基巖中的原生礦物風(fēng)化并向環(huán)境中釋放稀土元素是形成離子吸附型稀土礦床的先決條件。目前的研究認為離子態(tài)稀土主要來(lái)源于易風(fēng)化的含稀土礦物，而抗風(fēng)化能力較強的含稀土礦物的貢獻常常被忽視。這主要是因為即便在風(fēng)化殼淺層，仍能觀(guān)測到這些礦物的殘留。典型的抗風(fēng)化稀土磷酸鹽礦物獨居石和磷釔礦在離子吸附型稀土礦床的各類(lèi)成礦基巖中廣泛存在，且具有極高的稀土富集量（稀土氧化物平均含量約55%-60%）。基于無(wú)機條件的礦物溶解反應熱力學(xué)計算結果指示著(zhù)磷釔礦和獨居石在離子吸附型稀土礦床的風(fēng)化環(huán)境中無(wú)法被溶解（Li et al.,2022）。然而，近年來(lái)越來(lái)越多的研究報道了磷釔礦和獨居石的自然風(fēng)化現象，且這種風(fēng)化在花崗巖風(fēng)化殼的弱風(fēng)化層已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生（Kalintsev et al.,2021）。此外，與原生礦物相比，雖然風(fēng)化環(huán)境中的磷釔礦和獨居石顆粒形態(tài)未發(fā)生明顯改變，但其中的稀土元素卻顯著(zhù)虧損（Santana et al. 2015）。上述研究無(wú)疑為磷釔礦和獨居石中稀土元素的可遷移性增添了爭議。

為此，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員團隊基于其前期研究（He et al.,2023）提出“微生物是抗風(fēng)化稀土磷酸鹽礦物風(fēng)化的潛在驅動(dòng)力”的假設并利用離子吸附型稀土礦床風(fēng)化殼中的野生微生物菌株開(kāi)展了模擬風(fēng)化實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，在類(lèi)天然風(fēng)化殼條件下，微生物能夠驅動(dòng)磷釔礦和獨居石的溶解（圖1和2），稀土元素的溶解量被提升約2個(gè)數量級，總稀土元素溶解速率約10^?13?10^?12 mol·m^?2·s^?1。據估算，獨居石（～10^?9 g·m^?2·s^?1）的溶解速率約比磷釔礦（～10^?10 g·m^?2·s^?1）高1個(gè)數量級。此外，結合代謝組學(xué)分析和非生物溶解實(shí)驗該研究揭示了主要的微生物風(fēng)化機制包括酸解和絡(luò )合作用。微生物分泌的有機酸是重要的風(fēng)化介質(zhì)，其中酒石酸具有高效浸取稀土元素的潛能。該研究強調，微生物作用在風(fēng)化殼表層最為強烈，上部活躍的微生物活動(dòng)驅動(dòng)抗風(fēng)化稀土磷酸鹽礦物磷釔礦和獨居石的風(fēng)化溶解能夠為風(fēng)化殼中下部稀土元素的富集提供有效物源。該研究為關(guān)于磷釔礦和獨居石風(fēng)化的模擬預測與實(shí)地觀(guān)測結果之間的矛盾提供了可能的解釋?zhuān)槔迩咫x子吸附型稀土礦床成礦物質(zhì)的來(lái)源及全面認識稀土元素生物地球化學(xué)循環(huán)提供了重要啟示。

該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、廣東省科技計劃項和廣州市科技計劃項目的聯(lián)合資助。相關(guān)成果在線(xiàn)發(fā)表于Chemical Geology期刊。

論文信息：Yilin He (賀依琳),Lingya Ma (馬靈涯),Xiaoliang Liang (梁曉亮),Xurui Li (李旭銳),Jianxi Zhu (朱建喜),Hongping He (何宏平),2024. Resistant rare earth phosphates as possible sources of environmental dissolved rare earth elements: Insights from experimental bio-weathering of xenotime and monazite. Chemical Geology 661,122186.

論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254124002663

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參考文獻：

He,Y.,Ma,L.,Li,X.,Wang,H.,Liang,X.,Zhu,J.,He,H.,2023. Mobilization and fractionation of rare earth elements during experimental bio-weathering of granites. Geochim. Cosmochim. Acta 343,384-395. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703722006743

Kalintsev,A.,Brugger,J.,Etschmann,B.,Ram,R.,2021. An in situ,micro-scale investigation of inorganically and organically driven rare-earth remobilisation during weathering. Mineral. Mag. 85,105-116.

Li,M.Y.H.,Kwong,H.T.,Williams-Jones,A.E.,Zhou,M.-F.,2022. The thermodynamics of rare earth element liberation,mobilization and supergene enrichment during groundwater-regolith interaction. Geochim. Cosmochim. Acta. 330,258-277.

Santana,I.V.,Wall,F.,Botelho,N.F.,2015. Occurrence and behavior of monazite-(Ce) and xenotime-(Y) in detrital and saprolitic environments related to the Serra Dourada granite,Goiás/Tocantins State,Brazil: Potential for REE deposits. J. Geochem. Explor. 155,1-13.

圖1. 不同反應條件下的稀土元素溶解量（Exp-Biow：非緩沖培養基+微生物+礦物；Exp-Control：非緩沖培養基+礦物；Buffered-Biow：緩沖培養基+微生物+礦物；Buffered-Control：緩沖培養基+礦物）。

圖2. 反應結束時(shí)礦物表面的SEM-EDS分析結果。A-F：附著(zhù)在礦物表面的微生物及其分泌物和新形成的次生沉淀。G-I：能譜分析結果指示次生沉淀為稀土磷酸鹽。