北秦嶺東段晶質石墨礦床地質特征及成因探討

嚴鵬程,壽立永,楊聯濤,尚凱凱

(中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊,陜西 西安 710003)

0 引言

石墨是一種特殊的非金屬材料,也是我國重要的戰略性礦產,應用前景廣闊,被稱為 “新材料之王”[1]。 2016年陜西省自然資源廳啟動北秦嶺東段即丹鳳北部地區晶質石墨礦找礦大會戰項目,以期快速取得找礦重大突破。2016—2023年,陜西省地勘基金先后啟動庾家河晶質石墨礦普查、瓦窯溝晶質石墨礦普查、回頭山晶質石墨礦普查和孫家巖晶質石墨礦普查項目,累計投入勘查經費2 000多萬元,探獲晶質石墨礦物量430萬t,圓滿完成找礦任務[2]。本文總結多年來在北秦嶺東段地區從事石墨礦勘查所掌握的資料,從石墨礦礦床地質特征入手,系統歸納北秦嶺東段地區晶質石墨礦礦體地質特征,并從變質原巖恢復、碳質來源、成巖成礦環境出發,探討該區石墨礦的成因,以期為該區晶質石墨礦的勘查及開發利用提供一定的借鑒意義。

1 區域地質特征

北秦嶺東段晶質石墨礦位于商洛市商州區東部沙河子鎮至丹鳳縣北部庾嶺鎮一帶,面積約200 km2。大地構造位置位于秦嶺造山帶中東部華北板塊與華南板塊結合過渡區(圖1a),其夾持于商高—朱夏斷裂和商丹斷裂之間(圖1b),經歷長期復雜的地質演化,造就區內不同部位性質各異的物質組成和空間構造配置[3]。研究區處于華北地層大區之秦祁昆地層區的北秦嶺地層分區太白小區[4],北部出露有中元古界寬坪巖群、下古生界二郎坪巖群。南部出露有下古生界丹鳳巖群。區內出露地層主要為古元古界秦嶺巖群,各地層均為斷層接觸。作為北秦嶺的重要組成部分,秦嶺巖群主要由經歷強烈變質變形的長英質片麻巖、片巖、大理巖組成,其中出露大量透鏡體狀或似層狀榴輝巖、榴閃巖、斜長角閃巖以及古生代花崗質巖體、長英質脈體,新元古代花崗巖體零星出露。獨特的構造格局及多期次復雜的變形變質作用,為晶質石墨礦礦床的形成提供良好的成礦條件。

2 礦區地質特征

2.1 地層

2.2 構造

研究區由于長期處于華北板塊南緣及商丹板塊結合帶這一特殊構造部位,多期多層次構造活動頻繁、強烈,地質構造組合復雜,主構造線方向為北西西向[6]。特別是晉寧期俯沖-碰撞造山階段,受揚子板塊與華北古陸碰撞擠壓作用,研究區內形成大型區域性的張河—留仙坪—界嶺復式背斜[7],背斜的軸部在留仙坪—碾子坪—小石門溝一線,以石墨大理巖為核部。褶皺軸線近東西向,受后期構造變形疊加改造,脊線波狀起伏,軸面時而向南,時而向北擺動(圖2)。本期形變控制研究區內石墨礦體呈環帶狀分布的構造格式。已發現的石墨礦床的礦體均受該背斜控制,庾家河石墨礦K-Ⅰ、K-Ⅱ礦體產于背斜南翼,K-Ⅲ、K-Ⅳ礦體產于背斜北翼;大西溝—碾子坪—蔡凹石墨礦礦體產于背斜南翼;回頭山、瓦窯溝、孫家巖、王家溝石墨礦礦體產于背斜北翼。區內斷裂構造以東西向斷裂為主,部分斷裂構造深部切穿石墨礦體(如庾家河K-Ⅱ礦體,礦體傾斜延伸253 m后被F4斷層錯斷,下盤抬升近100 m),使得石墨礦體形態趨于復雜。

2.3 巖漿巖

研究區內巖漿巖較為發育,以酸性花崗巖侵入體為主,其形成與晚加里東—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆雙向斜沖-碰撞密切相關[8]。侵入體集中分布于研究區南部及東部,可劃分為早志留世孫家山巖體、早泥盆世黃柏岔巖體兩期。早志留世孫家山巖體(ηγβS1)巖性以片麻狀黑云母二長花崗巖為主,分布于孫家山、塔爾坪村及對窩一帶,與區域構造線方向一致,呈NWW—SEE向、不規則條帶狀侵位于秦嶺巖群郭莊巖組地層之中,接觸面產狀與圍巖中的面理產狀協調一致。孫家山巖體距賦礦地層雁嶺溝巖組較遠,對區內石墨礦體基本無影響。早泥盆世黃柏岔巖體(ηγD1)是研究區內出露范圍最廣的侵入體,呈不規則透鏡狀侵入于雁嶺溝巖組地層中。巖性以含石榴子石二長花崗巖為主,為過鋁的S型花崗巖,標志著造山帶后碰撞階段的開始[9]。由于后碰撞環境下,構造應力趨于松弛,下部巖漿底劈上侵,帶來大量的熱量,使得區域地溫梯度快速升高,對礦石品質起到提質的作用,使得石墨礦鱗片進一步增大[10]。

2.4 變質作用

研究區位于華北變質巖區的太白—商縣變質帶;除古近系碎屑巖及志留紀、泥盆紀侵入的二長花崗巖外,其余地層均發生不同程度的變質。其中賦礦地層雁嶺溝巖組經歷晉寧期( 780～740 Ma) 高角閃巖相和加里東-海西期( 415～286 Ma) 綠片巖相兩期變質變形疊加改造,主變質期時代為晉寧期[11-13]。雁嶺溝巖組變質程度達高角閃巖相,絕大多數原巖特征基本消失,普遍發育強塑性環境下強變形流變褶皺性質的腸狀、條帶狀片麻巖,并發育石榴矽線片巖、含橄欖石大理巖等特征變質巖石。同時,在這一階段,原沉積巖中的有機碳將脫除分子中的H和O,變成單質碳,并伴隨著區域作用的進行,單質碳徹底石墨化,最終形成結晶完好,自形、半自形,呈六方形片狀、板狀、鱗片狀的晶質石墨。

3 礦床地質特征

3.1 礦體特征

研究區共發現晶質石墨礦體77條(表1),礦體呈層狀、似層狀產出,具有層控礦床特征。礦體走向呈NWW—SEE向展布。單層厚1.00～50.83 m,沿走向膨大收縮明顯,長150～2 500 m,傾斜延深50～222 m,各礦體之間分布均勻,呈現近平行排列趨勢,間距為50～100 m。其中,庾家河石墨礦由于距區域背斜張河—留仙坪—界嶺背斜較近,礦體呈陡傾角,傾角75°～87°,其余礦床位于背斜翼部,產狀逐漸變緩, 傾角25°～60°。礦體普遍受酸性花崗巖脈體影響,脈體一般沿礦體層理方向侵位,造成礦體內部連續性變差。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦物成分

石墨礦石的礦物成分由石墨和脈石礦物兩大類組成。石墨為鱗片狀,片徑0.01～2.50 mm,含量10%～30%。脈石礦物主要有斜長石、石英、黑云母、方解石、透輝石。次要礦物有白云母、矽線石、石榴石、電氣石等,見少量金紅石、褐鐵礦、赤鐵礦。礦石的自然類型不同,其礦物成分及含量亦有差異。

3.2.2 礦石化學成分

3.2 李富祥等[21]建立了基于TaqMan探針的副豬嗜血桿菌實時熒光定量 PCR檢測方法，其靈敏度為 692 copies/μL。Wei Xiaoyuan等[19]建立了副豬嗜血桿菌恒溫熒光PCR檢測技術，靈敏度可達到1000 copies/μL。本實驗建立的實時熒光定量 PCR檢測方法的最低檢測限為26.47 copies/μL，ddPCR的最低檢測限為2.647 copies/μL。

對已發現的庾家河、回頭山、瓦窯溝、孫家巖等4個石墨礦床礦石化學成分進行統計。固定碳的單工程品位波動于2.04%～14.18%,礦床平均品位3.58%～5.53%。石墨礦石中主要有害雜質有Fe2O3、S、P2O5。

其中Fe2O3含量2.30%～8.34%,平均4.27%;S含量0.053%～5.300%,平均0.88%;P2O5含量0.023%～0.200%,平均0.08%。有害雜質含量較低,通過選礦可以基本脫除,對礦石質量影響較小,滿足工業利用需求。

3.2.3 礦石結構構造和類型

礦石具鱗片粒狀變晶結構,片狀構造、片麻狀、薄層狀構造。

根據礦石結構、構造,礦物成分和有用組分含量,研究區石墨礦石劃分為石墨大理巖、石墨片麻巖、石墨石英片巖等3種基本自然類型(表2,圖3)。

根據石墨片度統計結果,研究區石墨礦床石墨鱗片粒徑最小值0.01 mm,遠大于1 μm,均為晶質石墨礦。其中,小于50目占49.33%,50～80目占33.33%,80～100目占12.67%,大于100目占4.67%。主要有用礦物為石墨礦,呈晶質鱗片狀。因此,研究區石墨礦礦石均屬鱗片狀晶質石墨礦石。

4 礦床成因

4.1 變質原巖恢復

由于研究區位于秦嶺造山帶變質變形最為強烈的地區,其原巖經歷多期變質變形改造,這為原巖恢復帶來很大難度。根據礦區大理巖—片巖—片麻巖巖石組合,初步推斷礦區變質巖的原巖為沉積巖。為恢復研究區變質巖的原巖建造,采集區內庾家河石墨礦床19個樣品進行主量元素分析,分析結果見表 3 。

表2 研究區各自然類型石墨礦石特征匯總

圖3 各自然類型礦石鏡下照片

根據正、副變質巖的K—A判別圖解[14](圖4),除1個石墨大理巖樣品落在火成巖區外,其余均落在沉積巖區。其中,石墨大理巖樣品靠近碳酸鹽巖亞區,石墨片麻巖和石墨石英片巖樣品靠近泥質粉砂巖亞區。表明石墨大理巖原巖為碳酸鹽巖,石墨片麻巖和石墨石英片巖原巖為泥質粉砂巖。同時結合野外樣品取樣位置,樣品6受后期巖體侵位,石墨大理巖內部發育有細小巖脈,使其化學成分靠近巖漿巖,這也是其落在火成巖區的原因。根據w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w(∑其余組分)圖解[15](圖5),研究區石墨大理巖落在泥灰巖及硅質泥灰巖和含鐵砂巖區;石墨片麻巖落在化學上弱分異的副礦物粉砂巖沉積物區;石墨石英片巖落在少量礦物砂巖、石英質砂巖區及鈣質砂巖和含鐵砂巖區。分析表明,研究區石墨大理巖原巖為海相的泥灰巖,石墨片麻巖和石墨石英片巖為陸源砂質碎屑巖。依據原巖恢復判別,研究區雁嶺溝組原巖為一套淺海相含碳碎屑巖-鈣泥質巖-碳酸鹽巖沉積建造。研究區石墨礦石通常為石墨大理巖或者石墨大理巖與石墨片麻巖/石墨石英片巖互層型產出,其原巖沉積環境可能為濱海潮坪和潟湖相。

圖4 正、副變質巖的K—A判別圖解[14]

圖5 w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w∑其余組分圖解[15]

4.2 碳質來源

目前多數地質工作者認為研究區晶質石墨礦為有機成因[16-20],并認為在元古代沉積的含碳有機質在成巖及變質作用過程中形成晶質石墨。其依據主要是1984年陜西省地質礦產勘查開發局第十三地質隊在大西溝—碾子坪—蔡凹石墨礦床所做穩定同位素重分析δ13CPDB為-12.34‰～-13.89‰?，F代研究表明自然界中碳質來源主要有地幔來源的碳(δ13CPDB一般為-2‰～ -10‰,平均-7‰)[21]、有機沉積物成因的碳(δ13CPDB介于-40‰～ -17‰之間,平均為-28‰～-26‰)[22]和典型海洋碳酸鹽巖中的碳(δ13CPDB介于-2‰ ～+4‰之間)[23]。相比較而言,研究區的碳與有機成因石墨δ13C相比偏重,而與海相碳酸鹽無機成因石墨δ13C相比又偏輕,具有中間碳同位素特征。鑒于此,也有部分學者認為研究區石墨碳質來源可能為有機成因和無機成因2種[24]。

通過大量的野外觀察,區內石墨均以浸染狀分布于層狀地層中,未見到以團塊狀、條帶狀、細脈—網脈狀、條紋狀或褶紋狀分布在巖石裂隙中的流體沉淀結晶特征的石墨,所以不太可能是生物成因和海相碳酸鹽巖無機成因的多組分流體瑞利分餾后形成的具中間碳同位素特征的石墨礦床[25-28]。巖相學研究表明含石墨巖石樣品中普遍含有一定量的黃鐵礦(圖6),表明其沉積環境具有一定的還原性。有研究表明,有機物在還原環境下分解的產物主要以CH4為主,CH4富集輕的碳同位素(12C),因反應的不徹底性,會使殘余的有機碳同位素逐漸變重[29-30]。故該區石墨是有機成因,因在濱海潮坪和潟湖相還原環境下有機物分解生成CH4反應的不徹底性而具有中間碳同位素特征。

4.3 成巖成礦環境

北秦嶺構造帶是秦嶺造山帶的主要構造單元,呈東西向寬窄不一的狹長帶狀斷續出露,主體由秦嶺巖群為主的構造結晶基底雜巖組成,其大致經歷早元古代陸塊裂解及活動陸緣形成→晉寧期俯沖—碰撞造山階段→晚晉寧—加里東期伸展裂陷(Rodinia超大陸裂解)→晚加里東—海西期雙向斜沖—碰撞→印支期陸內斷陷—推覆造山→燕山—喜山期斷塊造山、差異隆升[31]。秦嶺巖群變質原巖形成于早元古代活動大陸邊緣[32-33],在晉寧期俯沖—碰撞造山作用下發生變質作用,變質程度達到高角閃巖相,為晶質石墨礦的形成提供必需的溫壓條件[34-35]。在晚加里東—海西期,隨著二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆的雙向擠壓,秦嶺巖群南北的商丹斷裂和朱夏斷裂發生走滑運動,秦嶺巖群被錯出抬升至地表。

圖6 各自然類型礦石含黃鐵礦鏡下照片

4.4 礦床成因

北秦嶺東段晶質石墨礦δ13C具有中間碳同位素特征,為有機物在還原環境下分解不徹底造成,其碳質來源于元古代沉積的含碳有機質。晶質石墨由淺海相沉積的碎屑巖-鈣泥質巖-碳酸鹽巖中的有機碳,在晉寧期中高壓相系區域變質作用下形成。北秦嶺東段晶質石墨礦為沉積變質成因。除石墨礦體外,北秦嶺東段雁嶺溝巖組地層中含石墨大理巖非常普遍,其累計疊加厚度達幾十米至上百米,但其石墨含量多小于2%,分析認為沉積作用對石墨富集至關重要。在沉積成巖過程中有機質發生分解、遷移,使碳質成分相對富集,在濱海潮坪和潟湖相環境中出現含碳成分較高的巖段,只有含碳成分較高的巖段才能在變質作用下形成具有工業價值的石墨礦床,即石墨礦品位的高低及其分布特征仍主要取決于原生的沉積條件與古地理環境。后期巖漿侵位造成的熱變質,使得區內石墨礦鱗片進一步增大,但對石墨礦化富集無影響。

4.5 成礦模式

根據區域地質背景、礦床地質條件并結合碳質來源、成巖成礦環境,總結研究區石墨礦床成礦模式如圖7。

圖7 研究區石墨礦成礦模式示意圖(a—沉積成礦階段,b—變質成礦階段)

研究區石墨礦成礦分為沉積成礦階段和變質成礦階段,沉積建造為活動大陸邊緣的濱海潮坪和潟湖含碳泥質巖—細碎屑巖和碳酸鹽建造。在沉積成礦階段,古元古代沉積的原始有機質(藻類遺體)經歷壓實、固結,氨基酸和脂肪酸發生瀝青化,轉變為以CH4為主的烴類。在晉寧期俯沖—碰撞造山作用過程中,秦嶺巖群發生變質變形,變質成礦作用改變碳質賦存狀態,使碳質有序化變成晶質石墨。

伴隨著晚加里東—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆雙向斜沖—碰撞,泥盆紀黃柏岔巖體侵位,對區內石墨礦體進行一定程度改造。由于下部巖漿底劈上侵,帶來大量的熱量,使得區域地溫梯度快速升高,原區域變質作用形成的晶質石墨,在較高的地溫梯度下,發生進一步熱變質,石墨鱗片進一步增大[36]。

5 結論

根據對北秦嶺東段晶質石墨礦詳細的礦床學、巖相學、地球化學以及碳同位素等方面的研究,得到如下認識:

(1)北秦嶺東段晶質石墨礦賦礦地層為古元古界秦嶺巖群雁嶺溝巖組。主要礦石類型有石墨大理巖、石墨片麻巖、石墨石英片巖。石墨的片徑小于100目(大于0.147 mm)占95.33%,為典型的大鱗片狀晶質石墨礦。

(2)北秦嶺東段石墨δ13C具有中間碳同位素特征,是有機物在變質過程中脫CH4造成的。石墨礦品位及其分布主要與沉積相有關,推測其沉積時代為古元古代,形成環境為活動大陸邊緣的濱海潮坪和潟湖相,原始含碳有機質在沉積成礦階段,發生瀝青化,轉變為以CH4為主的烴類。在晉寧期俯沖—碰撞造山作用過程中,有機物逐漸發生變質形成石墨并聚集形成石墨礦床。

(3)區內泥盆紀黃柏岔二長花崗巖體侵位造成的熱變質,使得區內石墨礦鱗片進一步增大。