近期，澳大利亞國立大學(xué)Michael Anenburg博士研究組通過活塞圓筒實(shí)驗(yàn)，在微觀尺度“重現(xiàn)”宏觀的成礦現(xiàn)象，并創(chuàng)新性地揭示了Si、Na、K對稀土運(yùn)移-成礦的重要控制作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，K和Na利于稀土在流體中遷移；K和Na可促進(jìn)輕/重稀土分異；Si的存在不利于稀土富集成礦。此次的工作對認(rèn)識稀土元素的熱液地球化學(xué)行為和稀土礦床的成因具有重要意義。
稀土元素具有優(yōu)良的光、電、磁等物理特性，已被廣泛應(yīng)用于國防軍工、清潔能源、信息技術(shù)等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟(jì)、國家安全和科技發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。因此，目前世界各國已紛紛加強(qiáng)稀土礦床的研究與勘查找礦工作。
據(jù)悉，全球超過60%的稀土資源來自于與碳酸巖相關(guān)的稀土礦床。該類礦床因具有規(guī)模大、品位高和放射性物質(zhì)含量低等特點(diǎn)，而備受礦床學(xué)家們的關(guān)注。碳酸巖由于經(jīng)歷了復(fù)雜的巖漿-熱液演化，因此稀土成礦與巖漿期后熱液活動密切相關(guān)，稀土在熱液中高效遷移是確保成礦的關(guān)鍵因素。
之前，大量工作研究了F-，Cl-，SO42-，CO32-等陰離子對稀土遷移行為的控制作用。盡管這些工作大大推進(jìn)了人們對稀土遷移規(guī)律的認(rèn)識，但仍不能解釋諸多稀土富集與成礦的現(xiàn)象。主要原因是自然界的熱液是多相復(fù)雜體系，而以往的工作主要關(guān)注稀土元素在單個(gè)陰離子流體體系中的遷移規(guī)律。而且，很多成礦的碳酸巖含硅富堿，但是尚沒有研究系統(tǒng)地評估硅和堿金屬元素對稀土遷移-富集行為的影響。
為了進(jìn)一步解釋諸多稀土富集與成礦的現(xiàn)象，Michael Anenburg研究團(tuán)隊(duì)共設(shè)計(jì)了IV組實(shí)驗(yàn)：第I組實(shí)驗(yàn)（CbX）初始物質(zhì)包括接近天然碳酸巖組分的碳酸鹽組合（CaCO3、MgCO3、FeCO3）、水（H2O）和少量氟化物（MgF2）、氯化物（MgCl2）、磷酸鹽（FePO4）、輕稀土元素La及重稀土元素Dy；第II (CbSi)、III (CbNa)和IV組(CbK)實(shí)驗(yàn)分別在第一組物質(zhì)基礎(chǔ)上加入SiO2，Na2CO3和K2CO3。第I組實(shí)驗(yàn)初始溫度和壓力為1050℃和2.5GPa，其他組別實(shí)驗(yàn)初始溫度和壓力分別為1200℃和1.5GPa。實(shí)驗(yàn)開始后，溫度和壓力在四天內(nèi)分別均勻下降至200℃和0.2GPa，然后淬火。第I組實(shí)驗(yàn)?zāi)M了貧硅貧堿碳酸巖的巖漿-熱液演化過程，第II、III、IV組實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)對比著重考察Si、Na、K對稀土運(yùn)移富集行為的影響。
結(jié)果顯示，每組實(shí)驗(yàn)均發(fā)育巖漿和熱液兩階段礦物。巖漿階段形成方解石、白云石、鐵白云石和磷灰石，第II組實(shí)驗(yàn)因富Si還形成大量硅酸鹽礦物。在上述巖漿礦物中，稀土主要賦存于磷灰石，其中第II組實(shí)驗(yàn)中磷灰石的稀土含量最高，局部形成鈰硅磷灰石。不同組別磷灰石中輕/重稀土的比例不同，第I和II組的磷灰石相對富集重稀土，而III和IV組的磷灰石相對富集輕稀土。在四組實(shí)驗(yàn)的熱液階段均形成稀土礦物或富稀土的物相。第I組實(shí)驗(yàn)主要發(fā)育氟碳鈰礦和獨(dú)居石。第II組實(shí)驗(yàn)主要形成氟碳鈰礦和未知稀土磷酸鹽礦物，由于巖漿階段稀土大量進(jìn)入到磷灰石，該組實(shí)驗(yàn)中熱液稀土礦物的比例明顯低于其他組別。第III組實(shí)驗(yàn)富稀土的熱液礦物主要為黃碳鍶鈉石族礦物，其核部相對富La，邊部相對富Dy。該組與I和II組實(shí)驗(yàn)的明顯區(qū)別是發(fā)育富稀土的淬火物相，該物相相對富集重稀土。第IV組實(shí)驗(yàn)未見稀土礦物，和第III組實(shí)驗(yàn)類似，發(fā)育大量富稀土淬火物相。該物相同樣富集重稀土，且其重稀土的富集程度比第III組淬火物相更高。
該實(shí)驗(yàn)工作率先揭示了熱液體系中的陽離子對稀土運(yùn)移富集行為的影響，對認(rèn)識稀土的成礦規(guī)律具有重要意義，相關(guān)成果發(fā)表于Science Advance。
