矿物中REE扩散作用的理论研究——兼论白钨矿Sm-Nd定年方法的可靠性

元素在矿物中的扩散作用，对其在地质体中的配布有着重要影响，被越来越多的用来解决地球化学动力学方面的问题。稀土元素（REE）能反映重要的地球化学信息，作为地球化学的示踪剂被广泛应用于探讨各类岩石成因和矿床成因。因此，查明REE在矿物中的扩散行为对于地学研究具有重要意义。 前人对元素（如O、Ar等）在不同矿物中扩散行为的理论研究，大多采用的是矿物晶格单独制约扩散速率的模型，由于稀土元素的离子半径各不相同，用此类模型来探讨其在不同矿物中的扩散行为是不合适的。为了寻求获取矿物中稀土元素扩散参数的简捷途径，本博士论文通过对前人关于矿物中REE扩散作用研究的实验结果进行分析归纳，探讨了扩散体系不同因素对扩散行为的控制规律。在此基础上，使用多元统计分析方法建立了预测REE在不同矿物中扩散参数的多变量模型，由此模型计算的1atm、无水环境下REE的扩散参数与实验测定结果在实验误差范围内相当吻合。与前人的模型相比，多变量模型能更全面地反映扩散体系各因素对扩散速率的制约。 此外，为了检验白钨矿Sm-Nd同位素定年方法的可靠性，本论文从不同角度进行了研究： （一） 理论验证 矿物内部的微量元素信息能否有效保存，在很大程度上取决于其扩散速率，因此本文从扩散动力学角度对白钨矿Sm-Nd同位素体系的封闭性进行了探讨。通过理论计算并结合实验模拟验证的方式获得了白钨矿中Sm、Nd的扩散参数，得出在1atm、无水环境下Sm和Nd的扩散方程为： Nd：D＝4.00exp（－438kJmol-1/RT）cm2/s Sm：D＝1.85exp（－427kJmol-1/RT）cm2/s 借助这些扩散数据，对白钨矿中Sm-Nd信息受扩散作用的影响程度做了分析。结果表明，在大多数地质环境下，Sm、Nd在白钨矿晶体中的扩散速率很低，同位素体系容易保持封闭不受热力学作用的影响。 （二） 地质验证 以湘西沃溪Au-Sb-W矿床为研究对象，通过对不同矿体的白钨矿进行Sm-Nd同位素年龄测定，将其结果与其它同位素方法得到的年龄数据以及野外地质关系、区域构造演化等进行了对比。结果表明，沃溪Au-Sb-W矿床的白钨矿Sm-Nd年龄结果与Ar-Ar年龄是一致的，与野外地质关系及区域构造演化特征等也相当吻合。 通过本论文的工作，得出以下主要成果和认识： （1）首次建立了适合于计算REE在不同矿物中扩散参数的理论模型，为研究矿物中REE的扩散行为提供了可靠的理论方法。 （2）首次获得了白钨矿中Sm-Nd的扩散参数，探讨了白钨矿中REE的扩散性质，并建立了1atm、无水环境下Sm和Nd在此矿物中的扩散方程。 （3）通过扩散动力学研究，得出白钨矿中Sm-Nd同位素体系的封闭性较为理想，为评价Sm-Nd同位素方法是否适合于制约白钨矿的成矿年龄提供了理论依据。 （4）通过不同同位素定年结果的比较以及与野外地质关系、区域构造演化等的对比，得出白钨矿Sm-Nd同位素年龄结果是真实有效的，从矿床学角度为评价该同位素定年方法的可靠性提供了实践证据。

白云鄂博超大型Fe-Nb-REE矿床碳酸盐脉状体的包裹体研究

白云鄂博矿床是世界上最大的Fe-Nb-REE矿床,其矿床成因一直是中外地质学家争论的焦点.而矿床附近的碳酸盐脉状体则成为赋矿白云岩岩浆成因的直接因素,该文拟从包裹体的角度对矿区碳酸盐脉状体进行研究,对其成因进行探讨,并对其与赋矿白云岩的关系作初步的讨论.通过对碳酸盐脉状体包裹体在包裹体类型,组合,均一温度,盐度,成分等方面的研究,发现不同区域,不同产状的碳酸盐脉状体包裹体特征存在较大的差异,这反映了其在岩石成因方面的差异:(1)都拉哈拉和尖山附近:为典型的岩浆成因;(2)宽沟背斜核部:可能是富碳酸盐盐熔体侵入构造裂隙形成的;(3)白云镇东北部(CV31,CV32)可能为侵入到混合岩中的热液脉;(4)东介勒格勒以南:具有明显的沉积特征.

溶液介质条件和腐殖影响下REE在水/粘土界面分配和分馏的实验研究

过去几十年，由于REE具有重要的物源和过程示踪的地球化学意义，又与核放射性元素（钢系元素）的地球化学结构类似，因此，稀土元素的表生地球化学分配和行为研究便成为微量元素地球化学研究的一个重要部分。目前"通过水体悬浮物吸附态REE组成变化分析研究水／微粒界面作用REE分异现象．的工作不少，但至今进行的胶体或其他微粒吸附REE的实验研究不多，且已有的实验未能对溶液介质条件（如pH、离子强度、阴离子、固／液比），尤其是天然有机物的控制机理进行系统研究，对所观察到的水体中REE及其他微量元素分布变化多样性的解释仍缺乏实验依据。本文用结晶良好且粘土矿物含量高的苏州高岭土、美国粘土协会高岭土（Kga-1b）和蒙脱土（Wwy-2）作为吸附剂，采用系列吸附实验定量研究了不同理化条件（如pH值、离子强度、固／液比）下，受溶液阴离子（Cl-、C1O4-、SO42-、HCO3-）和Fluka胡敏酸（HA）影响，REE在粘土／水界面的分配和分馏，并讨论了HA和粘土的相互作用及胡敏酸存在与不存在时的REE形态分布。得到以下几点重要认识，为合理解释地表水体中既E和其他微量元素分布变化的多样性提供了实验依据：1、REE在苏州高岭土／水界面的重现性实验结果为：稀土配分系数D的相对标准偏差最大值为Eu8.4％，其他大多介于5．0％和6．6％间。而稀土吸附率Rd的相对标准偏差最大值为D2.2％，其他大多＜2％。较小误差表明本次研究所用实验方法是可行的。2、REE在苏州高岭土／水界面的动力学实验结果表明：短时间内（几分钟）稀土快速吸附在高岭土：接着因为粘土的层状结构，在20h内粘土层间金属与REE发生交换，稀土分配系数变化较大；20h以后能达到稳定的吸附／解吸平衡。因此本次研究采用的平衡时间为24h。3、pH分别为4.5和6.5时REE在苏州高岭土冰界面的分配能用Langmuir吸附等温线模拟和MINEQL＋软件表达。与静电吸附相对应，pH值越高REE最大吸附量越大。同时REE浓度的差异造成了REE分馏，总的趋势是REE含量越高，分馏越不明显。4、近中性（pH＝6.5）条件下不同阴离子的存在对REE在苏州高岭土／水界面分配和分馏的影响表明：随阴离子（Cl-、ClO4-、SO42-）含量升高REE吸附率降低，其中SO42-对REE吸附的影响最大，说明Na＋质量效应和阴离子配合的影响；同时由于不同阴离子与轻重R陇的络合差异所致，阴离子含量越高，轻重稀土的分馏越明显（La／Yb＝0.14-0.96），一般为阴离子含量的增加使得重稀土更多的被吸附，其中C1-和SO42+的影响最为明显。HCO3-虽然与REE有较强配合，但可能由于我们的HCO3-实验浓度低（＜0.0O25mol／L），在我们的实验结果中其对REE吸附和分馏的影响较小。5、由于不同pH和介质条件下，REE的络合形态分布不同，它们可以影响其在水／粒界面的分配。应用MINEQL＋模型，考虑REE的氢氧化物、碳酸盐和腐殖酸的影响，研究了REE的形态分布，结果表明fIA的存在对REE形态有很大影响：在HA不存在时，pH7-8间REECO3＋为主要的REEs形态，在更低和更高pH值，REE主要存在形式分别为REE加和REE（CO3）2-；而当HA存在时，在1）H值3-9，REEHA成为主要形态，在低pH（＜3）和高pH（＞9）时REE3+和REE（CO3）2-分别为主要形态。6、在较宽的pH范围HA能吸附在粘土上意味着在大多数含HA的天然水体中，粘土表面被HA覆盖。随H增加粘土对HA的吸附降低，反应了配位体交换或表面络合反应引起的专属吸附，其他如疏水性、、腐殖物质的溶解和HA的结构变化可能也影响了吸附。HA含量、矿物表面积和离子强度等理化条件对HA吸附会产生影响，从而影响HA对粘土表面的覆盖和接下来的粘土对REE的吸附。7、溶液介质条件对REE在粘土（Kga-1b和SWy-2）／水界面分配和分馏的影响表明：主要与静电相互作用、离子交换反应相对应，除低PH外，REE在高岭土上的吸附表现出弱的pH依赖性；而随pH增加REE在蒙脱土上的吸附呈下降趋势，显示交换反应为吸附过程的主要因素。在两种粘土中REE吸附均为随离子强度增加而降低，反应了Na质量效应。8、腐殖物质在粘土表面的吸附改变了吸附剂的属性。HA存在时REE在固液界面的分配反应了REEHA在固液界面的分配和HA在高岭土或蒙脱土／水界面上的分配，其他如静电吸附等机制也影响了吸附：在高岭土中，HA会增加低pH（＜4）吸附，随pH增加（＞5）HA会降低吸附。与此不同，在整个PH范围（3-10），HA的存在明显降低了REE在蒙脱土上的吸附。REE吸附在高岭土上随队含量增加是先增加后降低。而蒙脱土实验中，在低HA含量（＜5mg／L）处，RE阮吸附率与HA含量增加呈线性降低至几个百分比，而在高队含量处，REEs吸，附率无明显变化。这些清楚地说明水体环境中有机物的存在通常降低微量金属吸，附在微粒上，增加微量金属在水体中的溶解量，从而促进微量金属在水体环境中的长距离迁移。9、HA存在和不存在时，吸附／解吸过程中的REE分馏随pH或离子强度的变化都不明显，但由于REE系列与腐殖物质和矿物络合的差异，会随队含量的变化发生明显变化。通常溶液中高队含量增加了LREE在高岭土／蒙脱土上的吸附。这些结果是在HA存在时，微粒相上产生LREE富集的一个实验证实，也和大多数天然水体中的REEs分馏相一致。

中元古代昆阳群Fe-Cu-REE矿床地球化学研究-以武定迤纳厂矿床为例

稀土元素成矿与地壳的构造运动密切相关，稀土在中元古代具有大规模暴发性成矿特征。云南武定迤纳厂稀土铁铜矿床为昆阳群因民组出现稀土富集成矿的典型代表。本论文选择迤纳厂矿床为主要研究对象，系统研究矿床不同类型岩（矿）石和矿物的稀土元素地球化学特征，探讨富稀土的成矿流体、成矿物质来源和稀土元素成矿时代，揭示昆阳裂谷初期因民组稀土元素富集的地球化学机制。主要认识如下：1、迤纳厂矿床产于昆阳裂谷初期形成的禄丰一武定火山断陷盆地中。早中元古界昆阳群分布于绿汁江岩石圈断裂和小江一易门断裂的夹持地带，呈狭长状展布。迤纳厂矿床赋矿地层为昆阳群因民组上段的硅质白云岩和碱性火山岩（粗面安山岩）。矿体产出形态和矿石的结构构造等均显示矿体与赋矿地层同沉积特征；出现独立矿物氟碳饰矿、独居石及褐帘石，磷灰石、萤石、菱铁矿等矿物中也含有一定量的稀土，沿矿体走向和垂向稀土元素变化不大。2、矿体顶、底板围岩（石榴石黑云母片岩、钠长黑云母片岩等）的原岩为碱性火山岩（粗面安山岩），相对富集大离子亲石元素Ba、Cs、Rb、K、LRE日及贫Zr、Sr、Ti、Hf、HEE，为早元古代末期一中元古代早期交代富集地慢低程度部分熔融所形成的碱性火山岩。矿石稀土总量高（645-4443）×10-6，强烈富集轻稀土（（La/Tb）N＝17.3-81.1），稀土元素分布特征明显不同于矿区正常沉积的硅质白云岩和后期侵入的钠长石英斑岩及火山角砾岩，而与矿体顶、底板碱性火山岩中稀土元素配分特征基本一致，暗示稀土成矿物质来源与碱性火山岩有密切的关系；3、矿石中微量元素组合及变化特征与现代海底正在喷出的热液和热液沉积物中元素组合有较大的可比性，明显不同与火成碳酸岩型稀土矿床中的特征元素组合；在微量元素判别图解（Al-Fe-Mn、Fe／Ti-Al／（Al+Fe＋Mn）、U-Th、Y-P2O5等）中，逸纳厂矿石均投影在热水沉积区，矿石的Y／Ho值与黑烟囱值接近，表明成矿流体为高温、还原性质，稀土成矿可能以热水沉积作用方式为主；4、对矿石中主要矿物萤石、菱铁矿、磁铁矿、石英、方解石的稀土元素特征研究表明，矿石沉积时不同矿物中稀土元素分布特征基本相同，主要受成矿流体中稀土分布特征制约。而后期变质作用形成的矿物，其稀土元素分布主要受矿物晶体结构控制。同期成矿流体从早期到晚期（块状矿石→条带状矿石），轻重稀土分异变小，稀土总量增加，条带状矿石中稀土含量最高；矿石黄铜矿6345值变化在一任3％0到2g％。范围，显示慢源硫特征；菱铁矿6r3C（8％-9.1%）、δ18O（-11.17%-15.37）‰指示成矿流体具岩浆来源和有机质的脱梭酸分解作用参与；成矿流体中稀土元素可能主要以（RE（CO3）3F）4-、（既（CO3）3F2）、（RE（F，Cl万等形式迁移，当温度降低时沉淀出氟碳饰矿等稀土矿物；5、矿石和萤石单矿物 Sm-Nd等时线年龄分别为1621士110Ma和15：38士43Ma，与矿区碱性火山岩错石的U-Pb年龄1676Ma、因民组顶部石英正长斑岩的错石U-P1。年龄1685Ma基本一致，也与因民组地层年龄1765M。较为接近，反映成矿时代为早元古代晚期和中元古代早期：这一时间也与一早元古代晚期一中元古代早期昆阳裂谷初始裂陷阶段，大量来自于地幔的碱性火山岩喷发事件相吻合。矿石。Nd（t）:-2.87-3.60，萤石单矿物εNd（t）：-3.93-5.90，变化范围较窄并全为负值，接近0，指示源区为富集地幔。同时结合矿床形成的构造一地质环境及矿体产出的地质形态，认为逛纳厂稀土铁铜矿床可能是在昆阳裂谷初期，在碱性火山岩浆喷发的间歇期，来自地幔富稀土、挥发份的成矿流体由火山喷流一同生沉积方式形成的矿床。6、昆阳群因民组地层中出现的稀土富集、成矿与我国的白云鄂博稀土REE-Fe-Nb超大型矿一床和澳大利亚的olympic Dam Cu-U-Au-Ag-REE超大型矿床，在成矿时代、产出大地构造背景、成矿物质来源等方面具有较大的相似性，均体现成矿受控于中元古代1.5Ga超大陆聚合前或随后裂解初始阶段伴随的非造山型碱性岩浆或热液作用，稀土来源于超大陆拼合前因板块俯冲交代而形成的富集地幔。

HYDROTHERMAL REE FLUOROCARBONATE MINERALIZATION AT BARRA DO ITAPIRAPUA, A MULTIPLE STOCKWORK CARBONATITE, SOUTHERN BRAZIL

The Barra do Itapirapua ( BIT) carbonatites in southern Brazil belong to the final stages of the Early Cretaceous alkaline rock - carbonatite magmatism of the Ponta Grossa Arch Province. The BIT complex is a dyke and vein stockwork in which four main carbonatitic phases are recognized, mainly magnesiocarbonatites and ferrocarbonatites. These carbonatites are generally overprinted by pervasive hydrothermal events. The C-O stable isotopic data indicate re-equilibration under hydrothermal conditions at temperatures between 375 and 80 degrees C. Significant amounts of REE fluorocarbonate minerals, relatively Sr- and Th-rich, were deposited. Syntaxy between synchysite-(Ce) and parisite-(Ce) is very common owing to the similarity in structures, with alternating (001) layers of (CeF), (CO3) and (Ca). However, bastnasite-(Ce) occurs as individual crystals, overgrown by the synchysite and parisite polycrystals. Textural and chemical reactions between the REE fluorocarbonates provide insights into the mobility of rare-earth elements during fluid-rock interaction. The BIT complex is considered to be of potential economic interest for production of the rare-earth concentrates.

Major- and trace-element composition of REE-rich turkestanite from peralkaline granites of the Morro Redondo Complex, Graciosa Province, south Brazil

Turkestanite, a rare Th- and REE-bearing cyclosilicate in the ekanite-steacyite group was found in evolved peralkaline granites from the Morro Redondo Complex, south Brazil. It occurs with quartz, alkali feldspar and an unnamed Y-bearing silicate. Electron microprobe analysis indicates relatively homogeneous compositions with maximum ThO(2), Na(2)O and K(2)O contents of 22.4%, 2.93% and 3.15 wt.%, respectively, and significant REE(2)O(3) abundances (5.21 to 11.04 wt.%). The REE patterns show enrichment of LREE over HREE, a strong negative Eu anomaly and positive Ce anomaly, the latter in the most transformed crystals. Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry trace element patterns display considerable depletions in Nb, Zr, Hf, Ti and Li relative to whole-rock sample compositions. Observed compositional variations suggest the influence of coupled substitution mechanisms involving steacyite, a Na-dominant analogue of turkestanite, iraqite, a REE-bearing end-member in the ekanite-steacyite group, ekanite and some theoretical end-members. Turkestanite crystals were interpreted as having precipitated during post-magmatic stages in the presence of residual HFSE-rich fluids carrying Ca, the circulation of which was enhanced by deformational events.

Speciation and fractionation of Ca and the REE in fresh and marine waters

This study is concerned with speciation and fractionation of the rare earth elements (REE) and calcium (Ca) in aqueous solutions. The aim is to investigate the chemical states and physical sizes in which these elements can be present. The REE (including neodymium) and Ca have contrasting geochemical behavior in aqueous solutions. Ca is a major dissolved element, while the REE are trace components and highly reactive with aquatic particles. The major interests of the five papers included in this thesis are the following: · Papers I and V deal with the behavior of neodymium (Nd) and its isotopes in the Kalix River and some marine waters. · The diffusive gradients in thin-films (DGT) method is developed for measuring Ca and Mg in Paper II. · Paper III presents a speciation and fractionation study of Ca in the Kalix and Amazonian rivers. · The rare earth elements and their carrier phases are investigated in the Kalix river in Paper IV. For most elements a detailed study of speciation and fractionation can not be performed using only one method. This is due to the overall heterogeneity of the material, considering both size and chemical composition, which is present in aquatic solutions. During this project the aquatic geochemistry of the REE and Ca has been studied using mainly three methods; cross-flow filtration (CFF), field-flow fractionation (FFF) and diffusive gradients in thin-films (DGT). Field work has to a large part been conducted in the Kalix River, in northern Sweden, which is one of the last pristine river systems in Europe. Some field work has also been conducted in the Baltic Sea and the Arctic Ocean. Results from Amazonian rivers are also presented. These are the main conclusions from this work: The DGT technique works equally well for measuring Ca and Mg in natural waters as previously reported for trace metal. A significant colloidal phase for Ca could be detected in the Kalix River and in different Amazonian rivers. This was concluded independently using both CFF and FFF. Variations in REE signatures in the Kalix River suggests two different pathways for the REE during weathering and release form soil profiles and transport in the river. No significant variation in Nd-isotopic composition could be detected in the Kalix River although concentrations varied by a factor of ~10. This suggests that there is one major source for Nd in the river although different pathways for the REE may exist. A study of Nd in the Kalix River, the Baltic Sea and the Arctic Ocean showed that the isotopic compositions in the diffusible fractions were similar to water samples. However, the relative amount of diffusible Nd increased with salinity, probably reflecting the lower concentration of colloidal and particulate material in marine waters.