湖南魯塘煤系石墨礦區(qū)構(gòu)造格局及控礦機(jī)制

王 路，彭?yè)P(yáng)文，曹代勇，丁正云，莫佳峰

(1.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；2.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

煤系石墨又稱(chēng)為煤成石墨，是隱晶質(zhì)石墨的主要類(lèi)型，屬于戰(zhàn)略性新興礦產(chǎn)[1-2]。湖南魯塘礦區(qū)是全國(guó)重要的隱晶質(zhì)石墨(煤系石墨)產(chǎn)地，素有“石墨之都”的美稱(chēng)。前人對(duì)魯塘石墨礦區(qū)的研究主要局限于巖漿熱變質(zhì)作用，曾提出按照與騎田嶺花崗巖體的距離由近及遠(yuǎn)，呈現(xiàn)石墨—半石墨—煤漸變關(guān)系的模式[3]，然而魯塘礦區(qū)煤和石墨礦生產(chǎn)實(shí)際揭露的情況表明，上述模式過(guò)于簡(jiǎn)單和理想化，煤系石墨與無(wú)煙煤的過(guò)渡關(guān)系十分復(fù)雜[4]，已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到石墨礦分布受褶皺構(gòu)造的控制，并不完全與距騎田嶺巖體的遠(yuǎn)近有關(guān)[5]。煤成石墨化作用與煤化作用是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，與煤化作用相同，溫度是石墨化作用的主導(dǎo)因素，但構(gòu)造作用同樣不可忽視，野外地質(zhì)研究和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了構(gòu)造變形在煤系石墨成礦機(jī)制中起到的關(guān)鍵作用[2,6-9]。因此，系統(tǒng)深入地研究魯塘礦區(qū)構(gòu)造特征及其控礦作用，不僅可以深化對(duì)煤系石墨成礦機(jī)制的認(rèn)識(shí)，而且也有利于查明煤系石墨展布規(guī)律，為石墨礦產(chǎn)合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造背景

魯塘礦區(qū)位于湘東南地區(qū)，地處華夏地塊與揚(yáng)子陸塊交界帶，經(jīng)歷自加里東時(shí)期以來(lái)多期次、多階段漫長(zhǎng)的構(gòu)造–巖漿活動(dòng)[10-12]。湘東南地區(qū)以SEE向俯沖斷裂—茶陵–郴州大斷裂為界，分為東部炎陵–汝城隆起區(qū)和西部衡陽(yáng)–桂陽(yáng)拗陷區(qū)，呈現(xiàn)出東高西低的趨勢(shì)。由于多期次大規(guī)模的構(gòu)造–巖漿活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)成為鎢、錫等多金屬成礦有利區(qū)，是南嶺多金屬成礦帶的重要組成部分[13]。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)背景

魯塘礦區(qū)位于騎田嶺花崗巖體西部，主要含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，騎田嶺巖體是煤發(fā)生石墨化的主要熱源。騎田嶺花崗巖體受區(qū)域構(gòu)造影響呈NNE 向展布，巖漿自燕山早期開(kāi)始侵入形成，分布面積達(dá)520 km2，巖性主要為角閃石黑云母二長(zhǎng)花崗巖、黑云母花崗巖、細(xì)粒黑云母花崗巖[14-15]。礦區(qū)主體構(gòu)造為走向NNE 的魯塘–沙田復(fù)式向斜(向2)，向斜西翼構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，地層出露較完整；東翼構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，發(fā)育一系列次級(jí)斷層和褶皺，對(duì)煤系石墨的成礦和分布均有較大影響。礦區(qū)內(nèi)主要有兩組斷層，一組為近EW 向的平移正斷層，另一組為近SE 或NNE 向的走向逆斷層(圖1)。

2 礦區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/h2>

魯塘礦區(qū)經(jīng)歷多期次構(gòu)造–巖漿活動(dòng)，尤其是燕山期受太平洋板塊與印度洋板塊擠壓影響，構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈，由SE 向NW 的擠壓造就了現(xiàn)今的構(gòu)造格局，呈現(xiàn)南北分區(qū)、東西分帶的特征。依據(jù)巖漿熱接觸變質(zhì)程度和構(gòu)造變形強(qiáng)度，由強(qiáng)到弱將研究區(qū)從東到西劃分為東部條帶、中部條帶和西部條帶(表1)；以近NNW 向的F4 和F5 斷層為界，從北到南劃分為3 個(gè)區(qū)，即北部分區(qū)、中部分區(qū)、南部分區(qū)(圖1)。

2.1 分帶特征

東部條帶與騎田嶺巖體直接接觸，巖漿熱接觸變質(zhì)程度較高，巖石發(fā)生強(qiáng)角巖化，可見(jiàn)變質(zhì)礦物空晶石(圖2a)。巖體侵入產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致東部條帶地勢(shì)抬升，構(gòu)造情況復(fù)雜，一方面使前期形成的褶皺更加復(fù)雜化，另一方面則形成新的斷裂和褶皺，如F1 和F7 斷層，背2、向3、背3、向4 褶皺。巖石顯微構(gòu)造可見(jiàn)石英動(dòng)態(tài)重結(jié)晶和斜長(zhǎng)石的扭折帶等塑性變形(圖2b、圖2c)，指示為高溫高壓的環(huán)境。

中部條帶與騎田嶺巖體間接接觸，巖漿熱接觸變質(zhì)程度降低，巖石主要出現(xiàn)弱角巖化—角巖化，同時(shí)地層受巖體侵入擠壓變形強(qiáng)度減弱。中部條帶地形情況相對(duì)復(fù)雜，受東部條帶抬升拉伸，發(fā)育F2和F8 等走向與構(gòu)造線(xiàn)方向相一致的次級(jí)斷裂。巖石顯微構(gòu)造可見(jiàn)晶內(nèi)裂隙等脆性變形和石英波狀消光、帶狀消光和變形紋等塑性變形(圖2d、圖2e)，說(shuō)明變質(zhì)溫度壓力條件相對(duì)東部條帶逐漸降低。

西部條帶與騎田嶺巖體距離相對(duì)較遠(yuǎn)，熱接觸變質(zhì)程度較弱，可見(jiàn)綠泥石化，局部并未見(jiàn)有巖石變質(zhì)現(xiàn)象。受巖體侵入的擠壓應(yīng)力較小，地層產(chǎn)狀相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造情況簡(jiǎn)單，不存在明顯的斷裂和次級(jí)褶皺，顯微構(gòu)造可見(jiàn)方解石的機(jī)械雙晶(圖2f)，反映一種低溫低壓的變質(zhì)環(huán)境。

2.2 分區(qū)特征

北部分區(qū)位于F4 斷層北部，主要位于魯塘沙田復(fù)向斜北端，受巖體強(qiáng)烈擠壓呈狹長(zhǎng)形態(tài)，并發(fā)育許多次級(jí)斷裂和褶皺(圖3a)，如F8 和F4 斷層，崩塘–磨刀水背斜(背3)、長(zhǎng)沙嶺–婆婆嶺向斜(向4)，總體上呈現(xiàn)為一種緊閉的形態(tài)，且?guī)r石的巖漿熱接觸變質(zhì)程度較高。

圖1 魯塘礦區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Sketch division of tectonic units in Lutang mining area

中部分區(qū)位于礦區(qū)的中部，F(xiàn)4 和F5 斷層之間。中部分區(qū)位于魯塘沙田復(fù)向斜中段，向斜相對(duì)開(kāi)闊，自東向西構(gòu)造情況變化顯著，東側(cè)發(fā)育較多次級(jí)斷層和褶皺，西側(cè)構(gòu)造情況簡(jiǎn)單，呈現(xiàn)為東側(cè)緊閉、西側(cè)開(kāi)闊的形態(tài)(圖3b)。

南部分區(qū)位于F5 斷層以南，位于魯塘沙田復(fù)向斜南端，東翼和西翼構(gòu)造情況較簡(jiǎn)單，次級(jí)褶皺和斷裂構(gòu)造不發(fā)育，總體上呈現(xiàn)為一種開(kāi)闊的形態(tài)(圖3c)，巖石受巖體侵入的擠壓變形強(qiáng)度較弱。

3 構(gòu)造控礦

3.1 煤系石墨特征

圖2 魯塘礦區(qū)典型變質(zhì)礦物與顯微構(gòu)造(正交偏光)Fig.2 Typical metamorphic minerals and microstructure in Lutang mining area

表1 構(gòu)造分帶特征表Table 1 The features of the tectonic zoning

圖3 魯塘礦區(qū)北部、中部和南部分區(qū)剖面示意Fig.3 The geological section of northern,central and southern zones in Lutang mining area

本次樣品主要采自魯塘礦區(qū)石墨十礦、九礦等10 個(gè)礦井。由前人研究成果可知，可用X 射線(xiàn)衍射和激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)參數(shù)d002和R2分別表征芳香碳層堆疊間距和分子結(jié)構(gòu)缺陷密度。隨著石墨化程度提高，芳香層逐漸有序排列、堆疊，無(wú)序結(jié)構(gòu)逐漸向有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為芳層間距d002和結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)R2值逐漸減小，依據(jù)其石墨化程度可以劃分為煤系石墨、煤系半石墨、石墨化無(wú)煙煤和無(wú)煙煤4 類(lèi)[5,19-20]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知(表2)，在北部分區(qū)，碳層間距d002值均小于0.337 0 nm，芳香層橫向和縱向尺寸均較大，結(jié)構(gòu)缺陷參數(shù)R2為0.26～0.33，表明含有的結(jié)構(gòu)缺陷較少，煤的石墨化程度高，形成具有有序晶體結(jié)構(gòu)的煤系石墨；中部分區(qū)內(nèi)樣品的石墨化程度差異性較大，距離巖體越近，煤的石墨化程度越高，其碳層間距d002可達(dá)到0.336 3 nm，距離巖體較遠(yuǎn)的樣品石墨化程度較差，芳香層的結(jié)晶程度較低；南部分區(qū)內(nèi)樣品的石墨化程度相對(duì)較差，d002和R2參數(shù)均表明其結(jié)晶程度較低，含有的結(jié)構(gòu)缺陷相對(duì)較多，僅在靠近巖體附近局部地方形成了石墨化程度較高的煤系半石墨。

3.2 構(gòu)造對(duì)煤系石墨成礦的影響

前人已經(jīng)對(duì)煤成石墨演化過(guò)程中構(gòu)造應(yīng)力作用機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究，認(rèn)為構(gòu)造應(yīng)力在煤的石墨化過(guò)程中扮演著重要的角色，是煤向石墨演化過(guò)程的重要因素[17-20]。在研究區(qū)內(nèi)，自西向東，煤層與巖體的距離逐漸減小，受巖漿熱變質(zhì)作用的溫度逐漸升高，同時(shí)，構(gòu)造情況逐漸由簡(jiǎn)單變復(fù)雜，導(dǎo)致礦層從原生結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)脆性變形、韌性變形，煤的石墨化程度也逐漸增高(圖4)。

表2 魯塘礦區(qū)樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 XRD and Raman data of samples in Lutang mining area

在北部分區(qū)中，整體構(gòu)造呈狹長(zhǎng)、緊閉的形態(tài)；與巖體距離較近，受巖漿熱變質(zhì)溫度較高，且受巖體擠壓構(gòu)造變形作用較強(qiáng)，易形成封閉式環(huán)境，熱量不易散失，形成高溫–高壓條件；構(gòu)造應(yīng)力作用不僅導(dǎo)致礦層出現(xiàn)強(qiáng)烈的韌性變形，且提高了煤的石墨化程度，在該區(qū)內(nèi)主要分布煤系石墨。在中部分區(qū)，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的向斜西翼，距離巖體較遠(yuǎn)，煤層受巖漿熱變質(zhì)溫度較低，形成開(kāi)放式環(huán)境，主要形成高變質(zhì)無(wú)煙煤，自西向東，隨著巖漿熱變質(zhì)溫度逐漸升高，構(gòu)造情況逐漸復(fù)雜，礦層變形強(qiáng)度逐漸增高，在中帶和東帶形成以半開(kāi)放–半封閉環(huán)境和封閉式環(huán)境為主，分別主要形成煤系半石墨和煤系石墨。在南部分區(qū)，整體構(gòu)造情況簡(jiǎn)單，構(gòu)造變形強(qiáng)度較弱，形成以開(kāi)放式環(huán)境為主，巖漿侵入提供的熱量難以保存，僅在靠近巖體附近形成石墨化程度相對(duì)較高的煤系半石墨。

圖4 魯塘礦區(qū)煤系石墨成礦分布模式Fig.4 The distribution model of coal-based graphite in Lutang mining area

4 結(jié)論

a.在區(qū)域構(gòu)造背景下，魯塘礦區(qū)呈現(xiàn)出以NNE向?yàn)橹鞯南蛐睒?gòu)造，并具有分區(qū)分帶性特征，依據(jù)巖漿熱接觸變質(zhì)程度和構(gòu)造復(fù)雜程度，將礦區(qū)分為東西向的3 個(gè)條帶和南北向的3 個(gè)分區(qū)，自西向東，巖漿熱接觸變質(zhì)程度逐漸升高，構(gòu)造變形強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，由南向北，構(gòu)造情況逐漸復(fù)雜，礦層變形強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

b.由X 射線(xiàn)衍射和激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，自西向東，受巖漿熱作用的影響，煤的石墨化程度逐漸升高；自南向北，煤的石墨化程度逐漸升高，碳層間距逐漸減小，結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消亡，發(fā)育較好的有序的石墨結(jié)構(gòu)。

c.煤系石墨的形成和賦存并不只受巖漿熱作用的影響，構(gòu)造為煤系石墨提供有利的成礦條件。構(gòu)造復(fù)雜的北部分區(qū)，構(gòu)造變形較強(qiáng)，形成的封閉式環(huán)境有利于煤系石墨形成；南部分區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，形成以開(kāi)放式環(huán)境為主，僅僅在靠近巖體附近形成煤系半石墨；中部分區(qū)內(nèi)構(gòu)造情況復(fù)雜，煤的石墨化程度差異性較大，從無(wú)煙煤到煤系石墨均有分布。