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钠交代作用对碱性花岗岩体系中稀土富集成矿的贡献.pdf
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1、书书书():岩 石 学 报:张 东,杨 武 斌,牛 贺 才 钠 交 代 作 用 对 碱 性 花 岗 岩 体 系 中 稀 土 富 集 成 矿 的 贡 献岩 石 学 报,():,:钠 交 代 作 用 对 碱 性 花 岗 岩 体 系 中 稀 土 富 集 成 矿 的 贡 献张 东,杨 武 斌 牛 贺 才,中 国 科 学 院 广 州 地 球 化 学 研 究 所 矿 物 学 与 成 矿 学 重 点 实 验 室,广 东 省 矿 物 物 理 与 材 料 研 究 开 发 重 点 实 验 室,广 州 中 国 科 学 院 大 学,北 京 ,收 稿,改 回,():,:,()(),(),;()摘要 碱 性 岩 是 全
2、球 稀 土 资 源 的 主 要 来 源 之 一,特 别 是 中重 稀 土 资 源。针 对 碱 性 花 岗 岩 体 系 中 稀 土()和 部 分 高 场强 元 素()超 常 富 集 机 制 及 其 控 制 因 素 等 关 键 科 学 问 题,目 前 尚 缺 乏 深 入 系 统 的 研 究 工 作。本 文 重 点 关 注 碱 性 花 岗 岩 成矿 体 系 中 的 钠 交 代 作 用,对 常 见 的 钠 长 石 化、钠 铁 闪 石 化 和 钠 辉 石 化 等 热 液 交 代 过 程 中 的 矿 物 交 代 反 应 过 程 及 其 稀 有 稀 土 元素 再 活 化迁 移 过 程 开 展 分 析 和 讨
3、 论。在 碱 性 岩 中,碱 性 角 闪 石 和 辉 石 被 认 为 是和的 重 要 载 体,同 时 也 是 岩 浆 分 异演 化 的 有 效 示 踪 剂。以 中 国 黑 龙 江 碾 子 山 碱 性 花 岗 岩 为 例,岩 浆 晚 期 的 热 液 交 代 会 导 致 碱 性 角 闪 石 和 辉 石 从 富 钙 的 矿 物 相向 富 钠 的 矿 物 相 转 变,在 这 个 相 转 变 过 程 中 会 导 致和的 活 化 和 迁 移。特 别 是 岩 浆 晚 期 热 液 富 钠 霓 辉 石 的 形 成 过程 中和会 大 规 模 释 放 到 交 代 流 体 中,可 能 是 导 致 这 些 关 键 金
4、属 元 素 在 岩 浆 晚 期 超 常 富 集 和 成 矿 的 关 键 控 制 因 素。因 此,碱 性 角 闪 石 和 辉 石 的 钠 指 数 ()摩 尔 比 可 能 是 一 个 潜 在 的 矿 物 地 球 化 学 指 标,或 将 为 碱 性 岩 型 稀 土资 源 勘 查 提 供 新 的 方 法。本 文 受 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(、)、广 东 省 基 础 与 应 用 基 础 研 究 重 大 项 目()、广 东 省 科 技 计 划 项 目()和 中 国 科 学 院 青 年 创 新 促 进 会 项 目()联 合 资 助第 一 作 者 简 介:张 东,男,年 生,博 士 生,矿 物
5、 学、岩 石 学、矿 床 学 专 业,:通 讯 作 者:杨 武 斌,男,年 生,研 究 员,从 事 矿 床 地 球 化 学 研 究,:关 键 词 碱 性 花 岗 岩;碱 性 角 闪 石;钠 交 代 作 用;稀 土;钠 指 数()中 图 法 分 类 号 ;图花 岗 岩和含 量 与 铝 指 数 的 关 系数 据 来 源 于数 据 库,数 据 分 布 密 度 用 右 侧 颜 色 柱 表 示 (),稀 土()是 重 要 的 战 略 资 源,尤 其 是 中重 稀 土 对 国家 经 济 发 展 和 国 防 安 全 具 有 不 可 替 代 的 作 用。我 国 是 稀 土资 源 大 国,但 中 重 稀 土 储
6、 量 全 球 占 比 不 高。碱 性 岩 和 碳 酸 岩是 全 球 稀 土 的 主 要 来 源,稀 土 资 源 储 量 占 全 球 已 探 明 稀 土 资源 总 量 的(,)。与 碳 酸 岩 型 稀 土 矿 床 不同 的 是,碱 性 岩 型 稀 土 矿 床 相 对 富 集 中重 稀 土,稀 土 元 素 主要 赋 存 在 硅 铍 钇 矿、异 性 石 和 磷 灰 石 等 副 矿 物 中。另 外 一 个显 著 特 征 是 该 类 矿 床 经 常 伴 生 有 多 种 类 型 的 高 场 强 元 素(),从 而 形 成 稀 土、稀 有 多 金 属 矿 床。例 如,格 林 兰 多 金 属 矿 床、加 拿
7、大 矿 床 和 矿 床、我 国 巴 尔 哲矿 床、以 及 俄 罗 斯和 矿 床(,)。通 常,碱 性 岩 型 稀 土 矿床 成 矿 特 征 可 以 概 述 为:()大 多 数 与 高 分 异 碱 性 岩(如 正长 岩 和 碱 性 花 岗 岩 等)密 切 相 关,无 碳 酸 岩 组 合,岩 体 由 多 个分 异 相 带 组 成 或 构 成 碱 性 岩 杂 岩 体;()该 类 型 矿 床 富 含 中重 稀 土,且 通 常 伴 生 有、等 高 场 强 元 素 矿 化;()岩体 普 遍 经 历 过 强 烈 的 岩 浆 期 后 热 液 交 代 作 用,其 经 济 矿 物 多为 热 液 交 代 成 因(范
8、 宏 瑞 等,;何 宏 平 和 杨 武 斌,)。在 花 岗 岩 体 系 中,根 据 铝 指 数 ()摩 尔 比 通 常 可 分 为 铝 质 花 岗 岩 和 碱 性 花 岗 岩 两 大 类。据 统 计 显 示,碱 性 花 岗 岩 具 有 显 著 高 的和含 量,特 别 是 部 分 成 矿 碱 性 花 岗 岩 中 稀 土 和 铌 的 含 量 是 全 球 平 均值 的 数 十 至 数 百 倍(图)。碱 性 花 岗 岩 体 系 中和的 来 源 和 超 常 富 集 机 制 一 直 以 来 备 受 关 注。由 于 具 有 较 大的 离 子 价 态 或 高 电 荷 属 性,和是 不 溶 于 水 的 不 活动
9、 性 元 素,因 此 通 常 被 认 为 是 示 踪 地 质 系 统 演 化 的 可 靠 指 标(,)。然 而,近 年 来 越 来 越 多 的 研 究 表明和在 岩 浆热 液 演 化 过 程 中 可 以 高 度 活 化迁移,特 别 是 在 富 碱 和 富的 花 岗 质 体 系 中(,;,;,)。在 部 分 碱 性岩 体 系 中,和的 大 规 模 迁 移 会 导 致 其 超 常 富 集 数百 甚 至 数 千 倍,从 而 形 成 具 有 经 济 价 值 的 可 开 采 资 源(,)。前 人 研 究 显 示,碱 性 角 闪 石 和 辉 石 是和的 重 要 载 体(图),同 时 也 是 碱 性 岩 浆
10、 分 异 的有 效 示 踪 剂(,;,)。例如,来 自 加 拿 大杂 岩 和 埃 及 杂 岩 的碱 性 角 闪 石总 量(,),最 近 对 矿 床 的 研 究 表 明 全 岩 大 部 分重 稀 土 含 量 存 在 于 角 闪 石 中(,;,)。因 此,在 碱 性 岩 体 系 中 厘 清和的 赋 存 状 态 对 于 探 究 其 富 集 机 制 至 关 重 要,但 目 前的 认 识 仍 然 不 足,特 别 是 这 些 关 键 金 属 元 素 在 不 同 地 球 化 学条 件 下 的 来 源 和 运 移 机 制 尚 不 明 确。钠交代作用碱 性 岩 浆热 液 体 系 中,钠 交 代 作 用 通 常
11、是 一 种 碱 性 矿物 的 自 交 代 作 用,发 生 在 碱 性 岩 体 的 上 部 或 外 围,如 碱 性 长张 东 等:钠 交 代 作 用 对 碱 性 花 岗 岩 体 系 中 稀 土 富 集 成 矿 的 贡 献图碱 性 花 岗 岩 主 要 造 岩 矿 物 及 其 中和分 布 图(据 ,)钠 长 石;角 闪 石;单 斜 辉 石;钾 长 石;石 英 (,);石 的 钠 长 石 化()、碱 性 角 闪 石 的 钠 铁 闪 石 化()和 碱 性 辉 石 的 霓 辉 石 化()。钠 交 代 反 应 过 程 在 矿 物 学 上 主 要 以 钠 离 子 进 入 碱 性 长 石、角闪 石 和 辉 石
12、等 矿 物 晶 格 为 特 征(,;,;,;,)。在 碱 性 岩碳 酸 岩 型 稀 有 稀 土 成 矿 体 系 中,上 述 热 液交 代 现 象 也 常 被 称 为“碱 交 代”或“霓 长 岩 化”(,;,;,)。通 常 认 为,上述 矿 物 再 平 衡 反 应 是 在 热 液 体 系 中 矿 物 的 表 界 面 溶 解再 沉淀 机 制 所 致。除 了 上 述 热 液 交 代 过 程,在 岩 浆 结 晶 分 异 过 程中 碱 性 长 石、角 闪 石 和 辉 石 等 碱 性 矿 物 族 会 优 先 结 晶 富 钙 系列 然 后 结 晶 富 钠 系 列。在 早 期 岩 浆 阶 段,上 述 碱 性
13、岩 浆 矿 物从 富 钙 端 元 向 富 钠 端 元 的 演 化 本 质 上 也 可 以 认 为 是 一 种 钠交 代 或 钠 演 化 过 程。据 此,本 文 中 讨 论 的“钠 交 代 作 用”既 包括 热 液 阶 段 的 钠 交 代 过 程,同 时 也 包 括 岩 浆 阶 段 的 钠 演 化过 程。钠 长 石 化长 石 钠 交 代 是 一 种 广 泛 发 育 的 水岩 反 应 现 象,可 以 发生 在 多 种 岩 石 类 型 和 构 造 背 景 下,通 常 与 热 液 成 矿 作 用 有关。在 有 利 的 流 体 运 移 条 件 下,流 体 可 以 穿 过 高 渗 透 率 的 岩石 单 元
14、 而 发 生 长 距 离 的 运 移,从 而 形 成 区 域 尺 度(千 米 尺 度)的 长 石 钠 交 代 现 象(,)。在 矿 物 尺 度,长 石钠 交 代 以 斜 长 石 或 碱 性 长 石 被 交 代 而 形 成 钠 长 石 为 特 征,常与 水岩 相 互 作 用 或 交 代 反 应 相 关。碱 性 长 石 是 碱 性 岩 中 主要 的 造 岩 矿 物,包 括 钾 长 石 和 钠 长 石。如 图所 示,长 石 钠交 代 反 应 表 现 为 钾 长 石 被 钠 长 石 交 代。碱 性 长 石 的 钠 交 代 可 以 用 如 下 反 应 式 表 达:()()()显 然,长 石 钠 交 代
15、现 象 记 录 的 是 碱 性 长 石 与 富 钠 流 体 之间 的 再 平 衡 反 应,这 对 约 束 成 岩 成 矿 过 程 具 有 重 要 指 示 意义。例 如,在 巴 尔 哲 矿 床 中 广 泛 发 育 的 钠 长 石 化 被 认 为 是 碱性 花 岗 岩 体 系 亚 固 熔 相 再 平 衡 的 矿 物 学 标 志(,)。此 外,里 庄 稀 土 矿 床 中 的 强 烈 钠 长 石 化 表 明 导 致 霓长 岩 化 的 热 液 具 有 显 著 富 钠 的 特 征,推 测 其 源 于 岩 浆 晚 期 的碱 性 岩 浆 热 液(,)。据 此,在 产 出的 大 范 围 乳 白 色 糖 粒 状
16、钠 长 石 的 出 现 通 常 可 以 视 为 长 石 钠交 代 反 应 的 地 质 判 别 标 志(,)。钠 铁 闪 石 化在 碱 性 岩 体 系 中,碱 性 角 闪 石 是 主 要 的 镁 铁 质 矿 物,其种 类 和 成 分 的 演 化 通 常 可 以 用 来 反 演 碱 性 岩 体 的 分 异 演 化路 径 和 物 理 化 学 条 件(,;,;,;,;,)。有 学 者 认 为,碱 性 花 岗 岩 中 角 闪 石 的 成 分 变 化主 要 受 控 于 岩 浆 结 晶 分 异 或 熔 体 再 平 衡(,;,;,),通常 表 现 为 从 富 钙 的 端 元 到 富 钠 为 主 的 端 元 的
17、 演 化 趋 势(图)。例 如,在 碾 子 山 过 碱 性 花 岗 岩 中,碱 性 角 闪 石 岩 浆 演 化路 径 为 从 富红 闪 石()到 钠 铁 闪 石()的 连 续 变 化(,)。根 据()和()对 角 闪 石 族 矿 物 的 命 名 和 分 类方 案,该 角 闪 石 种 类 从 钙 质 到 钠钙 质 再 到 钠 质 演 化。这 种演 化 涉 及 到从 碱 性 岩 浆 或 流 体 中 进 入 角 闪 石,如 巴 尔 哲和 岩 体 等 过 碱 性 体 系 中 的 钠 交 代 作 用(,;,)。角 闪 石 是 人 类 已 知 的 最 为 复 杂 的 矿 物 超 群,一 般 化 学 式为(
18、,),其 中和位 置 以 碱 金 属 为主 的 被 称 为“碱 性 角 闪 石”,可 分 为 钙 质、钠钙 质 和 钠 质 三 个亚 类(,)。在 碱 性 角 闪 石 系 列 中,岩 石 学 报,():图碱 性 岩 中 的 长 石 钠 交 代 现 象钠 铁 闪 石 、或;、,位 于 八 次 配 位 的位 置;、,位 于 六 次 配 位 的、位 置;和,位 于 四 面 体 位 置。在 角 闪 石 的 晶 体 结 构中,离 子 半 径 较 小 的为 六 次 配 位,而 离 子 半 径 较 大 的为 八 次 配 位,例 如 离 子 半 径 较 小 的通 常 位 于位,而 离 子 半 径 较 大 的
19、主 要 位 于位(,)。碱 性 角 闪 石 成 分 从 钙 质 到 钠 质 的 演 变 可 归 因 于角 闪 石 的 钠 交 代 作 用,反 映 了和 逐 渐 取 代 和,如 下 取 代 公 式 所 示:()()在 碱 性 岩 浆 分 异 演 化 过 程 中,上 述 碱 性 角 闪 石 钠 交 代 反应 在 矿 物 学 上 通 常 表 现 为 钙 角 闪 石 向 钠 角 闪 石 端 元 的 演 化,如:铁 钠 透 闪 石:(,)(,)红 钠 闪 石:(,)(,)钠 铁 闪 石:()(,),或 红 钠 闪 石铁 钠 闪 石:(,)(,)钠 铁 闪 石(,;,)。上 述碱 性 角 闪 石 种 类
20、的 演 化,主 要 受 控 于 熔 体 或 流 体 中 的 钠 离 子含 量 和 氧 逸 度(图)。霓 辉 石 化碱 性 角 闪 石 和 辉 石 通 过 钠 交 代 作 用 形 成 霓 辉 石 的 过 程,被 通 称 为 霓 辉 石 化。碱 性 角 闪 石 被 交 代 成 霓 辉 石 是 一 种 较为 普 遍 的 现 象,有 时 会 被 称 为 霓 辉 石 化(),而 在碱 性 岩碳 酸 岩 成 矿 体 系 中 也 常 称 为 霓 长 岩 化()。如 果 将 矿 物 中()的 总 摩 尔 比 定 义 为 钠 指 数(),富 钙 角 闪 石富 钠 角 闪 石霓 辉 石 的 交 代 反 应 可 以
21、视 为 一 个 持 续 的 钠 交 代 过 程,在 这 个 钠 交 代 过 程 中 矿 物 的 钠指 数 在 持 续 升 高(,)。(,)在 研 究 加 拿 大 矿 床 时 发 现 钠 铁 闪 石 交 代 形 成 霓 辉 石 可 以 分 为 两 个阶 段:早 期 交 代 发 生 在 约 ,以 钠 铁 闪 石 被 霓 石 取代 为 标 志(如 反 应 式);晚 期 交 代 发 生 在条 件 下,以钠 铁 闪 石 水 解 为 霓 石 和 赤 铁 矿 为 标 志(如 反 应 式)。()()碱 性 辉 石 是 碱 性 岩 体 中 另 一 种 重 要 的 铁 镁 质 矿 物,主 要为 单 斜 辉 石 系
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