内蒙古荣昌萤石矿地质特征及成矿规律

2023-11-06李继业王纪昆祝永平

中国非金属矿工业导刊 2023年5期

李继业，王纪昆，祝永平，蔡童，董帅

(天津华北地质勘查总院，天津 300170)

萤石又称氟石，具有性能高、附加值高等特性，其应用领域广泛，除冶金、化工等传统产业以外还包括新材料、信息技术、新能源、生物、高端制造、节能环保等战略性新兴产业，行业内誉为“第二稀土”[1]。作为一种重要的不可再生非金属资源，先后被中国、美国、欧盟、日本等国纳入危机矿产、战略性矿产或关键性矿产[2-3]。开展对萤石矿成矿规律的研究，对于指导找矿和产业规划的科学部署都具有重要的现实意义。

荣昌萤石矿位于内蒙古锡林浩特市白音锡勒牧场境内，与石灰窑大型稀有金属矿比邻[4]，同处白乃庙—锡林郭勒Fe-Cu-Mo-Pb-Zn-Mn-Cr-Au-Ge-煤-天然碱—芒硝多金属成矿带[5]，成矿地质条件优越。张文等[6]对荣昌萤石矿的地质和矿体特征进行过研究，认为荣昌萤石矿属中—低温热液充填型矿床、并进一步指出矿区北东向构造带的北部是进一步找矿的主要区域，但尚未深入探讨矿产成因和成矿规律。笔者于2013～2014年在该区开展详查地质工作，新发现隐伏矿体20余条，提交资源量规模达到大型。研究区地处浅覆盖区，覆盖面大，方法上创新采用激电测深、磁法扫面等相结合圈定异常，有效排除干扰因素，利用槽探、钻探等工程手段进行验证，找矿成果显著，对寻找浅覆盖区热液型矿床有一定的借鉴意义。当前国内学者对于该成矿带内的稀有金属研究较多[7-10]，而对萤石这样的非金属战略性矿产研究较少，本文基于详查工作所获得的资料，从成矿地质背景入手，采用野外地质调查与室内研究相结合、宏观与微观相结合，在前人研究的基础上进一步分析研究区成矿地质特征，同时类比区域上的矿床，探讨矿床成因，进而总结成矿规律，以期对于寻找类似矿床起到一定的参考和指导作用。

1 成矿地质背景

荣昌萤石矿的大地构造位置处于天山—兴安地槽南缘艾力格庙—锡林浩特地块宝音图—锡林浩特火山型被动陆缘增生带(图1)。区域地层出露较简单，由老至新主要为下二叠统大石寨组、上二叠统林西组、上侏罗统白音高老组及第四系。受多次构造运动影响，区内褶皱强烈，断裂构造发育[10-15]。岩浆活动频繁且分布较广，主要包括早侏罗世酸性侵入岩及二叠世的中酸性侵入岩、中性侵入岩。

图1 研究区区域地质构造简图(据文献[16]修改)

2 矿区地质特征

2.1 地层

研究区出露的地层相对比较简单，主要为上二叠统林西组及第四系(图2)。区内林西组岩性以灰黑色碳质板岩为主，硅质板岩、粉砂质板岩次之，局部为灰岩，是一套海陆交互相沉积岩。该地层的碳质板岩及灰岩为萤石矿体的主要围岩，出露面积约占研究区的26%。第四系分布广泛，主要为风成砂、腐殖土等，根据钻孔资料显示，厚度一般为4～40m，最厚处达71m。

图2 荣昌矿区地质简图(据文献[6]修编)

2.2 构造

研究区褶皱和断裂构造较发育，褶皱主要为北东东向紧密小褶皱。断裂构造主要分为东西向、北北西向及北东向三组。区内北东向断裂为石灰窑—敖包图断裂破碎带(种畜场—海流特山大断裂)的一部分，控制着地层及岩浆岩的分布，为主要导矿、储矿构造，其性质为张扭性断层，区内主要表现为糜棱岩带，时代越老的地层及岩体糜棱岩化越强，时代较新的岩体表现为碎裂结构。产状倾向北西，倾角变化较大，总体较陡(其表现形式为陡立—水平—陡立)。北西向、东西向断裂构造形成较晚，为北东向断裂的次级构造，对主断裂构造产生一定的影响。北东向断裂构造为萤石矿床的形成提供了热液运移通道和储集场所[17]。

2.3 岩浆岩

区内侵入岩出露面积较小，通过钻探工程揭露，底部为大面积花岗岩，岩体主要为早侏罗世花岗岩、钠长石化花岗岩、花岗闪长岩、闪长玢岩、花岗伟晶岩等，呈岩株、岩枝、岩脉状，出露面积为0.28km2，约占矿区的12%。其中脉岩为花岗闪长岩、闪长玢岩、花岗伟晶岩，其产状与区内构造线方向一致，呈北东向分布。区内岩浆活动较为强烈，为地下热水萃取氟、钙成为含矿热卤水提供了热源[17-19]。

3 矿床特征

3.1 矿体特征

区内矿体形态上呈脉状、似脉状、透镜状，主要沿上二叠统林西组碳质板岩、灰岩及蚀变花岗岩的接触部位产出，呈“带状分布、断续延伸、分段集中”的特点。矿化蚀变带长约1.1km，倾向延深100～200m，厚7～30m不等，矿体的规模与形态受北东走向张扭性断裂破碎带控制明显。矿体在走向上呈北东向，以脉状为主，部分地段呈囊状，主断裂带处矿体倾角较大，而远离主断裂带则倾角变小，整体表现出厚度变化中等、品位变化均匀[6]。

关于隐伏矿床(体)的定义和分类，国内外学者尚未有统一意见。当前的主流观点认为隐伏矿(床)体是指埋藏于基岩中受到或未受到现代切割作用，受到或未受到沉积物覆盖的所有矿床(体)[20-22]。区内新发现矿体为隐伏矿体，形态上呈脉状、囊状，长度200m，延深100m，见矿标高在1150～1220m，倾向上产状变化大，倾角2°～50°，走向上延伸具有膨胀收缩现象。矿体具有明显的分带性，其特征为由中心向边缘，矿石由块状变为中粗粒，呈渐变过渡。围岩与矿体界线清楚，岩性为碳质板岩和灰岩。

矿床资源量主要集中于4个隐伏矿体(C5-I、C5-II、C6-I、C6-Ⅲ)，占比为67%，其特征如下。

C5-I号矿体：位于13～17勘查线间。矿体产于构造破碎带中，赋存标高1100～1220m，长度100m，走向北北东18°左右，倾向北北西，倾角55°～63°。矿体厚大，平均真厚度17m；矿体呈透镜状，向13线深部变薄。矿体CaF2平均品位51.27%，最高品位91.82%。顶底板主要围岩为灰岩、碳质板岩，界线明显，在13线和17线底板为蚀变花岗岩，接触界线不明显。

C5-II号矿体：位于7～15勘查线间，矿体产于北东东向的构造破碎带内，控制长度150m，延深110m，赋存标高1260～1151m。矿体呈囊状，走向北东30°，向北西倾覆，倾角较缓，倾角10°～40°，具有分支复合的现象。矿体最大厚度31m，平均品位CaF2为44.24%，最高品位CaF2为95.27%。矿体围岩为为碳质板岩，较破碎，界线明显。

C6-I号矿体：主体位于33～35勘查线间。赋存标高1065～1250m，长度100m，延深120m。矿体走向北东30°～45°，倾角较陡，倾角60°～70°。矿体呈透镜状，35勘查线厚度最大达13m(图3)，向33勘查线变薄，向37勘查线尖灭。矿体CaF2平均品位54.55%，CaF2最高品位98.50%。矿体围岩为黑色碳质板岩或灰岩，界线清晰。

图3 荣昌萤石矿35勘查线剖面简图(据文献[6]修编)

C6-Ⅲ号矿体：位于21～25勘查线间，赋存标高1195～1090m，长度70m，沿深100m，矿体倾角52°。矿体呈囊状，工程穿矿最大厚度88m，CaF2平均品位57.02%，矿体顶板为破碎的碳质板岩，底板为大理岩化灰岩。

3.2 围岩蚀变特征

区内变质作用强烈，蚀变种类多。变质作用类型包括动力变质作用、接触变质作用和热液变质作用。主要蚀变有硅化、萤石矿化、糜棱岩化(图4a)、绿帘石化(图4b)、大理岩化、钠长石化(图4c)、高岭土化(图4d)、绢云母化、矽卡岩化、碳酸盐化等。与成矿关系密切的蚀变类型为高岭土化、硅化和萤石矿化，硅化较为普遍，从矿体中心到边缘均有发育。

图4 荣昌萤石矿床围岩蚀变及组构特征照片

3.3 矿石特征

(1)矿石结构与构造。

区内矿石多呈白色、紫色、绿色，少量浅黄色、灰褐—灰白色，透明—半透明。结构较简单，主要为自形结构、半自形粒状结构(图4f)、他形粒状结构(4e)、细粒结构乃至巨晶结构，交代结构、包含结构次之。

矿石构造以块状(图4h)、角砾状构造(图4g)为主，条带状、梳状、晶洞及同心环状构造次之，局部见葡萄状—瘤状构造。

根据矿石的矿物组合及结构构造特征，矿石类型划分为块状矿石、角砾状矿石。

块状矿石：颜色主要为白色、绿色、紫色，主要以结晶程度较好萤石为主，其他组分主要为石英，大多分布在矿体中部，包括细晶糖粒状、条带状矿石。

角砾状矿石：灰褐色，在区内角砾状的矿石原岩为灰岩。

(2)矿石矿物成分。

矿石矿物主要为萤石，以中粗粒为主，细粒次之，局部呈伟晶状，主要脉石矿物为方解石、石英，少量的角闪石、褐铁矿等。

(3)矿石化学成分。

通过分析测试，查明了矿石中有用、有害组分的含量特征。区内主要有用组分为CaF2，有害化学组分为SiO2、CaCO3、S、P。

主要有用组分CaF2含量一般在34.52%～ 79.59%，单样最高者达98.81%，平均品位为51.35%。有害化学组分SiO2含量在12.07%～42.48%，平均为27.10%；CaCO3含量在1.06%～13.63%，平均6.11%；S含量0.001%～ 1.84%，平均0.208%；P含量0.006%～0.032%，平均0.017%；从矿石的化学成分看CaF2品位较高，CaCO3、S、P较低(表1)。据光谱半定量全分析结果可知，微量及稀土元素含量较低，只有Be略高些，含量30～50ppm，Cu、Pb含量在10ppm左右，锌含量＜0.01%。同一矿体的不同部位，矿石成分呈现出规律性的变化，尤其是垂向上矿体中的SiO2与CaF2互为消长关系，在矿体中部CaF2含量较高，浅部和深部两头SiO2含量较高，中下部的CaCO3含量有增高趋势。

表1 研究区有用有害组分分析结果简表 (单位：%)

4 矿床成因及成矿规律

4.1 矿床成因

⑴成矿热液及物质来源。

萤石矿化学成分为氟化钙(化学式为CaF2)，由钙元素(Ca)和氟元素(F)组成。区内林西组地层(主要为灰岩、大理岩化灰岩)提供钙元素，花岗岩提供氟元素(燕山期酸性黑云母含氟最高[23-25]。白音锡勒牧场二叠纪含天河石花岗岩呈现“富碱、贫镁和钙”的特征[26]。在岩浆岩晚期至热液阶段，氟元素与钾、钠、镁等元素相结合，大量二氧化硅参与其中，形成四氟化硅的流体，在断裂构造作用下向地表浅部迁移[27-30]。花岗岩在遭受风化剥蚀后，大气降水下渗，经循环加热成为地热水过程(图5)中，发生水岩反应，淋滤汲取出岩石中的氟离子、钙离子等成矿组分，上升流体与浅部岩石中渗流的相对低温冷水不断混合，伴随温度、压力降低，pH值升高，CaF2溶解度降低，在有利空间萤石晶出沉淀，形成萤石矿[18]。

图5 荣昌萤石矿成矿模式图(据文献[1]修编)

(2)储矿空间。

研究区北东向断裂构造为张扭性，形成构造破碎带，既为燕山期花岗岩侵入活动提供了通道，又为萤石的结晶沉淀提供了充足空间；断裂构造活化使早期形成的萤石再次发生破碎、熔融，两期的萤石、石英发生胶结，导致萤石矿呈现多阶段。

荣昌萤石矿具备良好的成矿构造环境，在近地表二叠系林西组地层的碳质板岩又具有良好的封闭条件，为萤石聚集提供了良好的存储空间。

综上，本区矿床成因类型为热液充填型。

4.2 成矿规律

已有的研究表明大兴安岭中南段地区典型的热液萤石矿床(乌力吉敖包萤石矿、林西水头萤石矿、三道营子萤石矿、小北沟萤石矿等)形成时代主要集中在早白垩世(143～120Ma)[1,32]。本次工作未对荣昌萤石矿未开展同位素年龄测定，但其赋矿围岩主要为上二叠统林西组，与成矿密切相关的岩体形成时代为燕山早期，邻区石灰窑矿区云英岩化花岗岩的白云母40Ar-39Ar等时线年龄为143.3±1.4Ma[33]，据此判断荣昌萤石矿成矿时代为燕山期。

区域上与成矿相关的断裂为小乌兰沟西断裂，受小乌兰沟西断裂带影响，断裂带内岩石破碎成千枚岩，节理发育。后期有石英脉侵入，压碎呈角砾状产出，表现为构造的复合，断裂的继承活动，与荣昌萤石矿的产出特征一致。荣昌萤石矿主要赋存于北东向构断裂造破碎带中，成矿期与构造同期或稍晚，萤石脉体明显沿断裂构造破碎带充填，呈现出脉体产状与含矿断裂带产状近乎一致的特点，在平面上呈不规则透镜状或扁豆状产出，在剖面上显示为雁列状或串珠状产出。

此外，区内矿体在垂向上呈现一定的分带性。根据萤石矿脉形态、矿石组构、矿物组合和元素组分特征，荣昌萤石矿自上至下可划分为顶盖、头部、中部和尾部矿体。顶盖主要由石英组成，底部可见萤石呈小团块状；头部矿体主要由石英和萤石组成，位于次级构造部位，品位较高；中部矿体主要位于断裂破碎带部位，以块状、角砾状、条带状矿石为主，为区内的主要富矿体；尾部矿体呈现方解石含量的增多。

综上所述，荣昌萤石矿大地构造位置上处于天山—兴蒙造山系锡林浩特岩浆弧内，燕山期侵入岩发育，主要为花岗岩。地层主要为上二叠统林西组，地层岩性包括高含氟的源岩灰岩、大理岩化灰岩等，赋矿围岩为灰岩者多形成大型萤石矿床。区内褶皱和断裂构造较发育，北东向挤压破碎带为石灰窑大断裂带的一部分，该构造带控制着与燕山期侵入岩的分布，矿化集中于断裂最发育的靡棱岩带地区。良好的物源基础并伴有断裂活动等成矿地质条件是荣昌萤石矿具备形成大型矿床的关键要素。这些特征与规律的研究、总结，对萤石矿化露头的工业评价、隐伏矿体和盲矿体的预测以及矿床( 体) 勘探、开采工作的部署，均具重要的实践意义和理论价值。