硫酸鹽對熱液體系中稀土元素遷移富集的機(jī)制
近日，深海極端環(huán)境模擬研究實驗室周義明研究員與博士后萬野在《Earth and Planetary Science Letters》上發(fā)表了題為“Role of sulfate in the transport and enrichment of REE in hydrothermal systems”的文章。該研究揭示了硫酸鹽對熱液中稀土元素遷移與富集的新機(jī)制。
研究表明，含稀土硫酸鹽熱液在高溫條件下可分離為不混溶的兩種液相，一為高度富集REE和硫酸鹽的高密度液相(L1)，一為貧REE和硫酸鹽的低密度液相(L2) (圖1)。這種現(xiàn)象傾向于在富CO2、低壓和低氯化物含量的熱液中發(fā)生。由于不混溶的兩個液相具有明顯的密度差異且貧REE液相作為基質(zhì)具有較低的粘度，富REE液相將在重力作用下與貧REE液相高效分離，從而實現(xiàn)熱液體系中REE的高效富集，為高品位稀土礦床的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。
圖1. 熱液條件下含稀土硫酸鹽流體的相行為特征
應(yīng)用原位拉曼光譜分析技術(shù)對高溫高壓條件下流體的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了在線分析。結(jié)果表明，除了前人報道的REESO4+和REE(SO4)2–外 (C3, C1)，REE3+與SO42-可形成更為復(fù)雜的絡(luò)合物(REEm(SO4)n3m-2n, m>1，C4, C5, C6) (圖2)。上述復(fù)雜絡(luò)合離子對的形成導(dǎo)致了熱液流體中液-液不混溶的發(fā)生。此外，HSO4–也可與REE3+直接絡(luò)合并遷移REE (圖2)。
圖 2. 液-液相分離發(fā)生前后流體的拉曼光譜特征
應(yīng)用實驗室建立的拉曼光譜定量分析技術(shù)對不同絡(luò)合物遷移REE的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)上述新的絡(luò)合物在高溫條件能夠遷移50%以上的REE。因此，硫酸鹽遷移、富集REE的能力可能被嚴(yán)重低估。
論文信息：
Wan Ye, Wang Xiaolin, Chou I-Ming, Li Xiaochun. 2021. Role of sulfate in the transport and enrichment of REE in hydrothermal systems. Earth and Planetary Science Letters, 569, article no. 117068.
