我国区域变质型石墨矿成矿特征及成矿要素

颜玲亚，高树学，孙 莉，陈正国，焦丽香，周 雯，刘艳飞，孙即秀

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.中国建筑材料工业地质勘查中心，北京 100035）

1 概述

根据石墨矿床的成因可分为区域变质型、接触变质型和岩浆热液型[1]，区域变质型石墨矿是我国石墨矿的主要矿石类型。据国土资源储量通报统计，2016年，我国查明石墨矿产地181处，其中区域变质型矿床数146个，接触变质型34处，岩浆岩型石墨矿1处。区域变质型石墨矿床数量占80%。2016年全国查明石墨资源量约3.65亿t，区域变质型石墨矿资源储量占总资源储量的82%，主要分布在黑龙江、山西、四川、山东、内蒙古、河南、湖北等20个省份，黑龙江省区域变质型石墨矿资源储量1.29亿t，占全国资源储量的42%；内蒙古8 202.6万t，占27%；四川省2 095.4万t，占7%；山西省1 936.2万t，占6%；山东省1 619.11万t，占5%。

2 我国石墨矿成矿地质背景

2.1 地层

我国石墨矿床分布见图1。区域变质型石墨矿主要分布在华北陆块、扬子陆块及天山—兴蒙造山系东部吉—黑成矿省。大地构造位置属稳定陆块的隆起区，如：佳木斯地块、胶北隆起、狼山—阴山陆块、阿拉善隆起、康滇基底断隆、黄陵断穹、龙门—大巴台缘坳陷中段、秦岭—大别山褶皱系等。其中大型及超大型石墨矿主要分布在佳木斯地块、华北陆块北缘中段及胶北隆起。

图1 我国石墨矿床分布图

区域变质型石墨矿主要赋存层位为前寒武纪变质地层，分布范围与太古界—元古界出露地层一致。含矿岩系从新到老为寒武纪罗峰溪群、八村群，前震旦纪大金山组，中元古界长城系高于庄组、白云鄂博群、火地垭群、红安岩群，古元古界荆山群、兴东群、兴化渡口群、敦煌岩群、龙首山岩群、金水口岩群、辽河群、秦岭岩群、陡岭群、辽河群、集安群、昆阳群、哀牢山群、水月寺群，新太古界麻山岩群、太华群、红旗营子岩群，中太古界集宁群、乌拉山群、崇礼岩群。从上述赋矿层位看，古元古代是我国大规模区域变质型石墨矿重要产出期，在内蒙古自治区阿拉善左旗分布有石炭纪区域变质型石墨矿，新疆清河县分布有泥盆纪阿拉托别、孔克热石墨矿，但石墨鳞片均较小，变质程度较低，均未开发利用。

2.2 主要成矿期

石墨矿床的形成主要是沉积地层富含有大量有机质，并且发生较为强烈的变质作用[2]。从区域变质型石墨矿变质程度看，区域变质型石墨矿主要成矿期为：中太古代—古元古代区域变质成矿期，中元古代—早寒武世浅变质成矿期，晚古生代(泥盆纪—石炭纪)浅变质成矿期(见表1)。其中以中太古—古元古代区域变质成矿期为主要成矿期。

表1 我国区域变质型石墨矿主要成矿期

经统计，我国区域变质型石墨矿的成矿时代集中在中太古代—前寒武纪，占总资源储量的93%，其中主要形成时代为古元古代，占总资源储量的41.1%。区域变质型石墨矿形成时代总体上北方早于南方。形成时代最古老的石墨矿位于华北陆块北缘中段的大青山、乌拉山、兴和一带，变质程度深、石墨鳞片大。

2.3 原岩建造及沉积环境

我国的区域变质型矿床多产出于孔兹岩系(一套富含石墨高铝的片岩、片麻岩，同时夹有大理岩、石英岩等副变质岩石组合)和与之类似的变质沉积岩系中，关于其原岩建造的性质和沉积环境， 基本认为是稳定构造背景下生物活动强烈滨海—浅海相的碳硅泥岩建造。根据已有区域变质型石墨典型矿床构造特征，其产出与大理岩密切相关，大理岩多作为矿体的顶、底板或夹层出现，如：内蒙古查汗木胡鲁石墨矿、山东平度刘戈庄石墨矿、鸡西柳毛石墨矿顶底板均为蛇纹石化大理岩或蛇纹透辉大理岩，说明含碳质的沉积岩环境接近滨海—浅海环相的碳酸盐岩的沉积环境，或是同一环境下沉积的产物(滨海或浅海相)。石墨矿石中常伴有硅线石、矽线石和红柱石等特征变质矿物，这种富铝的矿物原岩往往是粘土岩的重要标志，由此可以推断原岩建造为富铝、富碳的砂质粘土岩、中基性火山岩、碳酸盐岩所建造。

2.4 成矿模式

区域变质型石墨形成一般经历三个阶段：①沉积成岩阶段：中太古至元古代在相对稳定的滨海—浅海环境中，原生生物大量繁衍，为原岩沉积提供了碳质来源，沉积了泥沙质、半粘土质、粘土质及含有机碳的泥灰质、富镁碳酸盐建造；②区域变质作用阶段：含有相当数量有机物质的泥沙质沉积岩，在变质作用过程中，岩石中的有机物质遭受一系列的分解反应，含碳质粘土岩沉积建造经过中高级区域变质作用的改造，在强烈的热力和定向压力下形成基底褶皱构造，使富碳质粘土岩沉积建造产生分解形成石墨，达到角闪岩相—麻粒岩相，重结晶和片理化使鳞片状石墨矿产生并富集，形成工业矿体；③混合岩化的重结晶作用，使部分碳质迁移，形成石墨脉(脉内石墨鳞片片径较大)，重熔作用产生的长英质脉体注入石墨片麻岩之片麻理中，引起近脉壁两旁石墨鳞片粗化。区域变质型石墨矿成矿模式见图2。

3 成矿要素特征

3.1 中深区域变质型石墨矿成矿要素特征

3.1.1 区域成矿地质环境

(1) 成矿时代：中太古至古元古代。

(2) 大地构造位置：华北陆块、扬子陆块周缘，佳木斯—兴凯地块、祁连加里东地槽褶皱系等隆起区。

(3) 成矿层位：佳木斯—兴凯地块麻山群、兴东群；华北陆块北缘的乌拉山群、红旗营子群、桑干岩群、集宁群；胶东隆起的荆山群；辽吉裂谷的集安群、辽河群；豫西的太华群、秦岭—大别山褶皱系的秦岭群、陡岭群；黄玲背斜水月寺群；康滇隆起康定群、哀牢山群；三江褶皱系哀牢山群等。

图2 区域变质型石墨矿成矿模式

(4) 含矿岩石组合：石墨片麻岩、片岩、透辉(透闪)岩、大理岩、变粒岩、石英岩、斜长角闪岩等，以石墨片麻岩、石墨片岩为主。

(5) 建造特征：镁质碳酸盐—富铝富碳(半)粘土质岩夹(中)基性火山岩建造。

(6) 变质相：角闪岩相至麻粒岩相，特征变质矿物：矽线石、红柱石、蓝晶石、石榴石、刚玉、铁铝榴石、紫苏辉石等。

(7) 混合岩化作用：广泛，发育条带状混合岩、均质混合岩，钾交代现象普遍。

(8) 成矿环境：古老陆块的边缘地区——浅海陆棚(结晶基底)。

3.1.2 矿床特征

(1) 矿物组合：矿石矿物为石墨，脉石矿物为石英、云母、长石、矽线石、斜黝帘石、透闪石、电气石、金红石、透辉石、方解石、白云石、石榴石等。

(2) 结构构造：花岗鳞片变晶结构、叶片状结构；团体状构造、片状构造、似条带状构造。

(3) 控矿条件：矿体受沉积、区域变质作用控制，有一定的层位， 产状多与围岩产状一致，呈层状、似层状或透镜状，经历多期构造运动，受控于大型复式褶皱(背斜、向斜)构造。

3.1.3 代表性矿床

内蒙古查汗木胡鲁、兴和石墨矿，黑龙江萝北云山、鸡西柳毛石墨矿，山东莱西南墅石墨矿等。

3.2 浅区域变质型石墨矿成矿要素特征

3.2.1 区域成矿地质环境

(1) 成矿时代：中元古代、新元古代、寒武纪、石炭纪、泥盆纪。

(2) 大地构造位置：东准格尔地块、华北陆块北缘、祁连加里东地槽褶皱系、辽吉裂谷、秦岭—大别山褶皱系、龙门—大巴台缘坳陷带、新华夏构造系。

(3) 含矿地层：华北陆块北缘的中元古界的白云鄂博群、长城系高于庄组；秦岭—大别山褶皱系新元古界峡河岩群、信阳群；龙门—大巴山中元古界火地垭群、红安群岩群；武夷山的建瓯群及罗峰溪群；祁连加里东地槽褶皱系石炭系；东准格尔地块中生代泥盆系含矿地层。

(4) 含矿岩石组合：石墨片岩类(红柱石二云石墨片岩、含石墨二云石英片岩、云母石墨片岩、石墨片岩、石英石墨片岩)、大理岩类(石墨大理岩)、明矾石化石墨石英岩。

(5) 建造特征：镁质碳酸盐—富铝富碳(半)粘土质岩建造。

(6) 变质相：绿片岩相—角闪岩相，变质程度低，特征变质矿物：红柱石、矽线石、绿帘石等。

(7) 混合岩化作用：局部发育，微弱。

(8) 成矿环境：古老陆块的边缘地区——浅海陆棚。

3.2.2 矿床特征

(1) 矿物组合：矿石矿物为石墨，脉石矿物为石英、云母、长石、矽线石、斜黝帘石、透闪石、电气石、金红石、透辉石、方解石、白云石、绿泥石、角闪石、黄铁矿等。

(2) 结构构造：鳞片变晶结构、斑状变晶结构、碎裂状结构、他形—半自形粒状结构；片状构造、浸染状构造、眼球状构造、条带状构造等。

(3) 控矿条件：矿体受沉积变质作用控制，呈层状、似层状或透镜状。受控于复式褶皱(背斜、向斜)构造。

3.2.3 代表性矿床

四川坪和、尖山石墨矿，江西峡山石墨矿、内蒙古大乌淀石墨矿等。

4 变质作用及变质相

区域变质型石墨矿典型矿床成矿特征见表2。从表2可以看出，区域变质型石墨矿形成时代越老，变质程度越深、鳞片越大。大鳞片石墨矿形成于角闪岩相—麻粒岩相，小鳞片石墨矿形成于绿片岩相—角闪岩相。据山东省地矿局第四地质队对南墅石墨矿变质相进行多组矿物的温、压估测认为，南墅地区主期变质温度为760～875°，压力在0.5GPa左右，属低压相系麻粒岩相，从而使得原岩中的碳质在更有利的环境中结晶成晶片大的晶质石墨矿床[3]。根据测定内蒙古兴和石墨矿含矿岩系变质温度为670～750°，变质压力为0.75～1GPa，变质程度属高级角闪岩相，石墨鳞片较大，片径为0.30～2.00mm，+100目石墨含量为84.69%[4-5]。萝北云山石墨矿经历了两期变质作用：第一期变质作用为中—高角闪岩相，特征变质矿物为矽线石、透辉石、石榴石、透闪石、角闪石。主要变质岩类型是矽线石墨石英片岩、黑云斜长变粒岩等，温度介于620～720℃，压力介于0.62～0.84GPa；第二期变质作用为低角闪岩相，特征变质矿物为蓝晶石、次闪石、阳起石，温度介于530～550℃，压力介于0.37～0.45GPa，鳞片石墨呈定向排列，通常呈集合体，主矿体中正目鳞片(＞100目)在镜下测量含量达60%[6]。内蒙古大乌淀石墨矿，成因是区域变质作用和接触变质作用双重作用的结果，矿体赋矿层位为中元古界白云鄂博群，岩石类型为红柱石石墨透闪石英片岩，变质程度低，仅为绿片岩—角闪岩相，石墨鳞片较小，鳞片片径为0.001～0.10mm[7]。

表2 区域变质型石墨矿典型矿床成矿特征

5 结论

(1) 区域变质型石墨矿是我国石墨矿形成的主要类型，占总资源储量82%。按变质程度可分为中深变质作用形成的中—大鳞片石墨矿和变质作用较弱的细—小鳞片石墨矿。

(2) 区域变质型石墨矿形成时代集中在前寒武纪，中深变质形成的石墨矿其成矿时代集中在中太古代至古元古代。石墨矿石类型主要为石墨片麻岩、石墨片岩、大理岩等。浅变质形成的石墨矿成矿时代集中在中元古代、新元古代、寒武纪、石炭纪和泥盆纪，矿石类型以石墨片岩、石墨石英岩为主。

(3) 石墨形成时代越老，变质程度越深，石墨鳞片越大，经济价值越高；形成时代越新，变质程度越低，石墨鳞片越小，经济价值越低。中太古至古元古代是大鳞片石墨形成的主要时代。石墨矿固定碳含量并不随着变质程度高而增加，固定碳含量主要取决于原始沉积环境及地层中有机质含量的丰富程度。

(4) 区域变质型石墨矿主要赋存于稳定陆块区的隆起区，大型复式褶皱构造是石墨主要控矿构造。