福建大田—漳平地區(qū)構(gòu)造-熱對煤系石墨成礦及賦存的控制探討

丁正云，王 路，曾 歡，李 陽，陳泉霖，鄧瑞錦，程 喬，林曉炎，曹代勇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建 福州 350005)

煤系石墨是由富集型煤在煤化作用階段進入石墨化作用階段形成的，隨著演化程度的不同，其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有序化程度發(fā)生變化。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞煤成石墨的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等方面進行了探討，取得了一定的成果[1-3]。一些學(xué)者認(rèn)為煤向石墨演化主要受巖漿熱單一因素的影響，并未重點關(guān)注構(gòu)造，尤其是構(gòu)造應(yīng)力對煤成石墨化的影響。然而，K.R.Wilks 等[4]、R.M.Bustin等[5]通過模擬實驗證明了應(yīng)力可以促進煤向石墨演化，且剪切應(yīng)力的促進作用更加明顯；構(gòu)造煤的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造應(yīng)力作用可以促使煤的超前演化，表現(xiàn)為構(gòu)造煤具有較大的大分子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的有序排列[6-9]。因此，在多因素的制約下，煤成石墨化過程更加復(fù)雜。福建省位于東部濱太平洋構(gòu)造帶上，巖漿活動顯著、構(gòu)造十分發(fā)育、煤變質(zhì)程度高，有較好的煤系石墨資源前景。以福建省大田—漳平地區(qū)礦區(qū)為主要研究對象，選取不同礦區(qū)不同變質(zhì)程度的煤/石墨礦樣品，結(jié)合巖漿-構(gòu)造條件，研究煤系石墨礦區(qū)的化學(xué)組成及微觀結(jié)構(gòu)特征，探討煤系石墨的巖漿活動及構(gòu)造等特征及其分布規(guī)律，為煤系石墨礦產(chǎn)綜合勘查開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

福建省位于東部濱太平洋構(gòu)造成礦帶上，是煤系石墨礦的富集區(qū)。自晚太古代以來經(jīng)歷了多次造山運動影響，特別是印支-燕山運動的活動影響最為顯著，NNE—NEE、NW—EW 及S—N 走向斷裂十分發(fā)育，形成大小不同的地塊。最突出的是NE 向的晉江–永安斷裂帶與NNE 向的政和—大埔構(gòu)造-巖漿帶相交匯，將福建省割切為閩西北、閩西南及閩東3 個地塊，各主要構(gòu)造期均伴有規(guī)模不等的巖漿侵入活動。

福建省大田—漳平地區(qū)(圖1)位于閩西南加里東–印支期陸內(nèi)疊合造山帶永梅拗陷區(qū)中段，政和–大埔斷裂帶以西、晉江–永安斷裂帶以南地區(qū)。從西往東由沙縣–永安復(fù)式向斜，青水–龍巖復(fù)式向斜等一系列NE 向的次級構(gòu)造單元組成，構(gòu)造軸線總體走向NNE。研究區(qū)含煤地層為中二疊統(tǒng)童子巖組，該含煤區(qū)經(jīng)歷了自晚古生代以來多次期構(gòu)造運動，巖漿巖體分布廣泛，尤以燕山期構(gòu)造–巖漿活動最為強烈和頻繁，對煤系影響最為顯著。

圖1 大田—漳平地質(zhì)簡圖及采樣點Fig.1 Geological sketch map and sampling locations of the Datian-Zhangping area

2 煤系石墨基本特征

2.1 樣品宏觀構(gòu)造變形特征

以福建省大田—漳平地區(qū)煤/石墨礦區(qū)為研究對象，選取該地區(qū)10 個礦區(qū)不同變質(zhì)程度的15 個煤/石墨樣品(圖1)，由于礦區(qū)含煤地層沉積、聚煤環(huán)境等具有較大差異，樣品變質(zhì)程度的分布范圍較大。在一期或多期構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤體原生結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形或疊加破壞，由此也引發(fā)了其內(nèi)部化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化[6]，樣品宏觀上既有脆性變形的碎粒、碎裂結(jié)構(gòu)，也有構(gòu)造變形強烈的揉皺狀結(jié)構(gòu)或煤成石墨典型的鱗片結(jié)構(gòu)。如大田地區(qū)9HP-1、QK-1-B、QK-2、9XGZ-2、9XGZ-4、SQ-4-B 樣品為構(gòu)造變形稍弱的碎粒、碎裂煤，原生結(jié)構(gòu)難以辨認(rèn)，樣品易碎成小塊。漳平地區(qū)樣品的變形類型不同，其中WK-3-B、9WK-1、KK-3-B、9KK-3-1、9KK-3-2 樣品構(gòu)造變形強烈，主要以鱗片狀、揉皺狀的韌性變形特征為主，裂隙發(fā)育較少，煤體可見揉皺現(xiàn)象，大田溪洋煤礦部分樣品(XY-4)也有此特征；而WSG-1-B、SSK-1-B、SBK-2-B 則主要以脆性變形為主，煤體破碎較嚴(yán)重，呈碎粒一小塊狀。依據(jù)變形機制不同，可將上述3種變形類型劃分為脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形(表1)。

表1 樣品基本信息與工業(yè)分析、元素分析Table 1 Basic information and proximate analysis and element analysis data of coal-based graphite samples

2.2 化學(xué)組成及微觀結(jié)構(gòu)特征

煤的石墨化是化學(xué)組成上富碳、去氫、脫氧、大分子結(jié)構(gòu)逐漸有序化的過程[10-12]，此過程中由多種元素向單一元素組成演化，H、O、N、S 等異種元素?fù)诫s在芳環(huán)結(jié)構(gòu)中造成異質(zhì)原子吸附缺陷、取代缺陷等[13]，隨著碳含量增多，雜元素含量減少，芳環(huán)結(jié)構(gòu)中的缺陷逐步降低。

為探討煤/石墨的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)特征等煤成石墨化特征變化，對樣品進行工業(yè)分析、元素分析、X 射線衍射和激光拉曼光譜等實驗(表1、表2)。由元素分析實驗結(jié)果可知樣品的演化程度很高，H/C 原子比基本小于0.1，屬于國際煤巖學(xué)與有機巖石學(xué)會(ICCP)所劃定石墨的H/C 范圍[14-16]，隨著變質(zhì)程度的增高，煤基本結(jié)構(gòu)單元碳原子面網(wǎng)間距逐漸減小[17]，同時各種類型的結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消亡，表征石墨結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)育程度的拉曼光譜參數(shù)R2=AD1/(AD1+AG+AD2)逐漸減小[12,19]，碳原子排列有序度較高，逐漸形成三維有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)[19-20]。

根據(jù)文獻[21]中高變質(zhì)無煙煤-煤成石墨類型的分類模板，以碳層間距d002值和拉曼參數(shù)R2值作為結(jié)構(gòu)指標(biāo)，可以將大田—漳平地區(qū)樣品劃分為煤成石墨()Ⅰ、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化無煙煤(Ⅲ))三大類(表2)。根據(jù)表2 可以看出，研究區(qū)韌性變形特征樣品的碳層間距d002均位于0.335 7～0.337 0 nm，R2＜0.6，石墨微晶結(jié)晶程度較好，石墨晶體的三維有序度高，為煤成石墨；脆-韌性變形樣品的碳層間距d002位于0.337～0.344 nm，R2為0.4～0.7，微晶尺寸(Lc和La)增大，表明樣品石墨化程度較高，已達到煤成半石墨；而脆性樣品其d002值部分大于0.344 nm，R2基本小于0.7，樣品已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的石墨化，但部分樣品石墨化程度不高，含有的結(jié)構(gòu)缺陷較多，尚未形成規(guī)整、有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)，屬于石墨化無煙煤。

3 煤系石墨的分布規(guī)律

研究區(qū)從石墨化無煙煤(Ⅲ類)到煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)、煤成石墨(Ⅰ類)均有分布(表2)，其中，漳平地區(qū)樣品多為煤成石墨(Ⅰ類)，部分為煤成半石墨(Ⅱ1)，大田地區(qū)既有煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，也有石墨化程度不高的石墨化無煙煤(Ⅲ類)，之所以形成這樣的分布格局，和大田—漳平地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造-熱條件有關(guān)(圖1，圖2)。

表2 樣品X 射線衍射、拉曼光譜數(shù)據(jù)及石墨類型Table 2 XRD and Raman spectral analysis data and distribution of different types of coal-based graphite samples

巖漿巖入侵產(chǎn)生的高溫為煤層的石墨化提供了熱力條件，而構(gòu)造格局，特別是斷裂帶的展布，對煤系石墨的空間分布也有明顯的控制作用，大田—漳平地區(qū)多期次構(gòu)造運動形成了一系列NNE、NEE、NW 及EW、SN 向斷裂帶，構(gòu)成了“東西分帶、南北分塊”的基本構(gòu)造格局(圖2)。煤系石墨的分布規(guī)律有：a.該區(qū)煤系石墨礦分布具有明顯的成區(qū)及成帶分布的特點，石墨成礦區(qū)主要集中在閩西南坳陷南部的漳平一帶，幾乎都是煤成石墨(Ⅰ類)，其次為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)；而在北部大田一帶分布的礦區(qū)石墨化程度較漳平一帶低，多為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，還有部分石墨化無煙煤(Ⅲ類)。b.煤系石墨成礦區(qū)主要呈NE、NNE 向展布，少部分為NW 向展布。NE 向煤系石墨成礦區(qū)可分為兩個亞區(qū)，漳平可坑–烏坑成礦亞區(qū)和永安–大田成礦亞區(qū)[21]。c.區(qū)內(nèi)的Ⅰ級控礦斷裂(如政和–大埔斷裂帶)控制著主要成礦帶的分布；次一級的Ⅱ級控礦斷裂(如斷裂帶的派生構(gòu)造或礦區(qū)發(fā)育的構(gòu)造)既控制著不同期次的巖漿活動，成為巖漿熱導(dǎo)熱通道，也成為地層變質(zhì)的隔熱層，為煤系石墨創(chuàng)造了良好的成礦空間，故在此帶上石墨礦相對集中分布。

圖2 大田–漳平地區(qū)煤成石墨分布Fig.2 Distribution of coal-based graphite in Datian-Zhangping area

4 煤系石墨成礦的控制因素

研究區(qū)內(nèi)多期構(gòu)造演化形成了復(fù)雜多變的構(gòu)造格局和多種成巖成礦環(huán)境，是中國東南部重要的成礦集中區(qū)，也是南嶺東西構(gòu)造帶[22-23]與東部濱太平洋成礦帶的亞洲大陸邊緣NNE 向構(gòu)造帶交替演化的疊合部位，兩個構(gòu)造帶長期、反復(fù)劇烈活動，不斷演化，使其交匯部位的區(qū)域成巖、成礦條件發(fā)生變化，形成封閉的擠壓環(huán)境，成為重要的成礦帶。不同時期的巖漿熱液作用和復(fù)雜多變的構(gòu)造形變格局，為大田—漳平地區(qū)形成豐富的石墨礦床提供了良好的成礦條件。

4.1 巖漿巖對煤系石墨成礦的控制

巖漿巖作為礦質(zhì)及成礦熱液的重要來源，其侵入時產(chǎn)生的高溫促進附近煤的變質(zhì)作用和石墨化作用，要達到一定石墨化程度，需要有達到能發(fā)生相應(yīng)石墨化作用的能量，理論上高溫為原子重排、重結(jié)晶、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化提供了活化能[24]，有利于煤向石墨轉(zhuǎn)變。研究區(qū)經(jīng)歷了印支期、燕山期等多期次巖漿侵入活動，其中燕山期侵入規(guī)模最大，分布在政和-大埔斷裂帶兩側(cè)，對含煤地層的影響最大。

大田—漳平地區(qū)巖漿巖侵入體與石墨礦的成礦關(guān)系主要表現(xiàn)在以下幾個方面：a.在空間上，區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)石墨礦床產(chǎn)出于巖漿巖侵入體外接觸帶或附近斷裂帶的有利圍巖地層中，如漳平可坑礦區(qū)的構(gòu)造動力–巖漿熱變質(zhì)帶、巖漿熱-構(gòu)造變質(zhì)帶、構(gòu)造動力變質(zhì)帶[20]。就每一個礦區(qū)來說，礦床(點)經(jīng)常圍繞花崗巖體接觸帶分布，可坑礦區(qū)、大田下蓋竹等礦區(qū)均屬于此類；b.巖漿巖體的產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模及其與圍巖的接觸關(guān)系對石墨礦的產(chǎn)出和富集有顯著的影響，巖體順層侵入或巖體與含煤地層環(huán)抱式侵入，對煤的石墨化程度影響各不相同，后者對煤系石墨成礦最為有利，石墨礦的規(guī)模也相對較大，如可坑礦區(qū)；c.從巖漿巖體的侵位深度來看，深成侵入相或中深成侵入相的大巖體、巖基接觸帶、大巖株的邊緣等，侵入面積較大，熱能充足，對煤系石墨的成礦比較有利，如漳平可坑礦區(qū)；而較小的巖漿巖體或小巖脈則很少有石墨礦產(chǎn)出。這可能是因為淺成侵入的熱源散失較快，冷卻迅速，不利于接收并保存來自于巖漿巖體侵入時的高溫?zé)嵋簹?，且作用時間短，影響煤的石墨化范圍較小，僅在巖脈附近煤的石墨化程度較好，如石板坑、烏石隔礦區(qū)。

4.2 構(gòu)造對煤系石墨成礦的控制

構(gòu)造對礦產(chǎn)的控制作用表現(xiàn)在對礦產(chǎn)形成、產(chǎn)出、分布的控制，大規(guī)模的走滑斷層及斜向逆沖構(gòu)造等斷裂帶的發(fā)育不僅能控制巖漿巖體的侵入活動，作為巖漿熱的導(dǎo)熱通道，還能引起強烈的構(gòu)造變形，可形成封閉式環(huán)境，成為含煤地層熱變質(zhì)的隔熱層，起到保溫作用，構(gòu)成復(fù)雜的構(gòu)造-熱變質(zhì)變形環(huán)境，有利于石墨化的發(fā)生。

更重要的是構(gòu)造應(yīng)力不僅可以造成煤的宏觀、微觀和超微觀變形，同時可以作用于煤中大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)，改變其化學(xué)組成。眾多學(xué)者在構(gòu)造煤的研究中已經(jīng)進行深入探討，曹代勇等[25]提出在煤化作用中的應(yīng)力降解-應(yīng)力縮聚機制；王路等[18]對湖南魯塘礦區(qū)煤系石墨的研究中提出了應(yīng)變誘導(dǎo)石墨化機制；李小詩等[26]認(rèn)為由于構(gòu)造變形造成煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)和次生缺陷的不同，是導(dǎo)致構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤大分子結(jié)構(gòu)不同的主要原因；張玉貴等[8]指出構(gòu)造煤演化中的力化學(xué)作用，可引起裂解、聚合、正構(gòu)、異構(gòu)等化學(xué)變化。

大田—漳平地區(qū)童子巖組含煤巖系由軟硬巖層相間組合而成，在其形成以后的構(gòu)造運動中，作為軟巖層的煤層在構(gòu)造作用力下破壞并發(fā)生塑性流動，從區(qū)域構(gòu)造背景來看，研究區(qū)位于東西兩條逆沖推覆構(gòu)造帶的中間層，尤其沿政和-大埔斷裂帶附近，受強烈的擠壓、推覆構(gòu)造的影響，煤在不同應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境中形成不同的變形特征。壓性、壓扭性或剪切變形環(huán)境，導(dǎo)致煤層受構(gòu)造應(yīng)力作用較強，含煤地層受到強烈破壞，形成脆性變形的碎粒煤、碎粉煤等；在較強的構(gòu)造應(yīng)力作用、較高的溫度和壓力變形環(huán)境下產(chǎn)生流變、揉皺變形或鱗片狀等韌性變形特征；而脆-韌性過渡的變形構(gòu)造界于脆性和韌性之間，煤的變形也表現(xiàn)出脆-韌性疊加的特點[9]。

在韌性變形環(huán)境下，巖漿熱變質(zhì)疊加動力變質(zhì)作用，煤層在巖漿熱與構(gòu)造應(yīng)力共同作用下，促使煤的石墨化程度變高。從樣品變形類型來看，同一地區(qū)不同礦區(qū)或同一礦區(qū)礦層產(chǎn)出于不同構(gòu)造變形環(huán)境的煤，其石墨化程度出現(xiàn)差異性，如漳平可坑、烏坑礦區(qū)，以韌性變形為主的樣品 KK-3-B 和WK-3-B，碳層間距減小為0.336 1 nm 和0.336 2 nm，堆砌度和延展度增大，R2為0.343 和0.338，樣品多以Ⅰ類煤成石墨為主，說明韌性變形作用不僅促進了脂族結(jié)構(gòu)的降解和環(huán)化縮合，同時也使芳香結(jié)構(gòu)相互拼疊，形成了更大尺寸的芳香層片，發(fā)生了應(yīng)力縮聚作用，這也進一步表明構(gòu)造應(yīng)力作用能促進煤的石墨化。

脆性斷裂導(dǎo)致煤的變形以脆性變形為主，形成碎粉狀、碎粒狀結(jié)構(gòu)，斷裂構(gòu)造發(fā)育切斷含煤地層，成為巖漿熱的導(dǎo)熱通道，為煤的石墨化提供熱源，但又成為巖漿熱的散熱通道，形成一開放性環(huán)境，煤的石墨化程度不高，d002值大于0.344 nm 或R2大于0.65，如瓊口石墨礦(QK-2)、烏石隔礦(WSG-1-B)、石板坑(SBK-2-B)等礦區(qū)，樣品多形成Ⅱ2類煤成半石墨，甚至是Ⅲ類石墨化無煙煤。而以脆-韌性變形為特征的下蓋竹、可坑等部分樣品，變形表現(xiàn)出脆-韌性疊加特點，如9XGZ-4、9KK-3-2，其碳層間距(0.341 8 nm、0.337 2 nm)和R2值(0.611、0.469)明顯較韌性變形樣品高又比脆性樣品低，在半開放-半封閉式環(huán)境主要形成Ⅱ1和Ⅱ2類煤成半石墨。

5 結(jié)論

a.根據(jù)變形機制不同，可將煤的變形類型分為脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形。以碳層間距d002值和拉曼參數(shù)R2值作為結(jié)構(gòu)指標(biāo)，可以將大田—漳平地區(qū)不同變形特征的樣品劃分為煤成石墨(Ⅰ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化無煙煤(Ⅲ)三大類，煤的變形特征與煤成石墨類型基本一致。

b.絕大多數(shù)石墨礦床均產(chǎn)出于巖漿巖侵入體外接觸帶或附近斷裂帶的有利圍巖地層中，且?guī)r漿巖體的產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模及其與圍巖的接觸構(gòu)造形式對石墨礦的產(chǎn)出和富集有明顯的控制作用；深成侵入相或中深成侵入相大巖體、巖基接觸帶、大巖株的邊緣等對煤系石墨的成礦比較有利。

c.同一地區(qū)不同礦區(qū)或同一礦區(qū)產(chǎn)出于不同構(gòu)造變形環(huán)境的礦層，煤的石墨化程度呈現(xiàn)差異性。構(gòu)造應(yīng)力作用能促進煤的石墨化作用，韌性變形過程中大分子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力縮聚變形機理使得煤層在韌性變形環(huán)境下，因巖漿熱變質(zhì)疊加動力變質(zhì)作用，其石墨化程度較高，以Ⅰ類煤成石墨為主。

d.大田—漳平地區(qū)煤系石墨礦具有明顯的成區(qū)、成帶分布特點，煤成石墨成礦區(qū)主要集中在閩西南坳陷南部的漳平一帶，幾乎都為Ⅰ類石墨；北部大田一帶分布的礦區(qū)礦體石墨化程度較漳平一帶低，多為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，甚至是石墨化無煙煤；研究區(qū)煤系石墨成礦區(qū)主要呈NE、NNE向展布，可進一步分為漳平可坑–烏坑成礦亞區(qū)和永安–大田成礦亞區(qū)兩個亞區(qū)。