矿物学因素对稀土元素再分布和富集的影响：以新泽西州富兰克林矿区为例的研究

《Applied Geochemistry》：Mineralogical controls on rare earth element redistribution and enrichment: A study from the Franklin Mining District, New Jersey

稀土元素在Franklin采矿区矿物中的分布受晶体化学和地质过程共同控制。硅酸盐矿物因含Ca2?及大配位位点（VIII-XII）显著富集轻稀土（LREE 160-730 ppm），而重稀土（HREE）在硅酸盐、碳酸盐等矿物中富集。Tl同位素显示流体作用影响，变质作用区域REE贫化。研究揭示了矿物化学与区域地质过程对低浓度REE富集的关键作用。

　　在当今全球能源转型的背景下，稀土元素（REEs）因其在可再生能源技术中的关键作用而受到高度重视。稀土元素不仅在电子、磁性材料、催化剂和新能源设备中扮演重要角色，而且其需求预计将在未来几十年内持续增长。因此，深入了解稀土元素在矿物中的分布及其在不同地质过程中的行为，对于未来的资源勘探与高效提取至关重要。本研究聚焦于新泽西州弗兰克林矿区，这一地区以其丰富的矿物种类和复杂的地质历史而闻名，成为研究稀土元素在不同矿物中微量替代机制的理想场所。

弗兰克林矿区是全球最多样化的矿物产地之一，拥有超过400种独特的矿物，其中包括硅酸盐、碳酸盐、氧化物、硫化物和磷酸盐等。这些矿物的形成与该地区的沉积岩型热液沉积（SEDEX）原岩经过变质作用和交代作用密切相关。这种地质演化过程导致了多种矿物类别的出现，使得该地区成为研究稀土元素在不同矿物中分布模式的绝佳案例。由于稀土元素在地壳中的含量较低，通常在痕量水平（<1000 ppm 或 <0.1 wt%），因此，如何识别和提取这些元素成为资源开发领域的重要课题。

在本研究中，我们发现硅酸盐矿物是唯一表现出轻稀土元素（LREE）富集的矿物类别。这些硅酸盐矿物的LREE浓度范围从160到730 ppm，远高于地壳平均值137.8 ppm。其中，某些矿物的LREE浓度甚至超过地壳平均值五倍以上。相比之下，其他矿物类别，如碳酸盐和氧化物，虽然也表现出一定的重稀土元素（HREE）富集，但其富集程度远不及硅酸盐。这种差异可能与不同矿物的晶体化学结构和形成环境有关。例如，硅酸盐矿物通常具有较大的配位数（VIII至XII）和较大的阳离子半径，这些特性使得它们更容易容纳稀土元素的替代。

此外，研究还发现，HREE的富集与某些地质过程密切相关。那些形成于水岩相互作用（如热液交代作用和次生富集作用）的矿物，往往表现出更高的HREE浓度。这种富集现象可能与流体化学条件的变化有关，例如pH值、氧化还原状态和温度等。在这些过程中，稀土元素可能通过不同的机制被重新分配，从而在某些矿物中形成富集。相比之下，经历同步或后沉积变质作用的区域，通常表现出稀土元素的亏损，这可能是由于稀土元素在高温高压条件下的不相容性所致。

为了更全面地理解稀土元素的分布及其受控因素，研究结合了矿物学特征与非传统稳定同位素数据。特别是，研究利用了铊（Tl）同位素作为指示剂，以追踪稀土元素的再分配过程。铊在地壳中的平均浓度仅为0.9 ppm，其两种稳定同位素（Tl-203和Tl-205）在不同的氧化还原条件下表现出显著的同位素分馏。因此，铊同位素可以作为评估水岩相互作用和流体活动的敏感指标。研究发现，富集稀土元素的矿物通常具有正的Tl同位素组成（ε2??Tl ≥ 0），而经历变质作用的区域则表现出显著的负Tl同位素组成（ε2??Tl范围从-5.2到-0.1）。这一发现表明，Tl同位素可以用于识别哪些地质过程可能促进或抑制稀土元素的富集。

然而，需要注意的是，Tl同位素与稀土元素的富集之间并没有明显的相关性。这可能意味着，虽然Tl同位素可以作为地质过程的指示器，但其本身并不直接控制稀土元素的分布。因此，在评估稀土元素的富集机制时，需要综合考虑矿物学和晶体化学因素，以及区域尺度的地质过程。例如，某些矿物可能因为其晶体结构允许较大的阳离子而更容易容纳稀土元素，而另一些矿物则可能由于其形成条件的不同而表现出不同的稀土元素富集模式。

在实际应用中，稀土元素的微量替代机制对于资源勘探和提取技术具有重要意义。当前，工业上提取稀土元素主要依赖于高浓度的矿物相，如氟碳酸盐（bastn?site）和磷酸盐（monazite）。然而，随着对稀土元素需求的增加，越来越多的注意力开始转向那些稀土元素作为副产品存在的低浓度矿床。这种趋势要求我们更深入地了解稀土元素在不同矿物中的替代行为，以便更有效地识别和利用这些资源。

本研究通过对弗兰克林矿区55种矿物的分析，揭示了稀土元素在不同矿物中的分布模式及其与地质过程的关系。结果表明，硅酸盐矿物是唯一表现出LREE富集的矿物类别，而HREE的富集则在多个矿物类别中观察到，包括硅酸盐、碳酸盐和氧化物。此外，研究还发现，形成于水岩相互作用的矿物更容易表现出HREE的富集，而经历变质作用的区域则表现出稀土元素的亏损。这些发现对于未来的资源勘探具有重要指导意义，特别是在识别那些可能富含稀土元素的矿物类别和地质环境方面。

总体而言，本研究强调了矿物学和晶体化学因素在稀土元素微量替代中的关键作用，同时也指出了区域尺度地质过程对稀土元素分布的影响。随着全球对稀土元素需求的不断增长，理解这些因素将有助于更有效地识别和利用低浓度的稀土资源，从而满足未来能源和工业发展的需求。此外，研究还表明，结合矿物学和非传统稳定同位素数据可以提供更全面的视角，以评估稀土元素的分布机制和潜在的资源潜力。