08 9月

铜的自然属性、地球化学特征、矿床类型及全球资源

一、铜的自然属性及应用

铜是人类最早发现的古老金属之一,早在一万年前人类就开始使用铜。古罗马时期铜的主要开采地是塞浦路斯,因此最初得名cyprium(意为塞浦路斯的金属),后来变为cuprum,这是英语copper的来源。

Cu-copper

铜是一种有色基本金属,地壳丰度为0.01%。对于铜矿平均最低可开采品位为0.4%,这相当于平均地壳丰度为80ppm(parts per million 百万分之80)。铜存在于所有动植物中,因为它是所有已知生物体的必要元素。

地壳丰度:同位素在自然界中的丰度,又称天然存在比,指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。丰度的大小一般以百分数表示。

矿石品位:单位体积或单位重量矿石中有用组分或有用矿物的含量

地壳中的化学元素丰度,会随着数据源及估计方式不同而改变。(1)0.01%;(2)50ppm

铜在自然界可呈自然金属,亦可以Cu+和Cu2+状态形成化合物。铜是一个亲硫元素,主要形成硫化物,只有在强氧化条件下可形成氧化物。铜刚切开时呈现红棕色金属光泽。铜比较软,摩氏硬度在2.5~3.0之间。其他物理属性见下表。

符号 Cu  
原子数 29
原子量 63.546
293 K时密度(K:开尔文;温度单位) 8.96 g·cm−3
熔点 1083 ºC
沸点 2567 ºC
293 K时比热容 386 J/kg
电导率 100 100 % (国际退火铜标准, IACS)
298 K时电导率 5.98×107 S/m
电阻率 1.673 x 10-8 Ω·m

导热性和导电性高(仅次于银,大大高于其他金属),因此在电缆和电气、电子组件是最常用的材料;

化学稳定性强,具有耐腐蚀性。可用于制造接触腐蚀性介质的各种容器,因此广泛应用于能源及石化工业、轻工业中;

抗张强度大,易熔接,可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔,还能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金,用于机械冶金工业中的各种传动件和固定件,也可用作建筑材料;

结构上刚柔并济,且具多彩的外观。用于建筑和装饰;

此外,铜也是耐用的金属,可以多次回收而无损其机械性能。

性能 导电性 耐蚀性 结构强度 装饰性
应用比例 64% 23% 12% 1%

 

二、铜的地球化学特征及工业矿物(石)类型

铜在各种岩石中含量差别较大,较高者为玄武岩(80-100ppm),深海沉积物(350ppm),海洋有机体(225ppm),较低者为正长岩(5ppm),碳酸盐(5ppm)。

铜在内生作用中主要形成硫化物和硫砷化物与其他金属硫化物伴生,如Fe, Co, Ni, Pb, Zn, Mo等。在岩浆中一般不进入硅酸盐矿物中,仅在中酸性岩浆中进入黑云母,例如中国德兴铜矿的黑云母含铜100-500ppm,美国宾汉姆(Bingham)矿床含矿岩体的黑云母含铜达1900ppm。在含铜的中酸性岩浆演化过程中,铜进入热水溶液中,在适合的条件下形成硫化物或硫砷化物的沉淀,富集成热液矿床。

在表生作用下,铜的硫化物不稳定,经氧化、分解形成 。由于易溶于水,遇碳酸盐类矿物便反应形成碳酸盐类次生矿物(孔雀石、蓝铜矿等)。在干旱的情况下,由于蒸发作用使含 的水溶液达到饱和,形成铜靛矾,或以含水硫酸盐的形式沉淀,形成胆矾、铜叶绿矾等。

在原生矿床顶部下渗的 ,进入还原环境生成次生硫化矿物(辉铜矿、铜蓝等)。在沉积作用下,铜可以微小的硫化物形式与砂、页岩一起沉淀,或以离子或分子形式被粘土或有机质吸附,或与在岩层活动的S2+结合成硫化物沉淀于岩石的孔隙中。这些形式的铜富集时便成为沉积矿床或层控矿床。

Cu-Chalcopyrite

上图为黄铜矿(Chalcopyrite)

已知的含铜矿物约有250种,主要工业矿物如下表,其中最重要的是黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿。

矿物名称 化学方程式 最大含铜量 (wt%)
自然元素 自然铜Native copper Cu 100.0
硫化物 黄铜矿Chalcopyrite CuFeS2 34.5
斑铜矿Bornite Cu5FeS4 63.3
辉铜矿Chalcocite Cu2S 79.8
铜蓝Covellite CuS 66.4
硫砷化物 硫砷铜矿Enargite Cu3AsS4 49.0
硫锑化物 砷黝铜矿Tetrahedrite (Cu,Fe)12As4S13 57.0
黝铜矿Tennantite (Cu,Fe)12Sb4S13 52.1
氧化物 赤铜矿Cuprite Cu2O 88.8
黑铜矿Tenorite CuO 79.8
碳酸盐 孔雀石Malachite CuCO3.Cu(OH)2 57.5
蓝铜矿(石青)Azurite Cu3(CO3)2(OH)2 55.3
硫酸盐 铜靛矾Chalcocyanite CuSO4 39.8
胆矾Chalcanthite CuSO4.5H2O 25.5
铜叶绿矾Cuprocopiapite CuFe43+(SO4)6(OH)2.20H2O 5.1
硅酸盐 矽孔雀石Chrysocolla  CuSiO3.2H2O 36.2

 

三、主要矿床类型

硫化铜矿床(斑岩铜矿)主导全球产量。据估计,至少有90%的铜产自硫化铜矿床。硫化铜矿中,黄铜矿占了迄今为止所有铜产量的一半。

1、斑岩型矿床

斑岩型矿床是铜矿床最重要的类型之一,世界上第一个实体是在1905年发现于美国的宾汉姆(Bingham),因主要产于斑岩中,故称为斑岩铜矿。斑岩铜矿是目前世界上铜的最重要来源,占世界铜产量的50-60%。它们还是金、银、锡等一系列副产品金属的重要来源。

斑岩铜矿的经济特征:

(1)通常规模巨大,铜的储量都有几百万吨,例如智利的丘基卡马塔(Chuquicamata)、埃尔特尼恩特(El Teniente),美国的宾汉姆(Bingham)、莫伦西(Morenci),印度尼西亚的格拉斯伯格(Grasberg)等矿床储量均在1000万吨以上。

(2)矿石品位低,一般含铜0.4-0.8%,矿床经氧化和次生富集作用后,品位可以提高。例如智利的丘基卡马塔(Chuquicamata),由原生品位的1.2%提高到1.75%;美国的布雷登(Braden),由1%提升至2.25%;智力的埃尔萨尔瓦多矿(El Salvador),也从低品位被提高到1.6%。斑岩铜矿现在开采品位最低一般为0.4%左右。

(3)埋藏深度较浅,由于主要呈细脉浸染状大面积分布,适于露天开采。例如世界最大的露天矿丘基卡马塔(Chuquicamata),长4.3公里,宽3公里,深900米;世界最深的露天矿宾汉姆(Bingham),宽4公里,深970米。

(4)伴生矿物以辉钼矿为最普遍,常构成铜-钼矿床。另外金也是重要的伴生组分,一般含量为0.03-0.78 克/吨,故有些金是从斑岩铜矿中提取的,例如美国的宾汉姆(Bingham)。

(5)斑岩型铜矿规模大,相对品位较低,矿体成群成带出现,而且埋藏浅,适于露天开采。

下图为美国犹他州盐湖城西南部的宾汉姆(Bingham)铜矿。

Cu-Bingham

分布规律:

斑岩铜矿主要集中在中生代-新生代的造山带和岛弧带,如美洲之太平洋大陆边缘、地中海沿岸、太平洋西南岛弧带、安地列斯群岛等,其中以新生代中期至晚期形成的矿床最多,占约斑岩型铜矿床储量的45-50%,其次为中生代末期至新生代初期,占总储量的40%,中生代之前的超大型斑岩铜矿仅限于中亚-蒙古的古生代造山带和某些前寒武纪的克拉通造山带。世界上90%的超大型斑岩铜矿集中在环太平洋带,特别是在东太平洋带的被动大陆边缘,太平洋西岸的超大型斑岩铜矿的仅有中国的德兴铜矿和印尼的格拉斯伯格(Grasberg)。

Cu-Porphyry2

资料来源:美国地质调查局

 

2、沉积岩(页岩型)矿床

沉积岩矿床是目前世界上铜的第二重要来源,占世界铜产量的20%。它们还是铅、锌、银的重要来源以及世界上钴的主要来源,特别是中非铜带。沉积岩铜矿床处于相对较浅的层位,他们通常采用地下开采方法,需要较高的品位。

这类矿床主要形成于两个时期:(1)晚元古代,如中非(特别是赞比亚和刚果(金))、美国西北部和澳大利亚的矿床。(2)晚古生代(主要是泥盆-二迭纪),如欧洲、南美、美国和苏联乌拉山及哈萨克斯坦的矿床。

目前,世界上有两个巨大的沉积铜矿带:

(1)中非铜矿带(Central African Copperbelt)。这是世界上最大型的铜矿带之一。它主要分布在赞比亚-刚果(金)边界,是一个长600公里,宽60~100公里的区域。

中非铜矿带中各矿山铜的产量总计占全世界铜产量的10%左右。矿石中除铜外,还含有钴,偶尔还有铀。这个矿带中的铜矿床都产在前寒武纪变质岩系中,岩石中铜的含量估计含铜达1.7亿吨,平均含铜品位在4%左右,是地球上少有的高铜、钴地球化学异常区(geochemical anomaly)。

矿石主要呈浸染状,硫化物矿物很均匀地分散在含矿岩层中,而且矿物成分在垂直方向和横向上都有分带现象。一般说来,矿体底部主要为辉铜矿,往上为斑铜矿,最上部为黄铁矿。在横向上,产于刚果(金)一般是氧化物矿石,而赞比亚为硫化物矿石。

(2)欧洲含铜页岩铜矿带。含铜页岩主要分布在英国、荷兰、德国和波兰等几个欧洲国家,构成一个长达1500km的铜矿带,面积可达600,000平方公里,是世界上最大的的沉积铜矿带。矿床完全产在二叠纪的海相沥青泥灰岩和页岩中。

在欧洲含铜页岩矿带中,最有名的矿区是东德的曼斯菲尔德和波兰的前苏台德。其中曼斯菲尔德已有1000多年的开采历史,至今仍是世界著名的铜矿区。铜页岩中还有铅、锌伴生。估计全区页岩和页状泥灰岩中含铜可达2000万吨,锌6000万吨吨,铅1000万吨。

波兰卢宾(Lubin)矿床,自20世纪50年代中期发现后一直开采至今,铜矿储量约7200万吨,品位1.99%,目前是欧洲最大的铜矿床。

Cu-Sediment-hosted2

资料来源:美国地质调查局

 

3、火山沉积块状硫化物型铜矿床(VMS)

此型矿床又称黄铁矿型铜矿,是一种重要的铜矿床类型,占全球铜产量10~20%,主要产于海底火山喷发的熔岩和碎屑岩中,一般规模较大,例如西班牙里奥廷托(Rio Tinto)矿为代表的矿区,长230公里,宽30~40公里,总储量达1亿吨以上,共有六十多个矿山开采。日本的黑矿带,自北海道延至本州岛,长1200km,宽50km,大小矿床一百多个。其他如苏联乌拉山东部、赛浦路斯的Troodos Ophiolite,加拿大的诺兰达(Noranda)地区。

一般特征:

(1)矿石品位高,一般铜品位为0.8-2%,有些达10%以上。如乌拉山此型矿床平均铜品位4%,个别可达11-12%;赛浦路斯平均3.4-4.5%,加拿大的怀特矿床平均7.1%。

(2)矿体呈层状,似层状或凸镜状,产于层状火山岩之中。

(3)矿石中含大量硫化物矿。主要是黄铜矿,有时也有斑铜矿、黝铜矿等,常有闪锌矿和方铅矿伴生。由于这类矿床含大量黄铁矿(>95%),亦有以“含铜黄铁矿矿床”称之。

(4)矿石常呈致密块状构造,惟其下部常有网脉状和浸染状矿石。相比于斑岩矿和沉积岩矿,由于其复杂的矿物特性和形状,开采成本将对较高。

Cu-Volcanogenic massive sulfide2

资料来源:美国地质调查局

 

4、岩浆型铜-镍硫化物矿床

这类矿床以镍为主,伴生有铜,世界范围内岩浆硫化物矿床一般吨位在几十万至几百万吨,品位在0.2~2.0%之间。最大的岩浆硫化物铜镍矿床在太古宙(40~25亿年前)与远古宙(25~5.4亿年前)形成。一般而言,矿石中常另伴生有钴、铂族金属、金、银等组分,例如世界著名的加拿大萨德伯里矿床(Sudbury)可回收15种金属,苏联西伯利亚的诺里尔斯克矿床(Norilsk)也能回收14种金属,在苏联时期是重要的铜来源。

5、热液脉型铜矿床

脉状铜矿床分布甚广,但规模不大,产在各类岩石中,但主要与斑岩型铜矿床及角砾岩型铜矿床伴生。美国的标特矿床(Butte)原即为世界有名的脉状铜矿床,后来发现矿脉间存在着浸染状及密集的细脉状矿化,已发展成为一个巨大的斑岩型铜矿床。

此类铜矿的矿石矿物最常见的是黄铜矿,常见的伴生金属是铅、锌、银,有些伴生有金而成为铜-金矿脉。一些规模较大的矿脉,矿物组合有明显的分带,如美国的标特矿床(Butte):深部为黄铜矿-斑铜矿-砷黝铜矿组合;中部为辉钼矿-硫砷铜矿组合;上部为含菱锰矿、闪锌矿、方铅矿和蔷薇辉石的碳酸质岩脉。许多实例显示,脉状铅锌矿床的深部可逐渐变成以铜为主的矿床。

6、矽卡岩型铜矿床

矽卡岩型矿床分布虽广,但一般规模较小不受重视,仅在中国有规模巨大者,如江西城门山和湖北丰山洞。主要产生之工业矿物为黄铜矿和斑铜矿,伴生矿物有磁铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿、辉钼矿、方铅矿、闪锌矿等,脉石矿物是矽卡岩矿物。矽卡岩铜矿品位一般为1%~2%,吨位通常为百万吨至1亿吨,也有个别矿床突破3亿吨。主要的矽卡岩铜矿为巴布亚新几内亚的奥克泰迪(Ok Tedi),中国湖北丰山洞铜矿。

 

四、全球铜矿资源

2014年USGS全球铜矿评估表明,已辨识铜矿资源包含约21亿吨(其中斑岩铜矿为18亿吨),未被发现的资源估计为35亿吨。深海结核与海底块状硫化物为非常规铜资源。

国家 储量 份额
智利 210,000 29.2%
澳大利亚 88,000 12.2%
秘鲁 82,000 11.4%
墨西哥 46,000 6.4%
美国 33,000 4.6%
中国 30,000 4.2%
俄罗斯 30,000 4.2%
刚果(金) 20,000 2.8%
赞比亚 20,000 2.8%
加拿大 11,000 1.5%
其他国家 150,000 20.8%
世界总计 720,000 100.0%

资料来源:美国地质调查局

Cu-world resource

资料来源:美国地质调查局

过去25年中,铜矿开采量以平均每年3.07%的速度增加。铜矿产量从1990年的895万吨增加了一倍至2014年的1850万吨。铜产量的持续增长,可以归因于世界各国经济增长对铜需求的稳步增加。

Cu-copper mine production

资料来源:美国地质调查局

南美铜矿占世界总产量由1990年的22%提升至2014年的40%。很大程度上是由于智利的增产,占世界总产量由1990年的17.8%提升至2014年的31.1%。稳定的政治环境为矿业公司开采智利巨大的铜矿资源提供了有利条件。中北美洲的产量下降,亚洲的贡献增加。

对铜的需求上升意味着许多矿山现在几乎满负荷运转。再加上有限的扩张潜力和日益减少的矿石储量,这意味着铜产量将趋于平稳,除非目前的高铜价将被再投入于勘探和未来的生产基础设施。开采铜矿产量易受到供应中断问题,例如罢工、自然灾害,天然气和水供应的担忧(智利铜矿供水问题尤为突出)。改进的开采和萃取技术现在允许从低品位的矿石(以前被认为是废料的矿石)中使用化学和生物浸出技术来萃取。然而,在许多情况下,浸出周期可能以年计,通过这些方法产出的铜会导致相当长时间的滞后。

大约有50个国家出产铜矿,其中十个国家年产量超过50万吨。这十个国家占世界铜矿产量的80%。2014年全球铜矿产量为1850万吨。智利为最大的铜矿产出国。2014年智利产出575万吨铜,占全球总产量31%。2014年产量最大的铜矿为智力的埃斯康迪达(Escondida)铜矿。

  产量 份额
南美洲 7,542,600 40.82%
亚洲 3,722,290 20.14%
中北美洲 2,579,760 13.96%
非洲 1,954,050 10.57%
欧洲 1,634,100 8.84%
大洋洲 1,045,900 5.66%

资料来源:美国地质调查局

Cu-copper mine production(%)

资料来源:美国地质调查局

 

附:2015年全球20大铜矿产能矿场

排名 矿场 国家 所属 产能 份额(预估) 坐标
1 埃斯康迪达矿Escondida 智利 必和必拓 1,205,000 5.40% -24.266667,

-69.066667

2 格拉斯伯格Grasberg 印度尼西亚 费利浦印尼公司,力拓集团 780,000 3.50% -4.052778, 137.115833
3 莫伦西Morenci 美国 费利浦·麦克莫兰铜金公司 520,000 2.33% 33.090556,

-109.366667

4 洛斯布隆塞斯Los Bronces 智利 英美资源集团股份 462,000 2.07% -33.145000,

-70.271111

5 科亚瓦西 Collahuasi 智利 英美资源集团股份,嘉能可 450,000 2.02% -21.000000,

-68.800000

5 安塔米纳Antamina 秘鲁 必和必拓,嘉能可 450,000 2.02% -9.537200,

-77.061100

7 诺里尔斯克 Polar Division (Norilsk/ Talnakh Mills) 俄罗斯 诺里尔斯克镍业 430,000 1.93% 69.333333, 88.216667
8 埃尔特尼恩特El Teniente 智利 智利国营铜公司 422,000 1.89% -34.087778,

-70.387500

9 洛斯佩兰布雷斯 Los Pelambres 智利 安托法加斯塔集团 420,000 1.88% -31.713890,

-70.489000

10 Radomiro Tomic 智利 智利国营铜公司 400,000 1.79% -22.216667,

-68.900000

11 丘基卡马塔 Chuquicamata 智利 智利国营铜公司 360,000 1.61% -22.305461,

-68.902242

12 Buenavista del Cobre (former Cananea) 墨西哥 墨西哥集团 300,000 1.35% 30.970000,

-110.328000

13 Kansanshi 赞比亚 第一量子矿业 285,000 1.28% -12.083333, 26.416667
14 宾汉姆 Bingham Canyon 美国 力拓集团肯尼科特 280,000 1.26% 40.523333,

-112.151000

14 巴都希贾乌 Batu Hijau 印度尼西亚 纽蒙特矿业 280,000 1.26% -8.966667, 116.866667
16 安迪纳 Andina 智利 智利国营铜公司 250,000 1.12% -33.133300,

-70.266700

17 卡莫托 Kamoto 刚果(金) 嘉能可加丹加矿业股份 245,000 1.10% -10.714798 25.385542
18 绿山铜矿Cerro Verde II (Sulphide) 秘鲁 费利浦·麦克莫兰铜金公司 240,000 1.08% -16.530291,

-71.590693

19 奥林匹克坝 Olympic Dam 澳大利亚 必和必拓 225,000 1.01% -30.444444, 136.866667
20 Mina Ministro Hales 智利 智利国营铜公司 220,000 0.99% -22.346667,

-68.886944

资料来源:国际铜业研究组织

 

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