余中美，惠博，顏澤，魏繼生，周家云

格陵蘭島伊犁馬薩克堿性雜巖原生礦石礦物研究進展

余中美1，惠博2，顏澤1，魏繼生1，周家云2

（1.核工業(yè)二八0研究所，四川 廣漢 618300；2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)綜合利用研究所，中國地質(zhì)調(diào)查局金屬礦產(chǎn)資源綜合利用技術(shù)研究中心，成都 610041）

格陵蘭伊犁馬薩克雜巖是世界最大的堿性雜巖之一，以盛產(chǎn)稀有礦物而聞名，已發(fā)現(xiàn)的礦物超過230種。斯坦硅石和異性石由于富含稀土、鈾，是雜巖體中重要的礦石礦物。斯坦硅石主要分布于雜巖體鈉鐵閃石異霞正長巖內(nèi)，異性石主要分布于條紋霞石正長巖中。文章基于前人研究，從巖體產(chǎn)出環(huán)境、巖石組成、勘探歷史、礦石礦物類型及蝕變特征等方面進行了系統(tǒng)總結(jié)。

格陵蘭島；伊犁馬薩克；堿性雜巖；斯坦硅石；異性石

位于北美地區(qū)的格陵蘭島（面積217.56km2）是世界最大島嶼，島嶼南部的伊犁馬薩克堿性雜巖體是世界上最大的堿性雜巖之一。伊犁馬薩克雜巖體的調(diào)查研究工作始于19世紀初，至今在該巖體中已發(fā)現(xiàn)的礦物超過了230種，其中有15種礦物屬全世界獨一無二。在所有的礦物中最早被報道的是斯坦硅石和異性石。由于斯坦硅石、異性石豐富的稀土元素和鈾元素含量，已將其作為稀土和鈾的礦石礦物進行開采利用。斯坦硅石是伊犁馬薩克雜巖體北段科瓦內(nèi)灣多金屬礦床的主要礦石礦物，而異性石是雜巖體南段科林雷恩稀土-鈾礦床的主要礦石礦物。

Ussing于1912年主持完成了伊犁馬薩克雜巖體的首次地質(zhì)填圖和巖石學研究工作，發(fā)現(xiàn)巖體（Na+K）/Al值普遍大于1.2，由此定義了“鈉質(zhì)”巖石[1]。高場強元素主要富集于鋯石中的強堿性巖石被認為是云霞正長巖化巖石。S?rensen（1997）研究認為，伊犁馬薩克雜巖體中高場強元素主要賦存于異性石、褐硅鈰石等礦物中，并定義了“鈉質(zhì)過堿性巖石”這一概念[2]。此后，鈉質(zhì)與云霞正長巖化的區(qū)別更多是依據(jù)礦物共生組合關(guān)系確定，而非僅根據(jù)巖石的化學組成區(qū)分。Khomyakov（1995）隨后繼承和發(fā)展了“鈉質(zhì)”分類，采用“超鈉質(zhì)”來描述雜巖體中演化程度最高的正長巖類，超鈉質(zhì)巖石包含水溶性礦物（如硅鈉石、磷鈉石等）、復(fù)雜的磷硅酸鹽（如斯坦硅石等）[3]。

1 地質(zhì)背景

伊犁馬薩克堿性雜巖是格林蘭島西南部中元古代裂谷中侵入的數(shù)個堿性雜巖體之一，是該時期眾多堿性雜巖中最年輕的侵入體，成年年齡約1.6Ma[4][5]。受北東向構(gòu)造的影響，雜巖體被斷裂分割為北段和南段兩部分。雜巖體由三個主要侵入單元組成（圖1）：①輝石正長巖單元，形成雜巖體的外殼，在雜巖體南段侵入中元古代結(jié)晶基底，于北段切割艾瑞克斯組（Eriksfjord）沉積巖、火山巖；②過堿性花崗巖和石英正長巖，構(gòu)成雜巖體的核部部分；③堿性霞石正長巖部分[6]。方鈉流霞正長巖、閃霞方鈉正長巖位于巖體頂部以下，條紋霞石正長巖分布于雜巖體下部。異霞正長巖屬最晚期產(chǎn)物，侵位于閃霞方鈉正長巖與條紋霞石正長巖之間。在雜巖體北段，異霞正長巖未形成獨立單元，而是滲透進入閃霞方鈉正長巖中，圍繞閃霞方鈉正長巖單元分布[7、8]。

圖1 伊犁馬薩克雜巖體地質(zhì)略圖（據(jù)文獻[10]修改）

1.1 條紋霞石正長巖

條紋霞石正長巖呈中細粒結(jié)構(gòu)，是雜巖體南段侵入體的主要組成部分之一。條紋霞石正長巖由26個次級單元組成，每個次級單元可分為3個不同的顏色層（圖2）。底部的黑色層富含鈉鐵閃石，上部的紅色層為異性石的富集層位，富含長英質(zhì)礦物（霞石、堿性長石）的白色層位于頂部，一般厚度最大[9]。次級單元之間不同顏色層厚度各異，個別單元缺失部分顏色層。在局部地段，某些白色層有序地穿過紅色層，并與黑色層直接接觸。紅色層一般厚約1m，但+16號單元紅色層厚約3.5m，該層異常富集異性石[9]。異性石主要分布于紅色層中，黑色、白色層中分布較少。

1.2 閃霞方鈉正長巖

閃霞方鈉正長巖是雜巖體中的堆晶巖石，是堿性巖漿結(jié)晶分異早期由先結(jié)晶而漂浮于巖漿房頂部的方鈉石晶體（約5mm）堆積而成。晚期結(jié)晶的礦物主要包括霞石、堿性長石、霓石、鈉鐵閃石以及異性石，晚期礦物充填于方鈉石顆粒之間的空隙內(nèi)，形成堆晶結(jié)構(gòu)。巖石中個別長石粒徑可達到25cm，霞石和鈉鐵閃石能形成長達30cm的晶體[1]。巖石中異性石的分布不均，局部地段不含異性石。含稀土元素的褐硅鈰石作為副礦物，在巖石中較常見。

1.3 異霞正長巖

異霞正長巖為灰色—深灰色的鈉質(zhì)-超鈉質(zhì)的正長巖，以鎂鐵質(zhì)礦物（如霓石）和部分長英質(zhì)礦物（如長石）的定向而具有顯著分層特征。在伊犁馬薩克雜巖體中分布最廣的異霞正長巖有兩類：一種是綠色異霞正長巖，含主要鎂鐵質(zhì)礦物為霓石；另一種是黑色異霞正長巖，主要鎂鐵質(zhì)礦物為鈉鐵閃石。異霞正長巖中長英質(zhì)礦物主要為霞石、鈉長石、微斜長石以及方鈉石。巖石主要呈細粒（礦物粒徑小于0.6mm）結(jié)構(gòu)，個別方鈉石粒徑可達2mm，個別鎂鐵質(zhì)礦物粒徑可達1mm。中粗粒結(jié)構(gòu)的異霞正長巖僅分布于雜巖體邊緣，個別礦物粒徑超過1cm，局部地段具偉晶結(jié)構(gòu)。還有一種含瑙云母的異霞正長巖，與雜巖體的強烈鈉質(zhì)演化階段有關(guān)，瑙云母在巖石中分布廣泛而不均，一般與霞石互為消長關(guān)系，局部地段含量可達75%[13]。水溶性礦物氟鹽在巖石中分布廣泛，但在近地表巖石中受風化影響已經(jīng)溶出。異霞正長巖的不相容元素含量最高，是科瓦內(nèi)灣稀土、鈾多金屬礦床的主要礦石[14]。

圖2 條紋霞石正長巖分層示意圖（據(jù)文獻[11]、[12]修改）

2 勘探歷史

雜巖體的勘探活動最早可追溯到18世紀晚期。1888年Cryolite公司對伊犁馬薩克雜巖體進行了首次勘探活動。1899年K.J.V.Steenstrup公司在雜巖體南段開采異性石，共開采了約60噸異性石，用于提取鋯。1968年，Superfos公司從條紋霞石正長巖中分離出了100噸異性石。對鋯和鈮的需求，促使研究人員對條紋霞石正長巖的調(diào)查與研究不斷深入。自從Superfos公司開始實施異性石開采工作，其他小型勘探公司也開始向政府申請獲取雜巖體的部分探礦權(quán)。Tanbreez公司就是其中之一，該公司目前持有雜巖體南段部分探礦權(quán)。據(jù)該公司公開報道的推斷資源量為43億噸異性石，氧化鋯平均品位1.8%，氧化鈮平均品位0.2%，輕稀土平均品位0.5%，重稀土平均品位0.15%[15]。

隨著第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，對鈾的需求增長促使研究人員專注于格林蘭島鈾資源的調(diào)查和勘探。20世紀50年代，通過航空放射性調(diào)查發(fā)現(xiàn)了科瓦內(nèi)灣鈾礦床，查明的主要礦石為幾種類型的異霞正長巖。隨后，鈾含量最高的礦石礦物被開采，采用傳統(tǒng)的酸和碳淋濾法提取鈾，但提取效果并不理想[16]。1958年丹麥政府啟動了一項鉆探工程，并于1962年從一個長20m的平硐中開采了180噸鈾礦石，礦石在丹麥國家實驗室進行硫化焙燒提取鈾和釷。在1978年，首次完成了科瓦內(nèi)灣鈾礦床礦石選冶的技術(shù)經(jīng)濟評價。項目實施期間，總共有4700公噸的高品位鈾礦石被運至丹麥國家實驗室，采用加壓碳酸鹽淋濾法提取鈾，結(jié)果鈾回收率高達80%[16]?？仆邇?nèi)灣技術(shù)經(jīng)濟評價項目于1983年正式結(jié)束，與此同時丹麥政府頒布了一項政治法案，以維持科瓦內(nèi)灣地區(qū)無核化地位。在鉆探工程結(jié)束時，科瓦內(nèi)灣地區(qū)共計實施了69個鉆孔，巖芯長度超過10km，已開采礦石超過20 000噸。

3 原生礦石礦物

異霞正長巖中主要原生礦石礦物包括斯坦硅石、異性石、基性異性石組礦物，此外還包含少量其他原生稀土礦物，如磷鈰鈉石、磷硅鈰鈉石[17]。異性石主要分布于條紋霞石正長巖的特定巖漿層中，而斯坦硅石和基性異性石組礦物則分布在各類異霞正長巖中。以下對這三種原生礦石礦物分別介紹。

3.1 異性石

異性石由Stromeyer于1819年在伊犁馬薩克地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)。該礦物在整個雜巖體巖石單元中均有分布，但在條紋霞石正長巖分布比較集中且含量最高，典型的礦物顆粒粒徑一般小于5mm，個別粒徑可達厘米級。在偉晶巖中，局部異性石富集層厚度可超過50cm。研究表明，從0號單元向+16號單元，異性石中Fe/Mn值逐漸降低[18]。Pfaff 等對比了雜巖體不同巖石類型中異性石的鈉含量，發(fā)現(xiàn)條紋霞石正長巖中異性石鈉含量顯著增加，其中霓石異霞正長巖中異性石的鈉含量增加最為顯著[18]?？仆邇?nèi)灣地區(qū)霓石異霞正長巖中的異性石鈉含量高于同一地區(qū)其他異霞正長巖類[19]。

圖3 異霞正長巖中不同結(jié)構(gòu)斯坦硅石的鏡下照片（據(jù)文獻[11]修改）

a-蝕變斯坦硅石（蛻變質(zhì)作用）；b-嵌晶結(jié)構(gòu)斯坦硅石，邊緣或內(nèi)部被霓石交代；c、d-具有蝕變的核部以及邊緣各項異性的斯坦硅石；Ste-斯坦硅石；Aeg-霓石

3.2 斯坦硅石

斯坦硅石由Lorenzen于1881年在伊犁馬薩克首次發(fā)現(xiàn)和命名。斯坦硅石廣泛分布于鈉鐵閃石異霞正長巖中的偉晶巖脈和紫脆云母脈內(nèi)，在許多鈉鐵閃石異霞正長巖中是一種成巖礦物。在條紋霞石正長巖中未發(fā)現(xiàn)斯坦硅石，一般不與異性石共存。斯坦硅石是一種磷硅酸鹽，是在超鈉質(zhì)環(huán)境下形成的特征礦物組，其化學組成復(fù)雜，研究表明礦物中鈉可能被氫取代[3]。斯坦硅石中包含一些不協(xié)調(diào)的組分特征，不同價態(tài)的元素能夠相互組合[20]。例如，俄羅斯科拉半島的斯坦硅石含有二價和三價鐵[21]。高含量的釷和鈾，是斯坦硅石普遍發(fā)生蛻變質(zhì)作用的主要原因。

異霞正長巖中斯坦硅石晶體粒徑一般0.3~0.5mm。典型的斯坦硅石包含三種結(jié)構(gòu)類型（見圖3，a、b、c、d），發(fā)生蛻變質(zhì)作用的蝕變類、嵌晶結(jié)構(gòu)、核部蝕變與邊緣各向異性。斯坦硅石晶體中常見的包含晶包括鈉鐵閃石、基性異性石組礦物，以及鈰磷灰石組礦物。Khomyakov等研究了邊緣各向異性的斯坦硅石，發(fā)現(xiàn)晶體邊緣較核部具有更高的釷、稀土含量[22]。據(jù)此推測，蝕變作用有利于礦物內(nèi)部攜帶的稀土、釷等元素向礦物邊緣轉(zhuǎn)移。雖然斯坦硅石在其他的堿性雜巖中數(shù)量稀少，但在異霞正長巖中含量豐富，局部地段含量可達10%，成為異霞正長巖的造巖礦物之一。

3.3 基性異性石

雜巖體中基性異性石組礦物的首次發(fā)現(xiàn)是在伊犁馬薩克的Kangerdluarssuk峽灣地區(qū)，該地區(qū)基性異性石的分布與紫脆云母、斯坦硅石有關(guān)。早期，基性異性石被認為是一種稀有礦物，直到一些基性異性石組礦物在浮選尾礦中被大量發(fā)現(xiàn)[23]。雜巖體中基性異性石可分為3種類型：第一種呈無色，自形晶粒徑達0.1mm，具有與其它狹義基性異性石相近的化學組成；第二種呈粉色，自形晶顆粒比無色類具有更高的Mn、Y、U含量，但仍然歸類為狹義的基性異性石；第三種晶體呈棕色，具有明顯的蝕變特征。第三種基性異性石具有復(fù)雜多變的化學組成，可能反應(yīng)其蝕變組分而非基性異性石的真實組分?；援愋允w粒一般分布于鈉鐵閃石與斯坦硅石顆粒的邊緣，或者部分至全部嵌入后兩者晶體內(nèi)部?；援愋允锈櫤枯^高，是重要的含鈾礦物。由于異霞正長巖中含有大量的基性異性石，這就解釋了20世紀80年代初丹麥國家實驗室采用傳統(tǒng)的酸和碳淋濾法進行鈾提取試驗中鈾回收率很低的原因。

4 蝕變

伊犁馬薩克雜巖體中大部分巖石表現(xiàn)出蝕變特征，一部分礦物沿顆粒邊緣或內(nèi)部發(fā)生局部交代，少量礦物顆粒被次生礦物完全取代。這種蝕變特征可能與巖漿結(jié)晶晚期形成的較早結(jié)晶的礦物反應(yīng)所產(chǎn)生的出溶流體有關(guān)（巖漿晚期流體自交代作用），而非外部流體造成的。雜巖體的蝕變特征易于識別，蝕變巖石中由于鈉鐵閃石被霓石所取代而具有明顯的亮綠色斑點[24]。蝕變巖石中，長石與似長石一般蝕變?yōu)榉椒惺蛘哜c沸石，而次生長石和方鈉石可能也是蝕變的產(chǎn)物[25]。根據(jù)雜巖體部分地段出露的紫脆云母脈和晚期巖漿巖脈分析，推測巖石蝕變是在較高的pH條件下產(chǎn)生的[26]。

由于雜巖體獨特的蝕變特征，促使巖石內(nèi)大量的高場強元素發(fā)生重新分布，但并未產(chǎn)生元素的帶入或帶出。異性石蝕變的常見產(chǎn)物是單斜鈉鋯石，也可見少量鋯石、霓石等[27][28]。值得一提的是，該蝕變礦物組合特征與中國遼寧省賽馬堿性巖體中異性石的蝕變礦物組合特征具有相似性[29]。Borst等人詳細研究了第三種蝕變，發(fā)現(xiàn)晚期流體與早期蝕變形成的單斜鈉鋯石進一步反應(yīng)，形成蝕變硅鋯鈣石[28]。因此，雜巖體中蝕變作用具有多期性疊加的特點，早期蝕變形成的礦物也可被晚期流體進一步交代形成新礦物，暗示了巖體內(nèi)多期次流體活動的特點。

異性石蝕變形成含Ce和Y的稀土礦物，斯坦硅石蝕變形成獨居石和磷釔礦，而釷石是最常見的次生鈾-釷礦物[27]。斯坦硅石與異性石蝕變的共同特征是稀土礦物沿原生礦物顆粒的邊緣或裂隙分布，離開這個蝕變系統(tǒng)，稀土元素含量明顯降低。Friis（2015）進一步研究了蝕變礦物中輕重稀土的分餾機理，結(jié)果表明所有已知的含Y礦物均為蝕變的產(chǎn)物[30]。異性石蝕變分解出稀土礦物的同時也釋放了Cl，而富含氟鹽的異霞正長巖蝕變釋放了F，礦化劑的釋放有利于稀土元素的轉(zhuǎn)移和再分配。雜巖體中次生含Cl礦物并不常見，可能是Cl在蝕變過程中流失掉了。然而，Migdisov等(2014)研究表明高pH條件下，稀土元素與F、Cl容易形成固相[31]。Borst等（2015）研究認為高pH（pH>9）條件下發(fā)生的蝕變，是雜巖體中稀土元素低移動性的主要原因[28]。因此，蝕變過程中，F(xiàn)和Cl不太可能長距離搬運稀土元素，稀土元素只是發(fā)生了短距離遷移和再分配。

5 結(jié)論

1）伊犁馬薩克堿性雜巖由輝石正長巖、過堿性花崗巖和石英正長巖、堿性霞石正長巖三個堿性侵入巖石單元組成。

2）伊犁馬薩克雜巖體中主要原生礦石礦物包括斯坦硅石、異性石、基性異性石組礦物；斯坦硅石主要分布于鈉鐵閃石異霞正長巖中，異性石則主要分布于條紋霞石正長巖內(nèi)。

3）雜巖體蝕變特征復(fù)雜，蝕變作用具有多期次疊加的特點，與巖體內(nèi)多期次流體活動有關(guān)，蝕變作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部高場強元素發(fā)生重新分布，但未造成高場強元素的帶入與帶出。

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Advances in Research on Primary Ore Minerals in the Ilimaussaq Alkaline Complex, Greenland

YU Zhong-mei1HUI Bo2YAN Ze1WEI Ji-sheng1ZHOU Jia-yun2

(1-Institute No.280, CNNC, Guanghan, Sichuan 618300; 2-Institute of Multipurpose Utilization of Mineral Resources, CAGS, Chengdu 610041)

The Ilimaussaq complex in Greenland is one of the greatest alkaline complexes in the world. It is famous for its abundant rare minerals with more than 230 rare minerals. Steenstrupine and eudialyte rich in REE and uranium are 2 important minerals in the complex. Steenstrupine occurs in arfvedsonite lujavrite of the complex and eudialyte occurs in ribbon nepheline syenite. This paper systematically summarizes occurrence, rock association, mineral species, wallrock alteration characteristics and exploration history according to the previous data.

Ilimaussaq; alkaline complex; Greenland; steenstrupine; eudialyte

2019-11-15

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“格陵蘭島西南稀土—鈾礦產(chǎn)資源潛力評價”（DD20190446）

余中美（1985-），男，四川崇州人，碩士研究生，工程師，主要從事固體礦產(chǎn)勘查工作與潛力評價工作

P588.15

A

1006-0995（2020）04-0551-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.005