陕西凤县煤系石墨矿床构造特征及找矿预测

魏云迅，姜 波，孙顺新，张光超，吕录仕，李聪聪

（1.中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

·煤田地质·

陕西凤县煤系石墨矿床构造特征及找矿预测

魏云迅1，姜 波2，孙顺新1，张光超1，吕录仕1，李聪聪1

（1.中国煤炭地质总局航测遥感局，西安 710199；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116）

凤县煤系石墨矿地处北秦岭南部西段，是秦岭地块中的重要石墨成矿带。依据近年来地质调查成果，分析了矿床构造特征及找矿前景。结果显示，凤县煤系石墨矿床主要构造样式为“S”型褶皱、推覆构造及叠加褶皱，成矿后至少经历两次强烈构造运动，前期以近NS向挤压应力为主，后期以NWW向挤压应力为主，并与前期近东西向褶皱叠加；结合构造控矿特征，发现研究区找矿重点位于老厂以东的草凉驿组第五段、第六段中。

凤县；煤系石墨；草凉驿组；构造特征；找矿潜力

煤系石墨是煤及煤系炭质页岩等在岩浆热接触变质及构造变质作用下形成的，多为隐晶质石墨[1]，属煤层变质型石墨矿床，成矿作用主要为构造岩浆带内含煤建造中的煤层，经中酸性岩浆热液接触变质作用重结晶[2]。煤系石墨具有“矿体集中、品位高、易开发”等特点，是石墨矿产的重要组成部分，属于战略性新兴矿产[3-4]。

研究区地处北秦岭南部西段、东西秦岭转换部位（图1），属秦岭地块中的北秦岭叠瓦逆冲推覆构造带[5-7]，是秦岭地块中的重要石墨成矿带[8]。

前人认为，研究区石炭系草凉驿组为一出露较窄的向斜条带①地矿部陕西地勘局.1:50000红花铺幅区域地质报告.1996.。30年来，针对草凉驿组的构造特征及石墨矿床的研究甚少，且有学者认为老厂以西为煤矿，老厂以东为石墨矿[9]。本文从野外调查的大量资料入手，分析论述凤县煤系石墨矿床构造特征及主要构造样式，探讨构造控矿特征，预测煤系石墨矿产资源潜力，为煤系石墨矿床研究提供实例。

1 地质背景

研究区位于华北板块南缘即洛南-栾川逆冲推覆断层与商丹缝合带（SF1）之间，属北秦岭构造带，构造线呈近东西向展布，现今地表呈大小不一的透镜状岩块以不同级别规模、性质和类型的断裂为骨架，实际它即是在原秦岭板块构造的华北板块南缘沟、弧、盆活动大陆边缘基础上，发生华北与扬子、秦岭板块的先后俯冲碰撞拼合，又叠加中新生代陆内造山构造而形成的一个复杂拼合结合带和多期叠加的复合构造带[10]。

研究区西邻西秦岭-松潘构造结，北与宝鸡岩体为邻，南部毗邻秦岭商丹主缝合带，是诸多地块和不同类型造山带汇聚交接转换区，地质构造非常复杂，与区域性构造运动相伴生的岩浆活动频繁。涉及地层主要为第四系、石炭系草凉驿组及奥陶系张家庄组（表1）。

图1 研究区地质略图Figure 1 A sketch geological map of study area

表1 区域主要地层简表Table 1 Regional abridged stratigraphic table

2 构造变形特征

受多期构造应力影响，研究区内构造发育，矿源层石炭系变形改造较大，地层走向、倾向上多为有序弯曲延展，小型构造现象星罗棋布。

研究区东部为南倾的单斜构造，西部为向西倾伏的向斜构造，由草凉驿组组成，延伸长度约2 km，轴向近EW，为不对称向斜，北翼地层产状160°～220°∠20°～40°，南翼产状314°～10°∠30°～40°，枢纽产状270°∠40°；北翼F2断层附近，地层倾角变大，甚至直立。受小褶曲影响（图2），地层产状变化大。

此外，在区域构造应力作用下，抗压强度较小的岩石（泥岩、粉砂岩等）发生塑性变形，形成小褶曲，规模一般在0～100 m，地表、老硐及钻孔均可见，增加了研究区构造复杂程度。

草凉驿组南北边界主要以断裂为界，南界为F1断层，北界西部为F2断层，矿源层受两断层挟持。

图2 西部向斜构造中的倾伏不对称褶皱(a)与平卧褶皱(b)Figure 2 Plunging unsymmetrical fold(a)and recumbent fold(b)in west syncline structure

3 主要构造样式及控矿构造

3.1 “S”型褶皱

西部徐家山-花园寺向斜受两期强烈构造运动影响，平面形态“S”型，轴向近EW，核部陡直，两翼宽缓，且多为小型复式褶皱构成；枢纽产状270°∠40°，北翼靠近F2断层，地层倾角变大，甚至直立，发育小型东西向逆断层，偶具右行剪切走滑性质。

根据该向斜构造应力场分析（图3），控制向斜构造形态的最大主应力方向为NNW向，同时，北东段轴迹向东偏转，南西段轴迹向西偏转，形成了舒缓、独特的“S”型褶皱组合，兼具右行走滑性质。

图3 “S”型褶皱及其构造应力场分析Figure 3“S”typed fold and its tectonic stress field analysis

3.2 推覆构造

逆冲推覆是在挤压体制下形成的以逆冲断层及上盘推覆体为主体的构造[11-12]，逆冲推覆是研究区的又一基本构造形态，是北秦岭叠瓦状逆冲推覆构造带的小型构造单元，其规模虽小，意义重大，不仅控制了石墨矿的形成和赋存，也指示了秦岭造山带的复杂演化。

研究区石炭系地层整体为一推覆体逆冲于奥陶系张家庄组的火山碎屑岩、浅变质岩之上，推覆构造南北宽1～2 km，东西长约20 km。龙王沟剖面是研究区逆冲推覆结构的典型剖面，其发育一系列北倾叠瓦式逆冲断层（图4）。

图4 龙王沟构造剖面素描图Figure 4 A Longwanggou structure section sketch

3.3 叠加褶皱

叠加褶皱多是构造多期变形的结果，研究区叠加构造主要发育于中西部，由近EW向褶皱与NNE或SN向褶皱叠加，一般交角70°～90°，两组褶皱轴呈大角度相交或直角横跨叠加，叠加后，EW向褶皱的轴面一般受变形影响不大，而枢纽受NWW或近EW向力发生再褶皱，呈有规律地波状起伏，最终形成一系列穹盆相间的构造。两期背形叠加处形成穹窿构造，两期向形叠加处形成构造盆地。当晚期背形横过早期向形时，背形枢纽发生倾伏，向形枢纽发生扬起，形成鞍状构造[13-14]。

3.4 应力分析

通过对研究区节理产状的统计分析[15]，发现区内发育2套共轭剪节理，一套节理走向优势方位为NNW、NNE向，另一套节理的走向优势方位为NWW、近EW向(图5)，前一套共轭剪节理形成较早，后一套形成稍晚，这与区域构造应力变化基本一致。

前一套节理影响、制约后一套节理，后一套节理对前一套节理具有截断、错开作用，后一套节理发育优于前一套。根据二者的交接关系，判断前一套共轭剪节理形成时期早于后一套节理系，即挤压方向为NNW向构造应力发育较早于挤压方向为NWW向的构造应力，这与区域研究结果基本吻合[5，10，16]。

图5 节理走向玫瑰花图Figure 5 Rose diagram of joint strikes

通过节理应力分析，研究区内石炭纪后至少经历过两次强烈构造运动，前期以近NS向挤压应力为主，发育近东西向褶皱、逆冲断裂，后期以NWW向挤压应力为主，发育NNE向小型褶皱、逆断层，并与前期近东西向褶皱叠加，基本形成了研究区现今构造形态。

3.5 构造控矿

研究区石墨矿床是构造、热作用的共同结果，它不仅仅是一种物理作用，也起着某种地球化学作用，促进了煤（矿源岩）大分子结构的变化。同时，岩浆热作用除产生热能外，亦可通过构造作用相对均匀地传递应力。

研究区以压缩构造样式为主，褶皱是主要控矿构造，其控制着煤系石墨地层及石墨矿层的赋存形态，同时，可以引起石墨的层间滑动或层内流动，影响着石墨矿体的运移。

在南北向强烈挤压应力作用下，各单层岩矿石依据各自不同的内因特征，分别发生规模、形态不一的褶曲表现。形变集中于介质的不均一处，介质的不均一引起形变的不均一，厚层砂岩形成规模大、波形舒缓的褶曲；而薄层板岩、黏土岩与矿层，则形成规模小、弯曲强烈的紧闭褶曲。石墨矿层的塑性更大，在褶皱作用过程中，明显地与上下直接顶板不协调，它以塑性状态挤入各种剥离空穴或构造软弱面，形成下向齿形分岔矿体与鞍状矿体等（图6）。

图6 老硐内矿层局部揉皱照片(老厂)Figure 6 Photos of old cutout locally crumpled ore bed(in Laochang)

研究区内发育一系列华力西-印支期及燕山期的北倾逆冲推覆断裂，错断石墨矿层延伸方向，同时，受动力变质作用影响，在断裂面上时可见到石墨化现象，但往往品位低、厚度甚小，工业价值不大，如果断裂空穴被煤变质石墨充填贯入，则可形成工业矿体。

4 找矿潜力预测

我国煤系共伴生石墨已探明储量5000万t以上，矿床规模大，成矿地质条件好，品位高，却一直未得到应有的重视[17]。目前我国煤系石墨开发利用程度低，采煤时采出的石墨原矿被当作矸石遗弃，或者当成煤烧掉，不仅浪费资源且污染环境，更丧失了开展综合利用的良好资源条件。

曹代勇[3]认为，目前对煤系石墨的研究较少，对其成矿机制认识较肤浅，尤其是对构造和岩浆热作用在石墨化进程中的主导作用研究程度不够，导致对煤系石墨赋存规律不清。

4.1 矿石特征

研究区煤系石墨呈钢灰色、灰黑色，致密块状、土状及层状、页片状构造，为隐晶质石墨或半石墨[2]。扫描电镜下可见隐晶质石墨颗粒呈不规则片状，粒径大部分为2～3 μm，石墨晶体呈片状，边界清楚。通过XRD测试发现，矿物成分主要为石墨、石英、绿泥石、伊利石等。

4.2 有利区块预测

笔者结合近年来的地质调查工作总结发现，凤县贯沟-老厂-煤沟一带煤系石墨成矿带是石炭纪煤层受燕山期岩浆热作用及构造热作用变质而成的，通过，矿体走向较连续（图7），埋深一般300～ 500 m，根据钻孔及老硐的样品测试结果分析，该成矿带东部（老厂至贯沟）矿体多、矿石质量较好，固定碳含量一般68%～89%（表2）；西部矿石质量稍差，至嘉陵江以西煤沟一带则质量最差，这与岩浆活动的期次、持续时间和构造应力的强弱是分不开的。因此，研究区煤系石墨的找矿重点位于老厂以东的草凉驿组第五段、第六段地层中。

图7 Ⅲ矿体走向对比图（老厂）Figure 7 Ore body III strikes comparison diagram(in Laochang)

表2 煤系石墨样品品位特征Table 2 Coal measures graphite sample grade features

5 结论

（1）陕西凤县煤系石墨矿床受多期构造应力影响，矿源层石炭系变形改造较大，主要构造样式为“S”型褶皱、推覆构造及叠加褶皱。

（2）通过应力分析，发现研究区内石炭纪后至少经历两次强烈构造运动，前期以近NS向挤压应力为主，后期以NWW向挤压应力为主，并与前期近东西向褶皱叠加。

（3）褶皱构造影响着石墨矿体的运移；断裂错断石墨矿层延伸方向，同时，影响矿层的品位。

（4）结合调查工作及构造控矿特征，发现研究区东部（老厂至贯沟）煤系石墨矿体多、矿石质量较好，西部矿石质量稍差。因此，研究区煤系石墨的找矿重点应该侧重于老厂以东的草凉驿组第五段、第六段地层中。

[1]钱承欣.石墨的类型、性能、选矿和使用[J].国外金属矿选矿，1993，(12):12-13.

[2]莫如爵，刘绍斌，黄翠蓉，等.中国石墨矿床地质[M].北京:中国建筑工业出版社，1989:26-84.

[3]曹代勇，张鹤，董业绩，等.煤系石墨矿产地质研究现状与重点方向[J].地学前缘，2016，23:1-11.

[4]孙升林，吴国强，曹代勇，等.煤系矿产资源极其发展趋势[J].中国煤炭地质，2014，26(11):1-11.

[5]张国伟.秦岭造山带的形成及其构造演化[M].西安:西北大学出版社，1987:126-134.

[6]宋传中，张国伟，任升莲，等.秦岭-大别造山带中几条重要构造带的特征及其意义[J].西北大学学报(自然科学版)，2009，39(3):368-380.

[7]张国伟，张本仁，袁学诚.秦岭造山带与大陆动力学[M].北京:科学出版社，2001:117-119.

[8]FENG Yangwei，QU Hongjun，YANG Chenyi，et al，Distribution Characteristics and Metallogenic Regularity of Graphite Deposits in Qin⁃ling Orogen，China[J].Acta Geologica Sinica，2015，89(4):1244-1263.

[9]陈二虎，张选固，刘萍.宝鸡地区石墨矿开发利用现状及外围找矿潜力[J].甘肃冶金，2013，35(5):88-92.

[10]张国伟，孟庆任，于在平，等.秦岭造山带的造山过程及其动力学特征[J].中国科学(D)，1996，26(3):193-200.

[11]曾佐勋，樊光明，王国灿，等.构造地质学[M].武汉:中国地质大学出版社，2008:181-194.

[12]姜波，王桂梁.煤田断裂构造岩分类研究[J].中国煤田地质.1990，(2):5-7.

[13]Ramsay J G.单文琅等译.岩石的褶皱作用和断裂作用[M].北京:地质出版社，1985:355-379.

[14]Ramsay J G，Huber M I.徐树桐主译.现代构造地质学方法(第二卷褶皱和断裂)[M].北京:地质出版社，1992:176-205.

[15]陈庆宣，王维襄，孙叶，等.岩石力学与构造应力场分析[M].北京:地质出版社，1998:118-129.

[16]李加好.北秦岭的构造变形与动力学研究[D].合肥:合肥工业大学，2013.

[17]晏达宇.我国煤系共伴生矿产资源概况及开发利用的意义[J].煤炭加工与综合利用，2004(6)：44-47．

Coal Measures Graphite Ore Structural Features and Prospecting Prediction in Fengxian County,Shaanxi

Wei Yunxun1,Jiang Bo2,Sun Shunxin1,Zhang Guangchao1,Lyu Lushi1and Li Congcong1
(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau,CNACG,Xian,Shaanxi 710199; 2.School of Resource and Earth Science,CUMT,Xuzhou,Jiangsu 221116)

The coal measures graphite ore in the Fengxian County is situated in west sector,southern part of the North Qinling Mts.,an important graphite mineralization belt in the Qinling massif.Based on geological investigated results in recent years,analyzed and dis⁃cussed ore structural features and prospecting prospect.The result has shown that the main structural patterns of the ore have“S”typed folds,nappe structures and superimposed folds,at least experienced two strong tectonic movements after mineralization.During the early stage had been under mainly NS compressive stress,and later stage mainly NWW compressive stress,then superimposed on the early stage near NS folds.Combined with structural ore control features,has found that the prospecting focal point should be situat⁃ed within the fifth and sixth members of the Caoliangyi Formation to the east of Laochang.

Fengxian County;coal measures graphite;Caoliangyi Formation;structural features;prospecting potential

P619.252

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.01

1674-1803(2017)03-0001-04

中国地质调查局地质调查工作项目（特殊用煤资源潜力调查评价（DD20160187））、中国煤炭地质总局科技发展基金项目（秦岭造山带凤县石炭纪石墨资源条件调查研究（2013-I-03））

魏云迅（1983—），男，江苏邳州人，2007年毕业于中国矿业大学，工程师，硕士，从事煤田地质、遥感地质工作。

2016-11-18

责任编辑：宋博辇