陜西鳳縣煤系石墨礦床構(gòu)造特征及找礦預(yù)測

魏云迅，姜 波，孫順新，張光超，呂錄仕，李聰聰

（1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

·煤田地質(zhì)·

陜西鳳縣煤系石墨礦床構(gòu)造特征及找礦預(yù)測

魏云迅1，姜 波2，孫順新1，張光超1，呂錄仕1，李聰聰1

（1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，西安 710199；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

鳳縣煤系石墨礦地處北秦嶺南部西段，是秦嶺地塊中的重要石墨成礦帶。依據(jù)近年來地質(zhì)調(diào)查成果，分析了礦床構(gòu)造特征及找礦前景。結(jié)果顯示，鳳縣煤系石墨礦床主要構(gòu)造樣式為“S”型褶皺、推覆構(gòu)造及疊加褶皺，成礦后至少經(jīng)歷兩次強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，前期以近NS向擠壓應(yīng)力為主，后期以NWW向擠壓應(yīng)力為主，并與前期近東西向褶皺疊加；結(jié)合構(gòu)造控礦特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)找礦重點(diǎn)位于老廠以東的草涼驛組第五段、第六段中。

鳳縣；煤系石墨；草涼驛組；構(gòu)造特征；找礦潛力

煤系石墨是煤及煤系炭質(zhì)頁巖等在巖漿熱接觸變質(zhì)及構(gòu)造變質(zhì)作用下形成的，多為隱晶質(zhì)石墨[1]，屬煤層變質(zhì)型石墨礦床，成礦作用主要為構(gòu)造巖漿帶內(nèi)含煤建造中的煤層，經(jīng)中酸性巖漿熱液接觸變質(zhì)作用重結(jié)晶[2]。煤系石墨具有“礦體集中、品位高、易開發(fā)”等特點(diǎn)，是石墨礦產(chǎn)的重要組成部分，屬于戰(zhàn)略性新興礦產(chǎn)[3-4]。

研究區(qū)地處北秦嶺南部西段、東西秦嶺轉(zhuǎn)換部位（圖1），屬秦嶺地塊中的北秦嶺疊瓦逆沖推覆構(gòu)造帶[5-7]，是秦嶺地塊中的重要石墨成礦帶[8]。

前人認(rèn)為，研究區(qū)石炭系草涼驛組為一出露較窄的向斜條帶①地礦部陜西地勘局.1:50000紅花鋪幅區(qū)域地質(zhì)報(bào)告.1996.。30年來，針對草涼驛組的構(gòu)造特征及石墨礦床的研究甚少，且有學(xué)者認(rèn)為老廠以西為煤礦，老廠以東為石墨礦[9]。本文從野外調(diào)查的大量資料入手，分析論述鳳縣煤系石墨礦床構(gòu)造特征及主要構(gòu)造樣式，探討構(gòu)造控礦特征，預(yù)測煤系石墨礦產(chǎn)資源潛力，為煤系石墨礦床研究提供實(shí)例。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北板塊南緣即洛南-欒川逆沖推覆斷層與商丹縫合帶（SF1）之間，屬北秦嶺構(gòu)造帶，構(gòu)造線呈近東西向展布，現(xiàn)今地表呈大小不一的透鏡狀巖塊以不同級(jí)別規(guī)模、性質(zhì)和類型的斷裂為骨架，實(shí)際它即是在原秦嶺板塊構(gòu)造的華北板塊南緣溝、弧、盆活動(dòng)大陸邊緣基礎(chǔ)上，發(fā)生華北與揚(yáng)子、秦嶺板塊的先后俯沖碰撞拼合，又疊加中新生代陸內(nèi)造山構(gòu)造而形成的一個(gè)復(fù)雜拼合結(jié)合帶和多期疊加的復(fù)合構(gòu)造帶[10]。

研究區(qū)西鄰西秦嶺-松潘構(gòu)造結(jié)，北與寶雞巖體為鄰，南部毗鄰秦嶺商丹主縫合帶，是諸多地塊和不同類型造山帶匯聚交接轉(zhuǎn)換區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜，與區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相伴生的巖漿活動(dòng)頻繁。涉及地層主要為第四系、石炭系草涼驛組及奧陶系張家莊組（表1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Figure 1 A sketch geological map of study area

表1 區(qū)域主要地層簡表Table 1 Regional abridged stratigraphic table

2 構(gòu)造變形特征

受多期構(gòu)造應(yīng)力影響，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，礦源層石炭系變形改造較大，地層走向、傾向上多為有序彎曲延展，小型構(gòu)造現(xiàn)象星羅棋布。

研究區(qū)東部為南傾的單斜構(gòu)造，西部為向西傾伏的向斜構(gòu)造，由草涼驛組組成，延伸長度約2 km，軸向近EW，為不對稱向斜，北翼地層產(chǎn)狀160°～220°∠20°～40°，南翼產(chǎn)狀314°～10°∠30°～40°，樞紐產(chǎn)狀270°∠40°；北翼F2斷層附近，地層傾角變大，甚至直立。受小褶曲影響（圖2），地層產(chǎn)狀變化大。

此外，在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，抗壓強(qiáng)度較小的巖石（泥巖、粉砂巖等）發(fā)生塑性變形，形成小褶曲，規(guī)模一般在0～100 m，地表、老硐及鉆孔均可見，增加了研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜程度。

草涼驛組南北邊界主要以斷裂為界，南界為F1斷層，北界西部為F2斷層，礦源層受兩斷層挾持。

圖2 西部向斜構(gòu)造中的傾伏不對稱褶皺(a)與平臥褶皺(b)Figure 2 Plunging unsymmetrical fold(a)and recumbent fold(b)in west syncline structure

3 主要構(gòu)造樣式及控礦構(gòu)造

3.1 “S”型褶皺

西部徐家山-花園寺向斜受兩期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，平面形態(tài)“S”型，軸向近EW，核部陡直，兩翼寬緩，且多為小型復(fù)式褶皺構(gòu)成；樞紐產(chǎn)狀270°∠40°，北翼靠近F2斷層，地層傾角變大，甚至直立，發(fā)育小型東西向逆斷層，偶具右行剪切走滑性質(zhì)。

根據(jù)該向斜構(gòu)造應(yīng)力場分析（圖3），控制向斜構(gòu)造形態(tài)的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向，同時(shí)，北東段軸跡向東偏轉(zhuǎn)，南西段軸跡向西偏轉(zhuǎn)，形成了舒緩、獨(dú)特的“S”型褶皺組合，兼具右行走滑性質(zhì)。

圖3 “S”型褶皺及其構(gòu)造應(yīng)力場分析Figure 3“S”typed fold and its tectonic stress field analysis

3.2 推覆構(gòu)造

逆沖推覆是在擠壓體制下形成的以逆沖斷層及上盤推覆體為主體的構(gòu)造[11-12]，逆沖推覆是研究區(qū)的又一基本構(gòu)造形態(tài)，是北秦嶺疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造帶的小型構(gòu)造單元，其規(guī)模雖小，意義重大，不僅控制了石墨礦的形成和賦存，也指示了秦嶺造山帶的復(fù)雜演化。

研究區(qū)石炭系地層整體為一推覆體逆沖于奧陶系張家莊組的火山碎屑巖、淺變質(zhì)巖之上，推覆構(gòu)造南北寬1～2 km，東西長約20 km。龍王溝剖面是研究區(qū)逆沖推覆結(jié)構(gòu)的典型剖面，其發(fā)育一系列北傾疊瓦式逆沖斷層（圖4）。

圖4 龍王溝構(gòu)造剖面素描圖Figure 4 A Longwanggou structure section sketch

3.3 疊加褶皺

疊加褶皺多是構(gòu)造多期變形的結(jié)果，研究區(qū)疊加構(gòu)造主要發(fā)育于中西部，由近EW向褶皺與NNE或SN向褶皺疊加，一般交角70°～90°，兩組褶皺軸呈大角度相交或直角橫跨疊加，疊加后，EW向褶皺的軸面一般受變形影響不大，而樞紐受NWW或近EW向力發(fā)生再褶皺，呈有規(guī)律地波狀起伏，最終形成一系列穹盆相間的構(gòu)造。兩期背形疊加處形成穹窿構(gòu)造，兩期向形疊加處形成構(gòu)造盆地。當(dāng)晚期背形橫過早期向形時(shí)，背形樞紐發(fā)生傾伏，向形樞紐發(fā)生揚(yáng)起，形成鞍狀構(gòu)造[13-14]。

3.4 應(yīng)力分析

通過對研究區(qū)節(jié)理產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)分析[15]，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)發(fā)育2套共軛剪節(jié)理，一套節(jié)理走向優(yōu)勢方位為NNW、NNE向，另一套節(jié)理的走向優(yōu)勢方位為NWW、近EW向(圖5)，前一套共軛剪節(jié)理形成較早，后一套形成稍晚，這與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力變化基本一致。

前一套節(jié)理影響、制約后一套節(jié)理，后一套節(jié)理對前一套節(jié)理具有截?cái)?、錯(cuò)開作用，后一套節(jié)理發(fā)育優(yōu)于前一套。根據(jù)二者的交接關(guān)系，判斷前一套共軛剪節(jié)理形成時(shí)期早于后一套節(jié)理系，即擠壓方向?yàn)镹NW向構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育較早于擠壓方向?yàn)镹WW向的構(gòu)造應(yīng)力，這與區(qū)域研究結(jié)果基本吻合[5，10，16]。

圖5 節(jié)理走向玫瑰花圖Figure 5 Rose diagram of joint strikes

通過節(jié)理應(yīng)力分析，研究區(qū)內(nèi)石炭紀(jì)后至少經(jīng)歷過兩次強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，前期以近NS向擠壓應(yīng)力為主，發(fā)育近東西向褶皺、逆沖斷裂，后期以NWW向擠壓應(yīng)力為主，發(fā)育NNE向小型褶皺、逆斷層，并與前期近東西向褶皺疊加，基本形成了研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)。

3.5 構(gòu)造控礦

研究區(qū)石墨礦床是構(gòu)造、熱作用的共同結(jié)果，它不僅僅是一種物理作用，也起著某種地球化學(xué)作用，促進(jìn)了煤（礦源巖）大分子結(jié)構(gòu)的變化。同時(shí)，巖漿熱作用除產(chǎn)生熱能外，亦可通過構(gòu)造作用相對均勻地傳遞應(yīng)力。

研究區(qū)以壓縮構(gòu)造樣式為主，褶皺是主要控礦構(gòu)造，其控制著煤系石墨地層及石墨礦層的賦存形態(tài)，同時(shí)，可以引起石墨的層間滑動(dòng)或?qū)觾?nèi)流動(dòng)，影響著石墨礦體的運(yùn)移。

在南北向強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力作用下，各單層巖礦石依據(jù)各自不同的內(nèi)因特征，分別發(fā)生規(guī)模、形態(tài)不一的褶曲表現(xiàn)。形變集中于介質(zhì)的不均一處，介質(zhì)的不均一引起形變的不均一，厚層砂巖形成規(guī)模大、波形舒緩的褶曲；而薄層板巖、黏土巖與礦層，則形成規(guī)模小、彎曲強(qiáng)烈的緊閉褶曲。石墨礦層的塑性更大，在褶皺作用過程中，明顯地與上下直接頂板不協(xié)調(diào)，它以塑性狀態(tài)擠入各種剝離空穴或構(gòu)造軟弱面，形成下向齒形分岔礦體與鞍狀礦體等（圖6）。

圖6 老硐內(nèi)礦層局部揉皺照片(老廠)Figure 6 Photos of old cutout locally crumpled ore bed(in Laochang)

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列華力西-印支期及燕山期的北傾逆沖推覆斷裂，錯(cuò)斷石墨礦層延伸方向，同時(shí)，受動(dòng)力變質(zhì)作用影響，在斷裂面上時(shí)可見到石墨化現(xiàn)象，但往往品位低、厚度甚小，工業(yè)價(jià)值不大，如果斷裂空穴被煤變質(zhì)石墨充填貫入，則可形成工業(yè)礦體。

4 找礦潛力預(yù)測

我國煤系共伴生石墨已探明儲(chǔ)量5000萬t以上，礦床規(guī)模大，成礦地質(zhì)條件好，品位高，卻一直未得到應(yīng)有的重視[17]。目前我國煤系石墨開發(fā)利用程度低，采煤時(shí)采出的石墨原礦被當(dāng)作矸石遺棄，或者當(dāng)成煤燒掉，不僅浪費(fèi)資源且污染環(huán)境，更喪失了開展綜合利用的良好資源條件。

曹代勇[3]認(rèn)為，目前對煤系石墨的研究較少，對其成礦機(jī)制認(rèn)識(shí)較膚淺，尤其是對構(gòu)造和巖漿熱作用在石墨化進(jìn)程中的主導(dǎo)作用研究程度不夠，導(dǎo)致對煤系石墨賦存規(guī)律不清。

4.1 礦石特征

研究區(qū)煤系石墨呈鋼灰色、灰黑色，致密塊狀、土狀及層狀、頁片狀構(gòu)造，為隱晶質(zhì)石墨或半石墨[2]。掃描電鏡下可見隱晶質(zhì)石墨顆粒呈不規(guī)則片狀，粒徑大部分為2～3 μm，石墨晶體呈片狀，邊界清楚。通過XRD測試發(fā)現(xiàn)，礦物成分主要為石墨、石英、綠泥石、伊利石等。

4.2 有利區(qū)塊預(yù)測

筆者結(jié)合近年來的地質(zhì)調(diào)查工作總結(jié)發(fā)現(xiàn)，鳳縣貫溝-老廠-煤溝一帶煤系石墨成礦帶是石炭紀(jì)煤層受燕山期巖漿熱作用及構(gòu)造熱作用變質(zhì)而成的，通過，礦體走向較連續(xù)（圖7），埋深一般300～ 500 m，根據(jù)鉆孔及老硐的樣品測試結(jié)果分析，該成礦帶東部（老廠至貫溝）礦體多、礦石質(zhì)量較好，固定碳含量一般68%～89%（表2）；西部礦石質(zhì)量稍差，至嘉陵江以西煤溝一帶則質(zhì)量最差，這與巖漿活動(dòng)的期次、持續(xù)時(shí)間和構(gòu)造應(yīng)力的強(qiáng)弱是分不開的。因此，研究區(qū)煤系石墨的找礦重點(diǎn)位于老廠以東的草涼驛組第五段、第六段地層中。

圖7 Ⅲ礦體走向?qū)Ρ葓D（老廠）Figure 7 Ore body III strikes comparison diagram(in Laochang)

表2 煤系石墨樣品品位特征Table 2 Coal measures graphite sample grade features

5 結(jié)論

（1）陜西鳳縣煤系石墨礦床受多期構(gòu)造應(yīng)力影響，礦源層石炭系變形改造較大，主要構(gòu)造樣式為“S”型褶皺、推覆構(gòu)造及疊加褶皺。

（2）通過應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)石炭紀(jì)后至少經(jīng)歷兩次強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，前期以近NS向擠壓應(yīng)力為主，后期以NWW向擠壓應(yīng)力為主，并與前期近東西向褶皺疊加。

（3）褶皺構(gòu)造影響著石墨礦體的運(yùn)移；斷裂錯(cuò)斷石墨礦層延伸方向，同時(shí)，影響礦層的品位。

（4）結(jié)合調(diào)查工作及構(gòu)造控礦特征，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)東部（老廠至貫溝）煤系石墨礦體多、礦石質(zhì)量較好，西部礦石質(zhì)量稍差。因此，研究區(qū)煤系石墨的找礦重點(diǎn)應(yīng)該側(cè)重于老廠以東的草涼驛組第五段、第六段地層中。

[1]錢承欣.石墨的類型、性能、選礦和使用[J].國外金屬礦選礦，1993，(12):12-13.

[2]莫如爵，劉紹斌，黃翠蓉，等.中國石墨礦床地質(zhì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989:26-84.

[3]曹代勇，張鶴，董業(yè)績，等.煤系石墨礦產(chǎn)地質(zhì)研究現(xiàn)狀與重點(diǎn)方向[J].地學(xué)前緣，2016，23:1-11.

[4]孫升林，吳國強(qiáng)，曹代勇，等.煤系礦產(chǎn)資源極其發(fā)展趨勢[J].中國煤炭地質(zhì)，2014，26(11):1-11.

[5]張國偉.秦嶺造山帶的形成及其構(gòu)造演化[M].西安:西北大學(xué)出版社，1987:126-134.

[6]宋傳中，張國偉，任升蓮，等.秦嶺-大別造山帶中幾條重要構(gòu)造帶的特征及其意義[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，39(3):368-380.

[7]張國偉，張本仁，袁學(xué)誠.秦嶺造山帶與大陸動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2001:117-119.

[8]FENG Yangwei，QU Hongjun，YANG Chenyi，et al，Distribution Characteristics and Metallogenic Regularity of Graphite Deposits in Qin?ling Orogen，China[J].Acta Geologica Sinica，2015，89(4):1244-1263.

[9]陳二虎，張選固，劉萍.寶雞地區(qū)石墨礦開發(fā)利用現(xiàn)狀及外圍找礦潛力[J].甘肅冶金，2013，35(5):88-92.

[10]張國偉，孟慶任，于在平，等.秦嶺造山帶的造山過程及其動(dòng)力學(xué)特征[J].中國科學(xué)(D)，1996，26(3):193-200.

[11]曾佐勛，樊光明，王國燦，等.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2008:181-194.

[12]姜波，王桂梁.煤田斷裂構(gòu)造巖分類研究[J].中國煤田地質(zhì).1990，(2):5-7.

[13]Ramsay J G.單文瑯等譯.巖石的褶皺作用和斷裂作用[M].北京:地質(zhì)出版社，1985:355-379.

[14]Ramsay J G，Huber M I.徐樹桐主譯.現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法(第二卷褶皺和斷裂)[M].北京:地質(zhì)出版社，1992:176-205.

[15]陳慶宣，王維襄，孫葉，等.巖石力學(xué)與構(gòu)造應(yīng)力場分析[M].北京:地質(zhì)出版社，1998:118-129.

[16]李加好.北秦嶺的構(gòu)造變形與動(dòng)力學(xué)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[17]晏達(dá)宇.我國煤系共伴生礦產(chǎn)資源概況及開發(fā)利用的意義[J].煤炭加工與綜合利用，2004(6)：44-47．

Coal Measures Graphite Ore Structural Features and Prospecting Prediction in Fengxian County,Shaanxi

Wei Yunxun1,Jiang Bo2,Sun Shunxin1,Zhang Guangchao1,Lyu Lushi1and Li Congcong1
(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau,CNACG,Xian,Shaanxi 710199; 2.School of Resource and Earth Science,CUMT,Xuzhou,Jiangsu 221116)

The coal measures graphite ore in the Fengxian County is situated in west sector,southern part of the North Qinling Mts.,an important graphite mineralization belt in the Qinling massif.Based on geological investigated results in recent years,analyzed and dis?cussed ore structural features and prospecting prospect.The result has shown that the main structural patterns of the ore have“S”typed folds,nappe structures and superimposed folds,at least experienced two strong tectonic movements after mineralization.During the early stage had been under mainly NS compressive stress,and later stage mainly NWW compressive stress,then superimposed on the early stage near NS folds.Combined with structural ore control features,has found that the prospecting focal point should be situat?ed within the fifth and sixth members of the Caoliangyi Formation to the east of Laochang.

Fengxian County;coal measures graphite;Caoliangyi Formation;structural features;prospecting potential

P619.252

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.01

1674-1803(2017)03-0001-04

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目（特殊用煤資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)（DD20160187））、中國煤炭地質(zhì)總局科技發(fā)展基金項(xiàng)目（秦嶺造山帶鳳縣石炭紀(jì)石墨資源條件調(diào)查研究（2013-I-03））

魏云迅（1983—），男，江蘇邳州人，2007年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，碩士，從事煤田地質(zhì)、遙感地質(zhì)工作。

2016-11-18

責(zé)任編輯：宋博輦