辽宁省宽甸县大房身石墨矿产出特征及成因分析

2021-12-16唐韬

河北地质大学学报 2021年6期

关键词：高家品位矿石

唐韬

TANG Tao

辽宁省第七地质大队有限责任公司，辽宁丹东 118000

Liaoning Seventh Geological Brigade Co., Ltd, Dandong 118000, China

0 引言

辽宁省宽甸县基础地质工作始于20世纪50年代，长期的基础地质调查、矿产资源勘查和评价工作，为当地地质资料的丰富奠定了基础。2010年宽甸县红石镇杨木杆西发现大房身石墨矿。石墨是一种具有优良的导电性、化学稳定性和特殊的高温抗热性能的非金属材料[1～2]，因而在密封材料、冶金铸造以及导电材料和耐火材料等领域备受青睐[3～6]。近年来随着石墨烯高科技新材料的出现，在众多非金属资源中，石墨资源日益受到国内外关注，成为一种新兴的战略性矿产[7]。本文在对矿区地层、构造、岩浆岩和变质岩以及矿床特征研究基础上，掌握石墨矿资源的分布和产出规律。

研究区位于宽甸满族自治县县城东南，隶属辽宁省宽甸满族自治县红石镇大韭菜村所辖，属辽东低山丘陵区，长白山脉东延部分，山高林密，最低100 m。最高标高461.9 m，相对高差361.9 m。大地构造单元属华北克拉通（Ⅰ）胶辽台隆（Ⅱ）营口—宽甸台拱（Ⅲ）东南部，辽吉裂谷东部中央凹陷之上，鸭绿江断裂带北西部上盘，虎皮峪—红石砬子复背斜东端。从区域成矿条件来看，下元古界辽河群高家峪岩组地层中普遍含墨，石墨矿多在背斜构造的核部或者转折端富集，矿体似层状、条带状，连续性一般。石墨多呈显晶质，片晶大小不等，石墨鳞片状在各种变～浅粒岩中条带分布。

1 成矿地质条件

研究区位于鸭绿江断裂中部以西，辽东古裂谷内，区内地层主要为下元古界辽河群，受区域变质作用及混合岩化作用影响岩性复杂。构造以复式褶皱、断层为主。岩浆侵入活动一般，脉岩较为发育。

1.1 地层

研究区地层出露不全，仅发育下元古界辽河群里尔峪岩组（Pt1Lhlr）、高家峪岩组（Pt1Lhg）、大石桥岩组（Pt1Lhd）和第四系（Q4）沉积物。高家峪（Pt1Lhg）为主要含矿层，其次为大石桥岩组（Pt1Lhd）。高家峪岩组（Pt1Lhg）出露面积较大、范围较广，多呈北西向不规则条带状延伸。该组地层分为上下两个岩性段。一段出露面积较大，岩性为灰色中细粒石墨透闪透辉变粒岩，夹褐灰色石墨斜长变（浅）粒岩，底部偶有斜长角闪岩，是研究区内石墨矿的主要产出层位。二段分布面积相对较小，不连续，仅见于研究区南部和西北、东北角，走向近东西向，岩性主要为褐灰色石墨变粒岩，石墨变粒岩，分布少量较贫石墨矿体。大石桥岩组（Pt1Lhd）岩性主要为大理岩和斜长角闪岩，具粒状变晶结构，块状构造，大理岩局部含石墨（图1）。

图1 大房身研究区地质图Fig.1 Geological map of Dafangshen research area

1.2 构造

研究区发育2个褶皱、9条断层。受多期次区域构造运动影响，褶皱多表现为复式褶皱，断裂以压性、张性、压扭性及剪性为主。区内石墨矿体多在背斜核部富集。断裂构造对成矿影响不大，仅个别会对矿体产生一定的破坏。

倒转背斜以大韭菜沟江水一线为界，东西各发育一个。西部倒转背斜，北西西延伸，核部地层为里尔峪岩组一段，倾角70°，翼部地层为里尔峪岩组二段及高家峪岩组，地层倾向褶皱轴面；东部倒转背斜，北西向延伸。核部为条痕状花岗岩（γ21），两翼为里尔峪岩组和高家峪岩组地层。地层倾向褶皱轴面，北翼地层倾角陡，南翼倾角较缓。

断裂构造，以张扭和压扭性为主，走向北东向和北西向，多与褶皱轴方向相切，部分与褶皱核部构造应力方向一致。

1.3 变质作用及岩浆岩

研究区区域变质作用、混合岩化作用较为强烈，以铁铝榴石角闪岩相中的十字石—蓝晶石亚相为主。主要发育辽河群变质岩。岩浆岩发育程度一般，主要为早元古代混合花岗岩，次为各种侵入脉岩。脉岩主要有石英脉、花岗伟晶岩脉、闪长岩脉、闪长玢岩脉和正长斑岩脉。

2 矿体产出特征

根据野外地质调查，大房身石墨矿自西向东共发育13个矿体，走向以北西向为主，个别为北东向，规模大小、含矿岩性等均不相同（图2、表1），

图2 大房身石墨矿地质简图Fig.2 Geological sketch of Dafangshen graphite mine

表1 矿体特征简表Table 1 Brief description of orebody characteristics

表1（续）

以规模最大的D8号矿体为重点，通过槽探工程对矿体进行揭露，查明其浅部矿体形态、产状及矿石质量，并通过钻探工程达到对其深部控制的目的[8]。

2.1 槽探工程

为对D8号矿体开展地质评价，根据勘探线在垂直于矿体走向上布设5个槽探工程对矿体地表部分进行控制。探槽间距100～200 m，均穿透矿体（图3）。

图3 大房身石墨矿段探槽图Fig.3 Exploration groove diagram of graphite ore section in large house

由上图可知，D8号矿体矿体赋存于下元古界辽河群高家峪岩组一段石墨透闪透辉变粒岩、石墨微斜变粒岩和斜长角山岩中。矿体呈单斜形式产出，边界较规则，整体呈层状、似层状。走向北西300°～320°，倾向北东，倾角35°～45°之间。矿体延长近540 m，平均真厚度47.18 m。含碳量大于2%的石墨矿，厚度约为29 m；含碳量在1%～2%的石墨矿，厚度约为12 m。未见较明显断裂构造切穿和破坏矿体。矿体中有时见细小花岗伟晶岩和闪长玢岩等脉岩穿插，但脉岩发育不普遍，规模较小，对矿体影响轻微。

2.2 钻探工程

在地表槽探的基础上，为对D8号矿体深部进行控制，查明矿体形态、规模、空间位置、分布规律及相互关系等[9～10]，沿勘探线布设6个钻孔，钻孔深度在216.12～286.23 m间，控制矿体最大延深约240 m。其中ZK6孔深度251.71 m，矿体埋深0～50.6 m，倾向30°～50°，倾角35°～45°，产于下元古界辽河群高家峪岩组一段变粒岩、透闪变粒岩、黑云透闪变粒岩中。矿体中间不连续，上层厚度约40.8 m，下层约为3.8 m。中间夹5.8 m浅粒岩。

3 大房身石墨矿特征

研究区出露13个石墨矿体（图2），其中D8号矿体估算（332+333）类石墨矿石量、品位和矿物含量最高，因此笔者对矿区石墨矿产出特征，尤其是D8号矿体产出特征进行了详细研究，以查明矿区石墨矿体的赋存状态、矿石质量特征、（332+333）类石墨矿资源量。

3.1 矿体特征

D8号矿体位于矿区东南侧，根据槽探、钻探工程可知，矿体延长近540 m，最大延深约240 m。矿体倾向北东，倾角35°～45°，呈层状、似层状。真厚度17.57～101.77 m，平均真厚度47.18 m，厚度变化系数36.47%，矿体赋存标高152～32 m，埋深0～192 m。其余矿体特征详见表2。

表2 石墨矿体特征表Table 2 Characteristics of graphite orebody

为确定矿体固定碳含量，探槽工程中于0～56.7 m之间，采取样品进行化验，D8号矿体固定碳含量0.53%～5.51%，平均品位固定碳2.75%。钻探于0～214.95 m之间，取样化验，矿体固定碳（C）含量2.76%～3.52%，平均品位固定碳3.11%，品位变化系数12.11%，属稳定类型。

图4 钻孔Fig.4 Borehole

3.2 矿石特征

为查清矿石物质组成、化学成分、查明矿物组成矿石结构构造。于大房身石墨矿区采取石墨矿实验样，探槽TC～1取样50 kg，钻孔ZK～6取样50 kg，顶、底板围岩中取样5 kg，将矿石与适量围岩混合后，将样品送交试验单位。

根据野外观测的矿石物理特征并结合镜下光片中结构构造，大房身石墨矿矿石岩性主要为黑云变粒岩、透闪变粒岩。矿石自然类型为石墨变粒岩型。矿石工业类型为晶质（鳞片状）石墨矿石。

矿石矿物主要为石墨，呈他形晶，片状及鳞片状变晶结构，部分呈叶片状结构或呈弯曲叶片状，少量呈不规则脉状，具极显著的双反射和极强的非均质性，反射率低，硬度低的特点。石墨多易于在背斜构造的核部或者转折端富集，富集后的石墨矿体似层状，实际多为条带状，连续性一般。

矿石以片状、粒状变晶结构为主，其次为短柱状粒状变晶结构；构造主要为块状构造、片状构造、片麻状构造，有时见条带状构造、星点状构造。

脉石矿物有透辉石、透闪石、纳长石、白云母、黑云母、斜长石、钾长石、碳酸盐、石英及少量的针铁矿、黄铁矿等。

围岩与夹石岩性与矿体相近，仅以石墨含量与其区分，夹石主要岩性为浅粒岩、透闪浅粒岩。

根据表3可知，石墨矿石中SiO2含量最高，Al2O3值大于10%，表明矿石可能具有高硅铝的特点，K2O/Na2O比值为1.98，其值较低，表明样品受淋滤作用较小[11]。

表3 石墨矿矿石主要化学成分表Table 3 Main chemical composition of graphite ore

3.3 石墨矿石资源特征

为查明石墨矿石工业利用性能，对送交的实验样品进行选矿试验。

天然石墨杂质较多，很难直接利用，为满足工业需求，需要对石墨进行分选提纯，目前提纯方法分为三种，分别为：1.浮选法[12～13]、2.化学法[14～15]、3.高温法[16]。

根据石墨矿层状、片状结构，疏水性好与油性物质结合密切特点，采用浮选法进行试验[17]。

石墨矿石经一次粗磨两次粗选、一次扫选、粗精矿、次精选后经两次再磨再选，共计五次精选的选别流程，固定碳含量为3.17%的原矿经过该流程后可获得95.08%的石墨精矿（精矿物质成分表详见表4），并查明了石墨精矿+100目比例为55.9%（详见表5）。

表4 石墨精矿物质成分表Table 4 Composition of graphite refined minerals

表5 石墨精矿全筛析结果表Table 5 Results of full sieve analysis of graphite concentrate

根据表4、表5可知原矿C固品位3.17%，精矿产率3.02%，精矿品位97.84%，回收率为90.52%，表明该地区矿石为较易选石墨矿石。根据对所采集的104件石墨矿光片样品进行测试结果可知（石墨矿石薄片照片见图5），区内石墨矿石中95%以上为晶质石墨。其中片径大于100目（0.147 mm）者比例为90.8%。

图5 石墨矿石薄片照片Fig.5 Photo of graphite ore slice

为查明石墨矿资源储量，采用地质块段法[18～19]，即对矿体在勘查网度内划分块段进行控制。具体为当矿体倾角大于45°时，选用垂直纵投影法估算资源储量；当矿体倾角小于45°时，选用水平投影法估算资源储量。首先进行矿体单工程加权品位计算，以D8号矿体为例对槽探和钻探工程中采取的样品进行计算（详见表6）。

表6 槽矿体单工程、钻孔中矿体加权平均品位计算表Table 6 Calculation table of weighted average grade of ore body in single project and borehole of slot ore body

根据上表可知，槽探工程中加权平均品位范围为3.20%～3.49%之间，钻探工程中加权平均品位范围为2.76%～3.15%之间，品位较高。

为进一步查明矿体的品位，于矿体中进行块段采样（详见表7）。

表7 大房身矿段矿体块段加权平均品位计算表Table 7 Calculation table of weighted average grade of ore body block in dafangshen ore section

根据表7可知，D8号矿体中共计采样13个，块段加权品位范围为2.97%～3.22%，其余矿体共采取6个块段，得出块段加权品位范围在2.05%～2.85%之间。通过计算得知，大房身石墨矿固定碳平均品位为2.95%，其中D8号矿体固定碳平均品位为3.11%。

为查明大房身石墨矿石量332类资源量，即控制资源量，沿矿体走向和倾向有深部工程控制，工程间距为200×100 m，所圈闭三维空间的矿体部分，估算为控制的内蕴经济的资源量。D8号矿体矿石量为2 896.27 kt[20]。

控制的332类型资源量沿走向、倾向外推的矿体平推1/4或平推1/2的外推点与工程所圈定的矿体为推断的内蕴经济的资源量[21]即333类资源量，D8号矿体矿石量为5 896.85 kt（详见表8）。其余矿体，矿石量为3 211.21 kt，矿物量为80.87 kt。大房身石墨矿共估算石墨矿石量（332+333）为12 004.33 kt，固定碳含量353.88 kt。

表8 石墨矿资源储量估算表Table 8 Estimation of reserves of graphite ore resources

除D8号矿体，对D1、D3、D4、D9号矿体进行了资源储量估算。矿体倾向北东，倾角在31°～51°之间，矿体延长150～320 m，平均厚度8.8 m，岩性以含墨黑云变粒岩和含墨透闪变粒岩为主。

4 矿床成因分析

4.1 石墨物质成份来源

大房身石墨矿主要赋存于辽河群高家峪岩组一段黑云变粒岩、透闪变粒岩中，高家峪组属于辽东裂谷中冒地槽相，原岩建造主要为夹碳酸盐岩富含碳质的粘土岩建造，局部含有少量火山岩，厚度比较稳定。分布于黑云变粒岩、透闪变粒岩的层状石墨矿，石墨含量较高。在陆源碎屑的搬运沉积环境中，大量生物体在适宜的水体浅海环境下，大量繁殖，为石墨形成提供丰富的原始物质[1]。