内蒙古中西部晶质石墨矿床地质特征及找矿远景

2021-09-16杨彪侯万荣刘智杰徐大兴柳长峰

矿产勘查 2021年6期

杨彪，侯万荣，刘智杰，徐大兴，柳长峰

（1.中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心，内蒙古呼和浩特 010010；2.成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；3.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

0 引言

近日，美国地调局发布了2020年度《Mineral Commodity Summaries》①，我国的石墨储量与产量均位居世界第一，其中储量占比24%，产量在2018—2019两年均达到了世界产量的60%以上。自然资源部新发布的2019年《中国矿产资源报告》②中提到，我国晶质石墨查明资源储量达到4.37亿t，而内蒙古自治区的石墨资源储量一直位于全国前列。2015年全国矿产资源储量通报中提到，截至2015年底，内蒙古自治区累计查明石墨矿物资源储量达6507.38万t，其中晶质石墨矿物资源储量5094.24万t。

内蒙古中西部地区，矿产资源丰富，其中具代表性的有白云鄂博铁-铌-稀土矿床，哈达门沟金矿床，霍各乞、甲生盘、东升庙铜铅锌硫多金属矿床，白乃庙铜（钼、金）矿床，苏莫查干敖包特大型萤石矿床等（侯万荣等，2010）。近几年，在该区先后发现大乌淀、高勒图、查罕木胡鲁、查干温都日等大型—超大型石墨矿，潜在石墨矿物资源储量预计达6亿t以上，表明在该区石墨资源方面也具有巨大潜力②。同时，自治区相继成立了内蒙古石墨产业发展联盟与内蒙古自治区石墨烯产业技术创新战略联盟。积极利用内蒙古石墨资源优势、构建石墨“产研用”一体化资源基地。

2016年国务院批复的《全国矿产资源规划（2016—2020年）》将晶质石墨列入国家战略性矿产资源，依托优势的资源产业基地，近些年前人学者对内蒙古自治区典型石墨矿床分别从矿床地质（含矿建造）特征、矿物学特征、矿床成因、成矿年代学、成矿模型以及找矿标志等方面（周树亮等，2015；鄂阿强和杜青松，2016；郑永涛等，2016；姜高珍等，2017；李以科等，2018；张艳飞和梁帅，2018）进行了较为深入的研究。但相关研究均针对单独矿床，缺乏对区内石墨矿床进行系统归纳总结。因此，本文旨在归纳总结区内石墨矿床的成矿环境、矿床类型和时空分布特征，探讨成矿演化过程、提高成矿规律认识，以期为下步区内的石墨找矿勘查工作提供方向性的指导建议。

1 成矿地质背景

内蒙古中西部地区大地构造位置处于华北板块、西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块的交汇部位。区内的石墨矿床分属于4个大地构造单元中：华北陆块阴山隆起中东段、白云鄂博-渣尔泰山裂谷带、鄂尔多斯凹陷西北缘及阿拉善陆块东南缘。成矿层位集中在中新太古界集宁群、乌拉山群，中元古界白云鄂博群以及古生界石炭系等地层单元之中（内蒙古自治区地质矿产局，1991；颜玲亚等，2018）。

研究区内出露地层（图1）包括：（1）中新太古界—古元古界地层，以集宁群、乌拉山岩群、色尔腾山群等为主，岩石类型有麻粒岩、片麻岩、斜长角闪岩、大理岩、变粒岩等，通常伴有不同程度的混合岩化，属区内深变质岩区；主要分布在集宁—兴和—丰镇地区、乌拉山—大青山地区及色尔腾山地区，局部在阿拉善右旗地区也有分布。（2）中新元古界地层，以白云鄂博群、渣尔泰山群等为主，岩石类型有变质砂砾岩、长石石英砂岩、板岩、千枚岩、片岩等，属区内浅变质岩区；主要呈狭长带状沿乌拉特中旗—白云鄂博—达茂旗—四子王旗一线以及狼山—渣尔泰山—武川一带分布。（3）古中生界地层，在区内大范围出露，其中白垩系—二叠系地层主要分布在乌拉特后旗—乌拉特中旗—白云鄂博一线以北和鄂尔多斯地区，而与石墨矿成矿相关的石炭系煤系地层主要分布在阿拉善左旗以南地区。（4）新生界地层，在研究区西部、南部大面积由第三系、第四系地层所覆盖（内蒙古自治区地质矿产局，1991）。

图1 内蒙古中西部及邻区地质构造与石墨矿（点）床分布图

区内经过多次强烈的地质构造运动，整体以近EW向、NE向、NNE向的线性构造格局为主。其中中部地区的断裂构造有高家窑-乌拉特后旗-化德断裂、临河-集宁断裂、乌拉特前旗-呼和浩特断裂、贺兰山西缘深断裂、温都尔庙-西拉木伦和断裂，西部地区的断裂构造有恩格尔-乌苏断裂、巴丹吉林断裂、狼山-巴彦乌拉山断裂及龙首山断裂。褶皱构造主要有狼山-渣尔泰山褶皱束、白云鄂博褶皱束以及乌拉山-大青山逆冲推覆构造（内蒙古自治区地质矿产局，1991）。

研究区处于几大板块汇聚部位，自太古宙以来，岩浆活动强烈、构造岩浆事件频发。岩浆岩空间分布范围较广，岩浆活动受构造控制明显，在空间分布上具有与构造运动一致的分带性，在空间分布多呈NE、NNE向展布。从太古宙到燕山期有多期岩浆侵入，以海西期的岩浆活动最为强烈（内蒙古自治区地质矿产局，1991）。

区内的变质作用演化变现为多期次的特点。自太古宙到古元古代，华北克拉通陆核处于形成发展到克拉通化逐步完成形成统一华北陆块的阶段，此期间发生的变质作用集中在阴山早元古代变质地区，主要有：（1）凉城-兴和变质带的集宁群，经中压型区域中高温变质作用（变质温度880～1000 ℃、压力1.2～1.4 GPa），形成以高角闪岩相与麻粒岩相为主的深变质岩系；（2）乌拉山-大青山变质带的乌拉山群，经中低压型区域中高温变质（变质温度700～900 ℃、压力0.55～0.8 GPa），形成以角闪岩相为主的深变质岩系；（3）色尔腾山-四子王旗变质带的色尔腾山群，经区域动力热流变质作用（变质温度325～660 ℃、压力0.2～0.7 GPa），形成以低角闪岩相—绿片岩相为主的中深变质岩系。其后伴随Columbia大陆裂解自中新元古代在白云鄂博-渣尔泰山裂谷系之中，沉积了以白云鄂博群、渣尔泰山群为主的巨厚复理石建造，经区域低温动力变质作用（变质温度325～470 ℃，变质压力0.2～0.7 GPa），形成以低绿片岩相为主的浅变质岩系。之后经加里东期与华力西期两期区域低温动力变质作用，在局部地区同样形成了以低绿片岩相为主的浅变质岩系（内蒙古自治区地质矿产局，1991；耿元生等，2010）。

2 矿床类型及时空分布特征

2.1 矿床时空分布特征

区内的石墨矿床整体呈东西带状分布，集中产于太古宇集宁群、古元古界乌拉山岩群、中新元古界白云鄂博群以及晚古生界石炭系的几类变质岩系地层中（表1）。石墨矿体的空间产出形态，严格受地层构造控制，主要分布在华北陆块北缘及鄂尔多斯盆地西北缘等地。

表1 内蒙古中西部石墨矿床

该区的石墨成矿与地壳演化、地质期内大范围的沉积作用、及其后的变质作用有密切关系，存在3个重要成矿期，即太古宙—古元古代成矿期（3.20～1.80 Ga）、中—新元古代成矿期（1.80～0.54 Ga）、晚古生代石炭世成矿期（307.0～133.9 Ma）。

2.2 矿床类型

前人学者将我国石墨矿床类型划分为3类：区域变质型、接触变质型与岩浆岩热液型（颜玲亚等，2018）。就目前内蒙古中西部地区发现的石墨矿床类型来看，主要以区域变质型为主，但普遍存在受后期岩浆侵入作用或混合岩化作用的影响。根据该区石墨矿床的产出环境与赋矿层位特征，本文将研究区石墨矿床类型进一步细分为：（1）赋存在集宁岩群和乌拉山岩群中的石墨矿，其赋矿岩石出现了“石英+石墨+矽线石+石榴石+角闪石+斜长石+黑云母”的变质矿物组合（井天阳，2016；谭均，2019），为高角闪岩相—麻粒岩相，所属大地构造位置均为较稳定的陆块基底，故将其划分为“结晶基底型”；（2）赋存在白云鄂博群中的石墨矿，其矿石中出现“石英+石墨+红柱石+白云母（绢云母）+斜长石+黑云母”的变质矿物组合，为低角闪岩相（姜高珍等，2017）；以及赋存在石炭系中的石墨矿，其赋矿岩石往往为煤系地层，为变质程度更低级的煤系变质，此二者所属大地构造位置均为活动性较强的板内陆块间的活动地带，故将此二者划分为“活动带型”。

3 典型矿床地质特征

3.1 “结晶基底型”石墨矿床

“结晶基底型”石墨矿床主要分布在华北阴山隆起中东段、白云鄂博-渣尔泰山裂谷带、鄂尔多斯凹陷西北缘及阿拉善陆块东南缘，发育超大型、大型及中小型石墨矿床，地层单元普遍变质程度高，石墨矿物片径大、品质好。典型代表为黄土窑石墨矿和查罕木胡鲁石墨矿等。

3.1.1 黄土窑石墨矿

矿区位于内蒙古兴和县（图2），属华北克拉通北缘中段、内蒙地轴中段南侧。区内地层主要为太古界集宁群的深变质岩系。岩性以片麻岩及麻粒岩为主，局部混合岩化作用强烈；区内构造活动不强烈，局部发育小规模的断裂构造；岩浆活动不强烈，仅局部出露辉绿岩、闪长岩及花岗伟晶岩等岩脉。

图2 内蒙古兴和黄土窑石墨矿地质简图（据王时麒，1989修改）

矿体产于太古宇集宁群变质岩系中，与矽线石石榴子石片麻岩关系密切。矿区共圈定矿体32个，多数呈透镜状、似层状分布，矿体长500～1000 m，厚20～40 m。矿体产状与地层产状一致，沿走向及倾向呈舒缓波状特点。固定碳单工程平均品位3.17%～4.29%，总体平均品位3.60%，已探明资源储量244.1万t，属大型石墨矿床（井天阳，2016），矿石工业类型为晶质(鳞片状)石墨矿石。矿石中主要矿物成分由斜长石、钾长石、石英、黑云母和石墨组成，呈灰褐色，风化面灰白色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，少数呈条带状构造，石墨片度多为0.30～2.00 mm、最大片度达2～3 mm，为大鳞片状石墨（王时麒，1989）。

矿体围岩为黑云矽线石榴斜长片麻岩、混合岩化长英质片麻岩。矿石普遍发育绢云母化、透闪石化、高岭土化及绿泥石化等蚀变。该矿床有明显的层控特点，属于具混合岩化特征的区域变质型矿床（井天阳，2016）。

3.1.2 查汗木胡鲁石墨矿

矿区位于内蒙古阿拉善左旗境内（图3），属华北克拉通北缘西段，其北隶属狼山—白云鄂博凹陷带、狼山—渣尔泰山褶断束，其南属鄂尔多斯凹陷河套新断陷。区内主要出露地层为中太古界乌拉山岩群、渐新世清水营组和上新世苦泉组及更新统和全新统冲积物等；构造复杂，主要以NW、NE向断裂为主；岩浆岩主要为志留纪的中细粒黑云母花岗闪长岩及泥盆纪的中细粒花岗岩。

图3 阿拉善左旗查汗木胡鲁石墨矿地质简图（据郑永涛等，2016）

矿体产于乌拉山岩群片麻岩段含石墨变质岩系地层中，矿区内共发现矿体11条，整体呈层状、似层状产出。其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ号为主矿体，沿SN向展布，平均倾向268°～293°，平均倾角24°～31°。矿体长1050～1400 m，平均真厚度12.93～19.18 m，固定碳平均品位3.72%～5.61%，已探明资源储量达702.91万t，属超大型石墨矿床。矿石主要由斜长石、石英、黑云母、辉石、石榴石、石墨等矿物构成，矿石结构为片状—粒状不等粒变晶结构、斑状变晶结构，矿石构造以网脉状、片状构造及片麻状构造为主。石墨片径多为0.5～3.0 mm，少数可达5.0 mm。矿体顶底板围岩主要为蛇纹石化大理岩，属区域变质型矿床（郑永涛等，2016）。

3.2 “活动带型”石墨矿床

活动带型石墨矿床主要分布在华北陆块北缘白云鄂博-渣尔泰山裂谷带和鄂尔多斯凹陷西北缘及阿拉善陆块东南缘等区域，矿床规模均比较大，以大型—超大型矿床为主，典型代表为大乌淀石墨矿、查干温都日石墨矿及嘉尔噶勒赛汉块状晶质石墨矿等。

3.2.1 大乌淀石墨矿

矿区位于内蒙古乌拉特中旗境内（图4），属华北板块北缘西段、狼山-白云鄂博裂谷系、乌拉特中旗-新忽热苏木隆起带。区内出露的地层主要为白云鄂博群尖山组一、二段，受大乌淀背斜及高勒图断裂影响、地层出现强烈的板理化特征，岩浆岩主要以海西中晚期的中酸性岩浆为主、岩性中细粒石英闪长岩、中细粒似斑状黑云母二长花岗岩（姜高珍等，2017）。

图4 乌拉特中旗大乌淀石墨矿地质简图（据张艳飞和梁帅，2018）

矿体赋存于尖山岩组一段的含石墨片岩中。矿区内共圈定矿体15条，整体呈厚层状、透镜状、断续豆荚状、条带状，沿北东向展布，倾向NW，倾角35°～82°，与地层产状基本一致。矿体长100～3500 m不等，平均真厚度3.26～56.64 m，固定碳品位2.50%～12.59%，平均品位4.47%，已探明石墨资源储量达1775.58万t，为超大型石墨矿（姜高珍等，2017；李以科等，2018；张艳飞和梁帅，2018）。

矿石由石英、红柱石、白云母、黑云母、石墨及少量黄铁矿、绢云母、磁黄铁矿、金红石等构成。石墨片径多为0.01～0.66 mm。矿体围岩以变质石英砂岩为主，蚀变类型主要为褐铁矿化、黄铁矿化、碳酸盐化、矽线石化、硅化和少量的绿帘石化、绿泥石化等。由于该矿床受后期岩浆岩影响，属沉积-接触变质型矿床（张艳飞和梁帅，2018；李以科等，2018）。

3.2.2 查干文都日石墨矿

矿区位于内蒙古达茂旗境内（图5），处于华北板块北缘狼山—白云鄂博台缘凹陷带内。区内出露的地层有中—新元古界白云鄂博群，中生界白垩系和新生界新近系及第四系；矿区整体受一条NNW向断裂控制，形成一条长2.5 km的挤压破碎带；出露的岩浆岩主要以燕山期的中酸性岩浆为主，岩性为中细粒似斑状黑云母二长花岗岩、中粒二长花岗岩、中细粒黑云母石英闪长岩。

图5 乌拉特中旗查干温都日石墨矿地质简图（据周树亮等，2015）

矿体赋存于尖山岩组一段的含石墨粉砂质绢云母板岩中。矿区内共圈定矿体5条，整体呈厚层状、层状、似层状，沿NW向展布、倾向NE，倾角55°～64°。矿体长400～2300 m，厚度 25.38～41.15 m，固定碳平均品位5.21%～6.55%，已探明资源储量达850万t，属超大型石墨矿床（李以科等，2018）。矿石类型主要为含石墨粉砂质绢云母板岩和含石墨红柱石粉砂质绢云母板岩。石墨片度多为10～1.0 μm。矿体围岩为黑云母花岗岩和变质长英质粉砂岩。该矿床受一定层位控制，矿体产状与围岩一致，属区域变质型矿床（周树亮等，2015）。

4 成矿作用

4.1 石墨成矿作用

一般来讲，天然石墨的形成一般会经历碳质原生沉积、石墨晶核成形、晶体富集生长、矿体叠加富集4个阶段。在适当的温压条件下，碳原子进行有序排列、分子结构不断完善，并发生一系列的脱氧脱氢反应（Zhao et al.,2005）。而石墨矿床的形成应具备两个条件，其一为地层沉积时需富含大量有机质、为后期成矿提供重要的物质来源，其二为地层发生较为强烈的变质作用使地层中的碳质活化富集成矿、为成矿提供必要的温压条件（李超等，2015）。

目前内蒙古中西部发现的石墨矿多为有机碳成因（陈衍景等，2000）。碳质原生沉积环境多在稳定湿热的滨浅海及裂谷环境下，有机质繁盛，为成矿提供充足的物质来源。经过稳定的沉积成岩过程后，发生区域变质作用，使原生沉积的有机质在区域变质的温压条件下通过热变质重结晶作用形成石墨微晶，此后经过热液改造重熔使晶体逐步生长，最后通过后期热液构造叠加改造作用不断使矿体富集，石墨鳞片增大、品质提高（邢志强，2010；梁帅，2015；姜高珍等，2017）。

4.2 变质成矿演化过程

华北克拉通北缘处于华北板块、西伯利亚板块和库拉-太平洋板块接合部位，经历了陆核生成、结晶基底生长、（微）陆块发展，裂谷沉积以及多次构造岩浆活动的漫长地质演化过程（陈衍景等，2000；沈宝丰等，2001；李俊建等，2010；梁帅，2015）。

中—新太古代时期（3.0～2.5 Ga），主要在阴山东段形成一套原岩为含炭质半粘土质岩石、泥质（或凝灰质）砂岩，夹基性和中酸性钙碱性火山岩以及碳酸盐岩的组合，即上集宁群（王启超等，2002）。其后新太古代（2.47～2.52 Ga）时期在阴山中段形成一套原岩以石英砂岩、杂砂岩、含炭质碳酸盐岩和半粘土质砂岩为主的岩石组合，即乌拉山群（主要为乌拉山群上部）（内蒙古自治区地质矿产局，1991）。华北古陆块发生过多期次、大规模的火山沉积和岩浆活动、及区域变质作用（赵国春，2009；耿元生等，2010），区内岩石普遍经历了约2.5～2.4 Ga的变质作用，使集宁群与乌拉山岩群中原生沉积的大量有机质（王时麒，1989），并在适宜的温压条件下原始碳原子得到活化、形成微小的石墨晶核。

自古元古代开始（<2.5 Ga），南部的鄂尔多斯地块逐步向阴山地块移动，在古元古代中期（2.0～1.9 Ga），鄂尔多斯地块北缘与阴山地块发生碰撞拼贴，这条长1000 km近东西向展布的孔兹岩带（碰撞造山带）使西部地块完成统一（Xia et al.,2006；吴昌华等，2006；李三忠等，2015），之后在古元古代中晚期（1.9～1.8 Ga）华北克拉通东西部地块完成最终拼合、Columbia超大陆形成。在阴山东段地区出露的集宁群地层，普遍遭受的变质作用达到高角闪岩相—麻粒岩相，其变质峰期温度均达到800 ℃以上，最高达950 ℃（卢良兆等，1996；Jiao et al.,2013；蔡佳等，2014），变质时代主要集中在1.93～1.92 Ga之间（Liu et al.,2012）；中段乌拉山—大青山地区出露的乌拉山群地层，普遍遭受的变质作用也达到高角闪岩相—麻粒岩相，其变质峰期温度均高于800 ℃，最高达860 ℃（Liu et al.,2010；蔡佳等，2013），变质时代为1.93～1.83 Ga（刘平华等，2013）。在此过程中发生一系列的构造岩浆活动与区域变质作用（董春艳等，2012；徐仲元等，2013；陈佩嘉等，2017），经过相对高温高压的变质作用，使古老地层中的炭质有机质得到进一步活化富集，进而成矿。形成了集宁兴和黄土窑石墨矿、乌拉山什报气石墨矿及阿左旗查罕木呼鲁石墨矿等。

在中元古代早期（>1.8 Ga），随着Columbia超大陆的裂解破坏，华北陆块与西伯利亚陆块不断分离、形成洋盆（Zhao et al.,2003；Zhai et al.,2011；刘超辉和刘福来，2015），在华北陆块边缘滨海的环境下形成了一条宽大的裂谷带，即渣尔泰-白云鄂博-化德裂谷（Hu et al.,2014；翟明国和彭澎，2007；公王斌等，2016）。由于温热稳定适宜的沉积环境，发育了大量微生物，自中元古代早—中期（1.8～1.6 Ga）到中元古代中—晚期再到新元古代在区域内沉积了一套以白云鄂博群为主的碳质含量较高的地层（公王斌等，2016），并且良好的环境条件使得有机质得以大量保存，为石墨成矿提供重要的物质来源（姜高珍等，2017；张艳飞和梁帅，2018）。

伴随着中元古代晚期（<1.0 Ga）的吕梁运动，区域内发生了大规模的以低绿片岩相为主的区域变质作用，这使得地层中的碳质成分在适宜的温压条件及变质流体等热动力的作用下（穆可斌等，2019），形成石墨晶核并初步形成雏晶，之后经漫长的地质演化，最终伴随着海西期强烈的岩浆作用，使得地层中的石墨进一步活化富集，使得石墨品质进一步提高，进而成矿。形成了赋矿层位以中—新元古代地层为标志的一系列石墨矿床，如大乌淀、查干温都日、巴音温都尔等石墨矿。

从早古生代（<541 Ma）开始华北陆块趋于稳定，自晚石炭世（<307 Ma）由于温热的气候使得植物大量繁殖发育，该区在晚石炭世早期开始裂陷下沉到晚石炭世晚期逐步沉积形成了一套富含有机质的煤系地层（郭英海等，1998），之后经持续的区域变质作用与接触变质作用，在形成无烟煤的基础上，进而形成石墨矿，由于煤系地层中碳质富集，形成的石墨矿矿化程度较高（颜玲亚等，2018；梁伟等，2018）。

总体看来，内蒙古中西部石墨矿床的成矿，首先与相对稳定的沉积环境及适应生物大量生长发育的温暖湿润的古气候条件密切相关；其次是在有足够的碳质来源积累后，需经大规模的区域变质作用、提供足够的温度和压力条件，使得地层中的碳质可以形成石墨晶核；最后经过漫长复杂的地质作用使得石墨晶核逐步成形、成矿、石墨品质不断提高。

5 找矿方向

内蒙古中西部地区的石墨矿床，多数受地层控制明显，主要集中在中太古界集宁群、古元古界乌拉山岩群以及中—新元古界白云鄂博群、古生界石炭系的地层中，集中在阴山隆起中东段、阿拉善地块东南缘及鄂尔多斯凹陷北缘等区域。综合分析来看，内蒙古中西部石墨矿的找矿方向总结为以下3点。

（1）重点关注深变质岩区地层，石墨的鳞片粒度往往与变质程度有密切关系（李超等，2015），特别是孔兹岩带中的中—新太古—古元古界的地层，其往往历经多次变质作用、混合岩化作用或岩浆侵入作用，普遍变质程度较高，因地层年代久远、分布较为零散。深变质岩区地层中石墨矿的主要特征为：石墨鳞片粒度大、品质好、矿床规模及资源量相对较小。

（2）其次要关注狼山-白云鄂博-化德裂谷带，近几年在内蒙古中部地区连续发现的3个超大型石墨矿床，均产于该裂谷带的中元古界白云鄂博群中，变质程度中等，该地层单元在区内分布范围较广、均为晶质石墨矿，资源潜力巨大。其主要特征为：石墨鳞片中等、品质较好、矿床规模及资源量大。

（3）最后区内出露的石炭系煤系地层，该层位内形成的石墨矿数量不多、但由于地层中富含炭质，形成的石墨固定碳含量相对较高、多为隐晶质石墨，碳资源量丰富，其主要特征为：石墨鳞片小（多数为隐晶质）、品质一般、矿床规模小但碳质资源量大。

通过以上分析，可根据石墨矿物的不同工业利用价值对相应的地区展开针对性的找矿勘查工作。