新疆阿尔金地区卡尔恰尔超大型萤石矿床地质特征及成因

2021-11-16吴益平张连昌周月斌陈三中杨光靖闫瑜婉

地球科学与环境学报 2021年6期

吴益平,张连昌,袁波,周月斌,钟莉,陈三中,杨光靖,闫瑜婉,张新

(1. 浙江省第十一地质大队，浙江温州 325006; 2. 中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029; 3. 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049)

0 引言

当前中国矿产资源形势严峻，资源战略准备不足[1]。萤石是一种重要的战略性非金属资源，主要用于冶金和化学工业，还用于航空、航天、医药、建材、陶瓷和玻璃等领域[2-3]。虽然萤石是中国的优势矿种，但萤石矿床集中分布在中国东部地区，尤以浙江、赣南、内蒙古中东部地区为主[2]。近期在新疆东南部若羌地区新发现的卡尔恰尔超大型萤石矿床，打破了中国西部缺少萤石矿产的格局。

国内学者从萤石矿床赋矿岩石类型和矿床成因的角度先后进行了总结和分类划分[1-11]。曹俊臣根据矿床成因和赋矿岩石类型，将中国萤石矿床划分为3 种类型[3]：①产于酸性—中酸性岩浆岩及其接触带中的矿床；②产于火山岩及次火山岩中的矿床；③产于碳酸盐岩或其他沉积岩、火山沉积岩中的矿床。国外学者多按照成因类型将萤石矿床划分为伟晶岩型、热液型和沉积型[12-14]。新疆阿尔金地区卡尔恰尔超大型萤石矿床为新近发现，其矿床基本特征、类型和成因机制是亟待研究的重要问题。

本文在野外地质调查的基础上，通过对新疆阿尔金地区卡尔恰尔超大型萤石矿床变质杂岩、花岗质侵入岩、韧性剪切带和萤石矿体的重点研究，从矿床地质特征、稀土元素组成等方面，探讨了该矿床的成矿物质来源及成因机制，建立了矿床成矿模式，以期为继续开展阿尔金地区萤石找矿工作提供科学依据。

1 区域地质概况

卡尔恰尔超大型萤石矿床的大地构造位置处于阿尔金造山带(Ⅱ1)中部地块(简称阿中微地块)变质杂岩带(图1)。阿尔金造山带被北部塔里木陆块(Ⅰ1)和南部柴达木陆块(Ⅱ3)及东昆仑造山带(Ⅱ4)所夹持；阿尔金造山带由北往南划分为阿北微地块(Ⅱ1-1)、红柳沟—拉配泉混杂岩带(Ⅱ1-2)、阿中微地块(Ⅱ1-3)和茫崖混杂岩带(Ⅱ1-4)[15-16]。

Ⅰ为泛华夏陆块群，Ⅰ1为塔里木陆块，Ⅰ1-1为塔里木地块；Ⅱ为古陆链南侧陆缘系统，Ⅱ1为阿尔金造山带，Ⅱ1-1为阿北微地块，Ⅱ1-2为红柳沟—拉配泉混杂岩带，Ⅱ1-3为阿中微地块，Ⅱ1-4为茫崖混杂岩带，Ⅱ3为柴达木陆块，Ⅱ3-2为柴达木地块，Ⅱ4为东昆仑造山带，Ⅱ4-1为祁漫塔格沟弧带；图件引自文献[16]，有所修改

阿尔金造山带主要分布的变质地层为古元古界中深变质岩系组成的阿尔金群[17]。阿尔金群是阿尔金变质杂岩带(结晶基底)的重要组成部分，依据分布及岩石组合特征划分出a岩组和b岩组。其中，a岩组主要分布在区域中西部，是卡尔恰尔超大型萤石矿床赋存的区域性地层，以角闪岩相变质岩为主体，岩性为斜长或二长变粒岩、黑云斜长片麻岩、石榴子石矽线石黑云片麻岩、灰—浅灰色二长石英片岩夹白云质大理岩、石英岩、斜长角闪岩等；这套变质岩的原岩为杂砂岩、泥质岩夹碳酸盐岩及中酸性—中基性火山岩建造，厚度巨大。b岩组分布在区域东南部，是以高绿片岩相为主的变质岩组合，岩性有灰—深灰色(石榴子石)黑云石英片岩、变粒岩夹变质火山岩及少量大理岩；原岩建造为碎屑岩-泥质岩夹碳酸盐岩、火山岩组合，厚度可达上千米。

最新研究表明，原归阿尔金群中的一些基性—中酸性侵入岩组合与阿尔金群呈明显的侵入接触，侵入岩特征明显[16,18]。其中，二长花岗岩的单颗粒锆石U-Pb年龄表明其侵入时代为中奥陶世(465～455 Ma)，推测其侵入与阿尔金主造山期相关的俯冲-碰撞构造背景有关[19-21]。而大面积分布于原阿尔金群出露区(约占整个出露区的60%)的片麻岩为角闪岩相变质的古侵入岩，其中盖里克片麻岩锆石U-Pb年龄为900～886 Ma，表明分布于阿尔金群中的古侵入岩形成时期为新元古代[19-22]。区域表壳岩类为由麻粒岩相-角闪岩相-高绿片岩相副变质岩组成的无序地层类，是古元古界阿尔金群的主要组成，主要呈一系列规模不等的构造岩片和构造块体分布于原阿尔金群出露区(图1)。

综上所述，阿尔金变质杂岩经历了前寒武纪基底构造奠基→早古生代主造山期形成等过程，是阿中微地块南部呈NEE向展布的大型复合构造带。阿尔金变质杂岩的形成可能是塔里木地块与柴达木地块之间大陆深俯冲-构造折返的产物[18,23]，同时为阿尔金地区卡尔恰尔超大型萤石矿床的形成创造了有利条件。

2 矿区地质特征

2.1 地层

卡尔恰尔萤石矿区位于卡尔恰尔—阔什复合断裂南侧阿尔金变质杂岩带内，萤石矿主要沿古元古界阿尔金群a岩组与中奥陶世帕夏拉依档中酸性二长花岗岩的接触带分布(图2)。萤石矿体多呈脉状穿插于阿尔金群a岩组第一岩性段变质杂岩和中奥陶世花岗质侵入体中(图3)，EW—NE向F1韧性剪切断裂及北侧大量分布的断裂-裂隙为萤石矿的形成提供了储矿空间。

古元古界阿尔金群a岩组分布在研究区中南部，变质程度达到角闪岩相。本文根据阿尔金群a岩组变质岩类型及岩石组合特征将矿区变质杂岩划分为两个岩性段。萤石矿赋存的阿尔金群a岩组第一岩性段主要为灰色黑云斜长片麻岩、黑云二长片麻岩夹薄层状含金云橄榄大理岩(图3)，矿区南部和西南部分布有黑云斜长变粒岩、黑云二长变粒岩、角闪斜长片麻岩和角闪二长片麻岩，厚度大于1 000 m。依据岩石化学成分[24]认为该变质岩的原岩为一套碳酸盐岩、泥质碎屑岩和火山岩建造。

图3 卡尔恰尔萤石矿区32勘探线地质剖面

2.2 岩浆岩

矿区侵入岩主要包括新元古代亚干布阳古变质侵入体和奥陶纪二长花岗岩。《新疆1∶250 000苏吾什杰幅(J45C002004)区域地质调查报告》将从原阿尔金群解离出来的变质古侵入体称之为亚干布阳黑云二长片麻岩[25]，其形成时代为新元古代(900～887 Ma)[22]，岩性属高钾钙碱性系列的过铝质花岗岩，具有S型花岗岩特征。由此推测该古侵入体的原岩来自于地壳深部沉积岩类局部熔融，形成于俯冲-同碰撞构造转折环境。

中奥陶世二长花岗岩分布在矿区中部和中南部，呈岩株、岩枝产出，《新疆1∶250 000苏吾什杰幅(J45C002004)区域地质调查报告》称之为奥陶纪—泥盆纪帕夏拉依档中酸性岩体群[25]，其年龄为(465.0±2.9)Ma[19]；张若愚等在相邻图幅1∶50 000区域矿产地质调查中获得帕夏拉依档一带岩体锆石U-Pb年龄为(455.1±3.6)Ma和(460.1±3.9)Ma[21-22]；国外学者获得帕夏拉依档二长花岗岩体40Ar-39Ar年龄为(453.4±8.7)Ma[26]。进一步研究发现，矿区中奥陶世二长花岗岩体可分解为中细粒二长花岗岩和似斑状二长花岗岩，这两种岩性之间呈脉动式接触，岩体与围岩接触界面清晰，呈侵入接触关系，接触带倾向北—北西，倾角为73°～81°。岩石化学成分属高钾碱性系列的准铝质A型花岗岩[27]，反映出岩浆由富钾钙碱性系列向富钾碱性系列演化，原岩具有壳幔混合特征，属后碰撞花岗岩类，形成于挤压体制向伸展体制转换的构造背景。

2.3 构造

野外观察表明，矿区变质岩片理总体走向近EW向，倾向南，倾角为76°～83°(图3)。矿区断裂和裂隙构造较为发育，根据构造性质及其与萤石矿之间的关系，划分为成矿前F1韧性剪切断裂和F2韧脆性复合断裂、成矿期近EW—NE向容矿的断裂-裂隙构造(图2、3)。

F1韧性剪切断裂分布在矿区南部，长度大于5 600 m，横切矿区变质杂岩和侵入岩分布。该断裂总体呈近EW向延伸，走向为87°～93°，东段变化为NE向，走向为55°～64°，断裂带宽为16～53 m，倾向北—北东，倾角为73°～82°；沿断裂带大量发育糜棱化绢云母片岩和长英质糜棱岩，其间发育鞘褶皱和揉形褶曲[图4(a)]、S-C组构、挤压透镜体及线理[图4(b)]，近主构造带的次级断裂充填有高角度产出的萤石矿脉[图4(c)]。由此可见，F1韧性剪切断裂是萤石矿的重要导矿和控矿断裂，构成萤石矿的南部边界，同时中奥陶世二长花岗岩主要沿F1断裂带上盘侵入。

F2韧脆性复合断裂分布在矿区北部，呈NE向分布，走向为67°～77°，往东交汇于卡尔恰尔—阔什复合断裂，往西交汇于南部F1韧性剪切断裂，长度大于6 820 m，倾向南，倾角为56°～73°，该断裂经历了较长时期的构造作用，表现为韧脆性变形特征，断裂带中碎裂岩和糜棱岩发育，有泥化、碳化等现象。该断裂构成萤石矿西北部边界，随着断裂往东延伸远离萤石矿带，对萤石矿分布的影响程度逐渐减弱。

矿区发育多条容矿的断裂-裂隙构造带(图2)，延长大于5 000 m，近EW向延伸，倾向北。随着断裂往东延伸，走向逐渐变化为NE向，倾向NW。容矿断裂一般倾角较缓，为32°～43°[图4(d)]，F1韧性剪切断裂附近的次级断裂产状较陡，为55°～73°(图3)。容矿断裂带中的萤石矿脉常具膨大与缩小的“舒缓波状”[图4(e)]及“分枝复合”特点，矿脉中常见围岩角砾[图4(f)]。

初步观察认为：矿区断裂的初始阶段表现为张性-张扭性构造特征，但随着持续右行剪切走滑作用，在侧向挤压构造应力作用下，构造性质逐渐演变为压性-压扭性；F1韧性剪切断裂附近的次级断裂中充填的萤石方解石脉普遍发育碎裂结构，局部具糜棱结构，说明矿脉在充填就位后又经历了强烈的挤压作用，F1韧性剪切断裂具有多期活动的特点。

3 矿体地质特征

卡尔恰尔萤石矿区的矿体主要由数量众多的萤石方解石脉和少量萤石钾长石石英脉组成[图5(a)、(b)]，空间上密集成带分布。

图5 卡尔恰尔超大型萤石矿床Ⅵ号矿脉矿物组成及结构构造

3.1 矿体展布特征

矿区以众多的萤石方解石脉为主构成具有工业价值的单一型萤石矿体，矿体沿中奥陶世二长花岗岩体与古元古界阿尔金群a岩组第一岩性段变质岩接触带分布，赋存于F1韧性剪切断裂北侧近EW—NE向裂隙构造带中，矿脉与围岩接触界面清晰[图4(d)、(e)]。

图4 卡尔恰尔萤石矿区断裂-裂隙构造与矿脉产状野外地质照片

研究区共圈出矿体31个，其中大型萤石矿体(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)4个，占矿床资源量(矿物量)的79.86%。矿体多呈脉状产出，近EW—NE向带状分布，长度为1 710～4 580 m，延伸稳定，连续性好，倾向北—北西，倾角为25°～43°(图3)。矿脉东、西两端逐渐靠近F1韧性剪切断裂，倾角变陡为55°～72°。矿体沿走向具膨大缩小、分枝复合和尖灭再现现象。矿脉平均厚度为2.36～4.68 m，最大厚度为23.50 m，矿体厚度稳定，沿倾向控制最大斜深为907.17 m。矿石CaF2品位为33.05%～35.27%，平均品位为33.91%。

脉体矿物组成单一，主要矿物萤石和方解石分布均匀，含量变化小，矿物颗粒大小均匀。横向上未出现明显的组分和结构构造分带，部分矿脉垂向上有一定的分带特点，具体划分出顶部毛细脉带、中部粗脉带、尾部细脉带(表1)。

表1 萤石方解石脉垂向分带(以Ⅵ矿体为例)

(1)顶部毛细脉带。垂直深度为0～50 m，宽度为50～90 m，由萤石方解石脉构成，多为细脉、毛细脉，向上呈发散状，深部逐渐向主矿脉收敛，脉体连续分布，单脉厚度为0.21～0.60 m，个别地段脉体宽度为1～3 m。萤石呈紫色和淡紫色，部分呈淡绿色，局部溶蚀空洞发育，空洞内分布粉末状方解石和萤石。

(2)中部粗脉带。垂直深度为50～450 m，为复脉，主要由萤石方解石脉构成，分枝复合连续性较好，厚度一般为2～5 m；膨大缩小变化明显，变窄处仅为0.1～0.3 m，最大厚度为23.50 m。矿石具文象结构和粗晶粒状结构，以团块状构造为主，部分具碎粒-碎斑、角砾状和条带状构造。萤石主要呈紫黑色和紫色，少数呈淡绿色和无色。

(3)尾部细脉带。垂直深度超过450 m，呈发散状分布，宽度为80～150 m，由较多的萤石方解石细脉构成，单脉宽度为1～3 m；部分脉体石英成分增多，含有较多的白云母和绿帘石，变化为萤石白云母方解石脉、萤石绿帘石方解石脉和方解石石英萤石脉。萤石呈紫色、淡绿色和无色。

3.2 矿石特征

矿石矿物成分简单，主要是萤石和方解石，其次是石英，少量钾长石、斜长石和白云母，偶见磷灰石和磁铁矿等副矿物。

萤石矿物粒径为2～5 mm，部分为5～20 mm；方解石矿物粒径为2～5 mm，少部分为5～10 mm。萤石和方解石多彼此嵌连呈共结边或填隙状分布，且分布较均匀。石英粒径为1～2 mm，部分为2～5 mm，多沿粗粒萤石和方解石颗粒之间充填交代，具自形结构和环带构造，分布不均匀。钾长石、斜长石、白云母多为交代残留体，分布不均匀。副矿物磷灰石、磁铁矿等多呈零星浸染状分布。

矿石典型结构有粗晶结构、伟晶结构[图5(c)]、文象结构[图5(d)]；构造有团块状构造、角砾状构造[图6(e)]、条带状构造[图5(f)]，少数为条纹状构造；显微镜下见矿物共结边结构、交代结构[图5(g)、(i)]、嵌晶共生结构[图5(h)]、包含结构等。有的矿脉受后期挤压构造作用影响而呈碎裂和糜棱状构造。

矿石类型大多数为萤石方解石脉，占95%以上；少数为萤石石英钾长石脉，占2%～3%。

3.3 围岩蚀变

围岩蚀变主要表现为钾长石化[图6(a)]、硅化[图6(b)]和萤石化，其次是绢云母化和黄铁矿化等。钾长石化是矿区分布最为广泛和重要的蚀变类型，可划分出早、晚两期。其中，早期钾交代发生在岩浆上侵活动期，具面型分布特点，表现为渗滤扩散为主的交代作用，变质岩中斜长石等矿物经钾交代形成钾长石[图6(c)]；晚期钾交代发生在岩浆晚期热液成矿期，沿萤石方解石脉两侧围岩因钾长石化蚀变而呈线性分布[图6(a)]，有的钾长石呈脉状、细脉状穿插交代两侧围岩。硅化主要表现为构造破碎带中硅化石英充填胶结围岩角砾[图6(b)]。围岩大理岩中则常见萤石化沿裂陷交代蚀变的现象[图6(d)]。

图6 卡尔恰尔萤石矿区围岩蚀变野外及显微照片

4 稀土元素地球化学特征

4.1 样品采集及分析方法

为了探讨萤石矿床的成因、萤石与围岩(变质杂岩和二长花岗岩)的成因联系，对新疆阿尔金地区卡尔恰尔超大型萤石矿床的主要矿体(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ)、变质杂岩和奥陶纪二长花岗岩进行了稀土元素分析。所有样品为保证新鲜和无次生蚀变均采自钻孔岩芯。

所有样品的稀土元素分析测试在新疆维吾尔自治区有色地质勘查局测试中心完成。样品经过破碎、混匀、缩分、粉碎至200目，然后进行溶样和测试分析。萤石的稀土元素采用美国Thermo Electron公司电感耦合等离子质谱仪进行分析测试。

4.2 稀土元素特征

本次对采集的矿石和岩石进行稀土元素分析，测试结果见表2、3。萤石方解石脉稀土元素总含量为(208.77～312.35)×10-6，轻稀土元素总含量为(190.21～287.09)×10-6，重稀土元素总含量为(18.56～25.37)×10-6，LREE/HREE值为9.96～12.69；古元古界阿尔金岩群a岩组变质杂岩稀土元素总含量为(119.12～384.50)×10-6，轻稀土元素总含量为(100.50～354.87)×10-6，重稀土元素总含量为(18.62～29.63)×10-6，LREE/HREE值为5.40～11.98；中奥陶世帕夏拉依档二长花岗岩稀土元素总含量为(98.69～299.79)×10-6，轻稀土元素总含量为(87.95～283.42)×10-6，重稀土元素总含量为(10.74～18.42)×10-6，LREE/HREE值为8.19～17.31。

表2 萤石方解石脉稀土元素分析结果

上述围岩及矿脉的稀土元素分布均表现出轻稀土元素富集、重稀土元素严重亏损的特征，反映了所有稀土元素均经历了强烈的分馏作用。

5 讨论

5.1 成矿物质来源

萤石为含钙矿物，Ca2+与稀土元素离子半径相似，常以类质同象方式替代，是稀土元素的重要载体。因此，开展萤石矿物的稀土元素地球化学研究，对于分析成矿物质来源和矿床成因均具有重要的科学意义[28-37]。

萤石方解石脉、古元古界阿尔金群a岩组变质杂岩和中奥陶世帕夏拉依档二长花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素配分模式形态相近，均表现为右倾、负Eu异常的“海鸥式”模型(图7～9)。其中，岩石和矿石球粒陨石标准化后，显示萤石方解石脉(Nd/Yb)N值为4.28～5.52，Eu异常为0.33～0.44，Ce异常为1.02～1.07；阿尔金群a岩组变质杂岩(Nd/Yb)N值为2.44～5.85，Eu异常为0.46～0.83，Ce异常为0.94～1.02；帕夏拉依档二长花岗岩(Nd/Yb)N值为4.07～25.16，Eu异常为0.28～0.59，Ce异常为0.96～1.02。

表3 变质杂岩与二长花岗岩稀土元素分析结果

总体来看，所有矿石和岩石的球粒陨石标准化稀土元素配分模式均表现为明显右倾、负Eu异常的“海鸥式”模型(图7～9)，轻稀土元素富集且有明显的分馏，重稀土元素亏损且分馏不明显。帕夏拉依档二长花岗岩轻、重稀土元素均出现明显的分异分馏，说明随着岩浆结晶，稀土元素的分异作用逐渐增强。萤石方解石脉与古元古代变质杂岩、中奥陶世二长花岗岩的球粒陨石标准化稀土元素配分模式基本一致，说明成矿物质的来源与变质杂岩、中奥陶世二长花岗岩有关。

ws为样品含量；wc为球粒陨石含量；球粒陨石标准化数据引自文献[39]

稀土元素均以较稳定的+3价存在，但Ce和Eu易受外界环境条件的影响而变价成为Ce4+和Eu2+。因此，Ce和Eu异常特征可用来指示成矿流体的氧化-还原条件[30,32,38]。在强酸性、还原环境中，Eu3+被还原成Eu2+的形式存在，离子半径增大，不易取代Ca2+进入萤石晶格中，沉淀出的萤石显示出负Eu异常；而在碱性、氧化环境下，Eu2+被氧化形成Eu3+，离子半径减小，此时可取代Ca2+大量进入萤石晶格中，显示出明显的正Eu异常。卡尔恰尔萤石矿区的萤石方解石脉Eu异常为0.33～0.44，均显示明显的负Eu异常，指示该矿床萤石沉淀时成矿流体为酸性、还原环境。在氧化条件下，Ce3+易被氧化形成Ce4+，而Ce4+溶解度很小，易被吸附而脱离流体，导致从流体中沉淀出来的矿物显示负Ce异常。而卡尔恰尔萤石矿区的萤石方解石脉中Ce异常为1.02～1.07，无负异常，同样指示成矿流体为还原环境。总体来看，萤石方解石脉Eu异常和Ce异常变化范围较小，具有较好的均一性，反映其成矿流体具有一致的来源，同时与矿区二长花岗岩的Eu异常(0.28～0.59)和Ce异常(0.96～1.02)、变质杂岩的Eu异常(0.46～0.83)和Ce异常(0.94～1.02)相近，反映成矿物质来源与二长花岗岩、变质杂岩关系密切[8-10]。

Y、Ho具有相似的原子半径与电子价位，地球化学性质相似，Y/Ho值可作为示踪流体过程的重要参数；富氟体系中，Y较Ho相对富集，一般Y/Ho值大于28[40]。卡尔恰尔萤石矿区的萤石方解石脉中Y/Ho值为28～30，变化范围小且大于28，La/Ho值为44～63。Bau等在研究了英国和德国数个矿床中萤石Y与其他稀土元素的关系后，总结出了Y/Ho-La/Ho图解，并指出Y、Ho分馏现象并不取决于流体来源，而是取决于流体的组成及其物理化学性质[40-41]。同源同期形成的萤石La/Ho值与Y/Ho值具有相关性，且趋近于一条直线，大体呈水平分布；同源非同期形成的萤石La/Ho值与Y/Ho值成负相关关系；而重结晶的萤石Y/Ho值变化较小，La/Ho值变化较大。采自卡尔恰尔萤石矿区不同矿脉或不同部位的12件萤石方解石脉样品在Y/Ho-La/Ho图解[图10(a)]中，沿同一条线呈近水平分布，指示该矿床的成矿流体可能具有一致的富氟流体来源，且为同期成矿。

图8 变质杂岩球粒陨石标准化稀土元素球配分模式

图9 二长花岗岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式

La和Y地球化学性质与轻、重稀土元素的相关性具有相似性。Barbieri等应用La+Y-Y/La图解分析萤石矿床成矿物质来源与花岗岩、沉积石灰岩和页岩的关系[42]。其中，Y/La值可用于指示稀土元素的分馏程度，La+Y值可大致反映稀土元素含量。本文萤石方解石脉样品均落在La+Y-Y/La图解[图10(b)]中的钙碱性花岗岩区域，说明卡尔恰尔超大型萤石矿床在成因上与钙碱性花岗岩的侵入有着密切关系。同时，中细粒二长花岗岩F丰度为896×10-6、似斑状二长花岗岩F丰度为435×10-6(未发表)，这说明前者相比于后者可能更有利于提供成矿物质。变质杂岩中的含金云橄榄大理岩呈薄层和透镜状分布于岩体外接触带，部分含金云橄榄大理岩构成萤石方解石脉的直接围岩，推测阿尔金群a岩组中的大理岩可能为萤石成矿提供部分钙质。