陳泉霖，程 喬，鄧瑞錦，林曉炎，王 路，丁正云，李 陽

(1.福建省煤田地質(zhì)局，福建 福州 350005；2.福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建 福州 350005；3.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；4.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)

煤系石墨是煤及煤系炭質(zhì)泥頁巖等在巖漿熱接觸變質(zhì)及構(gòu)造變質(zhì)作用下形成的，多為隱晶質(zhì)石墨[1-5]。福建地區(qū)對(duì)于煤系石墨資源的地質(zhì)研究程度不高，從煤炭資源勘查過程中發(fā)現(xiàn)，二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層在巖漿或構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈的區(qū)塊，其賦存的高變質(zhì)無煙煤有進(jìn)一步變質(zhì)成隱晶質(zhì)石墨的現(xiàn)象，給從煤系中尋找煤系石墨提供了方向。然而由于無煙煤與石墨的評(píng)價(jià)指標(biāo)存在交叉和重疊現(xiàn)象，造成福建省部分煤系石墨礦劃歸為煤礦。這些資源未能得到政策性引導(dǎo)，開采的石墨資源均以石墨粉、石墨球、石墨粒、增碳劑等初級(jí)產(chǎn)品銷售，部分煤系石墨資源甚至作為煤炭直接銷售，導(dǎo)致煤系石墨資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

目前，福建省正著力打造石墨烯產(chǎn)業(yè)基地，對(duì)石墨資源的需求非常迫切。鑒于此，福建省煤田地質(zhì)局與福能集團(tuán)及中國礦業(yè)大學(xué)(北京)三方開展了相關(guān)研究，在福建省自然資源廳的支持下設(shè)立了《福建省煤系石墨賦存規(guī)律及資源評(píng)價(jià)》[6]、《福建省煤系石墨分類研究及標(biāo)準(zhǔn)制定》等科研項(xiàng)目。筆者在此基礎(chǔ)上，調(diào)查了福建省煤系石墨勘查分布特征，探討福建地區(qū)如何科學(xué)劃分煤系石墨與高變質(zhì)無煙煤的測(cè)試方法，并進(jìn)行煤系石墨資源評(píng)價(jià)，對(duì)查明福建煤系石墨資源的開發(fā)前景具有重大意義。

1 地質(zhì)背景

1.1 含煤地層

二疊系中統(tǒng)童子巖組是福建省最重要的含煤層位，所賦存的煤炭資源占全省煤炭資源總量的98%，其次是上三疊統(tǒng)大坑村組、焦坑組和上二疊統(tǒng)的翠屏山組，占資源總量的1.5%，而其他含煤地層占資源總量不足0.5%[7-8]。煤系石墨賦存層位主要為二疊系中統(tǒng)童子巖組，即為探查煤系石墨資源對(duì)象。

通過分析二疊系中統(tǒng)童子巖組的巖性巖相、沉積及聚煤環(huán)境和含煤性等因素，全省大致可劃分為東、中、西3 個(gè)含煤條帶，即東部含煤帶(永春–尤溪煤田)、中部含煤帶(永安–大田煤田及龍巖–永定煤田)、西部含煤帶(將樂–武平煤田)。

1.2 構(gòu) 造

童子巖組含煤地層沉積后，主要經(jīng)歷了東吳運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)[9]。其中，對(duì)含煤地層賦存影響最大的是印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)。印支運(yùn)動(dòng)使含煤地層發(fā)生滑覆構(gòu)造，煤層穩(wěn)定性受到破壞，基本為不穩(wěn)定煤層，局部為極不穩(wěn)定煤層。燕山運(yùn)動(dòng)主要產(chǎn)生一系列推覆構(gòu)造，徹底改變了福建煤炭的賦存狀態(tài)，使煤層穩(wěn)定性再一次受到強(qiáng)烈的破壞，也給原已變質(zhì)成的無煙煤進(jìn)一步變質(zhì)提供了動(dòng)力來源。

1.3 巖漿巖

二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層沉積后，對(duì)煤系賦存影響較大的主要是印支期及燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)帶來的大面積巖漿侵入和巖漿劇烈噴發(fā)，在一定程度上改變了含煤地層的賦存狀態(tài)；尤其是燕山中晚期巖漿活動(dòng)，范圍廣、強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是福建含煤地層中煤變質(zhì)成無煙煤，局部再變質(zhì)成煤系石墨的最大熱源[5]，對(duì)中、東部含煤地層含煤帶影響更甚。

2 福建省煤系石墨勘查分布特征

2.1 石墨礦產(chǎn)類型

福建石墨礦產(chǎn)的類型有兩種：晶質(zhì)石墨和隱晶質(zhì)石墨(即煤系石墨)，根據(jù)福建省自然資源廳統(tǒng)計(jì)的儲(chǔ)量年報(bào)(2017 年)，晶質(zhì)石墨有3 處累計(jì)查明3 633.49 萬t(礦石量)均未利用；煤系石墨主要礦床有11 處。累計(jì)查明約1 86.1 萬t，保有資源儲(chǔ)量約142.7 萬t。

2.2 煤系石墨分布概述

福建省煤系石墨主要以二疊系中統(tǒng)童子巖組含煤地層為基礎(chǔ)，以該組煤層為礦源層，煤變質(zhì)程度較高，受巖漿熱和構(gòu)造等多因素影響發(fā)生石墨化形成煤系石墨。依據(jù)富煤帶可劃分為西部含煤帶、中部含煤帶和東部含煤帶，煤系石墨分布主要位于四大煤田：將樂–武平煤田、永安–大田煤田、龍巖–永定煤田和永春–尤溪煤田。

2.3 煤系石墨勘查開發(fā)現(xiàn)狀

福建省煤系石墨資源潛力大、開發(fā)應(yīng)用價(jià)值高，具有極好的應(yīng)用前景。近年來，福建省高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，著力打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，推動(dòng)福建省石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。煤系石墨作為石墨烯的原材料，資源勘查開發(fā)尚不明確，主要問題在于對(duì)煤系石墨與無煙煤之間的鑒別不清楚，造成資源浪費(fèi)；政府對(duì)礦權(quán)設(shè)置方案未規(guī)范化，對(duì)非石墨開采區(qū)監(jiān)管力度不夠，造成礦權(quán)有誤。本次研究對(duì)正在生產(chǎn)礦井、停采礦井和勘查區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。大部分礦井、勘查區(qū)處于未開采或停采狀態(tài)，開采礦區(qū)也多以煤炭開采的形式生產(chǎn)銷售。

表1 福建省煤系石墨礦井、勘查區(qū)調(diào)查統(tǒng)計(jì)Table 1 Coal-based graphite mines and exploration areas in Fujian Province

3 煤系石墨評(píng)價(jià)方法

3.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與樣品測(cè)試分析

2016 年9 月至2018 年9 月，本文基金項(xiàng)目組在深入分析已有成果資料的基礎(chǔ)上，對(duì)福建省典型石墨礦區(qū)開展野外地質(zhì)調(diào)查，著重觀測(cè)地層構(gòu)造變形特征，包括褶皺、斷裂、節(jié)理等構(gòu)造活動(dòng)現(xiàn)象，并進(jìn)行詳細(xì)記錄、分析，獲取煤田構(gòu)造研究實(shí)際素材，按照與巖漿巖體的距離遠(yuǎn)近，觀察煤和煤系石墨的變質(zhì)、變形特征。弄清煤系巖性組合特征，觀察并記錄斷層、褶皺形態(tài)，尤其是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)煤系的影響。

分批次對(duì)福建省3 個(gè)賦煤帶內(nèi)在生產(chǎn)或未生產(chǎn)礦區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，共計(jì)34 個(gè)礦井、97 件樣品。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)的煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)并組織完成工業(yè)分析(FCad、Vdaf)、元素分析(C、H)、X 射線衍射分析、拉曼光譜分析、顯微組分觀察、鏡質(zhì)體反射率測(cè)試、高分辨率透射電鏡、掃描電鏡等系列測(cè)試分析。

3.2 煤系石墨鑒別與評(píng)價(jià)

現(xiàn)行勘查規(guī)范[10]規(guī)定，以固定碳含量劃分隱晶質(zhì)石墨礦的邊界品位(FC≥55%)和工業(yè)品位(FC≥65%)。實(shí)際情況中，福建省很多無煙煤的固定碳含量達(dá)到65%，甚至更高，所以僅以固定碳含量區(qū)分煤系石墨和無煙煤不夠準(zhǔn)確。陳蔚然[11]于1983 年總結(jié)了關(guān)于石墨化度的計(jì)算公式，認(rèn)為利用X 射線衍射來測(cè)定石墨的晶格常數(shù)等，得到石墨碳層間距d002，可以作為衡量石墨化度的一個(gè)依據(jù)。H/C 原子比是國際煤巖學(xué)與有機(jī)巖石學(xué)(ICCP)劃分石墨轉(zhuǎn)化階段的指標(biāo)之一，廖慧元[12]于1994 年研究湖南省魯塘礦區(qū)石墨礦，提出利用H/C 值等區(qū)分煤系石墨與無煙煤；2018 年董業(yè)績(jī)等[3]總結(jié)前人工作經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)吉林磐石、湖南魯塘、陜西鳳縣等地區(qū)典型煤系石墨礦的研究成果，提出了地質(zhì)勘查階段劃分煤系石墨與無煙煤的指標(biāo)，包括H/C、d002和拉曼參數(shù)R2[13-15]。

綜合眾多學(xué)者的研究成果，基于福建省煤田地質(zhì)特征，采用X 射線衍射分析碳層間距(d002)和拉曼光譜參數(shù)R2作為鑒別煤系石墨的指標(biāo)[16-18]，根據(jù)d002-R2模板[19]，將煤系石墨–無煙煤分為4 級(jí)，其中Ⅱ級(jí)又分兩個(gè)亞級(jí)：Ⅰ級(jí)(煤成石墨)、Ⅱ級(jí)(煤成半石墨)、Ⅲ級(jí)(石墨化無煙煤)、Ⅳ級(jí)(高變質(zhì)無煙煤)(圖1)。

4 福建省煤系石墨資源評(píng)價(jià)

首先在已有煤田構(gòu)造格局的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源評(píng)價(jià)的成礦區(qū)帶劃分。結(jié)合福建地區(qū)構(gòu)造與巖漿侵入的影響及不同類型石墨的分布情況進(jìn)行區(qū)帶劃分。然后根據(jù)成礦區(qū)帶內(nèi)礦井的石墨類型及石墨–煤炭資源量進(jìn)行資源評(píng)價(jià)。

4.1 煤系石墨成礦區(qū)帶劃分

福建煤系石墨主要分布于將樂–武平煤田、永安–大田煤田、龍巖–永定煤田和永春–尤溪煤田范圍內(nèi)。受控于多期次地殼運(yùn)動(dòng)形成的一系列斷裂帶，其中，永安–晉江斷裂帶將閩西南富煤帶分為南北兩塊；依靠政和–大埔斷裂帶，燕山期巖漿侵入活動(dòng)主要位于中部和東部含煤帶內(nèi)，為中、東部含煤帶的變質(zhì)作用和石墨化作用提供有利條件。在此基礎(chǔ)上，劃分了大田–漳平石墨成礦區(qū)與永安–安溪石墨成礦區(qū)[19-20]。

圖1 煤系無煙煤–石墨分類模板[19]Fig.1 Classification model of anthracite to coal-based graphite[19]

圖2 福建省煤系石墨成礦區(qū)帶及遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)Fig.2 Mineralization belts and predication of prospective areas of coal-based graphite in Fujian Province

大田–漳平石墨成礦區(qū)位于政和–大埔斷裂帶附近，包括兩個(gè)成礦亞區(qū)：漳平可坑–烏坑成礦亞區(qū)和永安–大田成礦亞區(qū)(圖2)。其中，漳平可坑–烏坑礦區(qū)位于龍巖–永定煤田南部，附近有大面積巖漿侵入體和逆沖推覆構(gòu)造，后者為含煤地層構(gòu)成“保溫蓋層”，且該礦區(qū)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Ⅰ—Ⅱ1型石墨。永安–大田成礦亞區(qū)位于永安–大田煤田內(nèi)，該區(qū)內(nèi)張性斷裂發(fā)育，巖漿熱液沿?cái)嗔亚秩?，煤的石墨化程度相?duì)較差，賦存Ⅱ2—Ⅲ型石墨。

永安–安溪石墨成礦區(qū)位于永安–晉江斷裂帶附近。該區(qū)帶張性斷裂發(fā)育，巖漿巖體以巖脈侵入或通過斷裂侵入含煤地層，巖漿熱影響范圍有限，僅對(duì)局部煤層造成影響，主要賦存Ⅱ1—Ⅱ2型石墨。

4.2 遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)

本次煤系石墨資源評(píng)價(jià)，在成礦區(qū)帶劃分的基礎(chǔ)上，以煤系石墨成礦理論為指導(dǎo)，根據(jù)石墨等級(jí)劃分及福建煤系石墨的分布狀況，預(yù)測(cè)了以下5 塊遠(yuǎn)景區(qū)域：①永安長(zhǎng)垇區(qū)；② 永安下蓋竹–甫弼–塘下洋區(qū)；③大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山區(qū)；④漳平可坑–烏石隔區(qū)；⑤ 漳平烏坑–華安福田(官田)區(qū)(圖2)。各遠(yuǎn)景區(qū)分布見表2。其中，又以大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山與漳平可坑–烏石隔地區(qū)石墨資源狀況最優(yōu)，預(yù)測(cè)區(qū)面積較大，石墨化程度較高，多為Ⅰ—Ⅱ2型石墨，開發(fā)前景較好，可作為下一步福建煤系石墨調(diào)查重點(diǎn)區(qū)域。

4.3 遠(yuǎn)景區(qū)資源量預(yù)測(cè)

采用類比法估算5 塊遠(yuǎn)景區(qū)的資源量，即通過預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)已有石墨礦區(qū)單位面積的資源量進(jìn)行類比計(jì)算，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)可靠程度乘以預(yù)測(cè)系數(shù)(0.2～0.5)。資源量估算公式如下：

式中Q為預(yù)測(cè)資源總量，萬t；C為單位面積資源量，萬t/km2；S為估算區(qū)域面積，km2；K為預(yù)測(cè)系數(shù)。

根據(jù)式(1)計(jì)算可得，5 塊預(yù)測(cè)區(qū)煤系石墨預(yù)測(cè)資源量共計(jì)8 196 萬t(表2)。

5 福建煤系石墨開發(fā)利用前景分析

作為民用和戰(zhàn)略性的重要資源，石墨在導(dǎo)電材料、潤(rùn)滑劑、耐高溫密封材料、吸附材料及防輻射材料等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，石墨的作用巨大，為中國冶金工業(yè)、石油化工產(chǎn)業(yè)、機(jī)械工業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、核工業(yè)及國防發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)。

表2 石墨遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)資源量信息匯總Table 2 Information summary of predicted resources in graphite prospective areas

通過調(diào)查分析，福建省具有豐富的石墨資源，其中，三明、永安是中國南方主要的石墨儲(chǔ)藏地。作為石墨烯的原材料，煤系石墨具有極大發(fā)展?jié)摿Α?016 年，福建省提出了《福建省石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2017—2025 年)》，致力于推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，石墨烯正點(diǎn)燃福建的新“烯”望，成為福建產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、快速發(fā)展的新動(dòng)能。目前，已形成了以福州和廈門為創(chuàng)新核心區(qū)，廈門火炬高新區(qū)、泉州–晉江和三明–永安為產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的“兩核三區(qū)”產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局，在原料制備、復(fù)合材料、電子信息等應(yīng)用領(lǐng)域取得大量產(chǎn)業(yè)成果，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)和開發(fā)前景。

然而，由于對(duì)石墨資源的不重視，尤其對(duì)煤系石墨資源的忽略，造成長(zhǎng)期的無序性、掠奪性、破壞性開采。福建省要實(shí)現(xiàn)石墨產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)石墨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)化、技術(shù)高度化、產(chǎn)品系列化和價(jià)值鏈完整化，筆者提出下一步工作建議：①整頓和規(guī)范煤系石墨資源開采秩序，嚴(yán)厲打擊非法開采、亂采行為，進(jìn)行資源整合；② 建立煤與煤系石墨鑒別指標(biāo)，設(shè)立明確的煤礦與石墨礦權(quán)規(guī)范，對(duì)現(xiàn)開采的和未開采的煤礦、石墨礦內(nèi)煤的石墨化程度重新評(píng)估；③優(yōu)化石墨資源開發(fā)利用體系，明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，合理適度開發(fā)，設(shè)置合理開采規(guī)模，并結(jié)合下游產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)資源高效利用；④ 重點(diǎn)詳細(xì)勘查煤系石墨有利成礦區(qū)帶內(nèi)資源賦存情況，查明煤系石墨資源儲(chǔ)量，為下游產(chǎn)業(yè)提供充足資源儲(chǔ)備；⑤加強(qiáng)煤系石墨資源的提純、高效利用，提高附屬產(chǎn)品價(jià)值，完善市場(chǎng)機(jī)制。

6 結(jié)論

a.分析了福建省煤系石墨形成的地質(zhì)條件，首次系統(tǒng)開展福建省煤系石墨資源調(diào)查，并指出研究區(qū)大部分煤系石墨礦井、勘查區(qū)處于未開采或停采狀態(tài)，開采礦區(qū)也多以煤炭進(jìn)行生產(chǎn)銷售，造成資源浪費(fèi)。

b.在福建省煤田分布和斷裂構(gòu)造控制的基礎(chǔ)上，劃分了大田–漳平石墨成礦區(qū)與永安–安溪石墨成礦區(qū)，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)了5 塊遠(yuǎn)景區(qū)域，共獲得煤系石墨遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)資源量8 196 萬t。其中，大田瓊口–小溪洋–永安老鷹山與漳平可坑–烏石隔地區(qū)石墨資源條件最佳，多為Ⅰ—Ⅱ2型石墨，可以作為下一步煤系石墨調(diào)查工作的重點(diǎn)區(qū)域。

c.福建省具有石墨產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)和開發(fā)前景，但針對(duì)目前煤系石墨資源的無序性、掠奪性、破壞性開采提出5 點(diǎn)建議，以實(shí)現(xiàn)福建省石墨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)化、技術(shù)高度化、產(chǎn)品系列化和價(jià)值鏈完整化。