澳大利亚国立大学的Michael Anenburg博士及其团队通过四次活塞缸实验，揭示了Si、Na、K在稀土运移和成矿过程中的重要控制作用，相关成果发表于Science Advance。
稀土（Rare earth）是元素周期表中的镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称。自然界中有两百多种稀土矿。根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征。
十七种稀土元素通常分为两组：
轻稀土元素：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕。
重稀土元素：钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料。目前稀土元素已经被广泛用于军事方面、冶金工业、石油化工、玻璃陶瓷等各个方面。中国白云鄂博矿是世界最大的稀土矿山，占国内稀土资源储量的90%以上，号称“稀土之都”。鉴于稀土元素在当下科技发展所充当的不可或缺的地位，近年来，世界各国均加强了对稀土元素的研究以及对矿床的勘察工作。
CbX实验（1050℃、2.5GPa）的初始物质为碳酸盐组合（CaCO3、MgCO3、FeCO3）、水（H2O）、少量氟化物（MgF2）、氯化物（MgCl2）、磷酸盐（FePO4）、轻稀土元素La和重稀土元素Dy，以模拟无SiO2和碱性元素的情况下碳酸岩的岩浆-热液演化过程。
第二组(CbSi)、第三组(CbNa)和第四组(CbK)实验（1200℃、1.5GPa）分别在第一组的物质基础上加入SiO2，Na2CO3和K2CO3以验证Si、Na、K元素对稀土运移与富集的影响。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。
图1 活塞缸实验的起始材料组成
每组实验均发育岩浆和热液两阶段矿物。
岩浆组合在所有实验中是均匀的，主要由含Mg的方解石和随后富含铁的白云石组成。第二组实验中，由于起始材料含有Si元素，形成了大量硅酸盐矿物。在上述岩浆矿物中，稀土主要赋存于磷灰石中，尤其是第二组实验中磷灰石的稀土含量最高，局部形成铈硅磷灰石。不同实验组的磷灰石中轻/重稀土的比例不同，前两组相对富含重稀土，而后两组相对富含轻稀土。
图2 QEMSCAN 矿物识别图
四组实验的热液阶段都形成了稀土矿物或富稀土的相。
第一组实验含有萤石、氟硅石、赤铁矿、氟碳铈矿和高溶解度的Ca(Cl,Br)2。萤石偶具镝含量升高的生长区。氟碳铈矿主要以细长晶体形式存在，其核心富含La，边缘富含Dy。
第二组实验缺乏磷铁矿和赤铁矿，且热液碳酸盐中胶囊衍生的Ni含量要高得多，这是Mg和Fe掺入到早期结晶的橄榄石和单斜辉石中所致。氟磷灰石上富含稀土的边缘比运行中的CbX更丰富，富含扁硅石的氟磷灰石出现过度生长。与CbX相比，CbSi 中的氟碳铈矿的丰度较低，主要含有La，而没有富镝边缘。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。
第三组实验含有多种富钠的低温相，其中大部分是高可溶性的，在自然界中非常罕见。洞壁衬有氟化物邻体和冰晶石、磷酸盐闪云母岩、碳酸盐辉长石和闪长石。空腔内部含有钠长石和硼长石-白长石固溶体。同时，空腔包含 Na-REE-碳酸盐-卤化物相，该相以不规则颗粒或具有不规则内部分的细长针状形式出现，该形态表明在 200°C 骤冷期间或随后在用环氧树脂浸渍之前在 110°C 干燥期间发生结晶。
第四组实验包含较少的物相，只有少量的钾冰晶石和副坎长石排列在空腔壁上，发育大量富稀土淬火物相。
(A)侵入少硅无碱碳酸盐岩，在晚期磷灰石中产生少量稀土富集。大部分稀土元素赋存于碳酸盐岩和磷酸盐中(如氟碳铈矿、云母石和独居石)，均匀分布于碳酸盐岩的低温区。
(B)侵入含硅无碱碳酸岩，稀土元素大部分在早期结晶形成磷灰石，晚期磷灰石可能富集重稀土元素。如果晚期蚀变作用使稀土元素重新进入碳酸盐岩，将提升矿床的经济潜力。
(C)侵入少硅富碱碳酸盐岩，其大部分轻稀土元素富集为碱性稀土碳酸盐岩，部分重稀土元素迁移到广泛的外围泥质蚀变带。
(D)侵入含硅富碱碳酸岩，其大部分碱存在于硅酸盐中。稀土元素在空间上受限制，不含大量稀土元素，且稀土元素主要分布在碳酸盐岩中。
图3 基于实验结果的四种潜在场景示意图
原文
链接：
Michael Anenburg et al., Rare earth element mobility in and around carbonatites controlled by sodium, potassium, and silica. Sci. Adv.6,eabb6570(2020). DOI:10.1126/sciadv.abb6570
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解译：方 博
编辑：刘丹娜
审核：陈中强
