福建武夷山桃棋矿区石墨矿床地质特征及成因探讨

许志华 林香 张大伟

1 中化地质矿山总局福建地质勘查院，福建 福州 350013 2 福建省闽北地质大队，福建 福州 350013 3 吉林省有色金属地质勘查局，吉林 长春 130021

桃棋石墨矿床位于福建武夷山市兴田镇黄土村桃棋自然村，该矿床于1972年开展区域地质调查时发现了9 层石墨云母石英片岩层，在后来开展的预查和普查地质工作为本区详查工作提供了充分的地质依据，经过详查工作，基本查明了研究区内地层、构造、岩浆岩等地质特征，基本查明了矿体的空间分布、规模、形态、产状以及矿石的质量特征等,并提交了石墨矿资源量两千多万吨，矿物量七十多万吨，矿床规模达中型[1]。矿床严格受地层层位控制。笔者通过研究矿区石墨矿床的地质背景、矿床特征、矿石类型等，探讨桃棋石墨矿床的成矿时代、成矿物质来源、成矿机制，以及对该区下一步石墨资源的开发提供一定的参考和依据。

1 区域地质背景

矿区位于闽西北隆起带之浦城-洋源隆起中部，崇安-安远深大断裂带北段[2]。

区域内构造主要为褶皱和断裂。褶皱主要为竹州复式倒转背斜，轴部位于本区中部麻沙-桃棋一带，轴向北东，轴面向南东倾斜，区内石墨矿（床）点均受其控制，呈紧密线形褶皱，为北东走向，多数向南东倾斜。断裂主要以北东向为主，这些断裂破坏了区内古元古代麻源岩群大金山岩组地层的连续性。

区内出露地层由老至新有古元古代麻源岩群大金山岩组（Pt1d）、南山组（Pt1n），新元古代万全(岩)群下峰(岩)组中生代晚三叠世焦坑组（T3j），早侏罗世梨山组（J1l）、晚侏罗世长林组（J3c）、南园组（J3n），其中，古元古代麻源岩群大金山岩组（Pt1d）第二、三岩性段的片岩类或变粒岩为本区石墨矿的含矿层位。

区域内侵入岩有志留纪二长花岗岩（ηγS）、早侏罗世黑云母二长花岗岩（ηγJ1）以及晚白垩世花岗斑岩（γπK2）；其中志留纪的混合花岗岩与石墨矿成矿关系较密切。

综上所述，区域内构造发育，古元古代麻源岩群大金山岩组的片岩类或变粒岩类为石墨矿含矿层位，岩浆活动较强烈，为区内石墨矿的富集与成矿提供了有利条件。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区内出露的地层为古元古代麻源岩群大金山岩组（Pt1d）及第四系（Q）（图1）。

古元古代麻源岩群大金山岩组（Pt1d）大面积出露于区内，岩性主要为硅线石英黑云片岩、硅线黑云石英片岩、长石石英黑云片岩、长石黑云石英片岩、黑云斜长变粒岩，夹晶质石墨矿层，以富含石墨、硅线石为特征。古元古代麻源岩群大金山岩组原岩为一套基性火山岩-含有机质的砂泥质碎屑建造，后经区域变质作用形成了片岩类、变粒岩类等，岩石变质程度深达低角闪岩相。区内岩石具不同程度混合岩化，南部局部混合岩化作用强烈地段已形成混合片麻岩、混合花岗岩。

根据岩性组合特征分为三个岩性段，分别为古元古代麻源岩群大金山岩组第一岩性段（Pt1d1）、第二岩性段（Pt1d2）、第三岩性段（Pt1d3），其中，第二、三岩性段为本区的含矿层位。

古元古代麻源岩群大金山岩组第一岩性段（Pt1d1）：主要见于矿区的深部，地表仅在西北部零星出露，岩性组合主要为浅灰-灰褐色硅线石英黑云片岩，局部见浅灰色硅线黑云石英片岩。

古元古代麻源岩群大金山岩组第二岩性段（Pt1d2）：主要见于矿区的深部，地表分布于矿区的北西部，岩性组合主要为浅灰色含石墨长石石英黑云片岩、次为浅灰色含石墨长石黑云石英片岩、浅灰色黑云斜长变粒岩夹石墨矿层。该岩性段岩石普遍具不同程度混合岩化，局部混合岩化作用强烈地段已形成混合岩、混合片麻岩或混合花岗岩。该岩性段层间碎裂作用明显，常见碎裂岩、碎斑岩等构造岩。是区内的主要含矿层之一，见有Ⅲ、Ⅳ号石墨矿层。

古元古代麻源岩群大金山岩组第三岩性段（Pt1d3）：广泛分布于本区，岩性组合主要为浅灰色石墨硅线石英黑云片岩，次为浅灰色石墨硅线黑云石英片岩。岩石常见混合岩化，局部混合岩化作用强烈地段已形成混合岩、混合片麻岩或混合花岗岩。该岩性段以富含石墨、硅线石为特征，是区内的主要含矿层之一，见有Ⅰ、Ⅱ号石墨矿层。

图1 武夷山桃棋矿区石墨矿地质略图Fig.1 Schematic geologic map of Taoqi graphite mine in Wuyishan city

第四系（Q）：分布于低洼处或沟谷中，主要为冲洪积的含砾粘土，厚度一般3～5m，局部达10m。

2.2 构造

区内构造主要表现为褶皱，次为断裂（F1）。

褶皱：分布于矿区南部（F1以南），为紧密复式背向斜构造，北部（F1以北）地层为单斜构造，总体走向为北东30°～40°，倾向南西，倾角13°～35°。复式背向斜构造从西往东可划分为1～4 号向斜和1～4 号背斜；背向斜轴向为北东10°～40°，倾向南西或北西，倾角6°～50°；轴向长度一般900～1400m。褶皱两翼的地层主要为古元古代麻源岩群大金山岩组第一、二、三岩性段，因含矿地层复式褶皱致使区内石墨矿层同步褶皱，地表上可见Ⅰ、Ⅱ号矿层多次重复出露。

断裂：区内断裂主要为北东东向的F1断层，分布于矿区中部，走向总体北西285°，倾向南西，倾角70°～75°，走向延伸约900m。

2.3 侵入岩

区内侵入岩不发育，仅在区内南部零星出露有志留纪二长花岗岩（ηγS），呈岩脉状产出，与围岩多呈渐变关系。

2.4 变质作用和混合岩化作用

区内变质作用主要表现为区域动力变质作用，本区古元古代麻源岩群大金山岩组（Pt1d）变质岩，岩性组合主要为变粒岩类和片岩类，变质程度达低角闪岩相。原岩中富含的有机质经区域变质作用，有机质结晶和聚集形成石墨矿，后期经混合岩化作用下，石墨进一步富集再结晶，形成晶体较粗大的晶质石墨矿床。

区内混合岩化作用普遍且强烈，长英质脉体呈细脉状沿变质岩的片（麻）理贯入并交代围岩；局部形成混合片麻岩和混合花岗岩。混合岩化作用与区内石墨矿成矿关系密切，一方面矿层中因混合岩化过程中加入外来长英质脉体成分，使矿层品位贫化；另一方面混合岩化作用使含矿层中石墨进一步富集或发生重结晶作用，在混合岩化作用强烈地段矿层一般较厚，且石墨鳞片较大。

2.5 围岩蚀变

区内围岩蚀变主要为绢云母化、绿泥石化、黄铁矿化，次为水云母化以及碳酸盐岩化等。基本与区内石墨矿无明显的关系。

3 矿床地质特征

区内石墨矿体赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第二、三岩性段中，受复式背向斜构造控制明显，矿体产状与地层产状基本一致，呈层状-似层状产出，总体走向北东，倾向南东或北西，倾角13°～45°，矿体厚度一般1.92～44.22m，厚度变化不稳定，矿石质量较好，顶底板岩性一般为含石墨硅线石英黑云片岩、含石墨混合岩等。研究区内共圈定了4 个石墨矿层20 个矿体，编号分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号，其中Ⅰ-1、Ⅱ-2 号矿体规模较大，为主矿体，Ⅱ-2号矿体最大，单个矿体矿床规模达中型以上。

3.1 矿体特征

Ⅰ号矿层：赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第三岩性段（Pt1d3）中，主要分布于研究区南部，矿体呈层状-似层状，总体走向北东10°～30°，倾向南东或北西，倾角17°～43°。走向长度150～700m，倾向延伸50～435m，单工程矿体真厚度为2.40～44.22m，平均真厚度12.40m，矿层平均品位3.08%，其中以Ⅰ-1 号矿体的规模较大，特征如下：

Ⅰ-1 号矿体：分布于研究区南东部，矿体呈层状，总体走向北东10°，倾向南东，倾角17°～46°。走向延伸长约700m，倾向延伸50～435m。矿体厚度2.40～40.26m，平均12.10m，厚度变化系数为93.80%，属厚度不稳定。走向上从北往南逐渐变大，倾向上总体从地表往深部变小，且有分支再复合现象（图2）。固定碳品位在走向倾向上变化较小，风化矿石固定碳为2.71%～3.61%，原生矿石固定碳为3.00%～3.19%，矿体平均品位为3.07%，品位变化系数为8.25%，属矿化均匀。

图2 桃棋矿区石墨矿0 线(南东段)地质剖面图Fig.2 No.0 (south east section) geological section of graphite deposit of Taoqi mining area

Ⅱ号矿层：赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第三岩性段（Pt1d3），主要分布于研究区南西部，矿体呈层状-似层状，总体走向北东10°～30°，倾向南东或北西，倾角13°～43°，走向长度175～1000m，倾向延伸50～505m。单工程真厚度为2.32～37.18m，平均厚度10.77m。矿层平均品位3.18%，其中以Ⅱ-2 号矿体的规模较大，特征如下。

Ⅱ-2 号矿体：分布于研究区南西部，矿体呈层状（图3）。矿体总体走向北东10°～40°，倾向南东或北西，倾角23°～42°。走向长度875m，倾向延伸135～505m，矿体真厚度2.32～37.18m，平均真厚度13.91m，厚度变化系数为79.15%，属厚度不稳定；矿体在走向和倾向上均具膨大缩小现象，在倾向上见有分支再复合现象；风化矿石单工程矿体固定碳平均品位为2.51%～4.32%，原生矿石单工程矿体固定碳平均品位为3.03%～3.77%，矿体平均品位为3.19%，品位变化系数为14.47%，属矿化均匀。

图3 桃棋矿区石墨矿4 线地质剖面图Fig.3 No.4 geological section of graphite deposit of Taoqi mining area

Ⅲ号矿层：赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第二岩性段（Pt1d2）中，主要分布于研究区北部，矿体呈层状～似层状，总体走向北东10°～45°，倾向南东或北西，倾角18°～40°。走向长度150～625m，倾向延伸100～235m。单工程矿体真厚度1.92～17.46m，平均真厚度为5.80m，平均品位为3.18%。

Ⅳ号矿层：赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第二岩性段（Pt1d2）中，主要分布于研究区北部，矿体呈层状-似层状，总体走向北东35°～60°，倾向南东，倾角14°～45°，走向长度150～750m，倾向延伸50～240m。单工程真厚度2.00～14.33m，平均真厚度为6.53m，，平均品位为3.18%。

其它矿体特征见表1。

表1 桃棋矿区石墨矿主要矿体特征Table 1 Characteristics of main graphite orebodies in Taoqi mining area

3.2 矿石特征

矿石主要由浅灰色石墨硅线石英黑云片岩和石墨硅线黑云石英片岩组成。

石墨硅线石英黑云片岩呈浅灰色，纤维状粒状鳞片变晶结构，片状构造。成分主要由黑云母（40%～45%）、石英（35%～40%）、硅线石（15%～20%）、长石（3%～5%）、石墨（2%～4%）组成。黑云母呈片状，片径约0.1～2.0mm；石英呈不规则粒状，粒径约0.1～1.2mm；硅线石呈针状、纤维状，少部分被绢云母交代；长石呈不规则状，粒径约0.1～0.4mm，全部被绢云母矿物取代，仅保留其长石假象；石墨呈鳞片状，片径约0.1～1.5mm。

石墨硅线黑云石英片岩呈浅灰色，纤维状鳞片粒状变晶结构，片状构造。矿物成份由石英（50%～55%）、黑云母（30%～35%）、硅线石（5%～10%）、长石（3%～5%）、石墨（2%～4%）组成。石英呈粒状，不规则状，粒径约0.1～0.8mm；黑云母呈片状，片径约0.5～2.5mm；硅线石呈针状、纤维状，少部分被绢云母交代，呈条痕状、不规则状；长石呈不规则状，全被绢云母矿物取代，仅保留其长石假象；石墨呈鳞片状，片径在0.1～1.2mm 之间，以0.15～0.6mm 为主。

3.2.1 矿石结构、构造

矿石构造为块状构造、条带（纹）状构造、片状构造（图4）。

块状构造：矿石中的各矿物无规律分布，呈致密块状。

条带（纹）状构造：矿石中浅色粒状矿物长石、石英等与暗色片状矿物黑云母、石墨等各自相对集中成条带（宽＞5mm）或条纹（宽1～5mm）且平行排列，构成黑白分明的条带（条纹）状构造。

片状构造：主要由片状矿物黑云母、白云母及石墨等呈定向排列，构成清晰的片状构造。

图4 矿石构造Fig.4 Structure of the Ores

矿石结构为粒状变晶结构，鳞片变晶结构、纤维状变晶结构（图5）。

粒状变晶结构：由矿石中的石英、长石等它形晶粒状矿物彼此紧密镶嵌形成。

鳞片变晶结构：由矿石中的黑云母、石墨等片状矿物定向排列而形成的。

纤维状变晶结构:由矿石中的纤维状、针状矿物硅线石定向排列而形成的。

图5 矿石结构（a、d 单偏光；b、c 正交偏光）Fig.5 Texture of the ores

3.2.2 矿石矿物成分

矿石矿物成分主要为鳞片状晶质石墨，脉石矿物主要为片状黑云母、粒状石英、粒状长石、针状纤维状硅线石以及少量石榴子石、黄铁矿等。各主要矿物特征分述如下：

鳞片状晶质石墨：铅灰（黑）色-钢灰色，半自形鳞片状，不透光，反射光铅灰色，大部分矿物呈浸染状均匀分布，少部分沿裂隙充填，其中浸染状赋存状态呈单晶鳞片形式嵌布在其它矿物晶粒间或被长石、石英、黑云母矿物包裹（呈包含结构），鳞片有弯曲。片径在0.04～1.80mm 之间，以0.2～0.6mm 为主，其中片径小于 0.147mm（100 目）约占矿石含量的7.61%；片径0.147～0.175mm（80 目）约占11.78%；片径0.175～0.287mm（50 目）约占25.24%；片径大于0.287mm（50 目）约占55.37%；为大鳞片石墨。

黑云母：土黄色，暗土黄色，棕黑色，鳞片状集合体，沿｛001｝面常定向排列构成岩石的片理，｛001｝面片径约0.1～2.0mm，垂直｛001｝面解理厚0.1～0.4mm，近地表不新鲜，有铁质析出，常被绿泥石交代。

石英：无色，具油脂光泽，硬度高，呈他形晶粒状，不规则状，常具拉长现象，晶体内包裹有硅线石、黑云母和石墨，具弱波状消光，粒径约0.1～1.8mm，以0.2～1.0mm 为主。

长石：以斜长石为主，次为钾长石。斜长石呈不规则粒状，双晶发育，类型有聚片双晶、卡钠复合双晶，正突起，部分被绢云母取代，仅保留其长石的假象；钾长石呈不规则粒状，格子状双晶相当发育，晶体内包裹有少量斜长石、石英、黑云母矿物。

硅线石：呈针状、纤维状，单偏光下黄色，正延性，黄干涉色，最高干涉色二级兰，少部分被绢云母交代，常平行定向排列，构成岩石的片理。

石榴子石：呈不规则粒状，无色略带紫红色，正高突起，均质体，在正交偏光下全消光，裂纹发育，粒径约0.08～0.7mm。

黄铁矿：呈自形-半自形晶，切面为矩形，不规则状，粒径约0.1～0.6mm，黄色，不易磨光，有大量麻点。

除上述各主要矿物外，区内还有绿泥石、角闪石、锆石、红柱石、磷灰岩、黄铜矿、磁铁矿、磁黄铁矿等矿物。

3.2.3 矿石化学成分

研究区内有用化学组分主要为固定碳，含量一般在3.00%～5.00%，最低2.01%，最高达8.46%，平均为3.14%；其他有益组分为TiO2和V2O5，有害组分为S 和Fe。

其他有益组分仅在组合分析中发育有V、Ti的存在，其中V2O5含量为0.025%～0.094%，TiO2含量一般为0.13%～0.56%，含量均较低，没有综合利用价值。

有害组分中的S 主要赋存于黄铁矿中，S 含量随风化程度而变化，风化带中S 大部分已流失，含量甚微，S 含量为0.09%～1.15%；新鲜矿石中S 含量为1.09%～4.15%；Ti 主要赋存在褐铁矿、黄铁矿中，FeO 含量为0.11%～9.08%， Fe2O3含量为0.38%～15.79%。

3.2.4 矿石类型

矿石自然类型是根据矿石中赋矿岩石的岩性划分，将石墨矿石自然类型划分为石墨片岩型矿石-石墨变粒岩型矿石-石墨混合岩型矿石三种，研究区石墨片岩型矿石为主。

区内矿石工业类型属晶质（鳞片状）石墨矿石，根据矿石的风化程度和矿石的结构特征划分为风化矿石和原生矿石两部分；其中，风化矿石大都呈松散状、碎块状、土状，矿石中的石墨矿物呈浅灰-深灰色，斜长石多已风化成高岭土或粘土矿物，原岩的结构、构造部分保留或已全部改变；原生矿石结构紧密，矿石较致密坚硬，矿石中石墨呈深灰色-灰黑色。

4 矿床成因探讨及找矿标志

4.1 成矿物质来源

研究区石墨矿床赋存于古元古代麻源岩群大金山岩组第二、三岩性段的变质岩系中，后经强烈的区域变质作用，致使大金山岩组含碳、高铝、富硅、钙质碎屑沉积变质成片岩、变粒岩和片麻岩、混合片麻岩等中深变质岩，同时岩层中的碳质向晶质石墨转化形成石墨矿[3-9]。

4.2 成矿时代

古元古代麻源岩群大金山岩组为主要变质时期，即吕梁期-形成石墨矿，晋宁期-加里东期的多次区域变质期、加里东期岩浆作用和混合岩化作用的叠加改造期致使石墨矿进一步富集[10]。

4.3 成矿机制

研究区内古元古代麻源岩群大金山岩组地层中的碳质在区域热动力变质作用过程，在高温的条件下，碳质重结晶形成石墨；后期经多期次的岩浆活动及混合岩化作用，导致区内石墨富集再结晶，最终形成晶体较为粗大的晶质石墨矿床。研究区内矿床成因属沉积变质（后期改造）型石墨矿床。

4.4 找矿标志

古元古代麻源岩群大金山岩组第二、三岩性段富含石墨片岩类或变粒岩类是本区寻找石墨矿床的重要标志。

5 结论

武夷山桃棋矿区位于闽西北隆起带之浦城-洋源隆起中部，崇安-石城深断裂带北段，区内石墨矿体严格受地层层位控制，古元古代麻源岩群麻源群大金山岩组第二、三岩性段为区内主要含矿地层；区内古元古代麻源岩群基底地层受区域热动力变质作用影响，早期形成的一套富含有机质的浅海泥砂沉积建造地层发生变质，使地层中的有机碳富集形成鳞片状晶质石墨；后期经多期次的岩浆活动及混合岩化作用，使区内石墨晶片增大且进一步富集呈大鳞片石墨，因此，认为区内矿床成因属沉积变质（后期改造）型石墨矿床。