《Geoscience Frontiers》：Rare earth element geochemical exploration: Anomalies in stream sediments across climatic and geological regimes in the southern Andes, Chile
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尽管智利具有显著的气候、地貌和岩性多样性，为多种稀土元素（REE）矿床类型和源环境的发育创造了有利条件，但该国的稀土元素勘查仍不均衡。本研究汇编了智利国家地球化学调查中6926件细粒级（<180 μm）水系沉积物样品，并在从极端干旱到冷温带环境的六个地质气候簇
尽管智利具有显著的气候、地貌和岩性多样性，为多种稀土元素（REE）矿床类型和源环境的发育创造了有利条件，但该国的稀土元素勘查仍不均衡。本研究汇编了智利国家地球化学调查中6926件细粒级（<180 μm）水系沉积物样品，并在从极端干旱到冷温带环境的六个地质气候簇中对其进行评估。利用主量和微量元素地球化学、风化指数、空间热斑分析、稳健主成分分析（PCA）和稀土元素λ系数，研究人员评估了稀土元素特征在全国范围内的变化规律及其对勘查靶区圈定的指示意义。结果表明，簇间系统性差异不仅体现在稀土元素丰度上，还体现在稀土元素配分模式几何形态、空间一致性和多元结构上。簇3显示出最具指示性的风化相关稀土元素特征，具有一致的正Ce异常和强烈的化学再分配证据，使其成为风化壳型稀土元素（RH-REE）勘查潜力的最清晰类比对象。然而，这些特征也表明，此类环境中的水系沉积物异常可能反映的是活跃的稀土元素活化迁移而非原位富集。簇4以更为弥散的形式保留了部分信号，而北部簇（C1–C2b）更符合涉及IOA/IOCG相关稀土元素载体和碎屑重矿物富集的混合源模型。簇5定义了一个独特的HREE允许场，与碱性至局部过碱性源环境相容。总体而言，结果表明，水系沉积物地球化学结合空间和多元方法，可在踏勘尺度上有效区分不同的稀土元素来源。更重要的是，研究表明稀土元素异常是过程依赖的，必须从风化、搬运和岩性控制的角度进行解释。研究人员利用智利公开的水系沉积物地球化学数据，建立了一个跨不同气候和地质域的踏勘尺度稀土元素勘查框架。具体而言，研究人员比较了全国气候分区所定义各簇之间的主量、微量、稀土元素及风化相关地球化学指标，利用富集因子和地累积指数评估异常模式，并整合空间和多元分析（包括热斑填图、PCA和稀土元素λ系数）以识别一致的地球化学模式和分馏趋势。这些特征随后根据其与不同稀土元素矿化样式和矿床类比（包括风化壳型、砂矿型、铁氧化物-磷灰石（IOA）和/或IOCG型以及碱性岩浆系统）的相容性进行评估。更广泛地，本研究凸显了国家尺度水系沉积物档案在识别稀土元素物源和评估表生过程如何塑造稀土元素特征方面的价值。
研究背景方面，稀土元素（REE）包含15种镧系元素，分为轻稀土（LREE：La-Eu）和重稀土（HREE：Gd-Lu），因地球化学相似性Sc和Y也被纳入非镧系稀土元素。这些元素是关键原材料，在清洁能源技术、催化剂、磁体等领域广泛应用。全球稀土元素需求的增长推动了不同地质背景下多种矿床类型的勘查，主要矿床类型包括碳酸岩型、碱性/过碱性岩浆系统、铁氧化物-铜-金（IOCG）/热液型、风化壳型稀土元素（RH-REE）矿床以及砂矿型重砂矿床。然而，许多地区不同环境下稀土元素行为的表征仍不完整，尤其是南安第斯地区。智利独特的地质气候和成矿背景适合开展以稀土元素为重点的地球化学调查。水系沉积物地球化学提供了经济有效的踏勘尺度覆盖，整合了上游基岩、风化和矿化相关信号。主成分分析（PCA）提供了稳健的多元框架以识别与岩性、风化、沉积过程和矿化相关的元素组合，λ系数则通过正交形状组分对球粒陨石标准化稀土元素模式进行定量参数化。在此背景下，研究人员利用智利公开的水系沉积物地球化学数据，建立了一个跨不同气候和地质域的踏勘尺度稀土元素勘查框架。研究目的在于比较全国气候分区所定义各簇之间的地球化学指标，评估异常模式，并整合空间和多元分析以识别一致的地球化学模式和分馏趋势，进而评估这些特征与不同稀土元素矿化样式和矿床类比的相容性。论文发表在《Geoscience Frontiers》。
技术方法方面，研究人员汇编了智利国家地质与矿业局（SERNAGEOMIN）国家地球化学计划的6926件细粒级（<180 μm）水系沉积物样品，采样密度约为每20 km2一个站点。样品按先验定义分为六个地理连续的地质气候簇（C1、C2a、C2b、C3、C4、C5），簇边界依据K?ppen-Geiger气候框架的一级过渡、地理连续性及样本数量确定。主量氧化物采用ICP-OES测定，微量元素采用ICP-MS测定。质量控制依赖于原始报告中的控制程序及数据集协调。利用12.5 m ALOS PALSAR数字高程模型进行流域圈定，并与国家岩性图叠加确定每个采样点的主导上游岩性。计算了地累积指数（Igeo）、富集因子（EF）、化学蚀变指数（CIA）和成分变异指数（ICV）。空间统计采用ArcGIS中的优化热斑分析（Getis-Ord Gi*统计量）。多元稀土元素模式分析结合了稳健主成分分析（PCA，采用Fast MCD算法）和λ系数（在GCDkit中计算，以O'Neill（2016）的CI球粒陨石组成进行标准化）。
研究结果方面，4.1 六个簇间水系沉积物样品的比较地球化学：稀土元素均值ΣREE从C3的75.3 ppm到C5的175.6 ppm，C1（156.2 ppm）、C2a（153.8 ppm）、C2b（154.7 ppm）和C4（121.8 ppm）居中。C3的CIA均值最高（87.3），C1最低（53.9）；C3的ICV均值最高（4.4）。C3显示Al2O3（1.8 wt.%）、TiO2（0.19 wt.%）和Fe2O3（4.3 wt.%）的显著降低，而MnO（1.30 wt.%）和Cr2O3（0.040 wt.%）升高。4.2 富集与地累积模式：所有簇的Igeo中心趋势为负值（约?0.5至?2），表明总体浓度处于或低于地壳背景。C3的LREE、HREE和ΣREE的EF均值显著较高（约2.4–2.5），Cr2O3的EF均值约12.4，比其他簇高一个数量级以上。4.3 稀土元素异常与热斑的空间分布：在C1中，ΣREE高值集中在北部和中东部；C2a中沿西部边缘形成连续带；C2b中沿西部边缘和东南部出现高值。C3中ΣREE高值沿西部形成紧凑带，正Ce/Ce*异常广泛分布于西半部；C4中正Ce/Ce*稀疏；C5中Ce/Ce*基本无异常。优化热斑分析显示C3的EF和Igeo呈现一致模式，西部形成明确热斑簇，东部为冷斑。4.4 多元稀土元素模式分析：稳健PCA前两个主成分解释总方差的47.1%（C3）至63.3%（C5）。所有簇中高ΣREE类别主要向正PC1得分方向偏移。λ系数分布显示大多数样品位于第二象限（λ1>0，λ2>0），C3在λ2=0轴上下显示最宽的垂直离散，样品分布于第二和第三象限，表明优先HREE亏损。
讨论部分总结了以下要点：5.1 更广泛水系沉积物背景下的稀土元素浓度与异常模式——智利簇的ΣREE范围与其他大陆排水系统相当，局部最大值超过1000 ppm。5.2 风化、沉积成熟度与跨地质气候簇的稀土元素特征——C3的特征与强烈化学风化一致，导致含稀土元素细粒组分的再分配和部分移除；C4为中间情况，风化相关过程存在但不占主导；北部干旱至半干旱簇（C1–C2b）化学风化有限，稀土元素特征更多受源岩组成和抗风化矿物机械富集控制；C5定义了独特的地球化学域，HREE含量较高，受源相关因素控制而非渐进风化或沉积改造。5.3 稀土元素来源与勘查意义——C3提供了RH-REE相关风化特征的最强踏勘尺度类比，与沿海科迪勒拉西侧已发现RH-REE型矿化的位置一致；北部簇C1–C2b更符合IOA/IOCG相关稀土元素载体和碎屑重矿物混合源；C5定义了HREE允许场，与碱性至局部过碱性岩浆系统相容。5.4 水系沉积物地球化学用于稀土元素靶区圈定的挑战与局限——样品整合了多个上游岩性的贡献，异常组成不能作为特定矿床类型的直接证据；EF对固定参考组分的选择敏感，应与Igeo结合解释。5.5 辅助关键金属信号的进一步研究——Ga在C3的亏损与含Al细粒组分的亏损平行，Cr2O3在C3显著较高，可能反映超镁铁质至镁铁质侵入体贡献。
研究结论部分翻译如下：本研究表明，国家尺度水系沉积物地球化学是区分智利地质气候域间对比性稀土元素特征的有效踏勘工具。描述性地球化学、风化指数、空间热斑分析、PCA和λ系数的联合使用表明，簇间差异不仅表现在ΣREE丰度上，还表现在稀土元素配分模式形态、多元结构和异常的空间一致性上。这些对比反映了从强烈化学风化和再分配到岩性主导系统的控制过程谱系，凸显了整合组成、空间和统计方法解释复杂表生环境中稀土元素行为的重要性。六个簇中，C3提供了受RH-REE相关风化过程影响流域的最强踏勘尺度类比，其高CIA值、一致的正Ce/Ce*、Al2O3和TiO2的亏损以及空间一致的稀土元素热斑将其与数据集其余部分区分开来。C4保留了部分信号但诊断性较弱且空间上更为弥散，因此更适合视为允许但不太确定的簇。相比之下，北部簇（C1–C2b）更符合涉及IOA/IOCG相关和碎屑重矿物输入的混合源，而C5定义了一个独特的HREE允许场，与碱性至局部过碱性源相容但非诊断性。这些结果表明，水系沉积物稀土元素异常必须在簇依赖框架内解释，而非作为单一矿化样式的表现。从勘查角度看，数据集最有效地用于定义允许源和优先后续靶区，而非直接诊断矿床类型。在风化主导系统如C3中，稀土元素异常可能反映活跃的再分配和搬运而非原位富集，凸显了采样策略的重要性。水系沉积物与水的配对分析以及细粒级评估可能为稀土元素活动性提供更完整的图景。更广泛地，Igeo和EF的优化热斑分析对于识别一致异常域有效，但当参考组分可能亏损时EF应谨慎解释，并可能受益于替代性不活动元素（如Zr）。潜在含稀土元素岩性和风化壳剖面的上游验证、RH-REE允许域（C3–C4）的离子交换测试、北部簇的矿物学和重矿物鉴定以及C5更高密度采样将有助于识别和表征矿物学及过程控制。总体而言，本研究凸显了国家水系沉积物地球化学数据集作为在地质和气候多样地形中指导稀土元素勘查的一级工具的价值。
