“中東有石油，中國有稀土”
所謂“稀土”
是元素週期表中17種金屬元素的總稱
作為“工業維生素”“萬能之土”
稀土在高階技術領域
在內蒙古自治區包頭市
有一座名為“白雲鄂博”的小城
它以佔全國九成、全球四成的稀土儲量
白雲鄂博這個美麗的名字由何而來？
這裡的稀土礦藏如何被發現？
這些寶貴的戰略資源如何被開發利用？
巨量的稀土資源為何彙集於此？一系列問題的答案，都與北大有關今天凌晨，北京大學李揚與合作者
在《科學進展》（Science Advances）
發表最新研究成果
揭示了白雲鄂博巨量稀土資源的成因
這段北大與白雲鄂博之間
跨越百年的故事再續新篇
白雲鄂博，由一位北大青年教師發現
中國是世界上稀土資源最為豐富的國家。根據稀土元素的相對原子質量劃分，稀土資源分佈整體呈現出“北輕南重”的分佈特點：原子質量較小的輕稀土（如鐠、釹）主要分佈在內蒙古，重稀土（如鋱、鏑）則以江西、廣東等地區占主導地位。
在這些盛產稀土的土地中，有一處礦藏在我國具有極為獨特的意義，它以佔全國稀土總儲量九成、世界探明總量四成的傲人實力，成為名副其實的“稀土之鄉”——它叫“白雲鄂博”，寓意為“富饒的神山”。
北大與白雲鄂博有近百年的不解之緣。1927年7月，中國西北科學考察團，從北京出發前往內蒙，在廣袤的草原深處，開展地質、古生物研究和沿途礦產調查。隊伍中有一位年僅28歲的北大青年——丁道衡。彼時，他並未預見到，自己即將叩開一座地球給予中國的巨大寶庫。
丁道衡出生於貴州的一個官宦家庭。在晚清“開眼看世界”的時代洪流下，他對自然科學產生了濃厚興趣。五四運動爆發後，他毅然突破家庭束縛，隻身北上求學，考入北京大學地質系，以優異成績畢業後留校，擔任地質系助教。
隨考察團進入白雲鄂博後，丁道衡一路觀察，希望能在這片廣袤的土地上發現特殊地質現象的蛛絲馬跡。忽然，他的目光被前方一座突兀的山峰吸引——在灼熱的陽光下，它依然泛著冷峻的青黑色。
∆丁道衡考察期間留影
憑藉敏銳的專業直覺，丁道衡意識到，這裡極有可能蘊藏著某種礦藏。他毫不猶豫地跳下駱駝，沿路走訪當地牧民，並在典籍資料中尋找線索。第二天清晨，他便隻身徒步前往實地一探究竟。沿山中瀉出的河流而上，丁道衡發現河溝兩側散佈著鐵礦石，且越接近山峰礦石越多。這讓他更加確定，此處有尚未被發現的大型礦床。攀上主峰，他看到一個由黑色石塊堆砌而成的敖包靜靜佇立，俯視四周，山峰的南坡半壁皆為礦石。
1927年7月5日，考察團正式收到丁道衡發來的喜訊：在巴延博克圖（即白雲鄂博）發現了巨大的鐵礦床，“礦質雖未分析，全山皆為鐵礦所成……全量皆現露於外，開採極易。”這一訊息讓整個考察團大為振奮。接下來的十餘天裡，丁道衡揹著烙餅和水壺，櫛風沐雨繼續踏勘，積累了寶貴的一手資料。
依據蒙古語發音，丁道衡將此處地名譯為“白雲鄂博”，這一名稱一直沿用至今。透過實地勘查和採集，丁道衡在此形成了百餘幅地質圖和數以萬計的文字資料，收集礦石標本35箱，並初步調查了白雲鄂博山的地形、地質構造、鐵礦儲量、礦石成分等。他斷言：
如能對白雲鄂博鐵礦進行大規模的開採，必將成為發展工業的主要礦源，並將促使中國的西北地區發達起來。
1933年，丁道衡編寫的《綏遠白雲鄂博鐵礦報告》在《地質彙報》見刊，白雲鄂博首次向世人展露其驚世容顏。在日記裡，丁道衡興奮地寫下了這樣一句話：“很榮幸，我發現了它（白雲鄂博）的秘密。”
發現稀土，一位北大教授成為“中國稀土礦床之父”
為進一步探究白雲鄂博礦石中的礦物特徵，丁道衡將研究任務委託給以巖礦鑑定為專長的北大地質系教授何作霖。何作霖意外地發現——除鐵礦物、螢石和重晶石外，這些礦石中似乎還存在著兩種新的神秘礦物，使周圍的紫色螢石產生褪色暈圈。這一發現迅速引起了何作霖的關注，透過光學顯微鏡的初步測定，何作霖推測，這兩種礦物極有可能是稀土礦物。為進一步驗證這一猜想，何作霖在極端艱苦的研究條件下，選出了一定數量的礦物樣品，送往北平研究院物理所進行光譜測定。
測定結果令人振奮：光譜圖譜上顯示出多條稀土特徵譜線，這證實了稀土的存在！1934年11月，何作霖撰寫了《綏遠白雲鄂博稀土類礦物初步研究》一文，他將兩種稀土礦物分別命名為“白雲礦”和“鄂博礦”，即氟碳鈰礦和獨居石。
伴隨科技進步，20世紀中期，全球稀土需求大漲，中國的稀土產業也悄然起步。1950年8月，中國科學院地質研究所成立，並將白雲鄂博列為研究重點。與前蘇聯共同成立的中蘇科學院白雲鄂博地質合作隊，開始對白雲鄂博礦床的礦物組成和成因進行深入研究。何作霖作為合作隊中方領隊，親自帶領隊員深入白雲鄂博一線，開展標本採集、巖礦鑑定和現場勘探等工作。
經過兩年的野外地質工作和室內分析測試，合作隊完成《內蒙古白雲鄂博鐵-氟-稀土和稀有礦床研究總結報告》。報告指出：白雲鄂博是當前世界規模最大的稀土礦床，我國稀土大國的地位由此確立。何作霖發現並證實白雲鄂博存在大規模稀土，為我國稀土資源的開採利用以及稀土礦床學和礦物學的創立和發展作出了卓越貢獻，被譽為“中國稀土礦床之父”。
提純至99.99%，一位北大院士獲得國家最高科學技術獎
上世紀60至70年代，全球稀土供應鏈主要由美國主導。儘管中國擁有全球最大的稀土已探明儲量，但當時國內尚不具備提取高純度稀土資源的能力，只能將低品位的稀土原料廉價出口，換取西方國家生產的高純度稀土產品。
“空有寶山，卻要受制於人。”這一現狀深深刺痛了中國科研工作者的心。為打破稀土提純技術的外部壟斷，1972年，北京大學化學系收到了一項緊急任務——分離鐠、釹，研發生產稀土的技術。時任北京大學放射化學教研室主任徐光憲，成為這項重大任務的負責人。
徐光憲生於浙江紹興，本科畢業於上海交通大學物理系，後赴美國哥倫比亞大學深造。1951年，面對美國阻撓中國留學生回國的嚴峻形勢，徐光憲與妻子高小霞毅然踏上回國郵輪，進入北京大學工作。徐光憲每一次研究方向的重大調整，都與國家戰略需求密切相關。他的第一次方向調整是響應國家“大辦核事業”的號召，將研究方向從量子化學轉向放射化學；文革結束前，他為了國家對稀土的重大需求，又第二次將研究方向轉到了稀土分離理論和應用研究中。
∆徐光憲在實驗室工作
在當時，分離稀土的主流方法是離子交換和分級結晶。然而，徐光憲認為這兩種方法存在很多不足：過程不連續、成本高且純度低，難以滿足大規模生產的需求。結合自己早年的化工知識和在核領域的研究經驗，透過深入調研，徐光憲創造出一套新的串級萃取理論，並在包鋼稀土三廠、廣州珠江冶煉廠、上海躍龍化工廠的試生產中獲得成功。
1975年8月，徐光憲在第一屆全國稀土會議上公開了串級萃取理論，用串級萃取法在工業規模將稀土純度提高到99.99%，打破了當時的世界紀錄。為了讓更多的科研單位和企業受益，徐光憲和同事們還辦起“全國串級萃取講習班”，將這一新的理論和方法廣泛傳授和迅速應用，顯著提升了中國稀土工業的競爭力。1988年，中國稀土生產量躍升至全球第一。進入新世紀，中國稀土產量和質量始終保持國際領先。2008年1月9日，國家最高科學技術獎公佈，徐光憲因其在稀土科學和技術研究領域的傑出貢獻，成為中國化學化工界首位獲此殊榮的科學家。
成礦模型，北大團隊揭開稀土身世之謎
人類與白雲鄂博邂逅已近百年，在過去40年間，它以浩瀚的積蘊為世界貢獻了66%的稀土產能。然而，這裡為何能夠富集全球38%的稀土資源，學界始終莫衷一是。探秘白雲鄂博礦床成因，不僅出於人類對地球演化與自然規律的好奇，更是以理論創新指導找礦勘探和綠色選冶的必然。
在自然界中，具有工業提取價值的稀土資源主要為四種——氟碳鈰礦、獨居石、磷釔礦和風化殼淋積型礦石。白雲鄂博礦區的主要稀土礦物為獨居石和氟碳鈰礦，二者存在於一種被稱為“H8”的白雲岩中，這是一種岩漿活動形成的碳酸岩，大約形成於距今約13億年的中元古代。然而，稀土礦物的定年結果卻主要集中4億年前的古生代。
成巖與成礦之間存在巨大的時間差，是破解白雲鄂博成因之謎的關鍵。儘管有學者嘗試從板塊俯衝脫水和變質流體的角度進行解釋，但稀土的遷移和富集主要受與火成碳酸岩有關的鹼性流體控制，而變質和俯衝流體並不足以大規模遷移稀土。
在包鋼集團的支援下，北京大學的李揚與中國科學院地質與地球物理研究所李獻華院士帶領聯合研究團隊，自2019年起在白雲鄂博開展深入的地質填圖研究，系統釐定了礦區48平方公里範圍內火成碳酸岩的分佈。
進一步的年代學研究顯示，除形成於13億年前的中元古代火成碳酸岩外，白雲鄂博還廣泛分佈有形成於4.3億年前的早古生代火成碳酸岩，後者主要呈脈狀穿切白雲岩，並與之發生反應。這說明，早古生代的確存在可能攜帶大量稀土資源的碳酸岩流體。
那麼，白雲鄂博的稀土資源是否正是由這些流體攜帶而來？為進一步釐定兩期碳酸岩對稀土成礦的貢獻，研究團隊對4件跨越12個年份、能夠反映大尺度和長週期開採稀土特徵的精礦樣品進行了精細研究，並對其中的獨居石和氟碳鈰礦進行定年統計。分析表明，古生代碳酸岩貢獻了超過70%的稀土資源，且以極富輕稀土為主要特徵，這一發現顛覆了“中元古代主導成礦”的傳統認知。
∆氟碳鈰礦（左）與獨居石（右）定年結果和輕重稀土分異
至此，研究團隊提出了白雲鄂博稀土成因新模型：中元古代的碳酸岩岩漿噴發至附近盆地，低粘度的岩漿與盆地水混合並冷卻形成具有層狀構造的H8白雲岩，構成賦礦圍巖的主體。約9億年後，早古生代碳酸岩以岩脈形式侵入白雲岩及其覆蓋的沉積地層，並攜帶大量富稀土元素的鹼性流體。流體上升過程中，其所含的重稀土元素與周圍的含矽圍巖反應被消耗，導致輕稀土元素含量升高，最終在與白雲岩的交代反應過程中發生大規模稀土礦化。
這一新模型解釋了H8白雲岩不僅表現出的沉積特徵，又具備典型火成碳酸岩特點的原因，還指出多期碳酸岩岩漿—熱液活動是形成世界級稀土礦床的關鍵因素。這一新發現為揭開白雲鄂博巨量稀土資源成因揭開了新的篇章，相關論文發表於最新一期的《科學進展》期刊（Science Advances）。
∆成礦模型示意圖
白雲鄂博礦，是地球母親贈予我們的一份無與倫比的資源瑰寶，也是一座融合礦床學、礦物學和地球化學研究於一體的熱土。自近100年前地質工作者在此“滄海拾貝”肇始，受以“串級萃取理論”為代表的重大科技創新推動，依託一代代礦產工人迎難而上、砥礪奮進的實幹精神，我國稀土分離工藝已躍升至國際領先水平，並帶動整個產業鏈蓬勃發展，徹底改變了世界稀土產業和市場格局。中國終於實現了從稀土“資源大國”和“生產大國”到“出口大國”和“科技強國”的歷史性跨越。
在揭開白雲鄂博稀土資源身世之謎的探索之路上，一代代北大人薪盡火傳、絃歌不輟，為推動稀土礦物學和礦床學發展作出卓越貢獻。我們堅信，隨著研究工作的深入，這一“富饒的神山”終將敞開其博大的胸懷，給予我們更多驚喜與饋贈。
主要參考資料
[1]何作霖——我國近代礦物學和岩石學奠基人。《光明網》，2006.8.18
[2]丁道衡——白雲鄂博的發現者。《人民政協報》，2008.4.17
[3]張培善：我國稀土地質學礦物學的創立與發展
[4]王凱怡：紀念白雲鄂博礦床發現84週年——記中國科學院幾代研究者在認知白雲鄂博礦床過程中的足跡
[5]徐光憲：提取高純度稀土達到99.99%，《學習時報》
[6]我國新發現超大規模稀土礦！被稱為“萬能之土”的稀土有多重要？《北京科技報》https://mp.weixin.qq.com/s/MTouNyrlJafM3SkTu2KeTA
[7]稀土是什麼土？一文看懂稀土產業鏈。SMM稀土https://mp.weixin.qq.com/s/xqI1l2yJpMNm9bx2QbWc8A
[8] Li Yang*, Wu Li-Guang, Yu Yan, Yang Lan, Selby David, and Li Xian-Hua*, 2025, Paleozoic carbonatites controlled rare-earth-elements mineralization at Bayan Obo: Science Advances, ads9481.
來源 | 北京大學