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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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深海富稀土沉積物中鐵礦物控制的稀土富集機(jī)制：基于化學(xué)提取與鐵同位素研究
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劉琰、侯增謙等—GCA：深海富稀土沉積物中鐵礦物控制的稀土富集機(jī)制：基于化學(xué)提取與鐵同位素研究 發(fā)布時(shí)間：2025-12-18 稀土元素（REY）是支撐現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵金屬。自2011年日本學(xué)者在太平洋發(fā)現(xiàn)大量富稀土沉積物以來（總稀土含量可高達(dá)8000 ppm），深海稀土作為一種潛在戰(zhàn)略資源引起了全球廣泛關(guān)注。已有研究表明，鐵（氫）氧化物是深海沉積物中稀土元素的重要載體之一。但是，目前對(duì)不同形態(tài)含鐵礦物的來源及其在稀土富集過程中的具體作用機(jī)制認(rèn)識(shí)不清。 針對(duì)上述問題，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）博士生景云濤在深地探測(cè)與礦產(chǎn)勘查全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉琰研究員、侯增謙院士及西南大學(xué)趙萬蒼教授的指導(dǎo)下，對(duì)西太平洋兩處富稀土深海沉積物巖心中黏粒級(jí)組分進(jìn)行了分步化學(xué)提取和高精度鐵同位素分析，獲得以下重要認(rèn)識(shí)： 1.海水自生鐵沉淀是深海沉積物中稀土的重要“匯” 乙酸提取的吸附態(tài)鐵組分（Feaca）雖然含量很低，但其總稀土含量較高（ΣREY = 254-564 ppm），且稀土配分模式與海水極為相似。該組分的鐵同位素組成相對(duì)偏重（圖1，δ56Fe = +0.25‰ ～ +0.41‰），接近太平洋深層海水的δ56Fe值(~ +0.4‰)。這表明該鐵組分主要由附著在黏粒表面的納米級(jí)海水膠體鐵組成，并通過吸附或絡(luò)合方式從海水中富集了大量稀土元素。 鹽酸羥胺提取的無定形鐵（氫）氧化物（Feox1）貢獻(xiàn)了最高的總稀土含量（ΣREY = 818-2652 ppm），呈現(xiàn)出類似海水自生鐵沉淀的重稀土富集的特征；具有最低的鐵同位素組成（圖1，δ56Fe = –1.03‰～–0.50‰），與水成鐵錳結(jié)殼的δ56Fe值接近。由于海水中的膠體鐵往往富集較重的鐵同位素，這使得深海自生鐵礦物的鐵同位素組成偏輕。因此，鹽酸羥胺提取的無定形鐵組分主要為海水中自生沉淀的鐵（氧）氫氧化物，其形成過程中富集了大量海水來源的稀土元素，是深海沉積物中稀土元素的重要“匯”之一。 相比之下，結(jié)晶鐵氧化物（Feox2）、層狀硅酸鹽結(jié)合鐵（FeHCl）以及殘余鐵相（FeR）中的總稀土含量明顯偏低，具有類似東亞沙漠礦物粉塵的稀土配分模式。它們的鐵同位素組成逐漸變重（圖1，δ56Fe = +0.05‰ ～ +0.55‰），高于中國黃土（主要來源于東亞沙漠風(fēng)塵）的鐵同位素組成，且部分接近估算的風(fēng)塵礦物δ56Fe值。這一現(xiàn)象可歸因于風(fēng)塵在風(fēng)化過程中殘余鐵保留了偏重的鐵同位素，而進(jìn)入海洋后活性鐵組分中的鐵優(yōu)先溶解并釋放較輕的鐵同位素，導(dǎo)致最終深海沉積物中的殘留塵源鐵呈現(xiàn)較重的δ56Fe值。盡管這些殘留的塵源鐵相所含的稀土總量遠(yuǎn)低于海水自生鐵相，但塵源鐵作為深海沉積物的重要鐵源，具有稀土的潛力。 圖1 黏粒級(jí)沉積物經(jīng)順序化學(xué)提取后的δ56Fe值和總稀土含量 2.氧化-亞氧化的局部變化驅(qū)動(dòng)稀土元素再分配 研究區(qū)域孔隙水的主微量元素研究表明，取樣巖心整體處于氧化的沉積環(huán)境，但成巖過程中局部層位發(fā)生稀土元素的遷移和再分配，導(dǎo)致生物磷灰石從孔隙水中再次高效富集稀土，在此過程中不同形態(tài)鐵礦物經(jīng)歷怎樣過程仍不清晰。結(jié)合黏粒組分的V/Cr、U/Th比值以及無定形組分的V/Cr比值，推測(cè)深海沉積物中的鐵（氫）氧化物經(jīng)歷了局部較弱的還原性溶解（例如通過微生物異化鐵還原作用，DIR），導(dǎo)致Feox1組分中部分輕鐵同位素（54Fe）和稀土元素釋放到孔隙水中，以及Feaca組分中鐵同位素偏輕，稀土含量偏高；相比之下塵源鐵組分的鐵同位素和總稀土含量變化較小。因此，沉積物環(huán)境中氧化–亞氧化條件的局部變化能夠驅(qū)動(dòng)稀土元素在不同載體礦物之間的發(fā)生遷移和再分配。 圖2 黏粒級(jí)組分的V/Cr、U/Th值以及無定型鐵組分的V/Cr值和δ56Fe值 本研究通過順序化學(xué)提取結(jié)合鐵同位素分析，明確了不同形態(tài)含鐵礦物的來源（水成自生或者陸源碎屑）及其對(duì)深海沉積物稀土富集的相對(duì)貢獻(xiàn)，闡明了海洋鐵-稀土元素耦合富集的關(guān)鍵機(jī)制，有助于深化對(duì)深海稀土元素地球化學(xué)循環(huán)過程的認(rèn)識(shí)。 本研究由國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（42521002）、中國地質(zhì)科學(xué)院基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（JKYDM2025114）及包頭稀土研究院科研項(xiàng)目（2025Z2629）聯(lián)合資助。成果發(fā)表在國際地球化學(xué)權(quán)威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。 論文信息： Jing, Y.T., Liu, Y., Hou, Z.Q., Zhao, W.C. (2025). Mineral-specific iron control REY enrichment in deep-sea sediments: insights from sequential leaching and iron isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.021. |
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