稀土元素（REE）是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)（包括新能源、先進(jìn)設(shè)備制造和下一代信息技術(shù)）的關(guān)鍵原材料（Goodenough等人，2017；Lima和Ottosen，2019）。特別是輕稀土元素（LREE）在石油催化裂化、汽車尾氣凈化、拋光和氫儲(chǔ)存中不可或缺。除了推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型外，LREE還為下一代信息技術(shù)和航空航天等先進(jìn)領(lǐng)域提供了必要的材料基礎(chǔ)（Behrsing等人，2024）。因此，確保稀土元素的穩(wěn)定可控供應(yīng)鏈已成為各國保障工業(yè)安全和在技術(shù)競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位的戰(zhàn)略重點(diǎn)（Girtan等人，2021）。例如，美國內(nèi)政部在2018年的《關(guān)鍵礦產(chǎn)清單》中將稀土元素列為對(duì)國家安全和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定至關(guān)重要的資源。歐盟也在2020年的《關(guān)鍵原材料清單》中指出了其供應(yīng)鏈的脆弱性（歐盟委員會(huì)，2020）。稀土資源的不均勻地理分布使得供應(yīng)鏈容易受到地緣政治和貿(mào)易政策沖擊的影響，導(dǎo)致全球市場周期性波動(dòng)（Sanematsu和Kon，2013；Bishop和Robbins，2024）。這種供需失衡加劇了多樣化稀土來源的必要性，識(shí)別和開發(fā)非常規(guī)稀土資源成為保障供應(yīng)鏈安全的重要策略。

鋁土礦作為世界最重要的礦產(chǎn)資源之一，國內(nèi)外研究均證實(shí)其礦石基質(zhì)和最終產(chǎn)生的紅泥中富含稀土元素。這種礦物在稀土元素的回收和利用方面已取得初步成果（Long等人，2019；Alkan等人，2018），因此成為非常規(guī)稀土資源的一個(gè)重要候選者。鋁土礦主要分布在17個(gè)國家，包括幾內(nèi)亞、澳大利亞、越南、巴西、牙買加、印度和中國，主要集中在北半球的40°N至40°S緯度之間（Bogatyrev等人，2009；Gao等人，2015；Long等人，2019）。中國鋁土礦儲(chǔ)量位居全球第八，資源豐富。這些資源主要集中在四個(gè)省份（地區(qū)）：山西、河南、貴州和廣西。這四個(gè)省份（地區(qū)）的儲(chǔ)量約占全國總量的91.4%，其中貴州占比17.8%，排名第四（Gao等人，2015；Tang等人，2021）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多米尼加共和國的Las Mercedes鋁土礦床平均稀土元素濃度為1530 ppm，屬于全球稀土元素富集度最高的鋁土礦床之一（Torró等人，2017）。中國各地鋁土礦床的稀土元素總濃度差異很大，范圍從4.02 ppm到10,372.5 ppm（平均614.47 ppm）。其中，輕稀土元素（ΣLREE）占主導(dǎo)地位，濃度范圍為3.45 ppm到10,274.43 ppm（Tang等人，2021）。山西的Xingxian礦床和貴州北部的Xinmin礦床的稀土元素富集程度最高，分別達(dá)到1.07%（相當(dāng)于約1.26%的REO）和1.04%（相當(dāng)于1.18%的REO）。這些數(shù)值超過了初級(jí)稀土礦床的最低要求（Xie等人，2024）。貴州北部的Xinmin礦床估計(jì)含有208,000公噸的稀土元素，顯示出巨大的資源潛力（Su等人，2021）。現(xiàn)有研究表明，鋁礦石系列中稀土元素的存在形式可分為三類：（1）吸附在鋁礦物（如針鐵礦、三水鋁石）和粘土礦物（如伊利石、蒙脫石等）表面的離子（Zhu等人，2019；Gu等人，2021；Wang等人，2024）；（2）作為磷灰石和氟石等礦物中離子的同質(zhì)替代（Tang等人，2021；Su等人，2024）；（3）作為獨(dú)立的稀土礦物（Wang等人，2013；Jin等人，2018）。Wang等人（2013）通過EDX光譜在Xinmo向斜鋁土礦富集區(qū)底部發(fā)現(xiàn)了獨(dú)立的稀土礦物帕里斯石。Jin等人（2018）在Wachangping礦床稀土富集層的底部發(fā)現(xiàn)了兩種稀土礦物：稀散分布的synchysite和與鋯石共存的細(xì)粒xenotime。Gu等人（2021）對(duì)Xinmu-Yanxi鋁土礦樣本中的主要元素和稀土元素進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出稀土元素的分布主要受鐵礦物（如針鐵礦）、含鈣礦物和粘土礦物（基于化學(xué)成分和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）的影響。Su等人（2024）對(duì)Xinmin鋁土礦鉆芯樣本進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）研究，發(fā)現(xiàn)重礦物金紅石中均勻分布著稀土元素，表明稀土元素可能通過同質(zhì)替代存在于金紅石中。盡管現(xiàn)有研究取得了重要成果，但在統(tǒng)計(jì)特性方面仍存在局限性。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，現(xiàn)有研究主要集中在個(gè)別礦床的重復(fù)分析上，忽略了系統(tǒng)性區(qū)域比較，從而影響了統(tǒng)計(jì)代表性；其次，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法（如線性分析）往往無法充分捕捉地球化學(xué)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜非線性關(guān)系。這些限制阻礙了可靠預(yù)測模型的開發(fā)，也影響了關(guān)鍵因素的定量分析。機(jī)器學(xué)習(xí)通過特征提取、回歸預(yù)測和因子分析提供了強(qiáng)大的解決方案，有助于從復(fù)雜數(shù)據(jù)集中識(shí)別關(guān)鍵控制因素，量化存在概率，并闡明多因素相互作用。

一些研究探索了隨機(jī)森林（RF）和決策樹（DT）等算法在稀土元素預(yù)測中的應(yīng)用（Zaremotlagh和Hezarkhani，2017；Zhou等人，2023；Song等人，2024；Buccione等人，2024；Abedini等人，2024）。例如，Buccione等人（2024）利用多種關(guān)鍵元素組合和XGBoost、ANN、SVR和RF模型預(yù)測了意大利南部喀斯特鋁土礦中的重稀土元素（HREE）濃度，強(qiáng)調(diào)了氧化鐵（Fe₂O₃）對(duì)HREE富集的顯著影響。Tahar-Belkacem等人（2024）也使用XGBoost、隨機(jī)森林、支持向量回歸和決策樹預(yù)測了特提斯帶高品位磷酸鹽巖（P₂O₅ ≥ 18 wt%）中的稀土元素。他們的研究表明，在氧化環(huán)境中Fe₂O₃和K₂O是重要預(yù)測因子，而在亞氧化環(huán)境中MnO和SiO₂起關(guān)鍵作用。盡管取得了這些進(jìn)展，但基于機(jī)器學(xué)習(xí)的稀土元素預(yù)測仍主要依賴數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。與微觀尺度實(shí)驗(yàn)分析的深度整合潛力尚未得到充分探索。

為解決這一問題，本研究系統(tǒng)整合了貴州北部多個(gè)礦床的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，開發(fā)了稀土元素含量的預(yù)測和分類模型。通過特征工程，我們識(shí)別并排序了控制富集的主要元素，并使用最優(yōu)模型量化了這些元素的富集閾值，同時(shí)通過分類模型輔助解釋了沉積環(huán)境。最后，采用掃描電子顯微鏡和電子探針顯微分析等微觀分析技術(shù)，在微觀尺度上驗(yàn)證了模型識(shí)別的高貢獻(xiàn)元素與稀土元素富集之間的直接相關(guān)性。通過整合多尺度證據(jù)，本研究系統(tǒng)闡明了稀土元素的完整富集路徑——從地球化學(xué)指標(biāo)和礦物載體到沉積環(huán)境控制因素，從而建立了從預(yù)測建模到機(jī)制驗(yàn)證的閉環(huán)研究體系。這種綜合方法也為類似非常規(guī)稀土礦床的研究提供了系統(tǒng)框架。