相对于轻稀土，全球重稀土成矿类型单一，主要为我国华南离子吸附型。但是，这种类型重稀土矿床开采环境成本高，绿色开采面临严峻挑战。因此，寻找新类型重稀土矿床是一项重要的科学探索。西北大学地质学系刘鹏副教授等人在对我国东南沿海锡矿开展野外调查时注意到，下石炭统忠信组红色砂岩风化后可形成低品位的残坡积型锡矿石和铁矿石。在显微镜下进一步观察发现，未风化的红色砂岩中不仅发育有赤铁矿和锡石，还发育有大量重稀土矿物磷钇矿，那么下石炭统红色砂岩与重稀土矿化有何联系？基于上述思考，刘鹏等人前往粤东玉水铜矿开展调研，该矿床产于上下石炭统不整合界面，矿体下部围岩为忠信组红色砂岩。更为重要的是，前期矿区工作发现玉水铜矿石中稀土含量尤其是重稀土含量比较高，但对于重稀土元素如何分布和赋存却鲜有深入研究。通过调查，识别出玉水铜矿重稀土矿化主要分布在层状铜矿体的底部，重稀土矿化连续且品位高（重稀土平均品位可达3.2wt.%）。上述罕见的高品位重稀土矿化的矿物组合及其成因类型是什么，对华南重稀土成矿和找矿有何启示意义？
针对上述问题，首先开展了详细的矿物学研究，在矿石中鉴别出多种重稀土矿物，包括氟碳酸盐、砷酸盐、磷酸盐、硅酸盐、复酸盐等重稀土矿物。除了常见的磷钇矿等矿物，还发现了多种罕见的矿物组合，例如钪钇石（[Sc,Y]2Si2O7）、重稀土端元的兴安石（Y2Be2[SiO4][OH]2）、黑钒铁矿（V8Fe2O14[OH]2）、新奇钙钇矿（CaY[CO3]2F）、砷钇矿（Y[AsO4]）、碳硅钇石（Y2[SiO4] [CO3]）、羟碳钙钇石（CaY[CO3]2[OH]·H2O）。此外，自然界中同时含有重稀土和钒的矿物极其罕见，通过精细的矿物学工作，刘鹏等人发现了3种重稀土新矿物（图1），分别为毓川碳钇矿、景文矿、和文兰钒钇矿，理想化学式分别为Y2[CO3]3·H2O、Y2Al2V4+2[SiO4]2O4[OH]4、Y2V3+2V4+2[SiO4]2O4[OH]4。
图1. A-D.景文矿和文兰钒钇矿的显微镜下照片（A）、背散射照片（B）和FIB取样照片（C-D）；E. 毓川碳钇矿显微镜下照片. Ych-Y：毓川碳钇矿；Jw-Y：景文矿；Wlz-Y：文兰钒钇矿
为查明上述重稀土矿化的成因类型，对含铀和重稀土的矿物开展了系统的U-Pb和Sm-Nd定年，沥青铀矿和磷钇矿U-Pb年龄与磷钇矿、景文矿和兴安石的Sm-Nd等时线年龄均在误差内一致（223Ma）(图2a, b)，表明这期重稀土矿化形成于晚三叠世。另一方面，景文矿、兴安石和磷钇矿（εNd(223Ma)：–13.3~–9.7）与下部围岩忠信组红色砂岩（εNd(223Ma)：–14.8~–11.8）具有相似的Nd同位素特征(图2f)，且流体包裹体显微测温工作和矿石中大量赤铁矿的发育表明，成矿流体具有中低温、高盐度和氧化性特征，由此提出这期重稀土矿化与盆地热卤水有关。
图2 a-b矿石中沥青铀矿和磷钇矿U-Pb年龄；c-d. 砂岩中磷钇矿U-Pb年龄；e. 砂岩中碎屑锆石U-Pb年龄；f. 矿石中磷钇矿、兴安石和忠信组红色砂岩Nd同位素.
为了进一步查明重稀土来源，刘鹏等人与中科院地质与地球物理研究所吴石头高级工程师合作，对矿体下部围岩下石炭统忠信组红色砂岩中的磷钇矿利用LA-ICP-MS开展小束斑（<10um）系统的U-Pb定年，结果表明这些砂岩中的磷钇矿主要形成于加里东期（443 Ma）(图2c, d)，形成时代与华南加里东期S型花岗岩一致。结合碎屑锆石年龄分布(图2e)，认为这套下石炭统红色砂岩的原岩主要来源于加里东期S型花岗岩。在靠近矿体的下部围岩中，部分磷钇矿U-Pb年龄与矿石中磷钇矿年龄一致，形成于晚三叠世（223 Ma），而磷钇矿的重稀土和铀等元素分布表明，砂岩中磷钇矿经历了成矿热液淋率或交代作用，且稀土和铀等元素有迁出的行为（图3）。综上，由于成矿时代（223Ma）对应于华南印支造山后区域性垮塌伸展背景，强烈的伸展背景造成地热梯度发生变化，驱动盆地卤水循环并淋滤下部红色砂岩中的稀土矿物，最终稀土元素迁移至沉积不整合界面（氧化还原）卸载成矿（图4）。
图3 下石炭统忠信组砂岩中磷钇矿中重稀土和铀元素的分布
考虑到重稀土赋矿层位（上下石炭统不整合界面）在华南地区广泛发育，由此提出该期重稀土成矿为广泛发育的区域性成矿事件，为在华南寻找新类型重稀土矿床提供了重要启示。
最后，由于华南加里东期S型花岗岩的形成响应于东冈瓦纳大陆最终拼合，而全球范围内，S型花岗岩在这一时期也达到了最高峰。我国华南多个离子吸附型重稀土矿床的成矿母岩侵位于古生代沉积盆地，以及玉水铜矿中富集大量重稀土，表明加里东期形成的S型花岗岩风化后形成的沉积岩，可为后期岩浆或热液中稀土的富集提供来源（图4）。基于此，作者提出冈瓦纳大陆的最终聚合提高了全球地壳孕育稀土和铀等战略性矿产的能力。
图4 重稀土成矿模型图
以上成果近期发表在地球化学领域著名期刊《Geochemical Perspectives Letters》和矿物学领域权威期刊《American Mineralogist》上。
Peng Liu*, Sarah. A. Gleeson, Nigel J. Cook, Bernd Lehmann, Chao Zhao, Wei Yao, Zhian Bao, Shitou Wu, Yongfei Tian, Jingwen Mao. 2023. Final assembly of Gondwana enhances crustal metal (HREE and U) endowment. Geochemical Perspectives Letters, 26, 7-13.
Wei Yao, Peng Liu*, Guowu Li, Ningyue Sun, Wenqiang Yang, Chengyao Jiang, Wei Du, Chao Zhang, Wenlei Song, Nigel J. Cook, Jingwen Mao. 2023. Yuchuanite-(Y), Y2(CO3)3·H2O, a new hydrous yttrium carbonate mineral from the Yushui Cu deposit, South China. American Mineralogist，https://doi.org/10.2138/am-2023-8971.
Peng Liu*, Xiangping Gu*, Wenlan Zhang, Huan Hu, Xiaodan Chen, Xiaolin Wang, Wenlei Song, Miao Yu, Nigel J. Cook. 2023. Jingwenite-(Y) from the Yushui Cu deposit, South China: the first occurrence of a V-HREE-Bearing silicate mineral. American Mineralogist, 108, 192-196.