地质圣坑——可可托海3号脉

作者：周起凤 / 中科院地质与地球物理研究所

作者简介：周起凤，女，1985年生，中国科学院矿产资源研究重点实验室博士后，主要从事花岗伟晶岩型稀有金属矿床成矿作用研究。

“可可托海”为蒙古语，意为“蓝色的峡湾”。这里拥有秀丽的额尔齐斯河水源头自然风光、“北国江南”之誉的可可苏里、中国第二寒极伊雷木湖、著名的额尔齐斯大峡谷和世界闻名的地质圣坑——“可可托海3号脉”。

可可托海3号脉位于新疆阿勒泰富蕴县可可托海镇，是阿尔泰造山带规模最大、分异演化程度最高和矿化元素最多（Li-Be-Nb-Ta-Cs-Rb-Hf）的花岗伟晶岩型稀有金属矿床，以罕见的岩钟状形态和完美的同心环状内部结构分带闻名于世，成为地质教科书中花岗伟晶岩的经典实例。

在上世纪60年代中苏关系紧张时期，经中央研究决定，以苏联急需的稀有矿产品来抵债，可可托海3号脉矿产品为我国偿还了前苏联40%左右的债务。除此之外，3号脉为我国第一颗原子弹和氢弹的成功爆炸和人造卫星的成功发射提供了必需的稀有金属，为航空航天事业及相关尖端科技的发展提供了坚实的物质基础和资金后盾，为国防建设做出了重要贡献，被誉为国家的“英雄矿”和“功勋矿”。

（图片来自网络）

（图片来自网络）

3号脉成就了可可托海“宝石之乡”的美誉。据媒体报道，3号脉矿坑曾经开采出16公斤重的海蓝宝石、17公斤重的黄玉、60公斤重的铌钽矿单晶、500公斤重的水晶、12吨重的石榴石和30吨重的绿柱石晶体等。由于3号脉是天然地质博物馆，可可托海镇成立了地质陈列馆收藏阿尔泰稀有金属矿物-矿石标本，且在可可托海镇有许多宝石-矿标店铺吸引奇石-矿标爱好收藏者。

可可托海地质陈列馆（摄影：周起凤）

碧玺（周起凤摄于可可托海镇宝石店铺）

海蓝宝石（周起凤摄于可可托海镇宝石店铺）

可可托海3号脉属LCT（Li-Cs-Ta）型锂辉石亚型伟晶岩，作为超大型铍矿、中型锂矿和小型铌、钽综合矿床，铍（Be）资源量居我国首位，铯（Cs）、锂（Li）、钽（Ta）资源量分别位居第五位、第六位和第九位，是我国重要的稀有金属产地。

稀有金属包括锂（Li）、铍（Be）、铌（Nb）、钽（Ta）、铯（Se）、铷（Rb）、铪（Hf）等，是医疗、冶金、航空航天、原子能等国防工业的重要原料，被称为“战略金属”。

锂（Li）：广泛应用于电池、陶瓷、玻璃、润滑剂、制冷液、核工业及光电等行业。锂电池具有开路电压高、比能量高、工作温度范围宽、放电平衡、自放电子等优点，广泛应用于各种领域。陶瓷制品中，锂化合物可作为助溶剂。在玻璃制造中加入锂，可使玻璃抗酸腐蚀。锂以硬脂酸锂的形式用作润滑剂的增稠剂，这种润滑剂具有高抗水性、耐高温和良好的低温性能。冶金工业中，锂可作为脱氧剂和脱硫剂，在铜的冶炼过程中，锂能够提高铜的导电性，锂是优质合金钢材冶炼中清除杂质最理想的材料。锂是火箭燃料的最佳金属之一，能量高，燃速大，具有极高的比冲量。锂铝合金是良好的减摩材料，制造飞机减轻重量。锂在原子能工业中具有独特核性能，被称为“高能金属”。

铍（Be）：是原子能、火箭、导弹、航空、宇航及冶金工业不可缺少的宝贵材料。铍透过X射线的能力最强，是制造X射线管小窗口不可取代的材料。在原子反应堆里，铍能够提供大量中子炮弹的中子源；并对中子有很强的减速作用，是原子反应堆中最好的中子减速剂；由于其熔点高、耐高温，是反应堆中子反射层的最好材料，防止中子跑出反应堆以保护工作人员的安全。铍是优秀的宇航材料，比铝和钛都轻，强度是钢的四倍，且吸热能力强，机械性稳定，符合制造火箭和卫星的结构材料重量轻强度大的要求。冶金工业中，铍青铜的机械性能优于钢，抗腐蚀性好，还保有很高的导电性，用来制造高速轴承和海底电缆等。

铌（Nb）：铌是临界温度最高的一种超导性元素，用铌制造的合金是目前最重要的超导材料。铌具有极好的抗蚀性，不会与人体里的各种液体物质发生作用，且几乎不损伤生物的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，可同有机组织长期结合而无害地留在人体里，因此，是很好的生物适应性材料，在外科医疗上具有重要地位。

钽（Ta）：钽在酸性电解液中形成稳定的阳极氧化膜，钽电解电容器具有容量大、体积小和可靠性好等优点，制电容器是钽最重要的用途。钽也是制作电子发射管、高功率电子管零件的材料。钽制的抗腐蚀设备用于生产强酸、溴、氨等化学工业。钽可作飞机发动机的燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金可用作火箭、导弹、和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。

铯（Cs）：铯在医学、导弹、宇宙飞船及高科技行业中有广泛应用。铯-137用作β和γ辐射源，用于工农业和医疗。铯离子是宇宙航行离子火箭发动机理想的燃料。铯原子钟可精确测出十亿分之一秒，连续工作三十万年，误差不超过一秒，精确度非常高。

铷（Rb）：铷原子的最外层电子很不稳定，容易被激发放射出来。磁流体发电需要高温高速的导电性气体，热电发电需要高流速电子，这两种新型发电方式都少不了最容易发射电子变成离子的金属铷。

铪（Hf）：铪具有可塑性、易加工、耐高温抗腐蚀，是原子能工业重要材料。铪的热中子捕获截面大，是理想的中子吸收体，可作原子反应堆的控制棒和保护装置。铪粉可做火箭的推进器。铪合金可做火箭喷嘴和滑翔式重返大气层的飞行器的前沿保护层。铪钽合金可制造工具钢和电阻材料。电器工业中，铪用作X射线管的阴极。铪常作为液压油的添加剂，防止高危作业时液压油的挥发。

可可托海矿区发现于1930年，当时仅有当地少数民族对露头进行宝石开采。1935年，前苏联政府的两个地质分队来到阿勒泰，他们随身带有多种有色及稀有金属矿物标本，动员广大牧民在阿尔泰山区采集有用矿物，交地质队按质论价收购。地质人员根据牧民的报矿地点在1：50万阿勒泰地区地质图上标出了八处绿柱石矿化点，其中一处即1935年被阿牙阔孜拜（哈萨克族人）等发现的富蕴县可可托海矿床。该富铍稀有金属矿床的发现，引起了前苏联政府和科技界及地测、采矿人员的重视，他们多次来华从事地质勘探，并在可可托海矿区开采了绿柱石和钽铌铁矿。1946年牧民从地表的锂云母露头挖掘锂辉石和绿柱石时发现了可可托海3号脉，随即进行了锂-铍矿物的开采，几年后才开始对锂-铍进行地质勘探。

根据中苏友好互助同盟条约，1950年3月1日成立了“中苏有色及稀有金属股份公司阿山矿管处”。这段时期苏联地质学家K.A.弗拉索夫、A.A.别乌斯、H.A.索洛多夫、M.B.库兹明科等对3号脉进行了矿物学、地球化学和矿床地质学的研究，以3号脉为依据提出伟晶岩成因学说。

1955年1月1日，矿区全部企业移交我国独自经营，原阿山矿管处更名为冶金工业部有色金属管理总局新疆有色金属公司可可托海矿管处，直属中央管理。1958年，又改名为可可托海矿务局，统一管理阿勒泰-可可托海一带的稀有金属矿山的勘查、开发与建设工作。1955年至1958年，中国自己组织并完成了对可可托海矿床的全部勘查工作（新疆有色地质701队），查明了矿床的地质特征、水文地质特征和稀有金属储量。1957年编制提交了《可可托海矿床3号脉1946-1957地质勘探工作及铍、锂、钽、铌氧化物等综合储量计算报告》。

可可托海矿区旧貌（图片来自网络）

1960至1975年，先后有冶金部和北京有色矿冶院、中国科学院稀有元素地质研究队、中科院地球化学研究所、成都地质学院、南京大学、新疆工学院、地科院矿床所、新疆有色地质研究所等单位，对阿勒泰-可可托海地区的区域地质、花岗伟晶岩脉矿床的矿物学、地球化学、矿田构造、选矿流程、找矿方法、综合评价等诸多方面，进行了全面的研究，提交和发表了一系列有关稀有金属花岗伟晶岩脉成矿作用的学术论文、专著和科研报告，如《阿尔泰伟晶岩矿物研究》和《论阿尔泰3号伟晶岩脉的成因》等。

1992年国家305项目委托成都理工学院开展了《可可托海-柯鲁木特一带锂铍铌找矿靶区筛选与综合评价研究》项目，对本区的稀有金属矿化特征有了新的认识。

1999年，由于部分资源枯竭，3号脉停采闭坑，结束了持续半个多世纪的开采。

2006年3号脉得到重新勘查，恢复开采，回收铍矿石、锂矿石和云母等资源，矿山服务年限延长10年。2007-2008年新疆有色地质701队在可可托海矿区开展了全国危机矿山接替资源找矿项目，两年完成了9000米钻探工作量，获得了工作成果。同年，邹天人和李庆昌编著的《中国新疆稀有及稀土金属矿床》出版，总结了新疆稀有稀土金属矿床近半个世纪取得的科研成果和研究进展。

近两年，3号脉基本停采，开发了观赏旅游项目，3号脉矿坑具有近70年的传奇勘查开采史，作为可可托海国家地质公园中重要的组成部分和世界地质界公认的“天然地质博物馆”，吸引着众多游客们的到来。

可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床地处新疆维吾尔自治区东北部的富蕴县可可托海镇。矿区面积9km²，矿区出露地层以中-上奥陶统哈巴河群为主，包括含十字石的黑云母-斜长石-石英片岩、含红柱石的黑云母-石英片岩、石英-黑云母片岩以及变质角砾凝灰岩。

可可托海3号脉采矿区全景（图片来自网络）

矿区广泛发育基性侵入岩和酸性侵入岩。基性侵入岩主要为变辉长岩体，岩性包括角闪岩、斜长角闪岩、角闪斜长岩及少量角闪斜长变粒岩；另有斜长煌斑岩呈岩墙状产出。酸性侵入岩包括花岗岩类（黑云母花岗岩、二云母花岗岩和白云母花岗岩）和脉岩类（细晶岩、伟晶岩和石英脉）。黑云母花岗岩分布面积最大，二云母花岗岩和白云母花岗岩呈岩珠或岩枝分布于黑云母花岗岩和变辉长岩体中。

截至1999年12月，可可托海3号脉累计探明储量氧化铍（BeO）61373吨，氧化锂（Li₂O）2451吨，氧化铌（Nb₂O₅）657吨，氧化钽（Ta₂O₅）825吨，实际保有储量氧化铍（BeO）56943吨，氧化锂（Li₂O）8984吨，氧化铌（Nb₂O₅）90吨，氧化钽（Ta₂O₅）91吨，其中锂、铌和钽已采掘近90%。

3号脉由椭圆形的岩钟体与底部缓倾斜体两部分组成，像一个实心礼帽。岩钟体走向N335°，倾向北东，上盘倾角40-80°，下盘倾角80°，沿走向长250m，宽150m，斜深250m，地表出露平面为梨形。底部缓倾斜体走向N310-320°，倾向南西，倾角10-40°，沿走向已知长度2000m，沿倾斜已控制1500m，厚20-60m。

可可托海3号脉“实心礼帽”形态和内部结构分带示意图

（周起凤提供）

由于矿物共生组合和组构的明显差异，伟晶岩脉多发育内部结构分带。3号脉岩钟体由9个内部结构带组成，由外向内分别为I带-文象伟晶岩带、II带-细粒钠长石带、III带-块体微斜长石带、IV带-白云母-石英带、V带-锂辉石-叶钠长石带、VI带-石英-锂辉石带、VII带-白云母-薄片钠长石带、VIII带-锂云母-薄片钠长石带和IX带-块体石英-微斜长石核。

可可托海3号脉I-VIII带标本照片（周起凤提供）

底部缓倾斜体具有7个结构带，包括3个连续带（文象伟晶岩带、细粒钠长石带和细粒伟晶岩带）和4个不连续带（块体微斜长石带、白云母-石英带、叶钠长石-石英-锂辉石带和锂云母-叶钠长石带）。

3号脉产出的矿物达80多种，占世界上已知矿物种类的60%左右，其中，硅酸盐矿物35种，氧化物22种，磷酸盐矿物9种，硫化物8种，碳酸盐矿物3种，以及钨酸盐、钒酸盐和氟化物等。按各结构带矿石量加权平均的矿物含量分别为：微斜-条纹长石33.8%、钠长石22.4%、石英31.7%、白云母6.5%、锂云母0.05%、锂辉石4.15%、绿柱石0.49%、电气石0.20%、石榴石0.18%、磷灰石0.12%、铯沸石0.005%，其它副矿物0.405%。

3号脉稀有金属矿化为Li-Be-Nb-Ta-Cs-Rb-Hf（锂-铍-铌-钽-铯-铷-铪），稀有金属矿石矿物主要为锂辉石、锂云母、绿柱石、铌钽铁锰矿。锂矿化集中于V、VI、VIII带，主要以工业矿物（锂辉石和少量的磷铝锂石、磷锰锂矿、褐磷锰锂矿和锂云母）的形式产出，少量赋存于造岩矿物晶格内。

可可托海3号脉采坑巨大锂辉石晶体（周起凤摄于2009年夏）

可可托海3号脉锂云母集合体（周起凤摄于2009年夏）

铍矿化集中于II、IV、V、VI带，其次集中于I、VII、VIII带，主要以绿柱石和少量金绿宝石的形式产出，少量赋存于白云母晶格内。

可可托海地质陈列馆中的绿柱石（摄影：周起凤）

铌和钽矿化集中于IV、V、VI、VII和VIII带，主要以铌钽锰矿、钽锰矿、铀细晶石和钽铋矿等独立矿物产出，其余赋存于白云母晶格内。

可可托海地质陈列馆中的铌钽锰矿（摄影：周起凤）

铷富集于I、II、III、VII、VIII、IX带，主要以赋存于造岩矿物（白云母、钾长石、锂云母、铯沸石）晶格的形式产出；铯集中于VIII和IX带，主要以赋存于造岩矿物（钾长石、白云母、绿柱石和锂云母）的形式产出，少量形成独立矿物铯沸石。

可可托海3号脉伟晶岩型稀有金属矿床属于重熔岩浆分异成因伟晶岩。3号脉伟晶岩岩浆来源于含稀有金属元素的地壳熔融。缓倾斜节理为伟晶岩岩浆上升提供了通道，矿区范围内破碎带构成的“人”字型构造为伟晶岩岩浆提供拓展和容矿空间。3号脉伟晶岩岩浆就位于破碎带交汇处，形成了罕见的岩钟状形态。

岩浆就位后通过分离结晶作用与不混溶过程，经历熔体、熔流体和流体阶段的演化，完成稀有金属的极度富集和沉淀，形成3号脉同心环状内部结构分带及相应的稀有金属矿化组合（由外向内：Be矿化→Be-Nb-Ta矿化→Li-Be-Nb-Ta-Hf矿化→Nb-Ta-Hf矿化→Ta-Cs-Li-Rb-Hf矿化）。

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