福建煤系石墨與晶質(zhì)石墨地質(zhì)特征及成因分析

程 喬，陳泉霖，張書(shū)光，林子華，潘 潘，丁正云，鄧瑞錦，江曉龍

（1.福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建福州 350005；2.福建省煤田地質(zhì)非常規(guī)能源調(diào)查研究院，福建福州 350005；3.福建省煤田地質(zhì)局，福建福州 350005；4.中化地質(zhì)礦山總局福建地質(zhì)勘查院，福建福州 350013；5.廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì)，廣東惠州 516001）

0 引言

石墨按其結(jié)晶形態(tài)可以分為隱晶質(zhì)石墨和晶質(zhì)石墨，福建由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿活動(dòng)活躍導(dǎo)致地層中既有隱晶質(zhì)（煤系）石墨產(chǎn)出，又有晶質(zhì)石墨產(chǎn)出。近幾年來(lái)，福建省開(kāi)展了一系列石墨勘查或調(diào)查，對(duì)煤系石墨和無(wú)煙煤鑒別提出科學(xué)劃分標(biāo)準(zhǔn)，估算了福建省煤系石墨資源量［1-4］；福建省武夷山市桃棋-建陽(yáng)嶺根墻地區(qū)晶質(zhì)石墨礦資源遠(yuǎn)景調(diào)查成果豐富［5-7］，桃棋、嶺根墻礦區(qū)礦床規(guī)模達(dá)中型。

1 煤系石墨礦床特征

1.1 煤系石墨分布概況

中二疊統(tǒng)童子巖組是福建最重要的含煤層位，所賦存的煤炭資源占全省煤炭資源總量的98%。以該組煤層為礦源層，受印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)以及燕山期巖漿活動(dòng)等多因素影響煤變質(zhì)程度較高，發(fā)生石墨化形成煤系石墨［8-9］。依據(jù)福建省富煤帶劃分情況，福建煤系石墨主要分布于三個(gè)含煤帶的四大煤田：西含煤帶的將樂(lè)-武平煤田，中含煤帶的永安-大田煤田及龍巖-永定煤田，東含煤帶的永春-尤溪煤田。在此基礎(chǔ)上，王路、陳泉霖等劃分出了大田-漳平與永安-安溪兩條煤系石墨成礦區(qū)帶［8］。

1.2 煤系石墨地質(zhì)特征

福建煤系石墨由煤演化而成，為接觸變質(zhì)成礦，主要賦存于中二疊統(tǒng)童子巖組（P2t）中，與煤共生。其固定碳含量一般為55%～94%，揮發(fā)分含量一般為1.47%～7.22%，屬于同層異礦，相對(duì)較薄，可選性差。宏觀上既有無(wú)煙煤典型的原生條帶結(jié)構(gòu)也有石墨典型的鱗片結(jié)構(gòu)。前人將福建地區(qū)煤系石墨樣品從宏觀上大致分為三種類(lèi)型：第一類(lèi)，構(gòu)造變形強(qiáng)烈的鱗片狀煤，樣品多較脆且易碎，光澤以半亮—光亮為主，層面存在構(gòu)造光亮面，其裂隙發(fā)育較少，層間聯(lián)系較弱，易破碎，煤體具整體變形和揉皺現(xiàn)象；第二類(lèi)，構(gòu)造變形稍強(qiáng)的碎粒-碎裂煤，樣品易碎成小塊，光澤以半暗—半亮為主，可見(jiàn)構(gòu)造光亮面；第三類(lèi)，未經(jīng)構(gòu)造變形的原生結(jié)構(gòu)煤，原生條帶結(jié)構(gòu)明顯，斷口清晰，偶見(jiàn)構(gòu)造光亮面［1］。陳義林等于永安煤田煤系石墨中發(fā)現(xiàn)了目前全球范圍內(nèi)直徑最大的碳洋蔥（外徑55nm），具重要經(jīng)濟(jì)意義［10］。

1.3 典型煤系石墨礦區(qū)概況

通過(guò)福建省煤系石墨賦存規(guī)律及資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目調(diào)查，大田-漳平煤系石墨成礦區(qū)帶內(nèi)漳平可坑礦區(qū)煤系石墨結(jié)晶程度好，石墨化程度較高，在福建地區(qū)具有一定的典型代表性［3］。

漳平可坑石墨礦位于福建省漳平市，處于華南褶皺帶東部，閩西南拗陷西南部，區(qū)域斷裂帶政和-大浦?jǐn)嗔褞鱾?cè)，區(qū)域主構(gòu)造線(xiàn)方向?yàn)楸北睎|向。礦區(qū)范圍內(nèi)無(wú)巖漿巖出露，礦區(qū)周邊構(gòu)造巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿巖較發(fā)育，總體呈北東向展布，其分布主要受區(qū)域構(gòu)造控制，構(gòu)成復(fù)式巖體，具有多階段、多期次活動(dòng)特點(diǎn)。礦區(qū)內(nèi)地層呈單斜層狀產(chǎn)出，石墨礦體賦存于中二疊統(tǒng)童子巖組含煤地層（圖1）。根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)漳平可坑礦區(qū)11 件煤系石墨樣品進(jìn)行工業(yè)分析（FCad、Vdaf）、X 射線(xiàn)衍射分析及拉曼光譜分析，礦區(qū)煤系石墨固定碳含量為57.18%～84.85%，固定碳平均品位為76.05%；揮發(fā)分（Vdaf）為2.85%～6.65%，平均揮發(fā)分（Vdaf）4.60%，達(dá)到了煤系石墨的工業(yè)品位（表1）。同時(shí)X 射線(xiàn)衍射分析結(jié)果表明碳層間距d002介于0.336 1～0.340 7nm，拉曼參數(shù)R2介于0.343～0.510，結(jié)合王路、曹代勇、鄧瑞錦等提出的不同類(lèi)型煤-煤成石墨劃分模板，有4 件樣品為Ⅰ類(lèi)煤成石墨（碳層間距0.335 4nm＜d002≤0.337nm，拉曼參數(shù)R2≤0.65），7 件樣品為Ⅱ1 類(lèi)煤成半石墨（碳層間距0.337nm＜d002≤0.344nm，拉曼參數(shù)R2≤0.70）［4，10-12］。

表1 可坑礦區(qū)煤系石墨樣品分析結(jié)果Table 1 Sample analysis complete list of coal-based graphite in Kekeng mining area

圖1 可坑礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖與采樣點(diǎn)（據(jù)參考文獻(xiàn)［3］修改）Figure 1 Geological sketch and sampling locations of Kekeng mining area（modified from reference［3］）

2 晶質(zhì)石墨礦床特征

2.1 晶質(zhì)石墨分布概況

福建晶質(zhì)石墨賦存于古元古界麻源巖群大金山巖組（Pt1d），該巖組以含晶質(zhì)石墨為特征［13］。大金山巖組（Pt1d）從武夷山至建陽(yáng)斷續(xù)分布，自20 世紀(jì)70年代以來(lái)，該區(qū)斷續(xù)發(fā)現(xiàn)石墨礦床（點(diǎn)）。林子華、潘潘等在福建省武夷山市桃棋-建陽(yáng)嶺根墻地區(qū)開(kāi)展晶質(zhì)石墨礦資源遠(yuǎn)景調(diào)查工作，提交了2 處大型晶質(zhì)石墨礦產(chǎn)地［5-7］。

2.2 晶質(zhì)石墨地質(zhì)特征

古元古界麻源巖群大金山巖組（Pt1d）原巖為一套基性火山巖含有機(jī)質(zhì)的砂泥質(zhì)碎屑建造，巖性主要為硅線(xiàn)石英黑云片巖、硅線(xiàn)石黑云石英片巖、長(zhǎng)石石英黑云片巖、長(zhǎng)石黑云石英片巖、黑云斜長(zhǎng)變粒巖，夾晶質(zhì)石墨礦層［7］。早期區(qū)域變質(zhì)作用使大金山巖組（Pt1d）中的有機(jī)質(zhì)富集形成鱗片狀晶質(zhì)石墨，后期經(jīng)巖漿活動(dòng)以及混合巖化作用等，區(qū)內(nèi)石墨進(jìn)一步富集呈大鱗片石墨，屬于礦化過(guò)程中碳質(zhì)遷移和富集成礦［6］。礦石礦物成分主要為鱗片狀晶質(zhì)石墨，脈石礦物主要為片狀黑云母、粒狀石英、粒狀長(zhǎng)石、針狀纖維狀矽線(xiàn)石以及少量黃鐵礦等，礦石類(lèi)型為石墨片巖型礦石、石墨變粒巖型礦石、石墨混合巖型礦石三種。武夷山-建陽(yáng)地區(qū)晶質(zhì)石墨固定碳含量一般在2.5%～8.0%，厚度變化較大，從幾米到幾十米不等，可選性好。

2.3 典型晶質(zhì)石墨礦區(qū)概況

武夷山市桃棋礦區(qū)經(jīng)過(guò)晶質(zhì)石墨礦資源遠(yuǎn)景調(diào)查及后續(xù)詳查工作基本查明了礦體的空間分布、規(guī)模、形態(tài)、產(chǎn)狀以及礦石的質(zhì)量特征等，提交了石墨礦資源量?jī)汕Ф嗳f(wàn)噸，礦物量七十多萬(wàn)噸，礦床規(guī)模達(dá)中型，在福建地區(qū)具有一定的典型代表性［6］。

桃棋礦區(qū)位于武夷山市桃棋村，礦區(qū)內(nèi)石墨礦體賦存于大金山巖組石墨片巖、石墨變粒巖、石墨混合巖層位中，礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出。共有4個(gè)含礦層（Ⅰ—Ⅳ號(hào)礦層），圈定了24個(gè)石墨礦體（圖2），礦體長(zhǎng)150～1 000 m，厚2.0～44.2m；礦體走向總體為北東向（10°～30°），個(gè)別礦體30°～60°，傾向?yàn)槟蠔|或北西向，傾角為13°～43°。礦石礦物成分主要為鱗片狀晶質(zhì)石墨，脈石礦物主要為片狀黑云母、粒狀石英、粒狀長(zhǎng)石、針狀纖維狀矽線(xiàn)石及少量石榴子石、黃鐵礦等［6-7］。鱗片狀晶質(zhì)石墨是鉛灰（黑）色—鋼灰色，半自形鱗片狀，不透光，反射光鉛灰色，大部分礦物呈浸染狀均勻分布，少部分沿裂隙充填，浸染狀賦存狀態(tài)呈單晶鱗片形式嵌布在其他礦物晶粒間或被長(zhǎng)石、石英、黑云母礦物包裹（呈包含結(jié)構(gòu)），鱗片有彎曲。片徑為0.04～1.80mm，以0.2～0.6 mm 為主，片徑＞0.147 mm（100目）占比92.4%，為大鱗片石墨［6］。

圖2 桃棋礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［6］修改）Figure 2 Geological sketch of Taoqi graphite mine（modified from reference［6］）

3 成礦原因分析

3.1 隱晶質(zhì)石墨成礦原因分析

煤系石墨是巖漿熱和構(gòu)造應(yīng)力共同作用的產(chǎn)物，在構(gòu)造-熱的共同作用下，煤向石墨的演化才得以發(fā)生［3］。巖漿巖是煤層變質(zhì)為隱晶質(zhì)石墨的主要熱源，巖漿熱疊加動(dòng)力變質(zhì)，促進(jìn)了煤中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)的演化，煤的石墨化程度高，煤層石墨化較完全。

福建地區(qū)巖漿侵入的規(guī)模和強(qiáng)度自西向東逐漸增大，燕山期中—晚期強(qiáng)烈的巖漿侵入活動(dòng)主要分布于中、東部含煤帶中，西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(wú)煙煤為主［4］，而石墨化程度較高的Ⅰ類(lèi)（碳層間距0.335 4nm＜d002≤0.337nm，拉曼參數(shù)R2≤0.65）和Ⅱ1類(lèi)（碳層間距0.337nm＜d002≤0.344nm，拉曼參數(shù)R2≤0.70）主要分布在中、東含煤帶。復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)，尤其是政和-大埔斷裂帶和永安-晉江斷裂帶的形成，導(dǎo)致煤的石墨化程度出現(xiàn)更多的差異性，同時(shí)形成了不同的成礦模式。中含煤帶南塊段的漳平-永定煤田內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以滑覆構(gòu)造為主，多形成封閉式成礦模式，此模式下煤的石墨化程度較高，典型礦區(qū)如漳平可坑礦區(qū)；中含煤帶北塊段永安-大田煤田及東含煤帶德化-安溪煤田內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以推覆構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主，多形成開(kāi)放—半封閉式成礦模式，在該成礦模式下形成煤的石墨化程度差異性較大，分布有石墨化無(wú)煙煤-石墨；西含煤帶邵武-連城煤田內(nèi)受構(gòu)造、巖漿活動(dòng)較弱，常構(gòu)成開(kāi)放式成礦環(huán)境，此模式下多為高變質(zhì)無(wú)煙煤，僅在巖脈附近煤的石墨化程度較高。因此，福建煤系石墨主要賦存于閩西南坳陷帶內(nèi)。

3.2 晶質(zhì)石墨成礦原因分析

區(qū)域變質(zhì)型晶質(zhì)石墨礦床是我國(guó)主要的石墨礦床工業(yè)類(lèi)型［14］，成礦過(guò)程受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、有機(jī)質(zhì)富集程度、變質(zhì)作用深度、后期混合巖化作用等諸多因素疊加影響。福建地區(qū)晶質(zhì)石墨礦床成因?qū)賲^(qū)域變質(zhì)型（沉積變質(zhì)（后期改造））型，大金山巖組富含石墨片巖類(lèi)或變粒巖類(lèi)是本區(qū)尋找石墨礦床的重要標(biāo)志［6］，主要賦存于閩北老變質(zhì)巖地區(qū)。

福建省晶質(zhì)石墨礦床賦存于古元古界麻源巖群大金山巖組上巖段的變質(zhì)巖系中，該變質(zhì)巖類(lèi)原巖為一套基性火山巖-有機(jī)質(zhì)砂泥質(zhì)碎屑巖建造［6］，呂梁期區(qū)域變質(zhì)作用使碳質(zhì)重結(jié)晶形成石墨；晉寧期—加里東期的多次區(qū)域變質(zhì)作用致使石墨礦進(jìn)一步富集；加里東期巖漿作用和混合巖化作用導(dǎo)致石墨礦層厚度較大且石墨鱗片變大［6-7］。

4 結(jié)論

1）福建隱晶質(zhì)石墨主要賦存于中二疊統(tǒng)童子巖組（P2t）內(nèi)，成因?qū)儆诮佑|變質(zhì)型。其固定碳含量一般為55%～94%，與煤共生，屬于同層異礦，相對(duì)較薄，可選性差，宏觀上既有無(wú)煙煤典型的原生條帶結(jié)構(gòu)也有石墨典型的鱗片結(jié)構(gòu)。福建地區(qū)受燕山期中—晚期強(qiáng)烈的巖漿侵入活動(dòng)影響，以及復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)，使中含煤帶南塊段的漳平-永定煤田內(nèi)煤的石墨化程度較高，中含煤帶北塊段永安-大田煤田及東部含煤帶內(nèi)煤的石墨化程度差異較大，西部含煤帶多為高變質(zhì)無(wú)煙煤，僅在巖脈附近煤的石墨化程度較高。

2）福建晶質(zhì)石墨賦存在古元古界麻源巖群大金山巖組（Pt1d），成因?qū)儆趨^(qū)域變質(zhì)型。其固定碳含量一般在2.5%～8.0%，礦體厚度變化較大，從幾米到幾十米不等，可選性好。呂梁期區(qū)域變質(zhì)作用使大金山巖組的變質(zhì)巖系碳質(zhì)重結(jié)晶形成石墨；晉寧期—加里東期的多次區(qū)域變質(zhì)作用致使石墨礦進(jìn)一步富集；加里東期巖漿作用和混合巖化作用導(dǎo)致石墨礦層厚度較大且石墨鱗片變大。

3）福建煤系石墨主要賦存于閩西南坳陷帶內(nèi)，中條帶是尋找煤系石墨的主要方向；晶質(zhì)石墨主要賦存于閩北老變質(zhì)巖地區(qū)，老變質(zhì)巖地層是尋找晶質(zhì)石墨的主要層位。

4）永安煤田煤系石墨中首次發(fā)現(xiàn)了碳洋蔥（外徑55nm），為福建煤系石墨開(kāi)發(fā)利用提供了重要價(jià)值取向。