稀土遷移-成礦規律新認識

近期，澳大利亞國立大學Michael Anenburg博士研究組通過活塞圓筒實驗，在微觀尺度“重現”宏觀的成礦現象，並創新性地揭示了Si、Na、K對稀土運移-成礦的重要控制作用。實驗結果表明，K和Na利於稀土在流體中遷移；K和Na可促進輕/重稀土分異；Si的存在不利於稀土富集成礦。此次的工作對認識稀土元素的熱液地球化學行為和稀土礦床的成因具有重要意義。

稀土元素具有優良的光、電、磁等物理特性，已被廣泛應用於國防軍工、清潔能源、資訊技術等領域，對國民經濟、國家安全和科技發展具有重要的戰略意義。因此，目前世界各國已紛紛加強稀土礦床的研究與勘查找礦工作。

據悉，全球超過60%的稀土資源來自於與碳酸岩相關的稀土礦床。該類礦床因具有規模大、品位高和放射性物質含量低等特點，而備受礦床學家們的關注。碳酸岩由於經歷了複雜的岩漿-熱液演化，因此稀土成礦與岩漿期後熱液活動密切相關，稀土在熱液中高效遷移是確保成礦的關鍵因素。

之前，大量工作研究了F-，Cl-，SO42-，CO32-等陰離子對稀土遷移行為的控制作用。儘管這些工作大大推進了人們對稀土遷移規律的認識，但仍不能解釋諸多稀土富集與成礦的現象。主要原因是自然界的熱液是多相複雜體系，而以往的工作主要關注稀土元素在單個陰離子流體體系中的遷移規律。而且，很多成礦的碳酸岩含矽富堿，但是尚沒有研究系統地評估矽和鹼金屬元素對稀土遷移-富集行為的影響。

為了進一步解釋諸多稀土富集與成礦的現象，Michael Anenburg研究團隊共設計了IV組實驗：第I組實驗（CbX）初始物質包括接近天然碳酸岩組分的碳酸鹽組合（CaCO3、MgCO3、FeCO3）、水（H2O）和少量氟化物（MgF2）、氯化物（MgCl2）、磷酸鹽（FePO4）、輕稀土元素La及重稀土元素Dy；第II (CbSi)、III (CbNa)和IV組(CbK)實驗分別在第一組物質基礎上加入SiO2，Na2CO3和K2CO3。第I組實驗初始溫度和壓力為1050℃和2.5GPa，其他組別實驗初始溫度和壓力分別為1200℃和1.5GPa。實驗開始後，溫度和壓力在四天內分別均勻下降至200℃和0.2GPa，然後淬火。第I組實驗模擬了貧矽貧堿碳酸岩的岩漿-熱液演化過程，第II、III、IV組實驗和其他實驗對比著重考察Si、Na、K對稀土運移富集行為的影響。

結果顯示，每組實驗均發育岩漿和熱液兩階段礦物。岩漿階段形成方解石、白雲石、鐵白雲石和磷灰石，第II組實驗因富Si還形成大量矽酸鹽礦物。在上述岩漿礦物中，稀土主要賦存於磷灰石，其中第II組實驗中磷灰石的稀土含量最高，局部形成鈰矽磷灰石。不同組別磷灰石中輕/重稀土的比例不同，第I和II組的磷灰石相對富集重稀土，而III和IV組的磷灰石相對富集輕稀土。在四組實驗的熱液階段均形成稀土礦物或富稀土的物相。第I組實驗主要發育氟碳鈰礦和獨居石。第II組實驗主要形成氟碳鈰礦和未知稀土磷酸鹽礦物，由於岩漿階段稀土大量進入到磷灰石，該組實驗中熱液稀土礦物的比例明顯低於其他組別。第III組實驗富稀土的熱液礦物主要為黃碳鍶鈉石族礦物，其核部相對富La，邊部相對富Dy。該組與I和II組實驗的明顯區別是發育富稀土的淬火物相，該物相相對富集重稀土。第IV組實驗未見稀土礦物，和第III組實驗類似，發育大量富稀土淬火物相。該物相同樣富集重稀土，且其重稀土的富集程度比第III組淬火物相更高。

該實驗工作率先揭示了熱液體系中的陽離子對稀土運移富集行為的影響，對認識稀土的成礦規律具有重要意義，相關成果發表於Science Advance。

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