第四章稀土元素地球化学

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1、第四章、稀土元素沉积地球化学 稀土元素沉积地球化学在地球化学中占据很重要的地位，这是由稀土元素以下 四个优点所决定的： 1. 他们是性质极相似的地球化学元素组，在地质、地球化学作用（沉积地球 化）过程中作为一个整体而活动-集体观念强； 2. 他们的分馏作用能灵敏地反映地质（包括沉积地质）、地球化学过程的性 质-指示功能强； 3. 稀土元素除受岩浆熔融作用外，其它地质作用基本上不破坏它的整体组成 的稳定性-应变能力强； 4. 他们在地壳岩石中分布较广-广泛性;第四章、稀土元素沉积地球化学 1.什么是稀土元素： 以往由于分析技术水平低，误认为他们在地壳中很稀少，另外它们一般发现于富集的风化壳上 ，

2、呈土状，故名稀土。实际上稀土并不稀，REE （稀土元素）的地壳丰度为0.017%，其中Ce、La 、Nd的丰度比W、Sn、Mo、Pb、Co还高。中国 是稀土大国，我国的稀土矿尤为丰富 。 我国内蒙白云鄂博稀土矿 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 稀土元素的电子构型和原子、离子半径 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 表5.3作为标准的球粒陨石和“北美页岩组合样”的REE丰度 第四章、稀土元素沉积地球化学 稀土元素在地壳中的分配 1.超基性岩基性岩中性岩酸性岩碱性岩：REE是逐渐增加的；稀土元素在地壳中的分配 从地幔到地壳： REE增加了20多倍

3、，Ce/Y增加了三倍多； 地幔、超基性岩、基 性岩中Y占优势，随着分异，陆壳及酸性岩、碱性岩以Ce占优势；2.15个稀土元素在地壳中： 明显呈现出偶数元素高于相邻奇数元素的丰度（奇偶效应）的现象，为了便于对比研究，需消除奇偶效应 ，数据需进行标准化处理，即将岩石、矿物中某稀土元素含量除以球 粒陨石的含量，例如La玄武岩/La球粒陨石 = 7.28/0.32 = 22.75； 第四章、稀土元素沉积地球化学 表5.4稀土元素在自然界的分布（单位ppm，据Webepohl等） 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 4.各类地质体对稀土含量及配分模式

4、控制的差别： 处于不同构造环境的大洋拉斑玄武岩高铝玄武岩大陆拉斑玄武岩 ，具有不同的稀土型式：在图解上大洋拉斑玄武岩是一条较为平坦的 线，大陆拉斑玄武岩是富集轻稀土的右倾斜线，而富铝玄武岩处于过 渡状态。 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 稀土含量及分布的控制因素：第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 第四章、稀土元素沉积地球化学 二、稀土资源及储备状况 由于稀土元素性质活跃，使它成为亲石元素 ，地壳中还没有发现它的天然金属或硫化物，最常 见的是以复杂氧化物、含水或无水硅酸盐、含水或 无水磷酸盐、磷硅酸盐、氟碳酸盐以

5、及氟化物等形 式存在。由于稀土元素的离子半径、氧化态和所有 其它元素都近似，因此在矿物中它们常与其它元素 一起共生。 我国稀土资源占世界稀土资源的80%，以氧化 物(REO)计达3600万吨，远景储量实际是1亿吨。第四章、稀土元素沉积地球化学 我国稀土资源分南北两大块。 北方：轻稀土资源，集中在包头白云鄂博特 等地，以后在四川冕宁又有发现。主要含镧、铈 、镨、钕和少量钐、铕、钆等元素； 南方：中重稀土资源，分布在江西、广东、 广西、福建、湖南等省，以罕见的离子态赋存与 花岗岩风化壳层中，主要含钐、铕、钆、铽、镝 、钬、铒、铥、镱、镥、钇和镧、钕等元素。第四章、稀土元素沉积地球化学 我国的稀土工

6、业也分为南北两大生产体系：北方以包钢稀土高科公司和甘肃稀土公司为轴心，构成了以包头 稀土资源为主，四川资源为辅的轻稀土产品生产体系。骨干企业有核 工业202厂、包头鹿西罗纳稀土有限公司、包头市和发稀土厂、包头 市稀土冶炼厂、哈尔滨稀土材料厂、四川稀土材料厂、四川什邡吉大 化工厂、安宁河稀土冶炼厂等。主要产品有稀土精矿、稀土硅铁合金 、混合稀土化合物、富集物、混合金属等。稀土精矿的生产能力和处 理、加工能力达50 000吨(REO氧化物计算)。南方以上海跃龙有色金属有限公司为龙头，构成了以江西、广东 两省离子型稀土资源为主的中重稀土生产体系。骨干企业有广州珠江 冶炼厂、广东阳江稀土厂、江苏新威集

7、团、江苏溧阳方正稀土总厂、 江阴加华稀土冶炼厂、江苏江飞稀土冶炼厂、江西龙南稀土公司、江 西寻乌稀土公司、江西省稀土公司、江西核工业713矿等。主要产品 为各种高纯单一稀土化合物和金属、富集物、混合金属和合金。分离 总规模已超过 10000吨，并开始大规模加工分离北方轻稀土原料。第四章、稀土元素沉积地球化学 目前稀土元素的应用蓬勃发展，已扩展到科学技术 的各个方面，尤其现代一些新型功能性材料的研制和应 用，稀土元素已成为不可缺少的原料。 1、稀土元素在传统产业领域中应用 农业领域：目前发展有稀土农学、稀土土壤学、稀 土植物生理学、稀土卫生毒理学和稀土微量分析学等学 科。稀土作为植物的生长、生理

8、调节剂，对农作物具有 增产、改善品质和抗逆性三大特征；同时稀土属低毒物 质，对人畜无害，对环境无污染；合理使用稀土，可使 农作物增强抗旱、抗涝和抗倒伏能力。当前我国农田施 用稀土面积达50007000万亩/年，为国家增产粮、棉、 豆、油、糖等68亿公斤，直接经济效益为1015亿元 ，年消费稀土11001200吨。第四章、稀土元素沉积地球化学 冶金工业领域：稀土在冶金工业中应用量很大，约 占稀土总用量的1/3。稀土元素容易与氧和硫生成高熔点 且在高温下塑性很小的氧化物、硫化物以及硫氧化合物 等，钢水中加入稀土，可起脱硫脱氧改变夹杂物形态作 用，改善钢的常、低温韧性、断裂性、减少某些钢的热 脆性并

9、能改善加热工性和焊接件的牢固性。 稀土在铸铁中作为石墨球化剂、形核剂核对有害元 素的控制剂，提高铸件质量，对铸件的机械性能有很大 改善，主要用于钢锭模、轧锟、铸管和异型件四个方面 。 在有色合金方面应用，对以有色金属为基的各种合 金都有良好的作用，改善合金的物理和机械性能。应用 最多的使铝、镁、铜三个系列。第四章、稀土元素沉积地球化学 石油化工领域：稀土用于石油裂化工业中的稀土分子 筛裂化催化剂，特点是活性高、选择性好、汽油的生产率 高。稀土在这方面的用量很大。 玻璃工业领域：稀土在玻璃工业中有三个应用：玻璃 着色、玻璃脱色和制备特种性能的玻璃。用于玻璃着色的 稀土氧化物有钕(粉红色并带有紫色

10、光泽)、镨玻璃为绿色 (制造滤光片)等；二氧化铈可将玻璃中呈黄绿色的二价铁 氧化为三价而脱色，避免了过去使用砷氧化物的毒性，还 可以加入氧化钕进行物理脱色；稀土特种玻璃如铈玻璃( 防辐射玻璃)、镧玻璃(光学玻璃)。第四章、稀土元素沉积地球化学 陶瓷工业领域：稀土可以加入陶瓷和瓷釉之 中，减少釉和破裂并使其具有光泽。稀土更主要 用做陶瓷的颜料，由于稀土元素有未充满的4f电 子，可以吸收或发射从紫外、可见到红外光区不 同波长的光，发射每种光区的范围小，导致陶瓷 的颜色更柔和、纯正，色调新颖，光洁度好。如 黄色、紫罗兰色、绿色、桃红色、橙色、棕色、 黑色等。稀土氧化物可以制造耐高温透明陶瓷( 应用于

11、激光等领域)、耐高温坩埚(冶金)。 电光源工业领域：稀土作为荧光灯的发光材 料，是节能性的光源，特点是光效好、光色好、 寿命长。比白炽灯可节电7580%。第四章、稀土元素沉积地球化学 2、稀土元素在高新技术产业中应用 显示器的发光材料：稀土元素中钇、铕是红色荧光 粉的主要原料，广泛应用于彩色电视机、计算机及各种 显示器。目前，我国年产彩电红粉300400吨，计算机 显示器红粉50100吨，以满足国产3500万支彩显管和近 百万支显示器的需求。 磁性材料：钕、钐、镨、镝等是制造现代超级永磁 材料的主要原料，其磁性高出普通永磁材料410倍，广 泛应用于电视机、电声、医疗设备、磁悬浮列车及军事 工业

12、等高新技术领域。据专家预测，本世纪末此类材料 产值将达到35亿美元。我市南开大学研究开发出拥有自 主知识产权的钕铁硼永磁材料就属此类，现正与肯达集 团合作进行产业化。第四章、稀土元素沉积地球化学 储氢材料：稀土与过渡元素的金属间化合物是优良 的吸氢材料，被称为氢海绵。其最为成功的应用是制造 二次电池金属氢化物电池，即镍氢电池。其等体积 充电容量是目前广泛使用的镍镉电池的2倍，充放电循环 寿命和输出电压与镍镉电池一样，但没有了镉污染。我 市南开大学在储氢材料研究开发上有很大优势，通过863 项目，和平海湾公司已开始了镍氢电池产业化工作。 激光材料：稀土离子是固体激光材料和无机液体激 光材料的最主

13、要的激活剂，其中以掺Nd3+的激光材料研 究得最多，除钇铝石榴石(YAG)、铝酸钇(YAP)玻璃等基 质外，高稀土浓度激光材料可能称为特殊应用的材料。第四章、稀土元素沉积地球化学 精密陶瓷：氧化钇部分稳定的氧化镐是性能十分优异的 结构陶瓷，可制作各种特殊用途的刀剪；可以制作汽车发动 机，因其具有高导热、低膨胀系数、热稳定性能好、在1 650下工作强度不降低，导致发动机马力大、省燃料等优 点。 催化剂：稀土除用于制造石油裂化催化剂外，广泛应用 于很多化学反应，如稀土氧化物LaO3、Nd2O3和Sm2O3用于环 己烷脱氢制苯，用LnCoO3代替铂催化氧化氨制硝酸。并在合 成异戊橡胶、顺丁橡胶的生产

14、中作为催化剂。 汽车尾气需要将CH、CO氧化，对NOX进行还原处理，以 解决目前城市空气污染问题。稀土元素是汽车尾气净化催化 剂的主要原料。我市化工研究院在这方面有很强的优势，可 推动形成一个汽车尾气净化器产品。第四章、稀土元素沉积地球化学 高温超导材料：近几年研究表 明，许多单一稀土氧化物及其某些 混合稀土氧化物是高温超导材料的 重要原料。一旦高温超导材料进入 实用，整个世界将起翻天覆地的变 化。目前，我国在稀土超导材料的 成材研究方面取得了有意义的突破 。第四章、稀土元素沉积地球化学 二、河水中的稀土元素 迄今为止，有关河水中的稀土元素的资料很少， Ronov通过研究法国的龙德尔泥布拉河得

15、出如下结论： 1、河水中的稀土元素含量相当于14X105PPM. 2、在河流的上、中、下游稀土元素的含量变化大， 但其分配形式相似，呈锯齿状。 3、在河水中稀土元素主要赋存于溶解载荷和悬浮载 荷中。第四章、稀土元素沉积地球化学 三 海水中的稀土元素 1 海水中的稀土元素浓度 二十世纪六十年代，首次对北大西洋和太平洋海水中的稀土元素进行了测 定，其浓度非常低，且不同深度含量不同。东北大西洋表层 2500米西北大西洋 表层 2486米东南太平洋 表层 2500米西北太平洋 表层 2500米 La 36.7 29.415 3.64.9 308.3 47Ce 66.3 26.186 173.1 3.510 9.0Nd 34.3 25- -3.4 1.65.1 30Sm 6.01 4.753.7 3.30.56 2.71.6 5.3Eu