离子型稀土矿地球化学特征与物性研究

离子型稀土矿地球化学特征与物性研究导读：
离子型稀土矿是中国重要的战略关键金属资源，江西省是中国离子型稀土矿产资源最重要产区。

随着国家对稀土资源的需求增大，中国南方很多省份都积极开展离子型稀土矿床勘查，并在安徽、四川高纬度地区和云南高海拔地区等地取得了找矿成果。

分析典型地区稀土矿床成矿地质条件和气候条件，总结稀土矿床地球化学特征、矿石理化性质及元素分布规律对指导全国稀土矿床勘查开发具有重要意义。

本文在国家自然科学基金和江西省青年井冈学者奖励计划等项目资助下，以江西赣州离子型稀土矿为研究对象，开展了矿床地球化学特征与物性特征等研究，结果表明江西赣州地处亚热带丘陵地带，气候特征与地质板块运动使得稀土元素能以离子形态在风化壳花岗岩中富集，并迁移吸附于高岭石、伊利石、埃洛石等黏土矿物表面，形成轻、重稀土元素分异规律明显且富钇特征显著的中重型稀土矿床。

沿矿体垂直方向，稀土元素含量呈上贫中富下贫的分布规律，以全风化层含量最高，矿床类型为浅伏式。

针对原地浸矿提取开采方式，研究指出：稀土矿石比重大、含水率高，采用原地浸矿浸取稀土时注液井深度应尽量控制在全风化层，并适当添加防膨剂以缓解矿物膨胀现象，避免堵塞渗流
孔隙；因矿体渗透性差，矿石粒径分布以粗、细粒为主，溶浸过程极易发生微细粒迁移现象，原地浸矿时应调控浸出剂的流速、浓度、粘度及水力梯度等参数，并添加促渗剂对矿物表面进行润湿，以改善矿物表面的亲水性，从而提高离子型稀土的浸出效率。

研究成果不仅为离子型稀土矿的绿色高效提取提供理论基础和依据，也为其它地区稀土矿产资源勘查评价提供了重要参考。

------内容提纲------
1 成矿条件及地质背景
1.1 离子型稀土矿成矿条件
1.1.1 岩石构造条件
1.1.2 酸碱性条件
1.2 区域地理概况
2 研究试样的采取及测试分析
2.1 试样的采取
2.2 测试方案
2.2.1 试样的比重
2.2.2 试样的含水率
2.2.3 试样的粒度组成
2.2.4 试样的粒度组成
3 结果与讨论
3.1 离子型稀土矿地球化学特征
3.2 矿体垂向上稀土含量分布特征
3.3 矿体垂向上比重变化特征
3.4 矿体垂向上含水率变化特征
3.5 矿石粒度组成及与稀土含量变化的关系
3.6 表土层、全风化层、半风化层的渗透系数的测定
4 结论
0 引言
离子型稀土矿是中国重要的战略关键金属矿产资源，主要分布在江西、广东、湖南等南方7省，以江西赣州最为典型，储量最为丰富，稀土元素配分也最为齐全，矿石中富含全球紧缺的中重稀土元素，且放射性比度低、综合利用价值高，现已成为国内外广泛关注的焦点，目前已被中国列为限制开采和保护的稀有战略资源。

从离子型稀土矿不同时期的地质构造运动、稀土元素丰度、风化壳花岗岩成岩原因和特征等方面研究发现，离子型稀土矿是富含稀土的原岩矿床经风化作用后，稀土元素在淋滤作用下发生迁移，最后吸附于风化壳中下部的黏土矿物表面，形成独具吸附特征的离子型稀土矿床。

这种独特的成矿方式使得离子型稀土矿存在与其他矿物具有显著差异的矿物学特征。

目前，国内外学者针对离子型稀土矿的开发利用，从稀土元素的微观赋存机制、原地浸矿工艺优化、浸出剂种类的筛选、浸出过程参数调控和渗流过程动力学模型构建及应用等方面开展
了大量的理论与实践研究，为原地溶浸稀土提供了良好的理论和应用指导。

但已有研究多侧重于原地浸矿过程工艺参数优化和浸出渗流过程调控，对稀土元素地球化学特征和物性研究不足，忽略了矿体中不同部位稀土元素的自然分布规律和分异特征，没有将稀土矿石比重、含水率、孔隙结构和渗透性随矿体垂向变化规律与原地浸矿过程调控和生产指导相结合，难以揭示原生矿体的理化性质和稀土赋存特征的关系，从而影响了原地浸矿效率的提高，也限制了稀土资源的高效利用。

因此开展离子型稀土矿地球化学特征、稀土元素分布规律及矿石理化性质的研究，对发展原地浸矿技术、提高矿石物性特征对稀土原地浸矿过程的指导具有重要的意义。

本文以江西赣州离子型稀土矿为研究对象，从矿床成矿条件和区域地理位置角度，研究离子型稀土矿成矿特征，并进一步探索稀土元素分布规律和矿石比重、粒度、含水率、渗透性等物性特征，建立元素富集规律与矿石物性特征的关联，为离子型稀土矿的绿色高效提取提供理论基础和依据。

1 成矿条件及地质背景
1.1 离子型稀土矿成矿条件
1.1.1 岩石构造条件
稀土氧化物在成矿母岩中的含量水平决定了稀土元素能否迁移富集，而不同岩石中离子型稀土的丰度极不均匀，构造运动
使得岩体不断受到挤压，同时每期的构造运动都伴随着大量岩浆、水、腐蚀酸和其他有机质的侵入，造成母岩风化程度得以不断加重，使得母岩中稀土元素含量随地质构造运动时间的推移而不断提高，因此风化程度较高的风化花岗岩和火山岩风化壳是该类稀土矿床的主要含矿岩石。

1.1.2 酸碱性条件
风化壳的酸碱度是影响稀土元素在风化壳母岩上富集的重要因素。

在弱酸条件下时，母岩中稀土氧化物总量可达到0.02%以上，稀土元素与弱酸根阴离子形成络合物的难易程度由镧到镥逐渐增强，在水介质的作用下经迁移、分异变化，中重稀土元素更易在风化壳有利部位形成次生富集。

因此当风化壳的酸碱度呈弱酸性时，最有利于稀土元素从母岩至风化壳的迁移富集。

1.1.3 地形气候条件
离子型稀土矿主要分布在地势低缓和水系发育的热带或亚热带低矮丘陵地带，这一地区气候常年湿热、年降水量丰沛、植被茂盛，促进了岩体的物理、化学和生物风化作用，有利于有机酸的积累；同时岩体经常性受雨水的冲刷，使得稀土元素更易于从黏土矿物上解吸。

在冲刷作用影响下，弱酸性水介质不断向岩
体内部渗透，风化作用由表层向内部不断进行，为形成较大的面型风化壳创造了有利条件。

通常情况下，山脊形成的风化壳面积和厚度最大，稀土元素品位最高。

1.2 区域地理概况
江西赣州地区气候具有四季分明、光热充足、降水丰沛等特点，是典型的亚热带红壤酸性土地。

赣州位于武夷山脉、南岭山脉与罗霄山脉的交汇地带（华南造山带加里东隆起区地质构造板块内），水系发育良好，河流中含有大量的弱酸根离子HCO3-地貌以低缓丘陵地形为主。

赣南地区从远古至今历经多期板块构造运动并在不同方向上形成了褶皱与断裂带，加里东运动形成东西向褶皱及与其相应的断裂；印支运动产生了以南北向为主的褶皱；燕山期运动以北东和北北东向断裂发育为特征，形成一系列断陷盆地和断裂带。

多期的板块构造运动形成了多个成矿带和矿区，受到板块构造运动的影响，赣南地区离子型稀土矿床主要以北东走向和东西走向分布，其中以东西方向上的三南（龙南、定南、全南）-寻乌成矿区最为具有代表性。

赣州离子型稀土成矿母岩主要为风化花岗岩，岩石中化学成分以SiO2为主，离子型稀土主要吸附在高岭石、伊利石、埃洛石等黏土矿物上，其稀土元素丰度达到200x10-6~500x10-6，高于南
邻地区花岗岩稀土丰度平均水平。

由于一般情况下原岩的稀土丰度越高越有利于稀土矿床的形成，所以相比其他省份和地区，江西赣州的离子型稀土矿床更具有得天独厚的成矿条件及优势。

2 研究试样的采取及测试分析
2.1 试样的采取
试样采样点位于江西省赣州市离子型稀土矿区（图1），为保证试样的代表性和测试数据的可靠性，选取了赣州龙南县、全南县和定南县3个典型离子型稀土矿区进行采样，按采样垂向间距1m进行表土层、全风化层和半风化层的分层采集，每个采样点采集10个试样，单个试样重1kg，共采集30个试样进行测试分析。

图1 取样矿区示意图
2.2 测试方案
采集的样品用四分法进行预处理，不同编号的试样取部分送至国家钨与稀土产品质量监督检验中心进行稀土总量和配分的测试分析，其余在江西省矿业工程重点实验室进行矿石比重、含水率、渗透系数等物性特征研究。

2.1.1 试样的比重
采用比重瓶法，分别从每个样品中称取经缩分成粉末状(-0.074占95%以上)干重为G1的试样，同时称出装满水的比重瓶重量G2；称出装满试样和水的比重瓶重量G3，根据公式p=G(G1+G2-G3)计算得出比重结果。

2.1.2 试样的含水率
采用干湿差重法，从每个样品中称取湿重为M i的试样，烘干后得到干重为M2，根据公式η=［(M i-M2)/M1］x100%计算得出含水率。

2.1.3 试样的粒度组成
取同一采样点不同深度的干样分别混在一起后混匀缩分，用孔径为2.00，1.25，0.56和0.15mm的圆形振动筛进行筛分、称重。

2.1.4 试样的渗透系数
采用变水头试验法，分别测试表土层、全风化层、半风化层的渗透系数。

3 结果与讨论
3.1 离子型稀土矿地球化学特征
试样化学多元素分析结果见表1，X射线衍射(XRD)分析结果如图2。

稀土元素配分分析采用Boynton球粒陨石标准化法，分析结果见表2。

表1 试样化学多元素分析结果
图2 试样XRD测试结果
表2 试样中稀土元素配分分析结果
试样中主要组成为Al203和SiO2，其次为K2O和TFe，主要赋
存于长石、石英、高岭石、伊利石、埃洛石等矿物中。

原矿试样风化严重，稀土元素以离子相形态赋存于黏土矿物中，其离子相稀土含量为260X10-6。

试样中稀土元素的总量(SREE)范围为371X10-6~531x10-6，平均值为447X10-6，远高于以离子相赋存的稀土元素的含量，其主要原因是部分稀土元素仍以矿物相或类质同象取代的形式赋存于黏土矿物中。

SLREE/SHREE在一定程度上可以反映轻、重稀土元素的赋存情况，同时对判断分异情况也具有一定的指示作用。

在检测的3组试样中SLREE/SHREE的变化范围为1.79~1.95，平均值为1.85，说明中重稀土元素较为富集。

(La/Yb)既能反应稀土元素的分异程度，也能判断配分曲线的斜率大小，数值越大则轻重稀土元素分异更加明显。

试样中(La/Yb)N比值为20.76~30.46，平均值为25.73，说明试样轻重稀土元素分异明显。

稀土元素球粒陨石标准化图(图3)表明，轻重稀土元素各自内部之间存在一定的分异情况轻稀土元素曲线较陡，重稀土元素曲线较为平缓说明轻稀土元素间分异明显而重稀土元素之间分异较弱，同时由图可得知所有测试样品中均存在Ce的强负异常，Eu存在中等负异常。

Ce的最外层电子结构为4f15d16s2，根据洪特规则Ce3+的电子结构4f1不稳定，易再失去一个电子形成稳定的4f0，在矿物相中Ce4+大多以CeO2或氟碳铈矿物相存在，胶态中以Ce(OH)4为主要存在形式，因此离子相中Ce4+含量较少，体
现出典型的稀土配分的Ce亏效应，整体呈强烈的负异常；SEu 的变化范围不大，约为0.4，呈现中等负异常，其原因可能是Eu3+长期处于还原状态而还原为Eu2+迁移流失。

图3 稀土元素球粒陨石标准化模式图
3.2 矿体垂向上稀土含量分布特征
风化壳在垂直剖面上可依次分为表土层、全风化层、半风化层和基岩。

表土层厚度一般在0~3m，全风化层为2~15m，半风化层为2~5m，在半风化层底部以下为基岩，因其风化作用极弱，几乎没有稀土元素的富集。

在垂向上稀土元素主要呈现为上贫、中富、下贫的分布规律，因此稀土元素主要富集在全风化层中，其品位是原岩的数倍，且具有重稀土元素含量大于轻稀土元素含量的特点。

本次试验研究了离子相稀土含量在不同矿体垂向上的
分布特征，结果如图4所示。

图4 稀土含量在矿体垂向上的分布特征由图4可知，稀土元素品位呈先上升后下降的趋势，稀土矿床在深度5m左右稀土品位达到峰值，属于典型的浅伏式稀土矿床。

表土层中含有大量Fe(OH)3・nH2O，使得层间酸性过强，黏土矿物易发生聚团和电荷中和，在这种酸性环境下稀土阳离子随水介质不断渗透迁移而使矿层贫化。

全风化层中主要由大量黏土矿物组成，层间显弱酸性且在全风化层中K2O含量减少，有利于稀土阳离子在溶液中的沉淀，并在合适位置富集成矿。

受自身性质的影响，部分稀土阳离子在水介质的作用下继续向深处迁移至半风化层，因环境的改变加之半风化层中黏土矿物的急剧减少，从而减弱了对稀土离子的吸附能力，相比全风化层稀土元素更加
难以富集。

3.3 矿体垂向上比重变化特征
研究了矿石比重在不同矿体垂向上的变化特征，结果如图5所示。

图5 矿石比重在矿体垂向上的变化规律试样比重总体呈现随深度增加而先增大后减小的趋势，全风化层的比重高于其他矿层。

在风化壳中，表土层一般由大量植物根茎残骸、石英碎块和少量黏土组成，结构疏松，因此比重较小；全风化层主要由伊利石、埃洛石等黏土矿物和石英组成，多孔易碎，母岩花岗结构得以保存，由于黏土矿物的吸附作用使得稀土富集在其中，加之全风化层具有显著的分馏效应，稀土离子随地下水迁移富集时发生了分馏，呈现了轻稀土主要分布在上层而中
重稀土分布在底层，因此该矿层底层的比重较大；半风化层由少量黏土矿物组成，石英相对较多，化学风化作用较弱，其顶部可形成一定的稀土矿体但品位较低，因此在原地浸出时注井深度应尽量控制在全风化层的中下部。

3.4 矿体垂向上含水率变化特征
离子型稀土矿中的稀土离子有75%~85%是以水合离子或羟基水合离子吸附在黏土矿物上，矿物中包含吸附水、结构水和层间水。

由图6可知，含水率的变化与比重变化规律相似，均呈现先升高后降低的趋势，全风化层的试样保水率更高，含水率明显高于其他带层。

全风化层由大量黏土矿物组成，黏土矿物具有很强的亲水性，矿物表面极易吸附水分子，使得表面形成水化膜，晶格间距不断增大从而产生水化膨胀效应。

水化膨胀效应是实现黏土中离子交换的重要前提，只有阳离子迁移至黏土水化膜层间时才有可能发生阳离子交换。

同时矿物的含水率是影响溶浸过程的重要因素，黏土矿物吸水后，矿石表面和内部存在大量的结合水和层间自由水，颗粒之间的静电吸附力、孔隙率、表面张力也随含水率的变化而改变，从而影响颗粒的迁移。

在原地浸矿过程中，适当增加防膨剂能够显著缓解因黏土矿物吸水后层间胶物溶解而产生的矿物膨胀现象，从而避免堵塞渗流孔隙。

图6 矿石含水率在矿体垂向上的变化规律
3.5 矿石粒度组成及与稀土含量变化的关系
本次试验对所采取的3个典型离子型稀土矿综合样进行了矿物
组成、粒度分布及稀土含量分析研究，发现试样均主要由长石、石英、高岭石、伊利石、埃洛石等矿物组成，但不同粒级中矿物的含量和稀土品位存在显著差异，其分析结果见表3。

表3 试样粒级分布及稀土元素含量
试样在+2，-2~+1.25，-1.25~+0.56，-0.56~+0.15和-0.15mm 的粒级中，质量分布呈现粗、细粒级占比较均匀的特点，中间粒级矿石占比较小。

不同粒级稀土含量也存在一定差异，-0.15mm 的细粒级稀土含量普遍高于其他粒级，主要原因是黏土矿物含量
高，且细粒级矿物表面能越大，吸附活性中心多，对稀土离子吸附能力强。

矿体微细粒级黏土矿物含量较高，导致在原地浸矿过程中电解质溶液在矿体中的渗透效果不佳，适当添加促渗剂能够对矿物表面进行润湿，改善矿物表面的亲水性，减小渗流阻力增强渗流效果，从而提高稀土的浸出效率。

3.6表土层、全风化层、半风化层的渗透系数的测定
渗透系数又称水力传导系数，它是表征在同性介质中单位水力梯度下的单位流量，反应了流体通过孔隙的难易程度，渗透系数越大，液体渗透入固体介质的能力就越强。

影响矿层渗透系数大小的因素主要有矿体孔隙结构、含水率、比重等。

渗透系数是判断稀土原地浸矿效率的重要参数之一，矿层的渗透性不仅决定着浸出液在矿体中的渗流迁移，而且影响着稀土离子的交换效率和浸出率。

本次试验采用变换水头法，经多次试验获得矿体表土层的渗透系数为0.303m・d-1，全风化层为0.12m-d-1，半风化层为0.226m-d-1，结果表明表土层渗透性最好，全风化层渗透性最弱，半风化层居中。

在全风化层中，稀土元素主要赋存在微细粒黏土矿物中，颗粒间的桥式胶结因离子吸附交换过程中存在多种作用力与分散作用而容易发生断裂，在原地溶浸过程中微细颗粒在浸出液的拉拽力作用下容易发生迁移运动，从而使微细颗粒在孔隙通道重新排列并在孔喉处沉淀堵塞，影响矿体的孔隙率和渗透系数，降低原地浸矿浸出液的渗流和传质效率。

为避免微细颗
粒的大量迁移而造成渗流孔隙的堵塞，在原地浸矿过程中应控制浸出剂的流速、浓度、粘度、水力梯度等参数，改变浸出剂与矿物颗粒之间的表面力，从而提升浸出剂阳离子与稀土离子的交换效率。

4 结论
1．江西赣州地处亚热带丘陵地带，四季冷暖分明、降水丰沛，土壤中有机酸含量丰富，酸性水介质不断向岩体内部渗透，同时历经多期地质板块构造运动，岩浆岩随构造运动不断侵入，使得母岩风化程度较高，形成了较大块的风化壳花岗岩，为稀土的富集创造了有利的气候和地质条件。

2．江西赣州离子型稀土矿是以高岭石、伊利石、埃洛石等黏土矿物为主要载体，以重稀土元素钇为主要富集，轻、重稀土元素分异特征明显的中重型稀土矿。

稀土元素含量在垂向上呈现上贫中富下贫的分布规律，全风化层是稀土元素的富集层，矿床类型为典型的浅伏式矿床，因此采用原地浸矿浸取稀土时注液井深度应尽量控制在全风化层。

3．江西赣州离子型稀土矿比重大、含水率高，适当增加防膨剂能缓解黏土矿物吸水后层间胶物溶解而产生的矿物膨胀现象，避免堵塞渗流孔隙。

矿体整体渗透性较差，矿石粒径分布以粗、细粒为主，中间粒级占比小，细粒级矿石中黏土矿物含量高、比表面能大，对稀土元素吸附能力强，溶浸过程极易发生微细粒
迁移现象，原地浸矿过程中应控制浸出剂的流速、浓度、粘度及水力梯度等参数，以调控浸出剂与矿物颗粒之间的表面张力，并适当添加促渗剂对矿物表面进行润湿，改善矿物表面的亲水性，减小渗流阻力增强渗流效果，从而提高离子型稀土的浸出效率。