新疆塔里木盆地西缘喀拉勒克萤石矿床地质特征及成因探讨

2022-01-20余子昌

矿产与地质 2021年5期

关键词：萤石克尔灰岩

张磊，叶雷，余子昌，帅磊，管诰

(有色金属矿产地质调查中心，北京 100012)

0 引言

中国萤石矿资源丰富，探明储量位于世界前列，主要的萤石矿多集中于华南以及内蒙古东南部地区[1]，但多省均有分布[1-2]，且成因多样[2-5]。新疆作为重要的资源、能源基地，目前在柯坪前陆盆地南缘发现一系列萤石矿床。

前人在塔里木盆地开展石油调查过程中，在奥陶系碳酸盐岩地层中发现了萤石的存在[6-9]，针对柯坪前陆盆地萤石矿点也进行了调查研究[10-11]，但多限于矿床规模，仅对发现的萤石进行了地球化学分析，对矿床的地质特征、相互关系等研究仍有局限。

本文在对喀拉勒克萤石矿床开展的详细地质调查基础上，对矿床的矿体、矿石、蚀变、控矿构造等进行了全面论述，同时开展了矿床地球化学特征研究，并对区带上同类矿床进行了对比分析，探讨了矿床成因，提升了对区带上该类萤石矿的认识，也为后期勘查提供了基础。

1 区域地质概况

矿区大地构造上位于塔里木板块西北缘柯坪前陆盆地南缘(图1)，属于塔里木成矿省塔里木陆块北缘隆起的柯坪塔格(前陆盆地)Pb-Zn-Cu-Fe-V-Ti-REE-磷矿带[12]。

图1 塔里木盆地构造单元划分及矿区位置图

柯坪前陆盆地是在塔里木前寒武基底之上以古生界沉积叠合中—新生界沉积形成的坳陷盆地。早古生代寒武系—奥陶系(∈-O)为一套局限台地相-开阔台地相的碳酸盐建造；奥陶统(O)为浅海相碳酸盐岩、碎屑岩建造；志留系—泥盆系(S-D)主要岩性为紫红色、灰绿色的碎屑岩建造，沉积相由滨海相转为平原砂盖相。晚古生代下石炭统(C1)为一套海相碳酸盐岩沉积，主要岩性为浅灰、灰白色灰岩，夹少量细碎屑岩；下二叠统(P1)为一套碳酸盐岩夹细碎屑岩建造，上部夹火山岩、火山碎屑岩，沉积环境自浅海开阔台地相向湖泊相演变。新生代古近系—新近系(E-N)为一套碎屑岩夹少量膏盐建造，沉积环境由湖湘向三角洲—浅湖相转变。

区域上断裂构造发育，主要有以NNW向、NNE向走滑断裂，与近EW走向的逆冲推覆断裂。走滑断裂最具代表性的为普昌断裂、萨尔干断裂；逆冲推覆断层以柯坪塔格断裂最典型，为柯坪前陆盆地的前锋推覆断裂(图2a)。

图2 柯坪前陆盆地区域地质图(a)与喀拉勒克萤石矿矿区地质简图(b)

柯坪前陆盆地岩浆岩不发育，主要是一系列NNE向、NNW向切层产出的的辉绿岩、辉绿辉长岩岩脉。

2 矿床地质特征

2.1 地层

矿区出露地层有丘里塔格组(∈3O1q)为一套厚度巨大的碳酸盐岩建造，其中丘里塔格组上段 [(∈3O1)q2(gsp)] 区域上重要的萤石、铅锌含矿层，其岩性组合为亮晶含内碎屑鲕粒生物碎屑灰岩、重结晶亮晶内碎屑灰岩、重结晶灰岩、白云岩等。其浪组(O3q)、坎岭组(O3k)均为碳酸盐岩建造，在矿区出露厚度非常小，呈断续状平行不整合于丘里塔格组之上。柯坪塔格组下段(S1k1)为滨浅海相碎屑沉积建造，由厚大的泥岩、砂岩等组成，与下伏丘里塔格组、其浪组、坎岭组均为平行不整合接触(图2b)。

上寒武统—下奥陶统丘里塔格组上段(∈3O1)q2为柯坪前陆盆地重要的萤石-铅锌赋矿层位，本次在其顶部岩层中发现蚀变带，并在其中圈出萤石矿体，伴生铅锌(图2)。丘里塔格组上段顶部原岩为灰色、浅灰色中厚层状生屑灰岩、细晶灰岩，经热液蚀变后，变成灰白色粗晶灰岩、粗晶白云质灰岩，该蚀变带东西走向延伸超过10 km，东部宽度为100～200 m，向西延伸后宽度为30～50 m，蚀变带即萤石-铅锌矿的“赋矿层”。蚀变带中灰岩经热液蚀变后形成大量孔隙﹐往往形成结构疏松的“白化灰岩”现象[13]。西克尔萤石矿区也存在这种典型的热液蚀变赋矿现象[14]，因此该蚀变成为区域上重要的萤石找矿标志。

柯坪前陆盆地目前尚未发现有中酸性侵入岩，矿区内岩浆活动不发育，仅在矿区西北部发育一条沿NW向断裂侵入的辉绿岩脉。

2.2 构造

大型张性平移断层是导通深部流体的通道，层间破碎带为成矿物质卸载提供了空间与环境。大型张性平移断层以NNW、NNE向为主，多为张性正断右行性质，断层走向为330°～20°，宽度为1～3 m，平移距多为5～30 m，上下错断距离为5～10 m，断层切穿多个地层，断层中蚀变作用明显，局部有辉绿岩脉，表明其为盆地流体及岩浆的重要通道。

层间破碎带：主要是在浅地表可见岩层破碎及在破碎带中发育大量顺层、近顺层产出的方解石、萤石、褐铁矿化等蚀变作用，为主要的控矿、容矿构造。① 张性特征：在破碎带中可见大量粗晶方解石、萤石，局部甚至有巨晶方解石，晶体可达1～2 m，可见该破碎带提供了充足的空间，才形成了粗晶、巨晶方解石、萤石；② 顺层特征：从宏观产出特征看，方解石、萤石主矿脉明显顺层产出，此外，可见沿灰岩层面对称生长的方解石、萤石梳状晶簇，表明其最大张应力垂直于层理。

不整合面：区域上丘里塔格组与柯坪塔格组为微角度不整合接触，在不整合面上可见大规模流体活动痕迹，表现为上覆柯坪塔格组褐红色砂岩沿不整合面发生褪色蚀变，变成灰黄色，同时伴随有褐色油斑、油迹。

截至2011年2月底，开县报账回补世行贷款资金166.85万美元，为总计划数的84.3%；报账回补欧盟赠款资金126.66万元，为总计划数的70.4%。

2.3 矿化蚀变

矿区与成矿有关的矿化蚀变主要有萤石化、方铅矿化、闪锌矿化、重晶石化、孔雀石化、碳酸盐化、硅化、绿泥石化。

萤石矿化：主要发育于萤石矿脉内，集合体呈块状、条带状、浸染状；与方解石关系密切，如与方解石共生时，萤石呈粒状散布在方解石中间。

碳酸盐化：矿区极为发育，表现为方解石或方解石萤石相互胶结呈厚度大小不一的脉状集合体充填于中厚层含生物碎屑结晶灰岩的层理及层间构造内。矿脉围岩亦见微弱碳酸盐化。

重晶石化：主要发育于萤石矿脉内。矿区内重晶石化表现为以交代为主，含矿热液交代其他矿物或充填于其他矿物晶隙，晶粒间形成微细粒重晶石化变晶结构的岩石。

方铅矿化：发育于萤石矿脉内。方铅矿主要呈两种赋存形态，一是呈块状角砾与方解石、重晶石、萤石共生；二是呈星点状，方铅矿呈稀疏细粒星点状，分散于重晶石萤石方解石脉中。

闪锌矿化：发育于萤石矿脉内。闪锌矿呈稀疏细粒星点状，分散于重晶石萤石方解石脉中。

2.4 矿体特征

矿区共圈出3条工业矿体，其中Ⅰ、Ⅱ位于西部矿区(图2b)，Ⅲ矿体位于东部矿区，距离约2.5 km。

Ⅰ号萤石矿体：控制走向长223 m，倾向最大延伸170 m，真厚度为1.0～8.46 m，平均厚度为3.12 m，矿体CaF2的平均品位为34.85%。Ⅱ号萤石矿体(图3)：控制走向延伸长114 m，倾向最大延伸175 m，真厚度为1.0～5.19 m，平均厚度为2.12 m，矿体CaF2的平均品位为33.71%。Ⅲ号萤石矿体：控制沿走向长180 m，倾向最大延伸107 m，真厚度为1.06～3.49 m，平均厚度为1.84 m，矿体CaF2的平均品位为34.39%。3个矿体内部均伴生铅，品位为0.53%～5.19%。

图3 喀拉勒克萤石矿Ⅱ号矿体0线勘探线剖面图

矿区矿体厚度变化系数为55%～72%，矿体沿倾向、走向厚度变化很大，属于厚度变化很大的类型。品位变化系数为21%～27%，属于组分分布均匀型。矿体总体呈近EW走向，倾向NNE，倾角为15°～31°，矿体剖面上呈连续脉状，三维空间呈缓倾斜的透镜体状。

2.5 矿石结构构造

2.5.1 矿石结构

矿石以半自形—他形晶粒结构不等粒为主，少部分碎裂结构、包含结构：① 半自形—他形晶粒结构：萤石等矿物结晶外形发育不完全或以他形晶粒出现。萤石晶粒大小不一，最大粒径可达10 mm，最小粒径为1.0 mm；② 碎裂结构：主要是萤石碎裂状聚形形成团块状萤石矿石，团块状萤石粒径一般大于20 mm，最大粒径达40 mm；③ 包含结构：后期形成的粗大的立方体的萤石晶粒中包含前期形成的细小方铅矿晶粒。

2.5.2 矿石构造

发育有团块状、网脉状、条带状、角砾状构造、浸染状构造，局部见晶洞晶簇状构造：① 团块状构造：萤石矿物呈团块状集合体不均匀地分布于矿石中；② 网脉、条带状构造：萤石与方解石组成的脉体呈网脉、条带状分布于矿脉中；③ 角砾状构造：见先生成的铅矿物晶粒集合体被后生成的细粒萤石、方解石及生物碎屑所胶结；④ 浸染状构造：细粒铅矿物晶粒散布萤石、方解石晶粒之间；⑤ 晶洞、晶簇状构造：表现为萤石、方解石沿萤石脉内溶洞壁分布，萤石与方解石共生在一起。

3 矿床地球化学特征

3.1 样品采集与分析

本次研究针对喀拉勒克萤石矿内Ⅰ、Ⅱ号两条矿体进行了系统样品采集，萤石矿体共采样4件，包含了透明无色萤石、紫色萤石以及粗晶萤石晶簇；对矿体顶底板紧邻矿体生屑灰岩、重结晶灰岩采样2件；矿区整个灰白色、浅色生屑灰岩、重结晶灰岩、白云岩化灰岩采样6件；丘里塔格组上段灰色细晶灰岩采样2件。稀土元素分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行，分析测试采样Finnigan-MAT公司制造的HR-ICP-MS(ElementⅠ)高分辨电感耦合等离子体质谱仪测试样品中的稀土含量。14件样品稀土含量分析结果见表1。

表1 喀拉勒克萤石矿区样品稀土元素分析结果

3.2 REE含量特征及分配模式

喀拉勒克矿区内萤石矿体与围岩稀土特征(图4)：萤石稀土总量ΣREE(不含Y)介于6.41×10-6～8.17×10-6之间，平均值为7.33×10-6，轻重稀土比值介于2.46～3.15之间，平均值为2.82，属于轻稀土富集，具有标准曲线右倾特征，但总体曲线较平缓；矿体顶底板围岩稀土总量ΣREE(不含Y)介于6.00×10-6～11.69×10-6之间，平均值为8.84×10-6，轻重稀土比值介于5.57×10-6～8.34×10-6，平均值为6.96，轻稀土富集；含矿生屑灰岩、重结晶灰岩稀土总量ΣREE(不含Y)介于3.98×10-6～6.56×10-6之间，其中一个特高值为27.64×10-6，除去特高值后平均值为5.12×10-6，轻重稀土比值介于1.94～7.27之间，平均值为5.29，也属于轻稀土富集；地层中灰岩的稀土总量ΣREE(不含Y)介于3.17×10-6～6.13×10-6之间，平均值为4.65×10-6，轻重稀土比值介于4.22～8.02之间，平均值为6.12，属于轻稀土富集。从稀土总量看，具有矿体顶底板围岩(8.84×10-6)>萤石矿体(7.33×10-6)>含矿的生屑灰岩、重结晶灰岩(5.12×10-6)>地层灰岩(4.65×10-6)特征，萤石矿体及围岩稀土总量是地层的1.5～2倍，可见在矿化过程中围岩有稀土元素富集。而在轻重稀土比值上，地层灰岩、含矿生屑灰岩、重结晶灰岩和近矿围岩比值在5.29～6.96之间，三者轻稀土富集程度相近，稀土配分曲线具有较为明显的右倾特征；萤石矿体比值为2.82，相对于前者配分曲线较为平缓。

图4 喀拉勒克矿区矿石及围岩稀土元素分配模式图

前人针对西克尔萤石矿[10]、三岔口萤石矿[6]萤石进行了稀土元素分析，结合本次研究的喀拉勒克萤石矿，形成一个西克尔—三岔口萤石矿带，通过对比3个矿床萤石的稀土元素特征(表2)，3个矿床的萤石稀土总量ΣREE(不含Y)平均值为8.46×10-6，轻重稀土比值为3.84，在稀土元素分配模式图中(图5)，该成矿带萤石稀土分配模式具有较高的一致性，均表现为轻稀土轻微富集的右倾模式。一致的稀土分配模式表明该成矿带萤石具有相似的成因及物质来源。

Eu、Ce通常以+3价存在，但受到外界温度、氧化还原条件等影响，容易变成Ce4+和Eu2+，因此Eu、Ce的对萤石成矿环境具有指示作用[15-16]。喀拉勒克萤石矿区萤石δEu介于0.88～5.63之间，平均值为2.30，总体显示轻微正异常；西克尔萤石矿δEu介于0.68～56.10之间，除一个负值外，全部大于1，平均值为13.59，为较高的正异常；三岔口萤石矿δEu介于0.39～1.01之间，平均值为0.73，显示轻微负异常特征。Eu元素在碱性、氧化环境下Eu2+容易被氧化呈Eu3+，从而可以取代Ca2+进入萤石晶格中，从而形成δEu正异常[17-18]。从稀土元素分配图看(图5)，该成矿带萤石δEu整体表现为以正异常为主，少量轻微负异常，指示区域萤石沉淀成矿流体以弱还原或弱氧化环境为主。

表2 西克尔—三岔口一带萤石矿床萤石稀土元素组成特征参数

图5 西克尔—山岔口一带萤石矿床萤石稀土元素分配模式图

喀拉勒克萤石矿萤石δCe值介于0.97～1.15之间，平均值为1.05；西克尔萤石矿萤石δCe值介于0.12～0.93之间，平均值为0.71；三岔口萤石矿萤石δCe值介于0.86～0.95之间，平均值为0.92。Ce元素在氧化条件下Ce3+容易氧化形成Ce4+，Ce4+溶解度小，难以在流体中保存，进而导致流体中沉淀的矿物δCe显示负异常[12]，西克尔—三岔口一带萤石矿δCe整体为负异常或无异常，同样指示成矿流体为弱氧化环境。

3.3 西克尔-三岔口一带萤石矿关联性

西克尔—三岔口一带多个萤石矿床呈带状产出，因此认为其矿床成因具有关联性，这一点在不同矿床萤石的稀土特征上等到印证。Y、Ho具有相似的地球化学特征，Y/Ho值是示踪流体过程的重要参数[19]，通过La/Ho - Y/Ho图解[20](图6)，除了一个样离散外，3个矿区14件萤石样品具有明显的线型特征，且大部分样品较为集中，这种呈大体水平直线分布的特征，表明其具有同源同期的特征[20]。通过对萤石成岩过程中稀土元素分馏研究显示，早期形成的萤石更富集轻稀土，晚期形成的萤石相对富集重稀土，因此在Tb/La值上形成连续过渡关系[21]〗，而Sm/Nd值在萤石形成过程中的差异证实了稀土元素在萤石形成过程中的分馏现象[22]，根据上述特征，冯绍平等[18]构建了Tb/La - Sm/Nd关系图，在Tb/La - Sm/Nd图中(图7)，除1个离散样品，3个矿区萤石的Sm/Nd值波动范围较窄，但Tb/La值呈现连续升高、具有垂向线性演化特征，同样证实了不同矿区具有相似稀土元素组成的成矿流体(非离散状)，且成矿环境相似。

图6 西克尔—三岔口萤石矿床萤石Y/Ho - La/Ho关系图[20]

图7 西克尔—三岔口萤石矿床萤石Tb/La - Sm/Nd关系图[18]

4 矿床成因探讨

西克尔—三岔口一带萤石矿体多呈脉状、晶簇产于裂隙及溶蚀孔洞中，同时在灰岩边部有热液交代现象，属于热液充填-交代型，稀土元素特征及其图解从地球化学特征上佐证了其成因类型。

Moller等[23]全球大量萤石样品进行研究，根据萤石中稀土元素的分馏特征建立了Tb/Ca - Tb/La图解，通过将西克尔—山岔口一带3个矿区萤石样品投入图中(图8)，可见3个矿区样品落点相对集中，首先全部落入热液成因范围内，其次大部分在岩浆岩及其接触变质带范围内，表明其属于热液成因，可能有岩浆热液成分加入。通过(La+Y) - Y/La图解(图9)，利用Y/La值指示稀土元素分馏程度与Y+La代表的稀土含量关系图来鉴别萤石成因[18]，可见3个矿区萤石样品大部分落入花岗岩大类成因区内，2个样品落入钙碱性花岗岩成因区内，整体指示萤石成因与岩浆岩流体有关，而非碳酸盐岩类的沉积成因。

图8 西克尔—三岔口萤石成因Tb/Ca - Tb/La图解[23]

图9 西克尔—三岔口萤石矿床萤石(La+Y)- Y/La关系图[18]

前人通过对塔中45井及西克尔一带萤石矿萤石的包裹体成分测试发现，包裹体中含有大量碳氢化合物的有机质组分，因高温有机质成分易分解，从而表明成矿流体具有低温特征[6，9]，但该地区包裹体均一温度范围较大，介于70℃～310℃之间[24]，且盐度变化范围也较大，介于0.5%～18.3%之间[25]。这种大跨度的温度及盐度变化范围可能是两种流体混合作用[26]。同一成矿带，甚至同一矿区硫同位素的差异也印证这一点，西克尔萤石矿中伴生重晶石及石膏硫同位素分布范围为24.9‰～45.9‰，与前寒武系海相蒸发岩地层硫同位素值相近[6]，但五道班和西克尔的萤石矿硫化物和硫酸盐硫同位素值δ34S介于0～3.6‰之间，又具有典型岩浆源特征[25]。因此，西克尔—山岔口一带萤石矿成矿流体推断为富含有机物的低温盆地卤水与具有岩浆热液成分的高温流体混合而成。

在成矿年龄上，前人针对塔中及西克尔萤石进行了ESR测年分析，其中塔中萤石平均形成年龄为34.33 Ma，西克尔萤石平均年龄为250.5 Ma[6]。喀拉勒克萤石矿体中有大量共生铅矿体，铅以方铅矿形式包裹于萤石晶簇中，可以认为萤石与铅同期形成。柯坪前陆盆地中同样在丘里塔格组上段中产出有大量MVT型铅锌矿，目前以坎岭铅锌矿规模最大，该矿床方铅矿Rb-Sr年龄为256.1 Ma[27]。由于喀拉勒克萤石矿与坎岭铅锌矿床具有相同构造背景、相同赋矿地层，且矿床成因类型相似，以坎岭铅锌矿成矿年代为参考，西克尔—山岔口一带萤石矿成矿时代为晚二叠世—早三叠世更为可靠。

塔里木盆地及周缘大规模岩浆热事件以大面积分布的玄武岩为代表，年代集中在260 Ma之前[28-29]，但柯坪前陆盆地大量辉绿岩脉其侵入时间在245 Ma～225 Ma之间[30]，表明该期岩浆热事件至少持续到中—晚三叠世，这种大规模岩浆活动是柯坪前陆盆地铅锌-萤石的成矿背景。萤石矿床中流体包裹体中富含有机质不可能来源于岩浆流体，应该来源于地层，碳氢有机物的存在则指示成矿流体具还原特性；而高温包裹体的存在以及硫同位素特征表明有岩浆热液的加入。因此，西克尔—三岔口一带萤石矿化成矿流体应为下渗的富有机质盆地卤水与深部岩浆活动带来的流体形成的具有较强化学活动性的盆地热卤水，形成的含F流体沿地层中的裂隙、不整合面运移，遇到孔隙度较大的生屑灰岩地层与之发生交代，化学活动性降低，并最终充填-沉淀成矿。