作为重要的战略资源和地球化学示踪剂，稀土元素在表生环境中的迁移和归宿受矿物-水界面作用制约。高岭石是表生环境中稀土迁移和富集的主要载体矿物，通过静电引力和表面络合吸附稀土，影响稀土元素的的分异特征。已有研究发现，地表环境中广泛存在的碳酸根、硫酸根等环境物质，影响稀土元素在高岭石等矿物表面的吸附特征和作用机制。然而，磷酸根也是表生环境中常见的配合离子，广泛存在于土壤、海水中，在海相沉积（岩）物、花岗岩风化壳中也发现较高浓度的磷酸根，并与稀土离子具有较强的络合作用，但磷酸根对稀土离子在高岭石表面吸附行为的影响及其作用机制尚不明确。
针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室博士生周靖雯在导师梁晓亮研究员和中国科学院地球化学研究所于文彬副研究员的指导下，采用批量吸附实验和表面络合模型计算等方法探究磷酸根和稀土离子在高岭石表面的共吸附行为和机制。研究发现：磷酸根增强稀土离子在高岭石表面的吸附作用。在弱酸性条件下，高岭石主要通过静电引力作用吸附稀土离子，磷酸根的存在增加了高岭石表面的负电荷从而促进稀土离子的吸附，但基本不影响分异特征。随pH升高，稀土内圈络合物含量增加，磷酸根和稀土离子在高岭石表面形成三元表面络合物，促进稀土的吸附和重稀土富集（图1）。
图1 磷酸根和稀土离子在高岭石表面的吸附模型示意图
上述结果为磷酸根抑制花岗岩风化壳中稀土元素流动性，以及沉积物中磷酸根和稀土具有较好相关性等地质现象提供了合理解释，有助于进一步理解稀土离子在表生环境中的地球化学行为。
该研究得到了国家重点研发计划（2021YFC2901701）、国家自然科学基金（42022012）、广东省科技计划项目（2023B1212060048）等资助。相关成果近期发表于国际期刊《Chemical Geology》。
论文信息：Zhou Jingwen（周靖雯）, Liang Xiaoliang *（梁晓亮）, Yu Wenbin *（于文彬）, Lin Xiaoju（林枭举）, Wu Puqiu（伍普球）, Jiang Yanhong（蒋燕虹）, Huang Deyin（黄德银）. Effect of phosphate on the sorption and fractionation of rare earth ions on kaolinite surface and its geochemical significance. Chemical Geology, 2024;648: 121976.