江西省金溪縣灰山石墨礦床地質(zhì)特征及成因探討

朱明波，胡正華，王思學(xué)，林 婷，倪曉玉

(1.江西省自然資源事業(yè)發(fā)展中心，江西 南昌 330025；2.江西省地質(zhì)勘查基金管理中心，江西 南昌 330025；3.江西有色地質(zhì)勘查五隊(duì)，江西 九江 332000)

0 引言

隨著新能源、新材料產(chǎn)業(yè)的崛起，石墨正逐漸成為國防、航天、新材料等領(lǐng)域不可替代的重要材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來我國加大了對(duì)石墨礦的找礦勘探并取得很大成就，多處發(fā)現(xiàn)大型超大型礦床[1-3]，研究者除了從礦床地質(zhì)學(xué)方面探討石墨礦床的成因外[1-2，4-6]，還從碳同位素[7]、熱力學(xué)[8]等方面對(duì)礦床的成因進(jìn)行深入研究。江西省金溪縣是省內(nèi)重要的石墨礦集區(qū)，有峽山、半山和黃獅渡等多個(gè)石墨礦床(點(diǎn))，其中峽山石墨礦床規(guī)模達(dá)大型。自1977年發(fā)現(xiàn)峽山石墨礦后，本區(qū)的石墨礦找礦工作一直未有突破，且區(qū)內(nèi)石墨礦的相關(guān)理論研究比較薄弱，前人多是通過總結(jié)峽山石墨礦床地質(zhì)特征探討區(qū)內(nèi)的成礦地質(zhì)條件、找礦標(biāo)志和找礦方向[9-10]，對(duì)礦床成因研究較少。2016—2018年中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江西總隊(duì)在該區(qū)新發(fā)現(xiàn)灰山石墨礦，經(jīng)初步估算石墨礦床規(guī)模達(dá)大型，本文總結(jié)了礦區(qū)地質(zhì)背景、礦區(qū)地質(zhì)特征和礦床地質(zhì)特征，探討了礦床成因，為今后區(qū)內(nèi)尋找同類型石墨礦床和下一步礦區(qū)找礦工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

灰山石墨礦位于華夏板塊武夷隆起與饒南坳陷的過渡帶(圖1)，屬于撫州—饒南鈾-銅-銀-鉛-鋅多金屬、非金屬成礦亞帶[11]。震旦系、寒武系變質(zhì)巖構(gòu)成本區(qū)的褶皺基底，侏羅系火山巖建造和白堊系紅色碎屑巖建造覆蓋于基底之上。區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、褶皺強(qiáng)烈，加里東期以褶皺構(gòu)造為主，構(gòu)成近NE至NEE向展布的基底構(gòu)造；燕山期轉(zhuǎn)為斷裂構(gòu)造為主，以NNE向和近EW向斷裂較為發(fā)育，規(guī)模較大。區(qū)域巖漿巖發(fā)育，以加里東期混合花崗巖、花崗巖和燕山期花崗巖為主。區(qū)域變質(zhì)作用以加里東中晚期形成的區(qū)域動(dòng)熱變質(zhì)作用為主，主要為區(qū)域變質(zhì)巖和混合巖，次為動(dòng)力變質(zhì)巖、接觸變質(zhì)巖和氣液變質(zhì)巖。區(qū)域峽山、南華山、鉛山長壽源石墨礦均賦存于寒武系外管坑組含碳碎屑巖建造中。

圖1 礦區(qū)大地構(gòu)造位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修編)

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)內(nèi)地層簡單，主要由震旦系洪山組(Zh)、寒武系外管坑組(∈1w)和第四系(Q)組成(圖2)。震旦系洪山組由石英巖、片麻巖、石墨片巖、含石墨石英片巖組成。寒武系外管坑組與震旦系洪山組呈假整合接觸，為礦區(qū)的主要賦礦層位，主要由石英石墨片巖、含石墨石英片巖和石英片巖組成。第四系主要為殘坡積相，主要為灰黃、黃褐色亞黏土、粉砂土夾碎石層①。

圖2 灰山石墨礦地質(zhì)略圖

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，主要為褶皺構(gòu)造，其次為斷裂構(gòu)造。

向斜位于NNW向的灰山山脊，軸部北北西端仰起，總體走向340°。向斜核部地層為寒武系外管坑組，兩翼地層為震旦系洪山組。其南西翼地層傾向62°～125°，傾角27°～35°；北東翼地層傾向235°～250°，傾角40°～55°。

F1斷層走向?yàn)镹W—NNW，傾向NEE，傾角70°～75°，為壓扭性斷裂。斷距小于100 m，且均為上盤向南西方向錯(cuò)移。斷層中普遍見有硅化破碎帶和角礫巖帶，且有花崗巖侵入，其寬度因巖性和擠壓程度不同而異。斷層在后期表現(xiàn)有張性，故沿?cái)嗔巡课煌娪谢◢弾r或硅化脈充填膠結(jié)破碎帶，也常見細(xì)脈貫入下盤巖層的裂隙中，致使礦層中夾石發(fā)育、礦石貧化，厚度不穩(wěn)定。

2.3 巖漿巖

礦區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為加里東期侵入的斜長花崗巖(γο3)，呈巖株?duì)?、層狀產(chǎn)出，巖株?duì)顜r漿巖與礦區(qū)構(gòu)造線方向較一致，順層侵入的巖漿巖與含石墨石英片巖產(chǎn)狀較一致。斜長花崗巖呈灰白色，中等風(fēng)化后呈黃灰色，細(xì)—中細(xì)?；◢徑Y(jié)構(gòu)為主，局部具粗粒偉晶質(zhì)或斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物：斜長石占比為40%～50%，微斜長石占比為20%～30%，石英占比為20%～30%，白云母占比為4%～5%，另有少量的黃鐵礦及石榴子石、磷灰石、獨(dú)居石、鋯石等副礦物。

2.4 變質(zhì)作用

礦區(qū)以區(qū)域變質(zhì)作用為主，主要形成層狀片麻巖和片巖，其礦物組成主要有斜長石、黑云母、白云母、石英等，副礦物有石榴子石、鋯石、矽線石、綠簾石、板鈦礦、金紅石、鐵金紅石、磷灰石、磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃玉以及矽線石、綠簾石、板鈦礦、金紅石、鐵金紅石、磷灰石、磁黃鐵礦、黃鐵礦、黃玉。從變質(zhì)巖石的礦物相分析，本區(qū)變質(zhì)巖相屬于綠片巖相的鈉長石-白云母-黑云母亞相或鈉長石-綠簾石-黑云母亞相。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

礦區(qū)內(nèi)石墨礦體均賦存于寒武系外管坑組石英石墨片巖段中(圖3)，自下而上依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ礦體，礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。Ⅰ礦體礦石以石英石墨片巖為主，Ⅱ礦體和Ⅲ礦體礦石均為石墨石英片巖。

Ⅰ礦體：主要呈層狀或似層狀分布于向斜軸部及東西兩翼，向斜軸部往北西端仰起，總體走向314～340°，其南西翼地層傾向62°～125°，傾角17°～35°；北東翼地層傾向234°～250°，傾角30°～55°。礦體在向斜核部厚度大，向北東翼方向厚度漸薄，向南西翼方向厚度則快速變薄滅失，礦體呈似層狀或透鏡狀產(chǎn)出。工程控制走向長約575 m，傾向延伸181～526 m，礦層厚度為2.4～77.84 m，平均厚度為20.49 m，固定碳平均品位為6.6%。

Ⅱ礦體：位于Ⅰ礦體之上，向斜南西翼已滅失，北東翼保存較好。礦體傾角8°～23°，厚度沿傾向上不穩(wěn)定，沿走向上不連續(xù)。在走向上分為三個(gè)部分，北部礦體走向長155 m，傾向延伸97 m；中部礦體走向長50 m，傾向延伸75 m；南部礦體走向長25 m，傾向延伸31 m。礦體平均厚度為4.94 m，固定碳平均品位為6.48%。

Ⅲ礦體：位于Ⅱ礦體之上，呈透鏡狀或似層狀，沿走向上不連續(xù)。北東翼傾角24°～45°，南西翼傾角8°～28°，傾向延伸72～201 m，礦層平均厚度為7.43 m，固定碳平均品位為6.91%。

圖3 灰山石墨礦某剖面示意圖

3.2 礦石特征

3.2.1 礦物成分

礦石中礦石礦物為石墨，脈石礦物為石英、白云母、斜長石、電氣石、方解石、白云石、黑云母、黃鐵礦和赤鐵礦。石墨常以集合體出現(xiàn)，呈六邊形和伸長的鱗片狀，集合體大小一般為0.1～0.5 mm，少數(shù)為1.0～1.8 mm。石墨單晶主要呈片狀、鱗片狀、細(xì)小的板狀產(chǎn)出，少數(shù)呈粒狀，片徑一般小于0.15 mm，以37.4～75 μm為主。石墨礦物分布不均勻，局部為條帶狀和團(tuán)塊狀，含量一般為10%～20%，局部可超過70%。

3.2.2 礦石的化學(xué)成分

由表1可見，礦石的化學(xué)成分較為簡單，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3組成，其他化學(xué)成分K2O、Na2O、CaO、MgO、Cu、S、TiO2、P2O5含量較低。

3.2.3 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造和類型

礦石結(jié)構(gòu)為花崗鱗片變晶結(jié)構(gòu)、鱗片變晶結(jié)構(gòu)。礦石主要構(gòu)造為塊狀構(gòu)造、片狀構(gòu)造和條帶狀構(gòu)造。

礦石自然類型主要為石英石墨片巖，其次為石墨石英片巖。礦石工業(yè)類型為鱗片狀晶質(zhì)石墨礦。

4 礦床成因

4.1 變質(zhì)巖原巖恢復(fù)

根據(jù)礦區(qū)石英巖-石英片巖-片巖巖石組合，初步推斷礦區(qū)變質(zhì)巖的原巖為沉積巖，為恢復(fù)礦區(qū)變質(zhì)巖的原巖建造，采集4個(gè)樣品進(jìn)行了主量元素分析，分析結(jié)果見表1。

表1 礦石主量元素分析結(jié)果

根據(jù)正、副變質(zhì)巖的K-A判別圖解(圖4)，樣品全部落在沉積巖區(qū)，表明其原巖為沉積巖。根據(jù)w(Al2O3+TiO2)-w(SiO2+K2O)-w(∑其余組分)圖解(圖5)，礦區(qū)變質(zhì)巖原巖為砂質(zhì)巖。根據(jù)SiO2/Al2O3- K2O/Na2O圖解(圖6)，可知礦區(qū)變質(zhì)巖的原巖構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

圖4 正、副變質(zhì)巖的K-A判別圖解(據(jù)周世泰，1977)

圖5 w(Al2O3+TiO2)-w(SiO2+K2O)-w

圖6 變質(zhì)巖原巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解

4.2 礦床成因

石墨礦床成礦物質(zhì)來源長期存在著有機(jī)成因和無機(jī)成因兩種觀點(diǎn)[12]，前人通過收集不同石墨礦床類型的碳同位素?cái)?shù)據(jù)(表2)，總結(jié)出區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型和巖漿熱液型石墨礦床碳質(zhì)主要來源于沉積地層中的有機(jī)碳[5，13-14]。

表2 不同類型石墨礦床中碳同位素測定值

灰山石墨礦與鄰近礦區(qū)石墨礦床地質(zhì)特征類似(表3)，賦存于寒武系外管坑組，區(qū)域變質(zhì)成因，其形成大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段。

表3 鄰近礦區(qū)石墨礦床特征

碳質(zhì)沉積階段：晉寧構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以后，區(qū)內(nèi)處于地槽的發(fā)展階段，早震旦世早中期地殼以下降為主，震蕩運(yùn)動(dòng)較頻繁，并有間歇性火山噴發(fā)活動(dòng)，在氣候溫暖濕潤，海盆水體穩(wěn)定的潮下低能還原沉積環(huán)境中③，大量繁殖低海綿生物和低等菌藻植物，堆積了較多的有機(jī)質(zhì)，形成了一套富含碳質(zhì)泥砂質(zhì)沉積夾火山碎屑物沉積的復(fù)理石建造，為最初的石墨礦源層。

石墨礦形成階段：早古生代末期，加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地槽褶皺回返，形成了廣泛的區(qū)域變質(zhì)作用，含碳泥砂質(zhì)建造中的有機(jī)質(zhì)在還原條件下發(fā)生脫氫、脫氧反應(yīng)，結(jié)晶成鱗片狀石墨，區(qū)域變質(zhì)作用晚期，混合巖化作用使石墨鱗片就地重結(jié)晶富集長大。

5 結(jié)論

綜上，灰山石墨礦賦存于寒武系外管坑組底部，礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出，主要礦石礦物為石墨，脈石礦物為石英、白云母、斜長石、電氣石、方解石、白云石、黑云母、黃鐵礦和赤鐵礦。根據(jù)礦區(qū)巖石組合特征以及礦石主量元素測試結(jié)果及相關(guān)圖解，認(rèn)為區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖原巖為沉積巖。對(duì)比鄰近石墨礦床地質(zhì)特征，礦區(qū)石墨的碳質(zhì)來源為有機(jī)碳，成礦作用發(fā)生在加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期，礦床成因?yàn)槌练e變質(zhì)型。

注釋：

① 中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江西總隊(duì). 江西省金溪縣灰山礦區(qū)石墨礦詳查報(bào)告[R]. 2018.

② 江西省五〇一地質(zhì)隊(duì). 江西省金溪縣峽山石墨礦勘探地質(zhì)報(bào)告[R]. 1980.

③ 江西省地質(zhì)礦產(chǎn)局. 金溪幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R]. 1987.