中国地质科学院矿产资源研究所袁学银副研究员与4556银河国际在线钟日晨教授开展合作研究，通过高温高压实验，发现碳酸岩岩浆侵位过程中的熔—流体连续演化是稀土成矿的关键，发展了碳酸岩型稀土矿床成矿理论。该成果于2023年发表于在国际综合性学术期刊《Science Advances》第9卷29期上。

碳酸岩是一种特殊的岩浆岩，因其独特的物质组成和异常高的稀土富集能力而受到研究者广泛关注。我国约98%的稀土资源来源于碳酸岩型稀土矿床。尽管保存至今的岩浆碳酸岩主要由含Ca、Mg、Fe的碳酸盐矿物组成，但成矿碳酸岩岩浆往往具有富Na₂CO₃特征，碳酸岩型矿床的岩浆—热液演化过程与Na₂CO₃-H₂O体系的行为密切相关。碳酸岩型稀土矿床的成矿过程需经历由岩浆（含水熔体）向热液流体（水溶液）的演化。然而，实验岩石学及地质观察均表明，稀土元素在碳酸岩熔体中具有较高的溶解度，在熔体—流体共存的条件下，稀土会强烈配分进入熔体相，而无法在流体中大量富集。因此，熔体—流体不混溶的经典热液出溶模式无法解释富稀土成矿流体的形成机制。

为解决上述问题，袁学银、钟日晨等人对Na₂CO₃-H₂O、Na₂CO₃-K₂CO₃-H₂O、Na₂CO₃-CaCO₃-H₂O、Na₂CO₃-SiO₂-H₂O等体系的高温高压行为进行了研究。研究发现，在碳酸岩型稀土矿床成矿的典型温压范围内（温度600–850 °C，压力超过350 MPa），Na₂CO₃-H₂O体系表现出超临界流体行为，即含水熔体与含碳酸盐流体连续演化，而不会出现熔—流体不混溶现象。这表明，在成矿碳酸岩岩浆冷却过程中，伴随无水碳酸盐矿物的分离结晶，碳酸岩熔体中的水含量会逐渐升高，最终由含水熔体演化为成矿流体。在此过程中，由于不会出现熔—流体不混溶，稀土元素会伴随碳酸盐矿物的分离结晶在残余熔—流体中有效富集，最终形成富稀土的成矿流体。上述研究揭示碳酸岩中熔流体连续演化是稀土成矿流体起源的关键过程。

图1 高压条件下Na₂CO₃在热液中溶解并持续演化为熔体的过程

论文信息：Yuan, X.Y., Zhong, R.C., Xiong, X., Gao, J., Ma, Y.B., 2023. Transition from carbonatitic magmas to hydrothermal brines: Continuous dilution or fluid exsolution? Science Advances 9, eadh0458.