稀土是具有战略意义的关键矿产资源。我国是稀土资源大国，且主要分布在内蒙古白云鄂博、四川冕宁和赣粤等南方七省三大稀土基地。南方七省的离子吸附型稀土矿主要发育于风化壳中，是我国的特色资源；该类矿床的特点是富集中重稀土，其重稀土储量占世界储量的80%以上，是全球最重要的重稀土来源。近年来，随着稀土需求增加和资源供需矛盾加剧，有关离子吸附型稀土矿床的成矿过程与机制、稀土赋存状态与可利用性研究引起了国内外学者的高度关注。

　　离子吸附型稀土矿床（又称风化壳淋积型稀土矿床）中的稀土元素主要富集在全风化层中，并发生不同程度的轻-重稀土分异。其中，高岭石和埃洛石是全风化层最主要的黏土矿物，通常被认为是稀土离子的重要载体矿物。虽然高岭石和埃洛石同为1:1型黏土矿物，但高岭石（片状）和埃洛石（管状）具有不同的晶体结构、微观形貌和表面性质，它们是否会影响稀土的富集和分异？这是认识和掌握离子吸附型稀土矿床成矿机制的关键。

　　近期，广州地球化学研究所何宏平研究员团队通过实验模拟方法研究了矿物晶体化学特性和介质条件对高岭石、埃洛石富集稀土元素的影响及其制约机制，并将模拟实验结果与典型稀土矿床剖面中的黏土矿物组成、稀土元素富集-分异特征等进行了系统对比研究，阐明了黏土矿物与稀土元素的表-界面作用过程与微观反应机理，并获得了以下主要认识：

　　（1）稀土元素在高岭石和埃洛石上的配分特征

　　稀土元素主要通过离子交换和配位络合吸附于高岭石和埃洛石表面，其吸附方式受介质pH和环境离子强度等条件影响。在低离子强度条件下，高岭石和埃洛石对稀土的吸附以离子交换为主，吸附量随pH升高而增加（图1），稀土在黏土矿物表面不发生明显分异。而在高pH时，部分稀土可与黏土矿物表面发生配位络合，并导致一定程度的重稀土富集；在高离子强度条件下，黏土矿物对重稀土表现出显著的吸附选择性（图2）。

　　图1 高岭石（Kaolinite, Kln）和埃洛石（Halloysite, Hal）在低离子强度（Na+）条件下表现出不同的吸附行为

　　图2 不同离子强度（Na+）条件下，稀土离子在埃洛石上的配分模式

　　（2）高岭石和埃洛石矿物结构对稀土配分的影响

　　高岭石和埃洛石分别具有片状和管状形貌和结构，八面体片上的结构羟基是稀土离子结合的主要位点。相比于片状的高岭石，埃洛石结构层内卷，八面体片受管壁包绕遮蔽，内表面羟基暴露面积大大减少，导致埃洛石对稀土的吸附能力受到抑制。因此，高岭石对稀土的吸附容量高于埃洛石。这些发现可以很好地解释一些重要的地质现象。如，在片麻岩风化形成的含稀土风化壳中，独居石溶解释放的稀土元素主要吸附在高岭石表面，明显高于埃洛石表面的稀土吸附量。在比利时南部的石灰岩溶洞中，独居石纳米颗粒主要沉积在高岭石表面，也与高岭石对稀土元素的富集作用相关。

　　（3）风化壳剖面黏土矿物含量变化对稀土富集-分异的影响

　　模拟吸附实验结果能很好的解释离子吸附型稀土矿床中离子交换态稀土元素的富集-分异特征。在我国南方典型离子吸附型稀土矿床剖面中，离子交换态稀土含量与高岭石含量的相关性往往高于埃洛石，表明高岭石对稀土富集的贡献大于埃洛石。同时，从风化壳上部到底部，pH和离子强度逐渐升高，离子交换态重稀土的相对含量也随之增大，出现重稀土富集。

　　上述成果发表于Chemical Geology上，相关认识对于深入理解稀土元素在表生环境中的“迁移-富集-分异”过程以及离子吸附型稀土矿的形成机制具有重要启示。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

　　文章信息： Yang, M. J., Liang, X. L., Ma, L. Y., Huang, J., He, H. P.*, Zhu, J. X. Adsorption of REEs on kaolinite and halloysite: A link to the REE distribution on clays in the weathering crust of granite. Chemical Geology, 2019, 525, 210-217.

　　原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254119303444

中国科学院矿物学与成矿学重点实验室&科技与规划处 供稿