王 路，曹代勇，丁正云，陳泉霖，鄧瑞錦，林曉炎，李 陽，杜 欣

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083; 2.福建省煤田地質(zhì)局 福建省煤田地質(zhì)勘查院，福建 福州 350005)

碳材料作為21世紀革命性的新材料，將推動人類社會進入新的發(fā)展階段。石墨作為碳材料的主要原材料而備受各界廣泛關注，并被世界各國列為國家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源[1-3]。煤成石墨屬于隱晶質(zhì)石墨，由煤及煤系炭質(zhì)頁巖等在巖漿熱接觸變質(zhì)及構造變質(zhì)作用下形成[2]。我國隱晶質(zhì)石墨礦源層主要為晚古生代石炭系、二疊系至侏羅系的煤系地層，成礦大地構造位置主要位于環(huán)太平洋構造域活動大陸邊緣帶，由強烈的構造-巖漿活動導致煤發(fā)生石墨化形成煤成石墨[4-5]。福建省位于歐亞大陸板塊的東南緣，中生代以來多期次、大規(guī)模的構造巖漿活動導致閩西南地區(qū)煤變質(zhì)程度較高，均達到無煙煤-石墨階段。然而，現(xiàn)今對閩西南地區(qū)煤成石墨的研究甚少，仍處于資源洼地。筆者在對閩西南地區(qū)不同演化程度的無煙煤及煤成石墨特征研究的基礎上，結合構造-巖漿熱地質(zhì)條件，探討了煤成石墨的成礦機制，劃分了煤成石墨的成礦區(qū)帶，為未來石墨資源勘探和綜合利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

福建省位于歐亞板塊東南緣，東臨太平洋板塊，為全球構造-巖漿活動最活躍的地區(qū)之一[6]。二疊系童子巖組為主要含煤地層，分布于閩西南坳陷內(nèi)。依據(jù)區(qū)域構造格局，自西向東可以劃分為西、中、東3個含煤條帶，西部含煤條帶主要為連城—武平煤田;中部含煤條帶內(nèi)由NWW向的永安—晉江斷裂帶劃分為北部的永安—大田煤田和南部的龍巖—永定煤田;東部含煤條帶主要為永春天湖山煤田[7]。

燕山期大陸邊緣強烈的構造活動導致一系列北東、北北東向的斷裂帶、推覆構造和褶皺構造發(fā)育，其次為北西、東西向構造。自西向東分布有3條呈NNE向的推覆構造，總體上呈一夾層式構造格架[8]。強烈的構造運動導致的褶皺、推覆、滑脫構造等構造樣式對閩西南內(nèi)煤田和金屬礦床的構造格局和成礦作用產(chǎn)生較大影響[9](圖1)。

圖1 閩西南地區(qū)主要斷裂與侵入巖分布及不同類型樣品分布Fig.1 Major faults and intrusions in southwestern Fujian and distribution of different types of samples

閩西南地區(qū)的巖漿活動具有多階段、多期次活動的特點，其中燕山期侵入活動規(guī)模最大、范圍最廣。燕山早期巖漿活動主要侵入于政和—大埔斷裂及其以西地區(qū)，侵入活動相對較弱;燕山中—晚期巖漿侵入活動最強，侵入范圍最廣，主要侵入于政和-大埔斷裂帶以東地區(qū)[10]。

2 煤成石墨的特征與類型劃分

煤向石墨的演化為逐漸連續(xù)過渡的演化過程，化學組成上表現(xiàn)為碳元素的富集，物質(zhì)結構上則表現(xiàn)為由無序結構向有序結構的轉(zhuǎn)變。國內(nèi)外學者提出了不同的煤成石墨類型劃分方案，KWIECINSKA and PETERSON(2004)采用H/C原子比,碳層間距d002和最大反射率Rmax三個參數(shù)劃分出了石墨、半石墨、高變質(zhì)無煙煤和無煙煤[11];LANDIS(1971)則通過d002劃分為d1石墨(0.335～0.336 nm)、d1A石墨(0.337～0.344 nm),d2石墨(0.345～0.355 nm)、d3石墨(0.350～0.375 nm)[12];ZHENG等[13]通過高分辨率透射電鏡的觀察，將煤成石墨劃分為芳層石墨、微柱石墨、柔皺石墨和平直石墨4種類型。然而，前人的劃分方案仍有不足之處:① 現(xiàn)階段，一般劃分為石墨、半石墨和煤，該劃分方案過于簡單，不能夠詳細、有效的劃分出煤與石墨的過渡類型;② 劃分參數(shù)不實用，如反射率在高變質(zhì)無煙煤-石墨階段的靈敏度降低，通常所測得值偏低[14-15]，而依據(jù)LANDIS的劃分方案，低-中煤級的煤都屬于d2石墨;③ 通過直接觀察分子排列的特征劃分，缺少相應的定量參數(shù)。

2.1 宏觀特征

煤成石墨由煤演化而成，宏觀上與煤極其相似，呈灰黑—黑色，性脆易碎，質(zhì)輕，有滑膩感，一般以鱗片狀產(chǎn)出。因受構造運動的影響，煤成石墨的產(chǎn)出狀態(tài)差異性較大。圖2(a)為漳平可坑礦區(qū)，+790 m水平礦層呈層狀發(fā)育，礦體呈鱗片狀結構，圖2(b)為+765 m水平，礦層則受圍巖擠壓，呈透鏡狀產(chǎn)出，呈現(xiàn)出不規(guī)則揉皺變形，摩擦鏡面發(fā)育，平坦、光亮、致密。

2.2 微觀結構特征與類型劃分

煤成石墨化過程的實質(zhì)為納米級大分子結構由無序向有序轉(zhuǎn)化的過程[14-19]。筆者采用XRD和Raman光譜分別表征煤成石墨化中大分子結構的結晶程度和結構缺陷發(fā)育程度，實驗方法和拉曼光譜各峰位信息見文獻[14-18]。煤成石墨化中大分子結構的演化則表現(xiàn)為芳香碳層間距d002的逐漸減小(逐漸接近于石墨結構碳層間距0.335 4 nm)，芳層的橫向延展度La和堆疊高度Lc逐漸增大，同時，各種類型的結構缺陷逐漸消亡(表現(xiàn)為拉曼參數(shù)R2=AD1/(AD1+AG+AD2)，其中AD1,AD2,AG分別為拉曼光譜中D1峰，D2峰和G峰的面積)，各峰的面積比的逐漸減小[20])，形成具有三維有序的石墨晶體結構[19-20]。在多因素影響下，石墨化中芳香碳層的結晶程度(參數(shù)d002)和結構缺陷的消亡(參數(shù)R2)兩個過程并非呈連續(xù)線性變化[21-22]，形成不同類型連續(xù)過渡的煤、煤成半石墨和煤成石墨。在以煤向石墨演化中的結構特征變化的基礎上，以芳層間距d002和結構缺陷密度參數(shù)R2為指標，提出劃分了高變質(zhì)無煙煤-煤成石墨類型模板，主要包括高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ)、石墨化無煙煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共四大類(圖3，4)。

圖2 漳平可坑石墨礦Fig.2 Kekeng coal-based graphite mine shape

圖3 閩西南地區(qū)不同類型樣品的XRD和Raman實驗圖譜Fig.3 XRD and Raman spectra of different typical samples from southwestern Fujian

圖4 不同類型煤-煤成石墨劃分模板Fig.4 Classification template of different types of coal-coal-based graphite

(1)Ⅰ類，煤成石墨，碳層間距d002≤0.337 nm，R2≤0.65，代表樣品如KK-1,KK-2和WK-1。該類型樣品具有與晶質(zhì)石墨(d002=0.335 4 nm)相近的碳層間距，石墨微晶結晶程度較好，002衍射峰呈尖銳對稱峰，100和101峰分離，芳層的結構缺陷較少，拉曼光譜中G峰高而窄，S1峰呈不對稱形態(tài)，代表石墨晶體的三維有序度高。

(2)Ⅱ類，煤成半石墨主要包括兩個亞類，其中Ⅱ1類，0.337 nm0.7，代表樣品如QY-1,QK,SBK和CPS-2。該類型樣品具有與Ⅱ1類相同的d002值范圍，002峰呈非對稱形態(tài)，表明由無序結構與有序的石墨晶體結構共存[18]，但含有的結構缺陷較多，拉曼光譜中G峰低矮，S1峰強度相對較低，為結構缺陷較多的類型。

(3)Ⅲ類，石墨化無煙煤，d002>0.344 nm，R2≤0.7。代表樣品如HP,XGZ-1,XH和XT-1。該類型樣品的碳層間距d002值相對較大，芳香碳層的結晶程度較差，石墨微晶尺寸La和Lc較小，002衍射峰主要為一寬緩的鼓包，但鼓包頂端有一微弱的尖峰，表明該類型樣品已經(jīng)具有石墨化現(xiàn)象，拉曼光譜中呈低矮對稱的S1峰，表明含有的結構缺陷較多。

(4)Ⅳ類，高變質(zhì)無煙煤，d002>0.344 nm，R2>0.7，代表樣品如LK,XT-2和TLP。該類型樣品中碳層呈無序狀態(tài)，002衍射峰寬緩低矮，D1,D2,D3和D4缺陷峰明顯，表明仍含有脂肪烴、基團等側(cè)鏈結構，導致芳香碳層結構的不完整，G峰強度相比D1峰較低，而且S1峰不明顯，表明仍不具有石墨的晶體結構，尚屬于高變質(zhì)無煙煤。

3 煤成石墨的控制因素

筆者采集了閩西南三大含煤條帶內(nèi)共32件樣品，樣品的實驗結果和類型劃分如圖4所示。西部含煤帶主要分布高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)，僅有一個樣品為煤成半石墨(Ⅱ2類)，煤的石墨化程度最差;中部含煤帶內(nèi)賦存的類型較多，從高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)到煤成石墨(Ⅰ類)均有分布，而且為閩西南地區(qū)煤成石墨(Ⅰ類)的主要分布區(qū);東部含煤帶主要分布石墨化無煙煤(Ⅲ類)，其次為高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ類)和煤成半石墨(Ⅱ2類)，相對中部含煤帶內(nèi)煤的石墨化程度較差。因此，石墨化程度較好的煤成半石墨(Ⅱ1類)和煤成石墨(Ⅰ類)主要分布在中部含煤條帶中，而且煤成石墨的分布主要靠近于政和—大埔斷裂帶(圖5)，造成如此的空間分布格局，與閩西南地區(qū)復雜的構造-巖漿活動密切相關。

圖5 閩西南樣品實驗結果及類型劃分Fig.5 Experimental results and classification of samples in southwestern Fujian

3.1 巖漿巖

煤成石墨的形成必然需要巖漿的侵入為其帶來熱能。由不同類型樣品的分布與燕山期不同時期侵入巖分布關系圖(圖1)可以看出，巖漿侵入的規(guī)模和強度自西向東逐漸增大，燕山中—晚期強烈的巖漿侵入活動主要分布于中部和東部含煤帶中[23]，西部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)無煙煤為主，而石墨化程度較高的Ⅰ類和Ⅱ1類主要分布在中部和東部含煤帶。然而，與中部含煤帶相比，東部含煤帶煤層受到燕山中期和晚期的巖漿侵入強度和規(guī)模更大，卻只分布有Ⅱ2類和Ⅲ類，僅在南部靠近政和—大埔斷裂帶附近的樣品WK屬于Ⅰ類(煤成石墨)，這說明煤成石墨的形成不僅需要巖漿熱的高溫，更重要的是需要有利的成礦構造條件。

3.2 構 造

煤成石墨的形成除了受巖漿熱高溫作用的影響之外，構造應力在煤的石墨化中發(fā)揮了重要角色[24-29]。閩西南地區(qū)發(fā)育的推覆構造格局制約了煤成石墨的成礦和賦存條件，其中政和—大埔斷裂帶和永安—晉江斷裂帶對煤成石墨成礦和分布具有重要意義。

3.2.1政和—大埔斷裂帶

政和—大埔斷裂帶不僅對燕山期的巖漿活動具有明顯的控制作用，而且沿該斷裂帶形成一系列自近SE向NW推覆的逆沖推覆構造，與斷裂帶西側(cè)自NW向SE方向推覆的逆沖推覆形成了對沖式的逆沖推覆構造(圖1)，兩個對沖的推覆構造導致中部含煤帶內(nèi)煤系地層構造變形強烈，尤其是位于政和大埔斷裂帶附近，高溫、高強度的應力擠壓變形構成韌性變形環(huán)境，礦層呈鱗片狀、透鏡狀或鼓包狀產(chǎn)出。由對沖式的推覆構造擠壓形成封閉式成礦環(huán)境，不利于巖漿熱高溫的散失，為煤向石墨演化提供充足的熱能。同時，在韌性變形條件下，強烈的構造應力可作用于煤的大分子結構，尤其是剪切應力，有利于BSUs的擇優(yōu)取向和定向排列，加速了煤成石墨化進程，提高煤的石墨化程度[16,20-22,24]。而遠離對沖擠壓的推覆構造帶地區(qū)，僅受單方向的推覆、滑脫構造等斷裂構造影響，由張性斷裂常構成巖漿侵入通道，形成半開放-半封閉式的成礦環(huán)境，巖漿熱高溫散失相對較快，與封閉式環(huán)境下煤的石墨化程度相比稍差。因此，中部含煤帶內(nèi)廣泛發(fā)育的推覆、滑覆構造等復雜的構造樣式與大規(guī)模的巖漿侵入，造成煤成石墨成礦的構造-熱條件相對復雜，導致煤的石墨化程度差異性較大，類型較多。西部含煤帶受構造、巖漿活動較弱，常構成開放式成礦環(huán)境，東部含煤帶受單方向推覆構造和強烈?guī)r漿侵入活動影響，則主要形成半開放-半封閉式環(huán)境(表1)。

表1 閩西南含煤帶內(nèi)不同成礦環(huán)境與成礦類型Table 1 Different metallogenic environment and types of samples in coal-bearing belt in the southwestern Fujian

3.2.2永安—晉江斷裂帶

永安—晉江斷裂帶走向北西，斷裂性質(zhì)以正斷層為主，多為張扭性斷裂。該斷裂帶控制了燕山期的巖體的展布。巖漿沿著斷裂帶侵入，形成巖墻、巖脈，甚至噴出地表形成了火山巖類。如東部含煤帶中安溪青洋礦區(qū)，近東西向的橫切斷裂成為巖漿侵入的通道，在斷裂帶附近見有角閃石化、硅化等蝕變現(xiàn)象，并引起附近煤層發(fā)生石墨化[30]。由斷裂與巖漿熱總體上構成了半開放-半封閉式環(huán)境，且與巖體距離較近的煤石墨化程度較好，典型礦區(qū)如中部含煤帶長凹礦區(qū)和東部含煤帶安溪青洋礦區(qū)。

由上所述，燕山期強烈的巖漿侵入為煤成石墨化提供了熱能，而閩西南地區(qū)的構造活動背景，如推覆、滑覆等斷裂構造和褶皺構造等則為煤向石墨演化提供了不同的成礦環(huán)境，復雜的構造-巖漿熱活動導致煤的石墨化程度出現(xiàn)差異性(表1)，并影響了煤成石墨的時空分布規(guī)律。

4 煤成石墨成礦區(qū)帶劃分

煤成石墨成礦區(qū)帶劃分是在煤田構造格局劃分的基礎上，結合不同類型樣品集中分布區(qū)，綜合煤成石墨成礦的構造-熱影響條件，劃分了煤成石墨成礦單元，劃分出Ⅰ級成礦區(qū)、Ⅱ級成礦區(qū)和Ⅲ級成礦區(qū)(表2，圖6)。

表2 閩西南地區(qū)煤成石墨成礦區(qū)帶劃分Table 2 Metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian

圖6 閩西南地區(qū)煤成石墨成礦區(qū)帶劃分Fig.6 Distribution of metallogenic belts of coal-based graphite in southwestern Fujian

大田—漳平煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ1):主要位于政和大埔斷裂帶附近，包括兩個Ⅱ級成礦亞區(qū)，漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)和永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)。其中漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)位于南部龍巖—永定煤田內(nèi)，主要有漳平可坑礦區(qū)、烏坑礦區(qū)等，礦區(qū)附近有大面積巖漿巖體侵入，對沖式逆沖推覆構造為煤系地層構成“保溫蓋層”，且煤的石墨化受構造應力的促進作用，煤的石墨化程度相對較高，主要賦存以Ⅰ～Ⅱ1類煤成石墨。永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)主要位于永安—大田煤田內(nèi)，張性斷裂發(fā)育，巖漿熱液常沿著斷裂侵入，煤的石墨化程度較差，常賦存Ⅱ2～Ⅲ類。

永安—安溪煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ2):包括永安長凹成礦亞區(qū)(Ⅱ3)和安溪成礦亞區(qū)(Ⅱ4)。該區(qū)(帶)則主要受永安—晉江斷裂帶影響，張性斷裂發(fā)育，巖漿巖體以巖脈侵入或通過斷裂侵入煤系地層，巖漿熱影響范圍有限，僅對局部煤層影響，斷裂構造則破壞了煤系地層的連續(xù)性，主要賦存Ⅱ1～Ⅱ2類。

5 結 論

(1)在對煤及煤成石墨結構特征研究的基礎上，以碳層間距d002和拉曼參數(shù)R2為指標，提出了劃分不同演化程度的煤-煤成石墨類型的模板，可以劃分為高變質(zhì)無煙煤(Ⅳ)、石墨化無煙煤(Ⅲ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和煤成石墨(Ⅰ)共4種類型。

(2)查明了閩西南地區(qū)煤成石墨的控制因素，其形成和分布受到巖漿侵入和構造活動的制約。燕山期中晚期強烈的巖漿侵入活動為煤的石墨化提供熱能，閩西南地區(qū)發(fā)育的推覆、滑覆、褶皺等構造樣式為煤向石墨演化提供成礦環(huán)境，形成了封閉式、半封閉-半開放式或開放式成礦環(huán)境，相應于不同的溫度、壓力條件，造成煤成石墨的類型和分布的差異性。

(3)根據(jù)不同類型樣品的空間分布，結合煤成石墨成礦的構造-熱地質(zhì)條件，劃分了煤成石墨成礦區(qū)帶，由大田—漳平煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ1)和永安—安溪煤成石墨成礦區(qū)(Ⅰ2)兩個一級成礦區(qū)組成，其中包括漳平可坑—烏坑成礦亞區(qū)(Ⅱ1)、永安—大田成礦亞區(qū)(Ⅱ2)、長凹成礦亞區(qū)(Ⅱ3)、安溪成礦亞區(qū)(Ⅱ4)4個成礦亞區(qū)，為石墨資源勘探和高效利用提供充分依據(jù)。