陕西洋县铁河石墨矿区大安沟矿段碳同位素特征及成因分析

夏锦胜，孙 莉，陈昌阔，司江福，汪君珠

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2. 六盘水市自然资源局，贵州 六盘水 553000；3.贵州省地矿局113地质大队，贵州 六盘水 553000)

我国石墨资源成矿地质条件优越，资源潜力巨大，据国土资源部全国矿产资源储量通报(2015年)统计显示，我国晶质石墨基础储量5 516万t(矿物)，铁河石墨矿区大安沟矿段累计探明矿物资源量约221.69万t[1-2]，是我国重要的晶质石墨矿床之一。本文通过野外地质调查及室内岩矿石分析测试，采用碳同位素分析手段，初步阐述了大安沟石墨矿床矿床地质、碳同位素特征，并对矿床碳质成因进行分析。

1 矿区地质背景

矿区大地构造位置位于秦岭褶皱系印支褶皱带，白水江—白河褶皱束的中部，关帝庙—酉水复背斜的北翼。矿区主要出露中—上志留统地层，为滨海—浅海相泥岩、碎屑岩和碳酸盐岩建造[3]。

矿区主要出露志留系中—上部四个岩性段地层和第四系地层[3](图1)。中—上志留系第三套岩性段(S2-33)地层层位稳定，岩性比较单一，以含石榴石黑云母斜长片麻岩为主，局部可见薄层状石英岩和大理岩透镜体，斜长片麻岩为灰色，鳞片变晶结构，片麻状构造，主要由斜长石、石英和黑云母组成，局部可见少量石墨，本层厚84～514m。第四套岩性段(S2-34)地层呈带状贯穿于矿区，岩性主要为含石墨大理岩，为灰白色粒状变晶结构，主要由方解石、石英、透闪石等组成，该地层局部可见少量石墨，层厚116～409m。第五套岩性段(S2-35)地层为矿区主要赋矿地层，与上下地层岩性特征变化明显，且与上下层间均有石英岩作为分层标志，根据所含矿物不同，主要分为含石墨斜长片麻岩、硅线石二云母石英片岩和含黄铁矿黑云石英片岩。岩石以灰—深灰色为主，鳞片花岗变晶结构、片麻状或条带状构造，石墨多在含石墨斜长片麻岩中富集形成矿体，本层厚5～100m。第六套岩性段(S2-36)地层在矿区分布较广，岩性主要为含石墨大理岩，局部夹含石墨黑云母片麻岩，含石墨大理岩多为青灰色、中—粗粒结构、块状构造，多可见含星点状石墨，地层厚114～332m。

图1 铁河石墨矿床大安沟矿段矿区地质简图

区内发育铁河向斜，位于矿区中部，西起三杆旗，东到向家沟西，长约6km，总体走向 295°～115°，向南东翘起，向北西倾状撒开，倾伏角约25°，矿区断层发育较少，仅在矿区东南侧可见一条断层[3]。

2 矿床地质特征

2.1 矿体特征

区内矿体主要出露在铁河向斜南翼，分布面积约4km2。石墨矿体赋存在中—上志留统第五岩性层黑云斜长片麻岩内，该地层厚度变化较大，石墨矿体分布也不均匀，在含矿层上、中、下部位均有石墨矿化现象，但该含矿地层岩性与上下地层岩性变化明显，且多以石英岩作为分层标志。因此，只需确定赋矿地层，就能根据工业指标要求划定石墨矿体范围[3]。矿区石墨矿体沿地层走向往往出现尖灭或分支复合现象，矿体形态多呈似层状，厚度变化较大，但无明显变化规律，大致为南边厚，北边薄，东边厚，西边薄，矿体平均厚度为21.50m。矿体倾向主要为四周向矿体中心倾斜，倾角主要为18°～36°，走向为东西向[3]。矿体的分布严格受地层层位和褶皱构造的控制，矿体产状较平缓且呈舒缓的波状变化，其出露形态和分布受地形影响也较明显。

2.2 矿石特征

大安沟晶质石墨矿赋存在含石墨片麻岩中，石墨片麻岩呈深灰色—灰黑色，粒状鳞片变晶结构，片麻状构造。主要由石英、长石、黑云母、石墨等矿物组成。石墨呈黑灰色或钢灰色，金属光泽，叶片状、鳞片状和板状集合体多延片理方向定向排列，显微镜单偏光镜下呈浅灰带褐色，正交偏光镜下多色性灰色带棕—蓝灰色，且无内反射，并伴有少量磁铁矿或黄铁矿等矿物(图2)。石墨粒径＞0.5mm 的约占 10%，0.3～ 0.5mm 的占约 19%，0.15 ～ 0.3mm 的占约 35%，0.05 ～ 0.15mm 的占约21%，＜0.05mm的占约15%。

图2 大安沟石墨矿石及显微照片

3 石墨碳同位素特征

石墨的碳质来源问题对于研究石墨矿床的形成至关重要[4]。一般认为，碳在地球上有4种存在形式：①以碳质球粒陨石为代表的初始碳和以金刚石、碳酸盐岩浆为代表的初生碳；②空气中的CO2和与之达到平衡的地表、近地表水体中的CO2；③自然界生物体内的有机碳；④沉积碳酸盐中无机碳。目前争论较多的是探讨其有机碳成因和无机碳成因问题[4]。根据δ13C测试结果来推测石墨矿床中石墨的碳质来源是目前主要的分析方法[5-8]。碳同位素主要由稳定同位素12C、13C以及部分放射性同位素14C组成，而13C/12C的比值常被用来判断石墨矿中的碳质来源，因为12C在生物光合作用产生的有机物中相对集中，所以生物成因的13C/12C比值比较低，而非生物成因的13C/12C比值则相对比较高。δ13C为测试样品中13C/12C的比值相对于标样中13C/12C比值偏离程度的千分率。近代沉积物中有机物δ13C范围为-10‰～-30‰，在-20‰～-27‰之间有一个最大分布区；沉积碳酸盐大约占73%，δ13C平均值为0‰，地幔碳的δ13C为-7‰左右[9-10]。

本文选取具有代表性的五个样品进行分析测试，采用同位素质谱法，检测依据为GB/T18340.2010。检测流程为：①将矿区所采新鲜石墨矿石样品磨制粉末至200目；②称取100g左右石墨粉末至干净烧杯中；③配置1mol/L的盐酸；④将配好的稀盐酸缓慢倒入烧杯中，同时用玻璃棒搅拌直至样品不起气泡，即所有碳酸盐均反映完毕；⑤待样品沉淀后倒掉上清液，留下杯中沉淀；⑥加入去离子水清洗样品，倒掉上清液，重复清洗4～5次，直至pH试纸测试显示呈中性；⑦将清洗后的样品留在烧杯中并放入烘烤箱，调节温度到60℃，烘烤24h；⑧将烘干的样品取出并称重备用；⑨将称好的样品、标样和空白样用MAT253质谱仪(Thermo Finnigan MAT 253 TRMS)测试，结果用V-PDB作参考，分析误差在±0.2‰以内。测试结果显示大安沟晶质石墨矿δ13C值在-22.69‰～-23.25‰之间，平均为-22.96‰(表1)。

表1 大安沟晶质石墨碳同位素测试结果

通过与辽河群石墨矿床、辽宁杜屯石墨矿床、黑龙江柳毛石墨矿床及围岩蛇橄透辉大理岩、四川中坝晶质石墨矿床以及各地石灰岩、现代有机质、渤海湾油田原油、煤的δ13C测试结果(表2)对比发现，大安沟石墨矿δ13C值与辽河群石墨矿床、辽宁杜屯石墨矿床、黑龙江柳毛石墨矿床、四川中坝晶质石墨矿床等的δ13C测试值比较接近，且前人研究表明上述几个石墨矿床石墨碳质来源均为有机质[7-9]；与此同时，通过与现代有机质、煤、各地石灰岩等的δ13C对比[5-8]，发现大安沟石墨矿石δ13C值与有机碳的δ13C值基本一致，与无机碳的δ13C值相差较大，综合推测大安沟晶质石墨矿矿床石墨碳质来源为有机碳。

表2 含碳物质碳同位素测试结果对比表

4 结论

铁河晶质石墨矿区大安沟矿段石墨矿体产在黑云斜长片麻岩内，矿体形状呈似层状，矿石类型主要为含石墨片麻岩，次为含石墨大理岩[3]。显微镜下石墨呈叶片状、鳞片状和板状集合体多延片理方向定向排列。石墨δ13C测试值在-22.69‰～-23.25‰之间，平均为-22.96‰，石墨δ13C测试值与有机碳δ13C值基本一致。结合前人研究成果综合推测陕西洋县铁矿石墨矿区大安沟矿段石墨矿床成因为有机成因的大鳞片晶质石墨矿床[11-14]。