北秦岭东段晶质石墨矿床地质特征及成因探讨

严鹏程,寿立永,杨联涛,尚凯凯

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队,陕西 西安 710003)

0 引言

石墨是一种特殊的非金属材料,也是我国重要的战略性矿产,应用前景广阔,被称为 “新材料之王”[1]。 2016年陕西省自然资源厅启动北秦岭东段即丹凤北部地区晶质石墨矿找矿大会战项目,以期快速取得找矿重大突破。2016—2023年,陕西省地勘基金先后启动庾家河晶质石墨矿普查、瓦窑沟晶质石墨矿普查、回头山晶质石墨矿普查和孙家岩晶质石墨矿普查项目,累计投入勘查经费2 000多万元,探获晶质石墨矿物量430万t,圆满完成找矿任务[2]。本文总结多年来在北秦岭东段地区从事石墨矿勘查所掌握的资料,从石墨矿矿床地质特征入手,系统归纳北秦岭东段地区晶质石墨矿矿体地质特征,并从变质原岩恢复、碳质来源、成岩成矿环境出发,探讨该区石墨矿的成因,以期为该区晶质石墨矿的勘查及开发利用提供一定的借鉴意义。

1 区域地质特征

北秦岭东段晶质石墨矿位于商洛市商州区东部沙河子镇至丹凤县北部庾岭镇一带,面积约200 km2。大地构造位置位于秦岭造山带中东部华北板块与华南板块结合过渡区(图1a),其夹持于商高—朱夏断裂和商丹断裂之间(图1b),经历长期复杂的地质演化,造就区内不同部位性质各异的物质组成和空间构造配置[3]。研究区处于华北地层大区之秦祁昆地层区的北秦岭地层分区太白小区[4],北部出露有中元古界宽坪岩群、下古生界二郎坪岩群。南部出露有下古生界丹凤岩群。区内出露地层主要为古元古界秦岭岩群,各地层均为断层接触。作为北秦岭的重要组成部分,秦岭岩群主要由经历强烈变质变形的长英质片麻岩、片岩、大理岩组成,其中出露大量透镜体状或似层状榴辉岩、榴闪岩、斜长角闪岩以及古生代花岗质岩体、长英质脉体,新元古代花岗岩体零星出露。独特的构造格局及多期次复杂的变形变质作用,为晶质石墨矿矿床的形成提供良好的成矿条件。

2 矿区地质特征

2.1 地层

2.2 构造

研究区由于长期处于华北板块南缘及商丹板块结合带这一特殊构造部位,多期多层次构造活动频繁、强烈,地质构造组合复杂,主构造线方向为北西西向[6]。特别是晋宁期俯冲-碰撞造山阶段,受扬子板块与华北古陆碰撞挤压作用,研究区内形成大型区域性的张河—留仙坪—界岭复式背斜[7],背斜的轴部在留仙坪—碾子坪—小石门沟一线,以石墨大理岩为核部。褶皱轴线近东西向,受后期构造变形叠加改造,脊线波状起伏,轴面时而向南,时而向北摆动(图2)。本期形变控制研究区内石墨矿体呈环带状分布的构造格式。已发现的石墨矿床的矿体均受该背斜控制,庾家河石墨矿K-Ⅰ、K-Ⅱ矿体产于背斜南翼,K-Ⅲ、K-Ⅳ矿体产于背斜北翼;大西沟—碾子坪—蔡凹石墨矿矿体产于背斜南翼;回头山、瓦窑沟、孙家岩、王家沟石墨矿矿体产于背斜北翼。区内断裂构造以东西向断裂为主,部分断裂构造深部切穿石墨矿体(如庾家河K-Ⅱ矿体,矿体倾斜延伸253 m后被F4断层错断,下盘抬升近100 m),使得石墨矿体形态趋于复杂。

2.3 岩浆岩

研究区内岩浆岩较为发育,以酸性花岗岩侵入体为主,其形成与晚加里东—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆双向斜冲-碰撞密切相关[8]。侵入体集中分布于研究区南部及东部,可划分为早志留世孙家山岩体、早泥盆世黄柏岔岩体两期。早志留世孙家山岩体(ηγβS1)岩性以片麻状黑云母二长花岗岩为主,分布于孙家山、塔尔坪村及对窝一带,与区域构造线方向一致,呈NWW—SEE向、不规则条带状侵位于秦岭岩群郭庄岩组地层之中,接触面产状与围岩中的面理产状协调一致。孙家山岩体距赋矿地层雁岭沟岩组较远,对区内石墨矿体基本无影响。早泥盆世黄柏岔岩体(ηγD1)是研究区内出露范围最广的侵入体,呈不规则透镜状侵入于雁岭沟岩组地层中。岩性以含石榴子石二长花岗岩为主,为过铝的S型花岗岩,标志着造山带后碰撞阶段的开始[9]。由于后碰撞环境下,构造应力趋于松弛,下部岩浆底劈上侵,带来大量的热量,使得区域地温梯度快速升高,对矿石品质起到提质的作用,使得石墨矿鳞片进一步增大[10]。

2.4 变质作用

研究区位于华北变质岩区的太白—商县变质带;除古近系碎屑岩及志留纪、泥盆纪侵入的二长花岗岩外,其余地层均发生不同程度的变质。其中赋矿地层雁岭沟岩组经历晋宁期( 780～740 Ma) 高角闪岩相和加里东-海西期( 415～286 Ma) 绿片岩相两期变质变形叠加改造,主变质期时代为晋宁期[11-13]。雁岭沟岩组变质程度达高角闪岩相,绝大多数原岩特征基本消失,普遍发育强塑性环境下强变形流变褶皱性质的肠状、条带状片麻岩,并发育石榴矽线片岩、含橄榄石大理岩等特征变质岩石。同时,在这一阶段,原沉积岩中的有机碳将脱除分子中的H和O,变成单质碳,并伴随着区域作用的进行,单质碳彻底石墨化,最终形成结晶完好,自形、半自形,呈六方形片状、板状、鳞片状的晶质石墨。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

研究区共发现晶质石墨矿体77条(表1),矿体呈层状、似层状产出,具有层控矿床特征。矿体走向呈NWW—SEE向展布。单层厚1.00～50.83 m,沿走向膨大收缩明显,长150～2 500 m,倾斜延深50～222 m,各矿体之间分布均匀,呈现近平行排列趋势,间距为50～100 m。其中,庾家河石墨矿由于距区域背斜张河—留仙坪—界岭背斜较近,矿体呈陡倾角,倾角75°～87°,其余矿床位于背斜翼部,产状逐渐变缓, 倾角25°～60°。矿体普遍受酸性花岗岩脉体影响,脉体一般沿矿体层理方向侵位,造成矿体内部连续性变差。

3.2 矿石特征

3.2.1 矿物成分

石墨矿石的矿物成分由石墨和脉石矿物两大类组成。石墨为鳞片状,片径0.01～2.50 mm,含量10%～30%。脉石矿物主要有斜长石、石英、黑云母、方解石、透辉石。次要矿物有白云母、矽线石、石榴石、电气石等,见少量金红石、褐铁矿、赤铁矿。矿石的自然类型不同,其矿物成分及含量亦有差异。

3.2.2 矿石化学成分

3.2 李富祥等[21]建立了基于TaqMan探针的副猪嗜血杆菌实时荧光定量 PCR检测方法，其灵敏度为 692 copies/μL。Wei Xiaoyuan等[19]建立了副猪嗜血杆菌恒温荧光PCR检测技术，灵敏度可达到1000 copies/μL。本实验建立的实时荧光定量 PCR检测方法的最低检测限为26.47 copies/μL，ddPCR的最低检测限为2.647 copies/μL。

对已发现的庾家河、回头山、瓦窑沟、孙家岩等4个石墨矿床矿石化学成分进行统计。固定碳的单工程品位波动于2.04%～14.18%,矿床平均品位3.58%～5.53%。石墨矿石中主要有害杂质有Fe2O3、S、P2O5。

其中Fe2O3含量2.30%～8.34%,平均4.27%;S含量0.053%～5.300%,平均0.88%;P2O5含量0.023%～0.200%,平均0.08%。有害杂质含量较低,通过选矿可以基本脱除,对矿石质量影响较小,满足工业利用需求。

3.2.3 矿石结构构造和类型

矿石具鳞片粒状变晶结构,片状构造、片麻状、薄层状构造。

根据矿石结构、构造,矿物成分和有用组分含量,研究区石墨矿石划分为石墨大理岩、石墨片麻岩、石墨石英片岩等3种基本自然类型(表2,图3)。

根据石墨片度统计结果,研究区石墨矿床石墨鳞片粒径最小值0.01 mm,远大于1 μm,均为晶质石墨矿。其中,小于50目占49.33%,50～80目占33.33%,80～100目占12.67%,大于100目占4.67%。主要有用矿物为石墨矿,呈晶质鳞片状。因此,研究区石墨矿矿石均属鳞片状晶质石墨矿石。

4 矿床成因

4.1 变质原岩恢复

由于研究区位于秦岭造山带变质变形最为强烈的地区,其原岩经历多期变质变形改造,这为原岩恢复带来很大难度。根据矿区大理岩—片岩—片麻岩岩石组合,初步推断矿区变质岩的原岩为沉积岩。为恢复研究区变质岩的原岩建造,采集区内庾家河石墨矿床19个样品进行主量元素分析,分析结果见表 3 。

表2 研究区各自然类型石墨矿石特征汇总

图3 各自然类型矿石镜下照片

根据正、副变质岩的K—A判别图解[14](图4),除1个石墨大理岩样品落在火成岩区外,其余均落在沉积岩区。其中,石墨大理岩样品靠近碳酸盐岩亚区,石墨片麻岩和石墨石英片岩样品靠近泥质粉砂岩亚区。表明石墨大理岩原岩为碳酸盐岩,石墨片麻岩和石墨石英片岩原岩为泥质粉砂岩。同时结合野外样品取样位置,样品6受后期岩体侵位,石墨大理岩内部发育有细小岩脉,使其化学成分靠近岩浆岩,这也是其落在火成岩区的原因。根据w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w(∑其余组分)图解[15](图5),研究区石墨大理岩落在泥灰岩及硅质泥灰岩和含铁砂岩区;石墨片麻岩落在化学上弱分异的副矿物粉砂岩沉积物区;石墨石英片岩落在少量矿物砂岩、石英质砂岩区及钙质砂岩和含铁砂岩区。分析表明,研究区石墨大理岩原岩为海相的泥灰岩,石墨片麻岩和石墨石英片岩为陆源砂质碎屑岩。依据原岩恢复判别,研究区雁岭沟组原岩为一套浅海相含碳碎屑岩-钙泥质岩-碳酸盐岩沉积建造。研究区石墨矿石通常为石墨大理岩或者石墨大理岩与石墨片麻岩/石墨石英片岩互层型产出,其原岩沉积环境可能为滨海潮坪和潟湖相。

图4 正、副变质岩的K—A判别图解[14]

图5 w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w∑其余组分图解[15]

4.2 碳质来源

目前多数地质工作者认为研究区晶质石墨矿为有机成因[16-20],并认为在元古代沉积的含碳有机质在成岩及变质作用过程中形成晶质石墨。其依据主要是1984年陕西省地质矿产勘查开发局第十三地质队在大西沟—碾子坪—蔡凹石墨矿床所做稳定同位素重分析δ13CPDB为-12.34‰～-13.89‰。现代研究表明自然界中碳质来源主要有地幔来源的碳(δ13CPDB一般为-2‰～ -10‰,平均-7‰)[21]、有机沉积物成因的碳(δ13CPDB介于-40‰～ -17‰之间,平均为-28‰～-26‰)[22]和典型海洋碳酸盐岩中的碳(δ13CPDB介于-2‰ ～+4‰之间)[23]。相比较而言,研究区的碳与有机成因石墨δ13C相比偏重,而与海相碳酸盐无机成因石墨δ13C相比又偏轻,具有中间碳同位素特征。鉴于此,也有部分学者认为研究区石墨碳质来源可能为有机成因和无机成因2种[24]。

通过大量的野外观察,区内石墨均以浸染状分布于层状地层中,未见到以团块状、条带状、细脉—网脉状、条纹状或褶纹状分布在岩石裂隙中的流体沉淀结晶特征的石墨,所以不太可能是生物成因和海相碳酸盐岩无机成因的多组分流体瑞利分馏后形成的具中间碳同位素特征的石墨矿床[25-28]。岩相学研究表明含石墨岩石样品中普遍含有一定量的黄铁矿(图6),表明其沉积环境具有一定的还原性。有研究表明,有机物在还原环境下分解的产物主要以CH4为主,CH4富集轻的碳同位素(12C),因反应的不彻底性,会使残余的有机碳同位素逐渐变重[29-30]。故该区石墨是有机成因,因在滨海潮坪和潟湖相还原环境下有机物分解生成CH4反应的不彻底性而具有中间碳同位素特征。

4.3 成岩成矿环境

北秦岭构造带是秦岭造山带的主要构造单元,呈东西向宽窄不一的狭长带状断续出露,主体由秦岭岩群为主的构造结晶基底杂岩组成,其大致经历早元古代陆块裂解及活动陆缘形成→晋宁期俯冲—碰撞造山阶段→晚晋宁—加里东期伸展裂陷(Rodinia超大陆裂解)→晚加里东—海西期双向斜冲—碰撞→印支期陆内断陷—推覆造山→燕山—喜山期断块造山、差异隆升[31]。秦岭岩群变质原岩形成于早元古代活动大陆边缘[32-33],在晋宁期俯冲—碰撞造山作用下发生变质作用,变质程度达到高角闪岩相,为晶质石墨矿的形成提供必需的温压条件[34-35]。在晚加里东—海西期,随着二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆的双向挤压,秦岭岩群南北的商丹断裂和朱夏断裂发生走滑运动,秦岭岩群被错出抬升至地表。

图6 各自然类型矿石含黄铁矿镜下照片

4.4 矿床成因

北秦岭东段晶质石墨矿δ13C具有中间碳同位素特征,为有机物在还原环境下分解不彻底造成,其碳质来源于元古代沉积的含碳有机质。晶质石墨由浅海相沉积的碎屑岩-钙泥质岩-碳酸盐岩中的有机碳,在晋宁期中高压相系区域变质作用下形成。北秦岭东段晶质石墨矿为沉积变质成因。除石墨矿体外,北秦岭东段雁岭沟岩组地层中含石墨大理岩非常普遍,其累计叠加厚度达几十米至上百米,但其石墨含量多小于2%,分析认为沉积作用对石墨富集至关重要。在沉积成岩过程中有机质发生分解、迁移,使碳质成分相对富集,在滨海潮坪和潟湖相环境中出现含碳成分较高的岩段,只有含碳成分较高的岩段才能在变质作用下形成具有工业价值的石墨矿床,即石墨矿品位的高低及其分布特征仍主要取决于原生的沉积条件与古地理环境。后期岩浆侵位造成的热变质,使得区内石墨矿鳞片进一步增大,但对石墨矿化富集无影响。

4.5 成矿模式

根据区域地质背景、矿床地质条件并结合碳质来源、成岩成矿环境,总结研究区石墨矿床成矿模式如图7。

图7 研究区石墨矿成矿模式示意图(a—沉积成矿阶段,b—变质成矿阶段)

研究区石墨矿成矿分为沉积成矿阶段和变质成矿阶段,沉积建造为活动大陆边缘的滨海潮坪和潟湖含碳泥质岩—细碎屑岩和碳酸盐建造。在沉积成矿阶段,古元古代沉积的原始有机质(藻类遗体)经历压实、固结,氨基酸和脂肪酸发生沥青化,转变为以CH4为主的烃类。在晋宁期俯冲—碰撞造山作用过程中,秦岭岩群发生变质变形,变质成矿作用改变碳质赋存状态,使碳质有序化变成晶质石墨。

伴随着晚加里东—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆双向斜冲—碰撞,泥盆纪黄柏岔岩体侵位,对区内石墨矿体进行一定程度改造。由于下部岩浆底劈上侵,带来大量的热量,使得区域地温梯度快速升高,原区域变质作用形成的晶质石墨,在较高的地温梯度下,发生进一步热变质,石墨鳞片进一步增大[36]。

5 结论

根据对北秦岭东段晶质石墨矿详细的矿床学、岩相学、地球化学以及碳同位素等方面的研究,得到如下认识:

(1)北秦岭东段晶质石墨矿赋矿地层为古元古界秦岭岩群雁岭沟岩组。主要矿石类型有石墨大理岩、石墨片麻岩、石墨石英片岩。石墨的片径小于100目(大于0.147 mm)占95.33%,为典型的大鳞片状晶质石墨矿。

(2)北秦岭东段石墨δ13C具有中间碳同位素特征,是有机物在变质过程中脱CH4造成的。石墨矿品位及其分布主要与沉积相有关,推测其沉积时代为古元古代,形成环境为活动大陆边缘的滨海潮坪和潟湖相,原始含碳有机质在沉积成矿阶段,发生沥青化,转变为以CH4为主的烃类。在晋宁期俯冲—碰撞造山作用过程中,有机物逐渐发生变质形成石墨并聚集形成石墨矿床。

(3)区内泥盆纪黄柏岔二长花岗岩体侵位造成的热变质,使得区内石墨矿鳞片进一步增大。