我國(guó)煤系石墨研究及資源開發(fā)利用前景

曹代勇，王 路，劉志飛，丁正云，李 陽(yáng)，束振宇

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

石墨是碳元素的一種同素異形體，由于特殊的分子結(jié)構(gòu)，具有耐高溫、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性和可塑性等諸多優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、核工業(yè)、航天、電子信息、新能源汽車等領(lǐng)域，屬于新興戰(zhàn)略性礦產(chǎn)。2010 年，歐盟委員會(huì)將石墨列為14 種“對(duì)歐盟生死攸關(guān)的原料”之一，我國(guó) 2016 年《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃(2016—2020)》首次將石墨等24 種礦產(chǎn)列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)，2018 年美國(guó)將石墨(天然)列為35 種“關(guān)鍵礦物”之一[1-6]。根據(jù)不同工業(yè)用途，石墨礦產(chǎn)可分晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨兩大類，煤系石墨(又稱為煤成石墨)是隱晶質(zhì)石墨的主要組成部分，也是煤系非金屬礦產(chǎn)的一種[6-7]，與晶質(zhì)石墨相比，煤系石墨具有礦體集中、品位高、易開發(fā)等特點(diǎn)，石墨查明資源儲(chǔ)量中，隱晶質(zhì)石墨(煤系石墨)占比不足20%[8-9]，卻支撐著全國(guó)一半以上的石墨產(chǎn)量[6-10]。由于過(guò)去對(duì)隱晶質(zhì)石墨(煤系石墨)成礦機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠深入，缺乏煤系石墨鑒別標(biāo)準(zhǔn)，難以科學(xué)地區(qū)分煤系石墨與高變質(zhì)無(wú)煙煤，嚴(yán)重影響了煤系石墨的評(píng)價(jià)和勘查工作。據(jù)估計(jì)，每年我國(guó)開采的煤系石墨中有50%左右被當(dāng)作燃料消耗，造成極大的資源浪費(fèi)。隨著石墨礦床應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和煤系綜合礦產(chǎn)開發(fā)利用的推進(jìn)，煤系石墨礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)和勘查工作也逐漸受到重視，近年來(lái)在煤系石墨成礦機(jī)制、賦存規(guī)律、鑒別指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法研究等方面取得重要進(jìn)展[6,8,11-19]，福建、湖南、江西、陜西等省份煤系石墨找礦評(píng)價(jià)獲得重要發(fā)現(xiàn)[13-14,16,19-24]，顯示了煤系石墨勘查開發(fā)利用的良好前景。

1 煤系石墨鑒別指標(biāo)與等級(jí)劃分

1.1 煤系石墨的概念

目前普遍認(rèn)為隱晶質(zhì)石墨是由煤或煤系有機(jī)碳經(jīng)巖漿侵位接觸變質(zhì)形成的，屬于接觸變質(zhì)型石墨成因類型[1,8]，因而，從成礦物質(zhì)和礦床賦存角度出發(fā)，煤系石墨可視為隱晶質(zhì)石墨的同義詞，煤系石墨礦床與煤層為同層異礦，是煤及煤系有機(jī)碳(炭質(zhì)頁(yè)巖等)經(jīng)歷煤化作用階段進(jìn)入石墨化階段的產(chǎn)物，發(fā)育不同程度石墨結(jié)構(gòu)、具有石墨或類似石墨的物理化學(xué)特征和工藝性能，可做工業(yè)原料。

煤化作用與石墨化作用是一個(gè)連續(xù)(存在幾次躍變)的過(guò)程(圖1)，具有不可逆性和非線性兩個(gè)基本特點(diǎn)，其演化實(shí)質(zhì)在元素組成上表現(xiàn)為富碳、去氫、脫氧，在分子結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為縮合程度增加、有序化增強(qiáng)和石墨結(jié)構(gòu)的逐漸形成。石墨化作用的開始標(biāo)志著煤有機(jī)質(zhì)開始向無(wú)機(jī)礦物發(fā)展演化，隨著結(jié)構(gòu)有序度提高，逐漸形成具有不同石墨化程度的石墨化無(wú)煙煤、半石墨、石墨，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)[6,13,25-26]。與具有完全有序的晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)礦物不同，在煤成石墨化過(guò)程中常形成不同結(jié)晶程度的微觀結(jié)構(gòu)，因此，煤系石墨屬于特殊的非典型晶質(zhì)礦物。

圖1 煤化作用與石墨化作用階段Fig.1 Coalification and graphitization stages

1.2 鑒別指標(biāo)與等級(jí)劃分

科學(xué)地鑒別煤系石墨是資源評(píng)價(jià)與開發(fā)利用的前提條件和基礎(chǔ)工作，遺憾的是，迄今尚未有專門針對(duì)煤系石墨鑒別的指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，現(xiàn)行的DZ/T 0326—2018《石墨、碎云母礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》采用固定碳含量(FC)作為石墨礦的一般性工業(yè)指標(biāo)，隱晶質(zhì)石墨邊界品位和工業(yè)品位分別為FC≥55%和FC≥65%[27]。該規(guī)范是在確定為隱晶質(zhì)石墨的前提下，用固定碳含量作為質(zhì)量(品位)指標(biāo)。根據(jù)固定碳含量的定義和測(cè)定方法，固定碳含量反映的是樣品的物質(zhì)組成，眾所周知，大多數(shù)煤的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)55%和65%，因此，采用固定碳含量作為區(qū)分煤系石墨和煤的鑒別指標(biāo)勢(shì)必引起混亂。由前述可知，煤系石墨成礦的實(shí)質(zhì)是在熱能和定向應(yīng)力的作用下，煤大分子結(jié)構(gòu)有序度提高，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程，因此，反映煤大分子和石墨晶體結(jié)構(gòu)的參數(shù)才是鑒別煤系石墨的可靠指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用反射率、FCad、H/C、碳層間距d002、Raman 光譜等參數(shù)作為區(qū)別煤與石墨的劃分指標(biāo)[28-33]。綜合前人的研究成果，在福建閩西南、湖南魯塘、吉林磐石等典型煤系石墨礦區(qū)研究工作的基礎(chǔ)上[6-7,11-16,20]，提出了煤系石墨鑒別指標(biāo)和等級(jí)劃分方案(表1)。劃分指標(biāo)分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和成分參數(shù)兩大類，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括X 衍射分析碳層間距(d002)和拉曼光譜表征結(jié)構(gòu)缺陷的參數(shù)R2(D 峰與G峰的面積比AD1/(AD1+AD2+AG))，作為精確指標(biāo)，用以鑒別煤與煤系石墨及其石墨化程度的確定(等級(jí))；成分參數(shù)包括固定碳含量(FC)、鏡質(zhì)體反射率、揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)和H/C 元素比，用以評(píng)價(jià)煤系石墨的質(zhì)量，在資源勘查階段也可用于初步區(qū)分無(wú)煙煤與煤系(隱晶質(zhì))石墨。

表1 煤系石墨鑒別指標(biāo)與等級(jí)劃分方案Table 1 Identification index and grade classification of coal-based graphite

煤的石墨化是一個(gè)連續(xù)—躍變的演化過(guò)程，在微觀結(jié)構(gòu)變化上表現(xiàn)為逐漸形成具有不同石墨化程度的石墨化無(wú)煙煤、半石墨、石墨，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)(圖1)，不同演化程度的煤系石墨則具有不同程度類似石墨的物理化學(xué)特征和工藝性能，據(jù)此劃分煤系石墨等級(jí)(表1)，以滿足資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)勘查的需要。

Ⅰ級(jí)煤系石墨，對(duì)應(yīng)石墨，其碳層間距0.3354nm≤d002≤0.3370nm，R2≤0.6，結(jié)構(gòu)有序度較高，碳層尺寸發(fā)育較大，煤的有機(jī)組分完全消失，轉(zhuǎn)變成顆粒狀、絲狀等石墨組分，具有典型石墨礦物的理化性能。

Ⅱ級(jí)煤系石墨，對(duì)應(yīng)半石墨，進(jìn)一步劃分兩個(gè)亞級(jí)：Ⅱ1級(jí)，0.3370nm＜d002≤0.3440 nm，0.60＜R2≤0.65，碳層間距相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)有序度較高、顯微組分以顆粒狀石墨組分為主；Ⅱ2級(jí)，0.3370nm＜d002≤0.3440nm，但R2＞0.65，該亞級(jí)石墨碳層間距較小，但具有的結(jié)構(gòu)缺陷相對(duì)較多，具有部分石墨礦特征。

Ⅲ級(jí)石墨，對(duì)應(yīng)石墨化無(wú)煙煤，d002>0.344 nm，0.65≤R2≤0.70，該級(jí)別石墨化程度相對(duì)較差，碳層長(zhǎng)程無(wú)序，但其導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性較好，可作為低端工業(yè)原料，具有一定程度實(shí)用價(jià)值。

2 煤系石墨形成的控制因素

影響煤系石墨形成的主要控制因素可以分為內(nèi)因(物質(zhì)組成)和外因(溫度、壓力等)兩大類[12]。

2.1 物質(zhì)組成

煤系石墨形成首先要有煤作為礦源層，煤是由有機(jī)組分(煤巖顯微組分)和無(wú)機(jī)組分(礦物質(zhì))組成的混合物，由于煤中不同有機(jī)顯微組分的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的差異性，以及對(duì)不同溫度、壓力條件的敏感性差異，導(dǎo)致其石墨化速率和石墨化產(chǎn)物也各不相同[6,12-13,19]，而不同種類、含量的礦物在煤的石墨化中的催化作用也各有差別[12,34-37]，由此決定了可石墨化性和石墨化差異性特征(圖 2)。R.E.Franklin[38]依據(jù)碳在高溫下是否可石墨化分為可石墨化碳和不可石墨化碳兩種類型，較弱的橋鍵、較小的超微孔隙和趨于定向排列的大分子結(jié)構(gòu)決定了碳的可石墨化性。煤的大分子結(jié)構(gòu)是由眾多以芳香環(huán)為核心，含有側(cè)鏈、官能團(tuán)等小分子結(jié)構(gòu)，由橋鍵連接組成的大分子基本結(jié)構(gòu)單元(BSUs)，當(dāng)橋鍵斷裂、小分子結(jié)構(gòu)排出，芳香環(huán)相互排列、堆疊可構(gòu)成石墨的晶體結(jié)構(gòu)；橋鍵的斷裂也促使被“鎖住”的芳層可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)、擇優(yōu)取向。A.Oberlin 等[39]認(rèn)為，無(wú)煙煤在2 500℃以上時(shí)，芳香層之間的超微孔隙出現(xiàn)扁平化，導(dǎo)致芳層有序排列。鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組三大顯微組分的結(jié)構(gòu)變化和演化速率各不相同，在高煤級(jí)煤—石墨階段，煤中原生有機(jī)顯微組分逐漸消失，取而代之的是新生成的石墨化組分，根據(jù)其形態(tài)特征可以將其劃分為顆粒狀、片狀或絲狀石墨組分和熱解碳，其中，片狀和絲狀石墨的石墨化程度最高，顆粒狀石墨的石墨化程度較低[13,19,40]。實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，殼質(zhì)組在高變質(zhì)無(wú)煙煤中已經(jīng)消失，表明其石墨化速率最快；其次為鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組在石墨化中表現(xiàn)出“惰性”特征，在石墨化程度高的樣品中仍可觀察到殘留的惰質(zhì)組分，表明其石墨化速率最慢[13,19,40-41]。

圖2 煤向石墨演化的作用要素Fig.2 Critical factors for evolution of coal to graphite

2.2 溫 度

溫度是影響有機(jī)質(zhì)演化(包括煤化作用和石墨化作用)的首要因素，高溫為原子重排、重結(jié)晶、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化提供了活化能。楊起等[26]認(rèn)為巖漿作用的疊加熱場(chǎng)是中國(guó)高變質(zhì)煤形成的根本原因，作為煤化作用(煤變質(zhì)作用)的延續(xù)，煤系的石墨化作用的活化能也主要來(lái)自巖漿作用產(chǎn)生的高溫。石墨礦床按其成因劃分為區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型及巖漿熱液型三大類，隱晶質(zhì)石墨(煤系石墨)屬于接觸變質(zhì)型，由巖漿侵入煤層接觸變質(zhì)而成，巖體的性質(zhì)一般為酸性花崗巖類或中酸性閃長(zhǎng)巖類。酸性巖漿稠度低、流動(dòng)性好，有利于熱的傳遞，同時(shí)此類巖漿富含氟和硼等揮發(fā)性氣體，可起到催化劑和助熔劑作用，有利于有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)槭玔1]。我國(guó)目前已知煤系石墨礦床幾乎均與大規(guī)模的酸性和中酸性巖體如巖基、巖株有關(guān)，深成巖體侵位深度較深(數(shù)千米至10 km 以上)、接觸變質(zhì)帶范圍寬、侵位時(shí)上覆巖系厚、形成良好“熱封閉條件”，從而具有熱量充足、作用時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槊鹤冑|(zhì)和石墨化提供充足的熱能。而巖脈、巖墻和巖床等小型侵入體，侵入深度淺、規(guī)模小、熱作用時(shí)間較短，所能提供的熱能有限，其接觸帶窄、煤變質(zhì)梯度大，通常形成天然焦—熱變煤系列[26]。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造(構(gòu)造格局和構(gòu)造應(yīng)力)也是煤系石墨形成不可忽視的控制因素之一，包括構(gòu)造導(dǎo)熱輔助成礦、構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)成礦和同期或后期改造等3 種基本方式[6]。強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶往往伴隨顯著的巖漿活動(dòng)，大型斷裂構(gòu)造提供巖漿侵入通道；不同的構(gòu)造格局構(gòu)成不同類型的成礦構(gòu)造–熱環(huán)境條件(封閉式、半封閉–半開放式和開放式[16])，導(dǎo)致不同石墨化程度的差異。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到構(gòu)造應(yīng)力尤其是剪切應(yīng)力具有與熱力作用相似的機(jī)制(應(yīng)力降解和應(yīng)力縮聚)，在有機(jī)質(zhì)演化(煤化作用—石墨化作用)中起到催化作用[42]，R.M.Bustin 等[43]提出了在剪切應(yīng)力作用下煤的石墨化模式，Wang Lu 等[13]在湖南魯塘煤系石墨研究中提出了應(yīng)變誘導(dǎo)石墨化機(jī)制。人工合成石墨實(shí)驗(yàn)表明，需要把碳物質(zhì)加熱到2 800℃才能形成石墨結(jié)構(gòu)[44]，顯然與天然石墨形成溫度分布于400～800℃的地質(zhì)研究成果相矛盾[1,44-47]。煤石墨化過(guò)程所需的活化能達(dá)到1 089 J/mol，僅僅由巖漿所提供的熱能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[48]，構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變能可以為煤成石墨化提供必需的活化能。為數(shù)不多的高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)研究支持剪應(yīng)力在碳物質(zhì)石墨化過(guò)程中起到重要作用[37,48-50]，加拿大R.M.Bustin 等[43]采用鏡質(zhì)體反射率Rmax=5.27%的無(wú)煙煤樣品，開展了共軸擠壓和剪切實(shí)驗(yàn)，得出在剪切變形條件下局部石墨結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的起始溫度可低至600℃，900℃時(shí)樣品絕大部分已經(jīng)石墨化[43]。

3 煤系石墨賦存規(guī)律與成礦區(qū)帶劃分

3.1 煤系石墨賦存規(guī)律

目前已知的煤系石墨產(chǎn)地大多分布在中生代(以燕山期為主)酸性或中酸性深成巖體(巖基、巖株)旁側(cè)，接觸變質(zhì)–變形帶寬度1～3 km，從巖體向外，總體上呈現(xiàn)石墨→半石墨→石墨化無(wú)煙煤→無(wú)煙煤的過(guò)渡變化，空間展布受褶皺形態(tài)和擠壓性斷層控制。由于礦源層(煤層)物質(zhì)組成的差異和地質(zhì)構(gòu)造的變化，導(dǎo)致石墨化程度的突變或間斷，從而造成煤系石墨賦存狀態(tài)十分復(fù)雜，平面分布和垂向變化顯著。礦井調(diào)查和顯微尺度觀察發(fā)現(xiàn)，石墨化程度與煤/石墨的變形程度(原生結(jié)構(gòu)→碎裂結(jié)構(gòu)→碎粒結(jié)構(gòu)→糜棱結(jié)構(gòu))呈正相關(guān)關(guān)系，表明局部應(yīng)力/應(yīng)變集中是導(dǎo)致石墨化特征差異的主要因素。

區(qū)域上，煤系石墨的形成與巖漿活動(dòng)和擠壓性構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，受區(qū)域性構(gòu)造–巖漿帶控制，具有方向性、遞變性、集中成帶展布的特點(diǎn)。莫如爵等[1]總結(jié)我國(guó)石墨分布特點(diǎn)時(shí)指出，煤層接觸變質(zhì)型石墨礦床主要見于活動(dòng)大陸邊緣地區(qū)，一般形成于早期擠壓–中酸性巖漿活動(dòng)階段；我國(guó)煤層變質(zhì)石墨分布于我國(guó)東部環(huán)太平洋域及西部若干斷裂巖漿帶上，更多集中于郯廬斷裂以東地區(qū)。肖克炎等[5]在我國(guó)東部劃分出老爺嶺陸緣活動(dòng)帶接觸變質(zhì)型石墨成礦區(qū)和東南地區(qū)中生代隱晶質(zhì)石墨成礦區(qū)等兩個(gè)與煤系石墨有關(guān)的成礦帶。顏玲亞等[8]依據(jù)已有石墨礦點(diǎn)分布，劃分出4 個(gè)隱晶質(zhì)石墨成礦帶，分別為內(nèi)蒙古扎魯特旗隱晶質(zhì)石墨成礦帶、吉中隱晶質(zhì)石墨成礦帶、小興安嶺—張廣才嶺(造山帶)隱晶質(zhì)石墨成礦帶、湘中南—粵北拗陷中生代隱晶質(zhì)石墨成礦帶。

3.2 成礦區(qū)帶劃分

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)近年我國(guó)煤系石墨研究和資源評(píng)價(jià)的新進(jìn)展，以區(qū)域大地構(gòu)造格局和賦煤構(gòu)造格局為基礎(chǔ)，結(jié)合煤系石墨成礦的構(gòu)造–巖漿地質(zhì)條件，初步劃分了全國(guó)煤系石墨成礦區(qū)帶，包括4 個(gè)成礦域和9 個(gè)成礦帶(表2)。煤系石墨主要分布在我國(guó)東、中部，具有東多西少、南多北少的基本規(guī)律，一級(jí)成礦區(qū)帶呈“一縱三橫”格局。一縱是指大興安嶺–太行山–雪峰山以東NNE 向展布的濱太平洋煤系石墨成礦域(Ⅰ-1)，三橫是指分別受控于3 條EW 向區(qū)域性構(gòu)造–巖漿帶的南嶺煤系石墨成礦域(Ⅰ-2)、秦嶺–大別山煤系石墨成礦域(Ⅰ-3)和燕山–陰山煤系石墨成礦域(Ⅰ-4)。

表2 我國(guó)煤系石墨成礦區(qū)帶劃分Table 2 The main metallogenic belts of coal-based graphite in China

3.2.1 濱太平洋煤系石墨成礦域(Ⅰ-1)

濱太平洋煤系石墨成礦域由東北經(jīng)華東延伸至東南地區(qū)，呈NNE 向斜跨東北賦煤區(qū)、華北賦煤區(qū)和華南賦煤區(qū)三大一級(jí)賦煤構(gòu)造單元，并與EW 向區(qū)域構(gòu)造帶東段疊加復(fù)合，中生代以來(lái)進(jìn)入活動(dòng)大陸演化階段，多期次、高強(qiáng)度的構(gòu)造–巖漿活動(dòng)不僅造就了多金屬成礦區(qū)，同時(shí)也為煤系石墨成礦提供了有利條件。該成礦域北段東北賦煤區(qū)東部小興安嶺–張廣才嶺構(gòu)造–巖漿巖帶形成有利的封閉式成礦條件，發(fā)育黑吉東部煤系石墨成礦帶。南段華南賦煤帶東部華夏賦煤構(gòu)造亞區(qū)以前泥盆紀(jì)淺變質(zhì)巖系為基底，成煤期后經(jīng)歷多次擠壓與拉張等不同構(gòu)造機(jī)制的交替作用，中生代以來(lái)卷入活動(dòng)大陸邊緣，燕山期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，煤系變形–變質(zhì)程度高，煤類以無(wú)煙煤為主，沿海中生代閩浙火山巖帶西側(cè)閩西南拗陷成礦帶多處煤系石墨產(chǎn)地沿區(qū)域斷裂–巖體連片分布[16,51]。濱太平洋煤系石墨成礦域中段華北賦煤區(qū)中東部自燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)進(jìn)入大陸裂解階段，太行山東麓諸煤田和淮北煤田在開放性構(gòu)造環(huán)境下，眾多淺層或中淺層小型巖體侵入煤系，接觸變質(zhì)帶發(fā)育天然焦，尚無(wú)煤系石墨的報(bào)道。

3.2.2 南嶺煤系石墨成礦域(Ⅰ-2)

南嶺構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶是以近EW 向的花崗巖帶為主要標(biāo)志，由北向南分布的騎田嶺–九峰山巖帶、大東山–貴東巖帶和佛岡–新豐江巖帶3 個(gè)巖漿巖帶[52]。南嶺煤系石墨成礦域與濱太平洋煤系石墨成礦域南段呈疊加復(fù)合關(guān)系，對(duì)華南賦煤區(qū)的華夏賦煤構(gòu)造亞區(qū)含煤巖系賦存影響較大，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，煤田推覆和滑覆構(gòu)造全面發(fā)育，構(gòu)造變形強(qiáng)度和巖漿活動(dòng)強(qiáng)度均呈由西向東增強(qiáng)的趨勢(shì)[53]。南嶺煤系石墨成礦域中生代以來(lái)經(jīng)歷的多期構(gòu)造–巖漿活動(dòng)導(dǎo)致煤變質(zhì)程度高，擠壓性構(gòu)造格局和深成巖體侵位造就了有利的煤系石墨成礦環(huán)境，雪峰山與武夷山之間發(fā)育湘中–湘南煤系石墨成礦帶、贛中–贛南煤系石墨成礦帶和粵北煤系石墨成礦帶，煤系石墨礦床主要分布于湖南中南部、江西中南部、閩西南以及廣東北部一帶，礦源層主要為二疊系龍?zhí)督M，部分地區(qū)為下石炭統(tǒng)測(cè)水組(如湘中新化礦區(qū))[16,19-20,22,24]。

3.2.3 秦嶺–大別山煤系石墨成礦域(Ⅰ-3)

秦嶺–大別山造山帶是我國(guó)重要的構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶，具有多旋回復(fù)合造山特征，晚古生代初南北大陸從東向西逐漸拼合，到三疊紀(jì)拼合完成，中、新生代秦嶺–大別山造山帶的地殼演化以逆沖推覆和強(qiáng)烈酸性巖漿活動(dòng)為特征[54-57]。煤系石墨分布在東段大別山北麓北淮陽(yáng)地區(qū)商固煤田和西段北秦嶺鳳縣一帶。商固煤田位于河南省商城與安徽金寨一帶，石炭紀(jì)含煤沉積習(xí)稱楊山煤系，晚古生代以來(lái)相繼經(jīng)歷了由弧后裂陷盆地→前陸盆地→構(gòu)造反轉(zhuǎn)等多期構(gòu)造–熱事件，導(dǎo)致煤系變形強(qiáng)烈、煤變形–變質(zhì)作用顯著[53]，劃分為構(gòu)造–熱變質(zhì)、巖漿熱變質(zhì)和區(qū)域變質(zhì)3 種類型。其中，構(gòu)造–熱變質(zhì)類型位于燕山期(早白堊世)商城花崗巖基旁側(cè)剪切變形帶內(nèi)，馬鞍山煤礦樣品d002為0.335 5～0.339 4 nm，平均值0.336 8 nm，高分辨透射電鏡分析呈現(xiàn)接近平直石墨的SAD 衍射環(huán)[58]。北秦嶺煤系石墨成礦帶位于洛南–欒川逆沖推覆構(gòu)造與商丹縫合帶之間，礦源層為石炭系草涼驛組，經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，變形強(qiáng)烈，以“S”型褶皺、推覆構(gòu)造及疊加褶皺等擠壓性構(gòu)造樣式為主；陜西鳳縣貫溝–老廠–煤溝一帶的草涼驛組煤層受燕山期巖漿熱作用及構(gòu)造熱作用變質(zhì)而發(fā)生石墨化，東部(老廠至貫溝)礦體多、礦石質(zhì)量較好，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為68%～89%；西部礦石質(zhì)量變差[21]。草涼驛組煤系石墨的主要控礦要素是海西期、印支期和燕山期多次巖漿熱侵位對(duì)煤層的加熱烘烤作用，同時(shí)區(qū)域性的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)石墨礦層的富集也起到了積極作用[23]。

3.2.4 陰山–燕山煤系石墨成礦域(Ⅰ-4)

陰山–燕山構(gòu)造–巖漿帶屬于天山–興蒙造山帶的東段，后者是華北–塔里木板塊與西伯利亞板塊之間的巨型造山帶，同樣具有多旋回演化的歷史，中、新生代卷入濱太平洋構(gòu)造域，發(fā)生陸內(nèi)俯沖、逆沖推覆、伸展斷陷、走滑旋轉(zhuǎn)等構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)[56-57]，對(duì)南北兩側(cè)華北賦煤區(qū)和東北賦煤區(qū)煤變質(zhì)具有一定程度的影響。陰山–燕山煤系石墨成礦域北側(cè)內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗煤系石墨成礦帶區(qū)域大地構(gòu)造位置位于陰山–燕山褶皺帶與大興安嶺中生代巖漿巖帶(濱太平洋構(gòu)造域)復(fù)合部位，褶皺斷裂發(fā)育，巖漿活動(dòng)顯著，以燕山中期侵入活動(dòng)為主，中、酸性巖體出露面積大，下侏羅統(tǒng)紅旗組煤層經(jīng)巖漿熱接觸變質(zhì)作用發(fā)生石墨化，礦石品位一般較高，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)多為60%～80%[59]。陰山–燕山煤系石墨成礦域南側(cè)京西煤田北京海淀南安河和房山車廠各有一小型接觸變質(zhì)型石墨礦床，為石炭–二疊紀(jì)煤層變質(zhì)形成，南安河石墨礦固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.17%，車廠石墨礦的礦石固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.62%～71.50%，平均29.22%，因質(zhì)量較差，基本無(wú)工業(yè)價(jià)值[60]。

4 我國(guó)煤系石墨資源

4.1 煤系石墨資源現(xiàn)狀

我國(guó)煤系石墨資源儲(chǔ)量較大，據(jù)《全國(guó)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量通報(bào)》(2018)資料統(tǒng)計(jì)[9]，截至2018 年底，全國(guó)石墨查明資源儲(chǔ)量53 782.09 萬(wàn)t，其中晶質(zhì)石墨43 740.58 萬(wàn)t、隱晶質(zhì)石墨10 041.51 萬(wàn)t，隱晶質(zhì)石墨資源儲(chǔ)量前三位的省(自治區(qū))分別是內(nèi)蒙古、湖南和吉林(表3)。把煤系石墨等同于隱晶質(zhì)石墨，則占全國(guó)石墨查明資源儲(chǔ)量的18%。如前文所述，由于缺乏鑒別煤系石墨的科學(xué)指標(biāo)，大約有一半左右的煤系石墨被混同為無(wú)煙煤使用，因此，現(xiàn)有煤系石墨查明資源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)可能被大大的低估。

表3 全國(guó)隱晶質(zhì)石墨資源儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)(截至2018 年底)[9]Table 3 Reserves of amorphous graphite in China(until the end of 2018)[9] 單位：萬(wàn)t

近年受石墨烯和石墨應(yīng)用領(lǐng)域拓寬的驅(qū)動(dòng)，煤系石墨評(píng)價(jià)和找礦取得顯著進(jìn)展，其中比較重要發(fā)現(xiàn)包括2016 年內(nèi)蒙古扎魯特旗板子廟礦區(qū)勘查新增隱晶質(zhì)石墨資源量2 220 萬(wàn)t[8]；“陜西省鳳縣巖灣礦區(qū)外圍石墨礦普查”階段性成果表明，可獲煤系石墨333 與334 資源量7 000 余萬(wàn)t；福建煤田地質(zhì)局聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)和福能集團(tuán)等完成的“福建省煤系石墨賦存規(guī)律及資源評(píng)價(jià)”于2019 年5 月通過(guò)福建省自然資源廳組織的評(píng)審驗(yàn)收，劃分了六大煤系石墨遠(yuǎn)景區(qū)，預(yù)測(cè)資源量8 700 余萬(wàn)t；最近又首次在江西贛南崇義礦區(qū)發(fā)現(xiàn)煤系石墨礦產(chǎn)[20]，使粵北、湘中南、贛南、閩西南煤系石墨產(chǎn)地連為一片(南嶺煤系石墨成礦域與濱太平洋煤系石墨成礦域的復(fù)合)，大大拓寬了華南賦煤區(qū)煤系石墨找礦范圍。

4.2 煤系石墨資源前景

中國(guó)大陸是由若干個(gè)穩(wěn)定地塊和活動(dòng)帶經(jīng)多次拼合鑲嵌而成的復(fù)合大陸，活動(dòng)帶密度大，穩(wěn)定地塊規(guī)模小，中、新生代構(gòu)造–巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)包括含煤巖系在內(nèi)的沉積蓋層改造顯著[53]。在此大地構(gòu)造背景中的含煤盆地構(gòu)造–熱演化歷史復(fù)雜，變形顯著、變質(zhì)作用類型多樣、尤其是疊加變質(zhì)作用較普遍，導(dǎo)致煤類空間分異性顯著，在全國(guó)2.02 萬(wàn)億t已探獲煤炭資源量中高煤級(jí)煤占13%[61]，顯示了巨大的煤系石墨資源潛力。

中國(guó)煤炭資源分布廣泛，依據(jù)煤田構(gòu)造格局可以劃分為東北、西北、華北、華南和滇藏五大賦煤構(gòu)造區(qū)，陰山–燕山構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶、秦嶺–大別山構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶、南嶺構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶、濱太平洋構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶和喜馬拉雅構(gòu)造–巖漿活動(dòng)帶對(duì)各大賦煤區(qū)煤變質(zhì)和石墨化均有重要影響[53]。煤系石墨資源調(diào)查評(píng)價(jià)的工作重點(diǎn)應(yīng)在加深對(duì)煤系石墨成礦機(jī)制認(rèn)識(shí)、科學(xué)鑒別煤系石墨及其劃分等級(jí)的基礎(chǔ)上，開展4 大煤系石墨成礦域的全面調(diào)查，由已知煤系石墨礦床向深部和周邊擴(kuò)展，擴(kuò)大現(xiàn)有勘查成果。另一方面，拓寬找礦領(lǐng)域，重點(diǎn)排查各賦煤?jiǎn)卧呙杭?jí)煤產(chǎn)地，主要找礦標(biāo)志包括：燕山期酸性、中酸性深成巖體周邊，區(qū)域性斷裂帶尤其是不同方向斷裂交叉部位，煤系中出現(xiàn)紅柱石、堇青石、藍(lán)晶石等變質(zhì)礦物，煤/石墨層變形強(qiáng)烈呈碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)。有希望的遠(yuǎn)景區(qū)包括：華北賦煤區(qū)周緣逆沖推覆帶高煤級(jí)煤分布區(qū)、太行山東麓諸煤田、山西晉中晉南煤田；華南賦煤區(qū)西南部四川盆地周邊無(wú)煙煤分布區(qū)；西北賦煤區(qū)河西走廊甘肅靖遠(yuǎn)—武威—張掖一線無(wú)煙煤分布區(qū)；滇藏賦煤區(qū)煤炭資源量小、工作程度低，尚無(wú)確切的煤系石墨礦產(chǎn)地報(bào)道，但特提斯構(gòu)造域多期構(gòu)造活動(dòng)和巖漿活動(dòng)，尤其是中、新生代強(qiáng)烈的板塊碰撞構(gòu)造–熱事件，對(duì)煤變形–變質(zhì)作用具有顯著影響，沿區(qū)域性斷裂和巖漿帶可能存在動(dòng)力變質(zhì)–接觸變質(zhì)成因的煤系石墨。

5 開發(fā)利用前景

5.1 煤系石墨開發(fā)利用意義

天然石墨具有耐高溫、高強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、化學(xué)性能穩(wěn)定、潤(rùn)滑性、可塑性等諸多優(yōu)良性質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中耐火材料和鋼鐵冶金是石墨最主要的應(yīng)用方向，市場(chǎng)份額合計(jì)占比超過(guò)40%[10]。近年來(lái)隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，石墨在新材料、新能源領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓寬，尤其是利用高純晶質(zhì)石墨制作石墨烯，引發(fā)材料科學(xué)的一系列突破性進(jìn)展，引起電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫(yī)藥、環(huán)保、太陽(yáng)能、光電等新興領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，從而也極大地推動(dòng)了石墨礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與開發(fā)[10,62-64]。煤系石墨屬于典型的隱晶質(zhì)石墨，晶體直徑一般小于1 μm，是微晶石墨的集合體，由于其自身物理性質(zhì)，是做各種同性石墨的最佳原料，用于鑄造、電池、鉛筆、顏料、耐火材料、碳素制品、增碳劑及鑄錠保護(hù)渣等領(lǐng)域[1,6,10]。隨著石墨材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，煤系石墨的產(chǎn)業(yè)鏈也在延伸。2011 年中國(guó)建材集團(tuán)有限公司旗下南方石墨有限公司進(jìn)駐我國(guó)最大的煤系石墨產(chǎn)地湖南郴州魯塘，投資近40 億元，用于礦區(qū)技改建設(shè)和產(chǎn)品開發(fā)，力爭(zhēng)打造集原礦生產(chǎn)、石墨精深加工、產(chǎn)品研發(fā)、物流貿(mào)易于一體的“中國(guó)最大微晶石石墨產(chǎn)業(yè)集群”。2017 年，福建省提出了《福建省石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2017—2025年)》，布局“兩核三區(qū)”中高端石墨及石墨烯產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，閩西南永安市把發(fā)展石墨和石墨烯新興產(chǎn)業(yè)作為新一輪經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的戰(zhàn)略布局，依托豐富的煤系石墨資源，建設(shè)石墨和石墨烯產(chǎn)業(yè)園，引入石墨產(chǎn)業(yè)高新企業(yè)，致力石墨深加工，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

我國(guó)煤系石墨資源潛力巨大，具有礦體集中、品位高、易開發(fā)等特點(diǎn)，煤系石墨源于煤，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)高于煤，煤系石墨的開發(fā)利用具有重要經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。①作為石墨礦床的重要組成部分，煤系石墨的開發(fā)增強(qiáng)了石墨需求的戰(zhàn)略保障能力，為石墨產(chǎn)業(yè)中初級(jí)產(chǎn)品加工和高端產(chǎn)品應(yīng)用提供資源保障。② 促進(jìn)煤系礦產(chǎn)資源合理開發(fā)利用，煤系礦產(chǎn)種類多、資源量大、潛在價(jià)值高，煤系石墨的高效合理的開發(fā)利用，是煤系礦產(chǎn)資源利用價(jià)值的客觀體現(xiàn)。③促進(jìn)煤炭由單一燃料向燃料和工業(yè)原料并重轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)資源科學(xué)合理利用，推動(dòng)煤炭行業(yè)向新興產(chǎn)業(yè)的邁進(jìn)。④“煤”變身為“石墨”及其系列產(chǎn)品，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值大幅度提升，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。⑤ 有利于礦山轉(zhuǎn)型升級(jí)，煤系石墨成礦區(qū)帶為構(gòu)造–巖漿活動(dòng)區(qū)域，煤系賦存條件復(fù)雜、規(guī)模一般較小，煤炭開采受到極大限制，經(jīng)勘查確認(rèn)變更為石墨礦產(chǎn)則為礦山轉(zhuǎn)型發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

5.2 存在的問(wèn)題與對(duì)策建議

然而，由于歷史和現(xiàn)實(shí)原因，目前煤系石墨礦產(chǎn)資源開發(fā)利用不盡如人意，存在的主要問(wèn)題有：①對(duì)煤系石墨成礦機(jī)制認(rèn)識(shí)膚淺，對(duì)煤系石墨賦存規(guī)律尚不清楚，資源調(diào)查和勘查程度低，資源儲(chǔ)量不可靠。② 缺少煤系石墨鑒別標(biāo)準(zhǔn)和勘查規(guī)范，導(dǎo)致已發(fā)現(xiàn)的煤系石墨礦產(chǎn)難以得到認(rèn)可，抑制了煤系石墨礦產(chǎn)資源勘查的積極性。③煤系石墨的無(wú)序開發(fā)，亂挖亂采，甚至被當(dāng)成無(wú)煙煤開采和銷售，煤系石墨資源浪費(fèi)嚴(yán)重。④ 煤系石墨提純和深加工工藝研發(fā)滯后，仍主要局限于低端應(yīng)用，嚴(yán)重制約了煤系石墨附加值的提高，缺乏產(chǎn)業(yè)升級(jí)良性發(fā)展的動(dòng)力[10,64-65]。⑤ 不合理、過(guò)度資源開發(fā)，造成資源迅速枯竭，并帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。

煤系石墨是石墨礦床的重要組成部分，煤系石墨具有的礦體集中、品位高和易開發(fā)的特點(diǎn)，決定了其必將成為未來(lái)石墨產(chǎn)業(yè)的重要支柱，在新時(shí)期發(fā)展背景的要求下，為滿足《中國(guó)制造2025》計(jì)劃的資源需求，應(yīng)從以下方面開展工作：①深入研究煤系石墨成礦機(jī)制和賦存規(guī)律，建立科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，加強(qiáng)煤系石墨勘查評(píng)價(jià)，摸清資源家底。② 加強(qiáng)政府宏觀調(diào)控，根據(jù)資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展原則科學(xué)規(guī)劃，合理有序地開發(fā)煤系石墨資源，實(shí)現(xiàn)在保護(hù)中開發(fā)、在開發(fā)中保護(hù)。③開展煤系石墨物理化學(xué)性質(zhì)研究，實(shí)現(xiàn)礦床資源分級(jí)分質(zhì)利用，優(yōu)化在耐火材料、鋼鐵原料等傳統(tǒng)工業(yè)的應(yīng)用價(jià)值，提高資源利用率。④ 加強(qiáng)煤系石墨提純和深加工技術(shù)研究，面向石墨產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的高端，提高產(chǎn)品附加值。⑤ 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，推進(jìn)煤系石墨工業(yè)園區(qū)建設(shè)，為以煤–煤系石墨為原料制備人造高純石墨等產(chǎn)品提供服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)，充分將煤炭從傳統(tǒng)粗放型的燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)原料。

6 結(jié)論

a.煤系石墨是一類特殊的非典型晶質(zhì)礦物，與煤層為同層異礦，煤向石墨演化的實(shí)質(zhì)在元素組成上表現(xiàn)為富碳、去氫和脫氧，在分子結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為有序化增強(qiáng)和石墨晶體結(jié)構(gòu)的逐漸形成。煤巖組分、巖漿熱和地質(zhì)構(gòu)造等均對(duì)煤成石墨化作用具有重要影響，在多因素綜合作用下，煤系石墨成礦常表現(xiàn)出差異石墨化特征。

b.從煤系石墨成礦機(jī)理入手，提出了以化學(xué)組成參數(shù)為基礎(chǔ)指標(biāo)，以結(jié)構(gòu)參數(shù)為精確指標(biāo)的煤系石墨鑒別指標(biāo)體系；從資源評(píng)價(jià)需求出發(fā)，將不同演化程度的煤系石墨劃分為Ⅰ級(jí)(石墨)、Ⅱ級(jí)(半石墨)和Ⅲ級(jí)(石墨化無(wú)煙煤)等3 類。

c.基于煤系石墨的成礦條件和控制因素，首次開展了煤系石墨成礦區(qū)帶劃分，受區(qū)域性構(gòu)造–巖漿帶控制，我國(guó)煤系石墨成礦區(qū)帶呈現(xiàn)“一縱三橫”的分布特點(diǎn)，劃分為濱太平洋成礦域、南嶺成礦域、秦嶺–大別山成礦域和陰山–燕山成礦域及9 個(gè)成礦帶。

d.我國(guó)煤系石墨(隱晶質(zhì)石墨)查明資源儲(chǔ)量?jī)H占全國(guó)石墨資源儲(chǔ)量的18%，由于缺乏鑒別煤系石墨的科學(xué)指標(biāo)，現(xiàn)有煤系石墨查明資源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)可能被大大的低估，由于我國(guó)煤炭資源豐富和賦煤區(qū)構(gòu)造–熱疊加作用顯著，煤系石墨資源潛力巨大。

e.煤系石墨資源開發(fā)對(duì)于新時(shí)期背景下的社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)需求具有重大意義，摸清資源家底，提出適宜的開發(fā)利用途徑，提高煤系石墨資源利用價(jià)值，是實(shí)現(xiàn)煤系石墨資源合理開發(fā)利用和相關(guān)煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑。