《Applied Geochemistry》：Mineralogical characteristics and occurrence of critical metal elements in Lateritic bauxites from the Boké Region, Guinea
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铝土矿中关键金属富集机制研究：以几内亚博克矿为例，通过XRD、TMA和LA-ICP-MS分析，揭示了钒、铬、钪及稀土元素在铝土矿中的赋存特征，发现钒以Fe3?异构置换为主，铬经历 lattice substitution 到表面吸附的演化，钪及稀土以吸附态富集于铁矿物表面。首次系统阐明热带铁铝氧化物型铝土矿中关键金属的成矿机制，为高效回收提供理论支撑。
Xu Hao|张德贤|肖倩|王一琳|周秋生|李晓斌
中南大学教育部有色金属成矿预测与地质环境监测重点实验室，中国湖南省长沙市410083
摘要
几内亚Boké地区的铝土矿床是Bové盆地带内主要的红土资源之一，但其详细的地球化学特征和关键金属回收潜力方面的数据目前仍不充分。本研究结合矿物学（XRD、TMA）和地球化学（LA-ICP-MS）分析方法，探讨了该矿床中关键金属的含量及其存在形式。研究结果表明，铝土矿中的主要含铝矿物是 gibbsite（三水铝矿），其次为 boehmite（一水铝矿）。含铁矿物主要为 goethite（针铁矿）和 hematite（赤铁矿），而含钛矿物（如 rutile 和 anatase）则仅以微量存在。这些铝土矿样品中的关键金属浓度显著偏高：钒的平均浓度为 467 ppm，铬为 427 ppm，远高于典型红土铝土矿中的范围（分别为 50–300 ppm 和 <300 ppm）。镓（Gallium）的平均浓度为 65.0 ppm，总稀土元素（Total Rare Earth Elements）为 86.5 ppm，也处于其常见范围的上限（20–60 ppm）。钒主要以 V3+ 的形式通过同质替代作用进入 goethite 的晶格中，同时也有少量吸附在 gibbsite 表面；铬最初也是通过同质替代作用进入 gibbsite 晶格的。随着 pH 值的升高，Cr3+ 的迁移性降低，导致其被二次吸附在铁氢氧化物表面。镓主要通过同质替代作用取代铁和钛矿物中的 Fe3+4+，或以吸附态存在于 gibbsite 表面。本研究首次系统地研究了控制 Boké 铝土矿中钒、铬、镓和稀土元素分布的同质替代及吸附机制。与大多数关于喀斯特型铝土矿的研究不同，本研究表明，在以含铁的 gibbsite 和 goethite 为主导的红土系统中，关键金属具有独特的富集机制。这些发现为热带红土系统中关键金属的地球化学行为提供了新的见解，并为它们的高效可持续提取提供了理论基础。
引言
近年来，人们越来越关注铝土矿在矿化及风化过程中关键金属元素（如稀土元素（REEs）、锂（Li）、镓（Ga）、钒（V）、钪（Sc）、钛（Ti）、铌（Nb）和钽（Ta）的富集现象。尽管这些元素在矿化过程中通常被认为相对不移动，但越来越多的证据表明它们可以在铝土矿层中富集，使铝土矿成为关键金属的非传统来源（Khosravi 等，2017；Ling 等，2020；Mongelli 等，2014；Ye 等，2021；Yu 等，2023）。
全球范围内，铝土矿资源丰富，根据母岩性质可分为三种类型：红土型、喀斯特型和 Tikhvin 型（Calagari 和 Abedini，2007；Mameli 等，2007；Wang 等，2012；Zhang 等，2021）。红土铝土矿是由近地表铝硅酸盐材料在原地风化形成的残留型矿床，其中 gibbsite 是主要的含铝矿物，占全球铝土矿资源的约 90%（Gao 等，2014）。红土铝土矿主要分布在赤道附近的热带和亚热带地区，西非是最大的红土铝土矿产区之一（Retallack，2010；Zheng 等，2017）。
对全球多个代表性铝土矿区（尤其是喀斯特型矿床）的系统性地球化学研究表明，关键金属（如 Li、Ga、Sc、V、Ti 和 REEs）有显著的富集现象。关于这些元素的存在形式，已有研究将其归纳为三种主要方式：（1）吸附在矿物表面；（2）在晶格中的同质替代；（3）以独立矿物相的形式存在（Huang 和 Fan，2021；Jin 等，2015；Liu 等，2016；Radusinovi? 等，2017；Torró 等，2017；Wang，2021）。然而，与喀斯特型铝土矿相比，红土铝土矿中这些机制的系统研究还不够深入。
几内亚拥有世界上最大、品位最高的铝土矿资源和储量，其矿床以红土型为主，具有良好的开采条件、高矿石品位，并可通过拜耳法直接提取氧化铝（Zhu 等，2015）。位于几内亚西北部 Bové 盆地西南部的 Boké 铝土矿床是一个具有重大经济价值的超大型红土铝土矿床。以往的研究已详细探讨了该矿床的区域地质、矿体形态和成因特征（Lu 等，2024；Xu 和 Zhang，2009；Yuan 等，2010），但对其相关关键金属的矿物特征和存在机制的研究仍较为有限。早期的冶金测试证实，Boké 矿石非常适合通过拜耳法提取氧化铝。此外，对该矿区镓资源的评估显示，镓总储量约为 53,923 吨，具有巨大的经济潜力（Wang 和 Wang，2014）。
虽然喀斯特型铝土矿作为关键金属的替代资源受到了广泛关注，但对红土铝土矿（尤其是几内亚的红土铝土矿）的系统研究仍较为匮乏。本研究采用 X 射线衍射（XRD）和自动化矿物学分析（TIMA）技术，研究了 Boké 铝土矿的矿物组成、分布和微观结构特征，并利用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）技术量化了关键金属元素（钒、铬、镓和稀土元素）的浓度和存在状态。综合研究结果旨在阐明控制这些元素分布的矿物学和地球化学机制，为几内亚红土铝土矿中这些元素的高效可持续提取提供理论基础。
地质背景
Boké 地区位于几内亚共和国的最西部，处于晚古生代 Wendou-Bourouria 向斜的核心地带，邻近其西南边缘。该地区的基岩暴露较少，仅在深切的山谷中可见新鲜的露头。地层序列包括泥盆纪和奥陶纪-志留纪的碎屑岩。
采样与样品制备
从几内亚西北部 Boké 地区的露天矿中采集了 14 个具有代表性的红土铝土矿样品（坐标：13.332986°W, 11.382662°N）。这些样品代表了采集地点的活跃采矿区。采集后的样品经过风干、均质处理并粉碎至粒度小于 200 目后再进行分析。
X 射线衍射（XRD）分析
全岩矿物组成通过 BRUKER D8 X 射线衍射仪进行测定。
结构与矿物学
研究区域的铝土矿主要由含铝矿物组成，其中 gibbsite 占主导地位（包括中等铁含量的 gibbsite 和高铁含量的 gibbsite 变种），其次是少量的 boehmite。含铁矿物主要为 goethite 和 hematite，还有少量的 kaolinite 和 berthierine。含钛矿物主要为 rutile 和 anatase，辅助矿物包括石英和锆石（见图 3）。
Boké 地区的矿粒表现出...
钒和铬的存在形式
先前的研究表明，铝土矿中的钒（V）主要以两种形式存在：首先，在铝土矿化过程中钒以离子形式吸附在粘土矿物表面（Ahmadnejad 等，2017；Calagari 和 Abedini，2007；Mongelli 等，2014）；其次，钒可以通过同质替代作用进入含铝矿物、含钛矿物和含铁矿物的晶格中（Ling 等，2020）。
结论
Boké 铝土矿中的钒（V）、铬（Cr）、镓（Ga）和稀土元素（REEs）经历了复杂的多阶段富集过程，这一过程受到宿主矿物学、热带风化作用以及氧化还原条件和 pH 值变化的影响。钒主要通过同质替代作用进入 goethite 晶格；铬则从晶格替代转变为表面吸附；镓替代 Fe3+/Ti4+ 或吸附在含铝矿物表面；稀土元素主要以吸附态存在于铁氢氧化物表面。这些机制共同决定了这些元素在铝土矿中的分布规律。
作者贡献声明
李晓斌：资金获取、数据管理。
周秋生：资金获取、数据管理。
王一琳：资源获取、数据管理。
肖倩：研究工作、数据管理。
张德贤：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。
徐浩：撰写初稿、方法学设计、研究工作、数据管理
未引用参考文献
Zhang 等，2024。
数据可用性
我们已将所有使用的数据放入手稿和补充材料中。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了中国国家重点研发计划（2022YFC3900039）的资助。本手稿在撰写过程中受益于期刊审稿人的宝贵意见。
