稀土迁移-成矿规律新认识

近期，澳大利亚国立大学Michael Anenburg博士研究组通过活塞圆筒实验，在微观尺度“重现”宏观的成矿现象，并创新性地揭示了Si、Na、K对稀土运移-成矿的重要控制作用。实验结果表明，K和Na利于稀土在流体中迁移；K和Na可促进轻/重稀土分异；Si的存在不利于稀土富集成矿。此次的工作对认识稀土元素的热液地球化学行为和稀土矿床的成因具有重要意义。

稀土元素具有优良的光、电、磁等物理特性，已被广泛应用于国防军工、清洁能源、信息技术等领域，对国民经济、国家安全和科技发展具有重要的战略意义。因此，目前世界各国已纷纷加强稀土矿床的研究与勘查找矿工作。

据悉，全球超过60%的稀土资源来自于与碳酸岩相关的稀土矿床。该类矿床因具有规模大、品位高和放射性物质含量低等特点，而备受矿床学家们的关注。碳酸岩由于经历了复杂的岩浆-热液演化，因此稀土成矿与岩浆期后热液活动密切相关，稀土在热液中高效迁移是确保成矿的关键因素。

之前，大量工作研究了F-，Cl-，SO42-，CO32-等阴离子对稀土迁移行为的控制作用。尽管这些工作大大推进了人们对稀土迁移规律的认识，但仍不能解释诸多稀土富集与成矿的现象。主要原因是自然界的热液是多相复杂体系，而以往的工作主要关注稀土元素在单个阴离子流体体系中的迁移规律。而且，很多成矿的碳酸岩含硅富碱，但是尚没有研究系统地评估硅和碱金属元素对稀土迁移-富集行为的影响。

为了进一步解释诸多稀土富集与成矿的现象，Michael Anenburg研究团队共设计了IV组实验：第I组实验（CbX）初始物质包括接近天然碳酸岩组分的碳酸盐组合（CaCO3、MgCO3、FeCO3）、水（H2O）和少量氟化物（MgF2）、氯化物（MgCl2）、磷酸盐（FePO4）、轻稀土元素La及重稀土元素Dy；第II (CbSi)、III (CbNa)和IV组(CbK)实验分别在第一组物质基础上加入SiO2，Na2CO3和K2CO3。第I组实验初始温度和压力为1050℃和2.5GPa，其他组别实验初始温度和压力分别为1200℃和1.5GPa。实验开始后，温度和压力在四天内分别均匀下降至200℃和0.2GPa，然后淬火。第I组实验模拟了贫硅贫碱碳酸岩的岩浆-热液演化过程，第II、III、IV组实验和其他实验对比着重考察Si、Na、K对稀土运移富集行为的影响。

结果显示，每组实验均发育岩浆和热液两阶段矿物。岩浆阶段形成方解石、白云石、铁白云石和磷灰石，第II组实验因富Si还形成大量硅酸盐矿物。在上述岩浆矿物中，稀土主要赋存于磷灰石，其中第II组实验中磷灰石的稀土含量最高，局部形成铈硅磷灰石。不同组别磷灰石中轻/重稀土的比例不同，第I和II组的磷灰石相对富集重稀土，而III和IV组的磷灰石相对富集轻稀土。在四组实验的热液阶段均形成稀土矿物或富稀土的物相。第I组实验主要发育氟碳铈矿和独居石。第II组实验主要形成氟碳铈矿和未知稀土磷酸盐矿物，由于岩浆阶段稀土大量进入到磷灰石，该组实验中热液稀土矿物的比例明显低于其他组别。第III组实验富稀土的热液矿物主要为黄碳锶钠石族矿物，其核部相对富La，边部相对富Dy。该组与I和II组实验的明显区别是发育富稀土的淬火物相，该物相相对富集重稀土。第IV组实验未见稀土矿物，和第III组实验类似，发育大量富稀土淬火物相。该物相同样富集重稀土，且其重稀土的富集程度比第III组淬火物相更高。

该实验工作率先揭示了热液体系中的阳离子对稀土运移富集行为的影响，对认识稀土的成矿规律具有重要意义，相关成果发表于Science Advance。

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