冀北地区萤石矿地质特征及成因初探①

2022-01-11金涛

化工矿产地质 2021年4期

金涛

中化地质矿山总局地质研究院，北京 100101

冀北地区为冀北-辽西成矿带[1-2]萤石重要成矿远景区，分布有大大小小的萤石矿四十余处。该地区萤石矿开采时间较长，勘查程度比较高，但相关的研究工作较少，尤其在萤石矿矿床成因方面系统研究程度不够，直接制约着萤石矿的资源开发和利用。本文在已有地质资料的基础上，结合野外地质调查，充分分析了本区萤石矿的矿床地质特征、地球化学特征，对萤石矿成矿物质来源、成因进行了探讨，可为本区萤石矿进一步的找矿工作提供借鉴。

1 区域地质背景

冀北地区位于华北陆块区（Ⅱ）晋冀古陆块（Ⅱ-2）北部迁西陆核（Ⅱ-2-1）[3]，在漫长的地质历史发展过程中，经历元古宙、海西、印支、燕山和喜山期构造运动，构造变动强烈，都不同程度地保留了构造活动形迹。区内地层出露较为广泛，由老到新有新有太古宇红旗营子岩群（Ar3H）、下二叠统三面井组（P1s）、上侏罗统土城子组（J3tch）、下侏罗统下花园组（J1x）、下白垩统张家口组（K1z）、下白垩统九佛堂组（K1j）、下白垩统义县组（K1y）、下白垩统大北沟组（K1y）、中新统汉诺坝组（N1h）、第四系（Qh）（图1）。其中以中生代地层最为发育，出露连续且齐全。

图1 区域地质图Fig.1 Regional geological map

区内岩浆活动强烈，侵入岩大量发育，按时代可以分为中元古代、晚古生代及中生代。分布最广的为中深成酸性、中酸性侵入岩，浅成-超浅成酸性、亚碱性侵入岩次之。岩体内部后期衍生脉岩较为发育，主要为石英脉、花岗岩脉，受构造控制明显。火山岩[4]广泛分布，总体呈北东向带状分布，时代主要发生在中生代晚侏罗世、早白垩世及新生代中新世，由早到晚可划分为三个旋回，分别为张家口期、义县期和汉诺坝期。侵入岩与同期的火山岩、潜火山岩紧密相伴共生，部分浅成-超浅成侵入体内矿化、蚀变强烈，部分火山机构的潜火山岩及火山构造与一些有色金属、非金属成矿作用也具有成因联系。

自太古宙以来，区内经历了多期构造活动，都不同程度地保留了构造活动形迹。不同时代、不同规模、不同性质、不同方向构造形迹的叠加铸成了区内繁杂的构造景观。区内构造主要为断裂构造，大的断裂构造有近东西向康保-围场-赤峰断裂带、尚义-丰宁-隆化断裂带、红石砬-大庙-娘娘庙断裂带，北东向乌龙沟-上黄旗断裂带、黑山咀-张三营-银镇（区内）断裂带，北西向伊逊河断裂带。次级断裂，其空间展布方向以北东-北北东向和北西向、近南北向为主，少量为近东西向。本区的萤石矿床分布区域，相对集中在上述北东向主干断裂带沿线的北东-北北东向及北西向的次级断裂中，火山机构外围也是寻找萤石矿的重要地段。

2 矿床特征

区内萤石矿资源丰富，已查明中小型萤石矿床(点)47处，主要赋存于下白垩统张家口组、义县组火山岩及早白垩世浅成侵入岩中（表1）。矿体主要受断裂控制，呈脉状和不规则状产出。区内萤石矿体走向以北东向、北北东及北西向为主，矿体产状与控矿断裂产状一致，倾角一般较陡，多在55°以上，萤石矿体及矿（化）带规模不一。

表1 区内主要萤石矿体地质特征一览表Table 1 List of geological characteristics of main fluorite ore bodies in the area

2.1 矿石特征

颜色：本区萤石呈无色、紫色、绿色、淡黄色及透明-半透明[5]。

结构构造：萤石主要为他形粒状结构及半自形粒状结构，次为自形粒状结构和碎裂状结构（图2）。矿石构造主要有块状构造、角砾状构造、梳妆构造、条带状构造及细脉状-网脉状构造（图3）。

图2 冀北地区萤石矿结构特征Fig.2 Structural characteristics of fluorite deposits in northern Hebei

图3 冀北地区萤石矿构造特征Fig.3 Structural characteristics of fluorite deposits in northern Hebei

物质组分：矿石矿物为萤石，脉石矿物主要为石英、玉髓，其次为方解石、高岭石、绿泥石、长石、绢云母等。萤石呈块状、梳状、假角砾状、晶簇状等，分布于脉石矿物石英及玉髓间，构成斑杂构造；石英呈它形粒状、梳状拉长状；玉髓呈它形微粒状。矿石类型以石英-萤石型、萤石-石英型矿石为主。

2.2 围岩蚀变

围岩蚀变以硅化为主、次为绢云母化、高岭土化、绿泥石化及褪色现象，少数伴随有碳酸盐化及黄铁矿化。蚀变带常环绕矿体分布。

3 地球化学特征

3.1 样品的采集与分析

本次共选取了区内有代表性的砬子沟萤石矿（LZG）、三道沟萤石矿（SDG）、二道营北沟萤石矿点（EDYBG）、下营子萤石矿点（XYZ）等4个萤石矿床（点），共采集 14件样品，包含 9件萤石矿石样品及5件围岩样品，样品均为未风化新鲜岩石，招素沟萤石矿（ZSG）样品数据引用已有数据[5]。所有样品均由中化地质矿山总局中心实验室测试完成，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对微量元素及稀土元素进行了系统分析，分析误差均小于3%，分析结果见表2、表3。

表2 区内萤石矿微量元素分析结果表Table 2 Analysis results of trace elements in fluorite mines in the area

表3 区内萤石矿稀土元素分析结果表Table 3 Analysis results of rare earth elements in fluorite mines in the area

续表2

续表3

3.2 微量元素特征

表2列出了萤石矿及其围岩的微量元素含量，13件萤石样品中 Cu的含量为 1.09×10-6～8.89×10-6，平均 4.68×10-6；Mo 的含量为0.23×10-6～0.91×10-6，平均 0.50×10-6；Ni的含量为 49.3×10-6～96.0×10-6，平均 69.1×10-6；U 的含量为 0.062×10-6～2.49×10-6，平均 0.60×10-6；Be的含量为 0.49×10-6～1.30×10-6，平均 0.90×10-6；Co 的含量为 3.54×10-6～17.80×10-6，平均6.69×10-6；Cr的含量为 2.78×10-6～16.7×10-6，平均 6.05×10-6；Zn 的含量为 1.47×10-6～31.30×10-6，平均7.68×10-6。所有样品相对于围岩均表现出较高的Co、Ni含量，变化较小，其中Ni的含量明显偏高；U、Be、Mo、Zn等元素含量较低，变化较大。所有萤石样品中Sr的含量变化不大，为308×10-6～1870×10-6，平均 608.8×10-6，大于地壳的丰度值[6]，说明萤石具有富Sr的特征。

3.3 稀土元素特征

萤石矿的 ΣREE 含量为 20.55×10-6～228.39×10-6，平均 109.61×10-6。LREE 为13.93×10-6～202.45×10-6，平均 89.01×10-6；HREE为 6.62×10-6～43.79×10-6，平均 20.60×10-6；LREE/HREE为0.58～22.64。研究区的萤石矿的ΣREE含量变化较大，图4是区内萤石矿石稀土元素的球粒陨石标准化配分曲线，根据此图本区萤石矿稀土分布可以分为2类：一类为轻稀土相对富集型[7-12]，稀土分布型式大致相似，各分布曲线均表现为起伏很小的、中等程度的右倾斜（图4b，图4c，图4d），Eu表现为弱亏损或无亏损，Ce均表现为负异常，(La/Yb)N值大于1，这类萤石矿均赋存于花岗岩中；另一类为重稀土相对富集型，ΣREE总体含量较低，Eu的亏损强烈，Ce均表现为负异常，(La/Yb)N值小于1，各分布曲线均表现为在Eu处显示的“V”形，这类萤石矿赋存于火山岩中。

萤石矿与围岩：砬子沟萤石矿与赋矿围岩纹质熔结凝灰岩（图4a）稀土配分模式基本相同，显示出一定的相似性，萤石的稀土总含量低于围岩，Eu都表现为负异常。招素沟萤石矿萤石与赋矿围岩正长斑岩（图4b）萤石与围岩稀土元素标准化配分图均表现为右倾的曲线，分配模式总体基本一致，萤石Eu既表现有正异常又有负异常，围岩均表现为负异常，显示为 Eu亏损。三道沟萤石矿与赋矿围岩正长花岗岩（图4c）稀土配分模式显示出一定的相似性，萤石的稀土含量远低于围岩正长花岗岩，而萤石显示 Eu的正异常，正长花岗岩为 Eu的负异常。从稀土的配分模式来看，萤石与相应围岩稀土的配分是相似的，显示出它们具有一定的亲缘关系[7]。

图4 冀北地区萤石矿及围岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图Fig.4 REE Distribution curve standardized by chondrites in fluorite mines and surrounding rocks in northern Hebei

4 矿床成因

4.1 成矿条件分析

萤石矿主要分布在北东向主干断裂带沿线的北东-北北东向及北西向的次级断裂中，火山机构外围也是寻找萤石矿的重要地段。北东向的深断裂是本区的导岩及导矿构造，而次级断裂构造是主要的容矿构造，断裂构造为成矿热液的运移提供了通道，为成矿物质富集提供了场所，是重要的成矿条件。

萤石矿体的赋矿围岩主要集中在早白垩世张家口期及义县期火山岩中，也有晚侏罗世浅成-超浅成侵入岩又有早白垩世浅成-超浅成侵入岩，说明萤石矿与火山热液及燕山期岩浆侵入活动关系密切。围岩与萤石矿界线清晰，近矿围岩常常发生蚀变，硅化强烈且范围宽大，伴随强烈高岭土化的部位是寻找萤石矿的有利部位。

4.2 Eu、Ce异常

冀北地区萤石矿δEu值为0.35～1.26，显示既有 Eu的正异常又有负异常的特征，表明萤石沉淀过程中成矿流体温度发生过变化[10]。从图4中可以看出，赋存于火山岩中的萤石表现出 Eu的负异常，反映 Eu发生了氧化作用；赋存于花岗岩中的萤石既有弱的 Eu正异常又有负异常，反映成矿流体既有氧化环境又有还原环境。所有样品 δCe值为 0.65～0.95，均小于 1，表现为弱的 Ce异常，可能反映了成矿流体本身就是亏损Ce的[13]，一定程度上反映了冀北地区萤石成矿流体演化的一致性。

4.3 成矿物质来源

冀北地区萤石矿主要赋存于早白垩世侵入岩、下白垩统张家口组及义县组火山岩中。早白垩世侵入岩与同期的张家口组及义县组火山岩、潜火山岩紧密相伴共生，部分浅成-超浅成侵入体内矿化、蚀变强烈，为成矿提供了热液和矿质来源。围岩与热液型萤石矿床的形成有密切的关系,推测成矿物质来源于地下热液对围岩的淋滤和萃取，岩浆岩是热量和物质来源[14]。

Bau等[15]在研究德国和英国多个萤石中稀土元素地球化学特征，总结出了 Y/Ho-La/Ho关系图（图5）；从Y/Ho-La/Ho图解中可看出，冀北地区萤石矿基本成水平分布，反映其形成的流体是同源的，表明该区萤石成矿来源可能是相同的。

图5 冀北地区萤石矿Y/Ho-La/Ho图解[15]Fig.5 Y/Ho-La/Ho diagram of fluorite mine in northern Hebei

4.4 矿床成因类型

冀北地区岩浆活动强烈，萤石矿床产于火山岩及浅成-超浅成侵入岩中。区内萤石矿床严格受断裂构造控制，矿体形态总体呈脉状及透镜状，矿体与围岩界线清晰；围岩蚀变主要为硅化、高岭土化及绢云母化等中低温的热液蚀变组合，萤石矿床具有中低温热液充填型萤石矿床的地质特征。Möller等学者根据全世界150多个萤石样品的测试数据，设计出Tb/Ca-Tb/La(原子比)关系图，从而划分出伟晶岩（气成）成因区、沉积成因区及热液成因区3个成因区[16]。将研究区内取得的萤石样品数据投在Tb/Ca-Tb/La关系图中，14个样品全部落在热液区(图6)，表明该区萤石矿为热液成因的产物。前人通过研究萤石矿成矿温度，得知中国大多数萤石矿的成矿温度都低于 300℃，属于中低温矿床[17]，而区内典型的萤石矿招素沟萤石矿气液包体测温表明成矿温度为 180～220℃[5]，成矿温度在中低温范围内，因此，区内萤石矿床成因类型为中低温热液充填型。