内蒙古乌兰浩特地区萤石矿床成矿预测

王军有，郭 斌，马飞敏，李 榛

(内蒙古自然博物馆，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

氟元素是现代化工业的重要非金属元素之一，萤石作为一种含氟矿物，被广泛应用于工业生产领域。我国萤石矿床仅有两种类型，或是热液充填型矿床，或存在于硅质岩中[1]。虽然我国的萤石资源丰富，总储量具亚洲第一，但是萤石矿的平均品位仅有34.7%。现今探明储量的矿区主要分布在内蒙古、湖南、云南、福建等地，大型矿区共13个[2]。在内蒙古乌兰浩特地区，存在多处萤石矿化点，六合萤石矿床和太平萤石矿床更是该地区代表性的中大型矿床，自20世纪60—70年代以来开采多年。但当前对该地区的矿床研究程度较低，成矿预测方向的探索较少[3]。这次研究将以卫东萤石矿床为例，对矿区的地质条件和成矿特征进行分析，并采用地球物理手段进行成矿预测，圈定找矿靶区。

1 矿床地质特征

乌兰浩特地区位于蒙东南中—晚华力西褶皱带，以NE向、NW向断裂构造最为发育，整体构造呈网格状结构。NE向断裂是早期形成的断层，也是主要的成矿控制因素[4]。图1为乌兰浩特地区地质简图，整个区域的主要出露地层为上侏罗统白音高老组(J3b)和第四系(Qhpld)，早白垩系花岗斑岩(K1γπ)为主要出露侵入岩。NE向断裂是研究区的构造格架，控制了火山机构的产出；同时，断裂构造控制了晚侏罗世及早白垩世的部分侵入岩的形态分布，沿断裂产出了大量脉岩。在断裂交汇处，频繁的热液活动利于成矿[5]。从构造单元的大地构造演化来看，频繁的岩浆-火山活动、构造活动长周期，使得区域内有大量内生金属矿产产出。该区域构造经历多次拉张，且割裂较深，这不仅为区域成矿提供了通道，而且活动带来的强烈应力和热能改变了地壳内部压力和温度，进而产生部分熔融，造成了矿源层多金属的活化迁移，为矿产在构造部位富集提供动力[6]。

这次研究所发现的萤石矿体位于矿区北部，受F7断裂带控制。F7呈NE向展布，位于花岗斑岩与流纹质晶屑凝灰岩接触带附近，倾向约330°，倾角约68°，地表延伸约800 m；其性质为张性断裂，断距在2～10 m之间，与其周围发育的次一级断裂组成断裂构造角砾岩带，并具一定深度延伸。萤石矿体或分布于构造裂隙中，或与角砾岩呈胶结物形态。在研究区地表共圈出2条矿化蚀变带，矿化蚀变带Ⅰ为主要研究对象。放射性勘探测线位置见图1。

图1 乌兰浩特地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Ulanhot area1—第四系全新统 2—流纹质晶屑凝灰岩 3—早白垩世花岗斑岩 4—地质界线 5—实测正断层 6—矿化蚀变带 7—矿体 8—放射性测线

图2为勘探线剖面图。矿化蚀变带Ⅰ位于F7断裂带北东段，探槽、钻孔控制效果见图2；控制长度约90 m，宽2～15 m；倾向320°，走向60°，倾角与F7基本一致，沿倾向深部宽度趋窄。探槽揭露显示该蚀变带的主要岩性为花岗斑岩、流纹质晶屑凝灰岩，高岭土化极为发育，并伴有碳酸盐化、局部萤石矿化。钻孔控制倾角约68°，平均厚度为5 m，见萤石矿化较强。萤石矿体多以团块状、胶结物态分布于角砾岩中，又以细脉状分布于顶底板围岩，整体分布形态呈网脉状及细脉状。

图2 勘探线剖面图Fig.2 The profile of exploration line1—坡洪积层 2—流纹质晶屑凝灰岩 3—花岗斑岩 4—萤石矿化构造角砾岩带 5—萤石矿化体 6—矿体编号 7—化学样取样位置 8—探槽位置及编号 9—钻孔编号/孔口高程

由图2可见，矿化蚀变带Ⅰ中共4条萤石矿体(Ⅰ、Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3)及5条萤石矿化体(Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅰ-7、Ⅰ-8)。Ⅰ号矿体是这次研究的主矿体，其平均品位为34.17%，矿体西南走向呈变厚趋势，深部矿体品位趋富；矿体倾向深部厚度趋小，品位呈贫化趋势；整体看来，矿体呈透镜状形态产出。Ⅰ-1号矿体位于Ⅰ号矿体上方，平均品位为26.26%；Ⅰ-2、Ⅰ-3号矿体位于Ⅰ号矿体下方，平均品位分别为20.81%和31.32%。

2 成矿模型构建及成矿预测技术

2.1 基于显微测温的成矿模型构建

在Ⅰ号矿体的深部62 m处和近地表处分别采样，并命名为a1、a2，取样位置见图2。通过显微测温技术，得到不同深部矿体的流体包裹体类型及性质。图3为流体包裹体特征，可以发现a1、a2内部的原生包裹体主要发育，次生包裹体部分发育；两者分布方式多为带状分布，a2中存在部分串珠状排列；两者包裹体类型以纯液和富液包裹体为主，a2中有少量气烃包裹体发育。

图3 Ⅰ号矿体流体包裹体的类型及形态特征Fig.3 The types and morphological characteristics of fluid inclusions in No.1 orebody(a)L+V型-a1 (b) L+V型-a2 (c) L+V，V型-a2 (d) L+V，L型-a2 (e) L+V，L，V型-a2

a1内仅含L+V型流体包裹体，数量相对较少，以椭圆状为主，介于2 μm×6 μm到22 μm×15 μm之间，气液比约为15%。a2所含包裹体类型丰富，数量较多，以椭圆状为主，介于4 μm×5 μm到10 μm×14 μm之间，气液比约为20%。由此推测，对同一矿体而言，随着地层深度增加，流体包裹体数量、类型逐渐减少，体积逐渐增大，气体含量降低。由此推测，该区域矿体存在矿化垂直分带特征。

对流体包裹体的各项物理特征进行分析。对包裹体进行加热，测量其刚好由多相变为单相时的温度，即均一温度[7]。以冰点温度求解流体包裹体的盐度W，公式(1)为其计算式：

(1)

其中：W表示盐度的质量分数，Tm为冰点温度。用t表示均一温度，A、B、C为与盐度W有关的函数，公式(2)为流体包裹体密度ρ的计算式。

ρ=A+B·t+C·t2

(2)

流体包裹体的压力P计算采用前人的经验公式[7]，见公式(3)：

(3)

根据上述公式可以得到流体包裹体的各项物理特性，对矿石样品内包裹体的物理特性进行统计，见图4。由图4可知，乌兰浩特地区成矿流体的均一温度在170℃～195℃之间，平均值为186℃；盐度w(NaCleq)范围为0.35%～5.41%，平均值为3.14%；平均密度为0.94 g/cm3，平均压力为16.45 bar。因此成矿流体为中低温、低盐度、低密度流体，并推测该矿区属于浅层成矿。

图4 Ⅰ号矿体流体包裹体的盐度和均一温度特征Fig.4 The salinity and homogenization temperature of fluid inclusions in No.1 orebody

根据成矿特征分析，构建乌兰浩特地区的成矿模型(图5)。

图5 乌兰浩特地区成矿模型Fig.5 The metallogenic model of Ulanhot area1—流纹质晶屑凝灰岩 2—花岗斑岩 3—断层 4—萤石矿体 5—岩浆热液 6—大气降水

内蒙古乌兰浩特地区与赤峰林西地区同属一个构造-岩浆活动带，既有研究对该构造带的成矿来源有两种观点，一是来源于燕山期中晚期的岩浆活动，二是来源于流体萃取和富集[8]。结合其他地区前人研究成果[9-11]及本区成矿特征，本研究对乌兰浩特地区的成矿模式有下述推测。大气降水沿地层裂隙往下渗，并在长期作用下于基底形成富水盆地；盆地的大气降水将周围岩层中的含Ca矿物质萃取出来，并形成了富Ca流体。在中生代燕山期的构造-岩浆活动中，中酸性岩浆上涌，并携带有部分F元素；当上涌岩浆与富矿流体相遇时，发生复杂的化学反应。在这一过程中，成矿元素随加热的低密度流体持续上涌，在近地表裂隙发育处随着温度压力的降低过饱和结晶析出，富集成矿。

2.2 基于伽马能谱测量的成矿预测技术

地球物理方法在金属矿的成矿预测中应用较为成熟，但其在非金属矿的成矿预测上应用还不甚广泛。有研究表明，根据放射性元素的种类和数量可以区分不同的地质体，而土壤中的放射性元素会受到基岩影响[12]。研究区位于内蒙东部浅覆盖区，属于浅层中—低温热液裂隙充填成矿，且严格受F7断裂构造控制。另一方面，推测矿区存在垂直分带模式，即矿体硅质盖顶、头部、中部、尾部在性质上存在明显分带规律。这意味着若区域内存在硅质破碎带，则它极可能是深部矿体的硅质盖顶，且这一区域具有深部找矿潜力。

本研究采用伽马能谱测量进行成矿预测。通过测量岩石或土壤中放射性元素的丰度，可以判断隐伏矿体的位置[13]。从矿区地质条件和成矿特征来看，推测采用伽马能谱测量进行成矿预测具有一定的可行性。以垂直矿体、矿化体为剖面线布设原则，采用100 m×20 m的网度布设测线剖面，测线方位为140°，共布设13条，完成测点393个。根据实际情况调整测线长度，总长度为7574 m，控制面积为0.85 km2。测线布置见图1。

测量仪器为HD-2002便携式伽马能谱仪，提前进行标定和“三性”检查，保证误差、精度要求；测量前需要开机预热5 min；测量时间设置为5 min。每条测线测量时需要设置点号及线号，以便于仪器自动记录。在实际工作中，包括地表测量和全孔测量两方面内容，测量地质体为凝灰岩、花岗斑岩、萤石矿体、第四系腐殖土。地表测量时，将仪器探头置于地质体平坦处，5 min后读数并存储，每次读取铀(U)、钍(Th)、钾(K)、放射性总量(Ur)四组数据。在Ⅰ号矿体选择一个钻孔岩心进行全孔测量，岩心段每2 m设置一个测点，矿心段每1 m设置一个测点；岩心段大于10 m时，多点测量取均值；最终共完成测点44个。若存在异常测点，需重复测量并详细记录地质情况。

3 基于伽马能谱测量的成矿预测及靶区圈定

伽马能谱测量反映了区域的地质的放射性元素特征，对测量结果进行统计分析(表1)。就放射性总量Ur来看，花岗斑岩的测量值最高，尤其是U的范围值明显高于另外三种地质体；其次是凝灰岩、第四系腐殖土；萤石矿体的放射性总量最低。就单种放射性元素的测量结果来看，不同地质体的含量趋势与总量趋势一致，萤石矿体的各项放射性元素显著低于其他地质体。由此可知，研究区不同地质体的放射性元素存在显著差异，采用伽马能谱测量具有可行性。

表1 伽马能谱测量结果Table 1 Gamma spectrum measurement result

以6线的测量结果为例，分析不同地质体与放射性元素变化趋势的对应关系(图6)。由图6可见，放射性元素U、Th、K的变化趋势基本一致；曲线低值区为5号、6号，高值区为1号、2号、3号、4号。从对应位置来看，高值区对应花岗斑岩与围岩的接触带附近，例如1号、4号位于花岗斑岩处，2号、3号位于岩体与地层接触带附近。5号低值区与萤石矿体位置基本对应，其U、Th、K测值均处于低水平。在6号低值区中，虽然Th值为低水平，但U、K测值反映不明显，且无明显对应关系。全孔测量结果与上述结果一致。根据上述分析推测，该区域矿体的放射性含量显著低于周围其他地质体，因此6号低值区可能存在隐伏矿体或矿化体。

图6 6线伽马能谱测量曲线图Fig.6 The gamma spectrum measurement curve in No.6 line1—坡洪积层 2—流纹质晶屑凝灰岩 3—花岗斑岩 4—断层 5—萤石矿脉

作为自然界化学性质最为稳定的放射性元素，Th能较准确地反映实际地质情况，接下来将以Th含量进行靶区圈定。图7为Th含量等值线平面图。由图7可见，依据Th含量差异，可将测量区域分为高、中、低值区域。高值区域显示为橙色—褐色，w(Th)为8.32×10-6～10.22×10-6；中值区域显示为黄色—土黄色，w(Th)为6.54×10-6～8.01×10-6；低值区域显示为蓝色—淡蓝色，w(Th)为1.74×10-6～6.11×10-6。由此可以推测，低值区域为成矿预测的主要对象，这里以粉红色框线进行圈定，并以A、B、C对其命名(图7)。结合区域地质情况来看，高值区域对应花岗斑岩及部分流纹质晶屑凝灰岩；中值区域主要对应流纹质晶屑凝灰岩；低值区域在矿体、矿化体附近，部分位于第四系浅覆盖区。

前述已通过工程验证工作证实，Ⅰ号、Ⅱ号矿体深部存在萤石矿体，而Ⅰ号、Ⅱ号矿体位于区域A内低值异常最显著部位，因此这次研究共圈出两处成矿远景区，它们分别位于区域B、C。1号成矿远景区位于区域C内一山脊处。此处见一萤石矿体沿破碎带侵入，地表出露约50 m，宽1～2 m；见高岭土化等蚀变现象，矿石细脉沿裂隙分布；近地表处存在硅质盖层，与区域A的成矿条件类似。区域C的w(Th)在4.34×10-6～5.68×10-6之间，整体为NW向低值异常带，与区域A的放射性异常特征类似。2号成矿远景区位于区域B内一平缓山坡地带。此处位于Ⅰ号矿体东南延伸带处，因地表存在覆盖层，未见矿体及矿化体出露；区域整体呈NE向展布，w(Th)在4.23×10-6～5.24×10-6之间。由于该处存在浅覆盖层，推测低值异常区的浅地表附近存在隐伏矿体或矿化现象。综上所述，将1号成矿远景区确定为A类远景区，将2号成矿远景区确定为B类远景区，有待进一步深部验证。

5 结论

1)乌兰浩特地区萤石矿成矿流体的均一温度在170℃～195℃之间，平均值为186℃；盐度w(NaCleq)范围为0.35%～5.41%；平均密度为0.94 g/cm3，平均压力为16.45 bar。因此成矿流体为中低温、低盐度、低密度流体。

2)萤石矿体的U、Th、K质量分数范围分别为1.76×10-6～6.35×10-6、18.2×10-6～25.7×10-6、0.37%～2.45%，矿体放射性元素含量显著低于其他地质体，因此伽马能谱测量具有可行性。

3)根据测量结果圈定出A类和B类成矿远景区各一个。研究结果对于萤石矿的地球物理找矿预测具有一定的参考，但具体成矿情况有待进一步工程验证。

4)依据地质条件和成矿特征分析构建了区域成矿模型，认为成矿作用与中生代燕山期热事件有关。含氟的中酸性岩浆热液与上覆盆地富钙循环流体相遇并发生复杂的化学反应形成含矿低密度流体，随后上升至近地表裂隙发育处并随着温度压力的降低而过饱和结晶析出，富集成矿。