王曉枝，夏曉梅，徐立爽

（河南省地質礦產勘查開發(fā)局 第五地質勘查院，河南 鄭州 450000）

石墨中的單層薄片晶體可以構成石墨烯，具有強度高、韌性好、質量小、透光率高、導電性佳的材料，石墨烯可替代硅生產電子產品和鋰電子產品，也極大促進了超級電容器發(fā)展。由此可見，石墨在當今社會和經濟發(fā)展中具有較大的綜合利用和研究價值。石墨行業(yè)發(fā)展前景較好：①中國石墨儲量、生產量、出口量均居世界首位；世界發(fā)達國家及發(fā)展中國家，都要進口中國石墨，在世界市場上占有重要地位，隨著世界經濟發(fā)展對石墨的需求越來越大。②石墨是戰(zhàn)略資源，各國對石墨及其制品需求非常迫切；日本與美國大量儲備石墨資源，在尖端的軍事領域，石墨的用途也越來越重要，航天、民用石墨也不斷增加。③隨著國民經濟的不斷發(fā)展，石墨行業(yè)必將進入一個嶄新發(fā)展時期，石墨的新品種不斷增加，新用途不斷擴大。據有關專家預言，20世紀是硅的世紀，而21世紀將是碳的世紀，石墨發(fā)展前途將不可估量。

石墨因其特殊的性質，是傳統(tǒng)工業(yè)和戰(zhàn)略性新興產業(yè)所必需的礦物原料，未來將成為支撐高技術發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。石墨是我國的優(yōu)勢礦產資源，國土資源部出臺的《全國礦產資源規(guī)劃（2016—2020年）》，對我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展具有重要支撐保障作用的礦產有50余種，但縱觀全球，中國仍有優(yōu)勢，因為主要生產國只有少數幾個，而我國的晶質石墨長期以來以質量好而享譽世界，具有較強的競爭力，估計在較長的時期內，我國晶質石墨在國際市場上的主導地位將不會改變。未來幾年，我國可望繼續(xù)保持晶質石墨在日本、韓國、美國和西歐市場上的份額，并且還可以增加石墨制品及晶質石墨出口[1-3]。

根據我國石墨工業(yè)規(guī)劃，未來我國重點發(fā)展下述石墨深加工制品，同時其需求量將有較大幅度的增長。冶金耐火材料，如高檔鎂碳磚、鋁碳磚、高檔石墨耐火材料、特種石墨坩堝等；柔性石墨密封材料，如酸化石墨、膨脹石墨板材、金屬石墨纏繞墊片等；能源石墨制品，如石墨節(jié)能減磨添加劑、核能用純天然石墨等；電碳石墨制品，如大規(guī)格高強高密高純石墨、各向同性石墨、大規(guī)格石墨換熱器等。此外，天然石墨墊板、鋰離子電池電極材料、浸硅石墨材料、石墨復合摩擦制動材料、鑄鋼用低碳保護渣等石墨制品的需求量也將有較大幅度增長。從河南省的產業(yè)布局上來看，新能源產業(yè)發(fā)展迅速，已經形成了以鄭州、洛陽、新鄉(xiāng)為核心的國家自主創(chuàng)新示范區(qū)，作為引領帶動河南省創(chuàng)新驅動發(fā)展的綜合載體和增長極，示范區(qū)將被打造成為國家重要的裝備制造、新能源和新能源汽車等創(chuàng)新中心和產業(yè)基地。而石墨是新能源汽車電池負極的主要原材料，石墨類負極材料占比高達 90%。易成新能計劃在新鄉(xiāng)投入50億元生產鋰電池，銀隆新能源計劃在洛陽投入150億元生產新能源汽車，都將進一步加大河南省對石墨資源的需求[4-5]。

1 礦區(qū)地質

1.1 地層

通過1∶1萬地質簡測，結合1∶5萬區(qū)調成果，認為該區(qū)出露地層主要有北秦嶺地層區(qū)的元古界寬坪群大溝巖組（Pt1d），低洼處為新生界第四系（Q）覆蓋。區(qū)內石墨礦分布在大溝巖組（Pt1d）含礦巖系中。

1.1.1 元古界大溝巖組（Pt1d）

大溝巖組地層在普查區(qū)內大面積出露，總體走向近東西，傾向10°～30°，傾角40°～65°。主要巖性特征如下。

（1）斜長片麻巖。風化面為灰黃色，新鮮面為灰白色，粒狀變晶結構，片麻狀構造。礦物成分主要是石英約占55%，斜長石約占35%，白云母約占、黑云母約占5%。

（2）斜長角閃巖。風化面為灰綠色，新鮮面為綠色，粒柱狀變晶結構，塊狀構造。

（3）二云斜長片麻巖。礦物成分主要是石英約占50%，斜長石約占25%，白云母約占15%，黑云母約占10%。在顯微鏡下石英呈他形粒狀，較大者呈透鏡狀，粒徑0.03～3.0 mm，具波狀消光，定向排列；斜長石呈他形粒狀，較大者呈透鏡狀，粒徑0.05～1.2 mm，可見聚片雙晶，被絹云母交代，定向排列；白云母呈鱗片狀，粒徑0.05～1.5 mm，無色，低正突起，近平行消光，鮮艷干涉色，定向排列；黑云母呈鱗片狀，粒徑0.05～1.20 mm，紅褐色，多色性吸收性顯著，近平行消光，定向排列（圖1（a））。

圖1 二云斜長片麻巖和斜長角閃片麻巖照片Fig.1 Photographs of Eryun plagioclase gneiss and plagioclastic gneiss

（4）斜長角閃片麻巖。風化面為灰綠色，新鮮面為深綠色，具粒柱狀變晶結構，片麻狀構造。石英呈他形粒狀，粒徑0.05～0.4 mm，具強烈波狀消光，定向排列（圖1（b））。

（5）石墨斜長片麻巖。石墨5%～25%，黑色—灰棕色不透明，呈鱗片狀、彎曲鱗片狀，多呈條紋狀斷續(xù)定向分布；斜長石25%～45%，呈他形粒狀，可見聚片雙晶，多被絹云母、綠簾石交代，蝕變較強烈；石英10%～35%，呈他形粒狀、延長狀，具強烈波狀消光，多數定向排列；黑云母1%～20%，含量極不均勻，淺褐色，多色性明顯，近平行消光，呈鱗片狀，定向排列，部分被綠泥石、白云母交代；白云母1～9%，含量極不均勻，無色，鮮艷干涉色，近平行消光，呈鱗片狀，定向排列；陽起石+透閃石0～9%，含量極不均勻，無色—淺綠色，呈纖柱狀，正中突起，角閃石式解理發(fā)育，定向排列；磁黃鐵礦0～5%，呈半自形粒狀，乳黃色，強磁性；黃鐵礦少量至10%，含量極不均勻，呈半自形—他形粒狀，淺黃色；石榴子石微量至8%，含量極不均勻，呈等軸粒狀、半自形粒狀，無色，正極高突起，具均質性；金紅石微量至3%，呈柱狀，紅褐色，高正突起；副礦物主要有磷灰石、鋯石、榍石，鉆孔中局部可見微量黃銅礦（圖2（a））。

（6）大理巖。風化面為灰色，新鮮面為灰白色，與稀鹽酸劇烈起泡，粒狀變晶結構，塊狀構造。礦物成分主要是方解石約占95%，其次含少量斜長石、鉀長石、石英和黑云母，約占5%（圖2（b））。

（7）石墨石英片巖。黑色，顯微鱗片粒狀變晶結構，片狀構造，礦物成分主要是石英約占60%，石墨約占35%，其次含少部分金云母、金屬礦物，約占5%。在顯微鏡下石英呈他形粒狀，粒徑0.01～0.70 mm。石墨多呈鱗片狀，黑色不透明，集合體定向分布；金云母呈鱗片狀，粒徑0.01～0.30 mm，淺褐色，多色性明顯，近平行消光，鮮艷干涉色，定向排列；白云母呈鱗片狀，無色，鮮艷干涉色，定向排列。

1.1.2 第四系

主要分布在河流兩側及溝谷中，為現代河流沖積物、洪積物及殘坡積物，主要為礫石、砂、亞砂土及少量亞黏土。

1.2 構造

工作區(qū)內構造以斷裂構造為主，為木家埡斷裂帶的次級斷裂，在工作區(qū)西北穿過，區(qū)域上長十余千米，區(qū)域上走向北東東，傾向北，傾角45°～65°。此斷裂控制了石英閃長巖體的分布。

在官溝口發(fā)育有木家埡斷裂帶的次級斷裂F1，長約3 000 m，走向北西，傾向北東，傾角45°～65°。沿斷裂發(fā)育有數十米的糜棱巖帶、片理化帶。

1.3 巖漿巖

普查區(qū)內巖漿巖發(fā)育，以晚元古代侵入巖大面積出露為特征，晚元古代侵入巖從超基性至酸性均有分布，構成了復雜的巖漿巖帶。晚元古代侵入巖以三坪溝石英閃長巖體為主，在普查區(qū)東北部大面積出露，巖體主要為石英閃長巖。巖體被其后小規(guī)?；◢忛W長巖株穿插。普查區(qū)中部分布有晚元古代閃長巖巖株，出露長200～700 m、寬200～700 m。巖性主要為閃長巖。普查區(qū)西南部分布有晚元古代超基性巖株，出露長800 m、寬200 m。巖性主要為輝石巖、次閃長巖、蛇紋巖。普查區(qū)東南部分布有晚元古代基性巖株，出露長1 500 m、寬300～500 m。巖性主要為輝長巖。

2 變質作用對礦床的影響

普查區(qū)處于元古界大溝巖組變質帶內，地層長期經受區(qū)域變質、動力及熱液變質作用。上述變質作用，對該區(qū)石墨礦床的形成及富集有較大影響。

（1）區(qū)域變質及混合巖化作用。在板塊碰撞上升的過程中，地層遭到廣泛的中—深程度的區(qū)域變質作用，大溝巖組的變質作用溫度為650～700 ℃，壓力0.7～0.81 GPa，屬中壓相系、高角閃巖相；形成以矽線石與白云母共生組合為特征的矽線石變質相帶，可見藍晶石、石榴石變質礦物；原巖中的有機碳氣化溢出，在適當地質條件下冷卻，再結晶形成鱗片狀晶質石墨礦床。

（2）熱液變質作用。區(qū)內巖漿巖及斷裂構造都比較發(fā)育，由于巖漿熱液的影響和沿擠壓破碎帶上升的Si、Al3+、Fe2+、Mg2+、K+、Na+、OH-等組分在巖石中滲透和擴散，產生交代作用和同化作用，使原來的貧礦石變成富礦石，原巖中的斜長石變成絹云母。

（3）動力變質作用。直接影響礦石的質量，在斷裂活動初期，巖（礦）層受力作用，產生碎裂巖化，隨著斷裂活動的深入發(fā)展，巖（礦）石進一步破碎產生構造角礫以致糜棱巖，石墨鱗片隨之產生破裂或撓曲，因而對選礦造成影響。

3 礦體地質

3.1 礦體特征

3.1.1 含礦層特征

通過1∶1萬地質簡測、探槽地表揭露及鉆探深部工程驗證，大致查明了礦（層）體特征及分布范圍，已圈定K1、K2、K3、K4、K5、K6共6條含礦層，現分別介紹。

（1）K1含礦層。分布在工作西區(qū)的中部偏北，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約1.30 km，走向110°，傾向北東，傾角40°～65°，出露寬度一般為1.40～1.50 m，固定碳含量1.59%～2.81%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K1-1礦體。

（2）K2含礦層。分布在工作西區(qū)的中部，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約0.70 km，走向110°左右，傾向北東，傾角45°～60°，出露寬度一般為3.20～5.80 m，固定碳含量1.21%～3.13%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K2-1礦體。

（3）K3含礦層。分布在工作東區(qū)的南部，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約1.45 km，走向110°左右，傾向北東，傾角45°～65°，出露寬度一般為1.40～11.10 m，固定碳含量1.03%～5.50%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K3-1、K3-2、K7-1礦體。

（4）K4含礦層。分布在工作東區(qū)的南部，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約1.50 km，走向110°左右，傾向北東，傾角40°～65°，出露寬度一般為1.10～12.65 m，固定碳含量1.38%～12.57%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K4-1、K8-1礦體。

（5）K5含礦層。分布在工作西區(qū)的西南部，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約1.00 km，走向100°左右，傾向北東，傾角50°～60°，出露寬度一般為1.60～11.49 m，固定碳含量1.04%～11.83%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K5-1、K5-2及K5-3礦體。

（6）K6含礦層。分布在工作西區(qū)的中西部，含礦層巖性為石墨斜長片麻巖，出露長度約300 m，受褶皺構造的影響，走向60°左右，傾向北，傾角50°～60°，出露寬度一般為5.00～8.20 m，固定碳含量1.00%～10.18%。經工程控制，在該含礦層中圈定出K6-1礦體。

3.1.2 礦體地質特征

通過地表槽探及中深部工程揭露，在6條含礦層內分別圈定K1-1、K2-1、K3-1、K3-2、K4-1、K5-1、K5-2、K5-3、K6-1、K7-1、K8-1共11個礦體。其中，K1-1、K2-1、K5-1、K5-2、K5-3、K6-1分布于礦區(qū)西側，K3-1、K3-2、K4-1、K7-1、K8-1分布在礦區(qū)東側，礦體呈層狀、透鏡狀賦存在大溝巖組中，K5-2、K5-3為隱伏礦體，呈透鏡狀。礦體受礦層控制，各礦體大致平行，產狀與地層一致，總體產狀走向近東西，傾向北東，傾角45°～61°。礦體巖性除K5-2、K5-3礦體為石墨石英片巖外，其他為石墨斜長片麻巖。主礦體為K4-1，石墨礦物量分別占區(qū)內總資源量的51.73%，主礦體特征如下（表1）。

K4-1礦體分布在工作東區(qū)的南部，賦存于K4含礦層內，礦體呈層狀，邊界較規(guī)則，呈近東西方向展布，賦存于大溝巖組石墨斜長片麻巖中。礦體走向110°左右，傾向北東，傾角33°～78°，區(qū)內地表出露長度約1 600 m，控制最大斜深371 m，出露標高+375～+464 m，埋深0～344 m。該礦體由TC3601、TC4001、TC4402、TC4801、TC5201、TC5601、TC6001、ZK4001、ZK4002、ZK4801、ZK4802、ZK5601工程進行控制。

單工程礦體厚度1.04～11.49 m，一般厚3～5 m，平均厚4.04 m，礦體總體西厚東薄，中深部厚度大于地表厚度，且中深部厚度較穩(wěn)定，地表局部呈現膨脹變厚趨勢，厚度變化系數67.62%。固定碳含量2.60%～11.91%，一般3%～5%，平均4.70%，地表及中深部總體較穩(wěn)定，局部石墨呈現富集變高趨勢，品位變化系數52.53%。

礦體頂、底板圍巖主要為元古界大溝巖組斜長片麻巖，礦體與圍巖界線一般清晰。礦體內部結構簡單，基本無夾石，僅在ZK5601鉆孔斜深127.37～130.38 m、真厚2.73 m圈為剔除夾石。礦體沿走向地表已至礦區(qū)邊界未封閉，中深部尚未封閉。

3.2 礦石質量特征

3.2.1 礦石的礦物組成

根據巖礦鑒定及野外觀察（圖3），礦石中礦石礦物主要為石墨，含量1.03%～18.91%；脈石礦物主要有斜長石、石英、黑云母、絹云母，另有微量—少量的白云母、綠簾石、陽起石、透閃石、石榴子石、金紅石、黃鐵礦、磁黃鐵礦，鉆孔中局部可見黃銅礦、閃鋅礦，含微量的磷灰石、鋯石、榍石等。

表1 礦體特征Tab.1 Ore body characteristics

圖3 巖礦鑒定及野外觀察Fig.3 Rock and mineral identification and field observation

石墨化學成分為C，固定碳含量99.31%，雜質成分主要為Si，少量的Al、K。石墨呈鱗片狀，片徑0.01～0.45 mm，鱗片有彎曲現象，質軟、手摸有滑感，灰色帶棕色，低硬度，強非均質性，薄層狀分布。脈石礦物方解石呈他形粒狀，粒徑0.1～7.0 mm，閃突起顯著，高級白干涉色，聚片雙晶發(fā)育；斜長石呈他形粒狀，粒徑0.05～1.00 mm，可見聚片雙晶，被絹云母、綠簾石交代；鉀長石呈他形粒狀，粒徑0.05～0.70 mm，被黏土礦物交代；石英呈他形粒狀，粒徑在0.05～0.20 mm；黑云母呈鱗片狀，粒徑0.05～0.50 mm，褐色，強烈被綠泥石交代，僅見少量殘留。

3.2.2 礦石化學成分

礦石中有用組分為固定碳，礦體的固定碳平均含量1.03%～18.91%，其中主礦體K4-1的單樣品固定碳含量為2.07%～12.57%，變化系數分別為54.05%。礦床固定碳平均含量4.32%。

（1）伴生有益組分。礦石中伴生的有益組分是TiO2、V2O5，含Ti的礦物為金紅石，其單礦物含TiO2近100%。依據10件組合分析樣品的分析結果，礦石中TiO2含量0.53%～1.64%，平均0.88%。雖然金紅石粒度較大（0.04～0.60 mm）、嵌布簡單、亦于解離，但總體含量低且不均勻，選礦過程中無綜合回收利用價值。 礦石中釩主要賦存在白云母、絹云母中，礦石中V2O5含量0.02～0.17%，平均0.08%。含量低，選礦過程中無綜合回收利用價值。

（2）伴生有害組分。礦石中伴生有害組分為S、P、Fe。 礦石中S主要賦存在磁黃鐵礦及黃鐵礦中，含量0.01%～1.93%，平均0.88%；P主要賦存在鱗灰石中，P2O5含量0.16%～1.27%，平均0.49%；Fe主要賦存在黃鐵礦、磁黃鐵礦、黑云母、絹云母、白云母、綠簾石、陽起石、透閃石、石榴子石、金紅石中；Fe2O3含量4.11%～14.93%，平均7.20%，FeO含量0.26%～0.77%，平均0.48%。礦石中S、P2O5含量低且上述礦物在選礦過程中絕大多數被排放到尾礦中，礦石中的S、P、Fe對礦石質量影響很小。

（3）其他化學成分。礦石的SiO2含量為31.72%～66.00%，平均53.31%；Al2O3含量6.12%～13.67%，平均10.19%；MgO+CaO含量1.81%～16.69%，平均6.21%；Na2O+K2O含量1.57%～4.11%，平均2.90%；灰分74.13%～92.33%，平均84.83%；揮發(fā)分2.46%～8.27%，平均4.70%。化學成分總體具有富硅、鋁之特征。

3.2.3 礦石結構構造

（1）礦石結構主要為鱗片粒狀變晶結構，石墨呈呈鱗片狀、彎曲鱗片狀，多呈條紋狀斷續(xù)定向分布；斜長石呈他形粒狀，蝕變較強烈；石英呈他形粒狀、延長狀，具強烈波狀消光，多數定向排列；黑云母呈鱗片狀，定向排列；白云母呈鱗片狀，定向排列；石榴子石半自形粒狀。其次為鱗片變晶結構、碎裂結構等。

（2）礦石構造主要為片麻狀構造，石墨呈呈鱗片狀、彎曲鱗片狀，多呈條紋狀斷續(xù)定向分布；斜長石呈他形粒狀，可見聚片雙晶，多被絹云母、綠簾石交代，蝕變較強烈；石英呈他形粒狀、延長狀，多數定向排列；黑云母呈鱗片狀，定向排列；白云母呈鱗片狀，定向排列。其次為片狀構造、條帶狀構造等。

3.2.4 礦石片（粒）度特征

根據區(qū)內采集的60件石墨樣品粒度統(tǒng)計分析，地表石墨片度正目含量占9.39%，地下石墨片度正目含量占16.29%，全區(qū)平均11.69%。與小陡嶺詳查工作119件光片樣測定結果較吻合。小陡嶺詳查工作測定成果為：正目石墨占含量占5.28%；小于0.147 mm目占94.92%。樣品石墨粒度分類統(tǒng)計見表2。

表2 石墨粒度統(tǒng)計Tab.2 Graphite particle size statistics

3.3 礦石類型

普查區(qū)內石墨礦層主要賦存于石墨斜長片麻巖層中，局部賦存于石墨石英片巖中，礦層即是石墨斜長片麻巖層及石墨石英片巖。

根據此次及類比小陡嶺詳查的光片樣測定結果，石墨為細鱗片晶質石墨；小陡嶺詳查礦體的固定碳含量6.23%～13.67%，礦床固定碳平均含量8.33%，工業(yè)上不能直接利用，需經選礦才能獲得合乎要求的石墨產品。

3.4 礦體圍巖和夾石

礦體中夾石其巖性主要有脈巖和片麻巖兩類。脈巖類夾石巖性主要為花崗巖、輝綠巖，少量的片麻狀黑云二長花崗巖、石英閃長巖、偉晶巖、斜長角閃巖；呈規(guī)則或不規(guī)則脈狀近于順層或平行構造線分布，厚度1.29～3.94 m；與礦體界線清晰，對礦體的連續(xù)性影響小，主要分布在K2-1、K3-1、K3-2、K4-1、K6-1等礦體中。

4 礦床成因及找礦標志

（1）礦床成因。礦床位于秦嶺造山帶東段南支，荊紫關—師崗復式向斜北翼西端，木家埡—內鄉(xiāng)斷裂與淅川斷裂之間的古元古界大溝巖組一套中深變質的副變質巖系中。礦體（層）呈層狀，分布廣泛，延伸穩(wěn)定，與圍巖產狀一致；宏觀上礦體與圍巖呈互層狀，二者之間界線清晰或漸變過渡，大溝巖組具明顯的沉積韻律特征。礦床的碳質，來源于原沉積的有機質。石墨礦的成礦作用，系在區(qū)域變質、混合巖化及熱液作用下，特別取決于溫度和壓力，在還原環(huán)境中原巖中有機碳以重結晶的方式結晶成鱗片狀晶質碳。持續(xù)的區(qū)域變質作用是形成鱗片狀晶質石墨礦最主要的成礦因素。綜上所述，該區(qū)石墨礦床成因類型屬沉積變質型礦床。

（2）找礦標志。石墨礦的找礦標志主要為：①地層標志。元古界大溝巖組為區(qū)域含礦層位。②巖性標志。該區(qū)內石墨一般賦存在含石墨斜長片麻巖及石墨石英片巖中。

5 礦區(qū)內共（伴）生礦產綜合評價

礦石中伴生的有益組分是TiO2、V2O5，含Ti的礦物為金紅石。依據組合分析樣品的分析結果，礦石中TiO2含量0.53%～1.64%，平均0.88%。雖然金紅石粒度較大（0.04～0.60 mm）、嵌布簡單、亦于解離，但總體含量低且不均勻，選礦過程中無綜合回收利用價值。釩主要賦存在白云母、絹云母中，礦石中V2O5含量0.02%～0.17%，平均0.08%。含量低，選礦過程中無綜合回收利用價值。

6 結語

未來礦山企業(yè)在取得一定經濟效益和社會效益的同時，要加強對普查區(qū)及周圍環(huán)境保護，每年應投入一定量的資金進行地表植被恢復、地表滑坡治理、尾礦庫治理及安全檢測、地采采空區(qū)治理、選礦污水治理、采礦廢渣及粉塵治理等環(huán)境保護工作，樹立牢固的既要得到金山銀山、也要保護好綠水青山的綠色勘查理念。未來礦山建設應重點加強地下開采能力，保障選場選礦能力、加強控制地表剝離面積，同時確保環(huán)境保護，特別是對周圍河流、土壤、空氣的影響要降到最小。此外，要進一步開展地質勘查工作，制定礦山建設長遠規(guī)劃。