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NG:氟铈矿形成促使中-重稀土富集
2022-04-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  稀土是一族重要的关键金属元素,根据原子序数分为轻稀土、中稀土及重稀土。据统计,全球超过60%的稀土资源来自于与碳酸岩-碱性岩相关的稀土矿床。然而,绝大多数碳酸岩-碱性岩型稀土矿床富集轻稀土,仅纳米比亚Lofdal、马拉维Songwe Hill、俄罗斯Khibiny、我国秦岭黄龙铺等少数矿床相对富集中-重稀土。与之相对的是,国防军工及高新技术领域对于重稀土的需求增长更加明显。因此,何种地质过程有利于中-重稀土的超常富集也成为近年来备受关注的科学问题(Anenburg et al., 2020; Louvel et al., 2022) 

  理论计算表明,成矿流体和围岩反应过程中轻稀土优先沉淀、中-重稀土可在晚期流体中相对富集(Migdisov et al., 2016)。然而该机制尚缺乏直接的野外地质及实验岩石学证据。为验证该理论假说,美国Los Alamos国家实验室Andrew C. Strzelecki博士及合作者创新性地开展了动态水-岩反应实验模拟研究,发现自然界一罕见的稀土矿物-氟铈矿[(Ce,LREE)F3]的形成可促使稀土分异及中-重稀土的相对富集,相关成果发表于Nature Geoscience 

  模拟实验采用的初始流体含2 wt.% NaCl,~400 ppm 轻稀土La,~500 ppm中稀土Nd,~500 ppm 重稀土Er,流体温度为250 ℃,pH = 2。实验过程中,使上述流体分别流经含磷灰石(含稀土沉淀剂P)、萤石(含稀土沉淀剂F)、以及磷灰石+萤石混合物的反应釜。结果显示: 

  (1) 流体和磷灰石反应,在磷灰石颗粒边缘形成稀土磷酸盐——独居石(图1a);独居石的形成阻碍流体和磷灰石进一步反应,因此流体-矿物反应的程度相对低;独居石的形成没有导致稀土明显分异(2c、图2d) 

  (2)流体和萤石反应,萤石发生碎裂,在裂隙中形成新生矿物氟铈矿(图1b);裂隙中的氟铈矿不阻碍流体和矿物反应,因此流体-矿物反应的程度相对高;氟铈矿的形成导致轻稀土优先沉淀,因此距离反应釜近的区域相对富集轻稀土,距离反应釜远的区域相对富集中-重稀土(2a、图2b) 

  (3)流体和磷灰石+萤石混合物反应,氟铈矿形成,距离反应釜近的区域相对富集轻稀土,距离反应釜远的区域相对富集中-重稀土。 

  值得指出的是,氟铈矿在自然界比较罕见,一个重要的原因是其极容易和CO2反应形成稀土氟碳酸盐矿物,因此以往的研究并未注意到该矿物的形成对稀土分异的影响。上述实验研究揭示,在F高、不含CO2的条件下氟铈矿可以稳定存在;暗示自然界稀土矿床中氟铈矿的形成可以导致轻重稀土分异,即在距离流体中心近的区域相对富集轻稀土,在距离流体中心远的区域相对富集中-重稀土。该研究对认识轻/重稀土分异原因及中-重稀土的富集机制具有重要意义。 

1a)流体和磷灰石反应,在磷灰石边缘形成独居石;(b)流体和萤石反应,在萤石裂隙内形成氟铈矿

2 a)流体和萤石反应后,反应釜不同位置轻--重稀土元素的含量;(b)流体和萤石反应后,反应釜不同位置轻--重稀土元素的相对比例(注意距离反应釜近的位置轻稀土比例相对高,距离反应釜远的位置重稀土比例相对高);(c)流体和磷灰石反应后,反应釜不同位置轻--重稀土元素的含量;(d)流体和磷灰石反应后,反应釜不同位置轻--重稀土元素的相对比例(注意稀土元素几乎未发生分异)    

  主要参考文献 

  Anenburg M, Mavrogenes J A, Frigo C, et al. Rare earth element mobility in and around carbonatites controlled by sodium, potassium, and silica[J]. Science Advances, 2020, 6(41): eabb6570. 

  Louvel M, Etschmann B, Guan Q, et al. Carbonate complexation enhances hydrothermal transport of rare earth elements in alkaline fluids[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1456. 

  Migdisov A, Williams-Jones A E, Brugger J, et al. Hydrothermal transport, deposition, and fractionation of the REE: Experimental data and thermodynamic calculations[J]. Chemical Geology, 2016, 439: 13-42. 

  Strzelecki A C, Migdisov A, Boukhalfa H, et al. Fluocerite as a precursor to rare earth element fractionation in ore-forming systems[J]. Nature Geoscience, 2022: 1-7.原文链接 

(撰稿:李晓春/矿产室)

 
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