北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦床地質(zhì)特征及成因探討

嚴(yán)鵬程,壽立永,楊聯(lián)濤,尚凱凱

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì),陜西 西安 710003)

0 引言

石墨是一種特殊的非金屬材料,也是我國(guó)重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn),應(yīng)用前景廣闊,被稱為 “新材料之王”[1]。 2016年陜西省自然資源廳啟動(dòng)北秦嶺東段即丹鳳北部地區(qū)晶質(zhì)石墨礦找礦大會(huì)戰(zhàn)項(xiàng)目,以期快速取得找礦重大突破。2016—2023年,陜西省地勘基金先后啟動(dòng)庾家河晶質(zhì)石墨礦普查、瓦窯溝晶質(zhì)石墨礦普查、回頭山晶質(zhì)石墨礦普查和孫家?guī)r晶質(zhì)石墨礦普查項(xiàng)目,累計(jì)投入勘查經(jīng)費(fèi)2 000多萬(wàn)元,探獲晶質(zhì)石墨礦物量430萬(wàn)t,圓滿完成找礦任務(wù)[2]。本文總結(jié)多年來(lái)在北秦嶺東段地區(qū)從事石墨礦勘查所掌握的資料,從石墨礦礦床地質(zhì)特征入手,系統(tǒng)歸納北秦嶺東段地區(qū)晶質(zhì)石墨礦礦體地質(zhì)特征,并從變質(zhì)原巖恢復(fù)、碳質(zhì)來(lái)源、成巖成礦環(huán)境出發(fā),探討該區(qū)石墨礦的成因,以期為該區(qū)晶質(zhì)石墨礦的勘查及開(kāi)發(fā)利用提供一定的借鑒意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦位于商洛市商州區(qū)東部沙河子鎮(zhèn)至丹鳳縣北部庾嶺鎮(zhèn)一帶,面積約200 km2。大地構(gòu)造位置位于秦嶺造山帶中東部華北板塊與華南板塊結(jié)合過(guò)渡區(qū)(圖1a),其夾持于商高—朱夏斷裂和商丹斷裂之間(圖1b),經(jīng)歷長(zhǎng)期復(fù)雜的地質(zhì)演化,造就區(qū)內(nèi)不同部位性質(zhì)各異的物質(zhì)組成和空間構(gòu)造配置[3]。研究區(qū)處于華北地層大區(qū)之秦祁昆地層區(qū)的北秦嶺地層分區(qū)太白小區(qū)[4],北部出露有中元古界寬坪巖群、下古生界二郎坪巖群。南部出露有下古生界丹鳳巖群。區(qū)內(nèi)出露地層主要為古元古界秦嶺巖群,各地層均為斷層接觸。作為北秦嶺的重要組成部分,秦嶺巖群主要由經(jīng)歷強(qiáng)烈變質(zhì)變形的長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖、片巖、大理巖組成,其中出露大量透鏡體狀或似層狀榴輝巖、榴閃巖、斜長(zhǎng)角閃巖以及古生代花崗質(zhì)巖體、長(zhǎng)英質(zhì)脈體,新元古代花崗巖體零星出露。獨(dú)特的構(gòu)造格局及多期次復(fù)雜的變形變質(zhì)作用,為晶質(zhì)石墨礦礦床的形成提供良好的成礦條件。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

2.2 構(gòu)造

研究區(qū)由于長(zhǎng)期處于華北板塊南緣及商丹板塊結(jié)合帶這一特殊構(gòu)造部位,多期多層次構(gòu)造活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈,地質(zhì)構(gòu)造組合復(fù)雜,主構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽魑飨騕6]。特別是晉寧期俯沖-碰撞造山階段,受揚(yáng)子板塊與華北古陸碰撞擠壓作用,研究區(qū)內(nèi)形成大型區(qū)域性的張河—留仙坪—界嶺復(fù)式背斜[7],背斜的軸部在留仙坪—碾子坪—小石門(mén)溝一線,以石墨大理巖為核部。褶皺軸線近東西向,受后期構(gòu)造變形疊加改造,脊線波狀起伏,軸面時(shí)而向南,時(shí)而向北擺動(dòng)(圖2)。本期形變控制研究區(qū)內(nèi)石墨礦體呈環(huán)帶狀分布的構(gòu)造格式。已發(fā)現(xiàn)的石墨礦床的礦體均受該背斜控制,庾家河石墨礦K-Ⅰ、K-Ⅱ礦體產(chǎn)于背斜南翼,K-Ⅲ、K-Ⅳ礦體產(chǎn)于背斜北翼;大西溝—碾子坪—蔡凹石墨礦礦體產(chǎn)于背斜南翼;回頭山、瓦窯溝、孫家?guī)r、王家溝石墨礦礦體產(chǎn)于背斜北翼。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以東西向斷裂為主,部分?jǐn)嗔褬?gòu)造深部切穿石墨礦體(如庾家河K-Ⅱ礦體,礦體傾斜延伸253 m后被F4斷層錯(cuò)斷,下盤(pán)抬升近100 m),使得石墨礦體形態(tài)趨于復(fù)雜。

2.3 巖漿巖

研究區(qū)內(nèi)巖漿巖較為發(fā)育,以酸性花崗巖侵入體為主,其形成與晚加里東—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆雙向斜沖-碰撞密切相關(guān)[8]。侵入體集中分布于研究區(qū)南部及東部,可劃分為早志留世孫家山巖體、早泥盆世黃柏岔巖體兩期。早志留世孫家山巖體(ηγβS1)巖性以片麻狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主,分布于孫家山、塔爾坪村及對(duì)窩一帶,與區(qū)域構(gòu)造線方向一致,呈NWW—SEE向、不規(guī)則條帶狀侵位于秦嶺巖群郭莊巖組地層之中,接觸面產(chǎn)狀與圍巖中的面理產(chǎn)狀協(xié)調(diào)一致。孫家山巖體距賦礦地層雁嶺溝巖組較遠(yuǎn),對(duì)區(qū)內(nèi)石墨礦體基本無(wú)影響。早泥盆世黃柏岔巖體(ηγD1)是研究區(qū)內(nèi)出露范圍最廣的侵入體,呈不規(guī)則透鏡狀侵入于雁嶺溝巖組地層中。巖性以含石榴子石二長(zhǎng)花崗巖為主,為過(guò)鋁的S型花崗巖,標(biāo)志著造山帶后碰撞階段的開(kāi)始[9]。由于后碰撞環(huán)境下,構(gòu)造應(yīng)力趨于松弛,下部巖漿底劈上侵,帶來(lái)大量的熱量,使得區(qū)域地溫梯度快速升高,對(duì)礦石品質(zhì)起到提質(zhì)的作用,使得石墨礦鱗片進(jìn)一步增大[10]。

2.4 變質(zhì)作用

研究區(qū)位于華北變質(zhì)巖區(qū)的太白—商縣變質(zhì)帶;除古近系碎屑巖及志留紀(jì)、泥盆紀(jì)侵入的二長(zhǎng)花崗巖外,其余地層均發(fā)生不同程度的變質(zhì)。其中賦礦地層雁嶺溝巖組經(jīng)歷晉寧期( 780～740 Ma) 高角閃巖相和加里東-海西期( 415～286 Ma) 綠片巖相兩期變質(zhì)變形疊加改造,主變質(zhì)期時(shí)代為晉寧期[11-13]。雁嶺溝巖組變質(zhì)程度達(dá)高角閃巖相,絕大多數(shù)原巖特征基本消失,普遍發(fā)育強(qiáng)塑性環(huán)境下強(qiáng)變形流變褶皺性質(zhì)的腸狀、條帶狀片麻巖,并發(fā)育石榴矽線片巖、含橄欖石大理巖等特征變質(zhì)巖石。同時(shí),在這一階段,原沉積巖中的有機(jī)碳將脫除分子中的H和O,變成單質(zhì)碳,并伴隨著區(qū)域作用的進(jìn)行,單質(zhì)碳徹底石墨化,最終形成結(jié)晶完好,自形、半自形,呈六方形片狀、板狀、鱗片狀的晶質(zhì)石墨。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)晶質(zhì)石墨礦體77條(表1),礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出,具有層控礦床特征。礦體走向呈NWW—SEE向展布。單層厚1.00～50.83 m,沿走向膨大收縮明顯,長(zhǎng)150～2 500 m,傾斜延深50～222 m,各礦體之間分布均勻,呈現(xiàn)近平行排列趨勢(shì),間距為50～100 m。其中,庾家河石墨礦由于距區(qū)域背斜張河—留仙坪—界嶺背斜較近,礦體呈陡傾角,傾角75°～87°,其余礦床位于背斜翼部,產(chǎn)狀逐漸變緩, 傾角25°～60°。礦體普遍受酸性花崗巖脈體影響,脈體一般沿礦體層理方向侵位,造成礦體內(nèi)部連續(xù)性變差。

3.2 礦石特征

3.2.1 礦物成分

石墨礦石的礦物成分由石墨和脈石礦物兩大類組成。石墨為鱗片狀,片徑0.01～2.50 mm,含量10%～30%。脈石礦物主要有斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、方解石、透輝石。次要礦物有白云母、矽線石、石榴石、電氣石等,見(jiàn)少量金紅石、褐鐵礦、赤鐵礦。礦石的自然類型不同,其礦物成分及含量亦有差異。

3.2.2 礦石化學(xué)成分

3.2 李富祥等[21]建立了基于TaqMan探針的副豬嗜血桿菌實(shí)時(shí)熒光定量 PCR檢測(cè)方法，其靈敏度為 692 copies/μL。Wei Xiaoyuan等[19]建立了副豬嗜血桿菌恒溫?zé)晒釶CR檢測(cè)技術(shù)，靈敏度可達(dá)到1000 copies/μL。本實(shí)驗(yàn)建立的實(shí)時(shí)熒光定量 PCR檢測(cè)方法的最低檢測(cè)限為26.47 copies/μL，ddPCR的最低檢測(cè)限為2.647 copies/μL。

對(duì)已發(fā)現(xiàn)的庾家河、回頭山、瓦窯溝、孫家?guī)r等4個(gè)石墨礦床礦石化學(xué)成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。固定碳的單工程品位波動(dòng)于2.04%～14.18%,礦床平均品位3.58%～5.53%。石墨礦石中主要有害雜質(zhì)有Fe2O3、S、P2O5。

其中Fe2O3含量2.30%～8.34%,平均4.27%;S含量0.053%～5.300%,平均0.88%;P2O5含量0.023%～0.200%,平均0.08%。有害雜質(zhì)含量較低,通過(guò)選礦可以基本脫除,對(duì)礦石質(zhì)量影響較小,滿足工業(yè)利用需求。

3.2.3 礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造和類型

礦石具鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造、片麻狀、薄層狀構(gòu)造。

根據(jù)礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,礦物成分和有用組分含量,研究區(qū)石墨礦石劃分為石墨大理巖、石墨片麻巖、石墨石英片巖等3種基本自然類型(表2,圖3)。

根據(jù)石墨片度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,研究區(qū)石墨礦床石墨鱗片粒徑最小值0.01 mm,遠(yuǎn)大于1 μm,均為晶質(zhì)石墨礦。其中,小于50目占49.33%,50～80目占33.33%,80～100目占12.67%,大于100目占4.67%。主要有用礦物為石墨礦,呈晶質(zhì)鱗片狀。因此,研究區(qū)石墨礦礦石均屬鱗片狀晶質(zhì)石墨礦石。

4 礦床成因

4.1 變質(zhì)原巖恢復(fù)

由于研究區(qū)位于秦嶺造山帶變質(zhì)變形最為強(qiáng)烈的地區(qū),其原巖經(jīng)歷多期變質(zhì)變形改造,這為原巖恢復(fù)帶來(lái)很大難度。根據(jù)礦區(qū)大理巖—片巖—片麻巖巖石組合,初步推斷礦區(qū)變質(zhì)巖的原巖為沉積巖。為恢復(fù)研究區(qū)變質(zhì)巖的原巖建造,采集區(qū)內(nèi)庾家河石墨礦床19個(gè)樣品進(jìn)行主量元素分析,分析結(jié)果見(jiàn)表 3 。

表2 研究區(qū)各自然類型石墨礦石特征匯總

圖3 各自然類型礦石鏡下照片

根據(jù)正、副變質(zhì)巖的K—A判別圖解[14](圖4),除1個(gè)石墨大理巖樣品落在火成巖區(qū)外,其余均落在沉積巖區(qū)。其中,石墨大理巖樣品靠近碳酸鹽巖亞區(qū),石墨片麻巖和石墨石英片巖樣品靠近泥質(zhì)粉砂巖亞區(qū)。表明石墨大理巖原巖為碳酸鹽巖,石墨片麻巖和石墨石英片巖原巖為泥質(zhì)粉砂巖。同時(shí)結(jié)合野外樣品取樣位置,樣品6受后期巖體侵位,石墨大理巖內(nèi)部發(fā)育有細(xì)小巖脈,使其化學(xué)成分靠近巖漿巖,這也是其落在火成巖區(qū)的原因。根據(jù)w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w(∑其余組分)圖解[15](圖5),研究區(qū)石墨大理巖落在泥灰?guī)r及硅質(zhì)泥灰?guī)r和含鐵砂巖區(qū);石墨片麻巖落在化學(xué)上弱分異的副礦物粉砂巖沉積物區(qū);石墨石英片巖落在少量礦物砂巖、石英質(zhì)砂巖區(qū)及鈣質(zhì)砂巖和含鐵砂巖區(qū)。分析表明,研究區(qū)石墨大理巖原巖為海相的泥灰?guī)r,石墨片麻巖和石墨石英片巖為陸源砂質(zhì)碎屑巖。依據(jù)原巖恢復(fù)判別,研究區(qū)雁嶺溝組原巖為一套淺海相含碳碎屑巖-鈣泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖沉積建造。研究區(qū)石墨礦石通常為石墨大理巖或者石墨大理巖與石墨片麻巖/石墨石英片巖互層型產(chǎn)出,其原巖沉積環(huán)境可能為濱海潮坪和潟湖相。

圖4 正、副變質(zhì)巖的K—A判別圖解[14]

圖5 w(Al2O3+TiO2)—w(SiO2+K2O)—w∑其余組分圖解[15]

4.2 碳質(zhì)來(lái)源

目前多數(shù)地質(zhì)工作者認(rèn)為研究區(qū)晶質(zhì)石墨礦為有機(jī)成因[16-20],并認(rèn)為在元古代沉積的含碳有機(jī)質(zhì)在成巖及變質(zhì)作用過(guò)程中形成晶質(zhì)石墨。其依據(jù)主要是1984年陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第十三地質(zhì)隊(duì)在大西溝—碾子坪—蔡凹石墨礦床所做穩(wěn)定同位素重分析δ13CPDB為-12.34‰～-13.89‰。現(xiàn)代研究表明自然界中碳質(zhì)來(lái)源主要有地幔來(lái)源的碳(δ13CPDB一般為-2‰～ -10‰,平均-7‰)[21]、有機(jī)沉積物成因的碳(δ13CPDB介于-40‰～ -17‰之間,平均為-28‰～-26‰)[22]和典型海洋碳酸鹽巖中的碳(δ13CPDB介于-2‰ ～+4‰之間)[23]。相比較而言,研究區(qū)的碳與有機(jī)成因石墨δ13C相比偏重,而與海相碳酸鹽無(wú)機(jī)成因石墨δ13C相比又偏輕,具有中間碳同位素特征。鑒于此,也有部分學(xué)者認(rèn)為研究區(qū)石墨碳質(zhì)來(lái)源可能為有機(jī)成因和無(wú)機(jī)成因2種[24]。

通過(guò)大量的野外觀察,區(qū)內(nèi)石墨均以浸染狀分布于層狀地層中,未見(jiàn)到以團(tuán)塊狀、條帶狀、細(xì)脈—網(wǎng)脈狀、條紋狀或褶紋狀分布在巖石裂隙中的流體沉淀結(jié)晶特征的石墨,所以不太可能是生物成因和海相碳酸鹽巖無(wú)機(jī)成因的多組分流體瑞利分餾后形成的具中間碳同位素特征的石墨礦床[25-28]。巖相學(xué)研究表明含石墨巖石樣品中普遍含有一定量的黃鐵礦(圖6),表明其沉積環(huán)境具有一定的還原性。有研究表明,有機(jī)物在還原環(huán)境下分解的產(chǎn)物主要以CH4為主,CH4富集輕的碳同位素(12C),因反應(yīng)的不徹底性,會(huì)使殘余的有機(jī)碳同位素逐漸變重[29-30]。故該區(qū)石墨是有機(jī)成因,因在濱海潮坪和潟湖相還原環(huán)境下有機(jī)物分解生成CH4反應(yīng)的不徹底性而具有中間碳同位素特征。

4.3 成巖成礦環(huán)境

北秦嶺構(gòu)造帶是秦嶺造山帶的主要構(gòu)造單元,呈東西向?qū)捳灰坏莫M長(zhǎng)帶狀斷續(xù)出露,主體由秦嶺巖群為主的構(gòu)造結(jié)晶基底雜巖組成,其大致經(jīng)歷早元古代陸塊裂解及活動(dòng)陸緣形成→晉寧期俯沖—碰撞造山階段→晚晉寧—加里東期伸展裂陷(Rodinia超大陸裂解)→晚加里東—海西期雙向斜沖—碰撞→印支期陸內(nèi)斷陷—推覆造山→燕山—喜山期斷塊造山、差異隆升[31]。秦嶺巖群變質(zhì)原巖形成于早元古代活動(dòng)大陸邊緣[32-33],在晉寧期俯沖—碰撞造山作用下發(fā)生變質(zhì)作用,變質(zhì)程度達(dá)到高角閃巖相,為晶質(zhì)石墨礦的形成提供必需的溫壓條件[34-35]。在晚加里東—海西期,隨著二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆的雙向擠壓,秦嶺巖群南北的商丹斷裂和朱夏斷裂發(fā)生走滑運(yùn)動(dòng),秦嶺巖群被錯(cuò)出抬升至地表。

圖6 各自然類型礦石含黃鐵礦鏡下照片

4.4 礦床成因

北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦δ13C具有中間碳同位素特征,為有機(jī)物在還原環(huán)境下分解不徹底造成,其碳質(zhì)來(lái)源于元古代沉積的含碳有機(jī)質(zhì)。晶質(zhì)石墨由淺海相沉積的碎屑巖-鈣泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖中的有機(jī)碳,在晉寧期中高壓相系區(qū)域變質(zhì)作用下形成。北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦為沉積變質(zhì)成因。除石墨礦體外,北秦嶺東段雁嶺溝巖組地層中含石墨大理巖非常普遍,其累計(jì)疊加厚度達(dá)幾十米至上百米,但其石墨含量多小于2%,分析認(rèn)為沉積作用對(duì)石墨富集至關(guān)重要。在沉積成巖過(guò)程中有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解、遷移,使碳質(zhì)成分相對(duì)富集,在濱海潮坪和潟湖相環(huán)境中出現(xiàn)含碳成分較高的巖段,只有含碳成分較高的巖段才能在變質(zhì)作用下形成具有工業(yè)價(jià)值的石墨礦床,即石墨礦品位的高低及其分布特征仍主要取決于原生的沉積條件與古地理環(huán)境。后期巖漿侵位造成的熱變質(zhì),使得區(qū)內(nèi)石墨礦鱗片進(jìn)一步增大,但對(duì)石墨礦化富集無(wú)影響。

4.5 成礦模式

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景、礦床地質(zhì)條件并結(jié)合碳質(zhì)來(lái)源、成巖成礦環(huán)境,總結(jié)研究區(qū)石墨礦床成礦模式如圖7。

圖7 研究區(qū)石墨礦成礦模式示意圖(a—沉積成礦階段,b—變質(zhì)成礦階段)

研究區(qū)石墨礦成礦分為沉積成礦階段和變質(zhì)成礦階段,沉積建造為活動(dòng)大陸邊緣的濱海潮坪和潟湖含碳泥質(zhì)巖—細(xì)碎屑巖和碳酸鹽建造。在沉積成礦階段,古元古代沉積的原始有機(jī)質(zhì)(藻類遺體)經(jīng)歷壓實(shí)、固結(jié),氨基酸和脂肪酸發(fā)生瀝青化,轉(zhuǎn)變?yōu)橐訡H4為主的烴類。在晉寧期俯沖—碰撞造山作用過(guò)程中,秦嶺巖群發(fā)生變質(zhì)變形,變質(zhì)成礦作用改變碳質(zhì)賦存狀態(tài),使碳質(zhì)有序化變成晶質(zhì)石墨。

伴隨著晚加里東—海西期二郎坪有限洋盆和商丹有限洋盆雙向斜沖—碰撞,泥盆紀(jì)黃柏岔巖體侵位,對(duì)區(qū)內(nèi)石墨礦體進(jìn)行一定程度改造。由于下部巖漿底劈上侵,帶來(lái)大量的熱量,使得區(qū)域地溫梯度快速升高,原區(qū)域變質(zhì)作用形成的晶質(zhì)石墨,在較高的地溫梯度下,發(fā)生進(jìn)一步熱變質(zhì),石墨鱗片進(jìn)一步增大[36]。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦詳細(xì)的礦床學(xué)、巖相學(xué)、地球化學(xué)以及碳同位素等方面的研究,得到如下認(rèn)識(shí):

(1)北秦嶺東段晶質(zhì)石墨礦賦礦地層為古元古界秦嶺巖群雁嶺溝巖組。主要礦石類型有石墨大理巖、石墨片麻巖、石墨石英片巖。石墨的片徑小于100目(大于0.147 mm)占95.33%,為典型的大鱗片狀晶質(zhì)石墨礦。

(2)北秦嶺東段石墨δ13C具有中間碳同位素特征,是有機(jī)物在變質(zhì)過(guò)程中脫CH4造成的。石墨礦品位及其分布主要與沉積相有關(guān),推測(cè)其沉積時(shí)代為古元古代,形成環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣的濱海潮坪和潟湖相,原始含碳有機(jī)質(zhì)在沉積成礦階段,發(fā)生瀝青化,轉(zhuǎn)變?yōu)橐訡H4為主的烴類。在晉寧期俯沖—碰撞造山作用過(guò)程中,有機(jī)物逐漸發(fā)生變質(zhì)形成石墨并聚集形成石墨礦床。

(3)區(qū)內(nèi)泥盆紀(jì)黃柏岔二長(zhǎng)花崗巖體侵位造成的熱變質(zhì),使得區(qū)內(nèi)石墨礦鱗片進(jìn)一步增大。