第四章 稀土元素地球化学

相山铀矿稀土元素地球化学特征
1定义
相山铀矿稀土元素，是一类具有金属特性的元素，包括稀有地球元素紫外线类、微量金属类和铀类等。

因为含量少且分布稀疏，因此也称为稀土元素。

2地球化学特征
相山铀矿稀土元素在地球上具有显著的地球化学特征。

它们在宇宙中和地球上的分布很不平衡，地壳中稀土元素含量比宇宙中要高很多。

稀土元素的原常大致可以分为三大类：1）少量的地壳中的常量；2）受到活动构造的地质流体以及溶岩流运移的核心稀土元素；3）由沉积形成的稠密、重晶石和疏松晶石中的核心稀土元素。

相山铀矿稀土元素具有明显的深层分布特征，在较深层低温地层中含量更高，而在深部复杂的地质岩石中含量更低。

稀土元素在不同的岩石中的比值有规律，岩石组成和富集对稀土元素比值也有一定影响。

稀土元素具有一定的时代特征，它们在以后的一定时期内在某一区域具有一定的变化特征。

3综合分析
相山铀矿稀土元素地球化学特征表明，它们之所以呈聚集态和稀疏态分布是由于外力（特别是物质能量交换）、物化热力作用（组成
岩浆的主要元素）以及构造作用的影响。

另外，良好的地质考察搭配适当的处理方法，有助于更好的识别相山铀矿的稀土元素的垂向成分及在流体活动中的运移转换，从而有利于隐蔽矿体的勘探和发现。

稀土元素地球化学原理及应用摘要:简单介绍了17种稀土元素，以及稀土元素地球化学的主要性质，稀土元素在自然界中的分异，稀土元素数据的整理方法和稀土元素的分配系数。

通过阐述稀土元素的这些地球化学原理引出稀土元素在在地球化学等各个方面的应用。

从而展望出稀土元素的重要性与发展空间。

关键词:稀土元素；地球化学；应用0 前言稀土一词是历史遗留下来的名称。

稀土元素（Rare Earth Element）是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。

稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土(Rare Earth，简称RE或R)。

稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。

通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土元素（铈组稀土），钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇称为重稀土元素（钇组稀土）。

也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。

周期系ⅢB族中原子序数为21、39和57～71的17种化学元素的统称。

其中原子序数为57～ 71的15种化学元素又统称为镧系元素。

1 稀土元素的主要性质（1）57—71号“镧系元素”属电子充填在第三层“4f型元素”,易失去6s25d1或6s24f1三个电子，呈三价，这十五个元素在自然界密切共生，成组成串进入矿物晶格。

Y是5周期过渡元素的起点，次外层d型充填，外电子排布为5s24d1 ，呈三价阳离子。

（2）二个变价元素及其形成条件：Eu4f7最稳定，它仅失去6s层上两个电= - 043伏特。

稀土元素地球化学通过研究地质体中稀土元素的组成特点，来探讨、形成条件以及、月球、等的形成和演化过程。

稀土元素(REE或TR)是指元素周期表中57号到71号的镧系元素和39号元素钇。

从镧到铕为铈组（轻稀土），从钆到镥及钇为钇组（重稀土）。

稀土元素在自然界的丰度和分布地壳中稀土元素的丰度为0.34～31ppm,总量为112ppm。

稀土元素在陨石、月球、地球各种岩石中的分布有如下规律。

①在岩浆岩中,从超基性岩→基性岩→中性岩→酸性岩→碱性岩,稀土元素总含量增加。

基性、超基性岩相对富含重稀土，酸性岩，尤其是碱性岩富含轻稀土。

②在中，以泥质岩石（如页岩）稀土含量最高，碳酸盐类（如）稀土含量最低。

③稀土元素在地壳中的分布不均匀。

地壳稀土组成相当于英云闪长岩，太古宙后地壳相当于花岗闪长岩。

大陆地壳稀土元素总量高，相对富轻稀土;大洋地壳稀土元素含量较低,相对富重稀土。

上地壳稀土元素含量高，相对富含轻稀土；下地壳稀土含量低，相对富含重稀土。

④地球的稀土元素丰度与球粒陨石相似，原始地幔的稀土元素含量约为普通球粒陨石的1.9～2.6倍。

⑤稀土元素在月表各种岩石中的含量相当于地球的3～10倍。

克里普岩（一种富钾、稀土和磷的岩石）稀土总含量达500ppm以上。

⑥球粒陨石稀土元素总含量为数个ppm,铁陨石稀土元素含量最低。

⑦河水、海水中稀土元素含量很低，总量低于1ppm，重稀土含量高于轻稀土。

稀土元素在自然样品中的分布特点可以用图解来表示。

将样品的稀土元素含量对球粒陨石标准化，取其对数值为纵坐标，以原子序数为横坐标作图，称为增田科里尔图解。

地球各种岩石的稀土元素分布形态绝大多数是两条直线性线段或一条完整的直线，即呈对数线性分布。

根据铕和铈的分布特征,可划分为5种类型（见图[稀土元素分布类型]）：①铕亏损型，铕呈负异常，分布曲线在铕处为一谷形，如花岗岩；②铕富集型，铕呈正异常,分布曲线在铕处为一峰,如斜长岩；③平坦型（或球粒陨石型），分布曲线为平滑直线，铕无异常，如大洋拉斑玄武岩；④铈亏损型,分布曲线在铈处为一谷,铈呈明显亏损，如海水，现代海洋沉积物及某些铁建造；⑤铈富集型，富铈,分布曲线在铈处为一峰,如海洋中锰结核。

沉积岩系稀土元素地球化学特征及勘探潜力评价研究沉积岩系是地球上广泛分布的一种岩石类型，在沉积作用过程中，其成分主要来自岩石风化、悬浮物、有机物质等，因此具有丰富的矿物质和化学元素组成，包括稀土元素。

稀土元素是一组稀有金属元素，具有重要的战略地位和经济价值。

因此，对沉积岩系中稀土元素地球化学特征及其勘探潜力进行评价研究具有重要的意义。

一、沉积岩系中稀土元素的地球化学特征沉积岩系中稀土元素的存在形式主要有三种，即吸附态、碳酸盐和矿物质。

其中，吸附态稀土元素主要与粘土矿物、有机质质量等物质赋存，此类稀土元素易被提取和富集。

碳酸盐形态的稀土元素以碳酸钙为主，这种形态的稀土元素受到沉积环境中溶解度、生物作用和有机物质的影响较大。

矿物质形态的稀土元素与各种矿物质结合形成稀土矿或稀土混合矿物，易被氧化还原作用影响。

在岩石圈内，沉积岩系中稀土元素的富集与物质来源、成岩作用有较大的关系。

例如，在弧后海盆层序中，以富Bazr元素干旱（BAR）、富铵质果皮（AN）相为主的沉积岩系为主，稀土元素富集在碳酸盐、铝硅质颗粒等成分中。

而在沉积抬升的地壳层中，由于沉积作用与火山作用相互作用，使得沉积岩中大量成分被溶解丢失，因此稀土元素含量较低。

二、沉积岩系中稀土元素的勘探潜力评价在勘探实践中，如何准确预测沉积岩系中的稀土元素含量和分布，是提高勘探效率和成本控制的关键问题。

1. 综合条件因素评价在勘探过程中，需要考虑沉积岩系中稀土元素含量的多个因素，包括成分来源、成矿作用、热流体作用、物质迁移和沉积环境等。

通过综合考虑这些因素，可以确立有利的勘探区域和方向。

2. 地球物理勘探技术物探技术是现代勘探领域中最重要的技术手段之一，其中地球物理勘探技术尤为重要，可以对沉积岩系中稀土元素的空间分布进行评价。

常见的物探技术包括重力法、电法、电磁法、磁法、地震法等，可以通过物探数据的反演，提取沉积岩系中的稀土元素丰度信息。

3. 地球化学勘探技术地球化学勘探技术是利用化学方法对沉积岩系中稀土元素含量进行测量和分析，根据岩石的化学成分特征，推断该区域的稀土元素赋存形态和分布规律。

烧变岩岩石学及稀土元素地球化学特征烧变岩是一种由于高温、高压、流体交代及变质作用等过程形成的岩石，它们的特征在于具有高温熔融特性和韧性。

在地球的物质循环与地质历史演化中，烧变岩的形成和演化具有很重要的地质学意义。

在岩石学上，烧变岩主要分为两类：角闪石-石榴子石烧变岩和角闪石-辉石烧变岩。

前者的主要成分是角闪石和石榴子石，后者的主要成分是角闪石和辉石。

烧变岩不仅具有变质岩纹理和结构，而且具有岩浆岩特征，即显微结构中包括了富含大量熔体的晶体与空隙。

其中的熔体主要来源于烧变反应中氧化、还原和脱水等反应，这些反应可以产生大量的流体，这些流体在高温高压下会溶解一些地球化学元素和稀土元素。

稀土元素是地球化学中一类十分重要的成份，在地球内部和表层都十分常见。

可以在烧变岩中很好地富集并呈现出一些典型的地球化学特征。

多研究显示，形成烧变岩的各种因素对其中稀土元素特征的影响是重要的，具体表现在不同岩石类型中不同的元素富集和亏损程度，不同结构、成分的岩石具有不同的稀土元素特征。

各类烧变岩的稀土元素特征差异很大，角闪石-石榴子石烧变岩中业主稀土元素分布呈现冷硼矿化特征，重稀土元素富集，而轻稀土元素亏损；角闪石-辉石烧变岩中则具有典型的二阶段岩石形成模式，重稀土元素富集。

对于烧变岩的稀土元素来源，研究表明：在角闪石-石榴子石烧变岩中，固相-液相反应是重要的稀土元素来源，而在角闪石-辉石烧变岩中，流体的富集移动是稀土元素未相主要的来源。

此外，烧变岩的稀土元素富集过程还受到局部成分和载体体系的控制，例如氧气逸度、流体的反应性等等，这些因素可以影响稀土元素的分配和富集规律。

总之，烧变岩是一种由高温、高压、流体交代、变质作用等过程形成的岩石，它具有特殊的皆岩特征和熔体性质。

烧变岩主要分为两类：角闪石-石榴子石烧变岩和角闪石-辉石烧变岩。

稀土元素在烧变岩的地球化学特征中表现出十分重要的地位，但不同成分的燧变岩种、不同成因发展阶段烧变岩层仍然存在显著的特征差异。

表中数据为山东济南辉长岩、沂南花岗岩7件样品的REE组成(ppm)1，用球粒陨石值对样品的REE组成进行标准化，作其分配模式图，对图件中表达的地球化学特征进行说明；2，计算各样品的Eu/Eu*，并对其地球化学意义进行说明；,3，假设辉长岩中造岩矿物的组成为：CPX45%，PL35%，OL20%。

结合课件中提供的REE在矿物和熔体间的分配系数，计算与辉长岩平衡的熔体的REE组成，并作REE配分模式图。

解答：1，如下表1-1为常用球粒陨石和原始地幔稀土元素组成，我采用C1 球粒陨石数据（Sun & McDonough,1989）对样品的REE进行标准化，得到了下表1-2，再根据对样品REE标准化的数据进行作样品的分配模式图，得到了图1-1表1-1表1-2图1-1通过对样品配分模式图进行分析可知道，沂南花岗岩样品中富集轻稀土元素而亏损重稀土元素，这与花岗岩的成分岩性有一定关系，花岗岩为酸性岩，主要矿物为长石、石英和云母，而这矿物主要富集轻稀土元素，并且从图中可以看出Eu的负异常，说明在岩浆结晶形成花岗岩之前就有长石结晶出来，使岩浆呈Eu 的负异常。

济南辉长岩的样品配分模式图表现出来的富集轻稀土元素没有沂南花岗岩样品那么显著，富集程度较低，这也与辉长岩的岩性成分有关，辉长岩中主要矿物为辉石和长石，长石富集轻稀土元素较为显著，而辉石相对较富集重稀土元素，但程度不是很显著，所以岩石总体表现较为富集轻稀土元素，但程度不是那么显著。

并且从图中可以看出Eu的正异常，只是不是很显著，说明长石结晶出来使岩石呈Eu的正异常。

2，Eu/Eu*=2×Eu/(Sm+Gd)(其中Eu、Sm、Gd都是为球粒陨石标准化值)，根据这个求出各样品中的Eu/Eu*，如下表1-3：表1-3由上表中的Eu/Eu*值可知山东济南的辉长岩为Eu的正异常，说明在岩浆结晶时，长石和辉石先结晶出去形成辉长岩，而长石中富集Eu元素，所以在辉长岩中Eu为正异常，而后期岩浆因长石的结晶分异而呈Eu的负异常，并且逐渐向酸性过渡，结晶形成酸性岩。

一、实习目的由于稀土元素的原子结构、原子半径、离子半径及化合价的相似性，导致它们在自然界中常常紧密共生在一起。

因镧系收缩的缘故，使得稀土元素的离子半径从La→Lu逐渐减小，于是在岩浆过程中，这些元素在固相和液相间的分配呈现出明显的规律性变化。

Ce和Eu在自然界具有变价（Ce4+、Eu2+）的特征，Ce 和Eu的相对富集与亏损程度往往反映了特殊的地质背景。

本次实习要求掌握稀土元素的计算和作图方法，理解稀土元素的富集程度、分馏程度的地质意义，掌握Eu的亏损与富集的地质背景。

二、实习内容某地区的岩浆岩种类极为发育（表1—１和表1—２），请画出各岩类的稀土配分曲线图、结合稀土元素参数进行地质过程分析。

两种方法所得到的稀土元素参数表1—1 岩浆岩稀土元素成分表（×10-6）注：１－橄榄苏长岩，２－钾长花岗岩，３－H型花岗岩，４－A型花岗岩，５－石英闪长岩(M型花岗岩)。

稀土元素由某单位等离子光谱方法分析。

表1—2 岩浆岩稀土元素成分表（×10-6）注：表中数据由中子活化方法分析一、基本原理稀土元素通常指的是镧系元素的(La 、Ce 、Pr 、Nd 、Pm 、Sm 、Eu 、Gd 、Tb 、Dy 、Ho 、Er 、Tm 、Yb 、Lu ，其中Pm 在自然界无天然同位素)，由于稀土元素的原子结构、原子半径、离子半径（RE 3+变化于0.86Å—1.14Å）及化合价的相似性使得它们在自然界往往紧密共生。

因镧系收缩造成稀土元素的离子半径从La →Lu 逐渐减小，Ce 和Eu 在自然界具有变价（Ce 4+、Eu 2+）的特征，以及介质（岩石、土壤、矿物等）的不同而引起稀土元素在自然界的分离。

为便于研究稀土元素在某介质中的分配型式，必须排除“偶数规则”的影响，最常用的方法是利用球粒陨石丰度值对稀土元素进行标准化。

这里向大家推荐W.V .Boynton(1984)提出的球粒陨石丰度值（×10-6）：La 0.31；Ce 0.808；Pr 0.122；Nd 0.6；Sm 0.195；Eu 0.0735；Gd 0.259；Tb 0.047；Dy 0.322；Ho 0.0718；Er 0.21；Tm 0.0324；Yb 0.209；Lu 0.0322。