国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe）

矿床地质
MINERAL DEPOSITS
2023年6月June ，2023
第42卷第3期42（3）：684~692
*本文得到国家自然科学基金面上项目（编号：42172081）资助
第一作者简介历祥，1999年生，男，硕士研究生，地质学专业。

Email:***************.cn **通讯作者雷如雄，1987年生，男，博士，教授，矿床学专业。

Email:******************.cn
文章编号：0258-7106（2023）03-0684-9
Doi:10.16111/j.0258-7106.2023.03.014
国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe ）
*
历
祥1，雷如雄1**，马华东2，刘四海3，吴昌志1,2
（1长安大学地球科学与资源学院教育部西部矿产资源与地质工程重点实验室，陕西西安
710054；2新疆自然资源与生态
环境研究中心，新疆乌鲁木齐
830000；3中华人民共和国舟山海关，浙江舟山
316021）
科普园地
铁是地球上最常见的元素之一，更是人类生活中不可或缺的元素。

金属铁在工业制造、基础建设、国防军工以及能源领域都有广泛的应用。

此外，铁元素对人体的氧气运输和能量代谢也起着至关重要的作用。

铁在人类历史上和现今经济社会中都扮演着不可替代的角色。

生活中无处不在的铁制品也让我们更加深刻地认识到铁的重要性。

中国是世界上最大的铁矿石进口国，进口量占全球的70%以上（数据源自IHK Markit ），但中国铁矿资源的现状呈现出对外依存度高、供应来源集中、定价权缺失等问题。

因此，了解铁的应用和资源现状，对中国相关产业的发展和保障国家铁矿资源安全具有十分重要的意义。

1铁元素的形成与发现
大质量恒星诞生后，内部会
发生核聚变反应并释放能量，氢首先聚变为氦，之后依次聚变形成碳、氧、硅和铁等元素（Iben,1967）。

铁元素拥有极高的比结
合能（比结合能越高，原子核就越稳固），其聚变不仅不能释放能量，还需要吸收能量，因此恒星核聚变到铁元素时就会停止。

铁元素最初便形成于恒星的内部的核聚变。

作为人类最早发现和利用的金属之一，铁占地壳总量的4.75%，仅次于氧、硅、铝，位列第四，且绝大多数以化合物的形式存在，在自然界中分布广泛。

人
类最初是通过铁陨石认识了铁这种金属，并开始了对它近万年的痴迷。

考古学家在古埃及法老图坦卡蒙的墓葬中就发现了一把由陨铁制成的匕首（邵峰，2019），研究者们发现，不仅是这把匕首，几乎所有追溯到青铜器时代的铁器都是由陨铁打造。

由于陨铁从天而降并且坚韧无比，被古人认为是神圣的材料，因此在许多古老的语言中，“铁”一词都带有一定
图1
恒星聚变产生的元素圈层（图片引自https:///
）
第42卷第3期历祥等：国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe）685的神秘色彩，并与天堂、神圣等概
念联系在一起。

经历了几千年的探索，大约在公元前2500年，东欧一带的部落成员偶然发现了地下蕴藏的铁矿，不同之处在于这些铁与岩石混合在一起。

直到约公元前1400年，安托利亚半岛（现土耳其地区）的赫梯人从矿石中提炼出了铁。

后来人们用铁制造工具，用它建造和摧毁国家，用它推动社会进步，并用它建立了伟大的文明。

时至今日，铁仍然与人类的生活密不可分。

2铁元素的物理化学性质
铁是一种金属元素，单质呈银白色，位于元素周期表的第四周期，第ⅧB族。

铁的原子序数为26，相对原子质量55.85，基态原子电子排布式为：1s22s22p63s23p63d64s2。

铁硬而有延展性，有很强的磁性，并有良好的可塑性和导热性，熔点为1539℃，沸点可达2750℃。

铁共有34个同位素，天然稳定同位素有4个：54Fe、56Fe、57Fe和58Fe，其中56Fe丰度最高。

铁的化学性质比较活泼，易溶于稀的无机酸生成二价铁盐与氢气。

铁在空气中不能燃烧，但在氧气中可以剧烈燃烧生成四氧化三铁（Fe3O4）。

此外，铁是一种变价元素，化学性质随价态而异，0价时铁只表现出还原性，在+6价状态下，只表现出氧化性，当为+2或+3价时，铁既具有还原性又有氧化性。

铁能够广泛参与低温和高温地质环境中各类生物或无机氧化还原过程，被看作是地质过程中最重要的氧逸度缓冲剂之一（邓仲华等,2020;何永胜等, 2015）。

3铁元素的主要应用
铁最主要的用途是炼钢，含
碳量介于0.02%至2.11%的铁碳
合金统称为钢。

作为人类文明进
步和社会经济发展的物质基础，
钢铁材料的综合力学性能优异，
价格低廉、资源丰富、回收率高。

因此，钢铁材料的应用几乎涵盖
了所有领域。

钢材可以与其他元
素混合制成特殊合金，例如，含铬
的钢材不容易生锈，称为“不锈
钢”，用作餐具和医疗器械等；含
有钨的钢材具有硬度更高，耐磨
耐热，适合用于剧烈摩擦的切削
和打磨工具；含硅的钢材可以作
为磁性材料应用于电器、变压器
和电工仪器等设备。

当铁碳合金
中的碳含量低于0.0218%时，就
可以称为纯铁。

纯铁的矫顽力
低、延展性高、导热性与导磁性
好。

因此，纯铁常用于制造电机、
发电机等电力设备和电磁铁芯、
图2铁元素物理化学性质（图片引自https:///science/iron-
chemical-element，有修改
）
图3钢铁及其合金的广泛应用（图片引自网络
）
686矿床地质2023年
电磁元件等电子材料，同时它也是制备高级合金的原料。

铁及其化合物对环境较为友好，并具有一定的优异性能，在能源领域引起许多研究者关注。

其中高铁酸盐([FeO4]2-)制作的超铁电池被认为是电池技术的革命性成果(邓仲华等,2020)；磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)常被用作锂电池的阴极材料，用其制作的电池成本低廉、能量密度大且绿色环保，在新能源汽车领域具有不可替代的地位。

另外，亚铁氰化铁（Fe4[Fe(CN)6]）和铁氧化物等铁化合物还可以用来制作染色剂，在印刷、染色等领域应用广泛。

铁也是人体不可缺少的微量元素之一。

铁是人体最富含同时也是最容易缺乏的微量元素。

作为血红蛋白的重要组成部分，铁对机体的氧运输、维持正常的造血功能起着关键性的作用；铁形成的血红素铁酶能直接参与人体能量的代谢。

人体缺铁会导致缺铁性贫血，免疫力下降，肌肤苍老等问题，如果母体在胎儿期摄入的铁不足，甚至可能影响胎儿大脑和智力的正常发育。

人体缺铁时，常用的口服补铁剂有葡萄糖酸亚、乳酸亚铁、铁硫酸亚铁等。

4铁的矿物相与矿床类型
4.1铁的主要矿物相
铁的化学性质活泼，容易被氧化，因此自然界除极少数的铁陨石外，几乎不存在铁单质。

铁拥有不同的矿物种类，主要分为氧化物、碳酸盐矿物和硫化物。

（1）铁的氧化物：磁铁矿（图5a）是一种不透明的矿物，呈铁黑色，化学成分为四氧化三铁
(Fe3O4)，具有强磁性。

磁铁矿（图
5b）是岩浆成因、接触交代成因、
沉积变质成因等铁矿床中主要铁
矿物。

赤铁矿是最常见的铁氧化
物，化学成分为二氧化三铁
（Fe2O3），其中，土状赤铁矿呈红
色，即我们所熟知的铁锈；结晶赤
铁矿呈钢灰色，有较强的金属光
泽。

赤铁矿是自然界中分布最广
泛的铁矿物之一，可形成于沉积作
用以及区域变质作用、热液作用等
地质作用中；钛铁矿（图5c）的成分
为钛酸亚铁(FeTiO3)，颜色通常呈
铁黑色或钢灰色，弱磁性，主要出
现在岩浆岩及变质岩中。

（2）铁的碳酸盐矿物：菱铁
矿（图5d）的成分为碳酸亚铁
(FeCO3)，一般为黄色、浅褐黄色
（风化后为深褐色），自形的菱铁
矿呈菱面体，菱铁矿主要出现在
一些沉积或变质矿床中。

（3）铁的硫化物：黄铁矿（图
5e）的主要成分为过硫化亚铁
（FeS2），由于其明亮的金属光泽
和浅铜黄色，常被误认为是黄金，
因此也被称为“愚人金”。

黄铁矿
的晶形一般比较完整，多呈立方
体、八面体等，集合体呈致密块
状。

由于硫化物会对钢材的力学
性能产生有害影响，导致钢材在
锻造时容易出现裂纹，所以黄铁
矿一般用来提炼硫，而不是炼铁。

图4磷酸锂铁电池及其原理（图片引自https:///
）
图5磁铁矿（a，https:///chanpin/index_6.html）、赤铁矿（b，公众号：三日晶水晶）、钛铁矿（c，/ettkkp/1064.html）、菱铁矿（d）、
黄铁矿（e）
标本
第42卷第3期
历祥等：国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe ）687
自然界中的各种矿石和岩石，包括煤中都可以发现黄铁矿。

4.2铁矿主要类型
铁的矿物种类众多，铁矿床
种类也各异。

根据成因以及形成环境的不同，通常可以分为以下几种类型：
（1）沉积-变质型铁矿沉积-变质型铁矿就是指沉积作用形成的富铁地层，在地质历史时期经历了一定的变质作用，使成矿物质进一步富集形成的铁矿，又称BIF 铁矿。

BIF 是Banded Iron Formation 的简称，即条带状铁建造，是由硅质（碧玉、燧石和石英）和铁质（磁铁矿、赤铁矿和菱铁矿）薄层互层组成的化学沉积岩（杨秀清等,2020），全
铁含量≥15%。

BIF 型铁矿主要形成于距今约30~18亿年之间，也就是中太古代到古元古代，其次形成于距今8~6亿的新元古代。

BIF 铁矿的规模一般比较大，甚至出现一些巨型的富铁矿床，是全球铁资源的主要来源。

BIF 铁矿又可以细分为3个类型，成因上与火山作用密切相关的称为阿尔戈马型（Algoma-type ），常常与火山碎屑岩相伴生；成因与被动陆缘沉积作用相关的称为苏必利尔型(Superior-type)，与细碎屑沉积岩和碳酸盐岩共生，而与火山作用没有直接联系（Danielson et al.,1992;Derry et al.,1990;Gross,1980）；经常与新元古代冰川沉积物相关的称为
拉皮坦型（Rapitan-type ）（Cox et al.,2013），此类BIF 铁矿中有时可以见到冰碛岩。

（2）接触交代型铁矿接触交代型铁矿是指岩浆岩侵入碳酸盐岩等富钙的地层发生接触交代作用形成的铁矿床。

这类铁矿体往往分布在侵入岩体与地层的接触部位，由于交代同时会形成一系列矽卡岩矿物，因此也称为矽卡岩型铁矿床。

接触交代铁矿床在中国分布广泛，是中
国富铁矿石的主要来源。

如湖北大冶铁矿、河北中关铁矿、陕西木龙沟铁矿等。

（3）晚期岩浆型铁矿晚期岩浆型铁矿是指富铁矿物在岩浆结晶晚期富集形成的铁矿。

其中，最主要的是与铁质超基性岩-基性岩有关的钒钛磁铁矿床，其中铁矿物主要为磁铁矿和钛铁矿。

由于钒常以类质同象的形式赋存于磁铁矿中，所以这类铁矿也叫作钒钛磁铁矿。

中国四川著名的攀枝花铁矿就是此类。

（4）火山岩型铁矿
火山岩型铁矿是时空关系和成因与火山侵入活动有密切联系的铁矿床。

按照形成环境可以分为陆相火山岩铁矿与海相火山岩型铁矿。

其中陆相火山岩型铁矿也叫玢岩型铁矿，如中国长江中下
图6
条带状铁建造，深色为铁质层，浅色为硅质层（图片引自网络
）
图7苏必利尔型及阿尔戈马型BIF 形成环境（据Gross ，1980，有改动
）
688
矿床地质2023年
游地区的宁芜火山盆地中分布的梅山、凹山和陶村等铁矿。

（5）沉积型铁矿
沉积型铁矿就是含铁物质被风化、搬运后沉积在含水盆地浅部形成的铁矿床，最主要的为浅海相的沉积铁矿，约占沉积铁矿的87%。

所形成的铁矿石具有特征
的鲕状、豆状、肾状构造。

中国的沉积型铁矿以华北的宣龙式铁矿与华南的宁乡式铁矿为典型代表。

5
中国铁资源现状
5.1
全球铁矿资源特点钢铁产业是国民经济的重要
基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志之一。

全球范围内无论铁资源量还是富铁矿资源，都主要来源于沉积变质型铁矿。

沉积变质型铁矿一般分布在古老的克拉通(即长期稳定的古老大陆地块)，因此，位于古老克拉通之上的国家铁矿资源相对
丰富。

目前探明的铁矿资源主要集中在澳大利亚、巴西、俄罗斯和中国4个国家，其铁矿石储量分别占世界铁矿石总储量的27.8%、18.9%、13.9%、11.1%，4国合计储量占世界总储量的71.7%。

除中国外，世界上铁矿资源具有品位高、规模大、无需选矿、露天开采等特点。

世界铁矿石生产活动高度集中，4大矿业巨头——淡水河谷、必和必拓、力拓和FMG ，其中的必和必拓、力拓和FMG 三大矿商都位于澳大利亚，4大矿商铁矿石产量占据了全球铁矿石总产量的一半，对国际铁矿石市场有极大的影响。

5.2中国铁资源特点及现状与世界铁矿资源类型不同，
中国铁矿资源表现出低品位、规模小、埋藏深、选矿难度大、高成
图8
拉皮坦型BIF 中的冰碛砾石（Cox et al.,2013
）
图9接触交代型铁矿成矿模式简图及矽卡岩型铁矿石（矿石图引自公众号：河北
省地质学会
）
图10
钒钛磁铁矿成矿模式简图
第42卷第3期
历祥等：国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe ）689
本和地下开采为主的特点。

矿石品位指矿石中有用组分的含量，
铁矿根据品位分为富铁矿（50%以上）、普通铁矿和贫铁矿（20%~
40%）。

全球铁矿石平均品位约为49%，而中国仅为34%左右。

尽管中国拥有巨大的铁资源总量，但其中约94.6%为贫铁矿，导致相同重量的矿石所产出的铁远低于澳大利亚、巴西等国家，因此中国铁矿的生产成本同他国相比高出许多。

沉积变质型铁矿占世界铁矿总储量的60%，富铁储量的70%。

该类型铁矿也是中国主要
铁矿类型，占总储量的58%，但富铁矿储量占比仅为27%。

中国
有华北、扬子和塔里木3大克拉通，具备形成沉积变质型富铁矿的前提条件，但自元古代以来，中国板块间的构造运动与岩浆活动十分频繁和强烈，不利于沉积变质型富铁矿的形成与保存，虽然如此，岩浆活动为矽卡岩型等铁矿床的形成提供了有利条件（张招崇等,2021），因此矽卡岩型铁矿床在中国富铁矿床中占很大比例。

中国铁矿资源的现状呈现出对外依存度高、供应来源集中、定价权缺失等问题。

自21世纪以来，在中国经济飞速发展的背景
图11
玢岩铁矿理想模式图（据宁芜研究项目编写小组修改，1978
）
图12华南宁乡式铁矿中的鲕状铁矿石（a ，本课题组）和华北宣龙式铁矿中的豆
状铁矿石（b
）
图13全球2022年铁矿石产量及四大铁矿商分布图（世界地图引自自然资源部，数据参考自美国地质调查局
）
690
矿床地质2023年
下，铁资源的需求也迅速增长，受限于上述铁资源的国情以及铁资源勘查投入的降低，中国的铁矿石进口量迅速增加。

2003年进口量达1.48亿吨，超过日本成为世
界第一大铁矿石进口国；2016年首次超过10亿吨，此后继续维持增长态势，并在2020年创下11.70亿吨的峰值，之后虽有小幅回落，但2022年进口量仍然高达11.07亿吨，较2003年增加6.47倍。

从中国铁矿石对外依存度看，2015年首次突破80%，2017年达到历史高点88.9%，此后持续回落，
2021年降至80%以下，但仍维持在75%左右。

在进口依存度常年居高不下的同时，中国铁矿石的进口来源地也非常集中，其中从澳大利亚进口的铁矿石占总进口量的60%以上，从巴西进口的铁矿石占总进口量的20%以上。

虽然中国是铁矿石第一进口大国，进口量占全球的70%以上
（数据源自IHK Markit ），但由于对外依存度高、来源地集中、全球供应端（四大矿商）高度垄断等多重因素影响，铁矿石定价权缺失严重，导致中国钢铁企业利润长期受铁矿石价格波动挤压。

以2016年~2021年为例，随着钢铁行业去产能成效显现和国内经济稳中趋好，钢铁行业向好，进口铁矿石价格开始持续大幅上涨。

2021年中国铁矿石进口均价达1048.6元/吨，较2016年上涨1.8倍，进口总值高达1.18万亿元，占同期中国进口总值的6.8%。

2017年以来，中国铁矿石年进口总值均超过5000亿元，是仅次于集成电路和原油的第3大类进口商品。

图14
中国不同品位区间铁矿查明资
源储量直方图（据谢承祥等,2009，有
修改
）
图15中国不同铁矿类型及分布（引自张招崇等，2021，有修改
）
第42卷第3期
历祥等：国民经济的定海神针——不可或缺的铁（Fe ）691
5.3中国铁资源未来发展的展望
铁矿资源长期高度依赖于进口势必给国家铁资源供给安全埋下严重隐患。

可靠的铁资源保障是中国经济社会健康可持续发展的重大战略问题，“加强重要能源、矿产资源国内勘探开发和增储上产，提升国家战略物资储备保障能力”是2022年中央经济工作会议部署的重要任务之一。

2023年中国开展了新一轮找矿突破战略行动，大宗战略性矿产资源勘查开发是重要工作之一，自然资源部指出将在重点成矿区带根据地质工作程度区分基础调查区、重点调查区、重点勘查区以及重要矿山深部4种类型区域分类
施策实施勘查找矿工作。

除寻找优良富铁矿产地来提高中国铁资源抗风险能力外，加大科技创新力度，提升国内低品位铁矿石开采回收利用率、进行国内钢铁行业整合重组，提高国际市场话语权、合理利用国外资源，寻找产能替代（张亮等,2016;赵立群等,2020）等也是从侧面解决中国铁矿资源短缺的方法与途径。

未来一段时期中国对进口铁矿的高度依赖局面可能不会改变，如何积极应对，改变铁资源受制于人的现状是国家稳步发展趋势下面临的巨大挑战。

致
谢
感谢中国科学院地
质与物理研究所张连昌研究员和中国科学技术大学杨晓勇教授提出的建设性意见；感谢长安大学地球科学与资源学院叶辉、唐国卿和孙晓辉等对文章提出的宝贵意见!
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图17
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量、进口均价走势图（数据源自海关
总署）
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