硫酸盐对热液体系中稀土元素迁移富集的机制

近日，深海极端环境模拟研究实验室周义明研究员与博士后万野在《Earth and Planetary Science Letters》上发表了题为“Role of sulfate in the transport and enrichment of REE in hydrothermal systems”的文章。该研究揭示了硫酸盐对热液中稀土元素迁移与富集的新机制。

研究表明，含稀土硫酸盐热液在高温条件下可分离为不混溶的两种液相，一为高度富集REE和硫酸盐的高密度液相(L1)，一为贫REE和硫酸盐的低密度液相(L2) (图1)。这种现象倾向于在富CO₂、低压和低氯化物含量的热液中发生。由于不混溶的两个液相具有明显的密度差异且贫REE液相作为基质具有较低的粘度，富REE液相将在重力作用下与贫REE液相高效分离，从而实现热液体系中REE的高效富集，为高品位稀土矿床的形成提供物质基础。

图1. 热液条件下含稀土硫酸盐流体的相行为特征

应用原位拉曼光谱分析技术对高温高压条件下流体的组成和结构进行了在线分析。结果表明，除了前人报道的REESO₄⁺和REE(SO₄)₂^–外 (C3, C1)，REE³⁺与SO₄^2-可形成更为复杂的络合物(REE_m(SO₄)n^3m-2n, m>1，C4, C5, C6) (图2)。上述复杂络合离子对的形成导致了热液流体中液-液不混溶的发生。此外，HSO₄^–也可与REE³⁺直接络合并迁移REE (图2)。

图 2. 液-液相分离发生前后流体的拉曼光谱特征

应用实验室建立的拉曼光谱定量分析技术对不同络合物迁移REE的贡献进行了评估，发现上述新的络合物在高温条件能够迁移50%以上的REE。因此，硫酸盐迁移、富集REE的能力可能被严重低估。

论文信息：

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.