独居石和磷钇矿在热液中溶解行为的实验研究：对U-Th-Pb年龄有效性以及稀土元素成矿的约束

Monazite and xenotime U–Th–Pb dating has been increasingly used for geochronological studies. Monazite and xenotime are usually accessory minerals but can also be ore minerals of the rare earth element (REE) deposits, representing light and heavy REE minerals, respectively. As a carrier of elements such as RE, Y, U, Th and Pb, the dissolution behavior of monazite and xenotime in hydrothermal fluids constrains the fractionation and enrichment of REE, as well as the usefulness of age determinations by the U-Th-Pb method. However, presently the basic experimental data for the dissolution of monazite and xenotime in hydrothermal fluids are scarce and conflicting, making the understanding of REE mineralization and their U–Th–Pb age results puzzling. In this project, we use both synthetic and natural monazite and xenotime, combining the methods of in-situ synthetic fluid inclusion sampling and in-situ mineral dating, to find out (1) the key physical-chemical factors controlling REE transportation, fractionation and precipitation; (2) U-Th-Pb age reset mechanisms of the monazite and xenotime in hydrothermal fluids. This study could provide direct experimental constraints on REE mineralization and better geological interpretation for monazite and xenotime U-Th-Pb dating.

独居石和磷钇矿是用于各类岩石U-Th-Pb定年的重要副矿物，同时也是稀土矿床最主要的矿石矿物。独居石和磷钇矿作为REE、Y、U、Th和Pb等元素的载体矿物，其在热液中的溶解行为约束着稀土元素的富集成矿以及U-Th-Pb年龄的有效性。由于目前有关热液中独居石和磷钇矿溶解行为的基础实验数据还相当匮乏，且存在不一致性，导致对稀土成矿作用的理解以及U-Th-Pb年龄数据的地质解释存在许多困难和混乱。本项目拟以天然以及合成的独居石和磷钇矿为研究对象，采用人工合成包裹体原位流体取样和矿物微区定年等方法，系统研究不同温压下含F-、Cl-、SO42-和CO2热液中独居石和磷钇矿的溶解度以及所含U-Th-Pb体系的封闭性，查明控制热液中稀土元素迁移、分异以及沉淀的关键因素，揭示热液过程中U-Th-Pb年龄重置的机制和特征，为研究稀土元素的选择性富集成矿以及合理解释独居石和磷钇矿的年龄数据提供实验依据和约束。

稀土磷酸盐矿物独居石和磷钇矿是稀土矿床最主要的矿石矿物，同时也是各类岩石中常见的副矿物，广泛用于U-Th-Pb定年。开展热液中独居石和磷钇矿的溶解行为研究，对于揭示稀土元素的成矿机制以及合理解释独居石和磷钇矿的年龄数据具有重要意义。. 本项目以天然以及合成的独居石和磷钇矿为研究对象，以高温高压实验为技术手段，广泛开展了热液体系独居石和磷钇矿的溶解和交代实验。通过加与不加CO2的独居石和磷钇矿晶体生长实验，结果发现CO2的加入有利于独居石和磷钇矿的结晶以及生长，揭示出热液富CO2有利于稀土的结晶富集。通过不同温压下含F-、Cl-和SO42-溶液体系的独居石和磷钇矿溶解度实验，尽管分析结果低于检测限，但反映出独居石和磷钇矿在这些热液体系的溶解度极低，说明REE3+和PO43-并不能同时迁移，揭示出流体混合作用是稀土富集成矿的一种重要机制，其中PO43-是导致稀土沉淀的关键因素。通过Na2CO3溶液体系天然独居石和磷钇矿的交代实验，结果却显示在实验条件下形成了Na2CO3熔体与水流体的不混溶，并且反应后的样品边缘均产生了溶蚀结构。通过对未蚀变区域以及边缘蚀变混合区域分别进行定年，独居石的年龄分别为402.9±4.4 Ma和348.0±4.6 Ma，磷钇矿的年龄分别为488.2±6.1 Ma和471.5±7.4 Ma，揭示出Na2CO3熔体对独居石年龄的扰动比磷钇矿更强烈，这一研究结果为合理解释受交代作用影响的独居石和磷钇矿年龄重置问题提供了新的思路。