CO2对稀土成矿作用的实验研究

Rare earth elements (REE) are critical strategic resources, and their demand is increasing day by day. Presently, carbonatite-alkaline rock-related REE deposits are the main resources for REE worldwide. A large number of studies have shown that enrichment of CO2 is an essential characteristic of ore-forming fluids in these deposits, and phase separation of CO2-rich fluids (i.e., a CO2 vapor phase and a H2O liquid phase) is likely the critical mechanism for precipitation of rare earth ore minerals. However, due to a lack of relevant experimental constraints, the validity and applicability of this mechanism is still uncertain, and the specific role of CO2 on REE mineralization remains unclear. Therefore, this project focuses on the most common ore mineral in carbonatite-alkaline rock-related REE deposits, bastnasite, to determine its solubility via the method synthetic fluid inclusions. This technique allows for in situ samplings, to study the solubility of REE in the representative ore-forming fluid (Na2SO4-NaCl-H2O-CO2) system and the REE distribution coefficients between the CO2-vapor and H2O-liquid phases. Goal of this study is to determine if REE can be effectively transported by the CO2-rich hydrothermal fluids and if two-phase separation triggers the fractionation and precipitation of REE minerals, demonstrating the specific role of CO2 in the process of REE ore mineralization.

稀土元素是重要的国家战略资源，其需求量与日俱增。与碳酸岩-碱性岩相关的内生稀土矿床是全球（轻）稀土资源的主要来源。研究表明富CO2是该类型稀土矿床成矿流体非常重要的特征，并且富CO2流体的相分离作用很可能是造成稀土矿物大量沉淀的主要机制。然而，由于缺乏相关的实验依据和约束，对于该成矿机制的有效性和适用性仍不确定，对于CO2对稀土成矿的具体作用也不清楚。为此，本项目拟以稀土矿床最常见的矿石矿物氟碳铈矿和富CO2流体为研究对象，采用人工合成包裹体原位流体取样的方法，通过高温高压实验系统研究代表性稀土成矿流体（Na2SO4-NaCl-H2O-CO2体系）中稀土元素的溶解度以及在气-液两相之间的分配系数，查明富CO2的水热流体能否高效运移稀土元素以及富CO2的气相与富水的液相的分离能否导致稀土元素的极端分异和有效沉淀等关键问题，厘清CO2对稀土成矿的具体作用，服务重稀土找矿预测。

稀土是国家的重要战略资源，与碳酸岩-碱性岩相关的内生稀土矿床是（轻）稀土资源的主要来源。尽管前人针对代表性稀土成矿流体（Na2SO4-NaCl-H2O-CO2）中稀土的溶解行为获得了许多重要结果，但有关轻、重稀土的分异机制以及沉淀条件仍需深入研究。.本项目针对内生稀土矿床矿石矿物氟碳铈矿只有轻稀土富集型而不产出重稀土富集型的问题，开展了轻、重稀土元素水热合成氟碳铈矿的实验，结果显示相同条件下轻稀土可以形成氟碳铈矿而重稀土不能形成氟碳铈矿型矿物，实验结果表明重稀土不能从热液中直接结晶形成氟碳铈矿型矿物，说明原生重稀土氟碳铈矿的缺乏并不受成矿流体中重稀土的含量所约束，而可能与镧系收缩晶体化学差异有关。此外，本项目针对CO32-和HCO3-络合稀土能力是否有差别的问题，以La2O3和Y2O3分别代表轻、重稀土，采用人工合成包裹体的方法开展了碳酸盐流体中的稀土溶解度实验，但合成包裹体结果表明实验条件下形成了熔体-流体不混溶体系，且熔体端元的成分分析结果显示碳酸氢钠熔体中轻稀土的溶解度相比重稀土要高30倍以上，说明碳酸氢钠熔体可大量运移轻稀土而导致轻、重稀土的强烈分异。另外，本项目针对牦牛坪稀土矿床氟碳铈矿中的含子矿物包裹体进行了原位无损分析，同步辐射XRF和拉曼光谱分析结果显示氟碳铈矿包裹体中的硫酸盐子矿物为天青石，进一步实验研究了天青石在NaCl-H2O体系中的溶解度，实验结果表明天青石的溶解度随盐度增加而增大，且计算结果表明实验条件下Sr主要以SrCl20的形式存在，结合氟碳铈矿包裹体中天青石子矿物的存在，说明流体富Cl-一定程度上有助于Sr和REE的迁移。