闽西南地区煤成石墨的控制因素与成矿区带划分
2020-09-16曹代勇丁正云陈泉霖邓瑞锦林晓炎
王 路，曹代勇，丁正云，陈泉霖，邓瑞锦，林晓炎，李 阳，杜 欣
(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083; 2.福建省煤田地质局 福建省煤田地质勘查院，福建 福州 350005)
碳材料作为21世纪革命性的新材料，将推动人类社会进入新的发展阶段。石墨作为碳材料的主要原材料而备受各界广泛关注，并被世界各国列为国家战略性矿产资源[1-3]。煤成石墨属于隐晶质石墨，由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[2]。我国隐晶质石墨矿源层主要为晚古生代石炭系、二叠系至侏罗系的煤系地层，成矿大地构造位置主要位于环太平洋构造域活动大陆边缘带，由强烈的构造-岩浆活动导致煤发生石墨化形成煤成石墨[4-5]。福建省位于欧亚大陆板块的东南缘，中生代以来多期次、大规模的构造岩浆活动导致闽西南地区煤变质程度较高，均达到无烟煤-石墨阶段。然而，现今对闽西南地区煤成石墨的研究甚少，仍处于资源洼地。笔者在对闽西南地区不同演化程度的无烟煤及煤成石墨特征研究的基础上，结合构造-岩浆热地质条件，探讨了煤成石墨的成矿机制，划分了煤成石墨的成矿区带，为未来石墨资源勘探和综合利用提供依据。
1 区域地质背景
福建省位于欧亚板块东南缘，东临太平洋板块，为全球构造-岩浆活动最活跃的地区之一[6]。二叠系童子岩组为主要含煤地层，分布于闽西南坳陷内。依据区域构造格局，自西向东可以划分为西、中、东3个含煤条带，西部含煤条带主要为连城—武平煤田;中部含煤条带内由NWW向的永安—晋江断裂带划分为北部的永安—大田煤田和南部的龙岩—永定煤田;东部含煤条带主要为永春天湖山煤田[7]。
燕山期大陆边缘强烈的构造活动导致一系列北东、北北东向的断裂带、推覆构造和褶皱构造发育，其次为北西、东西向构造。自西向东分布有3条呈NNE向的推覆构造，总体上呈一夹层式构造格架[8]。强烈的构造运动导致的褶皱、推覆、滑脱构造等构造样式对闽西南内煤田和金属矿床的构造格局和成矿作用产生较大影响[9](图1)。
图1 闽西南地区主要断裂与侵入岩分布及不同类型样品分布Fig.1 Major faults and intrusions in southwestern Fujian and distribution of different types of samples
闽西南地区的岩浆活动具有多阶段、多期次活动的特点，其中燕山期侵入活动规模最大、范围最广。燕山早期岩浆活动主要侵入于政和—大埔断裂及其以西地区，侵入活动相对较弱;燕山中—晚期岩浆侵入活动最强，侵入范围最广，主要侵入于政和-大埔断裂带以东地区[10]。
2 煤成石墨的特征与类型划分
煤向石墨的演化为逐渐连续过渡的演化过程，化学组成上表现为碳元素的富集，物质结构上则表现为由无序结构向有序结构的转变。国内外学者提出了不同的煤成石墨类型划分方案，KWIECINSKA and PETERSON(2004)采用H/C原子比,碳层间距d002和最大反射率Rmax三个参数划分出了石墨、半石墨、高变质无烟煤和无烟煤[11];LANDIS(1971)则通过d002划分为d1石墨(0.335～0.336 nm)、d1A石墨(0.337～0.344 nm),d2石墨(0.345～0.355 nm)、d3石墨(0.350～0.375 nm)[12];ZHENG等[13]通过高分辨率透射电镜的观察，将煤成石墨划分为芳层石墨、微柱石墨、柔皱石墨和平直石墨4种类型。然而，前人的划分方案仍有不足之处:① 现阶段，一般划分为石墨、半石墨和煤，该划分方案过于简单，不能够详细、有效的划分出煤与石墨的过渡类型;② 划分参数不实用，如反射率在高变质无烟煤-石墨阶段的灵敏度降低，通常所测得值偏低[14-15]，而依据LANDIS的划分方案，低-中煤级的煤都属于d2石墨;③ 通过直接观察分子排列的特征划分，缺少相应的定量参数。
2.1 宏观特征
煤成石墨由煤演化而成，宏观上与煤极其相似，呈灰黑—黑色，性脆易碎，质轻，有滑腻感，一般以鳞片状产出。因受构造运动的影响，煤成石墨的产出状态差异性较大。图2(a)为漳平可坑矿区，+790 m水平矿层呈层状发育，矿体呈鳞片状结构，图2(b)为+765 m水平，矿层则受围岩挤压，呈透镜状产出，呈现出不规则揉皱变形，摩擦镜面发育，平坦、光亮、致密。
2.2 微观结构特征与类型划分
煤成石墨化过程的实质为纳米级大分子结构由无序向有序转化的过程[14-19]。笔者采用XRD和Raman光谱分别表征煤成石墨化中大分子结构的结晶程度和结构缺陷发育程度，实验方法和拉曼光谱各峰位信息见文献[14-18]。煤成石墨化中大分子结构的演化则表现为芳香碳层间距d002的逐渐减小(逐渐接近于石墨结构碳层间距0.335 4 nm)，芳层的横向延展度La和堆叠高度Lc逐渐增大，同时，各种类型的结构缺陷逐渐消亡(表现为拉曼参数R2=AD1/(AD1+AG+AD2)，其中AD1,AD2,AG分别为拉曼光谱中D1峰，D2峰和G峰的面积)，各峰的面积比的逐渐减小[20])，形成具有三维有序的石墨晶体结构[19-20]。在多因素影响下，石墨化中芳香碳层的结晶程度(参数d002)和结构缺陷的消亡(参数R2)两个过程并非呈连续线性变化[21-22]，形成不同类型连续过渡的煤、煤成半石墨和煤成石墨。在以煤向石墨演化中的结构特征变化的基础上，以芳层间距d002和结构缺陷密度参数R2为指标，提出划分了高变质无烟煤-煤成石墨类型模板，主要包括高变质无烟煤(Ⅳ)、石墨化无烟煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共四大类(图3，4)。
图2 漳平可坑石墨矿Fig.2 Kekeng coal-based graphite mine shape
图3 闽西南地区不同类型样品的XRD和Raman实验图谱Fig.3 XRD and Raman spectra of different typical samples from southwestern Fujian
图4 不同类型煤-煤成石墨划分模板Fig.4 Classification template of different types of coal-coal-based graphite
(1)Ⅰ类，煤成石墨，碳层间距d002≤0.337 nm，R2≤0.65，代表样品如KK-1,KK-2和WK-1。该类型样品具有与晶质石墨(d002=0.335 4 nm)相近的碳层间距，石墨微晶结晶程度较好，002衍射峰呈尖锐对称峰，100和101峰分离，芳层的结构缺陷较少，拉曼光谱中G峰高而窄，S1峰呈不对称形态，代表石墨晶体的三维有序度高。
(2)Ⅱ类，煤成半石墨主要包括两个亚类，其中Ⅱ1类，0.337 nm
(3)Ⅲ类，石墨化无烟煤，d002>0.344 nm，R2≤0.7。代表样品如HP,XGZ-1,XH和XT-1。该类型样品的碳层间距d002值相对较大，芳香碳层的结晶程度较差，石墨微晶尺寸La和Lc较小，002衍射峰主要为一宽缓的鼓包，但鼓包顶端有一微弱的尖峰，表明该类型样品已经具有石墨化现象，拉曼光谱中呈低矮对称的S1峰，表明含有的结构缺陷较多。
(4)Ⅳ类，高变质无烟煤，d002>0.344 nm，R2>0.7，代表样品如LK,XT-2和TLP。该类型样品中碳层呈无序状态，002衍射峰宽缓低矮，D1,D2,D3和D4缺陷峰明显，表明仍含有脂肪烃、基团等侧链结构，导致芳香碳层结构的不完整，G峰强度相比D1峰较低，而且S1峰不明显，表明仍不具有石墨的晶体结构，尚属于高变质无烟煤。
3 煤成石墨的控制因素
笔者采集了闽西南三大含煤条带内共32件样品，样品的实验结果和类型划分如图4所示。西部含煤带主要分布高变质无烟煤(Ⅳ类)，仅有一个样品为煤成半石墨(Ⅱ2类)，煤的石墨化程度最差;中部含煤带内赋存的类型较多，从高变质无烟煤(Ⅳ类)到煤成石墨(Ⅰ类)均有分布，而且为闽西南地区煤成石墨(Ⅰ类)的主要分布区;东部含煤带主要分布石墨化无烟煤(Ⅲ类)，其次为高变质无烟煤(Ⅳ类)和煤成半石墨(Ⅱ2类)，相对中部含煤带内煤的石墨化程度较差。因此，石墨化程度较好的煤成半石墨(Ⅱ1类)和煤成石墨(Ⅰ类)主要分布在中部含煤条带中，而且煤成石墨的分布主要靠近于政和—大埔断裂带(图5)，造成如此的空间分布格局，与闽西南地区复杂的构造-岩浆活动密切相关。
图5 闽西南样品实验结果及类型划分Fig.5 Experimental results and classification of samples in southwestern Fujian
3.1 岩浆岩
煤成石墨的形成必然需要岩浆的侵入为其带来热能。由不同类型样品的分布与燕山期不同时期侵入岩分布关系图(图1)可以看出，岩浆侵入的规模和强度自西向东逐渐增大，燕山中—晚期强烈的岩浆侵入活动主要分布于中部和东部含煤带中[23]，西部含煤带中煤层受岩浆热作用的影响较弱，煤的石墨化程度较差，以高变质无烟煤为主，而石墨化程度较高的Ⅰ类和Ⅱ1类主要分布在中部和东部含煤带。然而，与中部含煤带相比，东部含煤带煤层受到燕山中期和晚期的岩浆侵入强度和规模更大，却只分布有Ⅱ2类和Ⅲ类，仅在南部靠近政和—大埔断裂带附近的样品WK属于Ⅰ类(煤成石墨)，这说明煤成石墨的形成不仅需要岩浆热的高温，更重要的是需要有利的成矿构造条件。
3.2 构 造
煤成石墨的形成除了受岩浆热高温作用的影响之外，构造应力在煤的石墨化中发挥了重要角色[24-29]。闽西南地区发育的推覆构造格局制约了煤成石墨的成矿和赋存条件，其中政和—大埔断裂带和永安—晋江断裂带对煤成石墨成矿和分布具有重要意义。
3.2.1政和—大埔断裂带
政和—大埔断裂带不仅对燕山期的岩浆活动具有明显的控制作用，而且沿该断裂带形成一系列自近SE向NW推覆的逆冲推覆构造，与断裂带西侧自NW向SE方向推覆的逆冲推覆形成了对冲式的逆冲推覆构造(图1)，两个对冲的推覆构造导致中部含煤带内煤系地层构造变形强烈，尤其是位于政和大埔断裂带附近，高温、高强度的应力挤压变形构成韧性变形环境，矿层呈鳞片状、透镜状或鼓包状产出。由对冲式的推覆构造挤压形成封闭式成矿环境，不利于岩浆热高温的散失，为煤向石墨演化提供充足的热能。同时，在韧性变形条件下，强烈的构造应力可作用于煤的大分子结构，尤其是剪切应力，有利于BSUs的择优取向和定向排列，加速了煤成石墨化进程，提高煤的石墨化程度[16,20-22,24]。而远离对冲挤压的推覆构造带地区，仅受单方向的推覆、滑脱构造等断裂构造影响，由张性断裂常构成岩浆侵入通道，形成半开放-半封闭式的成矿环境，岩浆热高温散失相对较快，与封闭式环境下煤的石墨化程度相比稍差。因此，中部含煤带内广泛发育的推覆、滑覆构造等复杂的构造样式与大规模的岩浆侵入，造成煤成石墨成矿的构造-热条件相对复杂，导致煤的石墨化程度差异性较大，类型较多。西部含煤带受构造、岩浆活动较弱，常构成开放式成矿环境，东部含煤带受单方向推覆构造和强烈岩浆侵入活动影响，则主要形成半开放-半封闭式环境(表1)。
表1 闽西南含煤带内不同成矿环境与成矿类型Table 1 Different metallogenic environment and types of samples in coal-bearing belt in the southwestern Fujian
3.2.2永安—晋江断裂带
永安—晋江断裂带走向北西，断裂性质以正断层为主，多为张扭性断裂。该断裂带控制了燕山期的岩体的展布。岩浆沿着断裂带侵入，形成岩墙、岩脉，甚至喷出地表形成了火山岩类。如东部含煤带中安溪青洋矿区，近东西向的横切断裂成为岩浆侵入的通道，在断裂带附近见有角闪石化、硅化等蚀变现象，并引起附近煤层发生石墨化[30]。由断裂与岩浆热总体上构成了半开放-半封闭式环境，且与岩体距离较近的煤石墨化程度较好，典型矿区如中部含煤带长凹矿区和东部含煤带安溪青洋矿区。
由上所述，燕山期强烈的岩浆侵入为煤成石墨化提供了热能，而闽西南地区的构造活动背景，如推覆、滑覆等断裂构造和褶皱构造等则为煤向石墨演化提供了不同的成矿环境，复杂的构造-岩浆热活动导致煤的石墨化程度出现差异性(表1)，并影响了煤成石墨的时空分布规律。
4 煤成石墨成矿区带划分
煤成石墨成矿区带划分是在煤田构造格局划分的基础上，结合不同类型样品集中分布区，综合煤成石墨成矿的构造-热影响条件，划分了煤成石墨成矿单元，划分出Ⅰ级成矿区、Ⅱ级成矿区和Ⅲ级成矿区(表2，图6)。
表2 闽西南地区煤成石墨成矿区带划分Table 2 Metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian
图6 闽西南地区煤成石墨成矿区带划分Fig.6 Distribution of metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian
大田—漳平煤成石墨成矿区(Ⅰ1):主要位于政和大埔断裂带附近，包括两个Ⅱ级成矿亚区，漳平可坑—乌坑成矿亚区(Ⅱ1)和永安—大田成矿亚区(Ⅱ2)。其中漳平可坑—乌坑成矿亚区(Ⅱ1)位于南部龙岩—永定煤田内，主要有漳平可坑矿区、乌坑矿区等，矿区附近有大面积岩浆岩体侵入，对冲式逆冲推覆构造为煤系地层构成“保温盖层”，且煤的石墨化受构造应力的促进作用，煤的石墨化程度相对较高，主要赋存以Ⅰ～Ⅱ1类煤成石墨。永安—大田成矿亚区(Ⅱ2)主要位于永安—大田煤田内，张性断裂发育，岩浆热液常沿着断裂侵入，煤的石墨化程度较差，常赋存Ⅱ2～Ⅲ类。
永安—安溪煤成石墨成矿区(Ⅰ2):包括永安长凹成矿亚区(Ⅱ3)和安溪成矿亚区(Ⅱ4)。该区(带)则主要受永安—晋江断裂带影响，张性断裂发育，岩浆岩体以岩脉侵入或通过断裂侵入煤系地层，岩浆热影响范围有限，仅对局部煤层影响，断裂构造则破坏了煤系地层的连续性，主要赋存Ⅱ1～Ⅱ2类。
5 结 论
(1)在对煤及煤成石墨结构特征研究的基础上，以碳层间距d002和拉曼参数R2为指标，提出了划分不同演化程度的煤-煤成石墨类型的模板，可以划分为高变质无烟煤(Ⅳ)、石墨化无烟煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共4种类型。
(2)查明了闽西南地区煤成石墨的控制因素，其形成和分布受到岩浆侵入和构造活动的制约。燕山期中晚期强烈的岩浆侵入活动为煤的石墨化提供热能，闽西南地区发育的推覆、滑覆、褶皱等构造样式为煤向石墨演化提供成矿环境，形成了封闭式、半封闭-半开放式或开放式成矿环境，相应于不同的温度、压力条件，造成煤成石墨的类型和分布的差异性。
(3)根据不同类型样品的空间分布，结合煤成石墨成矿的构造-热地质条件，划分了煤成石墨成矿区带，由大田—漳平煤成石墨成矿区(Ⅰ1)和永安—安溪煤成石墨成矿区(Ⅰ2)两个一级成矿区组成，其中包括漳平可坑—乌坑成矿亚区(Ⅱ1)、永安—大田成矿亚区(Ⅱ2)、长凹成矿亚区(Ⅱ3)、安溪成矿亚区(Ⅱ4)4个成矿亚区，为石墨资源勘探和高效利用提供充分依据。
