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(图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(图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。
图1（a）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
图2 （a）流体和萤石反应后，反应釜不同位置轻-中-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-中-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-中-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-中-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）
