稀土元素地球化学

[外文]：geochemistry of rare earth elements

元素地球化学的一个研究领域。通过研究地质体中稀土元素的组成特点，来探讨岩石、矿床形成条件以及地球、月球、陨石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）。

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）在沉积岩中，以泥质岩石（如页岩）稀土含量较高，碳酸盐类（如石灰岩）稀土含量较低。

（3）稀土元素在地壳中的分布不均匀。太古宙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较低。

（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）：

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前寒武纪铁建造；

（5）铈富集型，富铈,分布曲线在铈处为一峰,如海洋中锰结核。上述5种类型中,由于铈组和钇组稀土含量的差异，又使分布曲线呈现向左倾斜或向右倾斜。此外，在海水、磷块岩和稀有金属花岗岩中还发现一种特殊分布类型──4重分布，每4个稀土元素（如镧、铈、 、钕；钷、钐、铕、钇；钇、铽、镝、钬；铒、铥、镱、镥）成一组，组成相似的凹形或凸形曲线。这种分布类型的形成，是水-岩石相互作用的结果,它对某些岩石的成岩和成岩后所遭受的各种变化的研究具有重要意义。

在自然界，稀土元素常形成独立矿物，共约 150种（包括亚种）。常见的工业矿物为独居石、磷钇矿、氟碳铈矿、褐钇铌矿、黑稀金矿、硅铍钇矿、易解石等。

稀土元素属于微量元素，它们在地球化学作用过程中的行为，可以用稀溶液定律（亨利定律）描述。当所处体系的成分、物理化学条件改变时，稀土元素的浓度常发生较大的甚至数量级的变化。因此，稀土元素的分布特点在成岩、成矿以及地球的形成与演化等方面都有重要应用。特别是近些年来不同体系中稀土元素分配系数的测定，各种定量模型理论的迅速发展，稀土元素的指示作用更显得重要。

（1）成岩成矿作用。幔型花岗岩相对富轻稀土、铕弱亏损而与壳型花岗岩类相区别。而壳型花岗岩类按其稀土组成特点又可划分为混合花岗岩、堇青石黑云母花岗岩、黑云母二长花岗岩、碱长花岗岩等亚类。根据长石、磷灰石中铕的分布资料，可以计算成岩的氧逸度。对岩石中稀土元素与其他微量元素组合特征的研究，可以探讨其形成的构造环境。

（2）同位素年代测定。根据钐-147衰变成钕-143，已成功地测得陨石和岩石的同位素年龄(见钐－钕法)。镥-铪法也发表了部分年龄数据。

（3）地球的形成和演化。对地壳不同时代（太古宙、元古宙到三叠纪）沉积岩中稀土元素组成的研究表明，地壳生长的均一化过程及其演化至少在15亿年前就开始了。太古宙的沉积岩铕无异常或正异常，而太古宙后的沉积岩铕为负异常，支持了地壳生长的两阶段模型。对前寒武纪铁建造中稀土组成的研究，论证了游离氧进入大气圈的时间。基于人们所公认的地球原始物质为球粒陨石成分的认识，通过对稀土元素在固相－液相（地幔相当于固相，地壳相当于液相）间分配特征的理论计算，讨论了地壳、地幔的形成机理。近年来根据对海底和大陆熔岩中钕同位素（钕-143、钕-144）组成以及各种地幔来源岩石稀土组成模式的研究，提出地幔是不均一的新理论。关于地幔双层结构模型的提出，改变了对地球内部结构的传统观念。

参考书目

涂光炽等编著：《地球化学》，上海科学技术出版社，上海，1984。

P.亨德森编，田丰施烺等译：《稀土元素地球化学》，地质出版社，北京，1989。(P. Henderson ed., Rare Earth Element Geochemistry, Elsevier,　Amsterdam,1984.)