河北省石墨矿产地质特征与找矿概述

2022-12-14赵军

现代矿业 2022年3期

赵军

（河北省地矿局第三地质大队）

石墨在我国各类矿产资源中占据着十分重要的地位，其具有高硬度、高导电性，且耐高压高温，广泛应用在工业、化工、军事、航天等领域。近年来随着地质探测技术不断成熟以及勘探设备更加先进，处于地表及浅地层的矿产资源被大量开发，国家及各地区地质勘查单位逐渐将目光转向处于深地层区域内的珍稀矿产。物探法可以对石墨高极化性以及低电阻性等特征进行准确识别和定位，从而提高深地层区域内的石墨矿勘测精度。本研究将介绍2 种混合物探找矿法。

近年来，由于我国军事、科技、民生等事业的高速发展，石墨矿产资源的使用率逐年递增，而我国现有石墨资源储备量也大幅度减少。相关调查显示，我国目前石墨资源的储备量仅够未来14 a使用，一旦石墨矿产资源枯竭，将被迫从他国进口大量石墨资源，届时我国也将在石墨资源的进出口贸易中由优势转为劣势。因此，现阶段寻找质量较好的石墨矿石，对于我国在各个领域内的发展都将起到十分重要的作用。

通过过往调查数据显示，河北省赤城县伙房—大岭堡一带及周边地区是我国石墨矿产资源富集之地，河北省地质勘探局曾在此处探测到具有中型规模以上的石墨矿床。但由于该地气候特征及水文地质情况复杂，绝大多数石墨矿床隐藏在深地层下，无法确定石墨矿层的数量和规模。物探法配合其他勘测方法可以准确、有效地找到石墨矿层的具体位置，在实际应用中可以取得极佳的勘探效果。

1 区域地质概况

伙房—大岭堡一带及周边石墨矿区属太古界桑干群变质岩，区域内主要有小张家口超基性岩体，大南山辉石二长岩体和汤泉岩体等。

该区位于燕山台褶带崇礼凸起东北部，尚义—赤城深断裂南部。区域地质构造以近东西向为主。太古界桑干群变质岩系总体片麻理产状走向北东、北西—近东西向，倾向北西、北东或北，倾角一般为30°～45°，少数大于50°。此外，中生界侏罗系火山岩系也常常超复于太古界桑干群变质岩系之上，走向多为近南北向。区内褶皱构造较为发育，主要有大南沟背斜和艾家沟石墨矿区的一系列褶曲构造［1］。区内断裂构造较为发育，北部主要以近东西向为主，南部主要以小型断裂为主，呈北东及北西向展布。其中以北西向断裂构造为主，局部地段对石墨矿体有破坏作用。

2 区域成矿规律及特征简述

根据目前已有资料分析，区域上石墨成矿规律为受太古界桑干群涧沟河组地层控制，其特征往往是带状分布，目前已知有3 个石墨成矿带、由南到北分别为东水泉石墨成矿带、艾家沟—伙房—大岭堡石墨成矿带、大南沟—雀沟—于家沟石墨成矿带［2］。

东水泉石墨成矿带呈近东西向展布，长约1 km。艾家沟—伙房—大岭堡石墨成矿带呈近东西向展布，长约7.5 km。大南沟—雀沟—于家沟石墨成矿带呈北东向展布，长约8 km。

各成矿带中石墨矿床均毫无例外地产于太古界桑干群涧沟河组变质岩系中，即石墨矿的生成与变质岩系有关，在众多变质岩中，含石墨透辉斜长片麻岩和含石墨斜长片麻岩与石墨矿体的产生有较为密切的关系。

3 矿区地质特征

矿床出露地层简单，以太古界桑干群溪沟组为主，其次为中元古长城、第四系等。太古界桑干群溪沟河组出露于全矿区，主要岩性为角闪斜长变粒岩和石墨变粒岩、夹榴子斜长角闪变粒岩、角闪榴子透辉斜长变粒岩、混合岩化角闪斜长变粒岩。在石墨矿层底板附近常见有一层中厚层状不纯大理岩。中古长城系位于矿区东南部，其中常州沟组为串岭沟组，只有少数几个，新生界第四系分布于全区地势较低部位，由上新统和全新统组成［3］。

矿区内未发现较大规模的侵入岩体，仅有少量岩脉产于太古界变质岩中，主要为闪长玢岩岩脉，呈北西向产出，长度几十至百余米不等，宽几米至十几米，对石墨矿体破坏不大。

区内总体构造较为简单，地层片麻理产状为（320°～350°）∠（30°～69°），为单斜构造。在此背景基础上，小规模褶曲构造很发育，且多为紧密型褶皱，局部地段地层发生由陡变缓的现象。地表探槽矿体产状统计表明石墨矿体倾向北西，倾角大部分在43°～55°，个别地段可达70°以上，但是也有倾角较缓地段，例如C5采样剖面及其附近，矿体倾角仅为25°。

另外，从钻孔揭露矿层所做勘探线剖面图情况来看，深部矿体倾向变化不大，而倾角变化较大，其特点是深部普遍变缓，在今后工作中要引起重视［4］。

该矿目前已发现3 条大型断裂构造，其中1 条是北东向，2条是北西向。

F1 断层位于矿区北部外围，断层长度为850 m，向北延出图幅。产状为60°∠（60°～80°），为高角度正断层。

F2 断层由北西向南东延入矿区，图幅内出露总长度为1 550 m，矿区内出露500 m，走向为300°，为性质不明断层。

F3 断层发育于矿区南部，断层长度为500 m，产状为110°∠80°，为1 条平推正断层，对石墨矿层有破坏作用。

总之，工作区内构造相对简单，仅局部地段较为复杂，如C1号采样剖面由于局部小断裂错动，使得石墨矿层中小柔皱非常发育，倾角也变陡到81°。

4 矿体地质特征

矿体产于太古界桑干群涧沟河组石墨变粒岩中，石墨矿层地表出露长度为3 200 m，矿体沿走向有膨大或缩小现象，总体看矿体呈层状、似层状产出，含矿带由5 条采样剖面、8 个探槽和3 个深部钻孔控制，控制长度为2 825 m，斜深为120 m。

矿石自然类型为石墨斜长变粒岩、石墨透辉斜长变粒岩和混合岩化石墨透辉斜长变粒岩3种。

4.1 石墨斜长变粒岩

矿石呈褐灰色，地表风化后为黄褐灰色、棕褐色，鳞片变晶结构，块状构造、似片麻状构造。矿石矿物为石墨，石墨片度以0.3～1.5 mm 为主，部分可达1.5～2.0 mm，少量为0.1～0.3 mm。石墨矿物集合体呈似条痕状定向排列。脉石矿物为斜长石（30%～70%）、角闪石（10%～40%）、石英（3%～15%），个别地段脉石矿物中有透辉石、黑云母和钾长石等。矿石中常有黄铜矿、黄铁矿和褐铁矿等不透明矿物呈星散状分布，黄铁矿常呈黄铁矿假象产出［5］。

4.2 石墨透辉斜长变粒岩

矿石呈浅褐灰色，地表风化后为棕褐色，鳞片变晶结构，块状构造、似片麻状构造。矿石矿物为石墨，石墨片度以0.3～1.5 mm 为主，部分可达2 mm 以上，少量为0.1～0.3 mm。石墨矿物集合体呈似条痕状定向排列。脉石矿物为斜长石（30%～70%）、透辉石（20%～45%）、石英（1%～5%）。矿石中常有黄铁矿和褐铁矿等不透明矿物呈星散状分布，黄铁矿常呈黄铁矿假象产出。

4.3 混合岩化石墨透辉斜长变粒岩

矿石呈褐灰色，地表风化后为棕褐色，鳞片变晶结构，块状和似片麻状构造。矿石矿物为石墨，石墨片度以0.3～1.0 mm为主，部分可达1～2 mm或以上，少量为0.1～0.3 mm。石墨矿物集合体呈似条痕状定向排列。脉石矿物为斜长石（30%～50%）、钾长石（45%）、透辉石（20%）和石英（5%～10%）。矿石中常有黄铁矿和褐铁矿等不透明矿物呈星散状分布，黄铁矿常呈黄铁矿假象产出［6］。

以上3 种类型的石墨矿石中均含有副矿物磷灰石、磁铁矿、锆石等。蚀变矿物为绢云母、绿泥石等。

5 地球物理特征

5.1 勘查方法

石墨矿床及周边炭质结构地矿层与其他类型的矿石岩体相比，具有高极化性和低电阻性，会在矿床周围产生一定的自然电场和正负电荷，而其他非炭质结构矿岩则与其相反，带有更高的电阻性和较弱的极化性，在地质结构内部无法产生一定的电磁场感应。因此，地质勘探工作者通常会选择搭配使用不同种类的物理探测方法来寻找石墨矿产资源。本研究介绍的物理探测法为激电中梯法搭配自然电场电位法混合测量。

5.2 电物性特征

地质勘探人员在矿区内根据石墨矿的特性，针对性地搜集了大理岩、斜长角闪片岩、石英岩等约400 件岩石标本，并对其进行同电场自然电位测量。在岩石标本中，含石墨矿及炭质属性的岩石与其他岩石相比，具有极高的极化率，勘察人员通过面团法对含有石墨矿的花岗岩进行极化值测量，平均极化率为35.5%，而不含石墨或炭质属性的岩石极化率平均为0.82%。本区域含石墨矿岩体与非炭质岩体之间的带电量及电性具有较明显差异，借助含石墨矿岩石低电阻这一特性，通过自然电场法测量区域内矿体的电位差，即可找到含有石墨矿的晶体岩［7］。

5.3 自电异常特征

由于长岭县伙房—大岭堡一带常见大面积砂土覆盖层，且该地区地质岩石情况较为复杂，为了确保勘探工作的准确性，缩小石墨矿产资源的寻找区域，在矿区内设置1∶1 万自然电场20 km2，用以对该区域的电位进行有效测量。图1 所示为伙房—大岭堡石墨矿区自然电位等值线平面图。

地质勘探人员在大面积负异常自然电位区域内选定2处具有一定电场规律的负异常电场Z1和Z2。

Z1 异常位于矿区东部，呈不规则状NWW 向展布，走向上长度约为1 700 m，宽度约为1 300 m，最大异常值为-520.5 mV。异常带出露金水口岩群片岩段及大理岩段，经工程揭露控制，已发现石墨矿体5 条（M2、M4、M7、M8、M9）。异常的展布形态与圈定的石墨矿化带走向一致，且异常北部负值凸显，变化梯度较为平缓，由此推断矿体产状与区域地层总体产状基本吻合，倾向偏北。

Z2 异常位于矿区西部，呈不规则状NW 向展布，走向上长为1 250 m，宽为800 m，最大异常值为-214 mV。带内出露金水口岩群片岩段及大理岩段，因第四系风成砂土覆盖，该处异常的幅值较小，但其规律性相比Z1异常较好。根据地质、物探异常特征，推测Z1、Z2 这2 处自电异常应处在同一条异常带上，呈NW 向展布延伸。结合槽探工程揭露查证，发现2 条石墨矿体（M8、M12），异常的展布形态与圈定的石墨矿（化）体走向基本一致［8］。

6 找矿前景

矿产是在一定地质历史时期和地质构造条件下，各种地质、地球化学作用的综合产物。因此，划分成矿区（带）最基本的依据是区域矿床应具有相似的控矿因素、时空分布规律、成矿环境、矿质来源和成矿机制。

从目前的工作程度看，矿床潜在的价值没有得到充分证实，矿床远景没有足够重视。艾家沟石墨矿、雀沟石墨矿、于家沟石墨矿、东水泉石墨矿以及伙房—大岭堡石墨矿等都属于同一类型矿床，其深部以及沿走向外围还有进一步扩大矿床远景的可能。通过进一步工作，矿床可望成为一处大型石墨矿产地。

7 找矿改进措施

（1）加大勘查力度，明确主攻方向，首先围绕区域内2个主要成矿远景区内4个A级预测区开展进一步勘查工作。在冀西北的石墨矿产预测区找矿前景较好，除石墨外还有银、金、铅、锌、铜可综合利用，后者甚至更占主导位置。要根据矿床特点，利用地质、物化、遥感综合找矿方法开展勘查工作。

（2）随着勘查程度的提高和矿床开发利用的需要，要相应提高石墨矿产选矿试验的级别和规模，进一步完善石墨矿石选冶加工、产品制备的工艺，提高选矿回收率和综合利用率，为矿床的开发利用提供更可靠的选冶技术保证。

8 石墨矿产品开发应用前景

石墨最大的消费市场是钢铁工业，钢铁工业发展前景和耐火材料技术进步主导着石墨的消费水平。随着耐火材料工业生产技术进步，其使用寿命增长，石墨或耐火材料的消费必将趋于稳定或略有减少。而在新开拓的石墨应用领域或正在开发的高新技术领域，如燃料电池用石墨聚合物和膨胀石墨，高纯石墨的消费量会快速增加。另外，我国每年镁碳砖生产需要石墨21万t，铅笔、石墨坩埚、石墨乳、粉末冶金碳素等也有较大需求，国内总需求量约为28 万t 左右。2005年我国出口石墨达15.66万t之多，从2021 年1—9 月晶质石墨出口总量为9.44 万t 来看，2021 年出口总量约为14万t。

总体来看，目前世界石墨初级产品供需基本平衡。单纯扩大石墨初级产品生产能力是不可取的，关键在于研究石墨新用途，开发新产品和开拓新的应用领域。