内蒙古中西部特大型萤石矿集区成矿作用探讨

胡华斌, 牛树银, 孙爱群, 张碧野, 陈 超, 张福祥, 何江涛

内蒙古自治区萤石资源丰富, 已发现萤石矿床167 处[1]。 从空间分布看, 自治区众多旗(县) 萤石矿床、 矿(化) 点广泛分布, 除伴生型白云鄂博萤石矿外, 特大型萤石矿床共有3 处, 分别是阿巴嘎旗李瑛萤石矿床、 四子王旗西里庙—苏莫查干敖包萤石矿、 额济纳旗东七一山萤石矿(图1)。 近年来, 3 个特大型萤石矿集区取得了巨大的找矿成果, 但在成矿时代和矿床成因研究方面存在较大的争议。 本文在对东七一山与萤石成矿有关的4 个碱性岩体进行的锆石LA-ICP-MS U-Pb 测年结果的基础上, 结合区域成矿背景和矿床地质特征, 对3 个特大型萤石矿床的矿床成矿作用进行探讨, 为在矿集区进行萤石科学研究和找矿勘查提供参考资料。

图1 内蒙古中西部特大型萤石矿集区大地构造位置简图[2]Fig.1 Geographical sketch of super-large fluorite ore- concentrated area in Central and Western Inner Mongolia

1 区域成矿地质背景

苏莫查干敖包—西里庙特大型萤石矿集区位于兴蒙造山带大兴安岭弧盆系锡林浩特岩浆弧内(图1),岛弧变质基底岩系是古元古界宝音图群, 中新元古代温都尔庙群由火山岩、 火山碎屑岩和弧前盆地性质的浊积岩建造组成, 古生代地层主要为陆棚碎屑岩沉积建造。 该矿集区古生代地层区划属华北地层大区内蒙古草原地层区锡林浩特—磐石地层分区。

李瑛特大型萤石矿集区位于天山—兴蒙造山带大兴安岭弧盆系扎兰屯—多宝山岛弧内(图1), 岛弧的东部零星出露元古宙变质岩系—兴华渡口群, 具低角闪岩相和低绿片岩相变质; 古生代地层主要为浅海陆棚碎屑岩和碳酸盐建造、 岛弧型火山岩建造和类复理石建造。 该矿集区古生代地层区划属北疆—兴安地层大区、 兴安地层区、 东乌—呼玛地层分区; 中新生代时期, 李瑛特大型萤石矿集区和西里庙—苏莫查干敖包特大型萤石矿集区具有一致的成矿地质背景, 二者均属于滨太平洋地层区。 晚侏罗世—早白垩世, 陆缘弧之上叠加了的陆相中酸性火山岩和火山碎屑岩,岩浆侵入活动为后造山型的花岗岩、 二长花岗岩。

东七一山特大型萤石矿集区位于天山—兴蒙造山带额济纳旗—北山弧盆系公婆泉岛弧内(图1), 该岛弧是一个发育在中新元古界—下寒武统稳定大陆边缘之上的陆棚相浅海碳酸盐岩、 半深海相碎屑岩—硅质泥岩建造岛弧。 中晚奥陶世—志留纪, 开始了本区的岛弧型火山喷发活动, 形成以安山岩为主的安山岩—英安岩—流纹岩岩石构造组合的火山岩—火山碎屑岩。 前中生代时期, 该矿集区地层区划属塔里木—南疆地层大区、 中南天山—北山地层区、 马鬃山地层小区; 中新生代时期, 该萤石矿集区属于北山地层分区。

2 矿床地质特征

2.1 四子王旗苏莫查干敖包—西里庙特大型萤石矿集区

四子王旗苏莫查干敖包—西里庙特大型萤石矿集区产有萤石矿床12 处, 其中特大型—大型矿床3 处,分别是特大型苏莫查干敖包萤石矿床[3,4]、 大型西里庙萤石矿床[5-7]和阿德格哈善图萤石矿[8]; 中型矿床2 处, 分别是满提萤石矿床和北敖包吐萤石矿床;另有小型矿床和矿点共7 处。 矿集区内萤石矿体呈似层状、 脉状产出在7 个不同的地层单元或岩体中, 其中在二叠系下统大石寨组中, 萤石矿体产在以下5 个层位, 分别是: 第二岩性段和第三岩性段之间的层间破碎带(典型矿床如苏莫查干敖包萤石矿床、 阿德格哈善图萤石矿床、 南敖包吐萤石矿床[9])、 第三岩性段的顶部与第四岩性段底部之间的层间破碎带(如北敖包吐萤石矿床)、 二岩段内部层间蚀变破碎带(如西里庙东矿段)、 三岩段的层间蚀变破碎带(如西里庙红地矿段3 号萤石矿体)、 四岩段片理化晶屑凝灰岩层间破碎带(如满提萤石矿, 额和日24 号矿点)。另外2 个层位分别是: 白垩纪中粗(细) 粒似斑状黑云母花岗岩(如额和日矿区内30 号、 31 号32 号矿点) 和二叠纪花岗岩(满提矿区)[10]。 在以上7 种不同围岩的萤石矿床(点) 中, 以赋存在大石寨组碳酸盐岩石中, 受北东向导矿和容矿构造控制的萤石矿床最为重要, 这些矿床或者已经属于超大型矿床(苏莫查干敖包萤石矿床), 或者具备成为超大型萤石矿床的潜力(阿德格哈善图萤石矿床、 西里庙萤石矿床、敖包吐萤石矿床)。

2.2 阿巴嘎旗李瑛萤石矿

阿巴嘎旗李瑛萤石矿共发现了4 个矿带, 矿带总体走向北东。 Ⅰ、 Ⅱ号矿带内共圈定了84 条矿体,其中工业矿体66 条, Ⅲ号和Ⅳ号矿带仅在地表发现萤石矿化体及矿化蚀变破碎带, 深部仅见矿化, 未圈定矿体[11]。 各矿带特征简述如下:

Ⅰ号矿带位于矿区中部偏东, 目前, 发现的矿体大部分走向330°, 倾角60°左右, 主要赋存于流纹岩、 英安质含角砾晶屑玻屑熔结凝灰岩中, 局部地段矿体围岩为晚侏罗世细粒闪长岩。

Ⅱ号矿带位于矿区东部, 总体走向334°、 倾向北东64°。 矿体受北西向张性断裂控制, 主要赋存于流纹岩、 英安质含角砾晶屑玻屑熔结凝灰岩中, 局部地段矿体围岩为细粒闪长岩。

Ⅲ号矿带位于矿区中部偏西, 地表发育1 条矿化体及2 条萤石矿化蚀变破碎带, 总体走向350°倾向北东东80°, 倾角70°。

Ⅳ号矿带位于矿区西部, 各矿化体、 蚀变带产状基本平行, 总体走向310°倾向北东40°, 倾角在65°～85°之间, 总体大于70°[11]。

2.3 额济纳旗东七一山萤石矿

东七一山萤石矿集区包括鹏飞矿业的东七一山萤石矿和丰崟矿业七一山萤石矿, 两座矿山呈东西向展布, 相距100 m。 矿区内共发现地表矿体200 余个,矿体多呈脉状、 网脉状产于晚志留世公婆泉组安山岩、 凝灰岩和大理岩中。 矿区自东向西可划分为以下4 个矿段:

Ⅰ矿段: 位于丰崟矿业办公区的北侧。 矿体呈脉状产出, 以南北向的矿体为主, 该矿段矿石质纯, 色彩鲜艳, 具彩色条带, 部分矿石可供工艺原料。

Ⅱ矿段: 位于鹏飞矿业办公区的北侧, 跨越鹏飞矿业和丰崟矿业2 个矿权, 该矿段以南北向和北东向的矿体为主。 北西向的矿脉极不发育, 矿体形态复杂, 呈脉状、 网脉状。 矿石结构致密, 色彩艳丽, 质纯, 油脂光泽强, 是地表矿石质量最好的矿体, 部分矿石可做工艺原料。

Ⅲ矿段: 位于鹏飞矿业东七一山矿区的中部, 矿体走向近东西向和北西向为主, 形态复杂, 延长延深均不稳定, 矿体内含较多的蚀变围岩角砾及石英等杂质。

Ⅳ矿段: 位于鹏飞矿业东七一山矿区西部, 矿体近东西向展布于大理岩中, 形态呈复杂的囊状, 含较多石髓[12]。

3 萤石矿床的成矿作用

3.1 成矿时代

由于萤石矿床矿石矿物组成简单, 可以用于直接精确定年的矿物和方法较少, 萤石矿床成矿年代学研究一直是一个难题。 近年来, 虽然在萤石矿床测年方面取得了一些进展[13-16], 但目前尚处于积累资料阶段。

内蒙古自治区中西部萤石矿床积累了一些可靠的成矿年龄数据。 许东青[17]对内蒙古四子王旗苏莫查干敖包超大型萤石矿床中高岭石化蚀变岩绢云母和伊利石进行了钾氩同位素年龄测定, 获得了141.50±1.18 Ma 和137.6±1.12 Ma 的年龄数据, 同时对区域上的卫境花岗岩体开展SHRIMP 测年, 获得锆石SHRIMP 铀—铅年龄为138±4 Ma 和137±2 Ma 的数据。 从而, 确定了与萤石成矿作用紧密关联的卫境花岗岩体和苏莫查干敖包—西里庙特大型萤石矿集区成岩和成矿作用均发生在早白垩世。

曹华文等[18,19]对林西地区赛波罗沟门、 水头、俄力木台、 冯家营子萤石矿床中与萤石共生的石英热活化 ESR 测年结果分别为 134.9±13 Ma、 142.8±13 Ma、 129.3±12 Ma、 126.6±15 Ma。 Pei 等[20]对林西地区开采规模最大的水头萤石矿主成矿阶段萤石Sm-Nd 测年获得等时线年龄为 132±11 Ma; 裴秋明[21]对林西地区三道营子萤石矿与萤石共生的方解石 Sm-Nd 测年获得等时线年龄为 136.5±4.3 Ma, 对小北沟萤石矿中与萤石共生的石英热活化 ESR 测年结果为 126.6±15 Ma。 总体上, 大兴安岭南段的萤石矿成矿年龄处于126.6～142.8 Ma 之间。

李瑛萤石矿的成矿时代缺乏直接的成矿年龄数据, 矿体的主要赋矿围岩为上石炭统宝力高庙组中酸性火山岩地层, 也有部分矿体产于晚侏罗世细粒闪长岩中, 说明成矿时代晚于闪长岩的形成时代, 是燕山期构造岩浆作用的产物。 巴彦敖包萤石矿体产于早白垩世大磨拐河组砂砾岩中, 杨欣杰等[22]通过对发现于锡林浩特西南地区大磨拐河组的孢粉—叶肢介—鱼化石的综合研究, 确定大磨拐河组的时间跨度为早白垩世Berriasian-Barremian 期。 Berriasian 期的底界也是白垩纪的底界, 在《国际年代地层表》 (2018/08 版)中, Berriasian 期的底界年龄为145 Ma, Barremian 期的顶界年龄为125 Ma, 由此说明巴彦敖包萤石矿体形成于早白垩世早中期, 其成矿年代也与大兴安岭南段的萤石矿成矿年龄处于 126.6 ～142.8 Ma 之间的结论是一致的。

从区域上看, 李瑛萤石矿的东南部林西地区获得了大量萤石矿床成矿年龄在126.6 ～142.8 Ma 之间的数据。 中生代时期, 四子王旗西里庙—苏莫查干敖包萤石矿床、 李瑛萤石矿、 林西地区的萤石矿均处在滨太平洋北东向构造—岩浆岩成矿带上, 成矿作用均与中生代的中酸性岩体具有成因联系。 据此推测, 李瑛萤石矿床成矿年龄在126～142 Ma 之间。

东七一山特大型萤石矿和富含萤石的Rb、 Nb-Ta、 W、 Sn、 Be 矿化碱长花岗岩在空间上密切相伴[23], 它们属于同一期岩浆热液成矿系统的产物。目前, 对于东七一山萤石矿和碱长花岗岩的成矿时代有以下几种不同认识。

王勇等[24]将东七一山复式岩体划分为四期, 第一期为海西早期中性岩类, 第二期以海西晚期斜长花岗岩类为主, 第三期为燕山早期中粒似斑状钾长花岗岩为特征, 第四期形成于燕山晚期的中细粒二长花岗岩—碱长花岗岩。 聂凤军等[25]对东七一山萤石矿床主矿体中的5 件萤石样品进行了Sm-Nd 同位素测定。获得的等时线年龄为511±5 Ma, 并据此认为东七一山萤石矿床是加里东期构造岩浆活动的产物。 殷先明[26]较为系统地研究了甘肃北山印支燕山期花岗岩成矿作用, 并认为东七一山钨锡等多金属矿床是与燕山期花岗岩有关的, 其成矿年龄为156.8 Ma。 吕博等[27]获得了东七一山碱长花岗岩的Rb-Sr 等时线年龄为128.2±1.1 Ma, 并认为碱长花岗岩残余流体产生的自交代作用, 导致形成与锂云母化、 次生钠长石化和硅化关系更密切的铌—钽、 钨、 锡、 铷等稀有金属矿化和萤石矿化。 孙月君等[28]等认为东七一山萤石成矿时代为华力西期, 并认为成矿与石炭纪花岗岩类关系密切; 杨岳清等[29]对东七一山复式花岗岩体3 处岩石中首次进行了锆石SHRIMP U-Pb 年龄测定,获得了3 组加权平均年龄分别为355 ± 5 Ma、359±5 Ma、 355±4 Ma 的测试数据, 3 组年龄数据均属于石炭纪早期, 是华力西期岩浆作用的产物。

本次研究对与钨、 锡、 钼、 铷、 铍、 铌钽和萤石成矿有关的中粗粒似斑状正长花岗岩、 中细粒似斑状正长花岗岩、 细粒似斑状正长花岗岩、 花岗斑岩4 个岩体进行的锆石LA-ICP-MS U-Pb 测年, 测试结果表明: 中细粒似斑状正长花岗岩单颗粒锆石206Pb/238U表面年龄在219～223 Ma 之间, 14 个分析点集中于谐和线及其附近,206Pb/238U 加权平均年龄为220.4±1.3 Ma (MSWD=0.12); 细粒似斑状正长花岗岩单颗粒锆石206Pb/238U 表面年龄在219～222 Ma 之间, 11个分析点集中于谐和线及其附近,206Pb/238U 加权平均年龄为220.6±1.6 Ma (MSWD=0.14); 花岗斑岩单颗粒锆石206Pb/238U 表面年龄介于219 ～222 Ma 之间, 20 个分析点集中于谐和线及其附近,206Pb/238U加权平均年龄为220.0±1.1 Ma (MSWD=0.11); 中粗粒似斑状正长花岗岩单颗粒锆石206Pb/238U 表面年龄介于介于219 ～223 Ma 之间, 6 个分析点集中于谐和线及其附近,206Pb/238U 加权平均年龄为219.9±1.9 Ma (MSWD=0.44)。 以上4 个岩体的结晶年龄均在219～223 Ma 之间, 是晚三叠世构造—岩浆作用的产物, 说明东七一山与萤石、 钨、 锡、 铷、 钼多金属矿床均形成于印支期。

综上所述, 内蒙古中西部3 个特大型萤石矿集区成矿作用发生在印支期和燕山期。 其中, 东七一山萤石矿与晚三叠世碱长花岗岩有密切的成因联系, 与萤石矿伴生的钨、 锡、 铷、 钼多金属矿床均形成于印支期。 西里庙—苏莫查干敖包萤石矿和李瑛萤石矿的成矿年龄在126～142 Ma 之间, 是滨太平洋构造背景下中酸性花岗质岩浆作用的产物。

3.2 矿床成因

内蒙古中西部四子王旗西里庙—苏莫查干敖包萤石矿集区和额济纳旗东七一山萤石矿集区萤石均经历了矽卡岩型、 中低温热液交代、 热液充填型的成矿作用。 从区域上看, 四子王旗卫镜花岗岩体与大石寨组三段碳酸盐岩石交代成因的矽卡岩在苏莫查干敖包、中敖包吐和哈布其亥一带广泛发育。 如在苏莫查干敖包萤石矿第49 勘探线南西方向, 萤石矿的层位逐渐被矽卡岩取代, 矽卡岩产于花岗岩体的外接触带, 其顶板为碳质斑点板岩及绢云绿泥板岩, 底板为片理化流纹斑岩。 近矽卡岩围岩具有高岭土化、 硅化、 褐铁矿化, 矽卡岩总体倾向290°, 倾角30°～60°不等, 厚度0.5～5 m 不等, 矽卡岩中有多金属矿化, 部分地段达到了工业品位。 矽卡岩型成因的萤石在苏莫查干敖包萤石矿、 中敖包吐萤石矿、 哈布其亥萤石矿中均有发育。 如在苏莫查干敖包萤石矿床纵向剖面图中, 萤石与矽卡岩紧密伴生, 在萤石矿脉的围岩为大理岩时(86 号探槽中、 第33 勘探线处935 ～969 m 标高, 及第41 勘探线西南区域) 围岩蚀变为钙质矽卡岩类,主要蚀变类型有符山石矽卡岩、 石榴石矽卡岩和透辉石矽卡岩等。

在哈布其亥萤石矿区, 可见萤石与矽卡岩矿物共生在一起呈稀疏浸染状, 集合体呈豆状; 矽卡岩矿物主要为含钙铁榴石、 钙铝榴石、 透辉石、 符山石、 电气石等。 矽卡岩中含有磁铁矿、 黄铜矿、 磁黄铁矿、锡石等多种金属矿物。

除了在四子王旗西里庙—苏莫查干敖包萤石矿集区出现矽卡岩型成因外, 内蒙古中西部3 个特大型萤石矿集区广泛发育的是中低温热液交代—充填型成因类型的萤石矿床, 主要的地质证据有:

(1) 在西里庙—苏莫查干敖包萤石矿集区, 萤石矿呈似层状、 脉状产出在不同的地层单元或岩体中;在二叠系下统大石寨组中, 萤石矿出现在以下5 个层位, 分别是: 第二岩性段和第三岩性段之间的层间破碎带上, 典型矿床如苏莫查干敖包萤石矿床、 阿德格哈善图萤石矿床、 南敖包吐萤石矿床; 第三岩性段的顶部与第四岩性段底部之间的层间破碎带中, 如北敖包吐萤石矿床; 二岩段内部层间蚀变破碎带中, 如西里庙东矿段; 三岩段的层间蚀变破碎带中, 如西里庙红地矿段3 号萤石矿体; 四岩段片理化晶屑凝灰岩层间破碎带中, 如满提萤石矿, 额和日24 号矿点。 额和日矿区内30 号、 31 号、 32 号矿点, 萤石矿围岩为白垩纪中粗(细) 粒似斑状黑云母花岗岩, 另外, 在满提矿区, 二叠纪花岗岩中也有萤石矿脉的产出。

由此可见, 萤石对围岩的选择性不强, 而是受构造控制的交代—充填成因。

(2) 矿体围岩具热液蚀变现象: 如硅化、 高岭土化、 绿泥石化、 绢云母化、 碳酸盐化等。

(3) 矿体内各种矿石类型繁多, 主要类型有纹层状萤石矿石、 细晶块状萤石矿石、 条带状萤石矿石、伟晶状萤石矿石、 角砾状萤石矿石和泥沙质萤石矿石等类型。 各主要矿石类型间有明显的穿插关系, 表明矿床是在多期次交代作用下形成的。

(4) 角砾状矿石中的围岩角砾具有与围岩相同的结构和构造, 表明角砾状矿石的成矿时间是发生在区域变质和接触变质作用之后。

(5) 各类矿石均具交代残余结构及交代细晶结构, 另交代细晶块状矿石与结晶灰岩间的接触关系呈不规则港湾状, 近矿石的结晶灰岩由青灰色变为褐黄色, 从两者接触关系判定细晶块状矿石系由结晶灰岩交代作用下形成的。

(6) 矿石具有在交代作用下形成的矿石构造, 如浸染状、 块状、 条带状、 伟晶状等。

阿巴嘎旗李瑛萤石矿床剥蚀程度浅, 地表及深部探矿工程均未发现与成矿有关的花岗岩, 萤石矿体呈脉状和不规则透镜状产出, 赋矿地层主要为上石炭统宝力高庙组中酸性火山岩, 地层倾向320°～350°左右, 倾角50°左右, 矿体倾角一般都在70°左右, 矿床成因属于受断裂构造控制的热液充填型。 从岩浆-热液成矿系统的角度看, 李瑛萤石矿集区可能存在热液交代成因的萤石矿床, 推测深部找矿前景巨大。

在矿床地球化学方面, 内蒙古中西部萤石矿床的成因研究取得了一些重要成果。 赵省民等[30]利用Tb/Ca-Tb/La (原子比) 关系图, 将内蒙古东七一山矿区萤石数据处理后, 所有的萤石都落在热液成因区, 结合矿床特征和矿区地质背景, 说明东七一山萤石矿为岩浆热液成因。 许东青等[5]将苏莫查干敖包萤石矿所有的研究样品投绘后, 发现都在 Tb/Ca-Tb/La 图解中的热液成矿区域内, 指示其属于热液型矿床。 宋开瑞[31]对内蒙古林西地区马岱沟萤石矿床、五间房萤石矿、 七一萤石矿和边家大院矿床的进行了成因研究, 前3 个萤石矿床不同阶段萤石均落入热液成因区域, 说明均为热液成因矿床; 边家大院萤石矿床中, 有伟晶岩成因和热液成因2 种类型, 成矿流体有从斑岩型矿化阶段→岩浆热液成因→大气降水混合成因的演变趋势[32]。 以上研究成果进一步支持了区域上萤石的成矿作用经历了斑岩、 矽卡岩和热液交代—充填成矿的演化过程。

4 结论

(1) 内蒙古中西部的3 个特大型萤石矿床(阿巴嘎旗李瑛萤石矿床、 四子王旗西里庙—苏莫查干敖包萤石矿床和额济纳旗东七一山萤石矿床) 的成矿作用发生在印支期和燕山期。 其中, 东七一山萤石矿与晚三叠世碱长花岗岩有密切的成因联系, 与萤石矿伴生的钨、 锡、 铷、 钼多金属矿床均形成于印支期。 西里庙—苏莫查干敖包萤石矿和李瑛萤石矿的成矿年龄在126～142 Ma 之间, 是滨太平洋构造背景下中酸性花岗质岩浆作用的产物。

(2) 内蒙古中西部的3 个特大型萤石矿床均是岩浆-热液成矿系统的产物, 完整的萤石成矿系统包括高温矽卡岩型、 中低温热液交代型和低温热液充填型3 种成矿作用, 成矿流体经历了从高温到中低温的演化过程。 李瑛萤石矿集区仅发现低温热液充填型, 西里庙—苏莫查干敖包矿集区和东七一山矿集区均包含上述3 种成矿类型。

(3) 李瑛萤石矿床剥蚀程度浅, 地表及深部探矿工程均未发现与成矿有关的花岗岩, 深部找矿前景巨大。