黏土矿物对海相磷块岩中稀土富集的控制作用
摘要
随着全球高科技产业的蓬勃发展, 稀土元素(REY)的市场需求爆发式增长. 近年来, 现代深海软泥中磷酸盐的REY资源(高达18000ppm)引起了广泛关注. 研究认为这些REY直接来源于深海沉积物孔隙水, 其过程涉及碎屑溶解将REY释放至孔隙水. 然而, 该模型是否适用于地质历史时期富REY的磷块岩尚不清楚, 这与普遍认为发生在海水-沉积物界面的铁氧化物氧化还原泵模型形成鲜明对比. 本文报道了华南早寒武世富REY的织金磷块岩(∑REY, ~2000ppm)和贫REY的梅树村磷块岩(∑REY, <400ppm)中黏土矿物的矿物学、REY地球化学特征以及全岩Si-Fe同位素组成(<italic>δ</italic><sup>30</sup>Si和<italic>δ</italic><sup>56</sup>Fe). 在织金样品中, 伊利石围绕白云母边缘形成, 并显示出类海水的REY配分模式. 相比之下, 梅树村样品中的白云母和正长石无接触关系, 其REY配分模式与花岗岩造岩矿物相似. 织金样品中白云母的REY含量(高达310ppm)远高于梅树村样品中的碎屑白云母(∑REY, 0.09~5.86ppm)和正长石(∑REY, 2.69~6.45ppm). 此外, 基于织金和梅树村样品中<italic>δ</italic><sup>30</sup>Si值与磷酸盐REY富集程度之间的关系, 可将数据分为两类: 一类具有较高的<italic>δ</italic><sup>30</sup>Si值(平均0.6‰)和Y/Ho比值(平均56), 但较低的SiO<sub>2</sub>和REY含量(均值分别为8.10%和1076ppm); 另一类则表现出较低的<italic>δ</italic><sup>30</sup>Si值(平均0.2‰)和Y/Ho比值(平均52), 但较高的SiO<sub>2</sub>和REY含量(均值分别为17.45%和2085ppm). 值得注意的是, 与形成于完全氧化海洋环境的梅树村磷块岩不同(<italic>δ</italic><sup>56</sup>Fe, ~0‰), 在波动的氧化-次氧化海洋条件下形成的织金磷块岩, 其<italic>δ</italic><sup>30</sup>Si和<italic>δ</italic><sup>56</sup>Fe值之间存在显著的负相关性. 这些发现表明, 在波动的氧化还原条件下, 织金磷块岩中的白云母与海水发生了REY交换, 导致REY释放到孔隙水中并促进了自生伊利石的形成, 而这一过程并未在梅树村磷块岩中出现. 众所周知, 大陆风化作用可将长石转化为富REY的白云母或伊利石. 当这些富REY黏土被搬运至海水-沉积物界面时, 在波动的氧化-次氧化海洋环境影响下发生溶解, 从而将REY释放到孔隙水中. 我们首次提出, 波动的海洋氧化还原条件是触发地质历史时期磷块岩中REY富集的“扳机”, 其REY主要来源于陆源富REY黏土. 这一认识不仅为磷块岩REY富集机制提供了新见解, 而且可以解释为何在仅考虑铁氧化物氧化还原过程的情况下, 那些沉淀了大量黄铁矿的磷块岩中缺乏异常的REY富集现象.