稀土元素（Rare Earth Elements，REE）由于其独特的性能，在传统领域和新兴产业中都具有广泛的应用。随着人类社会的发展，对稀土元素的需求不断增加，迫切需要寻找新的可开采的稀土矿床。稀土矿物是工业稀土金属的主要来源。稀土矿物的基础热力学数据对于正确认识稀土元素富集成矿过程、寻找稀土矿床以及地球深部稀土元素循环等具有重要意义。

天然稀土元素在自然界主要以矿物形式存在，除了以类质同象的形式存在（如磷灰石、萤石等）和以离子态被吸附于矿物表面或颗粒间（如吸附于黏土类和云母类矿物中等）外，还常常以独立矿物（如独居石和氟碳铈矿）的形式存在，其中，氟碳铈矿（REECO3F）就是最重要的工业稀土矿物之一。天然氟碳铈矿是成分复杂的固溶体，含有多种稀土元素。为了准确了解天然氟碳铈矿的热力学行为，必须以端元氟碳铈矿的热力学性质作为基础。然而，端元氟碳铈矿的基础热力学数据十分匮乏。因此，本文首先利用大腔体压机合成了中稀土（Sm、Eu、Gd、Tb）端元氟碳铈矿和羟碳铈矿矿物样品，然后使用扫描电镜、拉曼光谱、电子探针等实验技术手段对合成矿物样品进行了表征分析。同时，结合同步热分析实验，对合成矿物样品的热稳定性进行了研究。此外，还利用金刚石压腔结合同步辐射X 射线衍射实验技术，对合成矿物样品进行了状态方程研究。

研究结果表明，在750 - 800 °C 和1.8 GPa 条件下，成功合成了氟碳铈矿-Sm和-Gd 矿物样品。在750 °C 和1.8 GPa 条件下，成功合成了羟碳铈矿-Eu 和-Tb矿物样品。所得产物均为六方晶系，氟碳铈矿-Sm 和-Gd 的空间群为P6̅2c，而羟碳铈矿-Eu 和-Tb 的空间群为P6̅。氟碳铈矿-Sm 和-Gd 的分解温度分别为610 K和710 K，而羟碳铈矿-Eu 和-Tb 的分解温度分别为705 K 和650 K。以上结果表明，端元氟碳铈矿的稳定温度不仅受稀土阳离子半径的影响，也受到F-/OH-替代
的影响；而端元羟碳铈矿符合随稀土阳离子半径减小分解温度降低的规律。

常温常压下的晶胞参数和结构精修结果显示，无论是氟碳铈矿还是羟碳铈矿，随着稀土阳离子半径增大，晶胞参数a、c 和晶胞体积V 都呈线性增大趋势。氟碳铈矿和羟碳铈矿中的REE-O 键长随着阳离子半径增大而线性增大。而C-O 键长与稀土阳离子半径之间没有明显的关联。晶胞参数、晶胞体积和REE-O/F 键长与稀土阳离子半径之间的关系主要受控于“镧系收缩”效应。

此外，氟碳铈矿-Sm 和-Gd 以及羟碳铈矿-Eu 和-Tb 的压力-晶胞体积（P-V）状态方程以及氟碳铈矿-Sm 和羟碳铈矿-Tb 的温度-晶胞体积（T-V）状态方程研究结果表明，零压体积模量随着稀土阳离子半径减小而增大。并且，氟碳铈矿和羟碳铈矿都表现为明显的轴向压缩各向异性，c 轴比a 轴更难压缩。这主要是由平行于c 轴的较刚性的CO32−基团所致。另外，氟碳铈矿-Sm 和羟碳铈矿-Tb 的a
轴膨胀速度明显大于c 轴，表明c 轴对温度变化的响应弱于a 轴。
本文研究结果为模拟稀土元素在各种地质环境中的迁移和沉淀过程提供了部分基础热力学数据。但是，氟碳铈矿和羟碳铈矿以及其他稀土矿物的热力学数据仍然不完整。因此，为了准确模拟稀土元素的地球化学行为，仍需加大对稀土矿物热力学性质的研究力度，最终构建完善的稀土矿物热力学数据库。