吴益平 张连昌 周月斌 朱明田 陈三中钟 莉 杨光靖 闫瑜婉 刘建锋

（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）

萤石是一种重要的战略性非金属矿产资源，主要用于冶金和化学工业，还用于航空、航天、医药、建材、陶瓷和玻璃等工业领域（曹俊臣，1987；王吉平等，2014，2015）。近年来，随着萤石应用领域的不断扩展，对萤石矿产的需求呈现快速增长的态势。因此，开展萤石矿产的区域成矿规律及找矿预测研究具有重要的现实意义。虽然萤石是我国的优势矿种，但萤石资源分布极不均匀，主要集中于浙江、赣南及内蒙古中东部地区。近期由浙江省地勘单位在阿尔金地区新发现的卡尔恰尔萤石矿床，初步探明CaF2矿物量2 249×104t，已达超大型规模。该萤石矿床位于新疆若羌县境内，阿尔金山中段北麓，东距315国道和新建库尔勒—格尔木铁路约170 km，北距若羌县城直线距离约72.5 km。该萤石矿床的发现与评价，取得了引人瞩目的成果，推动了阿尔金地区的萤石找矿工作，打破了西部缺少萤石矿产的格局（吴益平等，2021）。

前人研究表明，我国萤石矿床以中-低温热液矿床为主，常与石英和方解石等共生，有的与稀土、钨锡、重晶石等密切伴生，品位较低（王吉平等，2014，2015；Han et al.，2020；Zou et al.，2020）。我国学者从萤石矿床赋矿岩石类型和矿床成因的角度，先后对萤石矿床进行了总结和分类划分（张寿庭等，1995，2014；邓小华等，2009；邹灏等，2012；Deng et al.，2014；方贵聪等，2020）。如有学者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（王吉平等，2015）：1）产于酸—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划分为伟晶岩型、热液型和沉积型（Möller et al.，1976；Ismail et al.，2015；Assadzadeh et al.，2017）。新疆阿尔金卡尔恰尔超大型萤石矿床属新近发现，其矿床类型和成因机制是亟待研究的重要问题。本文基于实际勘查工作成果，通过对卡尔恰尔萤石矿床地质特征总结，从矿物包裹体特征、氢氧同位素组成等方面探讨萤石方解石脉型成矿流体的性质及来源，为深入研究成矿机制与区域成矿规律，开展阿尔金地区萤石找矿工作提供帮助。

1 区域与矿床地质特征

1.1 区域地质背景

卡尔恰尔萤石矿床大地构造位于阿尔金造山带中部地块变质杂岩带阿中微地块（图1）。阿尔金造山带主要分布的变质地层为古元古代中深变质岩系组成的阿尔金群（校培喜等，2014）。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，是卡尔恰尔萤石矿赋存的区域性地层，以角闪岩相变质岩为主体；b岩组分布在区域东南部，是高绿片岩相为主的变质岩石组合。区域侵入岩主要是二长花岗岩，该岩体单颗粒锆石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（崔军文等，1999；张若愚等，2016，2018），而大面积分布于原阿尔金群出露区（约占整个出露区60%左右）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年龄值为900～886 Ma，表明分布于阿尔金群中的古侵入体形成时期为新元古代（李琦等，2018）。而区域表壳岩为由麻粒岩—角闪岩相—高绿片岩相副变质岩组成的无序地层，是古元古代阿尔金群的主要组成，它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）。可见，阿尔金变质杂岩经历了前寒武纪基底构造奠基到早古生代主造山期形成等过程，是阿中微地块南部呈北东东向展布的大型复合型构造带。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（Sobel and Arnand，1999；吴锁平等，2007；张建新等，2011），同时为阿尔金卡尔恰尔大型萤石矿床的形成创造了有利条件。

区域卡尔恰尔—阔什复合型大断裂在卡尔恰尔萤石矿区北部通过，走向北东东向，构造面产状320°～10°∠65°～80°，长度大约160 km，宽300～450 m，经历了逆冲挤压、走滑、脆性变形的构造演化过程，是具有多期活动的复合型韧性剪切断裂构造。断裂构造活动控制了区域沉积建造、岩浆活动和变质作用，直接影响了区域钨、金、稀土、萤石、砷、硼等形成与分布，长期的断裂构造活动改变了其附近地区的物理化学环境，发生了大规模与卡尔恰尔萤石矿等形成有关的奥陶纪构造岩浆活动，是影响区域矿产分布的重要断裂构造。

作为卡尔恰尔—阔什复合型大断裂的分支断裂F1韧性剪切断裂在矿区南部通过，长度5 600 m以上，横切矿区变质杂岩和侵入岩分布。断裂带宽16～53 m，倾向北—北东，倾角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，近主构造带的次级断裂充填有高角度产出的萤石矿脉（图2）。可见F1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韧脆性断裂分布在矿区北部，走向北东67°～77°，往东交汇于卡尔恰尔—阔实区域性断裂，往西交汇于南部F1韧性剪切断裂，长度6 820 m以上，倾向南，倾角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。

图2 卡尔恰尔萤石矿床32线地质勘探剖面图（据吴益平等，2021）Fig.2 Section sketch of geological prospecting line No.32 in Kalqiar fluorite ore area（after Wu et al.，2021）

1.2 矿床（体）地质特征

卡尔恰尔萤石矿床以众多的单一型萤石矿体（脉）构成，矿体沿中奥陶世二长花岗岩体与前寒武纪阿尔金群a岩组第一岩段变质岩接触带分布，赋存于F1韧性剪切断裂北侧近东西—北东向断裂—裂隙构造带中，矿脉与围岩接触界面清晰（图2，图3a）。

图3 卡尔恰尔萤石矿床矿石矿物组成及结构构造图版Fig.3 Photographs of occurrences and fabrics of ore vein in Kalqiar fluorite deposit

卡尔恰尔矿区目前圈出矿体31个，其中大型萤石矿体（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ）4条，占矿床资源量（矿物量）80%。矿体多呈脉状产出，近东西—北东向带状分布，长度1 710～4 580 m，延伸稳定，连续性好；倾向北—北西，倾角25°～43°。矿脉东西两端逐渐靠近F1韧性剪切断裂，其倾角变陡至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2.36～4.68 m，最大厚度23.50 m，矿体厚度稳定；矿石CaF2品位33.05%～35.27%，平均品位33.91%。目前沿倾向控制最大斜深907.17 m，仍有向深部延伸的趋势（图2）。

矿脉平面上分带不明显，垂向上呈一定的分带特点，可划分出顶部毛细脉带、中部粗脉带和下部细脉带。其中顶部毛细脉带，垂深0～50 m，由萤石方解石细脉—毛细脉构成，单脉厚度一般0.21～0.6 m，脉体总体向上发散和向深部收敛的特征，萤石主要呈紫色和淡紫色，部分淡绿色；中部粗脉带，垂深50～450 m，单脉厚度一般3～5 m，萤石颜色主要为紫黑色和紫色，少数淡绿色和无色；尾部细脉带，垂深450 m以下，单矿脉一般厚度1～3 m不等，萤石方解石脉里常含白云母、绿帘石等矿物，萤石颜色呈紫色、淡绿色和无色。

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、白云母和绿帘石，偶见黄铁矿、磷灰石和磁铁矿等。萤石矿物粒径大小2～5 mm，部分5～20 mm；方解石矿物粒径大小2～5 mm，少部分5～20 mm。萤石和方解石彼此镶嵌状均匀分布（图3b）；石英粒径大小1～2 mm，部分2～5 mm，多沿粗粒萤石和方解石颗粒之间充填交代，具有自形结构和环带构造，分布不均匀。钾长石、斜长石和白云母多为交代残留体，分布不均匀。黄铁矿多呈细脉浸染状，而磷灰石、磁铁矿呈零星浸染状分布。矿石主要呈有粗晶粒状、伟晶状和嵌晶共生（图3b）和交代等结构，条带状（图3c）、团块状（图3d）、网脉（图3e）和脉状（图3f）、角砾状、碎裂状等构造。

2 成矿流体特征

2.1 样品采集与分析方法

采集萤石矿床主矿体7件样品，将样品制成厚0.3 mm双面抛光的包裹体片，在核工业北京地质研究院分析测试研究中心做萤石、方解石矿物包裹体成分、盐度、均一温度测试。其中使用LINKAM THMS 600型冷热台做萤石、方解石矿物流体盐度（NaCl/%）、均一温度及压力测定（表1），所有盐度根据H2O-NaCl体系盐度—冰点计算公式（Hall et al.，1991）计算获得；使用LABHR-VISLabRAM HR800研究级显微激光拉曼光谱仪测定包裹体气体成分，该拉曼光谱仪波长532 nm，固体激光器扫描范围为100～4 200 cm-1，温度25℃，湿度50%。同时，挑选萤石和方解石单矿物，采用爆裂法取出原生包裹体水，使用仪器MAT-253气体同位素质谱计测定萤石流体包裹体氢氧同位素和方解石氧同位素。

表1 萤石和方解石矿物流体包裹体显微测温结果Table 1 Microthermometric data of fluid inclusions in fluorites from Kalqiaer fluorite deposits

2.2 矿物流体包裹体岩相学特征

本次选择萤石方解石矿脉中的方解石和萤石进行了流体包裹体显微观察。镜下观察发现原生矿物包裹体总体分布较均匀，部分成群成带分布或孤立状；包裹体个体具有体积较大和边界清晰的特点，多数呈椭圆形（图4a、图4b）、部分呈长方形、三角形或菱形（图4c、图4e），部分呈不规则性（图4f～图4i）。其中方解石流体包裹体成群或成带分布，形态规则，以呈无色—灰色的H2O-CO2三相包裹体与呈深灰色的气体包裹体为主，其次为呈透明无色的纯液包裹体和呈无色—灰色的富液体包裹体（图4a、图4b），局部视域内发育呈无色—灰色的含子矿物H2O-CO2多相包裹体（图4c）。其中，含子矿物H2O-CO2多相包裹体，大小5×7μm2～6×10μm2，气液相比20%；H2O-CO2三相包裹体，大小3×6μm2～5×5μm2，气液相比20%；富液相包裹体，大小2×4μm2～3×6μm2，个别达15×15μm2，气液相比10%～15%。萤石矿物中流体包裹体主要为成群、成带状分布，包裹体形态规则状，以透明无色的纯液包裹体为主，其次为无色—灰色的富液体包裹体（图4d～图4e）、呈无色—灰色的H2O-CO2三相包裹体、呈无色—灰色的富气体包裹体（图4g）及沸腾包裹体群（图4f）。其中，H2O-CO2三相包裹体，大小4×8μm2～8×15μm2，气液相比20%～45%（图4h）；个别见含CH4气相包裹体，大小8×25μm2，气液相比40%（图4i）。

图4 萤石方解石矿脉方解石和萤石流体包裹体显微照片Fig.4 Microphotographs of fluid inclusions in quartz veins from the Kalqiaer fluorite deposit

2.3 流体包裹体热力学特征

依据萤石和方解石包裹体均一温度、盐度的测试结果（表1），编制矿物流体富液相包裹体均一温度直方图（图5）及其与盐度关系图（图6）。可见方解石矿物富液相包裹体均一温度分布比较集中，均一温度147℃～184℃，均值167℃；包裹体盐度（NaCl）eq/%为4.18%～7.59%，表现为两个区间，分别为4.0%～4.8%和6.8～7.6%，以后者为主，均值6.16%。萤石矿物富液相包裹体均一温度（Th）为135℃～237℃，分布在两个区间，分别为120℃～180℃和200℃～240℃，以前者为主，均值161℃。萤石包裹体盐度2.07%～3.87%，出现区间分别为2.0%～2.4%和3.2%～4.0%，以后者为主，均值3.39%。

图5 方解石和萤石矿物流体包裹体均一温度直方图Fig.5 Histograms of homogenization temperatures and salinities for fluid inclusions from Kalqiaer fluorite deposit

值得注意的是，方解石中一含子晶CO2多相包裹体均一温度为242℃～259℃（表1，图6a），冰点温度为31.2℃，但升温至320℃时，包裹体爆裂，子晶尚未消失；萤石中含有少量的CO2三相包裹体，其均一温度为240℃～359℃，冰点温度介于17.7℃～28.2℃，对应的盐度为2.58%～3.39%（图6b）。以上现象可能表明成矿初始流体为中高温的富CO2不混溶NaCl-H2O热液。

图6 方解石和萤石矿物流体包裹体均一温度和盐度关系图Fig.6 Correlation diagram between temperatures and salinities for fluid inclusions from Kalqiaer fluorite deposit

2.4 流体包裹体激光拉曼特征

矿物流体包裹体激光拉曼分析结果表明，卡尔恰尔萤石矿床成矿流体气—液相成分以H2O为主，并含有CO2和CH4等气体（图7a～图7c），与镜下观测结果一致。成矿早阶段方解石寄主矿物中，拉曼图谱呈现1 086 cm-1的峰为典型的方解石拉曼图谱，包裹体气相成分主要为CO2（图7a）。成矿主阶段萤石拉曼图谱呈现了321 cm-1的峰为典型的萤石拉曼图谱。包裹体岩相学和激光拉曼光谱分析结果表明，成矿流体属于NaCl-CO2-H2O体系。萤石中气液两相包裹体测点位置气相，成分CO2，谱峰位置1 280 cm-1、1 384 cm-1（图7b），个别成分CH4，谱峰位置2 916 cm-1（图7c）。说明萤石包裹体气相成分除水和二氧化碳外，还有甲烷。

图7 包裹体成分激光拉曼分析Fig.7 Laser Raman spectra of fluid inclusions from Kalqiaer fluorite deposit

2.5 氢氧同位素

卡尔恰尔萤石矿床主成矿阶段萤石和方解石流体包裹体氢氧同位素组成见表2。其中方解石氢同位素δDV-SMOW值为-73.9‰、氧同位素δ18OV-SMOW值为12‰；萤石氢同位素δDV-SMOW值为-84.6‰～-52.9‰、氧同位素δ18OV-SMOW值为-9‰～+1.0‰。由于萤石化学组成中无O，故萤石O同位素组成可代表包裹体水的O同位素组成，而方解石化学组成含氧，需要将矿物氧同位素组成换算成包裹体水的O同位素组成，其计算方法采用O'Neil et al.（1969）提供的方解石与水之间氧同位素分馏方程（1）：

表2 卡尔恰尔萤石矿床氢氧同位素组成*Table 2 Hydrogen and oxygen isotope composition of ore-forming fluids from Kalqiaer fluorite deposit

式中，T为绝对温度（273+摄氏温度oC），α为分馏系数。

利用测试的方解石矿物δ18O方解石-SMOW值12‰，带入公式（1）计算得到方解石包裹体水的δ18O水，SMOW为1.84‰（成矿流体温度按180oC计算）。在δ18O水，SMOW-δD水，SMOW流体来源判别图将所有萤石和方解石包裹体水的氢氧同位素组成投图（图8），可见萤石包裹体中水落入大气降水线右侧，表明成矿流体以大气降水为主导；方解石包裹体水落入岩浆流体附近，表明成矿流体存在岩浆岩水。总体来看，萤石矿床成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合。

3 讨 论

3.1 成矿流体性质及来源

卡尔恰尔萤石矿床中萤石富液相包裹体均一温度及盐度研究表明，萤石矿物包裹体均一温度（Th）为135℃～237℃，盐度为2.07%～3.87%；方解石富液相包裹体均一温度为147℃～184℃，盐度为4.18%～7.59%。同时方解石中一含子晶CO2多相包裹体均一温度可达242℃～259℃，萤石中含有少量的CO2三相包裹体均一温度可达240℃～359℃。总体看，该萤石矿床发育CO2包裹体、含CO2三相包裹体、气液两相包裹体和含子晶多相包裹体等4种类型的原生包裹体，各类包裹体均一温度135℃～359℃，盐度2.07%～7.59%，反映成矿流体为中-中低温不混溶NaCl-H2O-CO2热液体系类型。萤石和方解石矿物包裹体氢氧同位素测试，表明萤石流体包裹体水落入大气降水线右侧与岩浆水之间，方解石流体包裹体水同样落入岩浆水与大气降水线之间（图8）。总体反映该萤石矿床的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合热液。

图8 萤石矿床成矿流体氢氧同位素图解Fig.8 Hydrogen and oxygen isotope diagram of ore-forming fluids from Kalqiaer fluorite deposit

3.2 成矿机制分析

作为成矿物质的主要载体，成矿流体的性质及其演化过程是认识矿床成因及探究成矿作用过程的关键（Asadi et al.，2018）。目前认为，萤石的沉淀主要有3种机制（Richardson and Holland，1979；Deng et al.，2014；Zou et al.，2020）：1）富F和Ca的成矿流体温度、压力发生变化；2）富F流体与富Ca流体的混合作用或沸腾作用；3）富F流体与含Ca质岩石发生水/岩相互作用。在热液成矿过程中，流体的沸腾作用通常是由于压力突变引起的（Sibson et al.，1988；Wilkinson，2001），卡尔恰尔萤石矿脉严格受断层控制，深部流体在通过断层向上运移时易发生减压流体沸腾作用，在本次测温过程中亦观察到代表沸腾现象的共存富气相和含子晶多相包裹体组合（图4f），由此推测构造减压沸腾或流体不混溶作用（Webster et al.，1989；Veksler，2004）是矿石沉淀的主要因素；同时矿物流体包裹体水氢氧同位素分析表明成矿流体具有岩浆水与大气降水混合的特征。前期研究表明，阿尔金造山带前寒武纪含大理岩的变质杂岩、区域韧性剪切带及其断裂—裂隙构造系统为萤石矿的形成创造了有利的Ca质来源和构造条件；中奥陶世碱性花岗岩的侵入为成矿提供了热动力学条件和F的来源（吴益平等，2021）。据此推测卡尔恰尔萤石矿床的成矿机制和成矿过程如下：中奥陶世二长花岗岩沿区域断裂上侵，在岩浆期后热液活动阶段，聚集的富F等挥发份热液流体与下降的大气降水混合，因流体沸腾作用形成不混溶流体和矿质流体，在断裂—裂隙构造的有利部位充填—交代形成萤石方解石矿脉；萤石的结晶生长首先在矿脉边部形成角砾状和条带状矿石，构成早期阶段的萤石矿化，随着含矿流体的进一步浓缩，逐渐在矿脉中部形成块状和团块状萤石矿石。

4 结 论

（1）卡尔恰尔萤石矿床类型主要为萤石方解石脉型，矿石以粗晶粒状结构、伟晶状结构，团块状、角砾状和条带状构造为主。前寒武纪阿尔金群变质杂岩、中奥陶世二长花岗岩和韧性剪切断裂构造是卡尔恰尔超大型萤石矿床的重要控制要素。

（2）卡尔恰尔萤石矿床发育CO2包裹体、含CO2三相包裹体、气液两相包裹体和含子矿物多相包裹体等4种类型的原生包裹体，各类包裹体均一温度135℃～359℃，盐度2.07%～7.59%，反映成矿流体为中—中低温、低盐度不混溶NaCl-H2O-CO2热液体系类型。萤石和方解石矿物包裹体氢氧同位素测定，反映该萤石矿床的成矿流体来源于岩浆水与大气降水的混合热液。

（3）中奥陶世二长花岗岩岩浆期后初步形成富CO2、富F热液，在上升过程中淋滤萃取变质杂岩中的Ca质形成成矿流体，后因大气降水加入发生降温、降压与流体沸腾作用，在断裂—裂隙构造的有利部位充填—交代形成萤石方解石矿脉。

致 谢本文研究工作得到新疆自然资源厅、新疆地矿局鼎力支持，流体包裹体分析在核工业北京地质研究院完成。审稿专家对本文提出了建设性的意见，在此一并表示衷心的感谢。