【中山大学】中山大学在深海富稀土沉积物稀土元素富集机制方面取得新进展

    中山大学在深海富稀土沉积物稀土元素富集机制方面取得新进展

稀土元素具有卓越的光电磁性能，在军事、冶金工业、石油化工、玻璃陶瓷和新材料等方面有不可替代的应用价值。近几十年来，随着高科技电子产业和绿色能源技术的突飞猛进，陆地上稀土矿产被大量消耗。考虑到供应风险，许多国家开始在海洋探索新型的稀土资源。2011年，日本研究团队首次报道称：东南太平洋和中北太平洋的深海沉积物富集高含量的稀土元素且储量巨大，有望成为未来的稀土资源。随后各方开始加快深海稀土矿的勘探和研究。然而，目前关于深海沉积物中的稀土富集机制仍存在争议。

中山大学地球科学与工程学院孙晓明教授指导的一年级博士生廖健林等采用中北太平洋的深海沉积物样品对此开展研究，取得新进展。全岩地球化学分析数据表明稀土元素与磷酸钙存在强烈的正相关关系，指示磷灰石是一种重要的稀土赋存矿物。廖健林等从纳米地球化学的角度切入，探讨磷灰石在沉积过程中的稀土元素分布和富集特征。扫描电镜图像表明富集稀土的磷灰石大多数是海洋生物遗骸（图1），采用激光剥蚀与电感耦合等离子体质谱图联用（la-icp-ms）的面扫技术，生物质磷灰石内部的稀土元素分布情况得以呈现（图2），其分布特征暗示：稀土元素是在生物体之后由外而内扩散进入到磷灰石内部。利用目前技术最顶尖的球差矫正透射电镜（titan），得以在原子尺度直观呈现了磷灰石晶格中以取代机制赋存的稀土元素（图3）。

图1.生物质磷灰石的扫描电镜图像

图2.采用la-icp-ms面扫技术呈现生物质磷灰石的稀土分布特征

图3.球差矫正透射电镜（titan）揭示富稀土生物质磷灰石在原子尺度的矿物学和地球化学特征

论文研究结果显示：1.深海沉积物富集的ree主要来源于海水，稀土元素主要是以“扩散进入-取代赋存”的机制在生物质磷灰石中完成富集（图4），其取代模式为：ree3++na+↔2ca2+和/或ree3++si4+↔ca2++p5+。2.深海富稀土沉积物中ree赋存状态完全不同于陆地上、尤其是华南地区广泛存在的离子吸附型稀土矿床，因此需要全新的回收工艺。3.生物磷灰石在海洋沉积物成岩过程中会发生蚀变，因此在利用磷灰石进行古海洋环境重建时需要小心。

图4.生物质磷灰石的稀土富集机制模式图

本研究结果以廖健林为第一作者的论文发表在最新一期的地球化学领域权威学术期刊chemical geology上：jianlin liao,xiaoming sun*,dengfeng li,rina sa,yang lu,li xu,yuguan pan.2019,new insights into nanostructure and geochemistry of bioapatite in deep sea ree-rich sediments:la-icp-ms,tem,and z-contrast imagingstudies.chemical geology,512:58-68

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