中国首次发现的氟闪叶石矿物学特征

葛祥坤,李 婷,范 光,邰宗尧,沈敢富

(1.核工业北京地质研究院, 北京 100029; 2.成都地质矿产研究所, 四川 成都 610082)

由上述可知,闪叶石族矿物的典型特征是每化学式单位中的Ti(+Nb+ Fe3++Mg)apfu为3,Ti在O层中的apfu为2,在H层中的apfu为1(Back, 2018)。目前隶属于闪叶石族的矿物共有19种(表1)。其中,除lamprophyllite矿物种外, 以lamprophy-llite为词根的矿物种计有barytolamprophyllite(钡闪叶石)、nabalamprophyllite(钠钡闪叶石)、fluorbarytolamprophyllite(氟钡闪叶石)和fluorlamprophyllite(氟闪叶石)。

表 1 闪叶石族矿物种类及其理想结构式

中国学者对闪叶石族矿物的研究尽管起步较晚,但也取得了一定的成果(北京地质学院矿物教研室X光实验室, 1966; 束今赋等, 1982; 彭志忠等, 1983; 李德宁等, 1983; 陈肇博等, 1996; 李国武等, 2007)。例如,以已故彭志忠先生为首的学术团队,发现和明示钡闪叶石是闪叶石的两个“异种”(即新种)之一,并对其晶体结构做了测定(陈肇博等, 1996);另一个“异种”是斜方闪叶石(北京地质学院矿物教研室X光实验室, 1966)。自从确认赛马钠质碱性岩有闪叶石产出以来,有关研究断断续续走过了约60个春秋(彭琪瑞等, 1963; 北京铀矿地质研究所赛马矿床研究组, 1977; 陈肇博等, 1996; 邬斌, 2016)。过去的研究,一般多不分析F和H2O+含量,或者即便分析F,但并不考虑F的矿物学意义。现在看来,前人所称的产于赛马钠质碱性岩的闪叶石中,有些应准确定名为氟闪叶石。

氟闪叶石(fluorlamprophyllite),理想式为(SrNa)Ti2Na3Ti(Si2O7)2O2F2,是2013年在巴西Serrote山碱性岩中发现的闪叶石族新矿物种(Andradeetal., 2018)(以下简称“巴西氟闪叶石”),在俄罗斯科拉半岛洛沃泽尔地区也曾有过报道(1)https://zh.mindat.org/min-46037.html。沈敢富等(2017)在研究辽东赛马钠质霞石正长岩中异性石族新矿物凤城石的过程中,曾发现其中的闪叶石具有新矿物特征,并做了比较深入的矿物学研究,获得了化学组成、晶体结构等矿物学参数,但限于当时的样品量太少,未能获得该矿物的完整矿物学数据后研究就终止了。近期我们重新利用矿物学研究常用的电子探针、X射线衍射等分析技术手段,从化学成分、晶体结构等方面对其进行了系统的矿物学研究,发现其X位富氟,该矿物与2013年在巴西Serrote山碱性岩中发现的新矿物氟闪叶石属于同一矿物种,因此,产出于辽宁赛马碱性岩体中的氟闪叶石(以下简称赛马氟闪叶石)当属国内首次发现。该研究提高了中国学者对闪叶石族矿物的认识,丰富补充了闪叶石族矿物的研究资料。

1 地质特征

本文研究的氟闪叶石产出于赛马碱性岩体。该岩体位于辽东凤城市赛马镇,凤城碱性杂岩体西部,出露面积约20 km2,呈近东西向展布,由碱性喷出岩、侵入岩和伟晶岩脉组成。喷出岩覆盖于侵入岩之上,并被侵入岩穿插。赛马碱性岩体的岩性主要有响岩、霞石正长岩和异霞正长岩,其中,响岩是霞石正长岩的喷出项,约占岩体的20%,霞石正长岩是岩体的主体,约占70%,异常正长岩约占5%,其他岩石或岩脉约占5%(邬斌, 2016);主要岩体围岩是前震旦系大理岩和寒武系灰岩(杨主明等, 2001)。赛马岩体的主要造岩矿物有钾长石、霞石、黑云母和霓石等;副矿物以锆矿物、稀土矿物、榍石和闪叶石等为主,锆矿物主要有锆石、钾锆石、钠锆石和异性石等,稀土矿物主要有层硅铈钛矿、绿层硅铈钛矿、铈硅磷灰石、铈铌钙钛矿和何作霖矿等。通过异性石和锆石测得的赛马碱性岩体的U-Pb侵入年龄为224±4 Ma(Wuetal., 2010)和230～224 Ma(Zhuetal., 2016)。

由于岩体富含高场强元素和挥发分,经历了岩浆分异、热液改造等多阶段,产出的矿物种类十分丰富,已达90余种(陈肇博等, 1996),是富含铀、钍、稀有和稀土等元素的综合性矿床,尤以铀矿床最为突出,具有重要的经济价值和成矿理论意义。主要产矿岩体为异霞正长岩,以稀土和铀矿化为主,主要矿石矿物为沥青铀矿、铀钍石、铀方钍石以及含铀绿层硅铈钛矿。

碱性岩区以及基性-超基性岩区由于往往蕴含着一些特殊元素组合和形成条件,相对容易形成具有独特化学组成和晶体结构的新矿物,发现新矿物的概率高于其他岩类(蔡剑辉, 2020b)。前人在赛马碱性岩体及其外接触带中先后发现过顾家石(彭琪瑞等, 1962)、何作霖矿(Yangetal., 2012)、凤城石(沈敢富等, 2017)等新矿物,本文研究的氟闪叶石则属于该矿物在国内的首次发现。

2 赛马氟闪叶石的矿物学特征

2.1 产状及矿物共生组合

赛马钠质碱性岩产出的闪叶石,有3种产状,即产于异性石霓霞正长岩、霓霞正长岩和“气成热液阶段蚀变岩——钠铁闪石岩”中(陈肇博等, 1996)这3种。本文研究的氟闪叶石产于异性石霓霞正长岩中,与其共生的矿物有钾长石、霓石、霞石、富镁铁云母、镁亚铁钠闪石、氟镁亚铁钠闪石、钾镁亚铁钠闪石、氟钾镁亚铁钠闪石、闪叶石、包括凤城石(沈敢富等, 2017)在内的异性石矿物族矿物、“铈铌钙钛矿”(即原子数Na>REE和/或Ca和/或Sr的loparite)、塔乌松石(tausonite)以及不同于rinkite-(Ce)的氟钠钛锆石超族矿物等。

2.2 物理与光学性质

氟闪叶石矿物单晶呈片状、板状,偶见板面平行于{100},组合形成纤维状、块状集合体(图1)。集合体最大粒径可达5～6 cm。发育{100}完全解理。

图1 赛马氟闪叶石的显微图像

氟闪叶石为黄-黄褐色,条痕灰白色,丝绢-金刚光泽,摩氏硬度2～3。根据陈肇博等(1996)资料,氟闪叶石的密度为3.40～3.50 g/cm3。光学显微镜下,矿物呈浅黄-浅黄褐色;具多色性,Np为浅黄色,Nm为稻草黄色,Ng为黄色;横切面可见卡氏双晶;折光率:Np=1.744～1.745,Nm=1.747～1.754,Ng=1.773～1.780; 二轴正晶。

2.3 矿物化学成分

利用核工业北京地质研究院分析测试研究中心的JXA-8100型电子探针测定了产出在赛马钠质碱性岩中闪叶石12个点的化学成分,测试条件为加速电压20 kV,束流20 nA,束斑直径10 μm,测试数据详见表2。表2中还列出了与其共生的富氟闪叶石、赛马“早期自形闪叶石”和“晚期脉状他形闪叶石”(邬斌, 2016)以及巴西发现的氟闪叶石新种(Andradeetal., 2018)的有关数据。为便于比较,依(O+OH+F+Cl)=18 apfu和(OH+F+Cl)=2 apfu计算了上述闪叶石的apfu。

Σ2.00和(Sr1.00Na1.00)Σ2.00Ti2(Na2.02Sr0.44Mn0.25K0.11Mg0.10

简化式均为(SrNa)Ti2(Na,Mn,Fe3+)3Ti(Si2O7)2O2(OH,F)2,均属于闪叶石矿物种。由此可以断定,赛马碱性岩产出有两种闪叶石族矿物,一种是国内首次发现的氟闪叶石,另一种即邬斌(2016)所研究的闪叶石矿物种。

2.4 X射线粉晶衍射数据

利用核工业北京地质研究院分析测试研究中心的Bruker D8 QUEST型单晶衍射仪采集了赛马氟闪叶石的二维粉晶衍射数据。测试条件为钼靶微焦斑光源(Mo Kα0.710 73 Å),电压50 kV,电流1 mA。本文测得的赛马氟闪叶石与Andrade等(2018)中的巴西氟闪叶石粉晶数据对比结果列于表3。从表3中可以看出,两个不同产地的氟闪叶石粉晶数据基本一致,8个最强峰位也基本相同,仅在相对强度上略有差别。

表 2 闪叶石的化学成分与apfu计算

2.5 单晶晶体结构精修

赛马氟闪叶石的晶体结构精测在核工业北京地质研究院分析测试研究中心的Bruker D8 QUEST单晶衍射仪上完成。单晶衍射数据采集自一颗0.02 mm×0.09 mm×0.22 mm的薄板状晶体,测试条件为钼靶微焦斑光源(Mo Kα 0.710 73 Å),电压50 kV,电流1 mA,晶体与COMS探测器距离34 mm,θ角收集范围3.07°～39.39°;倒易空间指标范围-34≤h≤34,-12≤k≤12,-9≤l≤9;衍射点个数13 247,独立衍射点数2 305,独立衍射点覆盖范围99.9%。

使用直接法解析晶体结构、SHELXTL软件包精修晶体结构(Sheldrick, 2015),晶体结构图使用VAETA软件绘制(Momma and Izumi, 2008)。结果表明,赛马氟闪叶石为单斜晶系,空间群C2/m,Z=2;晶胞参数a=19.271 9(8)Å,b=7.077 9(3)Å,c=5.388 2(2)Å,β=96.780(2)°,V=729.84(5)Å3,分子量773.82 g/mol,计算密度3.521 g/cm3,其晶体结构参数与巴西氟闪叶石的晶体结构参数一致。赛马氟闪叶石结构式为(Sr1.48Na0.52)(Na2.49, Mn0.51)Ti3(Si2O7)2O2(F1.16,OH0.84)2,结构精修的R因子为3.51%,GOF为1.028。赛马氟闪叶石原子坐标、结晶学位置、占位度、各向异性位移参数、代表性原子间距(表4、表5)等数据表明,其晶体结构信息与Andrade等(2018)一致。由晶体结构模型(图2)可以看出,赛马氟闪叶石结构由3种多面体单元组成,形成3种平行于(100)的不同层,包括由(Si2O7)和(TiO5)共角顶组成多面体层的A层,由(NaO6)、(NaO4F2)和(TiO4F2)共边组成多面体层的B层,由SrO10F多面体组成的C层(图3)。

图2 赛马氟闪叶石的晶体结构图

图3 赛马氟闪叶石平行于(100)面的3种多面体层

表 3 赛马氟闪叶石与巴西氟闪叶石的粉晶衍射数据对比

3 结论

通过电子探针和X射线衍射等分析技术手段,重点研究了赛马氟闪叶石的晶体化学和晶体结构特征。在化学成分上,赛马氟闪叶石与巴西发现的氟闪叶石极其类似,阴离子以O和F为主,有别于闪叶石以O和OH为主的成分特征;在晶体结构上,二者亦相差无几,均为单斜晶系,空间群C2/m,晶胞参数一致,晶体结构均是由A、B、C等3种平行于(100)的多面体层组成。

因此,赛马氟闪叶石为该矿物种在国内的首次发现,其赖以赋存的赛马钠质霞石正长岩位于辽东凤城碱性杂岩区中,是迄今为止国内研究程度最高的同类岩体之一。前人已在该岩体内发现了多个新矿物种,其岩石类型复杂,矿物组成丰富,岩石化学和地球化学性质较为特殊,暗示着在该岩体仍有良好的发现新矿物的前景,应充分利用现代分析测试技术,加强岩体内矿物学特征以及矿物分类命名的研究,力争发现更多的新矿物,提升矿物学研究水平,补充完善矿物学数据库。

致谢十分感谢两位审稿专家的意见。