福建大田—漳平地区构造-热对煤系石墨成矿及赋存的控制探讨

丁正云，王 路，曾 欢，李 阳，陈泉霖，邓瑞锦，程 乔，林晓炎，曹代勇

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.福建省煤田地质勘查院，福建 福州 350005)

煤系石墨是由富集型煤在煤化作用阶段进入石墨化作用阶段形成的，随着演化程度的不同，其化学组成和结构有序化程度发生变化。近年来，国内外学者围绕煤成石墨的化学组成、微观结构和应用等方面进行了探讨，取得了一定的成果[1-3]。一些学者认为煤向石墨演化主要受岩浆热单一因素的影响，并未重点关注构造，尤其是构造应力对煤成石墨化的影响。然而，K.R.Wilks 等[4]、R.M.Bustin等[5]通过模拟实验证明了应力可以促进煤向石墨演化，且剪切应力的促进作用更加明显；构造煤的研究发现，构造应力作用可以促使煤的超前演化，表现为构造煤具有较大的大分子结构及结构的有序排列[6-9]。因此，在多因素的制约下，煤成石墨化过程更加复杂。福建省位于东部滨太平洋构造带上，岩浆活动显著、构造十分发育、煤变质程度高，有较好的煤系石墨资源前景。以福建省大田—漳平地区矿区为主要研究对象，选取不同矿区不同变质程度的煤/石墨矿样品，结合岩浆-构造条件，研究煤系石墨矿区的化学组成及微观结构特征，探讨煤系石墨的岩浆活动及构造等特征及其分布规律，为煤系石墨矿产综合勘查开发利用提供依据。

1 地质背景

福建省位于东部滨太平洋构造成矿带上，是煤系石墨矿的富集区。自晚太古代以来经历了多次造山运动影响，特别是印支-燕山运动的活动影响最为显著，NNE—NEE、NW—EW 及S—N 走向断裂十分发育，形成大小不同的地块。最突出的是NE 向的晋江–永安断裂带与NNE 向的政和—大埔构造-岩浆带相交汇，将福建省割切为闽西北、闽西南及闽东3 个地块，各主要构造期均伴有规模不等的岩浆侵入活动。

福建省大田—漳平地区(图1)位于闽西南加里东–印支期陆内叠合造山带永梅拗陷区中段，政和–大埔断裂带以西、晋江–永安断裂带以南地区。从西往东由沙县–永安复式向斜，青水–龙岩复式向斜等一系列NE 向的次级构造单元组成，构造轴线总体走向NNE。研究区含煤地层为中二叠统童子岩组，该含煤区经历了自晚古生代以来多次期构造运动，岩浆岩体分布广泛，尤以燕山期构造–岩浆活动最为强烈和频繁，对煤系影响最为显著。

图1 大田—漳平地质简图及采样点Fig.1 Geological sketch map and sampling locations of the Datian-Zhangping area

2 煤系石墨基本特征

2.1 样品宏观构造变形特征

以福建省大田—漳平地区煤/石墨矿区为研究对象，选取该地区10 个矿区不同变质程度的15 个煤/石墨样品(图1)，由于矿区含煤地层沉积、聚煤环境等具有较大差异，样品变质程度的分布范围较大。在一期或多期构造应力作用下，煤体原生结构会发生不同程度的脆裂、破碎、韧性变形或叠加破坏，由此也引发了其内部化学成分和结构的变化[6]，样品宏观上既有脆性变形的碎粒、碎裂结构，也有构造变形强烈的揉皱状结构或煤成石墨典型的鳞片结构。如大田地区9HP-1、QK-1-B、QK-2、9XGZ-2、9XGZ-4、SQ-4-B 样品为构造变形稍弱的碎粒、碎裂煤，原生结构难以辨认，样品易碎成小块。漳平地区样品的变形类型不同，其中WK-3-B、9WK-1、KK-3-B、9KK-3-1、9KK-3-2 样品构造变形强烈，主要以鳞片状、揉皱状的韧性变形特征为主，裂隙发育较少，煤体可见揉皱现象，大田溪洋煤矿部分样品(XY-4)也有此特征；而WSG-1-B、SSK-1-B、SBK-2-B 则主要以脆性变形为主，煤体破碎较严重，呈碎粒一小块状。依据变形机制不同，可将上述3种变形类型划分为脆性变形、脆-韧性变形和韧性变形(表1)。

表1 样品基本信息与工业分析、元素分析Table 1 Basic information and proximate analysis and element analysis data of coal-based graphite samples

2.2 化学组成及微观结构特征

煤的石墨化是化学组成上富碳、去氢、脱氧、大分子结构逐渐有序化的过程[10-12]，此过程中由多种元素向单一元素组成演化，H、O、N、S 等异种元素掺杂在芳环结构中造成异质原子吸附缺陷、取代缺陷等[13]，随着碳含量增多，杂元素含量减少，芳环结构中的缺陷逐步降低。

为探讨煤/石墨的化学组成、微观结构特征等煤成石墨化特征变化，对样品进行工业分析、元素分析、X 射线衍射和激光拉曼光谱等实验(表1、表2)。由元素分析实验结果可知样品的演化程度很高，H/C 原子比基本小于0.1，属于国际煤岩学与有机岩石学会(ICCP)所划定石墨的H/C 范围[14-16]，随着变质程度的增高，煤基本结构单元碳原子面网间距逐渐减小[17]，同时各种类型的结构缺陷逐渐消亡，表征石墨结构缺陷发育程度的拉曼光谱参数R2=AD1/(AD1+AG+AD2)逐渐减小[12,19]，碳原子排列有序度较高，逐渐形成三维有序的石墨晶体结构[19-20]。

根据文献[21]中高变质无烟煤-煤成石墨类型的分类模板，以碳层间距d002值和拉曼参数R2值作为结构指标，可以将大田—漳平地区样品划分为煤成石墨()Ⅰ、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化无烟煤(Ⅲ))三大类(表2)。根据表2 可以看出，研究区韧性变形特征样品的碳层间距d002均位于0.335 7～0.337 0 nm，R2＜0.6，石墨微晶结晶程度较好，石墨晶体的三维有序度高，为煤成石墨；脆-韧性变形样品的碳层间距d002位于0.337～0.344 nm，R2为0.4～0.7，微晶尺寸(Lc和La)增大，表明样品石墨化程度较高，已达到煤成半石墨；而脆性样品其d002值部分大于0.344 nm，R2基本小于0.7，样品已经出现了一定程度的石墨化，但部分样品石墨化程度不高，含有的结构缺陷较多，尚未形成规整、有序的石墨晶体结构，属于石墨化无烟煤。

3 煤系石墨的分布规律

研究区从石墨化无烟煤(Ⅲ类)到煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)、煤成石墨(Ⅰ类)均有分布(表2)，其中，漳平地区样品多为煤成石墨(Ⅰ类)，部分为煤成半石墨(Ⅱ1)，大田地区既有煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)，也有石墨化程度不高的石墨化无烟煤(Ⅲ类)，之所以形成这样的分布格局，和大田—漳平地区复杂的构造-热条件有关(图1，图2)。

表2 样品X 射线衍射、拉曼光谱数据及石墨类型Table 2 XRD and Raman spectral analysis data and distribution of different types of coal-based graphite samples

岩浆岩入侵产生的高温为煤层的石墨化提供了热力条件，而构造格局，特别是断裂带的展布，对煤系石墨的空间分布也有明显的控制作用，大田—漳平地区多期次构造运动形成了一系列NNE、NEE、NW 及EW、SN 向断裂带，构成了“东西分带、南北分块”的基本构造格局(图2)。煤系石墨的分布规律有：a.该区煤系石墨矿分布具有明显的成区及成带分布的特点，石墨成矿区主要集中在闽西南坳陷南部的漳平一带，几乎都是煤成石墨(Ⅰ类)，其次为煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)；而在北部大田一带分布的矿区石墨化程度较漳平一带低，多为煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)，还有部分石墨化无烟煤(Ⅲ类)。b.煤系石墨成矿区主要呈NE、NNE 向展布，少部分为NW 向展布。NE 向煤系石墨成矿区可分为两个亚区，漳平可坑–乌坑成矿亚区和永安–大田成矿亚区[21]。c.区内的Ⅰ级控矿断裂(如政和–大埔断裂带)控制着主要成矿带的分布；次一级的Ⅱ级控矿断裂(如断裂带的派生构造或矿区发育的构造)既控制着不同期次的岩浆活动，成为岩浆热导热通道，也成为地层变质的隔热层，为煤系石墨创造了良好的成矿空间，故在此带上石墨矿相对集中分布。

图2 大田–漳平地区煤成石墨分布Fig.2 Distribution of coal-based graphite in Datian-Zhangping area

4 煤系石墨成矿的控制因素

研究区内多期构造演化形成了复杂多变的构造格局和多种成岩成矿环境，是中国东南部重要的成矿集中区，也是南岭东西构造带[22-23]与东部滨太平洋成矿带的亚洲大陆边缘NNE 向构造带交替演化的叠合部位，两个构造带长期、反复剧烈活动，不断演化，使其交汇部位的区域成岩、成矿条件发生变化，形成封闭的挤压环境，成为重要的成矿带。不同时期的岩浆热液作用和复杂多变的构造形变格局，为大田—漳平地区形成丰富的石墨矿床提供了良好的成矿条件。

4.1 岩浆岩对煤系石墨成矿的控制

岩浆岩作为矿质及成矿热液的重要来源，其侵入时产生的高温促进附近煤的变质作用和石墨化作用，要达到一定石墨化程度，需要有达到能发生相应石墨化作用的能量，理论上高温为原子重排、重结晶、结构转化提供了活化能[24]，有利于煤向石墨转变。研究区经历了印支期、燕山期等多期次岩浆侵入活动，其中燕山期侵入规模最大，分布在政和-大埔断裂带两侧，对含煤地层的影响最大。

大田—漳平地区岩浆岩侵入体与石墨矿的成矿关系主要表现在以下几个方面：a.在空间上，区内绝大多数石墨矿床产出于岩浆岩侵入体外接触带或附近断裂带的有利围岩地层中，如漳平可坑矿区的构造动力–岩浆热变质带、岩浆热-构造变质带、构造动力变质带[20]。就每一个矿区来说，矿床(点)经常围绕花岗岩体接触带分布，可坑矿区、大田下盖竹等矿区均属于此类；b.岩浆岩体的产状、形态、规模及其与围岩的接触关系对石墨矿的产出和富集有显著的影响，岩体顺层侵入或岩体与含煤地层环抱式侵入，对煤的石墨化程度影响各不相同，后者对煤系石墨成矿最为有利，石墨矿的规模也相对较大，如可坑矿区；c.从岩浆岩体的侵位深度来看，深成侵入相或中深成侵入相的大岩体、岩基接触带、大岩株的边缘等，侵入面积较大，热能充足，对煤系石墨的成矿比较有利，如漳平可坑矿区；而较小的岩浆岩体或小岩脉则很少有石墨矿产出。这可能是因为浅成侵入的热源散失较快，冷却迅速，不利于接收并保存来自于岩浆岩体侵入时的高温热液气，且作用时间短，影响煤的石墨化范围较小，仅在岩脉附近煤的石墨化程度较好，如石板坑、乌石隔矿区。

4.2 构造对煤系石墨成矿的控制

构造对矿产的控制作用表现在对矿产形成、产出、分布的控制，大规模的走滑断层及斜向逆冲构造等断裂带的发育不仅能控制岩浆岩体的侵入活动，作为岩浆热的导热通道，还能引起强烈的构造变形，可形成封闭式环境，成为含煤地层热变质的隔热层，起到保温作用，构成复杂的构造-热变质变形环境，有利于石墨化的发生。

更重要的是构造应力不仅可以造成煤的宏观、微观和超微观变形，同时可以作用于煤中大分子化学结构，改变其化学组成。众多学者在构造煤的研究中已经进行深入探讨，曹代勇等[25]提出在煤化作用中的应力降解-应力缩聚机制；王路等[18]对湖南鲁塘矿区煤系石墨的研究中提出了应变诱导石墨化机制；李小诗等[26]认为由于构造变形造成煤的化学结构和次生缺陷的不同，是导致构造煤与原生结构煤大分子结构不同的主要原因；张玉贵等[8]指出构造煤演化中的力化学作用，可引起裂解、聚合、正构、异构等化学变化。

大田—漳平地区童子岩组含煤岩系由软硬岩层相间组合而成，在其形成以后的构造运动中，作为软岩层的煤层在构造作用力下破坏并发生塑性流动，从区域构造背景来看，研究区位于东西两条逆冲推覆构造带的中间层，尤其沿政和-大埔断裂带附近，受强烈的挤压、推覆构造的影响，煤在不同应力-应变环境中形成不同的变形特征。压性、压扭性或剪切变形环境，导致煤层受构造应力作用较强，含煤地层受到强烈破坏，形成脆性变形的碎粒煤、碎粉煤等；在较强的构造应力作用、较高的温度和压力变形环境下产生流变、揉皱变形或鳞片状等韧性变形特征；而脆-韧性过渡的变形构造界于脆性和韧性之间，煤的变形也表现出脆-韧性叠加的特点[9]。

在韧性变形环境下，岩浆热变质叠加动力变质作用，煤层在岩浆热与构造应力共同作用下，促使煤的石墨化程度变高。从样品变形类型来看，同一地区不同矿区或同一矿区矿层产出于不同构造变形环境的煤，其石墨化程度出现差异性，如漳平可坑、乌坑矿区，以韧性变形为主的样品 KK-3-B 和WK-3-B，碳层间距减小为0.336 1 nm 和0.336 2 nm，堆砌度和延展度增大，R2为0.343 和0.338，样品多以Ⅰ类煤成石墨为主，说明韧性变形作用不仅促进了脂族结构的降解和环化缩合，同时也使芳香结构相互拼叠，形成了更大尺寸的芳香层片，发生了应力缩聚作用，这也进一步表明构造应力作用能促进煤的石墨化。

脆性断裂导致煤的变形以脆性变形为主，形成碎粉状、碎粒状结构，断裂构造发育切断含煤地层，成为岩浆热的导热通道，为煤的石墨化提供热源，但又成为岩浆热的散热通道，形成一开放性环境，煤的石墨化程度不高，d002值大于0.344 nm 或R2大于0.65，如琼口石墨矿(QK-2)、乌石隔矿(WSG-1-B)、石板坑(SBK-2-B)等矿区，样品多形成Ⅱ2类煤成半石墨，甚至是Ⅲ类石墨化无烟煤。而以脆-韧性变形为特征的下盖竹、可坑等部分样品，变形表现出脆-韧性叠加特点，如9XGZ-4、9KK-3-2，其碳层间距(0.341 8 nm、0.337 2 nm)和R2值(0.611、0.469)明显较韧性变形样品高又比脆性样品低，在半开放-半封闭式环境主要形成Ⅱ1和Ⅱ2类煤成半石墨。

5 结论

a.根据变形机制不同，可将煤的变形类型分为脆性变形、脆-韧性变形和韧性变形。以碳层间距d002值和拉曼参数R2值作为结构指标，可以将大田—漳平地区不同变形特征的样品划分为煤成石墨(Ⅰ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化无烟煤(Ⅲ)三大类，煤的变形特征与煤成石墨类型基本一致。

b.绝大多数石墨矿床均产出于岩浆岩侵入体外接触带或附近断裂带的有利围岩地层中，且岩浆岩体的产状、形态、规模及其与围岩的接触构造形式对石墨矿的产出和富集有明显的控制作用；深成侵入相或中深成侵入相大岩体、岩基接触带、大岩株的边缘等对煤系石墨的成矿比较有利。

c.同一地区不同矿区或同一矿区产出于不同构造变形环境的矿层，煤的石墨化程度呈现差异性。构造应力作用能促进煤的石墨化作用，韧性变形过程中大分子结构的应力缩聚变形机理使得煤层在韧性变形环境下，因岩浆热变质叠加动力变质作用，其石墨化程度较高，以Ⅰ类煤成石墨为主。

d.大田—漳平地区煤系石墨矿具有明显的成区、成带分布特点，煤成石墨成矿区主要集中在闽西南坳陷南部的漳平一带，几乎都为Ⅰ类石墨；北部大田一带分布的矿区矿体石墨化程度较漳平一带低，多为煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2类)，甚至是石墨化无烟煤；研究区煤系石墨成矿区主要呈NE、NNE向展布，可进一步分为漳平可坑–乌坑成矿亚区和永安–大田成矿亚区两个亚区。