程遠(yuǎn)慧

(福建省197地質(zhì)大隊(duì)，福建泉州 362011)

我國煤系共伴生礦物資源豐富，主要礦種有高嶺土、膨潤土、耐火黏土、石膏、硫鐵礦、油頁巖、硅藻土、石灰石、石墨、天然焦等[1-2]。石墨具有耐高溫、傳熱、導(dǎo)電、潤滑及可塑性，素有“金砂”美稱，廣泛用于鑄造、涂抹、電池、碳素制品、鉛筆及顏料等方面[3-4]，也是電器元件、通訊工具、計(jì)算機(jī)芯片、新能源汽車電池等新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原材料。近兩年石墨烯技術(shù)創(chuàng)新成果頻出，已經(jīng)走在世界前列，高質(zhì)量石墨是石墨烯重要原材料之一。石墨是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的重要戰(zhàn)略資源[5]。隨著社會(huì)對石墨能源的需求量增加，石墨礦的勘查將備受礦業(yè)公司的青睞，勘查熱度將持續(xù)升溫，未來石墨礦勘探、開發(fā)工作的主要趨勢是將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢，石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)有一個(gè)新的飛躍。

福建省位于東部濱太平洋構(gòu)造成礦帶上，大致可劃分為東、中、西三個(gè)含煤條帶，是煤系石墨礦的富集區(qū)。煤系共伴生石墨多為隱晶質(zhì)石墨[6-10]，主要是由煤受熱變質(zhì)作用形成，礦床規(guī)模大，成礦地質(zhì)條件好，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不受強(qiáng)酸性影響，有害雜質(zhì)少，品位高，卻一直未得到重視，開發(fā)利用程度低，石墨原礦要么當(dāng)煤矸石被遺棄，要么當(dāng)煤被燒掉，不僅浪費(fèi)資源，污染環(huán)境，甚至失去了綜合利用的資源條件。隨著石墨產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，晶質(zhì)石墨礦資源日益枯竭，煤系隱晶質(zhì)石墨的開發(fā)利用越來越受到重視[11]。漳平市鳳山礦區(qū)位于中部龍巖-永定含煤帶，多為無煙煤，受到了不同時(shí)期巖漿侵入和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加影響發(fā)生變質(zhì)，具有較好的煤系石墨資源前景。

1 礦區(qū)簡介

鳳山礦區(qū)位于戴云山脈東南段的低山地帶，溝谷下切，屬構(gòu)造侵蝕型低山地貌單元。區(qū)內(nèi)先開展3次勘查工作，完成1∶1萬、1∶5000、1∶2000地質(zhì)及水文地質(zhì)填圖，及采取鉆探、槽探、硐探等多種手段開展勘查工作并采樣化驗(yàn)。本區(qū)于2014年提交煤礦詳查野外驗(yàn)收，從礦石的礦物組成、礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以及圍巖和礦石的空晶石化等方向展開研究，顯示整個(gè)井田煤系地層底部均被巖漿巖侵入，認(rèn)為該區(qū)屬于經(jīng)后期的巖漿熱變質(zhì)后形成的石墨礦更為合適(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Figure 1 Study area geological and structural sketch

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 礦區(qū)地層

2.1.1 區(qū)域地層特征

礦區(qū)位于戴云山脈南麓，北東向政和-大埔大斷裂帶附近，閩西南拗陷帶大田-龍巖拗陷的太華-長塔復(fù)式背斜南段，成礦地質(zhì)條件較好，區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源較為豐富。主要有益金屬礦產(chǎn)有漳平厚德磁鐵礦(化)點(diǎn)、漳平北坑場石英脈型黑鎢礦、漳平北坑場新發(fā)現(xiàn)斑巖型(銅)鉬礦、大田上巖礦區(qū)鉛鋅礦等；非金屬礦產(chǎn)主要為煤炭(大田赤水煤礦、上京煤礦、下溪口煤礦、漳平吾祠煤礦、前坪煤礦)、石灰石(大田崆峒山、靈川)及高嶺土礦等。區(qū)域內(nèi)地層從上侏羅統(tǒng)南園組(J3n)至中二疊統(tǒng)棲霞組(P2q)均有出露，受燕山期造山運(yùn)動(dòng)及斷裂構(gòu)造的影響和控制，部分地層缺失，現(xiàn)存地層由老到新有：中二疊統(tǒng)棲霞組(P2q)、文筆山組(P2w)、童子巖組(P2t)、上二疊統(tǒng)翠屏山組(P3cp)和下三疊統(tǒng)溪口組(T1x)、上侏羅統(tǒng)長林組(J3c)和南園組(J3n)(圖2)。

1.上侏羅統(tǒng)南園組；2.上侏羅統(tǒng)長林組；3.下三疊統(tǒng)溪口組第二段；4.下三疊統(tǒng)溪口組第一段；5.上二疊統(tǒng)長興組；6.上二疊統(tǒng)翠屏山組；7.中二疊統(tǒng)童子巖組；8.燕山早期黑云母花崗巖；9.燕山晚期花崗斑巖；10.花崗斑巖脈；11.工作區(qū)位置；12.實(shí)測、推斷斷層；13.實(shí)測、推斷地質(zhì)界線；14.地質(zhì)不整合界線；15.煤礦(化)點(diǎn)及編號；16-17.本次工作區(qū)內(nèi)鉛鋅礦(化)點(diǎn)及編號；18.鎢礦(化)點(diǎn)及編號圖2 區(qū)域地質(zhì)簡圖Figure 2 Regional geological schematic diagram

2.1.2 礦區(qū)地層特征

礦區(qū)地層層序由老至新：中二疊統(tǒng)棲霞組(P2q)、中二疊統(tǒng)文筆山組(P2w)，中二疊統(tǒng)童子巖組(P2t)，上二疊統(tǒng)翠屏山組(P3cp)、第四系(Q)。其中童子巖組是本區(qū)主要含礦地層，大范圍出露于本區(qū)，總體呈北東向展布，局部為北西向，總出露面積大于1.00km2,厚度>500m。童子巖組第一段：濱海碎屑、遠(yuǎn)濱、障壁海島、潟湖、泥炭沼澤相沉積，主要由細(xì)砂巖、細(xì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和石墨礦組成，含礦20層以上,可采石墨礦石三層，地層厚度大約280.2 m，分上、下兩個(gè)亞段：童子巖組第一段第一亞段(P2t1-1)：厚度188.2m。據(jù)ZK20、ZK21、ZK22、ZK23、ZK24-1、ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK34、ZK35、ZK36、ZK6、ZK4、75-01、73-04等鉆孔和多個(gè)礦硐控制，含厚薄度不一礦層19層以上，均變質(zhì)成石墨礦。其中： B、C號石墨礦層為可采層。童子巖組第一段第二亞段(P2t1-2)：厚度92m。據(jù)ZK4、75-01、73-04、ZK20、ZK21、ZK22、ZK23、ZK24-1、ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK34、ZK35、ZK36等鉆孔和多個(gè)礦硐控制，含6～8層石墨礦層，其中：A層礦體為可采層。

2.2 構(gòu)造

受區(qū)內(nèi)一級構(gòu)造北東向政和-大埔斷裂帶和區(qū)內(nèi)二級構(gòu)造北西向永安-晉江斷裂帶的控制，次級斷裂構(gòu)造中等發(fā)育。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，根據(jù)斷層的空間分布形態(tài)，主要為北東向和北西向兩組斷裂構(gòu)造。本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，以斷裂為主，褶皺次之。

2.2.1 斷裂

區(qū)內(nèi)發(fā)育7條斷層，分別為走向北東的F6、F7、F9、F10、F11斷層和走向西南的F2斷層及F0推覆斷層。其中：斷層F2、F6、F10為邊界斷層，造成主采石墨礦層不連續(xù)。

2.2.2 褶皺

主要為一組背向斜(圖3)。①號向斜位于礦段南部，以F7斷層上盤較明顯，經(jīng)AA′剖面線中PD19煤硐、ZK4、ZK6鉆孔控制背向斜，伴生2個(gè)以上小形背向斜，軸向330°，延伸長度大于300m。②號背斜由K6鉆孔控制背斜，軸向330°，延伸長度大于500m。

圖3 地質(zhì)剖面構(gòu)造形態(tài)略圖Figure 3 Geological sections showing structural forms

2.3 巖漿巖

本區(qū)巖漿巖為燕山期早期侵入的中—細(xì)粒含斑花崗閃長巖(γδJ1)，俗稱湯泉巖體出露于深部，地表風(fēng)化后呈碎裂狀、松散狀。深部ZK2、ZK4、ZK5、ZK6、ZK72-01、ZK73-04鉆孔均已揭露，主要為花崗閃長巖與二長花崗巖組合。該巖體呈巖基狀侵入，對含礦地層童子巖組的連續(xù)性破壞較大，局部見有黃銅礦化和銀多金屬礦異常，均不構(gòu)成礦體。區(qū)內(nèi)巖漿小巖脈較為發(fā)育，主要有花崗斑巖、石英閃長巖，少量煌斑巖、輝綠玢巖、霏細(xì)巖等，巖脈寬度0.3～76m，侵入地層主要為童子巖組，次為文筆山組。

3 礦體特征

3.1 礦體規(guī)模、形態(tài)及產(chǎn)狀

本區(qū)有三層石墨礦體，呈層狀分布，走向呈南東—北西，傾向西南，屬隱伏礦體，延伸長度大于500m，賦存標(biāo)高+700～+1150m，總體呈單斜構(gòu)造，邊界規(guī)則，結(jié)構(gòu)較簡單，局部含夾層。根據(jù)鉆孔老窯礦硐揭露，A層礦體厚0.51～2.56m，平均為1.11m；B層礦體厚0.19～2.69m，平均為1.16m；C層礦體厚0.56～2.94m，平均為0.96m。

3.2 礦石結(jié)構(gòu)

通過鏡下鑒定(照片1)，石墨呈顆粒狀，邊緣圓滑，大小不一，是由細(xì)小的鱗片組成的集合體；石墨單晶呈六方形。各個(gè)碳層堆由小碳層片堆疊在一起，形貌上與黏土礦物類似，碳層片狀邊緣破碎，呈鋸齒狀或圓弧狀，大小在幾十至幾百納米不等，存在許多零散分布碳薄片層。礦石構(gòu)造：具層狀、塊狀、粉粒狀構(gòu)造，以粉粒狀為主。本區(qū)石墨礦為紅柱石角巖化石墨礦，其礦石自然類型為軟質(zhì)石墨。鉆孔揭露見照片2。礦石工業(yè)類型為隱晶質(zhì)石墨。巖石受熱液變質(zhì)作用，發(fā)生重結(jié)晶，黏土礦物全部重結(jié)晶，形成新生礦物紅柱石，炭質(zhì)形成隱晶狀石墨。晶體直徑極為細(xì)小，礦物長軸具定向排列。石墨手標(biāo)本為鐵黑色，條痕為亮黑色，污手，撫之有弱滑感，硬度1，顯微鏡下為隱晶狀、土狀、塵埃狀，單偏光下不透光，反射光下鉛灰色。

照片1 石墨礦掃描電鏡圖

3.3 礦石質(zhì)量

根據(jù)樣品測試結(jié)果，礦物成分以石墨為主，伴生有石英、紅柱石、高嶺石、云母等黏土礦物及少量黃鐵礦、褐鐵礦等。礦石圍巖頂板主要為砂質(zhì)泥巖，呈灰黑色，具水平層理，薄—中厚層狀，水平層理發(fā)育；局部具細(xì)粉砂巖。巖石蝕變強(qiáng)烈，具強(qiáng)烈空晶石化， 含較多似層及橢圓狀粉砂質(zhì)和菱鐵質(zhì)結(jié)核(表1)。底板主要為細(xì)粉砂巖，呈灰黑色，具水平層理，薄—中厚層狀，具水平層理；局部為粗粉砂巖。巖石蝕變強(qiáng)烈，具強(qiáng)烈空晶石化，含較多圓球狀菱鐵質(zhì)結(jié)核。夾石主要在A礦層局部見一至二層礦層夾黑色砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度1.00m左右，B礦層和C礦層不含夾層。按照DZ/T0326—2018可知礦區(qū)樣品固定碳含量已達(dá)到煤系石墨的工業(yè)品位。另外，還對區(qū)內(nèi)3層石墨礦[A、B、C層礦體]隨機(jī)采取4件樣品，測試石墨化度(表2)。

照片2 鉆孔揭露礦層礦石

表1 基本分析成果表

表2 石墨化度檢驗(yàn)報(bào)告

4 控礦因素分析

成礦時(shí)代北方以早、晚侏羅世為主，南方則以二疊紀(jì)為主，其主要含礦層位為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、二疊系童子巖組[12]等煤系地層。煤層經(jīng)熱接觸變質(zhì)作用發(fā)生煤層→石墨化煤→煤化石墨→石墨礦層的系列變化，富集形成隱晶質(zhì)石墨礦[13]。隱晶質(zhì)石墨礦床主要形成于燕山期，形成過程分為沉積和變質(zhì)兩個(gè)時(shí)期，由富有機(jī)質(zhì)的沉積地層發(fā)生變質(zhì)作用而形成。本區(qū)石墨礦賦存于中二疊統(tǒng)童子巖組含煤巖段及燕山期早期湯泉巖漿巖共同發(fā)育地帶，煤層受到巖漿熱變質(zhì)作用使碳物質(zhì)(煤)分解，重新富集形成以隱晶質(zhì)(土狀)為主的隱晶質(zhì)石墨礦，屬接觸變質(zhì)型礦床。晚古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)含煤地層與燕山期早期侵入的湯泉巖漿巖的外接觸帶是尋找接觸變質(zhì)型石墨礦(隱晶質(zhì)石墨)的重要部位[14]。溫度和壓力在含碳材料的結(jié)構(gòu)趨于有序化并向石墨方向發(fā)展的過程中起著重要作用[15]。

4.1 溫度對煤層石墨化的影響

福建省經(jīng)歷了多期次巖漿侵入活動(dòng)，其中燕山期侵入規(guī)模最大，覆蓋面最廣，影響最強(qiáng)。燕山期是華東地區(qū)最重要的成礦時(shí)期，成礦作用與花崗質(zhì)侵入巖密切相關(guān)[16]。在燕山期早期，燕山運(yùn)動(dòng)以壓倒一切的優(yōu)勢對早期構(gòu)造進(jìn)行了多期次反復(fù)改造和疊加，構(gòu)造期形成了規(guī)模不同的巖漿巖，大面積的巖漿侵入地層，產(chǎn)生高溫，巖石均已發(fā)生弱—中等變質(zhì)，促使已固結(jié)成煤的煤層進(jìn)行熱液交代而形成石墨礦，圍巖常見強(qiáng)烈的空晶石化和紅柱石化。要達(dá)到一定石墨化程度，需要有達(dá)到能發(fā)生相應(yīng)石墨化作用的能量，理論上高溫為原子重排、重結(jié)晶、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化提供了活化能[17]，有利于煤向石墨轉(zhuǎn)變。巖漿活動(dòng)越顯著、構(gòu)造越發(fā)育，煤變質(zhì)程度就越高，煤系石墨資源前景就越好。本區(qū)燕山期早期中—細(xì)粒含斑花崗閃長巖(γδJ1)，侵入到煤系地層附近時(shí)產(chǎn)生的熱能，以傳導(dǎo)方式傳給圍巖棲霞組灰?guī)r，為石墨礦的形成提供熱力條件，盡管其溫度比一般直噴巖漿的低，但是深部巖漿自地下深處而上侵入時(shí)，所處的地質(zhì)環(huán)境相對封閉，熱能散失慢、熱作用時(shí)間長，有充分的時(shí)間使圍巖和煤層發(fā)生變質(zhì)，形成石墨礦體。巖漿侵入時(shí)的動(dòng)力又“托起”了童子巖組含礦地層，控制了含礦地層的深部延伸，大面積的侵入活動(dòng)未對礦體造成破壞。巖漿的侵入導(dǎo)致煤系圍巖發(fā)生絹云母角巖化、紅柱石化、碳酸鹽化、空晶石化等現(xiàn)象，淺變質(zhì)的石英、紅柱石、高嶺石等與高變質(zhì)煤相伴產(chǎn)出。石墨是煤的熱變質(zhì)作用最高變質(zhì)產(chǎn)物之一，在封閉的換熱系統(tǒng)下，經(jīng)過較長的時(shí)間熱作用，由無煙煤轉(zhuǎn)化形成，在淺變質(zhì)巖中，溫度小于300℃，碳物質(zhì)經(jīng)過熱作用聚合成石墨晶體，由此可見，燕山期的巖漿侵入活動(dòng)為煤變質(zhì)成石墨礦提供了主要熱能。

4.2 構(gòu)造對煤層石墨化的影響

雖然溫度對煤的石墨化過程起著主導(dǎo)作用，但構(gòu)造對煤層石墨化作用的影響也不可忽視[18]。復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)控制巖漿的侵入途徑和接觸方式。斷裂構(gòu)造為巖漿侵入提供導(dǎo)熱通道，斷層兩側(cè)的煤系地層受巖漿熱變質(zhì)作用，發(fā)生絹云母角巖化、空晶石化等蝕變現(xiàn)象，進(jìn)而石墨化；斷裂構(gòu)造使得煤系地層位于巖體之上時(shí)，直接受巖漿巖體的加熱作用，有利于煤的石墨化。鳳山礦區(qū)燕山期早期侵入中—細(xì)粒含斑花崗閃長巖(γδJ1)，既吞蝕了大部分棲霞組灰?guī)r，又“托起”了童子巖組含礦地層，限制了含礦地層的深部延伸。經(jīng)鉆孔揭露花崗巖體侵入界面大多在標(biāo)高700～800 m，石墨礦地層被局限在標(biāo)高700～1150m的狹小空間內(nèi)。礦區(qū)石墨礦總體呈單斜，大規(guī)模F7、F9、F10、F11斷層及推覆構(gòu)造F0等發(fā)育斷裂帶控制巖漿巖體的侵入活動(dòng)，為巖漿提供導(dǎo)熱通道，引起強(qiáng)烈的構(gòu)造變形，形成封閉式環(huán)境，為含煤地層熱變質(zhì)提供隔熱層，起到保溫作用。構(gòu)成復(fù)雜的構(gòu)造-熱變質(zhì)變形環(huán)境，有利于石墨化的發(fā)生[19]。斷裂構(gòu)造穿過整個(gè)煤系地層，巖漿借此通道加熱煤系地層，使其蝕變，煤層石墨化。由于受大面積花崗巖體熱接觸變質(zhì)作用，巖石均已弱—中等變質(zhì)，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)童子巖組第一段煤層受巖漿熱液接觸變質(zhì)作用形成石墨礦；礦體圍巖常見強(qiáng)烈的空晶石化和紅柱石化。構(gòu)造斷裂的走向傾向只促進(jìn)煤演化的物理結(jié)構(gòu)變化，而構(gòu)造應(yīng)力不僅破壞了煤的物理結(jié)構(gòu)，不同的變形機(jī)制和強(qiáng)度影響煤的大分子結(jié)構(gòu)，還改變煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)，在某種程度下促進(jìn)煤的演化進(jìn)程。構(gòu)造應(yīng)力作用有利于煤的石墨化進(jìn)程，促使煤中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)超前演化，表現(xiàn)為構(gòu)造煤具有較大的大分子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的有序排列[20-23]。鳳山礦區(qū)位于閩西南拗陷帶，區(qū)域性主干斷裂政和-大浦?jǐn)嗔褞?gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，受強(qiáng)烈的擠壓、推覆構(gòu)造的影響，形成壓扭性剪切變形，在應(yīng)力作用下，形成了一個(gè)對煤層的包裹應(yīng)力場，煤層呈揉皺或鱗片狀韌性變形，應(yīng)變速率環(huán)境有利于煤的石墨化進(jìn)程。受構(gòu)造動(dòng)力變質(zhì)和巖漿熱液接觸變質(zhì)作用，細(xì)砂巖具強(qiáng)烈硅化，棲霞組灰?guī)r變質(zhì)為矽卡巖。從圖3可知，構(gòu)造還對煤系石墨礦的賦存有一定的影響，對礦體層位、厚度和變形特征均有不同影響，形成多種控礦構(gòu)造樣式，破壞礦層的連續(xù)性，導(dǎo)致礦層缺失或變形。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，除7條斷距大于30m的斷層外，尚有較多斷距5～20m小斷層，破壞了礦層的連續(xù)性。皺褶存在兩個(gè)以上復(fù)式向斜、背斜及次一級褶曲，褶曲對礦層厚度變化及穩(wěn)定性起決定作用。花崗巖“底鼓”作用嚴(yán)重影響和限制了含礦地層深部延伸，且含礦地層產(chǎn)狀變化比較大，但主要以單斜為主，具有明顯巖漿構(gòu)造控礦的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

1)鳳山礦區(qū)煤系資源豐富，均為高變質(zhì)無煙煤，受多期次巖漿侵入活動(dòng)，尤其是燕山期巖漿巖的侵入和構(gòu)造的影響，形成較好的煤系石墨資源前景，是福建省重要的石墨礦產(chǎn)出地之一。

2)鳳山礦區(qū)賦存于中二疊統(tǒng)童子巖組，含煤巖段在燕山期早期湯泉巖漿熱變質(zhì)作用下，使碳物質(zhì)(煤)分解，重新富集形成以隱晶質(zhì)(土狀)為主的隱晶質(zhì)石墨礦。通過樣品測試顯示礦體的固定碳含量高，石墨化度較高，是石墨化較完整的隱晶質(zhì)石墨礦。

3)通過分析研究，查明鳳山礦區(qū)煤系發(fā)生石墨化的控礦因素主要是溫度和構(gòu)造，巖漿巖的侵入為煤層變質(zhì)為隱晶質(zhì)石墨礦提供了熱能，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)提供了熱能通道和構(gòu)造應(yīng)力，這兩者為鳳山礦區(qū)煤系石墨化的形成提供了重要的成礦條件。