西太平洋深海沉积物稀土富集机制：精细矿物学研究

The deep-sea sediments, especially Pacific deep-sea sediments, are rich in rare earth elements (REY，REE + Y) with the highest REY content up to 6000ppm, which are a potential rare earth mineral resource. Previous studies suggest that zeolite clay is the main type of sediments with highest REY contents and that the main carrier of rare earth elements is phosphate whose chemical composition is equivalent to apatite (such as fish bone). Does the phosphate in the rare earth sediments represent fish bones or apatite minerals? How do rare earth elements occur in these phosphates and how are they enriched in these carriers? What role do zeolite and clay minerals play in the REY enrichment process? These scientific issues remain unclear. Therefore, it is essential to carry out detailed and meticulous scientific research on the REY-rich sediments for future exploitation of marine REE resources. The applicant plans to conduct systematic mineralogical studies on abyssal sediments collected from the western Pacific Ocean using advanced analytical equipment such as X-ray spectrometry, XAFS, scanning electron microscopy, and LA-ICP-MS. The goal is to identify the occurrence and host of rare earth elements in the sediments, explore the enrichment mechanism of rare earth elements, and reveal the role of zeolite and clay minerals in the REY enrichment process. This study has significant implications for future exploitation of abyssal REE resources.

深海沉积物，尤其是太平洋深海沉积物，富含稀土元素（REY，REE+Y），最高可达6000ppm，成为潜在的新型稀土矿产资源。已有研究发现，沸石粘土是最为富集稀土的沉积物类型，且其中富集稀土元素的主要载体是与磷灰石成分相当的磷酸盐（如鱼骨屑）。富稀土沉积物中的磷酸盐是否代表鱼骨屑或是磷灰石矿物？稀土以怎样的形式赋存于这些磷酸盐中？又是如何在这些载体中富集的？沸石与粘土矿物在其中扮演怎么样的角色？等系列关键科学问题至今尚不明确。开展深入细致的科学研究对于将来海洋矿产的开发利用至关重要。申请人基于已获得的目前我国仅发现的超高稀土含量的西太平洋深海沉积物样品为研究对象，综合利用XPS、XAFS、扫描电镜、LA-ICP-MS等先进测试仪器，从精细的矿物学和矿物化学角度，识别稀土元素的赋存状态，探究稀土元素的富集过程及沸石和粘土矿物在稀土富集过程中的作用，为该类型稀土元素的选冶提供科学理论依据。

太平洋深海沉积物富含稀土元素，成为潜在的新型稀土资源。目前对于深海沉积物中稀土元素的研究才刚刚起步，稀土元素以怎样的赋存状态分布在深海沉积物中及其如何富集成矿等关键科学问题尚不明确。本研究综合利用扫描电镜、电子探针、LA-ICP-MS 和XPS等先进仪器对中、西太平洋典型柱样开展了精细矿物学和矿物微区地球化学及Sr-Nd同位素测试，以期确定沉积物中稀土元素的主要赋存相，揭示富稀土深海沉积物的形成时代，探讨太平洋深海沉积物稀土元素富集机制。.结果显示：1）不同类型深海沉积物中，REY与P2O5始终保持极好的相关性，鱼牙骨化学成分为生物成因的磷灰石，其REY含量远高于沸石、微结核等矿物的REY含量，在透射电镜下也显示出稀土元素含量富集的特征。因此磷灰石是深海沉积物中稀土元素最主要的赋存载体；2）沸石含量高的深海沉积物REY含量并不绝对高于沸石含量低的深海粘土REY含量，表明沸石代表的火山物质并不是沉积物中稀土元素富集的重要物源和决定因素，但沸石含量的多少对于沉积物中稀土元素的含量高低具有一定的指示意义；3）磷灰石原位地球化学数据显示其与海山磷块岩源区较为相近。同时，典型柱样高REY含量（REY>1000×10-6）沉积物形成于中新世早期(~23.5–19.9 Ma)，与海山普遍发生的一期磷酸盐化事件时间相吻合(27–21 Ma)，因此沉积物中稀土元素的富集可能与海山磷酸盐化事件有关；4）典型柱样高REY含量沉积物沉积时期南美洲和南极洲之间的德雷克海峡张开，导致深层绕极流形成，南极底流活动有所增强。同时，沉积物中鱼牙骨部分εNd值接近于南极底流εNd值（≈-9）或是南极底流与海水的混合，暗示该富稀土层位沉积物形成时期除受到磷酸盐化影响，还受到了南极底流的影响。.本研究获得了一批关键数据和资料，主要包括西北太平洋深海粘土鱼骨屑原位主微量地球化学和Sr-Nd同位素数据。深海沉积物中稀土元素赋存载体的明确为后续进行深海稀土资源的开发选冶提供了理论基础，同时稀土元素富集机制的研究能够指导我国在太平洋进行更有效的深海稀土资源的勘探。