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深海富稀土沉积物中铁矿物控制的稀土富集机制：基于化学提取与铁同位素研究
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刘琰、侯增谦等—GCA：深海富稀土沉积物中铁矿物控制的稀土富集机制：基于化学提取与铁同位素研究 发布时间：2025-12-18 稀土元素（REY）是支撑现代高科技产业的关键金属。自2011年日本学者在太平洋发现大量富稀土沉积物以来（总稀土含量可高达8000 ppm），深海稀土作为一种潜在战略资源引起了全球广泛关注。已有研究表明，铁（氢）氧化物是深海沉积物中稀土元素的重要载体之一。但是，目前对不同形态含铁矿物的来源及其在稀土富集过程中的具体作用机制认识不清。 针对上述问题，中国地质大学（北京）博士生景云涛在深地探测与矿产勘查全国重点实验室刘琰研究员、侯增谦院士及西南大学赵万苍教授的指导下，对西太平洋两处富稀土深海沉积物岩心中黏粒级组分进行了分步化学提取和高精度铁同位素分析，获得以下重要认识： 1.海水自生铁沉淀是深海沉积物中稀土的重要“汇” 乙酸提取的吸附态铁组分（Feaca）虽然含量很低，但其总稀土含量较高（ΣREY = 254-564 ppm），且稀土配分模式与海水极为相似。该组分的铁同位素组成相对偏重（图1，δ56Fe = +0.25‰ ～ +0.41‰），接近太平洋深层海水的δ56Fe值(~ +0.4‰)。这表明该铁组分主要由附着在黏粒表面的纳米级海水胶体铁组成，并通过吸附或络合方式从海水中富集了大量稀土元素。 盐酸羟胺提取的无定形铁（氢）氧化物（Feox1）贡献了最高的总稀土含量（ΣREY = 818-2652 ppm），呈现出类似海水自生铁沉淀的重稀土富集的特征；具有最低的铁同位素组成（图1，δ56Fe = –1.03‰～–0.50‰），与水成铁锰结壳的δ56Fe值接近。由于海水中的胶体铁往往富集较重的铁同位素，这使得深海自生铁矿物的铁同位素组成偏轻。因此，盐酸羟胺提取的无定形铁组分主要为海水中自生沉淀的铁（氧）氢氧化物，其形成过程中富集了大量海水来源的稀土元素，是深海沉积物中稀土元素的重要“汇”之一。 相比之下，结晶铁氧化物（Feox2）、层状硅酸盐结合铁（FeHCl）以及残余铁相（FeR）中的总稀土含量明显偏低，具有类似东亚沙漠矿物粉尘的稀土配分模式。它们的铁同位素组成逐渐变重（图1，δ56Fe = +0.05‰ ～ +0.55‰），高于中国黄土（主要来源于东亚沙漠风尘）的铁同位素组成，且部分接近估算的风尘矿物δ56Fe值。这一现象可归因于风尘在风化过程中残余铁保留了偏重的铁同位素，而进入海洋后活性铁组分中的铁优先溶解并释放较轻的铁同位素，导致最终深海沉积物中的残留尘源铁呈现较重的δ56Fe值。尽管这些残留的尘源铁相所含的稀土总量远低于海水自生铁相，但尘源铁作为深海沉积物的重要铁源，具有稀土的潜力。 图1 黏粒级沉积物经顺序化学提取后的δ56Fe值和总稀土含量 2.氧化-亚氧化的局部变化驱动稀土元素再分配 研究区域孔隙水的主微量元素研究表明，取样岩心整体处于氧化的沉积环境，但成岩过程中局部层位发生稀土元素的迁移和再分配，导致生物磷灰石从孔隙水中再次高效富集稀土，在此过程中不同形态铁矿物经历怎样过程仍不清晰。结合黏粒组分的V/Cr、U/Th比值以及无定形组分的V/Cr比值，推测深海沉积物中的铁（氢）氧化物经历了局部较弱的还原性溶解（例如通过微生物异化铁还原作用，DIR），导致Feox1组分中部分轻铁同位素（54Fe）和稀土元素释放到孔隙水中，以及Feaca组分中铁同位素偏轻，稀土含量偏高；相比之下尘源铁组分的铁同位素和总稀土含量变化较小。因此，沉积物环境中氧化–亚氧化条件的局部变化能够驱动稀土元素在不同载体矿物之间的发生迁移和再分配。 图2 黏粒级组分的V/Cr、U/Th值以及无定型铁组分的V/Cr值和δ56Fe值 本研究通过顺序化学提取结合铁同位素分析，明确了不同形态含铁矿物的来源（水成自生或者陆源碎屑）及其对深海沉积物稀土富集的相对贡献，阐明了海洋铁-稀土元素耦合富集的关键机制，有助于深化对深海稀土元素地球化学循环过程的认识。 本研究由国家自然科学基金重点项目（42521002）、中国地质科学院基础科研业务费项目（JKYDM2025114）及包头稀土研究院科研项目（2025Z2629）联合资助。成果发表在国际地球化学权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。 论文信息： 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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