南秦嶺西峽縣尹家溝石墨礦床地質(zhì)特征及成因分析

吳園園，余智慧，陳昊龍，王劍鋒，郭榮鑫，王巧玲

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016)

0 引言

河南淅川—陜西商南石墨礦帶是河南三條主要的石墨礦帶之一(薛天闖等，2016)，通過以往所做工作，河南境內(nèi)目前在該條石墨成礦帶上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了小陡嶺、下大扒、五里梁、柳樹溝、徐家灣—李家營等大型、超大型晶質(zhì)石墨礦床，探獲的石墨資源量累計已經(jīng)超過3000萬噸。本次工作新發(fā)現(xiàn)的尹家溝石墨礦是該條石墨礦帶上又一個具有大型規(guī)模的晶質(zhì)石墨礦床。該條石墨礦帶上以往的工作和研究資料表明，除了個別石墨礦床(劉新新，2015；賴群生，2017；蔡文春等，2020)之外，多數(shù)石墨礦床的沉積環(huán)境、礦床成因等僅進行了初步的研究和推測(于吉林和邱冬生，2012；曹芳芳等，2012；曹淵等，2017①；謝珂等，2018；胡偉等，2019；賴群生等，2019；徐憲立等，2020)。本次工作通過一系列的野外地質(zhì)勘查手段及室內(nèi)巖礦測試分析結(jié)果，初步闡述了西峽縣尹家溝石墨礦床地質(zhì)特征，并與區(qū)域上以往發(fā)現(xiàn)的石墨礦床進行綜合對比研究，進而探討了項目區(qū)石墨礦床成因類型，為淅川—商南石墨礦帶石墨找礦和進一步研究提供了支撐。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)地處秦嶺造山帶南秦嶺小陡嶺—老灌河石墨成礦帶的中部偏東地段，位于淅川和木家埡—內(nèi)鄉(xiāng)兩大斷裂之間。區(qū)域上構(gòu)造形態(tài)以NW向為主，石墨成礦帶賦存于古元古界大溝巖組中，地層區(qū)劃屬揚子地層區(qū)南秦嶺地層分區(qū)淅川小區(qū)(圖1)(吳園園等，2019②)。

圖1 河南省石墨成礦帶分布特征(據(jù)燕長海等，2009)A1、A2、A3—華北地臺南緣靈寶一魯山一舞陽石墨成礦帶靈寶小秦嶺北坡段、魯山段、舞陽段；B—秦嶺造山帶北秦嶺朱陽關(guān)—柳泉鋪石墨成礦帶；C—秦嶺造山帶南秦嶺小陡嶺—老灌河石墨成礦帶；Ⅰ—華北板塊；Ⅰ1—華北陸塊南緣；Ⅰ2—北秦嶺構(gòu)造帶；寬坪構(gòu)造巖片；二朗坪構(gòu)造巖片；秦嶺構(gòu)造巖片；Ⅱ—揚子板塊；Ⅱ1—南秦嶺構(gòu)造帶；信陽構(gòu)造巖片；陡嶺構(gòu)造巖片；Ⅱ2—揚子陸塊北緣；①—三門峽—魯山斷裂；②—欒川斷裂；③—瓦穴子斷裂；④—朱陽關(guān)—夏館斷裂；⑤—商丹斷裂；⑥—木家埡—內(nèi)鄉(xiāng)斷裂；⑦—淅川斷裂

區(qū)域內(nèi)以廣泛出露古元古界陡嶺群大溝巖組地層為特征，另出露少量的中元古界毛堂群姚營寨組，新元古界耀嶺河組，震旦系、下古生界周進溝組，寒武系、奧陶系地層，零星出露志留系、泥盆系、石炭系、白堊系以及第四系等地層(王巧玲等，2020)。其中陡嶺群大溝巖組為一套近源快速堆積的含碳質(zhì)陸源碎屑巖——基性火山沉積巖建造，局部夾少量碳酸鹽建造(賴群生，2017)，構(gòu)成了本區(qū)石墨礦的主要賦礦層位。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖廣泛發(fā)育，巖漿活動強烈，相對集中分布于木家埡—內(nèi)鄉(xiāng)和淅川兩大斷裂之間，總體與構(gòu)造方向一致；從古元古代一直到中生代巖漿活動從未間斷，以中性—中酸性侵入巖為主。

2 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)出露的地層由老到新依次為古元古界陡嶺群大溝巖組(Pt1d)、中元古界毛堂群姚營寨組二段(Pt2y2)以及河流兩岸及山谷中的新生界第四系(Q)(圖2)。其中大面積出露的古元古界陡嶺群大溝巖組一段的白云母石墨片巖和石墨斜長片麻巖為本次研究區(qū)內(nèi)石墨礦的含礦巖石，該套含礦地層主要出露于研究區(qū)的北中部及南部少量地區(qū)，總體呈NW向分布，傾向為北東，局部地區(qū)由于受到后期巖體的侵入，因此傾角變化較大，為22°～85°；古元古界陡嶺群大溝巖組二段以斜長角閃片巖出露為主，局部為白云母片巖，出露于研究區(qū)的北中大部分地區(qū)；中元古界毛堂群姚營寨組二段極少量的出露于研究區(qū)東南角，主要巖性為變流紋巖、變玄武巖等熔巖。區(qū)內(nèi)的構(gòu)造不發(fā)育，僅出露一條滑脫韌性剪切帶F1且對礦體的影響較小，研究區(qū)南部出露大面積中酸性侵入巖，該侵入巖體與大溝巖組熱接觸變質(zhì)，使石墨礦片度增大。

圖2 尹家溝石墨礦區(qū)地質(zhì)簡圖1—第四系全新統(tǒng)砂礫石層；2—古元古界大溝巖組一段白云母石墨片巖、石墨斜長片麻巖等；3—古元古界大溝巖組二段斜長角閃片巖夾少量白云母片巖等；4—新元古代早南華世鷹爪山片麻狀閃長玢巖；5—新元古代早南華世封子山片麻狀中?；◢忛W長巖；6—新元古代早南華世邊桿嶺片麻狀石英閃長巖；7—古元古代靈官埡雜巖；8—韌性剪切帶及編號；9—石墨礦夾石；10—石墨礦層及編號；11—勘探線及編號

2.1 礦體特征

通過本次工作，共發(fā)現(xiàn)27個石墨礦體，其中I4-1、Ⅰ5-1、Ⅰ6-1、Ⅰ7-1四個礦體為新發(fā)現(xiàn)的具有較大規(guī)模的主要礦體，其特征見表1。各礦體總體呈層狀、似層狀平行展布，個別石墨礦體沿走向和傾向存在分支復合情況，總體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀保持一致(圖3)。礦體頂?shù)装宥嘁院自颇钙瑤r、角閃斜長片麻巖、含石墨石英片巖等為主。

2.2 礦石特征

石墨礦石類型以白云母石墨片巖型為主，石墨斜長片麻巖型為輔。礦石結(jié)構(gòu)總體以鱗片變晶結(jié)構(gòu)為主，僅在研究區(qū)南部F1附近見有一部分的碎裂結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)。礦石構(gòu)造多發(fā)育為片狀、片麻狀構(gòu)造，局部可見少量的塊狀構(gòu)造和條帶狀構(gòu)造。礦石礦物主要為石墨，含量占比5%～30%，主要以銀灰色單礦物的形式存在于礦石之中，主要以單晶片的形式產(chǎn)出，少量以聚晶或者連晶形式存在，且在本次研究中發(fā)現(xiàn)的石墨晶體大多撓曲和彎曲，鱗片定向排列，平行于片理和片麻理方向，局部以斑點、團塊狀乃至條帶狀或條紋狀的形式富集。單晶石墨的粒徑大小在0.01～0.5 mm之間。石墨鱗片質(zhì)地柔軟，用手觸摸時光滑且污手較強(圖4)。另含有少量的其他礦物，如黃鐵礦、黃銅礦、白鐵礦等。

表1 主要礦體特征一覽表

圖3 石墨礦勘查線地質(zhì)剖面圖1—古元古界大溝巖組；2—新元古代早南華世封子山片麻狀花崗閃長巖；3—新元古代早南華世鷹爪山片麻狀閃長玢巖；4—含石墨白云母片巖；5—斜長角閃片麻巖；6—花崗閃長巖；7—閃長玢巖；8—韌性剪切帶及編號；9—石墨礦體產(chǎn)狀；10—石墨礦體及編號；11—槽探位置及編號；12—鉆孔位置及編號

白云母石墨片巖型礦石的脈石礦物主要為白云母(20%～25%)、石英(30%～35%)，少量斜長石(4%～6%)、黑云母、絹云母、方解石等。石墨斜長片麻巖型礦石的脈石礦物主要為斜長石(35%～60%)、石英(20%～45%)，少量白云母、角閃石、透輝(閃)石、黑云母、絹云母、方解石等，兩種礦石都含微量榍石、石榴子石、磷灰石、金紅石、鋯石、綠簾石等。

圖4 尹家溝石墨礦形態(tài)及顯微照片a、b—地表石墨礦；c、d—深部石墨礦；e—石墨礦薄片；f—石墨礦光片礦物縮寫：Gr—石墨；Ccp—黃銅礦；Mrc—白鐵礦

2.3 礦石化學成分

根據(jù)礦石與圍巖的地球化學主量元素分析結(jié)果(表2)，各巖石樣品中的主量元素含量差異很大的原因可能是由于變質(zhì)作用、蝕變作用等因素對活動性較大元素的極為強烈的影響所致(張騰飛，2015)。樣品中SiO2含量58.8%～83.3%，平均65.57%，含量較高；Al2O3含量較高，為11.1%～16.17%，平均13.13%；K2O含量1.92%～4.0%，平均3.12%；Na2O含量0.8%～2.33%，平均1.38%；CaO含量0.9%～2.13%，平均1.65%；MgO含量2.0%～2.75%，平均2.25%；以上Si、Al較高，Mg、Ca較低，顯示出副變質(zhì)巖特點，屬長英質(zhì)巖系，而變質(zhì)巖的TiO2-SiO2圖解也顯示為副變質(zhì)巖(圖5)。Na2O+K2O為4.0%～5.0%，平均4.50%；Na2O/K2O為0.2%～1.21%，堿度指數(shù)(A/NK)為2.09～2.74較低，鋁過飽和指數(shù)(A/CNK)為1.3～1.67，平均1.53>1較高，燒失量較低(2.67%～12.1%)，平均為7.92%，與原巖為沉積巖的特征比較吻合，同時，也具有孔茲巖系的特點(副變質(zhì)巖，含Al2O3高)。

表2 石墨礦石與圍巖主量元素組成/%

圖5 變質(zhì)巖的TiO2—SiO2圖解(底圖據(jù)Tarney，1976)

圖6 石墨礦(al+fm)-(c+alk)-si圖解a(底圖據(jù)Simonen，1953)及Zi/TiO2-Ni圖解b(底圖據(jù)Winchester et al.，1980)

3 討論

3.1 原巖恢復

(al+fm)-(c+alk)-si圖解在恢復變質(zhì)巖原巖類型上效果較好(周世泰，1984；王仁民等，1986)，在該圖解中所有樣品全部落入泥質(zhì)沉積巖和砂質(zhì)沉積巖區(qū)(圖6a)。而區(qū)內(nèi)礦石樣品的Zr/TiO2-Ni圖解(圖6b)與圖6a所反映的情況基本一致，也全部落在了沉積巖區(qū)，顯示為典型的副變質(zhì)巖特點(閻昆等，2021)。

在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-Σ圖解(圖7a)中，樣品落入復礦砂巖區(qū)、雜砂巖區(qū)、復礦粉砂巖區(qū)、長石質(zhì)砂巖區(qū)；在(Na2O/K2O)-(SiO2/Al2O3)圖解(圖7b)中，樣品落入雜砂巖區(qū)、長石砂巖區(qū)。

綜合以上各地球化學圖解的結(jié)果，不難得出尹家溝石墨礦床的礦體原巖為沉積巖這一結(jié)論，再結(jié)合區(qū)域上地質(zhì)概況以及巖相學特征綜合研究初步判定，尹家溝石墨礦變質(zhì)原巖為含碳質(zhì)雜砂巖和長石砂巖。

3.2 沉積環(huán)境

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，最近幾年，沉積巖的構(gòu)造環(huán)境多數(shù)學者都采用主量元素參數(shù)ω(Al2O3)/ω((Al2O3+Fe2O3)來進行判斷(Jewell and Stallard，1991)，當比值區(qū)間屬于0.1～0.4時，表明其為洋脊海嶺沉積構(gòu)造環(huán)境；當比值區(qū)間屬于0.4～0.7時，表明其為遠洋深海沉積構(gòu)造環(huán)境；當比值區(qū)間屬于0.7～0.9時，表明其為大陸邊緣沉積構(gòu)造環(huán)境。通過計算，ω(Al2O3)/ω((Al2O3+Fe2O3)的比值為0.60～0.91，平均值為0.72，與大陸邊緣沉積構(gòu)造環(huán)境相似。為了更加準確地判斷尹家溝石墨礦變質(zhì)巖系原巖的構(gòu)造環(huán)境，使用化學圖解log(K2O/Na2O)—SiO2進行判別(圖8)，該構(gòu)造環(huán)境判別圖解顯示，所有樣品的投點均落在島弧和活動大陸邊緣區(qū)域，與陡嶺群片麻巖具有以切割的巖漿弧為源區(qū)的沉積雜砂巖的地球化學特征，其所反映的沉積環(huán)境更加接近于大陸島弧是吻合的(Bhatia，1985)。

圖7 石墨礦(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-Σ圖解a(底圖據(jù)Неелов，1974)及(Na2O/K2O)-(SiO2/Al2O3)圖解b(底圖據(jù)Pettijohn et al.，1972)Ⅰ—石英砂巖、石英巖；Ⅱ—少礦砂巖、石英砂巖；Ⅲ—復礦砂巖；Ⅳ—長石砂巖；ⅤⅥ—鈣質(zhì)砂巖、含鐵砂巖等；Ⅵ—化學上弱分異的沉積物(a—主要為雜砂巖；b—主要為復礦粉砂巖；c—泥質(zhì)砂巖和寒帶、溫帶氣候的陸相粘土)；Ⅶ—化學上中等分異的粘土-寒帶、溫帶氣候的海相和陸相黏土；Ⅷ—潮濕氣候帶化學上強分異的黏土；Ⅸ—碳酸鹽質(zhì)含鐵的黏土；Ⅹ—泥灰?guī)r；Ⅺ—硅質(zhì)泥灰?guī)r、含鐵砂巖等；Ⅻ—含鐵石英巖(碧玉鐵質(zhì)巖)

圖8 log(K2O/Na2O)—SiO2構(gòu)造環(huán)境判定圖解(底圖據(jù)Roser and Korsch，1986)

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)采集分析的巖礦石樣品的巖石地球化學特征分析結(jié)果以及各類判別圖解結(jié)果綜合判斷，沉積巖為尹家溝石墨礦變質(zhì)巖的原巖類型，研究區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖系的原巖具大陸島弧的特征。因此認為尹家溝石墨礦變質(zhì)巖系的原巖可能形成于大陸島弧沉積環(huán)境，與區(qū)域上典型石墨礦床即淅川縣小陡嶺石墨礦成巖成礦構(gòu)造環(huán)境是可類比的，是相似的。

3.3 礦床成因

尹家溝石墨礦賦存于古元古界陡嶺群大溝巖組的副變質(zhì)巖系中，礦體賦存形態(tài)嚴格受含礦地層控制，礦體以層狀、似層狀平行分布為主，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，且礦體與圍巖的界線以互層關(guān)系為主，少量的漸變關(guān)系，含礦巖石的原生沉積特征比較明顯。礦體內(nèi)的石墨含量變化較小，比較穩(wěn)定，反映了礦體的物質(zhì)來源和含礦圍巖的物質(zhì)沉積成分具有同時性，說明礦體的成礦物質(zhì)來源未進行過大規(guī)模的運移，只是在變質(zhì)作用的影響下重組合、重結(jié)晶進而形成石墨，顯示出變質(zhì)礦床的特征。

關(guān)于碳質(zhì)來源，據(jù)陳衍景等(2000)對中國北方石墨礦及其賦礦孔茲巖系的碳同位素研究表明，有機成因和無機成因都有其存在的依據(jù)，其不同的礦床類型對應不同的成因類型：片巖、片麻巖中的石墨主要是有機成因類型，而透輝巖、大理巖、混合巖化巖石中的石墨是有機和無機的混合成因類型。尹家溝石墨礦的礦石類型為白云母石墨片巖型和石墨斜長片麻巖型，碳質(zhì)來源主要為原巖沉積中的有機質(zhì)。石墨礦體的層位產(chǎn)出規(guī)律以及宜昌研究所對該區(qū)石墨礦石的研究發(fā)現(xiàn)都說明了大溝巖組已經(jīng)繁殖了早期生物。由于受到長期的區(qū)域地質(zhì)作用，生物腐殖質(zhì)變成有機碳，在原巖沉積過程中蒸發(fā)逸出，最終結(jié)晶形成鱗片狀石墨，因此尹家溝石墨礦屬于有機碳成礦。

區(qū)域變質(zhì)作用、后期的混合巖化作用以及巖漿熱液侵入變質(zhì)作用都對石墨礦的形成及富集有很大的影響，主要取決于溫度和壓力，對于該區(qū)出露的鱗片狀晶質(zhì)石墨礦來說，持續(xù)的區(qū)域變質(zhì)作用是其最主要的控礦因素。

根據(jù)研究區(qū)的巖石地球化學特征以及各類地球化學判別圖解結(jié)果綜合判斷，尹家溝石墨礦床的礦體原巖為沉積巖，各個樣品的全堿含量較低，鋁飽和指數(shù)較高，也表現(xiàn)出其原巖為沉積巖的特點。項目區(qū)南部廣泛發(fā)育古元古代—新元古代南華紀中—中酸性侵入巖，而尹家溝石墨礦區(qū)內(nèi)主礦體都集中在南部大溝巖組地層中，南部石墨礦體的片徑比北部礦體大，品位比北部礦體高，說明后期中酸性侵入巖使得石墨礦層受熱進而重新結(jié)晶、重新聚集，最終片度再次增大，品位變高，這一現(xiàn)象說明巖漿巖的侵入為更好的形成石墨礦床提供了較好的熱力條件(邊敏等，2018)。因此認為沉積變質(zhì)型為本次研究區(qū)內(nèi)石墨礦床的成因類型，并且該石墨礦床具有明顯的后期疊加熱接觸變質(zhì)進而富集的特點。

4 結(jié)論

(1)尹家溝石墨礦體賦存于古元古界陡嶺群大溝巖組一套中深變質(zhì)的副變質(zhì)巖系中，屬于淅川—商南石墨成礦帶的一部分。礦層于地表直接出露，其賦存形態(tài)完全受含礦地層的控制和影響，礦體多以層狀、似層狀平行分布為主，產(chǎn)狀與圍巖基本相同。研究區(qū)內(nèi)石墨礦的礦石類型以白云母石墨片巖型為主，少量的石墨斜長片麻巖型。地球化學特征表現(xiàn)為高Si、高Al、低堿、低燒失量的特點。

(2)尹家溝石墨礦的變質(zhì)原巖為含碳質(zhì)的雜砂巖和長石砂巖。其含礦建造形成于大陸島弧沉積環(huán)境。尹家溝石墨礦為有機碳成礦，持續(xù)的區(qū)域變質(zhì)作用是最主要的控礦因素。屬于典型的沉積變質(zhì)型礦床，并具有后期熱液疊加富集的特征。

(3)尹家溝大型晶質(zhì)石墨礦床的發(fā)現(xiàn)，再一次證明了沿淅川—商南石墨成礦帶具有較好的找礦前景，區(qū)域上陡嶺群大溝巖組地層判斷還有大型晶質(zhì)石墨礦床存在，為本區(qū)今后勘查石墨礦指明了方向和標志。同時本次研究成果也為淅川—商南石墨礦帶的進一步探討和研究提供了一定的依據(jù)和支撐。

注 釋

① 曹淵, 蔣永芳, 蔣朝軍, 張云政, 呂偉慶, 張晨曦, 田修啟, 龐學勇, 王軍強, 金輝, 李爽, 張衡, 侯四周, 殷建鋒, 李沛. 2017. 河南省淅川縣下大扒礦區(qū)石墨礦普查報告[R]. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院, 1-62.

② 吳園園, 余智慧, 張云賀, 李莉, 李曉姣, 孫春霞, 楊薇, 李淑軍, 李原, 何美香, 李維振, 王亞北, 袁要偉, 喬海霞, 陳昊龍, 李京, 王劍鋒, 王巧玲, 王冠華. 2019. 河南省西峽縣尹家溝礦區(qū)石墨礦普查報告[R]. 河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊, 1-77.

③ 呂偉慶, 曹淵, 張云政, 張衡, 靳擁護, 王令全, 甕紀昌, 云輝, 蔣朝軍, 張晨曦, 蔣永芳, 陳曉龍, 白洪陽, 杜春陽, 黃培明, 張照斌, 王鹍, 李爽, 郎巖峰, 楊位坤, 李亞濤, 何鵬, 梁春貝, 馮海濤, 鄭萍. 2015. 河南省境內(nèi)白浪幅、荊紫關(guān)幅、西峽縣幅、七峪幅、寺灣幅、淅川縣幅、袁店幅1∶5萬礦產(chǎn)遠景調(diào)查報告[R]. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)廳第四地質(zhì)調(diào)查隊, 233-264.