閩西南地區(qū)煤成石墨的控制因素與成礦區(qū)帶劃分

王 路，曹代勇，丁正云，陳泉霖，鄧瑞錦，林曉炎，李 陽，杜 欣

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

碳材料作為21世紀(jì)革命性的新材料，將推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入新的發(fā)展階段。石墨作為碳材料的主要原材料而備受各界廣泛關(guān)注，并被世界各國列為國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源[1-3]。煤成石墨屬于隱晶質(zhì)石墨，由煤及煤系炭質(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[2]。我國隱晶質(zhì)石墨礦源層主要為晚古生代石炭系、二疊系至侏羅系的煤系地層，成礦大地構(gòu)造位置主要位于環(huán)太平洋構(gòu)造域活動(dòng)大陸邊緣帶，由強(qiáng)烈的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)導(dǎo)致煤發(fā)生石墨化形成煤成石墨[4-5]。福建省位于歐亞大陸板塊的東南緣，中生代以來多期次、大規(guī)模的構(gòu)造巖漿活動(dòng)導(dǎo)致閩西南地區(qū)煤變質(zhì)程度較高，均達(dá)到無煙煤-石墨階段。然而，現(xiàn)今對(duì)閩西南地區(qū)煤成石墨的研究甚少，仍處于資源洼地。筆者在對(duì)閩西南地區(qū)不同演化程度的無煙煤及煤成石墨特征研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造-巖漿熱地質(zhì)條件，探討了煤成石墨的成礦機(jī)制，劃分了煤成石墨的成礦區(qū)帶，為未來石墨資源勘探和綜合利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

福建省位于歐亞板塊東南緣，東臨太平洋板塊，為全球構(gòu)造-巖漿活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一[6]。二疊系童子巖組為主要含煤地層，分布于閩西南坳陷內(nèi)。依據(jù)區(qū)域構(gòu)造格局，自西向東可以劃分為西、中、東3個(gè)含煤條帶，西部含煤條帶主要為連城—武平煤田;中部含煤條帶內(nèi)由NWW向的永安—晉江斷裂帶劃分為北部的永安—大田煤田和南部的龍巖—永定煤田;東部含煤條帶主要為永春天湖山煤田[7]。

燕山期大陸邊緣強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致一系列北東、北北東向的斷裂帶、推覆構(gòu)造和褶皺構(gòu)造發(fā)育，其次為北西、東西向構(gòu)造。自西向東分布有3條呈NNE向的推覆構(gòu)造，總體上呈一夾層式構(gòu)造格架[8]。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的褶皺、推覆、滑脫構(gòu)造等構(gòu)造樣式對(duì)閩西南內(nèi)煤田和金屬礦床的構(gòu)造格局和成礦作用產(chǎn)生較大影響[9](圖1)。

圖1 閩西南地區(qū)主要斷裂與侵入巖分布及不同類型樣品分布Fig.1 Major faults and intrusions in southwestern Fujian and distribution of different types of samples

閩西南地區(qū)的巖漿活動(dòng)具有多階段、多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，其中燕山期侵入活動(dòng)規(guī)模最大、范圍最廣。燕山早期巖漿活動(dòng)主要侵入于政和—大埔斷裂及其以西地區(qū)，侵入活動(dòng)相對(duì)較弱;燕山中—晚期巖漿侵入活動(dòng)最強(qiáng)，侵入范圍最廣，主要侵入于政和-大埔斷裂帶以東地區(qū)[10]。

2 煤成石墨的特征與類型劃分

煤向石墨的演化為逐漸連續(xù)過渡的演化過程，化學(xué)組成上表現(xiàn)為碳元素的富集，物質(zhì)結(jié)構(gòu)上則表現(xiàn)為由無序結(jié)構(gòu)向有序結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的煤成石墨類型劃分方案，KWIECINSKA and PETERSON(2004)采用H/C原子比,碳層間距d002和最大反射率Rmax三個(gè)參數(shù)劃分出了石墨、半石墨、高變質(zhì)無煙煤和無煙煤[11];LANDIS(1971)則通過d002劃分為d1石墨(0.335～0.336 nm)、d1A石墨(0.337～0.344 nm),d2石墨(0.345～0.355 nm)、d3石墨(0.350～0.375 nm)[12];ZHENG等[13]通過高分辨率透射電鏡的觀察，將煤成石墨劃分為芳層石墨、微柱石墨、柔皺石墨和平直石墨4種類型。然而，前人的劃分方案仍有不足之處:① 現(xiàn)階段，一般劃分為石墨、半石墨和煤，該劃分方案過于簡單，不能夠詳細(xì)、有效的劃分出煤與石墨的過渡類型;② 劃分參數(shù)不實(shí)用，如反射率在高變質(zhì)無煙煤-石墨階段的靈敏度降低，通常所測(cè)得值偏低[14-15]，而依據(jù)LANDIS的劃分方案，低-中煤級(jí)的煤都屬于d2石墨;③ 通過直接觀察分子排列的特征劃分，缺少相應(yīng)的定量參數(shù)。

2.1 宏觀特征

煤成石墨由煤演化而成，宏觀上與煤極其相似，呈灰黑—黑色，性脆易碎，質(zhì)輕，有滑膩感，一般以鱗片狀產(chǎn)出。因受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，煤成石墨的產(chǎn)出狀態(tài)差異性較大。圖2(a)為漳平可坑礦區(qū)，+790 m水平礦層呈層狀發(fā)育，礦體呈鱗片狀結(jié)構(gòu)，圖2(b)為+765 m水平，礦層則受圍巖擠壓，呈透鏡狀產(chǎn)出，呈現(xiàn)出不規(guī)則揉皺變形，摩擦鏡面發(fā)育，平坦、光亮、致密。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征與類型劃分

煤成石墨化過程的實(shí)質(zhì)為納米級(jí)大分子結(jié)構(gòu)由無序向有序轉(zhuǎn)化的過程[14-19]。筆者采用XRD和Raman光譜分別表征煤成石墨化中大分子結(jié)構(gòu)的結(jié)晶程度和結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)育程度，實(shí)驗(yàn)方法和拉曼光譜各峰位信息見文獻(xiàn)[14-18]。煤成石墨化中大分子結(jié)構(gòu)的演化則表現(xiàn)為芳香碳層間距d002的逐漸減小(逐漸接近于石墨結(jié)構(gòu)碳層間距0.335 4 nm)，芳層的橫向延展度La和堆疊高度Lc逐漸增大，同時(shí)，各種類型的結(jié)構(gòu)缺陷逐漸消亡(表現(xiàn)為拉曼參數(shù)R2=AD1/(AD1+AG+AD2)，其中AD1,AD2,AG分別為拉曼光譜中D1峰，D2峰和G峰的面積)，各峰的面積比的逐漸減小[20])，形成具有三維有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)[19-20]。在多因素影響下，石墨化中芳香碳層的結(jié)晶程度(參數(shù)d002)和結(jié)構(gòu)缺陷的消亡(參數(shù)R2)兩個(gè)過程并非呈連續(xù)線性變化[21-22]，形成不同類型連續(xù)過渡的煤、煤成半石墨和煤成石墨。在以煤向石墨演化中的結(jié)構(gòu)特征變化的基礎(chǔ)上，以芳層間距d002和結(jié)構(gòu)缺陷密度參數(shù)R2為指標(biāo)，提出劃分了高變質(zhì)無煙煤-煤成石墨類型模板，主要包括高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ)、石墨化無煙煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共四大類(圖3，4)。

圖2 漳平可坑石墨礦Fig.2 Kekeng coal-based graphite mine shape

圖3 閩西南地區(qū)不同類型樣品的XRD和Raman實(shí)驗(yàn)圖譜Fig.3 XRD and Raman spectra of different typical samples from southwestern Fujian

圖4 不同類型煤-煤成石墨劃分模板Fig.4 Classification template of different types of coal-coal-based graphite

(1)Ⅰ類，煤成石墨，碳層間距d002≤0.337 nm，R2≤0.65，代表樣品如KK-1,KK-2和WK-1。該類型樣品具有與晶質(zhì)石墨(d002=0.335 4 nm)相近的碳層間距，石墨微晶結(jié)晶程度較好，002衍射峰呈尖銳對(duì)稱峰，100和101峰分離，芳層的結(jié)構(gòu)缺陷較少，拉曼光譜中G峰高而窄，S1峰呈不對(duì)稱形態(tài)，代表石墨晶體的三維有序度高。

(2)Ⅱ類，煤成半石墨主要包括兩個(gè)亞類，其中Ⅱ1類，0.337 nm0.7，代表樣品如QY-1,QK,SBK和CPS-2。該類型樣品具有與Ⅱ1類相同的d002值范圍，002峰呈非對(duì)稱形態(tài)，表明由無序結(jié)構(gòu)與有序的石墨晶體結(jié)構(gòu)共存[18]，但含有的結(jié)構(gòu)缺陷較多，拉曼光譜中G峰低矮，S1峰強(qiáng)度相對(duì)較低，為結(jié)構(gòu)缺陷較多的類型。

(3)Ⅲ類，石墨化無煙煤，d002>0.344 nm，R2≤0.7。代表樣品如HP,XGZ-1,XH和XT-1。該類型樣品的碳層間距d002值相對(duì)較大，芳香碳層的結(jié)晶程度較差，石墨微晶尺寸La和Lc較小，002衍射峰主要為一寬緩的鼓包，但鼓包頂端有一微弱的尖峰，表明該類型樣品已經(jīng)具有石墨化現(xiàn)象，拉曼光譜中呈低矮對(duì)稱的S1峰，表明含有的結(jié)構(gòu)缺陷較多。

(4)Ⅳ類，高變質(zhì)無煙煤，d002>0.344 nm，R2>0.7，代表樣品如LK,XT-2和TLP。該類型樣品中碳層呈無序狀態(tài)，002衍射峰寬緩低矮，D1,D2,D3和D4缺陷峰明顯，表明仍含有脂肪烴、基團(tuán)等側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致芳香碳層結(jié)構(gòu)的不完整，G峰強(qiáng)度相比D1峰較低，而且S1峰不明顯，表明仍不具有石墨的晶體結(jié)構(gòu)，尚屬于高變質(zhì)無煙煤。

3 煤成石墨的控制因素

筆者采集了閩西南三大含煤條帶內(nèi)共32件樣品，樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和類型劃分如圖4所示。西部含煤帶主要分布高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)，僅有一個(gè)樣品為煤成半石墨(Ⅱ2類)，煤的石墨化程度最差;中部含煤帶內(nèi)賦存的類型較多，從高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)到煤成石墨(Ⅰ類)均有分布，而且為閩西南地區(qū)煤成石墨(Ⅰ類)的主要分布區(qū);東部含煤帶主要分布石墨化無煙煤(Ⅲ類)，其次為高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)和煤成半石墨(Ⅱ2類)，相對(duì)中部含煤帶內(nèi)煤的石墨化程度較差。因此，石墨化程度較好的煤成半石墨(Ⅱ1類)和煤成石墨(Ⅰ類)主要分布在中部含煤條帶中，而且煤成石墨的分布主要靠近于政和—大埔斷裂帶(圖5)，造成如此的空間分布格局，與閩西南地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)密切相關(guān)。

圖5 閩西南樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果及類型劃分Fig.5 Experimental results and classification of samples in southwestern Fujian

3.1 巖漿巖

煤成石墨的形成必然需要巖漿的侵入為其帶來熱能。由不同類型樣品的分布與燕山期不同時(shí)期侵入巖分布關(guān)系圖(圖1)可以看出，巖漿侵入的規(guī)模和強(qiáng)度自西向東逐漸增大，燕山中—晚期強(qiáng)烈的巖漿侵入活動(dòng)主要分布于中部和東部含煤帶中[23]，西部含煤帶中煤層受巖漿熱作用的影響較弱，煤的石墨化程度較差，以高變質(zhì)無煙煤為主，而石墨化程度較高的Ⅰ類和Ⅱ1類主要分布在中部和東部含煤帶。然而，與中部含煤帶相比，東部含煤帶煤層受到燕山中期和晚期的巖漿侵入強(qiáng)度和規(guī)模更大，卻只分布有Ⅱ2類和Ⅲ類，僅在南部靠近政和—大埔斷裂帶附近的樣品WK屬于Ⅰ類(煤成石墨)，這說明煤成石墨的形成不僅需要巖漿熱的高溫，更重要的是需要有利的成礦構(gòu)造條件。

3.2 構(gòu) 造

煤成石墨的形成除了受巖漿熱高溫作用的影響之外，構(gòu)造應(yīng)力在煤的石墨化中發(fā)揮了重要角色[24-29]。閩西南地區(qū)發(fā)育的推覆構(gòu)造格局制約了煤成石墨的成礦和賦存條件，其中政和—大埔斷裂帶和永安—晉江斷裂帶對(duì)煤成石墨成礦和分布具有重要意義。

3.2.1政和—大埔斷裂帶

政和—大埔斷裂帶不僅對(duì)燕山期的巖漿活動(dòng)具有明顯的控制作用，而且沿該斷裂帶形成一系列自近SE向NW推覆的逆沖推覆構(gòu)造，與斷裂帶西側(cè)自NW向SE方向推覆的逆沖推覆形成了對(duì)沖式的逆沖推覆構(gòu)造(圖1)，兩個(gè)對(duì)沖的推覆構(gòu)造導(dǎo)致中部含煤帶內(nèi)煤系地層構(gòu)造變形強(qiáng)烈，尤其是位于政和大埔斷裂帶附近，高溫、高強(qiáng)度的應(yīng)力擠壓變形構(gòu)成韌性變形環(huán)境，礦層呈鱗片狀、透鏡狀或鼓包狀產(chǎn)出。由對(duì)沖式的推覆構(gòu)造擠壓形成封閉式成礦環(huán)境，不利于巖漿熱高溫的散失，為煤向石墨演化提供充足的熱能。同時(shí)，在韌性變形條件下，強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力可作用于煤的大分子結(jié)構(gòu)，尤其是剪切應(yīng)力，有利于BSUs的擇優(yōu)取向和定向排列，加速了煤成石墨化進(jìn)程，提高煤的石墨化程度[16,20-22,24]。而遠(yuǎn)離對(duì)沖擠壓的推覆構(gòu)造帶地區(qū)，僅受單方向的推覆、滑脫構(gòu)造等斷裂構(gòu)造影響，由張性斷裂常構(gòu)成巖漿侵入通道，形成半開放-半封閉式的成礦環(huán)境，巖漿熱高溫散失相對(duì)較快，與封閉式環(huán)境下煤的石墨化程度相比稍差。因此，中部含煤帶內(nèi)廣泛發(fā)育的推覆、滑覆構(gòu)造等復(fù)雜的構(gòu)造樣式與大規(guī)模的巖漿侵入，造成煤成石墨成礦的構(gòu)造-熱條件相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)致煤的石墨化程度差異性較大，類型較多。西部含煤帶受構(gòu)造、巖漿活動(dòng)較弱，常構(gòu)成開放式成礦環(huán)境，東部含煤帶受單方向推覆構(gòu)造和強(qiáng)烈?guī)r漿侵入活動(dòng)影響，則主要形成半開放-半封閉式環(huán)境(表1)。

表1 閩西南含煤帶內(nèi)不同成礦環(huán)境與成礦類型Table 1 Different metallogenic environment and types of samples in coal-bearing belt in the southwestern Fujian

3.2.2永安—晉江斷裂帶

永安—晉江斷裂帶走向北西，斷裂性質(zhì)以正斷層為主，多為張扭性斷裂。該斷裂帶控制了燕山期的巖體的展布。巖漿沿著斷裂帶侵入，形成巖墻、巖脈，甚至噴出地表形成了火山巖類。如東部含煤帶中安溪青洋礦區(qū)，近東西向的橫切斷裂成為巖漿侵入的通道，在斷裂帶附近見有角閃石化、硅化等蝕變現(xiàn)象，并引起附近煤層發(fā)生石墨化[30]。由斷裂與巖漿熱總體上構(gòu)成了半開放-半封閉式環(huán)境，且與巖體距離較近的煤石墨化程度較好，典型礦區(qū)如中部含煤帶長凹礦區(qū)和東部含煤帶安溪青洋礦區(qū)。

由上所述，燕山期強(qiáng)烈的巖漿侵入為煤成石墨化提供了熱能，而閩西南地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)背景，如推覆、滑覆等斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造等則為煤向石墨演化提供了不同的成礦環(huán)境，復(fù)雜的構(gòu)造-巖漿熱活動(dòng)導(dǎo)致煤的石墨化程度出現(xiàn)差異性(表1)，并影響了煤成石墨的時(shí)空分布規(guī)律。

4 煤成石墨成礦區(qū)帶劃分

煤成石墨成礦區(qū)帶劃分是在煤田構(gòu)造格局劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同類型樣品集中分布區(qū)，綜合煤成石墨成礦的構(gòu)造-熱影響條件，劃分了煤成石墨成礦單元，劃分出Ⅰ級(jí)成礦區(qū)、Ⅱ級(jí)成礦區(qū)和Ⅲ級(jí)成礦區(qū)(表2，圖6)。

表2 閩西南地區(qū)煤成石墨成礦區(qū)帶劃分Table 2 Metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian

圖6 閩西南地區(qū)煤成石墨成礦區(qū)帶劃分Fig.6 Distribution of metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian

大田—漳平煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ1):主要位于政和大埔斷裂帶附近，包括兩個(gè)Ⅱ級(jí)成礦亞區(qū)，漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)和永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)。其中漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)位于南部龍巖—永定煤田內(nèi)，主要有漳平可坑礦區(qū)、烏坑礦區(qū)等，礦區(qū)附近有大面積巖漿巖體侵入，對(duì)沖式逆沖推覆構(gòu)造為煤系地層構(gòu)成“保溫蓋層”，且煤的石墨化受構(gòu)造應(yīng)力的促進(jìn)作用，煤的石墨化程度相對(duì)較高，主要賦存以Ⅰ～Ⅱ1類煤成石墨。永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)主要位于永安—大田煤田內(nèi)，張性斷裂發(fā)育，巖漿熱液常沿著斷裂侵入，煤的石墨化程度較差，常賦存Ⅱ2～Ⅲ類。

永安—安溪煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ2):包括永安長凹成礦亞區(qū)(Ⅱ3)和安溪成礦亞區(qū)(Ⅱ4)。該區(qū)(帶)則主要受永安—晉江斷裂帶影響，張性斷裂發(fā)育，巖漿巖體以巖脈侵入或通過斷裂侵入煤系地層，巖漿熱影響范圍有限，僅對(duì)局部煤層影響，斷裂構(gòu)造則破壞了煤系地層的連續(xù)性，主要賦存Ⅱ1～Ⅱ2類。

5 結(jié) 論

(1)在對(duì)煤及煤成石墨結(jié)構(gòu)特征研究的基礎(chǔ)上，以碳層間距d002和拉曼參數(shù)R2為指標(biāo)，提出了劃分不同演化程度的煤-煤成石墨類型的模板，可以劃分為高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ)、石墨化無煙煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共4種類型。

(2)查明了閩西南地區(qū)煤成石墨的控制因素，其形成和分布受到巖漿侵入和構(gòu)造活動(dòng)的制約。燕山期中晚期強(qiáng)烈的巖漿侵入活動(dòng)為煤的石墨化提供熱能，閩西南地區(qū)發(fā)育的推覆、滑覆、褶皺等構(gòu)造樣式為煤向石墨演化提供成礦環(huán)境，形成了封閉式、半封閉-半開放式或開放式成礦環(huán)境，相應(yīng)于不同的溫度、壓力條件，造成煤成石墨的類型和分布的差異性。

(3)根據(jù)不同類型樣品的空間分布，結(jié)合煤成石墨成礦的構(gòu)造-熱地質(zhì)條件，劃分了煤成石墨成礦區(qū)帶，由大田—漳平煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ1)和永安—安溪煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ2)兩個(gè)一級(jí)成礦區(qū)組成，其中包括漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)、永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)、長凹成礦亞區(qū)(Ⅱ3)、安溪成礦亞區(qū)(Ⅱ4)4個(gè)成礦亞區(qū)，為石墨資源勘探和高效利用提供充分依據(jù)。