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陇把稀土矿稀土元素地球化学行为及其富集规律探讨论文

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  关键词:稀土矿;稀土元素;地球化学行为

  稀土是一类具有特殊物理化学特性的元素,并且在地学、生产等多个领域都有广泛的应用前景。稀土元素地壳中含量很少,但是在很多矿物、岩石中都扮演着重要的角色。稀土在很多新兴的产业中有着广泛的用途。研究稀土元素的地球化学行为以及富集规律是实现稀土资源高效开发的关键。但是,由于稀土元素的地球化学行为以及富集规律非常复杂,因此,成为地学领域的研究热点与难点。陇把稀土矿处于印度板块与欧亚板块俯冲带东侧的滨太平洋构造域。这一区域的地质活动频繁,为稀土元素的富集提供了有利条件。

陇把稀土矿稀土元素地球化学行为及其富集规律探讨论文

  1陇把地质背景

  陇把稀土矿位于云南省西部横断山脉南段,在高黎贡山南沿位置。隶属于云南省德宏傣族景颇族自治州陇川县陇把镇、城子镇。从整体地势来看,呈现出西南低北东高的有向南西、南东倾斜之势,陇把稀土矿主要分布在户撒坝子与陇川坝子分水岭南东坡斜坡、缓坡部位,整体地形地貌不够平缓,起伏较大。这一地区最高的山峰位于分水岭中段,海拔2050m,最低点位于调查区东南方的南盘江出口处,海拔900m,海拔相差高度为1150m,属于中山中切割地形地貌,地势多为10°~35°,部分地区为45°以上陡崖区。该地区属于南亚热带季风型,冬季以干暖西南风为主,夏季多为湿热气流,干湿较为分明,雨量充沛,空间分布不均匀。5月~9月是雨季,10月~次年4月是干燥季节。由于这一区域地势起伏很大,所以具有明显的垂直立体气候特征,在1500m以上的区域,年平均温度为14.5℃,年均降水量2000mm~2300mm,蒸发量为1100mm~1600mm;海拔标高1500m以下的地方,气候较为湿润,平均温度为19.5℃,最高点35.7℃,最低点0.7℃,年降水量1651.70mm,极值1959.8mm,蒸发量1682mm;全年日照2316h,日照时数14kcal/cm;年均湿度80%,风向偏西南,平均风速每秒1.5m。

  2陇把稀土矿稀土元素地球化学行为

  2.1稀土元素的含量与分布

  稀土元素含量在整个陇把稀土矿中占据着较大的比例,并且分布广泛。通过对陇把稀土矿岩体进行了大量的取样检测与分析,结果表明,该区岩体中稀土元素含量普遍偏高,而且不同岩性的稀土元素也有一定的差别。在这些岩体中,以花岗岩为主,稀土元素含量较高。花岗岩是一类富含硅、铝、铁以及钙等多种化学元素的岩石,其形成时期经历了大量的岩浆活动及结晶分异,导致稀土元素含量显著增加。另外,花岗岩中稀土元素多为离子态,易被地下水溶蚀、运移,这也是花岗岩高稀土元素易运移的重要原因。而在沉积岩、变质岩中,稀土元素的含量则比较低。沉积岩是由风化剥蚀和搬运而成,这也是造成稀土元素含量少的主要原因。变质岩则是在高温高压条件下形成的,由于变质作用而产生的岩体中,稀土元素的含量也比较低。这可能是由于沉积岩、变质岩的形成环境及过程所致。同时,陇把稀土矿的稀土元素也存在不均一性。

  2.2稀土元素的赋存状态

  稀土元素存在多种形态,主要以独居石和氟碳铈矿为主。它们是由岩浆的结晶和分凝作用而成,是稀土元素富集的重要载体。陇把稀土矿床同样以独居石型、氟碳型铈矿为主,经岩浆熔离、结晶分异等多种方式富集,形成了稀土元素的赋存形态。在长期的历史演变中,它们发生了多阶段的迁移、富集,从而构成了该区丰富的稀土资源。其次,同质异象也是稀土元素存在的一种重要形态。在矿物的晶体结构中,稀土能取代一些矿物的阳离子,例如硅酸盐矿物中的Fe2+、Mg2+等。这样的赋存形态使稀土元素能够稳定地存在于矿物的晶格结构中,不容易迁移、分散。陇把稀土矿中,角闪石和绿泥石等硅酸盐矿物中普遍含有类质同象,且稀土元素以类质同像为主。另外,陇把稀土矿石中也含有一定数量的吸附型稀土。在一定的条件下,稀土能以物理吸附和离子交换的形式存在于矿物的表层和裂缝中。这一现象往往与其表面特性及外界条件密切相关。陇把稀土矿经长期成岩、风化等因素影响,其某些矿物表面已生成吸附态稀土。

  2.3稀土元素的迁移与分散

  陇把稀土矿床的地质结构、水文地质条件等对稀土元素的运移与弥散具有重要的作用。地质构造作用引起地层变形、断层等,为地下水的运移与扩散提供了一条通道。陇把稀土矿区内,复杂的褶皱、断层结构为地下水体的运移及稀土元素的富集创造了有利的环境。地下水的存在对稀土元素分异有很大影响。地下水在运移过程中,与地层中的各种矿物质发生作用,使其溶于水,并将其携出,从而产生富稀土的地下水。陇把稀土矿开采区的地下水主要来源于天然降水和冰雪融水,在迁移过程中,与地层中的矿物作用,使其具有较高的稀土元素含量。在一定的条件下,这些稀土元素会发生二次富集,进而对稀土元素的分配与富集产生一定的影响。

  2.4稀土元素的地球化学特征

  稀土元素的地球化学特点是轻稀土富集、正Ce异常和Eu异常等。轻稀土所包含的元素众多,如La、Ce、Pr、Nd等,并且广泛分布于地球上,但是在不同的岩体中含量存在很大差异。陇把稀土矿床中轻稀土元素含量偏高,其成因可能是由于岩浆演化的分异所致。岩浆分异是指在岩浆活动中,由于温度、压力等因素的改变,导致各成分在岩浆中的分离富集。在此过程中,轻稀土易与硅酸盐矿物共析出,生成富重稀土的矿物。其次,陇把稀土矿床的Ce异常也是一项重要的元素地球化学指标。Ce异常为Ce在稀土中的含量显著高于其他元素。陇把稀土矿石中Ce含量偏高,其原因是岩浆残留液中Ce的大量富集。残留岩浆液中Ce的含量很高,这可能是由于其蒸汽压力小、溶解度高所致。另外,Ce也有可能与一些矿物相生成稳定的化合物,从而使它们在残留的岩浆液中更加富集。Eu异常也是本区岩石的重要特征。Eu异常是Eu比其他稀土元素低的一种现象。陇把稀土矿床中Eu含量偏低,其原因可能是由于沉积岩及变质岩中Eu的缺乏所致。沉积岩、变质岩中Eu的亏损,很可能是由于其独特的化学成分,使得Eu在其中的保存能力相对较差。

  3陇把稀土矿稀土元素富集规律

  3.1水文地质条件的制约

  陇把稀土矿地层中存在着大量的地下水,并且和地层之间产生了交互作用。地下水能与地层中的多种矿物质发生作用,使其溶解并携带稀土。这类反应一般有离子交换、溶解以及沉淀等。如蒙脱土、高岭岩等矿物对稀土有较强的吸附能力,然后在地下水的作用下将其解吸,形成含稀土元素的地下水。在一定的条件下,地下水中的稀土元素会在一定的地质条件下沉淀,从而产生二次富集。当地下水流速度减慢,水压改变,或者遇到合适的矿物质混合时,就会出现富集情况。比如,当地下水进入相对封闭的流域,或者遇到合适的沉积环境,就有可能使稀土在沉积物中富集。地下水的流向及流速是影响稀土元素运移、富集的主要因素。该地区地下水环境复杂,水位波动大,为稀土元素的富集提供了多种可能。同时,区域内的地质结构及岩浆作用对地下水的形成与演变有重要的影响,进而对稀土元素富集产生重要影响。

  3.2岩浆活动对稀土元素富集的影响

  在地质学的研究中,岩浆是一种熔融的岩石,其形成场所为地球内部。在岩浆经冷却、晶化过程中,其稀土元素会以单体或类质同象方式被富集。在陇把一带,由于岩浆作用,稀土元素具有较高的富集能力。由于岩浆在降温过程中经历了结晶分异,易使轻稀土元素达到饱和态,进而生成独居石、氟碳铈等富稀土矿物。它们多发生于岩浆演化后期,经历了漫长的地质演化,逐渐富集。因此岩浆对稀土元素的富集起着重要的作用。在岩浆的结晶和演化过程中,由于其密度和熔点等因素的不同,导致了不同的矿物或成分的分离和富集。因此,陇把地区特殊的岩浆岩中的轻稀土元素含量较高,是其成因的重要原因。另外,不同的岩浆作用对稀土元素的分配与富集也有一定的影响。在岩浆作用初期,稀土元素可能以类质同像的方式赋存于硅酸盐矿物中;但到了后期,伴随着降温及岩浆分异增强,富稀土矿物如独居石、氟碳铈矿等逐渐生成并富集。

  3.3构造运动对稀土元素富集的贡献

  构造活动的产生主要是由地壳内的应力所引起的,构造活动可以导致地壳的隆起、沉降、破裂等现象,进而对地表地貌及地层结构造成显著的影响。陇把稀土矿床是由构造活动改造而成的。构造活动产生的断裂,为稀土元素的运移提供了通道,这些断层、裂缝为地下水的运移提供了便利,更加有利于稀土元素的运移。陇把一带断裂相互交错,为稀土元素的富集创造了良好的条件。除此之外,构造活动也为矿床的形成提供了有利的成矿空间。在挤压条件下,断裂附近的岩体经过变形、再结晶,产生一系列层状、透镜状、囊状等储矿结构。这一特殊的构造环境,为稀土元素的富集创造了有利的空间条件。在陇把一带,某些特殊的岩石和岩石往往是稀土元素富集的场所,这种富集与区域构造活动的特点有很大关系。

  3.4成矿作用对稀土元素富集的影响

  矿床的形成是一个由地下水和热液构成的复杂的流体体系。其中以稀土为主,多为含大量的离子及可溶性物质。在成矿流体对围岩进行交代的过程中,热液中的稀土元素会被溶出,在有利的物理化学条件下富集。交代作用是指在一定条件下,岩石中的矿物组分被含矿流体所取代或充填,进而影响其化学组成。成矿物质来源为残留岩浆液,在岩浆的演化中,有一部分残留的岩浆液脱离了岩浆,成为成矿流体。其中富含镧、铈等轻稀土元素,在合适的温压条件下可通过析出、晶化等方式生成矿物。在成矿过程中,大量富稀土矿物逐渐累积、富集,并最终形成了一批具工业应用价值的稀土矿床。在成矿过程中,不同的矿物组合及不同的岩石类型,为稀土元素的富集创造了良好的条件。稀土元素的吸附、沉淀与富集与矿物组合、岩石类型有关。如黏土、硅酸盐、碳酸盐等矿物对稀土有很强的吸附能力,能富集更多的稀土。然而,某些富挥发性岩石(如火山岩、泥质岩等)因其特殊的矿物组分及化学组成,同样具有富集稀土元素的优势。

  4陇把稀土矿稀土元素的开发及利用

  4.1开发利用现状

  目前,陇把稀土矿的稀土资源主要是通过露天采矿、矿物加工等方法获得。露天采矿作为一种常用的方式,具有低成本、高效率和高产量等优势。矿山开采时,一般采用机械铲、液压铲等大型机械设备来进行开采。该设备可实现大范围剥岩,速度快,精度高,开采效率高。矿石经粉碎、磨、选等工艺处理后,可获得含稀土的矿石。粉碎、磨碎是矿山开采中的一个重要步骤,它将矿物粉碎为细粒,然后用球磨机粉碎,以利于下一步的分选。分选就是利用各种矿物之间的物理特性差别,实现矿物的分选。传统的选矿方法是通过重力分选、浮选、磁选等手段,利用各矿物之间的密度差异或磁性、表面润湿性等差异,实现对特定矿物的富集。

  4.2开发利用方式

  萃取是指从矿物中提炼出稀土的一种方法。化学萃取是指在矿物中加入稀土,使之与矿物发生化学反应,使之溶出。常用的化学浸出法有酸浸出法和碱法浸出法。酸浸法是先将原矿中的稀土溶出,再经酸性、温度等条件调控,将其析出为氢复盐。碱浸取是利用碱法将矿物中的稀土溶出,再经沉淀和结晶得到。物理萃取是指利用矿物与稀土之间的物理特性的不同,从而实现矿物的有效分离。常用的物理方法是浮选、磁选等。浮选是基于矿物与稀土的比重及表面特性的不同,采用泡沫浮选的方式,将稀土富集于泡沫内,然后回收泡沫,获得富含稀土的富稀土矿物。而磁选就是利用稀土的弱磁特性,通过磁场进行分选。分离就是对萃取后的稀土进行分离提纯。净化就是对已分离出的稀土进行进一步净化。这个过程一般是用化学或者物理方法。化学提纯是指利用稀土元素间的化学特性不同,通过化学反应将其分离。常用的化学提纯方法有沉淀法、结晶法等。物理提纯的方法有蒸馏和升华法。蒸馏法是利用不同的稀土在蒸气态下的沸点差异,对其进行加热,使其分离。

  4.3开发利用前景

  世界各国对稀土的需求呈逐年上升趋势。究其原因,主要是因为稀土在高新技术中的应用日益广泛。近年来,稀土在磁性材料、发光材料以及催化剂等方面的研究都有了很大的突破,对稀土的需求量也随之不断增长。尤其是在新能源汽车、风电以及节能照明等领域,对稀土的需求也一直呈增长趋势。其次,陇把稀土矿具有较高的储量,是国家的一个重要稀土矿产资源基地。加强陇把稀土资源的开发与利用,提升其提取率与纯度,既能满足国内市场的需要,又能有力地支持国家稀土工业的发展。在此基础上,开展陇把稀土资源的绿色、高效、可持续发展,进而促进国家资源合理分配、行业结构调整以及提升行业竞争力。

  另外,陇把稀土矿中的稀土资源同时也为环境友好以及可持续发展提供了有利条件。随着环保意识的不断增强以及可持续发展思想的深入人心,如何兼顾资源利用与环保,已成为众多企业、科研院所关注的焦点。陇把稀土矿中的稀土元素的开发利用,能够运用绿色开采技术,降低对环境造成的损害与污染,同时,还可以通过回收和废弃物处理等方式,达到最大限度地利用资源,推动经济与环境的协调发展。

  5结语

  对陇把稀土矿的稀土元素地球化学行为及其富集规律进行深入研究具有重要的科学意义和应用价值。通过综合运用地质学、地球化学、矿物学等多学科的方法和手段,能够更好地了解该地区稀土元素的分布和富集规律,为陇把稀土矿稀土资源的可持续利用提供科学依据。在未来的研究中,还需要关注稀土资源开发对生态环境的影响,提出合理的保护和利用方案。通过这些研究工作,我们可以更好地实现稀土资源的可持续利用,推动稀土产业的健康发展。

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