富稀土深海沉积物中稀土元素载体矿物的研究进展与展望

广泛分布于太平洋与印度洋的深海富稀土沉积物是一种重要的稀土资源,其储量远超陆地稀土资源的储量,并具有富含中-重稀土元素、易于浸出等优点。已有研究表明,稀土元素的含量、赋存状态和成矿机制与载体矿物的类型、结构和性质之间的关系密切,且载体矿物本身是未来勘探开采深海稀土资源和进行稀土选冶的直接对象。本文回顾了深海富稀土沉积物中的主要载体矿物类型及其稀土元素赋存机制等方面的研究结果,并展望了未来富稀土沉积物中载体矿物的研究方向。太平洋和印度洋深海沉积物中最主要的载体矿物包括磷灰石、铁锰（氢）氧化物、粘（黏）土矿物以及钙十字沸石。稀土元素以耦合替代的形式进入磷灰石结构中,在铁锰结核中,稀土元素主要通过表面络合吸附的形式赋存,而有关钙十字沸石与粘土矿物对稀土元素的富集作用仍有待通过深入的微区矿物学分析厘清。未来相关研究的重点应是海洋沉积物中稀土元素载体矿物的定量分析,以及稀土元素载体矿物溶解-重结晶过程对稀土元素富集迁移的影响等。     

中国大陆架海底沉积物中的稀土元素

选择渤海、黄海、东海和南海有代表性的大陆架沉积物样品,利用X射张荧光光谱法测定了15个稀土元素。中国大陆架沉积物稀土元素的丰度为156ppm,相对接近于中国黄土和花岗岩的丰度,而与太平洋沉积物的丰度相差较远,具有明显的“亲陆性”。稀土的配分模式旦显著的负斜率,属陆壳稀土的典型特征。稀土含量受沉积物粒度控制。实验表明稀土主要以类质同像存在于粘土矿物之晶体构造中。根据数理统计,稀土与亲陆源粘土矿物的元素为一类,彼此呈正相关;与亲海洋生物的元素为负相关。事实说明中国大陆岩石的风化和搬运,是中国海大陆架沉积物中稀土的主要物质来源。     

北京平原沉积物稀土元素地球化学特征及物源意义

文中总结了北京平原永定河、潮白河流域钻孔沉积物中稀土元素分布特征,两流域沉积物稀土元素总量∑REE、轻重稀土比(LREE/HREE)及轻(La/Sm)N、重(Gd/Yb)N稀土分馏特征差异较为显著。粒度对沉积物稀土分布(总量、轻重稀土比及分馏特征)有一定影响;各流域沉积物均表现为轻稀土相对富集、弱Eu负异常的球粒陨石标准化曲线。细颗粒沉积物稀土分馏特征(La/Yb)N有较好的物源示踪意义。根据沉积物(La/Yb)N值对永定河、潮白河交互沉积区不同深度沉积物进行了物源示踪,不同深度上沉积物来源不同。此外,同一流域上、中、下游沉积物稀土分馏特征不同。常量元素Al2O3/Fe2O3与稀土元素(La/Yb)N划分结果相符,但精度低于稀土元素物源分析。     

太平洋富稀土深海沉积物及黏土组分(<2μm)的Nd同位素特征及物源意义

太平洋深海沉积物富含稀土元素(∑REY,REE+Y),稀土含量达到或超过中国南方离子吸附型稀土矿品位。富稀土沉积物类型主要为远洋黏土和(含)沸石黏土。为了解富稀土元素深海沉积物的物质来源及其对稀土富集机制的影响,本文对中、西太平洋远洋黏土和(含)沸石黏土分别进行了全岩和黏土组分(2μm)的元素地球化学、Nd同位素及黏土矿物研究。结果表明,沸石黏土的∑REY最高,远洋黏土次之;全岩及黏土组分的∑REY与P_2O_5显示较好的正相关关系,且P_2O_(5全岩)/P_2O_(5黏土)和∑REY_(全岩)/∑REY_(黏土)正相关,说明不同类型沉积物黏土组分及全岩的稀土元素均主要由磷酸盐贡献;沉积物全岩ε_(Nd)值为-5.20～-6.02,表明其中的Nd来自火山源、陆源和自生源物质的混合源区;西太平洋含高REY的沸石黏土较中太平洋同类型沉积物具有较低的ε_(Nd)值,表明火山物质并不是沉积物中稀土元素富集的重要物源,但沸石含量对沉积物中稀土元素含量的高低具有一定指示意义;沉积物ε_(Nd)值接近海水ε_(Nd)值,表明稀土元素更多的直接来自于海水,但是成岩过程中可能受到其他物源或过程的影响。通过对比全岩及黏土组分的稀土元素特征,认为黏土矿物一定程度上可能承担了沉积物中稀土元素过渡载体相的作用。     

晚第四纪钱塘江下切河谷充填物物源特征

对晚第四纪钱塘江下切河谷内SE2孔沉积物重矿物和稀土—微量元素进行系统分析,并与邻区长江沉积物相应特征进行对比。结果显示:(1)晚第四纪钱塘江下切河谷充填物中河床(U5)、河漫滩(U4)和古河口湾(U3)沉积物的重矿物组合为赤褐铁矿—磁铁矿—锆石—白钛石—锐钛矿;微量元素中的铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素与平均大陆上地壳(UCC)相近,且大离子亲石元素和大部分高场强元素与北美页岩(NASC)相近,在Th/Co-Cr/Th投点图中靠近钱塘江物源区,远离现代长江沉积物投点区;稀土元素球粒陨石和NASC标准化曲线与钱塘江沉积物特征相似,不同于现代长江沉积物。(2)近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物的重矿物组合为绿帘石—辉石—角闪石—石榴石—榍石—金红石—电气石;微量元素具有与UCC较为相近或富集的铁族元素,大离子亲石元素和高场强元素相对亏损,且与NASC相比,铁族和高场强元素明显亏损,大离子亲石元素亏损较弱,在Th/Co-Cr/Th投点图中主要落于长江和钱塘江来源沉积物之间;稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中,配分模式与现代长江沉积物极为相似。(3)U5、U4和U3单元具有与U1和U2单元不同的沉积物来源:前者母岩主要为长英质中酸性火成岩,为古钱塘江提供;而后者沉积物主要来源于中基性物源区,由长江提供,同时上游钱塘江也提供了部分沉积物。可见,长江沉积物自近岸浅海沉积时期开始大量进入到钱塘江下切河谷内,为钱塘江下切河谷的沉积环境演化提供了重要物质基础。     

晚第四纪钱塘江下切河谷充填物物源特征*

对晚第四纪钱塘江下切河谷内SE2孔沉积物重矿物和稀土-微量元素进行系统分析,并与邻区长江沉积物相应特征进行对比。结果显示: (1)晚第四纪钱塘江下切河谷充填物中河床(U5)、河漫滩(U4)和古河口湾(U3)沉积物的重矿物组合为赤褐铁矿-磁铁矿-锆石-白钛石-锐钛矿;微量元素中的铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素与平均大陆上地壳(UCC)相近,且大离子亲石元素和大部分高场强元素与北美页岩(NASC)相近,在Th/Co-Cr/Th投点图中靠近钱塘江物源区,远离现代长江沉积物投点区;稀土元素球粒陨石和NASC标准化曲线与钱塘江沉积物特征相似,不同于现代长江沉积物。(2)近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物的重矿物组合为绿帘石-辉石-角闪石-石榴石-榍石-金红石-电气石;微量元素具有与UCC较为相近或富集的铁族元素,大离子亲石元素和高场强元素相对亏损,且与NASC相比,铁族和高场强元素明显亏损,大离子亲石元素亏损较弱,在Th/Co-Cr/Th投点图中主要落于长江和钱塘江来源沉积物之间;稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中,配分模式与现代长江沉积物极为相似。(3)U5、U4和U3单元具有与U1和U2单元不同的沉积物来源: 前者母岩主要为长英质中酸性火成岩,为古钱塘江提供; 而后者沉积物主要来源于中基性物源区,由长江提供,同时上游钱塘江也提供了部分沉积物。可见,长江沉积物自近岸浅海沉积时期开始大量进入到钱塘江下切河谷内,为钱塘江下切河谷的沉积环境演化提供了重要物质基础。     

姑婆山花岗岩主岩体的稀土元素赋存状态研究

稀土元素在姑婆山花岗岩主岩体过渡相中,主要以稀土矿物和类质同象两种形式存在,并以稀土矿物形式为主,其中稀土元素含量占全岩含量的64％以上。轻稀土元素主要赋存于褐帘石和独居石中,重稀土元素主要赋存于褐钇铌矿等矿物中。岩石中至少有65％以上的稀土元素赋存于抗风化能力小的矿物中,为花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿床提供了物质来源。     

应用电子探针分析技术研究某铌-稀土矿中铌和稀土元素的赋存状态

铌是一种战略金属,在现代钢铁技术中发挥着非常重要的作用。某铌-稀土矿矿石中的Nb_2O_5平均含量达0.0855%,稀土总量(REO)含量达1.03%,接近铌矿最低工业品位要求,并伴生有稀土矿,因此查明铌和稀土的赋存状态至关重要。由于铌矿物、稀土矿物具有颗粒细小且嵌布特征复杂的特点,在偏光显微镜下不容易发现,而且定名困难,很难达到研究目的,一直是地质分析测试的难点。为查明铌和稀土元素的存在形式以及铌、稀土元素的赋存矿物,本文应用电子探针背散射图像、能谱分析及电子探针波谱定量分析技术对某铌、稀土矿矿石进行分析,主要研究铌矿物和稀土矿物的种类、嵌布关系及化学成分等特征,更准确地分析铌和稀土元素的赋存状态。结果表明:(1)铌元素主要以铌铁矿、含铌金红石的形式存在,其中铌铁矿中Nb_2O_5的平均含量为78.26%,含铌金红石中Nb_2O_5的平均含量为5.26%。(2)稀土元素主要以独居石、氟碳钙铈矿和氟碳铈矿的形式存在,其中独居石中稀土总量(REO)的平均含量为64.84%,氟碳钙铈矿中稀土总量(REO)的平均含量为57.52%,氟碳铈矿中稀土总量(REO)的平均含量为70.61%。(3)铌矿物、稀土矿物分布分散,多包裹于钾长石、方解石及黑云母等脉石矿物中。本研究实现了常规岩矿鉴定手段难以完成的矿物识别和鉴定,查明该矿床矿石中主要的铌矿物和稀土矿物的种类及特征,为后续铌-稀土矿的综合利用提供了科学依据。     

东海沉积物的稀土和微量元素

本文对东海沉积物稀土和某些微量元素的地球化学特征进行了系统的讨论,研究结果表明,东海陆架区沉积物的稀土和微量元素含量随样品的粒度由粗到细呈规律性变化。唯冲绳海槽区沉积物的稀土元素含量例外,具体表现为海槽西坡到东坡,随沉积物粒度由粗→细→粗,稀土元素含量因受沉积物矿物成分控制而逐渐降低。东海沉积物的稀土元素分布模式类似页岩,表明其物质来源主体仍是陆源的。     

微观组分聚类分析在物源体系恢复中的应用——以民丰洼陷沙三段中亚段为例

物源分析是盆地研究的一项重要内容,在有利储层预测和油气田勘探中具有重要作用。不同物源区形成的母岩及沉积环境存在差异性,致使各物源区沉积物组分在微观特征上存在差异。选取民丰洼陷沙三中亚段沉积物特征元素比值和重矿物含量作为研究的样本,采用聚类分析方法对物源体系进行研究。首先,在对特征元素指标进行优选的基础上,通过对沉积物特征元素比值进行Q型聚类分析,精确刻画了不同物源体系的范围;其次,对沉积物重矿物含量进行R型聚类分析,恢复了不同物源区的母岩类型。研究表明：洼陷主体区主要受来自青坨子地区的永安镇三角洲和南部的东营三角洲影响。分析结果与宏观的沉积学特征一致,证明该方法可以有效地判断沉积物的物源方向。     

西南印度洋中脊钙质沉积物地球化学及矿物学特征

深海沉积物研究能够为海底资源开发利用提供丰富的信息,对推动沉积学发展具有重要的理论意义。以中国大洋科考20航次西南印度洋中脊附近的钙质沉积物为研究对象,选取了10个沉积物样品进行了X射线衍射物相分析、扫描电镜分析、碳氧同位素及微量元素测试。结果表明,研究区钙质沉积物矿物组成主要为方解石,黏土矿物含量较低。方解石以钙质超微化石颗石藻及有孔虫的形态存在,碳氧同位素特征显示超微化石生活在正常的近表层海水环境中,死亡后埋藏环境稳定。稀土元素具有总量低、轻重稀土元素分异明显、Eu中等负异常、Ce中等负异常的特征。微量元素中富亲石元素、贫亲铁元素,亲生物元素Sr、Ba含量远高于其他元素。微量元素特征及Ceanom值说明沉积环境偏氧化。沉积物中大量的生物成因方解石及地球化学特征反映了研究区物源以生物源为主、含有少量陆源及幔源物质的特点。     

鄂尔多斯镇原地区下白垩统砂岩地球化学特征及其对物源区、构造背景的指示

本文通过对鄂尔多斯盆地镇原地区下白垩统砂岩进行主量元素、微量元素及稀土元素REE等地球化学分析, 就下白垩统砂岩的沉积再循坏特征、化学风化及其构造背景和物质来源等展开讨论。研究表明: ① 下白垩统洛河组、环河组和罗汉洞组的物源主体上具有相似性, 且在构造背景、物源区及物源特征上有良好的继承性。物源区总体具有富石英、富方解石胶结物、钾长石或富钾矿物较斜长石多的特点, 罗汉洞组较环河组和洛河组硅质更高、方解石胶结物更少、质更纯。稀土元素REE配分模式曲线一致, 轻重稀土分馏明显, 富集大离子亲石元素Ba、Pb、Sr和轻稀土元素, 亏损高场强元素Nb、Ta、Th、Y等,自下而上随着地层变新, 沉积岩中总的稀土含量有变小的趋势, 重稀土元素分馏程度减小; ② 研究区下白垩统砂岩原始物质主要为长英质与基性岩混合岩 (如中酸性侵入岩、长英质变质岩)及部分沉积岩。研究区大部分沉积物是鄂尔多斯盆地西南缘逆冲推覆带母岩风化剥蚀的产物搬运至此沉积形成, 系首次沉积的物质, 少数沉积物 (即风成砂)为就地再次搬运堆积形成, 系再循环沉积物质; ③ 在构造背景上具有以被动大陆边缘构造环境占主要优势的特点。碎屑物主要来源于陆块源区, 其次来源于再旋回造山带和混合源区。     

贵州岩溶沉积物稀土元素地球化学研究

本文对贵州岩溶沉积物稀土元素地球化学研究结果表明：稀土总量变化范围很大，RE2O3（1～434.39）×10－6。RE2O3随Al2O3含量增高而增高，随CaCO3含量增高而减少，相关系数分别为＋0．99，－0．98。低微含量的岩溶沉积物与碳酸盐母岩的稀土分布模式基本相似，高含量的岩溶沉积物稀土分布趋向于页岩模式。稀土解析实验和吸附实验表明，在岩溶化学沉积物和母岩中稀土主要以离子吸附态存在，岩溶碎屑沉积物中稀土主要以类质同象进入粘土矿物和副矿物格架中。稀土富集系数Kk值计算表明，在碳酸盐岩及其岩溶化学沉积物的成岩过程中不存在稀土富集，岩溶碎屑粘土沉积物中则存在稀土富集。对岩溶化学沉积物──碳酸盐结核的中心区、过渡带、边缘带及外围壳状粘土中稀土元素解析研究表明，随着结核的生长，活动性稀土组成发生变化，向轻、中稀土占优势的方向移动。     

南海表层沉积物的稀土和微量元素的丰度及其空间变化

对南海表层沉积物中稀土元素、微量元素丰度和分布特征的研究结果表明,在空间分布上,∑REE与Nb、,Th、Ta、Rb、Ti、Zr、Hf、Cs、Ga、Li等相似,呈显著正相关,反映出这些元素在风化、搬运和沉积过程中地球化学行为非常相似;元素Sr几乎与所有元素都呈负相关,指示其来源或存在形式不同于其他元素,主要来源于生物作用,而在粗粒级的钙质生物贝壳和碎屑中富集.∑REE与Nb、Th、Ta、Rb、Ti、Zr、Hf、Cs、Ga、Li在陆架区具有沿陆分带特点,北部陆架区、中南半岛中东部和加里曼丹岛西北部沿大陆区域富集,与该区陆源河流物质输入及海流的分选作用,造成某些富含稀土和微量元素的重砂矿的富集有关;西南部巽他陆架和东南部岛礁区以及中、西沙附近区域含量较低,与该区域的生源碳酸盐的稀释作用,使粘土矿物相对减少和火山物质对其产生的“稀释“作用有关.南海各海区沉积物和全海区表层沉积物平均值的球粒陨石标准化稀土元素分布模式,总体上与中国大陆沉积物和浅海沉积物相似,而与大洋玄武岩完全不同,反映了南海沉积物与中国浅海沉积物及中国大陆沉积物的物源大致相同,主要来自陆源.南海各海区沉积物稀土元素的球粒陨石标准化配分曲线仍表现出了一定差异,陆架区轻稀土比重稀土明显富集,存在比较明显的Eu负异常,与陆架区相比较,陆坡区和海盆区则轻稀土含量相对降低,重稀土含量有所上升,LREE/HREE从陆架区、陆坡区到海盆区逐渐降低,显示陆架区主要为陆源,而陆坡和海盆沉积物中则有幔源物质加入.稀土元素的大陆壳标准化配分模式大部分较为平坦,少数样品呈轻稀土弱富集型或重稀土弱富集型.说明南海海表层沉积物主要来源于周边大陆.从各海区沉积物稀土元素的大陆壳标准化配分曲线对比来看,陆架区表现为轻稀土富集、重稀土亏损,具一定的铕负异常,深部海盆区则出现明显的中稀土和重稀土的富集,铕异常变弱,与深部海盆区有基性火山物质的加入的地质事实相吻合.南海表层沉积物稀土元素和微量元素总体上呈现出以陆源沉积为主的特征.其元素平均丰度和各参数值都比较接近陆源河流和中国浅海沉积物,而与深海沉积物和大洋玄武岩差别显著,显示南海沉积物虽然受到火山沉积和生物沉积的混合作用的影响,但其物质源仍然主要来自于周缘大陆.     

中印度洋海盆表层沉积物稀土元素分布特征及富集规律

对中印度洋海盆14个站位的表层沉积物进行了稀土元素(REE+Y,简称REY)分布特征和富集规律研究.结果表明,样品中REY主要富集于沸石黏土和远洋黏土中(稀土元素总量最高为1239×10?6),且明显富集钇(Y)等重稀土元素(Y富集系数高达14.1,重稀土元素和Y富集系数最高为11.6);富稀土沉积物呈明显Ce亏损,发...     

中国东部主要河流稀土元素地球化学特征

在2007年底至2008年初的枯水期间,系统采集了中国东部流域面积和径流量较大的33条河流沉积物、悬浮颗粒物和水样,采用等离子质谱法、X荧光光谱法等方法测定了14种稀土元素含量以及常量组分和水体pH值等理化指标。研究发现中国河流稀土元素浓度总体高于世界均值,且南方河流沉积物、悬浮物稀土元素含量高于北方河流,南方河流悬浮物态中稀土、重稀土呈现一定程度的相对富集,与我国上地壳稀土丰度和稀土矿产种类的南北分异相吻合。展示了以中国东部泥质岩稀土元素丰度标准化后的稀土配分模式及Ce、Eu异常特征,发现河流沉积物的中、重稀土元素相对富集,悬浮物轻稀土相对富集,溶解相重稀土富集的特征;北方河流溶解相稀土元素浓度明显大于南方河流,且除小清河外,溶解相Eu不同于沉积物与悬浮物而呈强烈的正异常,主要与河水理化性质影响下的稀土分异有关。研究发现小清河等少数河流沉积物中稀土元素为异常高值,经Al标准化处理、计算拟合剩余值后,认为小清河等河流稀土元素已受人为污染的影响。     

青藏高原典型地区沉积物地球化学特征与矿物组成的粒度效应

地表松散沉积物中不同粒级的颗粒蕴含着不同的信息,这种差异与其物质来源、搬运和沉积过程中的分选作用以及沉积后的风化作用等有关。因此,可根据沉积物中不同粒级颗粒地球化学特征与矿物组成的差异,进行沉积物物源追踪或沉积环境重建。选择青藏高原在气候和地貌方面具有典型意义的柴达木盆地、错那湖、雅鲁藏布江流域作为研究区,分别采集了这几个地区的沙丘沙、黄土、湖积物、冲积物、洪积物、残坡积物等地表松散沉积物样品,用干筛法将沉积物样品分为两个部分,粗颗粒部分粒径范围为≥75~500 μm,细颗粒部分粒径<75 μm。对上述粗、细颗粒分别进行稀土与微量元素、Sr-Nd同位素、轻矿物组成的实验室分析测试,并对沉积物中粗、细颗粒的测试结果采用古典多维尺度方法进行相似性分析。结果表明：青藏高原松散沉积物中粗、细颗粒在轻矿物组成、微量和稀土元素含量、稀土特征、元素参数等方面存在差异;细颗粒部分蕴含了更多的环境信息,富含容易受化学风化影响的黏土矿物以及硬度较小、容易被磨蚀的方解石等矿物。在物源示踪中不同气候区的沉积物细颗粒不宜进行直接比较,应根据样品的粒度分布情况优先选择合适的粗颗粒组分进行物源示踪。     

深圳湾和大鹏湾近代沉积物中稀土元素的分布

用中子活化(INAA)方法,测定了深圳湾和大鹏湾近代沉积物8个层心的40个层位样品的稀土元素含量。阐明了稀±元素在两个海湾近代沉积物中的分布特征,在近200年来的变化规律。发现两海湾中稀土元素平均值为313和210 ppm,大于东海大陆架和黄海沉积物中稀上含量175ppm,Ce和Yb两元素在两海湾中有显著差异。作出了两海湾中稀土模式,并与太平洋深海粘土和我国壳型花岗岩的稀土模式进行了比较,还讨论了两海湾沉积物源问题。     

准噶尔盆地南缘芦草沟组稀土元素地球化学特征、物源性质和构造背景分析

基于稀土元素地球化学特征研究,着重探讨了准噶尔盆地南缘中二叠统芦草沟组页岩稀土元素丰度和赋存状态、源区母岩性质和构造背景,结果表明:芦草沟组页岩稀土元素含量类似上地壳稀土元素丰度,与轻稀土元素相比,重稀土元素具富集趋势,这可能与页岩中有机质对重稀土元素的吸附有关;页岩中轻稀土元素主要受控于粘土矿物,而重稀土元素受锆石、磷酸盐矿物和有机质的共同影响;准噶尔盆地南缘中二叠世物源区母岩以长英质组分为主,母岩性质非常类似于英云闪长岩成分;物源区以大陆岛弧构造背景为主。     

西南印度洋中脊48.6°~51.7°E沉积物地球化学特征

为了深入了解西南印度洋中脊调查区表层沉积物的物质来源和沉积环境,对大洋第30航次在该区域获取的21个表层沉积物样品进行了物相鉴定和主量元素、微量元素及稀土元素含量测试,分析结果显示,样品可分为Si质沉积物和Ca质沉积物两类,其中Si质沉积物富含Si、Mg、Fe、Al,稀土元素含量特征、轻重稀土元素分馏特征,以及稀土元素的北美页岩归一化曲线均表明沉积物保留了N-MORB的特征,主要为基性岩、超基性岩的风化产物;而Ca质沉积物富Ca、LOI、Sr,稀土元素以及微量元素之间的分配均指示沉积物物源为生源主导;所有站位均显示了两类沉积物不同程度的混杂,表明物质来源具有一定的多样性,调查区总体为稳定的偏氧化环境。