內(nèi)蒙古喀喇沁旗地區(qū)螢石礦床地質(zhì)特征及成因探討

張成信， 商朋強(qiáng)， 焦森， 魏龍飛， 趙寒，姜振寧， 曹光遠(yuǎn)， 代曉光， 王艷超

(1.中化地質(zhì)礦山總局地質(zhì)研究院，北京 100101； 2.中化地質(zhì)礦山總局，北京 100101)

0 引言

螢石，又稱氟石，主要成分為CaF2，是自然界氟資源的主要來源。近年來，螢石產(chǎn)品作為國防、核電、新能源汽車、新材料等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，各行業(yè)對螢石礦資源的需求快速增長。內(nèi)蒙古喀喇沁旗地區(qū)是我國東北地區(qū)重要的螢石礦集區(qū)之一，成礦地質(zhì)條件較好，找礦潛力較大。解放前，該區(qū)螢石礦已開采，但多數(shù)為民采，系統(tǒng)的勘查報告較少，對螢石礦床的成因研究相對欠缺，這在一定程度上制約了該區(qū)螢石找礦勘查工作的進(jìn)一步開展。目前，僅部分學(xué)者對喀喇沁旗地區(qū)螢石礦床進(jìn)行了研究。陳敏[1]認(rèn)為喀喇沁旗地區(qū)北部林西地區(qū)螢石礦與中生代大規(guī)模的構(gòu)造-巖漿活動有關(guān)，成因?qū)賻r漿期后中低溫?zé)嵋毫严冻涮钚停?曾昭法等[2]認(rèn)為林西地區(qū)螢石礦為大氣降水熱液成因，螢石沉淀機(jī)制可能是水-巖反應(yīng)，成因類型屬于中低溫?zé)嵋毫严冻涮钚?。本文分析了喀喇沁旗地區(qū)螢石礦床的地質(zhì)特征，分析不同圍巖和構(gòu)造部位螢石的微量元素及稀土元素地球化學(xué)特征，并結(jié)合“三源(熱液)成礦論”[3]和“交代熱液成礦學(xué)說”[4]，與林西地區(qū)及華南地區(qū)螢石礦進(jìn)行對比，探討喀喇沁旗地區(qū)螢石礦床熱液礦質(zhì)、水和熱的來源，建立成礦模式，為該區(qū)進(jìn)一步開展螢石礦找礦勘查工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗，大地構(gòu)造位于華北克拉通北緣燕山構(gòu)造帶北側(cè)，古生代古亞洲構(gòu)造域與中生代西太平洋構(gòu)造域的交匯部位[5](圖1)。該區(qū)主要由高級變質(zhì)基底、晚古生代—中生代中酸性侵入巖、寒武系海相蓋層、二疊系火山巖及晚侏羅世—早白堊世陸相斷陷盆地組成。斷陷盆地發(fā)育上侏羅統(tǒng)—上白堊統(tǒng)，高級變質(zhì)基底為新太古代—古元古代建平雜巖，為一套高級變質(zhì)的深成巖和表殼巖[6-15]。

1.孫家灣組； 2.阜新組； 3.冰溝組； 4.九佛堂組； 5.義縣組； 6.中—晚侏羅世安山巖； 7.滿克頭鄂博組； 8.二疊系； 9.寒武系； 10.太古宙變質(zhì)巖； 11.早白堊世巖體； 12.晚侏羅世巖體； 13.早侏羅世巖體； 14.中—晚三疊世巖體； 15.中—晚二疊世巖體； 16.早二疊世巖體； 17.早石炭世巖體； 18.深大斷裂； 19.大西溝螢石礦； 20.毛林壩螢石礦； 21.后哈達(dá)螢石礦； 22.賀家洼螢石礦； 23.蓋子溝門螢石礦； 24.乃林溝螢石礦； 25.螢石礦床(點(diǎn))； 26.研究區(qū)

圖1 喀喇沁旗地區(qū)地質(zhì)簡圖[5，10]

Fig.1GeologicalsketchofHarqinBannerarea[5，10]

研究區(qū)構(gòu)造主要為斷裂。燕山中期，喀喇沁旗地區(qū)發(fā)生以擠壓為主到以伸展為主的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換，伴隨強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿活動，發(fā)育一系列NE向斷陷盆地，并誘發(fā)高溫地?zé)崃鲙?，為成礦流體(含礦地?zé)崴?的形成和活動創(chuàng)造了條件[16]。研究區(qū)螢石礦主要受中生代NE向、NW向張扭性斷裂及其次生斷裂控制，形成時代集中于燕山期晚期。

2 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)螢石礦產(chǎn)資源豐富，開采歷史悠久，已發(fā)現(xiàn)中小型螢石礦床12處、礦(化)點(diǎn)43處，集中分布于喀喇沁旗蒙古營子—大西溝、砬子溝北—四十家子、砬子溝南和寧城縣存金溝—石家店一帶。其中，蒙古營子—大西溝一帶螢石礦分布相對集中，其他地區(qū)分布相對分散。螢石礦數(shù)量相對較多，但僅個別達(dá)中型以上規(guī)模，多數(shù)屬小型螢石礦或礦(化)點(diǎn)。

研究區(qū)螢石礦受NW向、近SN向和NE向斷裂及其派生的次級斷裂控制，NE—NNE向斷裂主要受美林—錦山深大斷裂控制，尤其NW向斷裂與美林—錦山深大斷裂交匯部位螢石礦相對集中，區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的大西溝螢石礦和毛林壩螢石礦即產(chǎn)于美林—錦山深大斷裂與NE向大西溝斷裂交匯處(圖1)。

2.1 代表性礦床

研究區(qū)螢石礦體受斷裂控制，主要呈連續(xù)或不連續(xù)脈狀、扁豆?fàn)詈筒灰?guī)則透鏡狀產(chǎn)出。礦體產(chǎn)狀與控礦斷裂產(chǎn)狀一致，走向以NW向、近SN向和NE向為主，傾角一般較陡。螢石礦體及礦化帶規(guī)模不一，產(chǎn)于不同圍巖和斷裂位置的礦體具有差異性。選取研究區(qū)6個代表性的螢石礦床(點(diǎn))進(jìn)行分析(表1)。

表1 喀喇沁旗地區(qū)主要螢石礦床(點(diǎn))地質(zhì)特征

2.2 礦石

研究區(qū)螢石礦石以紫色、淡綠色和無色為主，呈自形粒狀結(jié)構(gòu)、半自形粒狀結(jié)構(gòu)和它形粒狀結(jié)構(gòu)(圖2)。自形粒狀結(jié)構(gòu)的螢石礦較少，多數(shù)出現(xiàn)在礦體外圍或構(gòu)造角礫巖孔洞中(圖2(a))； 半自形粒狀結(jié)構(gòu)為不完整立方體或八面體晶面(圖2(b))； 它形粒狀結(jié)構(gòu)螢石呈不規(guī)則它形粒狀緊密聚合體(圖2(c))，主要由賦礦空間小和成礦熱液冷凝速度快等因素決定。螢石礦在熱液沉淀成礦過程中，多數(shù)伴隨多期多階段成礦熱液疊加，結(jié)構(gòu)常表現(xiàn)為多種晶形共生(圖2(d))。

(a) 自形粒狀結(jié)構(gòu) (b) 半自形粒狀結(jié)構(gòu)

圖2-1 研究區(qū)典型螢石礦石結(jié)構(gòu)

Fig.2-1Typicalfluoriteoretextureinthestudyarea

(c) 它形粒狀結(jié)構(gòu) (d) 多種晶形共生結(jié)構(gòu)

圖2-2 研究區(qū)典型螢石礦石結(jié)構(gòu)

Fig.2-2Typicalfluoriteoretextureinthestudyarea

礦石構(gòu)造主要有角礫狀、條帶狀、腎狀、塊狀、網(wǎng)脈狀和梳狀(圖3)。礦石礦物為螢石； 脈石礦物主要為石英和圍巖角礫(長石、石英等)，其次為次生高嶺石、蛋白石，局部有方解石和黃鐵礦。礦石類型主要為石英-螢石型和螢石-石英型。

(a) 角礫狀構(gòu)造 (b) 條帶狀構(gòu)造

(c) 腎狀構(gòu)造 (d) 塊狀構(gòu)造

圖3 研究區(qū)典型螢石礦石構(gòu)造

Fig.3Typicalfluoriteorestructureinthestudyarea

2.3 圍巖蝕變

研究區(qū)主要發(fā)育一套中—低溫?zé)嵋何g變礦物組合，以硅化為主，其次為高嶺土化和褐鐵礦化，少見綠泥石化和絹云母化。

3 地球化學(xué)特征

螢石常作為熱液礦床的脈石礦物產(chǎn)出，一般與非金屬礦和金屬礦伴生。分析螢石的微量元素、稀土元素含量及相關(guān)參數(shù)可判斷其成因，揭示成礦流體性質(zhì)、來源和演化特征，從而建立成礦模式[17]。選取大西溝(DXG)、毛林壩(MLB)、后哈達(dá)(HHD)、賀家洼(HJW)和乃林溝(NLG)5個產(chǎn)于不同圍巖和斷裂的代表性螢石礦床(點(diǎn))，分別按顏色進(jìn)行分類、編號。微量及稀土元素分析采用ICP-MS法，在中化地質(zhì)礦山總局中心實驗室完成測試。

3.1 微量元素

喀喇沁旗地區(qū)代表性的螢石礦微量元素分析結(jié)果見表2。該區(qū)螢石礦微量元素含量均低于地殼平均值[17]，說明螢石礦成礦流體(物質(zhì))可能與深部巖漿關(guān)系不大。研究[18]表明，Cu、Pb和Zn含量可反映深部巖漿來源特征，巖漿期后熱液富集各類金屬元素。喀喇沁旗地區(qū)螢石中Cu、Pb和Zn含量均較低，Cu含量最高為14.10×10-6，Pb含量最高為3.37×10-6，Zn含量最高為12.80×10-6，說明該區(qū)螢石礦成礦流體為巖漿期后熱液成因的可能性較小。

表2 喀喇沁旗地區(qū)代表性螢石礦微量元素分析結(jié)果

Tab.2TraceelementsanalysisresultsofrepresentativefluoritedepositsinHarqinBannerarea

樣品編號顏色微量元素含量/10-6BaBeBiCdCoCrCsCuGaInLiMoDXG-1無色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淡綠色129.00.900.0500.08811.24.670.4514.101.840.0131.710.32HJW無色292.04.760.0270.04810.54.620.3910.100.690.0121.270.33NLG淡綠色218.00.330.0280.1109.84.670.319.580.870.0101.230.28地殼平均值[17]390.0 1.300.0400.20025.0110.00 1.4063.00 18.00 0.10021.00 1.30樣品編號顏色微量元素含量/10-6NiPbRbSbScSrThTlUVWZnDXG-1無色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淡綠色87.43.374.290.1802.221550.720.0330.1902.940.3912.80HJW無色87.81.542.180.1103.813300.380.0140.2701.361.018.33NLG淡綠色81.31.752.520.1401.962240.450.0230.1502.130.489.83地殼平均值[17]89.012.00 78.00 60.000 18.00 4805.800.4001.700140.00 1.1094.00

3.2 稀土元素

一些學(xué)者對全球150多個螢石礦樣品測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，以Tb/Ca值和Tb/La值為參數(shù)設(shè)計了螢石礦床成因判別圖，將螢石礦劃分為偉晶成因區(qū)、沉積成因區(qū)和熱液成因區(qū)[19]。Tb/Ca值代表螢石形成的地球化學(xué)環(huán)境，Tb/La值指示稀土元素分餾程度。將在喀喇沁旗地區(qū)5個代表性螢石礦床(點(diǎn))獲得的7個螢石礦石分析數(shù)據(jù)(樣品為不同顏色螢石單礦物，CaF2含量按100%計算，根據(jù)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)比反算摩爾分?jǐn)?shù)比)投影到Tb/Ca-Tb/La成因判別圖(圖4)中，7個樣品數(shù)據(jù)全部落入熱液成因區(qū)，表明喀喇沁旗地區(qū)5個代表性螢石礦床(點(diǎn))屬熱液成因。由螢石礦石Y/Ho-La/Ho圖解(圖5)可知，喀喇沁旗地區(qū)螢石礦床不同顏色螢石的投影點(diǎn)未呈水平分布，說明螢石礦體的成礦物質(zhì)來源不同，且成礦期次有差異，成礦物質(zhì)來源于某期巖漿的可能性較小。

由喀喇沁旗地區(qū)代表性螢石礦稀土元素分析結(jié)果(表3)可知，該區(qū)5個代表性螢石礦的輕稀土元素略富集，LREE/HREE為0.68～3.14，稀土元素總量∑REE為(30.90～177.33)×10-6。研究[20]表明，巖漿期后熱液成因的螢石稀土元素含量較高，如四川三岔河礦床(屬巖漿期后熱液成因)螢石稀土元素總量達(dá)2 326.28×10-6，輕稀土較富集，LREE/HREE為26.83?？咂斓貐^(qū)5個代表性礦床螢石的稀土元素總量與華南低溫?zé)嵋何炇V床(屬大氣降水熱液成因)[21]早期成礦螢石的稀土元素總量接近。由此推測，研究區(qū)螢石礦為巖漿期后熱液成因的可能性較小。

圖4 喀喇沁旗地區(qū)螢石礦石Tb/Ca-Tb/ La成因判別圖

圖5 喀喇沁旗地區(qū)螢石礦石La/Ho-Y/Ho圖解

表3 喀喇沁旗地區(qū)代表性螢石礦稀土元素分析結(jié)果

注： 測試單位為中化地質(zhì)礦山總局中心實驗室，∑REE和HREE不包含Y。

研究區(qū)螢石礦及圍巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線如圖6所示。螢石礦稀土元素配分曲線與圍巖相似且同步。當(dāng)圍巖為黑云母二長花崗巖時，圍巖、螢石礦與華南黑云母稀土元素配分曲線一致[20]，表明研究區(qū)螢石中的稀土元素可能主要來源于被破壞的黑云母，成礦物質(zhì)就地取材，與中國東南部地區(qū)螢石礦稀土元素地球化學(xué)特征[21]相似，說明這類螢石成礦溶液的成礦物質(zhì)主要來自于對圍巖的淋濾和萃取，具有大氣降水熱液成因特征。

(a) 毛林壩螢石礦及圍巖黑云母二長花崗巖 (b) 大西溝螢石礦及圍巖黑云母二長花崗巖

(c) 毛林壩螢石礦及圍巖安山巖 (d) 后哈達(dá)螢石礦及圍巖流紋質(zhì)火山碎屑巖

圖6 研究區(qū)螢石礦及圍巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線

Fig.6Chondrite-normalizedREEdistributionpatternsoffluoriteoresandore-bearingsurroundingrocks

4 熱液來源及成因類型討論

研究區(qū)螢石礦主要受斷裂控制。野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)綜合研究表明，該區(qū)螢石礦為熱液成因。熱液是熱的水溶液，主體是水，因此熱液來源即取決于水的來源，水既是熱液主體，也是礦質(zhì)載體和熱的容體。研究區(qū)北部林西地區(qū)螢石礦與喀喇沁旗螢石礦的成礦地質(zhì)背景和礦體產(chǎn)出特征相似，其包裹體δD為-120.5‰～-140.1‰，平均值為-131.2‰；δ18O為-6.7‰～-2.3‰，平均值為-1.44‰[7]。在δD-δ18O圖(圖略)中，林西地區(qū)螢石礦投影點(diǎn)均遠(yuǎn)離巖漿水和變質(zhì)水，螢石礦伴生蝕變礦物黃鐵礦的δ34S為1.2‰～3‰，平均值為1.8‰，與巖漿熱液礦床δ34S值(-3‰～-1‰)[7]不同，說明該區(qū)螢石礦熱液有大氣降水參與。

研究區(qū)螢石礦賦礦圍巖最新地質(zhì)體為早白堊世義縣組安山巖(121 Ma)[10]，最新巖體為早白堊世石英正長斑巖(127 Ma)[10]，如賀家洼螢石礦產(chǎn)于早白堊世石英正長斑巖中。研究區(qū)螢石礦均呈脈體穿插于各巖漿巖體或地層中，螢石礦成礦時，巖漿已冷卻，表明該區(qū)螢石礦熱液并非僅僅來源于巖漿熱液。

綜上所述，研究區(qū)螢石礦成礦熱液來源可能有大氣降水參與，成礦物質(zhì)F和Ca可能來源于熱液對圍巖的淋濾和萃取，成因類型為大氣降水參與的熱液脈狀充填型。

5 成礦模式

研究區(qū)螢石礦成礦熱液中的水主要為大氣降水，成礦物質(zhì)F和Ca來源于熱液對圍巖的淋濾和萃取。燕山晚期，隨著構(gòu)造-巖漿活動加劇，喀喇沁旗地區(qū)早期斷層重新活動，產(chǎn)生新的斷裂系統(tǒng)，大氣降水匯集了從古地表活化的F，在小牛群—赤峰斷陷盆地、熱水—五家斷陷盆地與喀喇沁旗巖基交匯處，即美林—錦山深大斷裂和八里罕—紅山深大斷裂匯集下滲至一定深度，地?zé)嵩鰷亍r漿-構(gòu)造作用和地幔熱源共同驅(qū)動，為下滲的大氣降水提供熱能，形成熱水流體。當(dāng)達(dá)到一定的物理化學(xué)條件時，熱水流體沿斷裂上涌，不斷與圍巖發(fā)生萃取、交代(水/巖)作用，在斷裂有利部位冷凝、結(jié)晶、沉淀后成礦(圖7)。研究區(qū)深大斷裂附近螢石礦床分布較多，且規(guī)模較大，進(jìn)一步論證了上述成礦模式。

1.冰溝組火山巖; 2.義縣組火山巖; 3.中—晚侏羅世火山巖; 4.中—晚三疊世巖體; 5.中—晚二疊世巖體; 6.晚白堊世巖體; 7.寒武系變質(zhì)基底; 8.螢石礦體; 9.斷裂; 10.成礦流體; 11.熱能(動能)； 12.大氣降水

圖7 喀喇沁旗地區(qū)螢石礦成礦模式

Fig.7MetallogenicmodeloffluoritedepositsinHarqinBannerarea

6 結(jié)論

(1)喀喇沁旗地區(qū)螢石礦中的螢石Cu、Pb和Zn含量較低，輕稀土元素略富集，稀土元素總量相對較低，螢石礦成礦流體為巖漿期后熱液成因的可能性較小。

(2)喀喇沁旗地區(qū)螢石礦成礦具有就地取材的特征。當(dāng)圍巖為黑云母二長花崗巖時，礦體較富，礦床成因類型為大氣降水參與的熱液脈狀充填型。

本次工作研究樣品數(shù)量偏少且未系統(tǒng)采集典型礦床的流體包裹體和穩(wěn)定同位素樣品，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對該區(qū)成礦時代和成礦流體性質(zhì)的研究。