内蒙古喀喇沁旗地区萤石矿床地质特征及成因探讨

张成信， 商朋强， 焦森， 魏龙飞， 赵寒，姜振宁， 曹光远， 代晓光， 王艳超

(1.中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101； 2.中化地质矿山总局，北京 100101)

0 引言

萤石，又称氟石，主要成分为CaF2，是自然界氟资源的主要来源。近年来，萤石产品作为国防、核电、新能源汽车、新材料等战略新兴产业的重要组成部分，各行业对萤石矿资源的需求快速增长。内蒙古喀喇沁旗地区是我国东北地区重要的萤石矿集区之一，成矿地质条件较好，找矿潜力较大。解放前，该区萤石矿已开采，但多数为民采，系统的勘查报告较少，对萤石矿床的成因研究相对欠缺，这在一定程度上制约了该区萤石找矿勘查工作的进一步开展。目前，仅部分学者对喀喇沁旗地区萤石矿床进行了研究。陈敏[1]认为喀喇沁旗地区北部林西地区萤石矿与中生代大规模的构造-岩浆活动有关，成因属岩浆期后中低温热液裂隙充填型； 曾昭法等[2]认为林西地区萤石矿为大气降水热液成因，萤石沉淀机制可能是水-岩反应，成因类型属于中低温热液裂隙充填型。本文分析了喀喇沁旗地区萤石矿床的地质特征，分析不同围岩和构造部位萤石的微量元素及稀土元素地球化学特征，并结合“三源(热液)成矿论”[3]和“交代热液成矿学说”[4]，与林西地区及华南地区萤石矿进行对比，探讨喀喇沁旗地区萤石矿床热液矿质、水和热的来源，建立成矿模式，为该区进一步开展萤石矿找矿勘查工作提供参考。

1 区域地质概况

研究区位于内蒙古赤峰市喀喇沁旗，大地构造位于华北克拉通北缘燕山构造带北侧，古生代古亚洲构造域与中生代西太平洋构造域的交汇部位[5](图1)。该区主要由高级变质基底、晚古生代—中生代中酸性侵入岩、寒武系海相盖层、二叠系火山岩及晚侏罗世—早白垩世陆相断陷盆地组成。断陷盆地发育上侏罗统—上白垩统，高级变质基底为新太古代—古元古代建平杂岩，为一套高级变质的深成岩和表壳岩[6-15]。

1.孙家湾组； 2.阜新组； 3.冰沟组； 4.九佛堂组； 5.义县组； 6.中—晚侏罗世安山岩； 7.满克头鄂博组； 8.二叠系； 9.寒武系； 10.太古宙变质岩； 11.早白垩世岩体； 12.晚侏罗世岩体； 13.早侏罗世岩体； 14.中—晚三叠世岩体； 15.中—晚二叠世岩体； 16.早二叠世岩体； 17.早石炭世岩体； 18.深大断裂； 19.大西沟萤石矿； 20.毛林坝萤石矿； 21.后哈达萤石矿； 22.贺家洼萤石矿； 23.盖子沟门萤石矿； 24.乃林沟萤石矿； 25.萤石矿床(点)； 26.研究区

图1 喀喇沁旗地区地质简图[5，10]

Fig.1GeologicalsketchofHarqinBannerarea[5，10]

研究区构造主要为断裂。燕山中期，喀喇沁旗地区发生以挤压为主到以伸展为主的构造体制转换，伴随强烈的构造-岩浆活动，发育一系列NE向断陷盆地，并诱发高温地热流带，为成矿流体(含矿地热水)的形成和活动创造了条件[16]。研究区萤石矿主要受中生代NE向、NW向张扭性断裂及其次生断裂控制，形成时代集中于燕山期晚期。

2 矿床地质特征

研究区萤石矿产资源丰富，开采历史悠久，已发现中小型萤石矿床12处、矿(化)点43处，集中分布于喀喇沁旗蒙古营子—大西沟、砬子沟北—四十家子、砬子沟南和宁城县存金沟—石家店一带。其中，蒙古营子—大西沟一带萤石矿分布相对集中，其他地区分布相对分散。萤石矿数量相对较多，但仅个别达中型以上规模，多数属小型萤石矿或矿(化)点。

研究区萤石矿受NW向、近SN向和NE向断裂及其派生的次级断裂控制，NE—NNE向断裂主要受美林—锦山深大断裂控制，尤其NW向断裂与美林—锦山深大断裂交汇部位萤石矿相对集中，区内规模较大的大西沟萤石矿和毛林坝萤石矿即产于美林—锦山深大断裂与NE向大西沟断裂交汇处(图1)。

2.1 代表性矿床

研究区萤石矿体受断裂控制，主要呈连续或不连续脉状、扁豆状和不规则透镜状产出。矿体产状与控矿断裂产状一致，走向以NW向、近SN向和NE向为主，倾角一般较陡。萤石矿体及矿化带规模不一，产于不同围岩和断裂位置的矿体具有差异性。选取研究区6个代表性的萤石矿床(点)进行分析(表1)。

表1 喀喇沁旗地区主要萤石矿床(点)地质特征

2.2 矿石

研究区萤石矿石以紫色、淡绿色和无色为主，呈自形粒状结构、半自形粒状结构和它形粒状结构(图2)。自形粒状结构的萤石矿较少，多数出现在矿体外围或构造角砾岩孔洞中(图2(a))； 半自形粒状结构为不完整立方体或八面体晶面(图2(b))； 它形粒状结构萤石呈不规则它形粒状紧密聚合体(图2(c))，主要由赋矿空间小和成矿热液冷凝速度快等因素决定。萤石矿在热液沉淀成矿过程中，多数伴随多期多阶段成矿热液叠加，结构常表现为多种晶形共生(图2(d))。

(a) 自形粒状结构 (b) 半自形粒状结构

图2-1 研究区典型萤石矿石结构

Fig.2-1Typicalfluoriteoretextureinthestudyarea

(c) 它形粒状结构 (d) 多种晶形共生结构

图2-2 研究区典型萤石矿石结构

Fig.2-2Typicalfluoriteoretextureinthestudyarea

矿石构造主要有角砾状、条带状、肾状、块状、网脉状和梳状(图3)。矿石矿物为萤石； 脉石矿物主要为石英和围岩角砾(长石、石英等)，其次为次生高岭石、蛋白石，局部有方解石和黄铁矿。矿石类型主要为石英-萤石型和萤石-石英型。

(a) 角砾状构造 (b) 条带状构造

(c) 肾状构造 (d) 块状构造

图3 研究区典型萤石矿石构造

Fig.3Typicalfluoriteorestructureinthestudyarea

2.3 围岩蚀变

研究区主要发育一套中—低温热液蚀变矿物组合，以硅化为主，其次为高岭土化和褐铁矿化，少见绿泥石化和绢云母化。

3 地球化学特征

萤石常作为热液矿床的脉石矿物产出，一般与非金属矿和金属矿伴生。分析萤石的微量元素、稀土元素含量及相关参数可判断其成因，揭示成矿流体性质、来源和演化特征，从而建立成矿模式[17]。选取大西沟(DXG)、毛林坝(MLB)、后哈达(HHD)、贺家洼(HJW)和乃林沟(NLG)5个产于不同围岩和断裂的代表性萤石矿床(点)，分别按颜色进行分类、编号。微量及稀土元素分析采用ICP-MS法，在中化地质矿山总局中心实验室完成测试。

3.1 微量元素

喀喇沁旗地区代表性的萤石矿微量元素分析结果见表2。该区萤石矿微量元素含量均低于地壳平均值[17]，说明萤石矿成矿流体(物质)可能与深部岩浆关系不大。研究[18]表明，Cu、Pb和Zn含量可反映深部岩浆来源特征，岩浆期后热液富集各类金属元素。喀喇沁旗地区萤石中Cu、Pb和Zn含量均较低，Cu含量最高为14.10×10-6，Pb含量最高为3.37×10-6，Zn含量最高为12.80×10-6，说明该区萤石矿成矿流体为岩浆期后热液成因的可能性较小。

表2 喀喇沁旗地区代表性萤石矿微量元素分析结果

Tab.2TraceelementsanalysisresultsofrepresentativefluoritedepositsinHarqinBannerarea

样品编号颜色微量元素含量/10-6BaBeBiCdCoCrCsCuGaInLiMoDXG-1无色11.60.210.0180.02910.93.460.179.360.940.0084.590.23DXG-2淡紫色31.10.440.0250.04110.53.830.279.940.980.0110.900.28MLB-1紫色37.30.300.0270.0969.93.270.308.980.880.0112.070.40MLB-2紫色55.00.230.0240.06310.64.100.298.460.850.0081.030.24HHD淡绿色129.00.900.0500.08811.24.670.4514.101.840.0131.710.32HJW无色292.04.760.0270.04810.54.620.3910.100.690.0121.270.33NLG淡绿色218.00.330.0280.1109.84.670.319.580.870.0101.230.28地壳平均值[17]390.0 1.300.0400.20025.0110.00 1.4063.00 18.00 0.10021.00 1.30样品编号颜色微量元素含量/10-6NiPbRbSbScSrThTlUVWZnDXG-1无色84.11.111.320.0761.531300.190.0150.0710.520.409.22DXG-2淡紫色84.51.551.720.0941.671920.300.0160.1401.590.4010.90MLB-1紫色80.71.451.870.1201.622070.550.0150.1100.691.258.25MLB-2紫色84.72.072.260.0731.731920.290.0180.0751.150.369.36HHD淡绿色87.43.374.290.1802.221550.720.0330.1902.940.3912.80HJW无色87.81.542.180.1103.813300.380.0140.2701.361.018.33NLG淡绿色81.31.752.520.1401.962240.450.0230.1502.130.489.83地壳平均值[17]89.012.00 78.00 60.000 18.00 4805.800.4001.700140.00 1.1094.00

3.2 稀土元素

一些学者对全球150多个萤石矿样品测试数据进行了分析，以Tb/Ca值和Tb/La值为参数设计了萤石矿床成因判别图，将萤石矿划分为伟晶成因区、沉积成因区和热液成因区[19]。Tb/Ca值代表萤石形成的地球化学环境，Tb/La值指示稀土元素分馏程度。将在喀喇沁旗地区5个代表性萤石矿床(点)获得的7个萤石矿石分析数据(样品为不同颜色萤石单矿物，CaF2含量按100%计算，根据不同质量分数比反算摩尔分数比)投影到Tb/Ca-Tb/La成因判别图(图4)中，7个样品数据全部落入热液成因区，表明喀喇沁旗地区5个代表性萤石矿床(点)属热液成因。由萤石矿石Y/Ho-La/Ho图解(图5)可知，喀喇沁旗地区萤石矿床不同颜色萤石的投影点未呈水平分布，说明萤石矿体的成矿物质来源不同，且成矿期次有差异，成矿物质来源于某期岩浆的可能性较小。

由喀喇沁旗地区代表性萤石矿稀土元素分析结果(表3)可知，该区5个代表性萤石矿的轻稀土元素略富集，LREE/HREE为0.68～3.14，稀土元素总量∑REE为(30.90～177.33)×10-6。研究[20]表明，岩浆期后热液成因的萤石稀土元素含量较高，如四川三岔河矿床(属岩浆期后热液成因)萤石稀土元素总量达2 326.28×10-6，轻稀土较富集，LREE/HREE为26.83。喀喇沁旗地区5个代表性矿床萤石的稀土元素总量与华南低温热液萤石矿床(属大气降水热液成因)[21]早期成矿萤石的稀土元素总量接近。由此推测，研究区萤石矿为岩浆期后热液成因的可能性较小。

图4 喀喇沁旗地区萤石矿石Tb/Ca-Tb/ La成因判别图

图5 喀喇沁旗地区萤石矿石La/Ho-Y/Ho图解

表3 喀喇沁旗地区代表性萤石矿稀土元素分析结果

注： 测试单位为中化地质矿山总局中心实验室，∑REE和HREE不包含Y。

研究区萤石矿及围岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线如图6所示。萤石矿稀土元素配分曲线与围岩相似且同步。当围岩为黑云母二长花岗岩时，围岩、萤石矿与华南黑云母稀土元素配分曲线一致[20]，表明研究区萤石中的稀土元素可能主要来源于被破坏的黑云母，成矿物质就地取材，与中国东南部地区萤石矿稀土元素地球化学特征[21]相似，说明这类萤石成矿溶液的成矿物质主要来自于对围岩的淋滤和萃取，具有大气降水热液成因特征。

(a) 毛林坝萤石矿及围岩黑云母二长花岗岩 (b) 大西沟萤石矿及围岩黑云母二长花岗岩

(c) 毛林坝萤石矿及围岩安山岩 (d) 后哈达萤石矿及围岩流纹质火山碎屑岩

图6 研究区萤石矿及围岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线

Fig.6Chondrite-normalizedREEdistributionpatternsoffluoriteoresandore-bearingsurroundingrocks

4 热液来源及成因类型讨论

研究区萤石矿主要受断裂控制。野外地质调查和室内综合研究表明，该区萤石矿为热液成因。热液是热的水溶液，主体是水，因此热液来源即取决于水的来源，水既是热液主体，也是矿质载体和热的容体。研究区北部林西地区萤石矿与喀喇沁旗萤石矿的成矿地质背景和矿体产出特征相似，其包裹体δD为-120.5‰～-140.1‰，平均值为-131.2‰；δ18O为-6.7‰～-2.3‰，平均值为-1.44‰[7]。在δD-δ18O图(图略)中，林西地区萤石矿投影点均远离岩浆水和变质水，萤石矿伴生蚀变矿物黄铁矿的δ34S为1.2‰～3‰，平均值为1.8‰，与岩浆热液矿床δ34S值(-3‰～-1‰)[7]不同，说明该区萤石矿热液有大气降水参与。

研究区萤石矿赋矿围岩最新地质体为早白垩世义县组安山岩(121 Ma)[10]，最新岩体为早白垩世石英正长斑岩(127 Ma)[10]，如贺家洼萤石矿产于早白垩世石英正长斑岩中。研究区萤石矿均呈脉体穿插于各岩浆岩体或地层中，萤石矿成矿时，岩浆已冷却，表明该区萤石矿热液并非仅仅来源于岩浆热液。

综上所述，研究区萤石矿成矿热液来源可能有大气降水参与，成矿物质F和Ca可能来源于热液对围岩的淋滤和萃取，成因类型为大气降水参与的热液脉状充填型。

5 成矿模式

研究区萤石矿成矿热液中的水主要为大气降水，成矿物质F和Ca来源于热液对围岩的淋滤和萃取。燕山晚期，随着构造-岩浆活动加剧，喀喇沁旗地区早期断层重新活动，产生新的断裂系统，大气降水汇集了从古地表活化的F，在小牛群—赤峰断陷盆地、热水—五家断陷盆地与喀喇沁旗岩基交汇处，即美林—锦山深大断裂和八里罕—红山深大断裂汇集下渗至一定深度，地热增温、岩浆-构造作用和地幔热源共同驱动，为下渗的大气降水提供热能，形成热水流体。当达到一定的物理化学条件时，热水流体沿断裂上涌，不断与围岩发生萃取、交代(水/岩)作用，在断裂有利部位冷凝、结晶、沉淀后成矿(图7)。研究区深大断裂附近萤石矿床分布较多，且规模较大，进一步论证了上述成矿模式。

1.冰沟组火山岩; 2.义县组火山岩; 3.中—晚侏罗世火山岩; 4.中—晚三叠世岩体; 5.中—晚二叠世岩体; 6.晚白垩世岩体; 7.寒武系变质基底; 8.萤石矿体; 9.断裂; 10.成矿流体; 11.热能(动能)； 12.大气降水

图7 喀喇沁旗地区萤石矿成矿模式

Fig.7MetallogenicmodeloffluoritedepositsinHarqinBannerarea

6 结论

(1)喀喇沁旗地区萤石矿中的萤石Cu、Pb和Zn含量较低，轻稀土元素略富集，稀土元素总量相对较低，萤石矿成矿流体为岩浆期后热液成因的可能性较小。

(2)喀喇沁旗地区萤石矿成矿具有就地取材的特征。当围岩为黑云母二长花岗岩时，矿体较富，矿床成因类型为大气降水参与的热液脉状充填型。

本次工作研究样品数量偏少且未系统采集典型矿床的流体包裹体和稳定同位素样品，今后应进一步加强对该区成矿时代和成矿流体性质的研究。