格陵兰岛伊犁马萨克碱性杂岩原生矿石矿物研究进展

余中美，惠博，颜泽，魏继生，周家云

格陵兰岛伊犁马萨克碱性杂岩原生矿石矿物研究进展

余中美1，惠博2，颜泽1，魏继生1，周家云2

（1.核工业二八0研究所，四川 广汉 618300；2.中国地质科学院矿产综合利用研究所，中国地质调查局金属矿产资源综合利用技术研究中心，成都 610041）

格陵兰伊犁马萨克杂岩是世界最大的碱性杂岩之一，以盛产稀有矿物而闻名，已发现的矿物超过230种。斯坦硅石和异性石由于富含稀土、铀，是杂岩体中重要的矿石矿物。斯坦硅石主要分布于杂岩体钠铁闪石异霞正长岩内，异性石主要分布于条纹霞石正长岩中。文章基于前人研究，从岩体产出环境、岩石组成、勘探历史、矿石矿物类型及蚀变特征等方面进行了系统总结。

格陵兰岛；伊犁马萨克；碱性杂岩；斯坦硅石；异性石

位于北美地区的格陵兰岛（面积217.56km2）是世界最大岛屿，岛屿南部的伊犁马萨克碱性杂岩体是世界上最大的碱性杂岩之一。伊犁马萨克杂岩体的调查研究工作始于19世纪初，至今在该岩体中已发现的矿物超过了230种，其中有15种矿物属全世界独一无二。在所有的矿物中最早被报道的是斯坦硅石和异性石。由于斯坦硅石、异性石丰富的稀土元素和铀元素含量，已将其作为稀土和铀的矿石矿物进行开采利用。斯坦硅石是伊犁马萨克杂岩体北段科瓦内湾多金属矿床的主要矿石矿物，而异性石是杂岩体南段科林雷恩稀土-铀矿床的主要矿石矿物。

Ussing于1912年主持完成了伊犁马萨克杂岩体的首次地质填图和岩石学研究工作，发现岩体（Na+K）/Al值普遍大于1.2，由此定义了“钠质”岩石[1]。高场强元素主要富集于锆石中的强碱性岩石被认为是云霞正长岩化岩石。Sørensen（1997）研究认为，伊犁马萨克杂岩体中高场强元素主要赋存于异性石、褐硅铈石等矿物中，并定义了“钠质过碱性岩石”这一概念[2]。此后，钠质与云霞正长岩化的区别更多是依据矿物共生组合关系确定，而非仅根据岩石的化学组成区分。Khomyakov（1995）随后继承和发展了“钠质”分类，采用“超钠质”来描述杂岩体中演化程度最高的正长岩类，超钠质岩石包含水溶性矿物（如硅钠石、磷钠石等）、复杂的磷硅酸盐（如斯坦硅石等）[3]。

1 地质背景

伊犁马萨克碱性杂岩是格林兰岛西南部中元古代裂谷中侵入的数个碱性杂岩体之一，是该时期众多碱性杂岩中最年轻的侵入体，成年年龄约1.6Ma[4][5]。受北东向构造的影响，杂岩体被断裂分割为北段和南段两部分。杂岩体由三个主要侵入单元组成（图1）：①辉石正长岩单元，形成杂岩体的外壳，在杂岩体南段侵入中元古代结晶基底，于北段切割艾瑞克斯组（Eriksfjord）沉积岩、火山岩；②过碱性花岗岩和石英正长岩，构成杂岩体的核部部分；③碱性霞石正长岩部分[6]。方钠流霞正长岩、闪霞方钠正长岩位于岩体顶部以下，条纹霞石正长岩分布于杂岩体下部。异霞正长岩属最晚期产物，侵位于闪霞方钠正长岩与条纹霞石正长岩之间。在杂岩体北段，异霞正长岩未形成独立单元，而是渗透进入闪霞方钠正长岩中，围绕闪霞方钠正长岩单元分布[7、8]。

图1 伊犁马萨克杂岩体地质略图（据文献[10]修改）

1.1 条纹霞石正长岩

条纹霞石正长岩呈中细粒结构，是杂岩体南段侵入体的主要组成部分之一。条纹霞石正长岩由26个次级单元组成，每个次级单元可分为3个不同的颜色层（图2）。底部的黑色层富含钠铁闪石，上部的红色层为异性石的富集层位，富含长英质矿物（霞石、碱性长石）的白色层位于顶部，一般厚度最大[9]。次级单元之间不同颜色层厚度各异，个别单元缺失部分颜色层。在局部地段，某些白色层有序地穿过红色层，并与黑色层直接接触。红色层一般厚约1m，但+16号单元红色层厚约3.5m，该层异常富集异性石[9]。异性石主要分布于红色层中，黑色、白色层中分布较少。

1.2 闪霞方钠正长岩

闪霞方钠正长岩是杂岩体中的堆晶岩石，是碱性岩浆结晶分异早期由先结晶而漂浮于岩浆房顶部的方钠石晶体（约5mm）堆积而成。晚期结晶的矿物主要包括霞石、碱性长石、霓石、钠铁闪石以及异性石，晚期矿物充填于方钠石颗粒之间的空隙内，形成堆晶结构。岩石中个别长石粒径可达到25cm，霞石和钠铁闪石能形成长达30cm的晶体[1]。岩石中异性石的分布不均，局部地段不含异性石。含稀土元素的褐硅铈石作为副矿物，在岩石中较常见。

1.3 异霞正长岩

异霞正长岩为灰色—深灰色的钠质-超钠质的正长岩，以镁铁质矿物（如霓石）和部分长英质矿物（如长石）的定向而具有显著分层特征。在伊犁马萨克杂岩体中分布最广的异霞正长岩有两类：一种是绿色异霞正长岩，含主要镁铁质矿物为霓石；另一种是黑色异霞正长岩，主要镁铁质矿物为钠铁闪石。异霞正长岩中长英质矿物主要为霞石、钠长石、微斜长石以及方钠石。岩石主要呈细粒（矿物粒径小于0.6mm）结构，个别方钠石粒径可达2mm，个别镁铁质矿物粒径可达1mm。中粗粒结构的异霞正长岩仅分布于杂岩体边缘，个别矿物粒径超过1cm，局部地段具伟晶结构。还有一种含瑙云母的异霞正长岩，与杂岩体的强烈钠质演化阶段有关，瑙云母在岩石中分布广泛而不均，一般与霞石互为消长关系，局部地段含量可达75%[13]。水溶性矿物氟盐在岩石中分布广泛，但在近地表岩石中受风化影响已经溶出。异霞正长岩的不相容元素含量最高，是科瓦内湾稀土、铀多金属矿床的主要矿石[14]。

图2 条纹霞石正长岩分层示意图（据文献[11]、[12]修改）

2 勘探历史

杂岩体的勘探活动最早可追溯到18世纪晚期。1888年Cryolite公司对伊犁马萨克杂岩体进行了首次勘探活动。1899年K.J.V.Steenstrup公司在杂岩体南段开采异性石，共开采了约60吨异性石，用于提取锆。1968年，Superfos公司从条纹霞石正长岩中分离出了100吨异性石。对锆和铌的需求，促使研究人员对条纹霞石正长岩的调查与研究不断深入。自从Superfos公司开始实施异性石开采工作，其他小型勘探公司也开始向政府申请获取杂岩体的部分探矿权。Tanbreez公司就是其中之一，该公司目前持有杂岩体南段部分探矿权。据该公司公开报道的推断资源量为43亿吨异性石，氧化锆平均品位1.8%，氧化铌平均品位0.2%，轻稀土平均品位0.5%，重稀土平均品位0.15%[15]。

随着第二次世界大战爆发，对铀的需求增长促使研究人员专注于格林兰岛铀资源的调查和勘探。20世纪50年代，通过航空放射性调查发现了科瓦内湾铀矿床，查明的主要矿石为几种类型的异霞正长岩。随后，铀含量最高的矿石矿物被开采，采用传统的酸和碳淋滤法提取铀，但提取效果并不理想[16]。1958年丹麦政府启动了一项钻探工程，并于1962年从一个长20m的平硐中开采了180吨铀矿石，矿石在丹麦国家实验室进行硫化焙烧提取铀和钍。在1978年，首次完成了科瓦内湾铀矿床矿石选冶的技术经济评价。项目实施期间，总共有4700公吨的高品位铀矿石被运至丹麦国家实验室，采用加压碳酸盐淋滤法提取铀，结果铀回收率高达80%[16]。科瓦内湾技术经济评价项目于1983年正式结束，与此同时丹麦政府颁布了一项政治法案，以维持科瓦内湾地区无核化地位。在钻探工程结束时，科瓦内湾地区共计实施了69个钻孔，岩芯长度超过10km，已开采矿石超过20 000吨。

3 原生矿石矿物

异霞正长岩中主要原生矿石矿物包括斯坦硅石、异性石、基性异性石组矿物，此外还包含少量其他原生稀土矿物，如磷铈钠石、磷硅铈钠石[17]。异性石主要分布于条纹霞石正长岩的特定岩浆层中，而斯坦硅石和基性异性石组矿物则分布在各类异霞正长岩中。以下对这三种原生矿石矿物分别介绍。

3.1 异性石

异性石由Stromeyer于1819年在伊犁马萨克地区首次发现。该矿物在整个杂岩体岩石单元中均有分布，但在条纹霞石正长岩分布比较集中且含量最高，典型的矿物颗粒粒径一般小于5mm，个别粒径可达厘米级。在伟晶岩中，局部异性石富集层厚度可超过50cm。研究表明，从0号单元向+16号单元，异性石中Fe/Mn值逐渐降低[18]。Pfaff 等对比了杂岩体不同岩石类型中异性石的钠含量，发现条纹霞石正长岩中异性石钠含量显著增加，其中霓石异霞正长岩中异性石的钠含量增加最为显著[18]。科瓦内湾地区霓石异霞正长岩中的异性石钠含量高于同一地区其他异霞正长岩类[19]。

图3 异霞正长岩中不同结构斯坦硅石的镜下照片（据文献[11]修改）

a-蚀变斯坦硅石（蜕变质作用）；b-嵌晶结构斯坦硅石，边缘或内部被霓石交代；c、d-具有蚀变的核部以及边缘各项异性的斯坦硅石；Ste-斯坦硅石；Aeg-霓石

3.2 斯坦硅石

斯坦硅石由Lorenzen于1881年在伊犁马萨克首次发现和命名。斯坦硅石广泛分布于钠铁闪石异霞正长岩中的伟晶岩脉和紫脆云母脉内，在许多钠铁闪石异霞正长岩中是一种成岩矿物。在条纹霞石正长岩中未发现斯坦硅石，一般不与异性石共存。斯坦硅石是一种磷硅酸盐，是在超钠质环境下形成的特征矿物组，其化学组成复杂，研究表明矿物中钠可能被氢取代[3]。斯坦硅石中包含一些不协调的组分特征，不同价态的元素能够相互组合[20]。例如，俄罗斯科拉半岛的斯坦硅石含有二价和三价铁[21]。高含量的钍和铀，是斯坦硅石普遍发生蜕变质作用的主要原因。

异霞正长岩中斯坦硅石晶体粒径一般0.3~0.5mm。典型的斯坦硅石包含三种结构类型（见图3，a、b、c、d），发生蜕变质作用的蚀变类、嵌晶结构、核部蚀变与边缘各向异性。斯坦硅石晶体中常见的包含晶包括钠铁闪石、基性异性石组矿物，以及铈磷灰石组矿物。Khomyakov等研究了边缘各向异性的斯坦硅石，发现晶体边缘较核部具有更高的钍、稀土含量[22]。据此推测，蚀变作用有利于矿物内部携带的稀土、钍等元素向矿物边缘转移。虽然斯坦硅石在其他的碱性杂岩中数量稀少，但在异霞正长岩中含量丰富，局部地段含量可达10%，成为异霞正长岩的造岩矿物之一。

3.3 基性异性石

杂岩体中基性异性石组矿物的首次发现是在伊犁马萨克的Kangerdluarssuk峡湾地区，该地区基性异性石的分布与紫脆云母、斯坦硅石有关。早期，基性异性石被认为是一种稀有矿物，直到一些基性异性石组矿物在浮选尾矿中被大量发现[23]。杂岩体中基性异性石可分为3种类型：第一种呈无色，自形晶粒径达0.1mm，具有与其它狭义基性异性石相近的化学组成；第二种呈粉色，自形晶颗粒比无色类具有更高的Mn、Y、U含量，但仍然归类为狭义的基性异性石；第三种晶体呈棕色，具有明显的蚀变特征。第三种基性异性石具有复杂多变的化学组成，可能反应其蚀变组分而非基性异性石的真实组分。基性异性石颗粒一般分布于钠铁闪石与斯坦硅石颗粒的边缘，或者部分至全部嵌入后两者晶体内部。基性异性石中铀含量较高，是重要的含铀矿物。由于异霞正长岩中含有大量的基性异性石，这就解释了20世纪80年代初丹麦国家实验室采用传统的酸和碳淋滤法进行铀提取试验中铀回收率很低的原因。

4 蚀变

伊犁马萨克杂岩体中大部分岩石表现出蚀变特征，一部分矿物沿颗粒边缘或内部发生局部交代，少量矿物颗粒被次生矿物完全取代。这种蚀变特征可能与岩浆结晶晚期形成的较早结晶的矿物反应所产生的出溶流体有关（岩浆晚期流体自交代作用），而非外部流体造成的。杂岩体的蚀变特征易于识别，蚀变岩石中由于钠铁闪石被霓石所取代而具有明显的亮绿色斑点[24]。蚀变岩石中，长石与似长石一般蚀变为方沸石或者钠沸石，而次生长石和方钠石可能也是蚀变的产物[25]。根据杂岩体部分地段出露的紫脆云母脉和晚期岩浆岩脉分析，推测岩石蚀变是在较高的pH条件下产生的[26]。

由于杂岩体独特的蚀变特征，促使岩石内大量的高场强元素发生重新分布，但并未产生元素的带入或带出。异性石蚀变的常见产物是单斜钠锆石，也可见少量锆石、霓石等[27][28]。值得一提的是，该蚀变矿物组合特征与中国辽宁省赛马碱性岩体中异性石的蚀变矿物组合特征具有相似性[29]。Borst等人详细研究了第三种蚀变，发现晚期流体与早期蚀变形成的单斜钠锆石进一步反应，形成蚀变硅锆钙石[28]。因此，杂岩体中蚀变作用具有多期性叠加的特点，早期蚀变形成的矿物也可被晚期流体进一步交代形成新矿物，暗示了岩体内多期次流体活动的特点。

异性石蚀变形成含Ce和Y的稀土矿物，斯坦硅石蚀变形成独居石和磷钇矿，而钍石是最常见的次生铀-钍矿物[27]。斯坦硅石与异性石蚀变的共同特征是稀土矿物沿原生矿物颗粒的边缘或裂隙分布，离开这个蚀变系统，稀土元素含量明显降低。Friis（2015）进一步研究了蚀变矿物中轻重稀土的分馏机理，结果表明所有已知的含Y矿物均为蚀变的产物[30]。异性石蚀变分解出稀土矿物的同时也释放了Cl，而富含氟盐的异霞正长岩蚀变释放了F，矿化剂的释放有利于稀土元素的转移和再分配。杂岩体中次生含Cl矿物并不常见，可能是Cl在蚀变过程中流失掉了。然而，Migdisov等(2014)研究表明高pH条件下，稀土元素与F、Cl容易形成固相[31]。Borst等（2015）研究认为高pH（pH>9）条件下发生的蚀变，是杂岩体中稀土元素低移动性的主要原因[28]。因此，蚀变过程中，F和Cl不太可能长距离搬运稀土元素，稀土元素只是发生了短距离迁移和再分配。

5 结论

1）伊犁马萨克碱性杂岩由辉石正长岩、过碱性花岗岩和石英正长岩、碱性霞石正长岩三个碱性侵入岩石单元组成。

2）伊犁马萨克杂岩体中主要原生矿石矿物包括斯坦硅石、异性石、基性异性石组矿物；斯坦硅石主要分布于钠铁闪石异霞正长岩中，异性石则主要分布于条纹霞石正长岩内。

3）杂岩体蚀变特征复杂，蚀变作用具有多期次叠加的特点，与岩体内多期次流体活动有关，蚀变作用导致岩石内部高场强元素发生重新分布，但未造成高场强元素的带入与带出。

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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

中国地质调查局地质调查项目“格陵兰岛西南稀土—铀矿产资源潜力评价”（DD20190446）

余中美（1985-），男，四川崇州人，硕士研究生，工程师，主要从事固体矿产勘查工作与潜力评价工作

P588.15

A

1006-0995（2020）04-0551-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.005