摘要：2024年5期是李四光地质科学奖获奖者研究成果专辑（第三辑），为《地质力学学报》年度重磅专辑。本周为大家推荐该专辑首篇文章——何宏平院士撰写的《风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化与迁移》。

2024年5期是李四光地质科学奖获奖者研究成果专辑（第三辑），为《地质力学学报》年度重磅专辑。本周为大家推荐该专辑首篇文章——何宏平院士撰写的《风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化与迁移》。

作者：何宏平, 王珩, 李旭锐, 马灵涯, 朱建喜, 杨武斌

摘要:稀土元素（REE）广泛应用于新能源、国防军工等高科技产业中，是一类战略性关键矿产资源。风化壳型稀土矿床是中国最具竞争优势的稀土资源，其供应了全球90%以上的重稀土。阐明这类稀土矿床的成矿机制，可为寻找和高效开采利用该类稀土资源提供理论支持。文章以稀土元素的活化和迁移这两个关键过程为切入点，总结近年来取得的最新研究成果，并对未来的研究方向提出展望。该类矿床主要发育于富稀土花岗岩类的风化壳中，其中稀土配分模式主要受基岩控制。花岗岩类风化壳的形成以化学风化和生物风化作用为主。长石、云母和角闪石等主要造岩矿物风化形成的黏土矿物和铁锰氧化物是该类矿床中离子态稀土的主要赋存载体。而离子态稀土则来源于基岩中易风化和中等抗风化（含）稀土副矿物的风化和分解。此外，微生物分泌的有机酸等代谢产物可以促进难风化的独居石和磷钇矿等副矿物的风化和分解，加速稀土元素活化−迁移。与此同时，微生物作用还会导致轻稀土和重稀土的显著分异，其中革兰氏阳性细菌对重稀土的选择性显著高于轻稀土。在风化淋积过程中，稀土元素的络合离子可能是风化壳中稀土迁移的主要形式，主要受pH值、次生矿物形成和络合环境影响。值得注意的是，除了F−和CO32−等无机配体，有机质也可以直接与稀土离子络合或螯合，充当有机配体促进稀土的运移。因此，风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化和迁移机制主要受化学风化和生物风化过程控制，是无机和有机共同作用的结果，但其对该类矿床形成的贡献尚待定量评估。

关键词：风化壳型稀土矿床；含稀土副矿物；化学风化；生物风化；稀土迁移

图件及说明

图 1 华南地区风化壳型稀土矿床分布图

目前，中国的风化壳型稀土矿床主要分布于江西、广东、广西、福建、云南、湖南和浙江等南方七省区（图1）。其中，江西是风化壳型稀土资源最丰富的省份，已报道的稀土矿床数量超过50个（Li et al.，2017）。值得关注的是，近年来在云南临沧和腾冲等地发现了海拔超过1500 m的风化壳型稀土资源，打破了高海拔难成矿的认识（陆蕾等，2019；张彬等，2019）。

图 2 华南风化壳剖面及其REE分布特征

20世纪90年代，研究发现稀土主要富集在全风化层下部和半风化层上部（张祖海，1990；包志伟，1992），呈典型的“抛物线”式分布。随着越来越多的矿床被发现，稀土在风化壳中分布规律也在不断地完善。结合大量的钻孔资料，王登红等（2013）将稀土在风化壳中分布特征总结为标准式、浅伏式、深潜式、表露式和波浪式（图2）。

图 3 江西大埠弱风化花岗岩中造岩矿物风化的背散射电子（BSE）图像

长石也可以通过溶解−再结晶过程直接形成高岭石（图3a、3b；Li et al.，2022b）。黑云母风化先析出K+形成蛭石和黑云母−蛭石不规则混层矿物（也称水黑云母），再经脱Mg、Fe、Si后形成高岭石（图3c）。白云母相对于黑云母较稳定，其风化可转变为伊利石，再脱K+和Si2+形成高岭石（图3d）。

图 4 广东仁居风化壳型轻稀土矿床中不同层位的褐帘石、榍石和磷灰石风化的BSE图像

褐帘石在风化壳中较少被发现，表明其在风化初始阶段已被风化溶解（Sanematsu et al.，2013；Berger et al.，2014）。广东仁居轻稀土矿床弱风化基岩中可观察到褐帘石的风化溶解，矿物颗粒中出现大量溶蚀洞（图4a），表明风化受到表面反应控制。值得注意的是，褐帘石的部分溶蚀洞中填充了氟碳铈矿，可能是褐帘石风化释放的部分稀土元素与地下水中F−、CO32−结合形成了次生稀土矿物（Price et al.，2005）。随着风化作用增强，半风化层下部的褐帘石风化颗粒呈现碎片状（图4b），次生氟碳铈矿则完全溶解消失。

图 5 江西大埠风化壳型重稀土矿床中石榴子石风化的BSE图像

在江西大埠重稀土矿床中，弱风化基岩中石榴子石沿着裂隙风化形成高岭石（图5a、5b），成为其保护性表面层，因此其风化作用受溶质运移的控制。在全风化层中，由于较低的pH和强淋滤作用促进了Al和Si的迁移，抑制了高岭石在石榴子石表面形成保护性表面层，其风化过程受表面反应控制，因此在石榴子石表面形成了大量的溶蚀洞（图5c、5d）。随着风化的持续进行，溶蚀坑逐渐合并，最终穿透石榴子石颗粒，产生更多的裂隙，使其发生破碎（图5d）。

图 6 不同细菌在30天内对稀土元素的浸出量（据He et al., 2023修改）

微生物是岩石风化的重要驱动力，可以加速甚至启动花岗岩及其中造岩矿物的溶解。微生物和其他地球化学因素共同控制着风化过程中稀土元素的地球化学行为，但具体的作用机制目前仍未明晰。为此，He et al.（2023）利用从江西大埠风化壳型稀土矿床中分离到的4株土著细菌进行花岗岩溶解实验，发现实验菌株均能不同程度促进花岗岩中稀土元素的溶出。与无菌条件相比，微生物将总稀土元素的表观溶解量提升约4~21倍（图6）。

图 7 微生物附着在矿物表面并留下溶蚀痕迹

图 8 风化过程中微生物活化−富集稀土元素机理图

在风化壳中，岩石矿物与微生物存在着复杂的“互惠互利”关系。矿物为微生物提供生存环境和营养物质，保护微生物抵抗强酸、强碱等化学危害。微生物则附着在矿物表面，通过影响矿物表界面的微区环境加速矿物溶解，影响着岩石风化和稀土元素的活化（图7）。微生物活化稀土元素的作用机制十分复杂，其中酸解和络合是最重要的生物风化机制（图8）。

图 9 广东仁居风化壳型轻稀土矿床中次生矿物的BSE图像

次生矿物的形成也影响着稀土元素的迁移。Ce是一个变价稀土元素，其迁移容易受到氧化还原环境的影响。表土层的高氧化环境使得Ce3+被氧化成Ce4+，而Ce4+容易水解形成难溶的氢氧化物，随后分解形成次生方铈矿（图9a、9b）。

文章结论

在风化壳型稀土矿床成矿过程中，造岩矿物和副矿物的风化分解主要受化学风化和生物风化作用控制。长石、云母和角闪石等主要造岩矿物风化形成的黏土矿物和铁锰氧化物是该类矿床中离子态稀土的主要赋存载体。而离子态稀土则来源于基岩中易风化和中等抗风化（含）稀土副矿物的风化和分解。风化初期阶段，稀土氟碳酸盐、硅铍钇矿、钇兴安石等易风化的稀土矿物首先溶解并释放稀土元素。随着风化程度增加，中等抗风化（含）稀土副矿物（如褐帘石、榍石、磷灰石、石榴子石）也逐渐发生风化并释放稀土元素。其中，褐帘石、榍石和磷灰石是风化壳中离子态轻稀土的重要来源，石榴子石可作为风化壳中重稀土矿化的来源之一。同时，风化壳中大量微生物分泌的有机酸可以加速难风化的独居石和磷钇矿溶解并释放稀土元素，进而促进基岩中稀土的活化。在风化淋积过程中，少部分稀土离子被次生矿物固定，而大部分稀土离子将与无机、有机配体络合，并在大气降水和地下水作用下向风化壳下部迁移，最后在全风化层或半风化层的适宜位置富集。

总的来说，风化壳型稀土矿床的形成是多种控制因素长时间共同作用的结果。其中，微生物作用对稀土成矿贡献的研究仍处于起步阶段，尤其是微生物风化和吸附对稀土元素富集−分异的贡献有待定量评估，需进一步借助微生物学等手段开展深入研究。除化学风化和微生物作用的影响外，气候、地形地貌、水动力学条件等因素都可能对风化过程以及稀土的活化−迁移−富集过程产生重要影响。特别是风化与剥蚀速率的平衡，很可能是控制风化壳中稀土成矿的一个关键要素。持续的风化作用为稀土成矿提供了物源，而与风化速率相适应的剥蚀作用则是矿体能否有效保存的关键。但如何寻找适宜的地球化学指标来表征风化与剥蚀速率，至今仍没有突破性的进展。同时需要注意的是，目前几乎所有的研究均将风化壳底部的基岩默认为风化壳的母岩。事实上，由于风化壳母岩组成的复杂性、风化/剥蚀速率的差异等因素，其母岩与底部现存的基岩可能存在显著差异。如何建立可靠的矿物学、地球化学等指标来判识富稀土风化壳与其底部岩石之间的内在联系是解译风化壳型稀土矿成因的一个关键问题，并对该类型稀土资源的找矿勘查有重要指导意义。

引用格式

何宏平，王珩，李旭锐，等，2024. 风化壳型稀土矿床中稀土元素的活化与迁移[J]. 地质力学学报，30（5）：707−722 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2024070

HE H P，WANG H，LI X R，et al.，2024. Remobilization and transferring of rare earth elements in the formation of regolith-hosted REE deposits[J]. Journal of Geomechanics，30（5）：707−722 doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.2024070

来源：地质力学学报