黑龙江鸡西麻山区民主南山晶质石墨矿地质特征及成矿规律

2022-01-20胡升奇李晓龙孙哲雨张铁成龚敬海王英辉金宇阳

地质学刊 2021年4期

胡升奇，李晓龙，孙哲雨，张铁成，龚敬海，王英辉，金宇阳

(中化地质矿山总局黑龙江地质勘查院，黑龙江哈尔滨 150060)

0 引言

中国石墨矿产资源主要为晶质石墨矿(李超等，2015；肖克炎等，2016)，成矿背景独特(王力等，2017；颜玲亚等，2018)，成矿资源以黑龙江最为丰富(唐臣，2016；文立坤等，2018)。黑龙江石墨矿少量位于大兴安岭地区，多数位于佳木斯—兴凯(地块)石墨成矿带(徐志刚等，2008；唐臣等，2013)，该成矿带先后报道了鸡西岭南中型石墨矿(曹圣恩等，1993)、穆棱光义中型石墨矿(张本臣，2005)、鸡西柳毛大型石墨矿(柴静等，1992；李光辉等，2008)、萝北云山超大型石墨矿(李寒滨等，2014；李思远等，2016)、萝北七马架大型石墨矿(马新春等，2017)、萝北卫东林场大型石墨矿(武捷，2018；江志明，2019)、林口西北楞超大型石墨矿(欧阳荣京等，2019)以及林口大砬子村大型石墨矿(胡升奇等，2020)等大量晶质石墨矿床。

民主南山石墨矿床位于黑龙江鸡西麻山区境内，北距麻山区政府6 km。根据详查与勘探工作成果，石墨矿(331+332+333)矿石量为2 000多万t，矿物量为100多万t，固定碳平均品位为6.09%，属大型石墨矿床。

通过对矿床地质特征的系统研究，并结合近年来的区域地质研究成果，探讨矿区石墨矿成矿规律，为在麻山岩群西麻山岩组、余庆岩组寻找同类石墨矿床提供参考。

1 区域地质背景

矿区大地构造位置属于兴蒙造山系(Ⅰ)佳木斯地块(Ⅱ)兴东变质基底杂岩(Ⅲ)(表1、图1)，地处佳木斯—兴凯(地块)Fe-Au-P-石墨-矽线石成矿带(表2、图2)(唐臣等，2013)。

表1 研究区大地构造分区Table 1 Geotectonic division in the study area

图1 大地构造分区图(据唐臣等，2013)Ⅰ-3-小兴安岭—张广才岭岩浆弧:Ⅰ-3-3-伊春延寿岩浆弧;Ⅰ-3-5-伊舒裂谷 Ⅰ-4-嘉荫—牡丹江结合带:Ⅰ-4-1-太平沟俯冲增生杂岩+高压-超高压相;Ⅰ-4-2-依兰俯冲增生杂岩+高压-超高压相;Ⅰ-4-3-磨刀石俯冲增生杂岩+蛇绿混杂岩相 Ⅰ-5-佳木斯地块：Ⅰ-5-1-兴东变质基底杂岩;Ⅰ-5-2-宝清—密山陆缘裂谷;Ⅰ-5-3-鹤岗—鸡西岩浆弧;Ⅰ-5-4-三江盆地 Ⅰ-6-完达山结合带：Ⅰ-6-1-蛤蚂顶子—坨窑山蛇绿混杂岩;Ⅰ-6-2-东方红岩浆弧 Ⅰ-7-兴凯地块：Ⅰ-7-1-金银库—虎头变质基底杂岩;Ⅰ-7-2-老黑山—虎林周缘前陆盆地相;Ⅰ-7-3-绥阳岩浆弧;Ⅰ-7-4-敦-密裂谷Fig. 1 Tectonic zoning map of the study area(after Tang et al.,2013)

表2 研究区成矿单元划分Table 2 Metallogenic unit division in the study area

图2 佳木斯—兴凯地块成矿区带划分图(据唐臣等，2013)1-Ⅱ级成矿带界线及编号；2-Ⅲ级成矿带界线及编号；3-Ⅳ级成矿带界线及编号；4-Ⅴ级成矿带界线及编号；5-民主南山石墨矿床位置；6-国界、省界Fig. 2 Division of metallogenic belt in Jiamusi-Xingkai block (after Tang et al.,2013)

区内出露地层由老至新为中-新元古界、中生界、新生界：中-新元古界为麻山岩群西麻山岩组、余庆岩组，中生界具体表现为下白垩统城子河组、穆棱组、东山组、猴石沟组，新生界具体表现为船底山组与第四系。

区域地质构造复杂，经历晋宁、加里东旋回陆壳增生与改造，陆壳固结，晚古生代边缘裂陷盆地形成，具有印支旋回滨太平洋构造域的活动特点。形成以北东、北西及近东西向为主的线性构造格架，局部见南北向构造显示。区域基底构造格架控制了区内的沉积建造和地层展布、岩体侵入、火山喷发、中生代构造盆地和各类构造的发育与发展以及各类矿产的赋存。

区域岩浆岩较发育，以侵入岩为主，火山岩少见。侵入岩自老至新为古元古代、华力西期、印支—燕山期。呈岩株状，均为中酸性岩。

麻山岩群为一套富硅、富铝、富碳的孔兹岩系，遭受了复杂而强烈的变质变形作用，形成变质矿物矽线石、钾长石、紫苏辉石、铁铝榴石和钾长石组合。根据矿物组合划分出高角闪岩相带和麻粒岩相带2个变质相带。

2 矿区地质特征

2.1 地层

出露地层为中-上元古界麻山岩群西麻山岩组(Pt2-3x.)、余庆岩组(Pt2-3y.)，新生代第四系(Q)(图3)。

图3 矿区地质略图1-第四系；2-中-上元古界麻山岩群余庆岩组；3-中-上元古界麻山岩群西麻山岩组；4-黑云斜长变粒岩；5-黑云斜长片麻岩；6-大理岩；7-透辉橄榄大理岩；8-石墨透辉橄榄大理岩；9-透辉石英岩；10-石英钾长交代岩；11-混合岩；12-地质界线；13-产状；14-压扭性断裂及编号；15-推测断裂及编号；16-挤压破碎带；17-石墨矿体及编号Fig. 3 Geological sketch of the mining area

2.1.1 西麻山岩组(Pt2-3x.) 出露于矿区北部，面积2 km2。主要岩性为赋矿的石墨石英片岩、石墨斜长片麻岩，以及不含矿的透辉斜长变粒岩、大理岩及条痕状混合岩。地层总体呈近东西向展布，一般倾向140°～180°，倾角40°～85°，但局部地段受层间揉皱作用影响，地层倾角接近直立或发生倒转。Ⅶ、Ⅳ号等矿体赋存在该层上部。该层厚度>541.15 m。

2.1.2 余庆岩组(Pt2-3y.) 分布在矿区的中部及南部民主南山—老黑山一带，出露面积约5 km2。主要岩性为赋矿的石墨石英片岩、含石墨斜长变粒岩，以及以均质混合岩为主夹透镜状大理岩、黑云斜长片麻岩及石英钾长交代岩等。其中Ⅺ、Ⅺ-1、ⅩⅦ号等矿体均赋存在该层中部的石墨石英片岩中。地层总体呈近东西向展布，一般倾向160°～190°，倾角55°～86°。受F3断层影响，西侧地层局部倾角近直立或发生倒转。该层厚度为752.21 m。

2.1.3 第四系(Q) 出露于研究区沟谷地区，岩性为砂、砾石、亚黏土，反映现代河床、河漫滩、冲洪积扇的堆积环境，厚度为1～5 m。

2.2 侵入岩

矿区侵入岩不发育，仅在ZK3201孔40.41～44.90、51.10～54.40 m处见2条辉石云煌斑岩脉。该岩石受较强烈的动力变质作用，原岩中的矿物碎裂且均匀定向排列。

2.3 构造

矿区位于麻山—鸡西复式向斜南翼端、麻山东西向构造带上，地层近东西走向，总体南倾，矿区西部局部受构造影响北倾，地层倾角60°～85°。构造形迹如下。

2.3.1 褶皱构造仅出现在矿区西部，工程验证发现，Ⅵ、Ⅶ号矿体倾向南，倾角74°～89°；ⅩⅦ、ⅩⅢ号矿体倾向北，倾角52°～82°，构成一个“向”字形构造。此外，地层中小型褶皱、挠曲及牵引褶皱较发育，轴向以近东西向为主，少量为北东、北西向。

2.3.2 断裂构造断裂主要为压性近东西向断裂，其次为张性近南北向断裂(图3)。

(1)F1断层。位于矿区西北部，Ⅵ号矿体东延部分被其破坏。断层西段走向近东西，倾向北；东段走向转为北东，倾向北西。该断层倾角 60°～70°，西段呈压扭性，东段显张扭性，长约2 km。

(2)F2断层。位于矿区北部，是西麻山岩组和余庆岩组的分界线，以北为西麻山岩组，以南为余庆岩组。由一系列压扭性破碎带组成，破碎带宽几米至几十米，走向大体与地层走向一致，呈舒缓波状，北倾，倾角在80°左右。断层东端延伸到沟谷被第四系覆盖，西侧破坏了ⅩⅦ号矿体的西延部分。该断层长度>3 km。

(3)F3断层。地处矿区中部,北段被第四系覆盖，南端为一负地形。为物探解译后经槽探工程验证的张性断裂，在地貌上与现代沟谷吻合。断层两侧岩石较破碎，石英脉、断层角砾岩发育，其中石英脉呈平行断裂方向充填。断面产状为75°∠65°。由于地层倾角较陡，构造作用导致两侧地质体不对称，地层反倾，断层西盘北移，东盘南移。该断层破坏了Ⅺ-7、ⅩⅦ号矿体的连续性。断层长度>1 km。

2.4 变质作用

矿区出露地层为一套经受强烈的构造运动、岩浆活动和区域变质作用而成的中深变质岩。原岩为富钙、镁碳酸盐、富黏土质、炭泥质岩夹中基性火山岩组合，该套岩石为各类片岩、片麻岩、变粒岩、大理岩及混合岩等。

2.5 自然电位特征

物探是寻找石墨矿的有效方法(马健，2018；舒树兰等，2018；周鹏等，2018；欧阳荣京等，2019)，在激电中梯、自然电位测量等工作中，石墨矿体及矿带均具有明显的低阻高极化特征。在矿区进行了1∶1万自然电位测量工作，以-100 mV为异常下限圈定了SP-1、SP-2、SP-3、SP-4共4个自然电位异常，其中SP-3、SP-4号异常北部未封闭，异常中心不在矿区内(表3)。经工程验证，SP-1异常为ⅩⅩⅣ、ⅩⅩⅣ-1号矿体引起，SP-2异常为ⅩⅦ、ⅩⅢ、Ⅺ、Ⅺ-1号矿体引起，SP-3异常为Ⅵ、Ⅶ号等矿体引起，SP-4异常为ⅩⅩⅠ号矿体引起(图4，表3)。

图4 民主南山石墨矿自然电位等值线平面与石墨矿体叠合图Fig.4 Schematic of superposition between spontaneous potential isoline and graphite orebody in the Minzhu′nanshan graphite deposit

表3 研究区自然电位异常特征Table 3 Abnormal characteristics of spontaneous potential of the study area

3 矿床地质特征

3.1 赋矿层位

石墨矿床赋存于近东西向麻山岩群变质岩系中，矿体呈复层状产出，共发现石墨矿体30条，矿体的产出受地层控制，可划分为上下2个含矿层。

3.1.1 上部含矿层分布在矿区中部，出露地层为余庆岩组。含矿层出露宽约600 m，长约3 000 m，赋存20条矿体，其中3条主矿体为Ⅺ、Ⅺ-1、ⅩⅦ，其他矿体分别为Ⅺ-2、Ⅺ-3、Ⅺ-4、Ⅺ-5、Ⅺ-6、Ⅺ-7、Ⅺ-8、Ⅻ、ⅩⅢ、ⅩⅢ-1、ⅩⅣ、ⅩⅥ、ⅩⅥ-1、ⅩⅦ-1、ⅩⅩⅣ、ⅩⅩⅣ-1、ⅩⅩⅣ-2。矿体呈层状、似层状产出，单层厚度在2.00～37.67 m之间，沿走向膨大收缩明显，长度在50～1 227 m之间，延深在30～224 m之间，各矿体之间分布均匀，呈现近平行排列趋势，间距为2～45 m，矿体赋存标高为480～164 m。其中，ⅩⅢ、ⅩⅢ-1、ⅩⅦ、ⅩⅦ-1号矿体均向北倾，倾角52°～82°；其余16条矿体均向南倾，倾角52°～89°。矿体围岩主要为黑云斜长变粒岩，少量为混合岩，极少量为大理岩，围岩普遍遭受强烈的混合岩化作用。

3.1.2 下部含矿层该矿层位于矿区北部，地层为西麻山岩组。含矿层出露宽150余m，长>2 000 m。赋存有10条矿体，其中Ⅶ号为主矿体，其他矿体分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅳ-1、Ⅴ、Ⅴ-1、Ⅵ、Ⅻ、ⅩⅩⅡ号。矿体以层状为主，少量为透镜状、似层状，厚度在2.02～53.79 m之间，长度在62～578 m之间，延深在23～315 m之间，各矿体分布较为规律，近平行排列，间距为2～50 m。其中Ⅵ、Ⅶ号矿体沿走向膨大收缩明显。矿体赋存标高为440～120 m。产状均南倾，倾角73°～89°。矿体围岩主要为黑云斜长变粒岩，少量为混合岩、大理岩亦或是含石墨黑云母石英片岩。

3.2 矿体特征

矿体赋存在麻山岩群西麻山岩组、余庆岩组片岩、片麻岩、变粒岩中，以石墨石英片岩为主，石墨斜长片麻岩、石墨斜长变粒岩局部可见。矿体与地层产状一致(图5a、b)。根据矿体规模、资源量等特征，将区内Ⅺ、Ⅺ-1、ⅩⅦ、Ⅶ号矿体划定为主矿体，其特征描述如下。

图5 研究区0线(a)、50线(b)勘探线地质剖面1-混合岩；2-黑云斜长变粒岩；3-地质界线；4-矿体及编号；5-夹石编号；6-探槽位置及编号；7-钻孔编号及深度Fig. 5 Geological section along the prospecting line No. 0 (a)and No. 50 (b)of the study area

3.2.1 Ⅺ号矿体分布在矿区中部，东部被第四系覆盖，西部自然尖灭。矿体特征(表4)显示，矿体沿走向膨大收缩明显，西部较薄，东部较厚，厚度变化系数为48.88%,属较稳定型。固定碳质量分数为3.32%～15.65%，平均值为7.08%；品位变化系数较低，为34.04%，有用组分分布均匀。矿石自然类型主要为石墨石英片岩型。矿体赋存于余庆岩组片岩中，顶底板主要为黑云斜长变粒岩，局部可见大理岩、混合岩。矿体与围岩产状一致，界线清楚。

3.2.2 Ⅺ-1号矿体位于Ⅺ号矿体南部，与Ⅺ号矿体呈平行分布，东部被第四系覆盖，西部自然尖灭。矿体特征(表4)显示，矿体沿走向膨大收缩明显，厚度变化系数为72.08%，厚度变化大，属不稳定型。矿体中固定碳质量分数在3.32%～10.87%之间，平均值为5.93%；品位变化系数较低，为32.04%，有用组分分布均匀。矿石自然类型主要为石墨石英片岩型。矿体赋存在余庆岩组片岩中，矿体顶底板岩性与Ⅺ号矿体一致，以黑云斜长变粒岩为主，混合岩、大理岩次之。矿体与围岩整体接触关系明显，局部为渐变过渡关系。

3.2.3 ⅩⅦ号矿体位于Ⅺ号矿体西部、Ⅶ号矿体南部，东部被F3断层错断，西部被F2断层截断。矿体特征(表4)显示，矿体沿走向膨大收缩不明显，厚度变化系数为59.84%，属较稳定型。矿体固定碳品位为4.61%～12.08%，平均值为6.94%；品位变化系数为45.24%，矿石质量呈现出一定的变化规律，有用组分分布较均匀。矿石类型均为单一的石墨石英片岩型。矿体赋存于余庆岩组片岩中，顶底板主要为黑云斜长变粒岩，局部为混合岩。矿体与围岩界线清楚，产状一致。

表4 矿区各矿体特征Table 4 Characteristics of ore bodies of the study area

3.2.4 Ⅶ号矿体分布于矿区西北部，矿体特征(表4)显示，形态较为规则，厚度变化系数为44.11%，属较稳定型。固定碳品位为3.49%～7.11%，平均值为5.00%；品位变化系数为25.20%，有用组分分布均匀。石墨石英片岩型为矿石的主要自然类型。矿体赋存于西麻山岩组片岩中，矿体顶底板围岩为黑云斜长变粒岩，少量为混合岩。

3.3 矿石质量

3.3.1 矿石矿物成分对矿石及脉石进行研究发现，矿石矿物为石墨，脉石矿物以石英、黑云母为主，斜长石、钾长石、白云母次之，见少量黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿，偶见锡石、榍石、锆石、磷灰石等矿物。石墨多数呈不规则片状、鳞片状，少数呈细小粉末状，黑色，不透明，反射光下呈铅灰色，粒径在0.05～1.50 mm之间，以片状集合体呈条带状沿片理定向分布(图6)。

图6 矿区石墨矿物赋存特征(a、b)石墨黑云石英片岩；(c、d)石墨斜长片麻岩Q-石英；Bt-黑云母；Gr-石墨；Py-黄铁矿；Cst-锡石；Pl-斜长石Fig. 6 Occurrence characteristics of graphite minerals in mining area(a,b)Graphite biotite quartz schist;(c,d)Graphite plagiogneiss

3.3.2 矿石结构构造主要为鳞片粒状变晶结构，次为片状、柱状、粒状变晶结构，极少量可见交代假象结构。矿石构造以片状为主，少量为片麻状。

3.3.3 矿石化学成分固定碳的单工程平均品位在2.62%～16.51%之间，全矿区的品位变化系数为12.24%～62.50%，矿床平均品位为6.09%，矿石中有益伴生组分为TiO2、V2O5。其中，TiO2质量分数较低，一般为0.21%～0.83%，平均值为0.54%；V2O5质量分数为0.07%～0.19%，平均值为0.10%，均达不到综合利用价值。矿石中含有多种Fe2O3、P2O5、S、SiO2、Al2O3等有害组分，选矿可以基本脱除，满足工业利用需求。

3.4 矿石类型

3.4.1 矿石自然类型 (1)按岩性划分。可划分为片岩型、片麻岩型、变粒岩型3种，前者最为常见，后2种较为少见，其特征如下。

① 石墨石英片岩型石墨矿。矿石为石墨黑云石英片岩，为矿区主要矿石类型，广泛分布于各矿体中，鳞片粒状变晶结构，片状构造(图6a、b)。矿石矿物为石墨，质量分数为5%～15%；脉石矿物由石英(50%～60%)、斜长石(5%～10%)、黑云母(30%～40%)组成。其中，石墨片径在0.20～1.25 mm之间，部分晶面受应力的影响发生弯曲，少数可见扭折现象，正交偏光下常见波状消光，集合体多呈片状，沿一定方向分布，少数与黄铁矿伴生并被其包裹。见少量黄铁矿、锡石、白云母、碳酸盐、褐铁矿。

② 片麻岩型石墨矿。矿石为石墨斜长片麻岩，片状变晶结构，片麻状构造(图6c、d)。矿石矿物为石墨，质量分数为5%～10%，呈鳞片状集合体，片径为0.5～1.0 mm;脉石矿物有斜长石(50%～55%)、石英(20%～30%)、黑云母(10%～15%)和钾长石(5%～10%)，含少量透辉石、石榴石。其中，石墨多呈片状集合体，沿一定方向分布。

③ 变粒岩型石墨矿。矿石为石墨斜长变粒岩，粒状变晶结构，略具片麻状构造。矿石矿物为石墨，质量分数较低，在3%～5%之间，呈单体鳞片状或鳞片集合体，片径为0.1～0.2 mm；脉石矿物有黑云母(10%～20%)、斜长石(35%～50%)、石英(20%～30%)和透辉石(5%～15%)，均呈不规则粒状；其他为角闪石和尖晶石等，质量分数为3%～5%。

(2)按风化程度划分。根据颜色、结构、粒度及岩矿石裂隙发育程度等物理特征与硫含量变化特征，划分为风化矿石和原生矿石2种自然类型：① 风化矿石总体质地较松软，节理裂隙发育，矿物成分变化表现为黄铁矿风化为褐铁矿，通常情况下其所含长石呈高岭土化或绢云母化；② 风化带以下的矿石全部为原生矿石，矿石逐渐变得完整、坚硬，矿物成分与氧化矿石一致，矿石中的矿物未风化，处于还原状态。

3.4.2 矿石工业类型根据石墨片度统计结果，全矿区石墨鳞片粒度>0.300 mm(+50 目)的占12.69%，0.180～0.300 mm (50～80 目)的占22.68%,0.150～0.180 mm (80～100 目)的占12.58%,<0.150 mm (-100 目)的占52.05%。主要有用矿物为石墨矿，呈晶质鳞片状。因此，该矿矿石均属鳞片状晶质石墨矿石。

3.5 矿体围岩和夹石特征

(1)矿体顶底板围岩岩性以黑云斜长变粒岩为主，少量为混合岩。

(2)夹石岩性为混合岩，呈层状、透镜状产出，沿倾向、走向迅速尖灭。圈出夹石8条，厚2.03～15.29 m，延长57.08～106.52 m，夹石率为1.63%～8.90%。

4 成矿规律

4.1 控矿因素

矿区位于麻山Au-Fe-REE-石墨-矽线石-磷矿集区内。石墨矿主要赋存于麻山岩群西麻山岩组及余庆岩组的石墨片岩中，矿体总体受地层层位控制，其产状与地层产状一致，这与同一成矿区带麻山岩群中的柳毛石墨矿一致(柴静等，1992)。

矿区褶皱构造表现为西部的“向”字形构造，造成北部的Ⅶ、Ⅵ号矿体向南倾，倾角74°～89°；南部的ⅩⅦ、ⅩⅢ号矿体向北倾，倾角52°～82°。

矿区断裂构造对矿体有一定的破坏作用。F1断层破坏了Ⅵ号矿体的东延；F2断层是西麻山岩组和余庆岩组的分界线，以北为西麻山岩组，以南为余庆岩组，在西部破坏了Ⅶ号矿体延伸；F3断层破坏了Ⅶ号、Ⅺ-7号等矿体的连续性。

4.2 成矿物质来源

石墨矿床的物质来源多数为有机碳(李超等，2015)。李光辉等(2008)通过稳定同位素研究，确定鸡西柳毛石墨矿中石墨的炭质来源于同源生物有机质，民主南山石墨矿炭质来源可与柳毛石墨矿对比，应为同源生物有机质。

4.3 成矿年代

根据石墨矿床的形成过程分为沉积年代和变质年代(李超等，2015)。

颉颃强等(2008)获得的穆棱地区麻山群混合岩年龄为843～1 004 Ma，指出佳木斯地块存在中-新元古代结晶基底；Yang等(2017)根据密山地区侵入麻山群副片麻岩(最小年龄为1 050 Ma)中的898 Ma花岗岩，限定麻山群的沉积年代应在1 050～898 Ma之间，为中-新元古代。因此，麻山岩群沉积年代为中-新元古代。

佳木斯地块整体在500 Ma左右受到了构造热事件的影响(周建波等，2011；董策等，2012)。宋彪等(1997)获得的鸡西西麻山地区麻山群的变质年龄为(527.5±4.4)Ma，颉颃强等(2008)指出麻山群受到约500 Ma变质作用的影响，杨培奇等(2017)也获得了麻山群柳毛石墨矿区(517±22)Ma的早古生代变质年龄。因此，麻山岩群变质年代为早古生代。

综合研究认为，麻山岩群沉积年代为中-新元古代，变质年代为早古生代。

4.4 矿床成因类型

麻山岩群西麻山岩组、余庆岩组符合孔兹岩特征，可归于孔兹岩系(赖科等,2017)，其原岩是一套较稳定构造条件下的浅海陆棚沉积物(姜继圣，1990)。李光辉等(2008)研究认为麻山岩群的柳毛石墨矿沉积环境为一个水体较为稳定的浅海潮坪环境。因此，矿区原始沉积环境为浅海潮坪环境，受该环境的影响，沉积物中富含有机碳，最终经变质作用形成沉积变质型石墨矿床。