿床。

图8 全球镓资源分布

具体来说，中国的镓资源主要伴生在铝土矿、煤矿和铅锌矿中，而铝土矿中的伴生镓尤为重要。山西、河南等地的铝土矿资源丰富，是镓资源的重要产区。此外，广西、贵州等地的煤矿和铅锌矿也含有一定量的镓资源。江西等地的富镓矿床也具有重要的开发价值。

（二）分布特点

中国镓资源的分布特点主要体现在以下几个方面。

地域分布广泛：虽然镓资源主要集中在某些特定的矿区和矿床中，但整体上在中国的分布范围相对广泛，涉及多个省份和地区。

伴生矿种多样：镓主要以伴生形式存在于铝土矿、煤矿和铅锌矿等矿床中，这增加了其开采和提取的难度，但也为综合利用这些资源提供了可能。

成矿条件复杂：中国镓资源的成矿条件相对复杂，受到多种地质因素的影响。这要求在开采和提取过程中需要采取科学的方法和先进的技术手段。

图9 中国伴生镓矿床与富镓矿床成矿区带

（三）主要伴生矿种

镓在中国主要伴生于以下几种矿种中。

铝土矿：铝土矿是镓的重要伴生矿种之一。中国的铝土矿资源丰富，且很多铝土矿中含有一定量的镓。这使得在开采铝土矿的过程中可以同时提取镓，提高了资源的综合利用效率。

煤矿：煤矿也是镓的重要来源之一。在一些煤矿中，镓以伴生形式存在于煤层或煤矸石中。随着煤炭资源的开采和利用，这些镓资源也可以得到相应的回收和利用。

铅锌矿：铅锌矿是另一种含有镓的矿种。在开采铅锌矿的过程中，可以通过相应的技术手段提取其中的镓资源。

图10 伴生镓矿产

四、中国镓矿的成矿机制与找矿方向

（一）成矿机制

中国镓矿的成矿机制复杂多样，主要包括岩浆作用、伟晶岩作用、气成-热液作用、热液作用、风化作用和沉积作用等。这些成矿作用在不同的地质环境和条件下，形成了不同类型的镓矿床。

岩浆作用：岩浆活动过程中，镓元素可以随着岩浆的冷却结晶而富集在特定的矿物中，形成镓矿床。然而，在中国，镓主要以伴生形式存在，因此岩浆作用虽然重要，但并非镓矿的主要成矿机制。

伟晶岩作用：伟晶岩是岩浆活动晚期，由富含挥发分的残余岩浆沿裂隙上升侵入围岩后冷凝结晶形成的粗粒岩石。在伟晶岩作用过程中，镓元素可以随着其他矿物的结晶而富集，但同样以伴生形式存在。

气成-热液作用：气成-热液作用是指岩浆在冷却过程中释放出的气体和热水溶液与围岩发生反应，形成新的矿物和岩石的过程。在这个过程中，镓元素可以随着热液的流动而富集在特定的矿物中，形成镓矿床。然而，在中国，这种成矿机制相对较少见。

风化作用和沉积作用：这是中国镓矿的主要成矿机制之一。在风化作用下，含镓的岩石被破碎、分解，镓元素以离子或化合物的形式被释放到地表或地下水中。随后，在沉积作用下，这些含镓的物质可以随着水流、风等自然力量搬运到新的地点沉积下来，形成镓矿床。特别是在沉积型、堆积型铝土矿中，镓元素常常以类质同象的形式存在于铝的矿物中，形成富镓铝土矿。

（二）找矿方向

根据中国镓矿的成矿机制和地质背景，可以提出以下找矿方向和重点找矿区域。

沉积型、堆积型铝土矿：作为中国镓资源的主要伴生矿种，沉积型、堆积型铝土矿是找矿的主攻方向。这些铝土矿主要分布在山西、河南、贵州、广西等地，具有储量大、品位高、易于开采等特点。在找矿过程中，应重点关注这些地区的铝土矿矿床，通过地质勘探和采样分析等手段，确定镓的富集程度和分布规律。

煤矿：煤矿也是中国镓资源的重要伴生矿种之一。在一些大型的煤矿中，镓元素常常以无机态、有机态或混合形式存在于煤层和围岩中。因此，在煤矿开采过程中，可以注意对镓资源的综合利用和提取。特别是在内蒙古准格尔煤田等地，已经发现了超大型伴生镓矿床，这些地区应作为重点找矿区域之一。

铅锌矿：铅锌矿也是中国镓资源的伴生矿种之一。在铅锌矿的开采和加工过程中，可以注意对镓元素的提取和利用。特别是在一些富含镓的铅锌矿中，如美国Central Tennessee矿床、瑞典Zinkgruvan矿床以及中国的凡口铅锌矿和银山铅锌矿等，都可以作为找矿的参考对象。然而，需要注意的是，由于铅锌矿中镓的含量相对较低，因此在找矿过程中需要综合考虑其他因素，如矿床规模、开采条件等。

五、中国镓资源的开发利用现状

（一）开采与冶炼技术

1.主要开采方法

中国的镓资源主要以伴生矿的形式存在于铝土矿或锌矿之中，尚未发现独立的镓矿。因此，镓的开采通常是作为铝土矿或锌矿开采的副产品进行的。这种伴生特性决定了镓的开采方式与铝土矿或锌矿的开采密切相关。在实际操作中，首先开采出含有镓的矿石，然后通过后续的冶炼和提纯过程来获取镓。

2.冶炼工艺

镓的冶炼工艺主要包括湿法冶炼中的电解精炼法、真空蒸馏法及定向结晶法等。其中，电解精炼法因其高效性在生产中应用广泛。以下是湿法炼铝过程中提取镓的一个典型流程：

将铝矾土通过NaOH浸泡得到碱母液，其中含有铝酸钠及镓等稀有金属。

利用吸附分离萃取法，通过加入特定树脂颗粒吸附镓。

经电解精炼得到高纯镓。

为了提高镓的纯度，通常会采用联合法，即电解精炼—真空蒸馏—定向结晶三种技术结合使用，以有效去除原料中的多种杂质。

（二）产量与出口

1.产量情况

中国是全球最主要的金属镓生产大国。近年来，随着下游半导体等需求的带动，以及镓价持续提升和我国镓出口的增加，我国镓主要生产企业快速扩产和技改，产量呈现出增长态势。特别是2021年至2022年，我国初级镓产量持续上涨。2022年，我国原生镓产量约606吨，同比上涨27.66%；再生镓产量也不低于40吨。此外，我国还在不断推进新的金属镓生产基地建设，如万州经开区年产150吨金属镓产业化项目等，这将进一步提升我国的镓产量。

2.出口情况

中国不仅是全球最大的镓产品生产国，也是镓产品出口大国。我国镓产品主要出口到半导体产业发展较好的发达国家，如美国、欧盟、日本和韩国等。近年来，随着全球半导体行业的飞速发展，我国对镓的需求量也在不断增加，但尽管如此，我国仍然保持着较大的镓产品出口规模。不过，随着国家对镓资源安全保护意识的增强，以及对镓产品出口管制的落实，我国镓产品的出口规模可能会出现一定程度的下滑。

在全球市场中，中国镓产量占全球产量比例高达90%以上，这凸显了我国在全球镓产业中的重要地位。同时，随着新能源、LED、半导体、永磁材料等镓行业下游应用领域的蓬勃发展，以及未来5G通讯技术的加速发展，我国对镓的需求量将持续增加，这将进一步巩固我国在全球镓产业中的领先地位。

六、战略意义与保护措施

（一）战略意义

镓作为一种战略性矿产，对中国经济发展具有极其重要的作用，特别是在高科技产业和国防建设中发挥着不可替代的作用。

在高科技产业方面，镓及其化合物是半导体材料的重要组成部分，是研制微电子器件和光电子器件的重要材料。例如，砷化镓作为一种新型优质半导体，被广泛应用于微波器件、激光器和发光二极管等产品中。随着电子信息产业的蓬勃发展，镓在半导体行业中的消费量占比高达80%，被誉为“半导体工业的新粮食”和“电子工业的脊梁”。此外，镓在太阳能电池、光纤通信、航空航天等领域也有着广泛的应用前景。

在国防建设方面，镓同样是不可或缺的战略资源。例如，在原子能工业中，镓是控制核反应堆的重要材料。同时，镓合金在温控、仪表、焊接、自动灭火等领域也有广泛应用，进一步提升了国防设备的性能和安全性。

（二）保护措施

为了保护中国镓资源并实现可持续发展，以下是一些具体的措施和建议。

勘查与评估：加大对镓资源的勘查力度，摸清资源家底，为合理开发和利用提供科学依据。同时，对镓资源的储量和分布进行动态评估，确保资源的可持续利用。

开采与利用：制定科学的开采计划，避免过度开采和浪费。在开采过程中，应采用先进的开采技术和设备，提高开采效率和资源利用率。同时，加强伴生镓资源的综合利用，实现资源的最大化利用。

冶炼与提纯技术：加强对镓冶炼和提纯技术的研究与开发，提高冶炼效率和产品质量。通过技术创新和产业升级，降低生产成本，提高市场竞争力。

出口管制与战略储备：为维护国家安全和利益，应对镓相关物项实施出口管制，确保战略资源不被非法利用。同时，建立镓资源的战略储备制度，以应对突发事件和市场波动。

国际合作与交流：积极参与国际镓资源的合作与开发，加强与其他国家在勘查、开采、冶炼和提纯等方面的技术交流与合作。通过国际合作，共同推动全球镓资源的可持续利用和发展。

产业转型升级：鼓励和支持镓资源深加工和高端应用产业的发展，推动产业转型升级。通过发展高附加值的产品和应用领域，提高镓资源的经济价值和市场竞争力。

七、结论与展望

（一）结论

中国镓资源在全球范围内具有显著的优势和地位。作为战略性矿产，镓在高科技产业和国防建设中发挥着不可替代的作用。

资源丰富：中国拥有丰富的镓资源储量，主要作为铝土矿、锌矿等矿产的伴生资源存在。随着勘查技术的进步和矿产资源的综合开发利用，中国镓资源的潜在价值将得到进一步发掘。

技术领先：中国在镓资源的开采、冶炼和深加工技术方面取得了显著进展。通过不断的技术创新和产业升级，中国已经形成了较为完善的镓产业链，具备了较强的国际竞争力。

市场需求旺盛：随着全球高科技产业的快速发展和国防建设的不断推进，对镓资源的需求日益增加。中国作为全球最大的镓生产国之一，在全球矿产市场中占据重要地位，对全球镓资源的供应格局具有重要影响。

（二）展望

展望未来，中国镓资源的发展将呈现以下趋势。

国际合作：在全球化的背景下，加强国际合作是推动中国镓资源可持续发展的重要途径。中国将积极参与国际镓资源市场的竞争与合作，与其他国家共同分享资源、技术和市场，实现互利共赢。

技术创新：技术创新是推动镓资源产业发展的关键。中国将继续加大研发投入，推动镓资源勘查、开采、冶炼和深加工技术的不断创新和升级，提高资源利用率和附加值，推动镓资源产业向高端化、精细化方向发展。

产业结构：优化产业结构是推动中国镓资源可持续发展的重要举措。中国将加强镓产业链的上下游协同发展，推动产业集聚和升级，形成更加完善的镓产业链体系，提高整体竞争力。

资源保护：资源保护是实现镓资源可持续利用的基础。中国将继续加强镓资源的勘查、开采和加工过程中的环境保护和生态治理工作，确保镓资源的可持续利用和生态环境的协调发展。

综上所述，中国镓资源在全球矿产市场中具有重要地位和广阔的发展前景。未来，中国将继续加强国际合作、推动技术创新、优化产业结构和加强资源保护等工作，推动中国镓资源产业的持续健康发展。

致谢：央广网、腾讯网、东方财富网、智研咨询、百家号、知网、网易、河北省地矿局等，百度及微信等网络媒体。

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