湖南鲁塘煤系石墨矿区构造格局及控矿机制

王 路，彭扬文，曹代勇，丁正云，莫佳峰

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410000)

煤系石墨又称为煤成石墨，是隐晶质石墨的主要类型，属于战略性新兴矿产[1-2]。湖南鲁塘矿区是全国重要的隐晶质石墨(煤系石墨)产地，素有“石墨之都”的美称。前人对鲁塘石墨矿区的研究主要局限于岩浆热变质作用，曾提出按照与骑田岭花岗岩体的距离由近及远，呈现石墨—半石墨—煤渐变关系的模式[3]，然而鲁塘矿区煤和石墨矿生产实际揭露的情况表明，上述模式过于简单和理想化，煤系石墨与无烟煤的过渡关系十分复杂[4]，已经初步认识到石墨矿分布受褶皱构造的控制，并不完全与距骑田岭岩体的远近有关[5]。煤成石墨化作用与煤化作用是一个连续的过程，与煤化作用相同，温度是石墨化作用的主导因素，但构造作用同样不可忽视，野外地质研究和室内模拟实验证实了构造变形在煤系石墨成矿机制中起到的关键作用[2,6-9]。因此，系统深入地研究鲁塘矿区构造特征及其控矿作用，不仅可以深化对煤系石墨成矿机制的认识，而且也有利于查明煤系石墨展布规律，为石墨矿产合理开发提供科学依据。

1 地质背景

1.1 区域构造背景

鲁塘矿区位于湘东南地区，地处华夏地块与扬子陆块交界带，经历自加里东时期以来多期次、多阶段漫长的构造–岩浆活动[10-12]。湘东南地区以SEE向俯冲断裂—茶陵–郴州大断裂为界，分为东部炎陵–汝城隆起区和西部衡阳–桂阳拗陷区，呈现出东高西低的趋势。由于多期次大规模的构造–岩浆活动，导致该区成为钨、锡等多金属成矿有利区，是南岭多金属成矿带的重要组成部分[13]。

1.2 矿区地质背景

鲁塘矿区位于骑田岭花岗岩体西部，主要含煤地层为二叠系龙潭组，骑田岭岩体是煤发生石墨化的主要热源。骑田岭花岗岩体受区域构造影响呈NNE 向展布，岩浆自燕山早期开始侵入形成，分布面积达520 km2，岩性主要为角闪石黑云母二长花岗岩、黑云母花岗岩、细粒黑云母花岗岩[14-15]。矿区主体构造为走向NNE 的鲁塘–沙田复式向斜(向2)，向斜西翼构造相对简单，地层出露较完整；东翼构造相对复杂，发育一系列次级断层和褶皱，对煤系石墨的成矿和分布均有较大影响。矿区内主要有两组断层，一组为近EW 向的平移正断层，另一组为近SE 或NNE 向的走向逆断层(图1)。

2 矿区构造单元划分

鲁塘矿区经历多期次构造–岩浆活动，尤其是燕山期受太平洋板块与印度洋板块挤压影响，构造活动最为强烈，由SE 向NW 的挤压造就了现今的构造格局，呈现南北分区、东西分带的特征。依据岩浆热接触变质程度和构造变形强度，由强到弱将研究区从东到西划分为东部条带、中部条带和西部条带(表1)；以近NNW 向的F4 和F5 断层为界，从北到南划分为3 个区，即北部分区、中部分区、南部分区(图1)。

2.1 分带特征

东部条带与骑田岭岩体直接接触，岩浆热接触变质程度较高，岩石发生强角岩化，可见变质矿物空晶石(图2a)。岩体侵入产生的挤压应力导致东部条带地势抬升，构造情况复杂，一方面使前期形成的褶皱更加复杂化，另一方面则形成新的断裂和褶皱，如F1 和F7 断层，背2、向3、背3、向4 褶皱。岩石显微构造可见石英动态重结晶和斜长石的扭折带等塑性变形(图2b、图2c)，指示为高温高压的环境。

中部条带与骑田岭岩体间接接触，岩浆热接触变质程度降低，岩石主要出现弱角岩化—角岩化，同时地层受岩体侵入挤压变形强度减弱。中部条带地形情况相对复杂，受东部条带抬升拉伸，发育F2和F8 等走向与构造线方向相一致的次级断裂。岩石显微构造可见晶内裂隙等脆性变形和石英波状消光、带状消光和变形纹等塑性变形(图2d、图2e)，说明变质温度压力条件相对东部条带逐渐降低。

西部条带与骑田岭岩体距离相对较远，热接触变质程度较弱，可见绿泥石化，局部并未见有岩石变质现象。受岩体侵入的挤压应力较小，地层产状相对稳定，构造情况简单，不存在明显的断裂和次级褶皱，显微构造可见方解石的机械双晶(图2f)，反映一种低温低压的变质环境。

2.2 分区特征

北部分区位于F4 断层北部，主要位于鲁塘沙田复向斜北端，受岩体强烈挤压呈狭长形态，并发育许多次级断裂和褶皱(图3a)，如F8 和F4 断层，崩塘–磨刀水背斜(背3)、长沙岭–婆婆岭向斜(向4)，总体上呈现为一种紧闭的形态，且岩石的岩浆热接触变质程度较高。

图1 鲁塘矿区构造单元划分Fig.1 Sketch division of tectonic units in Lutang mining area

中部分区位于矿区的中部，F4 和F5 断层之间。中部分区位于鲁塘沙田复向斜中段，向斜相对开阔，自东向西构造情况变化显著，东侧发育较多次级断层和褶皱，西侧构造情况简单，呈现为东侧紧闭、西侧开阔的形态(图3b)。

南部分区位于F5 断层以南，位于鲁塘沙田复向斜南端，东翼和西翼构造情况较简单，次级褶皱和断裂构造不发育，总体上呈现为一种开阔的形态(图3c)，岩石受岩体侵入的挤压变形强度较弱。

3 构造控矿

3.1 煤系石墨特征

图2 鲁塘矿区典型变质矿物与显微构造(正交偏光)Fig.2 Typical metamorphic minerals and microstructure in Lutang mining area

表1 构造分带特征表Table 1 The features of the tectonic zoning

图3 鲁塘矿区北部、中部和南部分区剖面示意Fig.3 The geological section of northern,central and southern zones in Lutang mining area

本次样品主要采自鲁塘矿区石墨十矿、九矿等10 个矿井。由前人研究成果可知，可用X 射线衍射和激光拉曼光谱实验参数d002和R2分别表征芳香碳层堆叠间距和分子结构缺陷密度。随着石墨化程度提高，芳香层逐渐有序排列、堆叠，无序结构逐渐向有序结构转化，表现为芳层间距d002和结构缺陷参数R2值逐渐减小，依据其石墨化程度可以划分为煤系石墨、煤系半石墨、石墨化无烟煤和无烟煤4 类[5,19-20]。由实验结果可知(表2)，在北部分区，碳层间距d002值均小于0.337 0 nm，芳香层横向和纵向尺寸均较大，结构缺陷参数R2为0.26～0.33，表明含有的结构缺陷较少，煤的石墨化程度高，形成具有有序晶体结构的煤系石墨；中部分区内样品的石墨化程度差异性较大，距离岩体越近，煤的石墨化程度越高，其碳层间距d002可达到0.336 3 nm，距离岩体较远的样品石墨化程度较差，芳香层的结晶程度较低；南部分区内样品的石墨化程度相对较差，d002和R2参数均表明其结晶程度较低，含有的结构缺陷相对较多，仅在靠近岩体附近局部地方形成了石墨化程度较高的煤系半石墨。

3.2 构造对煤系石墨成矿的影响

前人已经对煤成石墨演化过程中构造应力作用机制进行了相关研究，认为构造应力在煤的石墨化过程中扮演着重要的角色，是煤向石墨演化过程的重要因素[17-20]。在研究区内，自西向东，煤层与岩体的距离逐渐减小，受岩浆热变质作用的温度逐渐升高，同时，构造情况逐渐由简单变复杂，导致矿层从原生结构逐渐出现脆性变形、韧性变形，煤的石墨化程度也逐渐增高(图4)。

表2 鲁塘矿区样品实验结果Table 2 XRD and Raman data of samples in Lutang mining area

在北部分区中，整体构造呈狭长、紧闭的形态；与岩体距离较近，受岩浆热变质温度较高，且受岩体挤压构造变形作用较强，易形成封闭式环境，热量不易散失，形成高温–高压条件；构造应力作用不仅导致矿层出现强烈的韧性变形，且提高了煤的石墨化程度，在该区内主要分布煤系石墨。在中部分区，构造相对简单的向斜西翼，距离岩体较远，煤层受岩浆热变质温度较低，形成开放式环境，主要形成高变质无烟煤，自西向东，随着岩浆热变质温度逐渐升高，构造情况逐渐复杂，矿层变形强度逐渐增高，在中带和东带形成以半开放–半封闭环境和封闭式环境为主，分别主要形成煤系半石墨和煤系石墨。在南部分区，整体构造情况简单，构造变形强度较弱，形成以开放式环境为主，岩浆侵入提供的热量难以保存，仅在靠近岩体附近形成石墨化程度相对较高的煤系半石墨。

图4 鲁塘矿区煤系石墨成矿分布模式Fig.4 The distribution model of coal-based graphite in Lutang mining area

4 结论

a.在区域构造背景下，鲁塘矿区呈现出以NNE向为主的向斜构造，并具有分区分带性特征，依据岩浆热接触变质程度和构造复杂程度，将矿区分为东西向的3 个条带和南北向的3 个分区，自西向东，岩浆热接触变质程度逐渐升高，构造变形强度逐渐增强，由南向北，构造情况逐渐复杂，矿层变形强度逐渐增强。

b.由X 射线衍射和激光拉曼光谱实验结果可知，自西向东，受岩浆热作用的影响，煤的石墨化程度逐渐升高；自南向北，煤的石墨化程度逐渐升高，碳层间距逐渐减小，结构缺陷逐渐消亡，发育较好的有序的石墨结构。

c.煤系石墨的形成和赋存并不只受岩浆热作用的影响，构造为煤系石墨提供有利的成矿条件。构造复杂的北部分区，构造变形较强，形成的封闭式环境有利于煤系石墨形成；南部分区内主体构造相对简单，形成以开放式环境为主，仅仅在靠近岩体附近形成煤系半石墨；中部分区内构造情况复杂，煤的石墨化程度差异性较大，从无烟煤到煤系石墨均有分布。