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%）。基于無機條件的礦物溶解反應(yīng)熱力學(xué)計算結(jié)果指示著磷釔礦和獨居石在離子吸附型稀土礦床的風(fēng)化環(huán)境中無法被溶解（Li et al.,2022）。然而，近年來越來越多的研究報道了磷釔礦和獨居石的自然風(fēng)化現(xiàn)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虧損（Santana et al. 2015）。上述研究無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(qū)動力”的假設(shè)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展了模擬風(fēng)化實驗。實驗結(jié)果表明，在類天然風(fēng)化殼條件下，微生物能夠驅(qū)動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個數(shù)量級，總稀土元素溶解速率約10?13?10?12 mol·m?2·s?1。據(jù)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個數(shù)量級。此外，結(jié)合代謝組學(xué)分析和非生物溶解實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(diào)，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驅(qū)動抗風(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(yù)測與實地觀測結(jié)果之間的矛盾提供了可能的解釋，并為厘清離子吸附型稀土礦床成礦物質(zhì)的來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(yīng)條件下的稀土元素溶解量（Exp-Biow：非緩沖培養(yǎng)基+微生物+礦物；Exp-Control：非緩沖培養(yǎng)基+礦物；Buffered-Biow：緩沖培養(yǎng)基+微生物+礦物；Buffered-Control：緩沖培養(yǎng)基+礦物）。
圖2. 反應(yīng)結(jié)束時礦物表面的SEM-EDS分析結(jié)果。A-F：附著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(jié)果指示次生沉淀為稀土磷酸鹽。
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