湖南鲁塘矿区煤系石墨空间分布特征与深部找矿方向

赵训林，王 路，李 靖，朱文卿，莫佳峰，肖金成

（1.湖南省地球物理地球化学调查所，湖南长沙 410014；2.山西能源学院地质与测绘工程系，山西晋中 030600）

煤系石墨属隐晶质石墨的一种类型，由富集型有机质——煤经过构造-热作用演化而成，因其品位高、易开发的特点被重点开发。煤向石墨演化过程为煤大分子物理-化学结构的逐渐有序化，在内因（煤岩组分、矿物等）和外因（构造应力、侵入体等）多因素作用下，呈现出差异性特征，形成不同石墨化程度的产物［1-3］。前人对我国不同地区煤系石墨特征、控制因素、赋存规律等方面的研究已取得了丰富的成果［4-10］。莫佳峰（2020）对湖南省煤系石墨成矿规律和找矿方向进行了探讨，提出了兜底式、向斜式、背斜式三种成矿模式［9］。王路等（2020）对闽西南地区煤系石墨成矿因素进行了分析，并划分了由构造-岩浆热条件构成的封闭式、半开放-半封闭式和开放式三种煤系石墨成矿模式［5］。王路等（2020）根据鲁塘矿区构造-热条件划分了东西三个条带、南北三个分区，并划分了无烟煤-煤系半石墨-煤系石墨成矿区［11］。

鲁塘矿区位于湖南千里山-骑田岭多金属和非金属矿矿集区西部，为典型的煤系石墨矿区。自20世纪60年代就开始了地质勘查和开采工作，主要针对±0m标高以上煤与煤系石墨矿进行了开采，随着资源量的日益减少，勘探目标转向深部。本文基于矿区构造-岩浆热和煤系石墨发育特征，对矿区深部构造和煤系石墨成矿潜力进行了探讨分析，力争为深部找矿提供依据。

1 鲁塘矿区地质概况

1.1 地层与含煤地层

出露地层由老至新有中上石炭统壶天群、下二叠统栖霞组、下二叠统当冲组、上二叠统龙潭组、上二叠统大隆组和第四系。含矿地层为上二叠统龙潭组上段，含煤/石墨共4 个矿组11 个矿层，平均厚度139.86m。

1.2 岩浆活动

矿区东侧为骑田岭花岗岩体，出露面积达530 km2，岩性以灰白色—肉红色细中粒斑状角闪石黑云母花岗岩为主，属复式岩体。燕山期早期产物以灰白色肉红色细中粒斑状角闪石黑云母花岗岩为主，靠近围岩以淡红色—灰白色中细粒或中粒斑状黑云母花岗岩为主［8-12］。岩体与围岩呈侵入式接触，侵入石炭系—三叠系，在3勘探线以南以岩脉侵入，规模不大，对煤的石墨化作用范围有限（图1）。

图1 鲁塘矿区地质图（修改自参考文献［11］）Figure 1 Geological map of Lutang mines（modified from reference［11］）

多期次、多阶段岩浆侵入是煤变质成石墨的主要热源，使得围岩发生强烈的变质，形成较宽的变质带，坑道所见近岩体处的围岩有烘烤现象，呈紫红色，并具色晕，距离岩浆岩体1 300 m 左右为角岩带和强角岩化带［11］。

1.3 构造特征

主体构造为轴向北东-南西的鲁塘-沙田复向斜，轴向长10 km 以上，纵贯矿区南北，控制了整个矿区的构造形态，伴生系列北东-北北东向和横向断裂。向斜西翼地层出露较完整，走向25°～33°，倾角30 ° ～60 °，平均45°；东翼浅部地层被骑田岭岩体破坏出露不完整，地层走向25 ° ～33 °，倾角10°～50°，平均40°。

2 煤系石墨矿层特征

2.1 宏观特征

多为致密块状构造（图2），具钢灰色—铅灰色，强金属光泽，硬度小于2，断口为参差状、土状，具滑感，易污手。

图2 鲁塘矿区煤系石墨Figure 2 Coal-based graphite samples from Lutang mines

2.2 微观结构特征

显微组分以新生石墨化产物，即粒状石墨、丝状石墨和片状石墨组分为主，残余部分煤岩组分（主要为惰质组）和少许热解碳［7，8，13-15］，混入物有较多的假六方片状的高岭石，板条状的伊利石及不规则粒状石英，多呈团块状、不规则状、透镜状之集合体，有时呈细小的星点状浸染于石墨之中，其次尚有少量黄铁矿、黄铜矿、白铁矿。

在显微镜下可见以隐晶质-显晶质细鳞片石墨集合体为主，多为它形-半自形晶，轮廓不清，片径0.1 ～3 μm，平均1.5 μm。距岩体较近的石墨化带，矿石结构呈显晶细鳞片状，片径1 ～4 μm，一般为3 μm，少数呈自形-半自形的六方片状，轮廓清晰。半石墨化带，矿石结构呈显晶细鳞片状和隐晶质结构，片径0.1 ～3 μm，一般1.5 μm，它形-半自形晶，呈镶嵌状，后者晶形不定，轮廓不清晰。石墨化无烟煤-无烟煤带，矿石多为隐晶-非晶质结构，含少许细鳞片状石墨，晶形不定，趋它形-半自形，片径小于0.1 ～2 μm。

2.3 化学结构特征

从化学组成上看，各矿层水分普遍小于3%，灰分除I2 矿层外均小于30 %，固定碳含量为70.6% ～74.09%，除II3矿层外，其余矿层挥发分均小于5%，赋矿层位由浅至深，挥发分含量逐渐减小，反映了煤演化程度的逐渐增高。依据曹代勇等（2021，2022）提出的煤与煤系石墨鉴别指标，从化学组成参数（固定碳和挥发分）即可初步判断样品均属于煤系石墨，由X射线衍射结果计算得出各矿层的石墨化度为80.3%～95.6%，均大于了70%，属于煤系石墨一号［3，16］。

表1 鲁塘矿区不同层位样品工业分析结果Table 1 Proximate analysis of coal samples from different seams in Lutang minee

3 煤系石墨的空间分布

3.1 平面展布

因煤系石墨与煤呈同层异矿的关系，二者在演化上为逐渐演化过渡关系，在其过渡带则多形成石墨化无烟煤-半石墨带［2，5，11］。总体上看，石墨与无烟煤主要围绕骑田岭岩体呈有规则的环带状分布，在平面上的分布规律：①距离岩体0 ～300 m 范围，煤的石墨化程度较高，石墨结晶程度较好，矿石结构呈显晶细鳞片状；②距离岩体300 ～1 300 m 范围，煤的石墨化程度次之；③距离岩体1 300 m 外，煤的石墨化程度总体较差，但差异性较大，主要以高变质无烟煤-石墨化无烟煤为主，为隐晶-非晶质结构。前人指出构造应力（尤其是剪切应力）在煤演化中具有“催化”的作用［8，17-20］，因此，虽距离岩体较远而受岩浆热作用影响较弱，但受岩体的强烈挤压影响，在某些构造变形强烈区煤的石墨化程度也较高，出现了少量石墨化程度较高的半石墨，甚至是煤系石墨［8，20］。

3.2 垂向分布

自上而下，矿区主要开采Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅲ3、Ⅳ2、Ⅳ3共5 层矿层。由表2 可知，各矿层的间距变化较大，矿层总厚度不大，平均为7.11 m，但厚度变化较大。区内各矿层厚度变化主要受沉积环境、后期构造运动和岩浆活动等因素的影响。

表2 各可采矿层厚度与层间距Table 2 Thickness and layer space of each mineable coal seam

矿层在垂向上的分布规律：①底板岩性、形态对矿层厚度的影响。底板变质砂岩厚度不大、延伸较远、分布范围较广时，矿层厚度稳定、分布广、延伸远。砂岩厚度过于厚或者薄时，其矿层厚度变化较大。各矿组间距与IV 矿组顶板砂岩厚度有一定的关系，在向斜西翼IV 矿组顶板砂岩厚度大，矿层间距则小，向斜核部未见有IV 矿组顶板砂岩，矿组间距可达到215.44m；②矿层厚度受后期构造影响表现为向斜构造轴部厚，两翼变薄，如在马屁股坑道中，向斜轴部厚达10m，两翼仅1m 左右（图3a）。受岩体北西向挤压造成矿区北部呈紧闭狭长的构造形态，各矿层间距则自西向东、由北向南逐渐增大；③沉积旋回发育地段相应矿层增多，矿层薄而延伸不远，连续性较差。岩体侵入造成矿层出现强烈的褶皱和断裂，破坏了矿层的连续性和矿体形态，岩浆带来的高温作用使得煤/石墨层呈现塑性流动状态，挤入各种构造空隙中形成脉状、锯齿状、树状等不规则形状（图3b）。

图3 a.马屁股坑道向斜轴部矿层厚度变化；b.不规则形状矿层Figure 3 a.Different thickness of coal seam in Mapigu tunnel；b.Irrregular coal seam

3.3 空间分布的复杂性

前人对鲁塘石墨矿区的研究主要局限于岩浆热变质作用，曾提出按照与骑田岭花岗岩体的距离由近及远，呈现石墨—半石墨—无烟煤渐变关系的模式［21-22］，然而鲁塘矿区煤/石墨矿生产实际揭露的情况表明，上述模式过于简单和理想化，煤系石墨与无烟煤的过渡关系十分复杂，已经初步认识到石墨矿分布受褶皱构造的控制，并不完全与距骑田岭岩体的远近有关［8，9，20］。煤成石墨化作用与煤化作用是一个连续的过程，与煤化作用相同，温度是石墨化作用的主导因素，同时构造变形在煤系石墨成矿机制中起到的关键作用［8，17-20］。

煤层在骑田岭花岗岩侵入时产生高温、高压和还原环境下缓慢结晶形成，煤的变质强弱及石墨矿结晶程度主要受距花岗岩体远近距离的控制，同时也与煤层的质量及埋深有关，在多因素条件下煤系石墨的空间分布呈现出一定的复杂性。

4 深部构造特征与找矿方向

4.1 深部滑脱构造的发现

在以往认为±0 m 以下无矿的多条石门均发现了与上部相同含矿层位，由北往南石墨五矿至煤十矿-100 m 以下均有揭露。上覆向斜出露地层由上自下分别为二叠系大隆组、龙潭组上段、龙潭组下段、当冲组，地层由新到老正常出露，在±0 m 以下本应为当冲组以下的下二叠统栖霞组，但有多条巷道证实为大隆组及含矿地层龙潭组（图4a，b），且地层对比标志明显，出现了上、下地层重复。上覆向斜和深部大隆组岩性特征一致，均为硅质泥岩，岩性特征以泥质为主，含少量细粉砂颗粒，富有机质，局部见方解石，经重结晶大理岩化（图4c，d）。

图4 a. 地表大隆组岩层；b.石墨五矿452平硐揭露大隆组岩层；c，d.地表和井下大隆组岩石显微照片Figure 4 a.Strata of Dalong Formation；b.Strata of Dalong Formation in 452 tunnel；c，d.Micro structures of Dalong formation on surface and underground

通过对矿区东侧F1断裂的前期调查认为，该断层为延伸近3.1km的高角度正断层（产状280°∠80°）。通过井下编录发现了大量滑脱面和滑脱破碎带，如在石墨五矿+6m 石门、石墨六矿-60m 采掘面均发现了滑脱构造面和滑脱破碎带，宽度达十余米，棱角状、透镜状砂质泥岩碎块、粉砂岩，夹杂煤/石墨矿层（图5a、b），滑动镜面、阶步均有发育。综上所述，F1断层实为一上陡下缓的犁铲状滑脱构造（图5c），滑动面主体为煤/石墨矿层，上部基本平行于岩层面，向下延伸逐渐与层面斜切。滑面上下均为二叠系大隆组和龙潭组煤/石墨矿层，导致矿层出现重复。

图5 a.滑脱破碎带，透镜状砂质泥岩碎块，石墨五矿+6m石门；b.石墨六矿-60m采掘面，滑脱面；c.上陡下缓的犁铲状0线剖面Figure 5 a.Slip zone of fracture，lens shaped sandy mudstone fragments，+6 m crosscut in graphite 5 mine；b.Slip zone in-60 m mining face in graphite 6 mine；c.Section drawing of 0 line of shovel plow shape

4.2 滑脱构造成因模式

鲁塘矿区煤系地层受水平挤压影响其初始形态为两个向斜，即向斜A 和向斜B（图6a）多期次活动的骑田岭岩体自深部向浅部侵位时，由南东向北西挤压，一方面软弱的煤系地层发生明显的褶皱等变形，另一方面，由低强度、高塑性的煤层与强度较硬的顶底板硅质岩组成的软硬相间的岩石组合，随着岩层发生褶皱和断裂变形的同时，顶底板也出现了相对滑移来适应或补偿受力岩层伸展（图6b），之后受岩体继续向上抬升，向斜A 因重力滑动覆盖在向斜B 之上（图6c），而矿区现开采的即为滑脱构造面以上的煤/石墨矿资源。

图6 滑脱构造成因模式Figure 6 Genetic model of detachment structure

4.3 深部成矿潜力与找矿方向

由于滑脱构造导致断层面下部与上覆含煤地层形成了“二层楼式”的含矿系统，位于骑田岭花岗岩体西侧，成矿条件较好。±0m以下有多条石门揭露了与上部相同含矿层位，矿层质量较好，最深点可达-168 m。进行取样测试分析其石墨化度达到87.2%～93.0%，均属煤系石墨一号（表3）。

表3 ±0m标高以下样品石墨化分析结果Table 3 Graphite degree of samples under 0 m elevation

对0线-110m东主石门、9线-116 m东主石门进行了编录，2 条石门相距约2.1 km，采区最长控制斜长约为90m，完整的揭露了大隆组硅质岩及龙潭组含石墨（煤）地层，对比标志明显，两条石门东距岩体430 ～500 m，揭露矿层厚0.3 ～2.72m，倾向300°，倾角约58°，矿层发育较好，质量较好，可成为未来找矿的主要目标。

5 结论

1）在平面上，鲁塘矿区煤/石墨矿层呈现出以围绕岩体为主的环带状分布，由近及远依次形成了石墨带、半石墨带和石墨化无烟煤-无烟煤带，垂向上煤系石墨矿层厚度、间距较大，且多为不规则形态。由于煤系石墨成矿成因复杂，受岩浆热和构造变形的共同影响，煤与石墨矿层的空间分布出现复杂性。

2）±0m以下地层的重复出现，地表与井下滑脱构造现象证实了矿区东部的F1断层实为一上陡下缓的滑脱构造，由矿区东侧骑田岭岩体北北西向侵位时形成，滑脱面以煤/石墨矿层为主，向下切穿顶底板。

3）上陡下缓的F1断层构成了滑脱构造，造成了煤/石墨矿层的上、下重复出现，形成了“二层楼式”的成矿系统。下覆煤系石墨矿层位于岩体西侧，石墨化度较高，具有较好的成矿潜力，是未来煤系石墨找矿的潜在区。