我國煤系石墨研究及資源開發(fā)利用前景

曹代勇，王 路，劉志飛，丁正云，李 陽，束振宇

(中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

石墨是碳元素的一種同素異形體，由于特殊的分子結構，具有耐高溫、導熱性、導電性、化學穩(wěn)定性、潤滑性和可塑性等諸多優(yōu)良性能，廣泛應用于冶金、機械、核工業(yè)、航天、電子信息、新能源汽車等領域，屬于新興戰(zhàn)略性礦產。2010 年，歐盟委員會將石墨列為14 種“對歐盟生死攸關的原料”之一，我國 2016 年《全國礦產資源規(guī)劃(2016—2020)》首次將石墨等24 種礦產列入戰(zhàn)略性礦產，2018 年美國將石墨(天然)列為35 種“關鍵礦物”之一[1-6]。根據不同工業(yè)用途，石墨礦產可分晶質石墨和隱晶質石墨兩大類，煤系石墨(又稱為煤成石墨)是隱晶質石墨的主要組成部分，也是煤系非金屬礦產的一種[6-7]，與晶質石墨相比，煤系石墨具有礦體集中、品位高、易開發(fā)等特點，石墨查明資源儲量中，隱晶質石墨(煤系石墨)占比不足20%[8-9]，卻支撐著全國一半以上的石墨產量[6-10]。由于過去對隱晶質石墨(煤系石墨)成礦機制認識不夠深入，缺乏煤系石墨鑒別標準，難以科學地區(qū)分煤系石墨與高變質無煙煤，嚴重影響了煤系石墨的評價和勘查工作。據估計，每年我國開采的煤系石墨中有50%左右被當作燃料消耗，造成極大的資源浪費。隨著石墨礦床應用領域的拓寬和煤系綜合礦產開發(fā)利用的推進，煤系石墨礦產資源評價和勘查工作也逐漸受到重視，近年來在煤系石墨成礦機制、賦存規(guī)律、鑒別指標與評價方法研究等方面取得重要進展[6,8,11-19]，福建、湖南、江西、陜西等省份煤系石墨找礦評價獲得重要發(fā)現[13-14,16,19-24]，顯示了煤系石墨勘查開發(fā)利用的良好前景。

1 煤系石墨鑒別指標與等級劃分

1.1 煤系石墨的概念

目前普遍認為隱晶質石墨是由煤或煤系有機碳經巖漿侵位接觸變質形成的，屬于接觸變質型石墨成因類型[1,8]，因而，從成礦物質和礦床賦存角度出發(fā)，煤系石墨可視為隱晶質石墨的同義詞，煤系石墨礦床與煤層為同層異礦，是煤及煤系有機碳(炭質頁巖等)經歷煤化作用階段進入石墨化階段的產物，發(fā)育不同程度石墨結構、具有石墨或類似石墨的物理化學特征和工藝性能，可做工業(yè)原料。

煤化作用與石墨化作用是一個連續(xù)(存在幾次躍變)的過程(圖1)，具有不可逆性和非線性兩個基本特點，其演化實質在元素組成上表現為富碳、去氫、脫氧，在分子結構上表現為縮合程度增加、有序化增強和石墨結構的逐漸形成。石墨化作用的開始標志著煤有機質開始向無機礦物發(fā)展演化，隨著結構有序度提高，逐漸形成具有不同石墨化程度的石墨化無煙煤、半石墨、石墨，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結構[6,13,25-26]。與具有完全有序的晶體結構的無機礦物不同，在煤成石墨化過程中常形成不同結晶程度的微觀結構，因此，煤系石墨屬于特殊的非典型晶質礦物。

圖1 煤化作用與石墨化作用階段Fig.1 Coalification and graphitization stages

1.2 鑒別指標與等級劃分

科學地鑒別煤系石墨是資源評價與開發(fā)利用的前提條件和基礎工作，遺憾的是，迄今尚未有專門針對煤系石墨鑒別的指標或標準規(guī)范，現行的DZ/T 0326—2018《石墨、碎云母礦產地質勘查規(guī)范》采用固定碳含量(FC)作為石墨礦的一般性工業(yè)指標，隱晶質石墨邊界品位和工業(yè)品位分別為FC≥55%和FC≥65%[27]。該規(guī)范是在確定為隱晶質石墨的前提下，用固定碳含量作為質量(品位)指標。根據固定碳含量的定義和測定方法，固定碳含量反映的是樣品的物質組成，眾所周知，大多數煤的固定碳質量分數超過55%和65%，因此，采用固定碳含量作為區(qū)分煤系石墨和煤的鑒別指標勢必引起混亂。由前述可知，煤系石墨成礦的實質是在熱能和定向應力的作用下，煤大分子結構有序度提高，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結構的過程，因此，反映煤大分子和石墨晶體結構的參數才是鑒別煤系石墨的可靠指標。

國內外學者分別采用反射率、FCad、H/C、碳層間距d002、Raman 光譜等參數作為區(qū)別煤與石墨的劃分指標[28-33]。綜合前人的研究成果，在福建閩西南、湖南魯塘、吉林磐石等典型煤系石墨礦區(qū)研究工作的基礎上[6-7,11-16,20]，提出了煤系石墨鑒別指標和等級劃分方案(表1)。劃分指標分為結構參數和成分參數兩大類，結構參數包括X 衍射分析碳層間距(d002)和拉曼光譜表征結構缺陷的參數R2(D 峰與G峰的面積比AD1/(AD1+AD2+AG))，作為精確指標，用以鑒別煤與煤系石墨及其石墨化程度的確定(等級)；成分參數包括固定碳含量(FC)、鏡質體反射率、揮發(fā)分產率(Vdaf)和H/C 元素比，用以評價煤系石墨的質量，在資源勘查階段也可用于初步區(qū)分無煙煤與煤系(隱晶質)石墨。

表1 煤系石墨鑒別指標與等級劃分方案Table 1 Identification index and grade classification of coal-based graphite

煤的石墨化是一個連續(xù)—躍變的演化過程，在微觀結構變化上表現為逐漸形成具有不同石墨化程度的石墨化無煙煤、半石墨、石墨，最終演變?yōu)槿S有序的石墨晶體結構(圖1)，不同演化程度的煤系石墨則具有不同程度類似石墨的物理化學特征和工藝性能，據此劃分煤系石墨等級(表1)，以滿足資源評價和地質勘查的需要。

Ⅰ級煤系石墨，對應石墨，其碳層間距0.3354nm≤d002≤0.3370nm，R2≤0.6，結構有序度較高，碳層尺寸發(fā)育較大，煤的有機組分完全消失，轉變成顆粒狀、絲狀等石墨組分，具有典型石墨礦物的理化性能。

Ⅱ級煤系石墨，對應半石墨，進一步劃分兩個亞級：Ⅱ1級，0.3370nm＜d002≤0.3440 nm，0.60＜R2≤0.65，碳層間距相對較小、結構有序度較高、顯微組分以顆粒狀石墨組分為主；Ⅱ2級，0.3370nm＜d002≤0.3440nm，但R2＞0.65，該亞級石墨碳層間距較小，但具有的結構缺陷相對較多，具有部分石墨礦特征。

Ⅲ級石墨，對應石墨化無煙煤，d002>0.344 nm，0.65≤R2≤0.70，該級別石墨化程度相對較差，碳層長程無序，但其導電性、熱穩(wěn)定性較好，可作為低端工業(yè)原料，具有一定程度實用價值。

2 煤系石墨形成的控制因素

影響煤系石墨形成的主要控制因素可以分為內因(物質組成)和外因(溫度、壓力等)兩大類[12]。

2.1 物質組成

煤系石墨形成首先要有煤作為礦源層，煤是由有機組分(煤巖顯微組分)和無機組分(礦物質)組成的混合物，由于煤中不同有機顯微組分的分子結構、化學組成的差異性，以及對不同溫度、壓力條件的敏感性差異，導致其石墨化速率和石墨化產物也各不相同[6,12-13,19]，而不同種類、含量的礦物在煤的石墨化中的催化作用也各有差別[12,34-37]，由此決定了可石墨化性和石墨化差異性特征(圖 2)。R.E.Franklin[38]依據碳在高溫下是否可石墨化分為可石墨化碳和不可石墨化碳兩種類型，較弱的橋鍵、較小的超微孔隙和趨于定向排列的大分子結構決定了碳的可石墨化性。煤的大分子結構是由眾多以芳香環(huán)為核心，含有側鏈、官能團等小分子結構，由橋鍵連接組成的大分子基本結構單元(BSUs)，當橋鍵斷裂、小分子結構排出，芳香環(huán)相互排列、堆疊可構成石墨的晶體結構；橋鍵的斷裂也促使被“鎖住”的芳層可以發(fā)生旋轉、擇優(yōu)取向。A.Oberlin 等[39]認為，無煙煤在2 500℃以上時，芳香層之間的超微孔隙出現扁平化，導致芳層有序排列。鏡質組、殼質組和惰質組三大顯微組分的結構變化和演化速率各不相同，在高煤級煤—石墨階段，煤中原生有機顯微組分逐漸消失，取而代之的是新生成的石墨化組分，根據其形態(tài)特征可以將其劃分為顆粒狀、片狀或絲狀石墨組分和熱解碳，其中，片狀和絲狀石墨的石墨化程度最高，顆粒狀石墨的石墨化程度較低[13,19,40]。實例研究發(fā)現，殼質組在高變質無煙煤中已經消失，表明其石墨化速率最快；其次為鏡質組，惰質組在石墨化中表現出“惰性”特征，在石墨化程度高的樣品中仍可觀察到殘留的惰質組分，表明其石墨化速率最慢[13,19,40-41]。

圖2 煤向石墨演化的作用要素Fig.2 Critical factors for evolution of coal to graphite

2.2 溫 度

溫度是影響有機質演化(包括煤化作用和石墨化作用)的首要因素，高溫為原子重排、重結晶、結構轉化提供了活化能。楊起等[26]認為巖漿作用的疊加熱場是中國高變質煤形成的根本原因，作為煤化作用(煤變質作用)的延續(xù)，煤系的石墨化作用的活化能也主要來自巖漿作用產生的高溫。石墨礦床按其成因劃分為區(qū)域變質型、接觸變質型及巖漿熱液型三大類，隱晶質石墨(煤系石墨)屬于接觸變質型，由巖漿侵入煤層接觸變質而成，巖體的性質一般為酸性花崗巖類或中酸性閃長巖類。酸性巖漿稠度低、流動性好，有利于熱的傳遞，同時此類巖漿富含氟和硼等揮發(fā)性氣體，可起到催化劑和助熔劑作用，有利于有機碳轉變?yōu)槭玔1]。我國目前已知煤系石墨礦床幾乎均與大規(guī)模的酸性和中酸性巖體如巖基、巖株有關，深成巖體侵位深度較深(數千米至10 km 以上)、接觸變質帶范圍寬、侵位時上覆巖系厚、形成良好“熱封閉條件”，從而具有熱量充足、作用時間長的優(yōu)勢，能夠為煤變質和石墨化提供充足的熱能。而巖脈、巖墻和巖床等小型侵入體，侵入深度淺、規(guī)模小、熱作用時間較短，所能提供的熱能有限，其接觸帶窄、煤變質梯度大，通常形成天然焦—熱變煤系列[26]。

2.3 地質構造

地質構造(構造格局和構造應力)也是煤系石墨形成不可忽視的控制因素之一，包括構造導熱輔助成礦、構造應力主導成礦和同期或后期改造等3 種基本方式[6]。強烈構造活動帶往往伴隨顯著的巖漿活動，大型斷裂構造提供巖漿侵入通道；不同的構造格局構成不同類型的成礦構造–熱環(huán)境條件(封閉式、半封閉–半開放式和開放式[16])，導致不同石墨化程度的差異。已經認識到構造應力尤其是剪切應力具有與熱力作用相似的機制(應力降解和應力縮聚)，在有機質演化(煤化作用—石墨化作用)中起到催化作用[42]，R.M.Bustin 等[43]提出了在剪切應力作用下煤的石墨化模式，Wang Lu 等[13]在湖南魯塘煤系石墨研究中提出了應變誘導石墨化機制。人工合成石墨實驗表明，需要把碳物質加熱到2 800℃才能形成石墨結構[44]，顯然與天然石墨形成溫度分布于400～800℃的地質研究成果相矛盾[1,44-47]。煤石墨化過程所需的活化能達到1 089 J/mol，僅僅由巖漿所提供的熱能遠遠不夠[48]，構造應力應變能可以為煤成石墨化提供必需的活化能。為數不多的高溫高壓模擬實驗研究支持剪應力在碳物質石墨化過程中起到重要作用[37,48-50]，加拿大R.M.Bustin 等[43]采用鏡質體反射率Rmax=5.27%的無煙煤樣品，開展了共軸擠壓和剪切實驗，得出在剪切變形條件下局部石墨結構出現的起始溫度可低至600℃，900℃時樣品絕大部分已經石墨化[43]。

3 煤系石墨賦存規(guī)律與成礦區(qū)帶劃分

3.1 煤系石墨賦存規(guī)律

目前已知的煤系石墨產地大多分布在中生代(以燕山期為主)酸性或中酸性深成巖體(巖基、巖株)旁側，接觸變質–變形帶寬度1～3 km，從巖體向外，總體上呈現石墨→半石墨→石墨化無煙煤→無煙煤的過渡變化，空間展布受褶皺形態(tài)和擠壓性斷層控制。由于礦源層(煤層)物質組成的差異和地質構造的變化，導致石墨化程度的突變或間斷，從而造成煤系石墨賦存狀態(tài)十分復雜，平面分布和垂向變化顯著。礦井調查和顯微尺度觀察發(fā)現，石墨化程度與煤/石墨的變形程度(原生結構→碎裂結構→碎粒結構→糜棱結構)呈正相關關系，表明局部應力/應變集中是導致石墨化特征差異的主要因素。

區(qū)域上，煤系石墨的形成與巖漿活動和擠壓性構造環(huán)境密切相關，受區(qū)域性構造–巖漿帶控制，具有方向性、遞變性、集中成帶展布的特點。莫如爵等[1]總結我國石墨分布特點時指出，煤層接觸變質型石墨礦床主要見于活動大陸邊緣地區(qū)，一般形成于早期擠壓–中酸性巖漿活動階段；我國煤層變質石墨分布于我國東部環(huán)太平洋域及西部若干斷裂巖漿帶上，更多集中于郯廬斷裂以東地區(qū)。肖克炎等[5]在我國東部劃分出老爺嶺陸緣活動帶接觸變質型石墨成礦區(qū)和東南地區(qū)中生代隱晶質石墨成礦區(qū)等兩個與煤系石墨有關的成礦帶。顏玲亞等[8]依據已有石墨礦點分布，劃分出4 個隱晶質石墨成礦帶，分別為內蒙古扎魯特旗隱晶質石墨成礦帶、吉中隱晶質石墨成礦帶、小興安嶺—張廣才嶺(造山帶)隱晶質石墨成礦帶、湘中南—粵北拗陷中生代隱晶質石墨成礦帶。

3.2 成礦區(qū)帶劃分

在前人研究成果的基礎上，總結近年我國煤系石墨研究和資源評價的新進展，以區(qū)域大地構造格局和賦煤構造格局為基礎，結合煤系石墨成礦的構造–巖漿地質條件，初步劃分了全國煤系石墨成礦區(qū)帶，包括4 個成礦域和9 個成礦帶(表2)。煤系石墨主要分布在我國東、中部，具有東多西少、南多北少的基本規(guī)律，一級成礦區(qū)帶呈“一縱三橫”格局。一縱是指大興安嶺–太行山–雪峰山以東NNE 向展布的濱太平洋煤系石墨成礦域(Ⅰ-1)，三橫是指分別受控于3 條EW 向區(qū)域性構造–巖漿帶的南嶺煤系石墨成礦域(Ⅰ-2)、秦嶺–大別山煤系石墨成礦域(Ⅰ-3)和燕山–陰山煤系石墨成礦域(Ⅰ-4)。

表2 我國煤系石墨成礦區(qū)帶劃分Table 2 The main metallogenic belts of coal-based graphite in China

3.2.1 濱太平洋煤系石墨成礦域(Ⅰ-1)

濱太平洋煤系石墨成礦域由東北經華東延伸至東南地區(qū)，呈NNE 向斜跨東北賦煤區(qū)、華北賦煤區(qū)和華南賦煤區(qū)三大一級賦煤構造單元，并與EW 向區(qū)域構造帶東段疊加復合，中生代以來進入活動大陸演化階段，多期次、高強度的構造–巖漿活動不僅造就了多金屬成礦區(qū)，同時也為煤系石墨成礦提供了有利條件。該成礦域北段東北賦煤區(qū)東部小興安嶺–張廣才嶺構造–巖漿巖帶形成有利的封閉式成礦條件，發(fā)育黑吉東部煤系石墨成礦帶。南段華南賦煤帶東部華夏賦煤構造亞區(qū)以前泥盆紀淺變質巖系為基底，成煤期后經歷多次擠壓與拉張等不同構造機制的交替作用，中生代以來卷入活動大陸邊緣，燕山期巖漿活動強烈，煤系變形–變質程度高，煤類以無煙煤為主，沿海中生代閩浙火山巖帶西側閩西南拗陷成礦帶多處煤系石墨產地沿區(qū)域斷裂–巖體連片分布[16,51]。濱太平洋煤系石墨成礦域中段華北賦煤區(qū)中東部自燕山運動以來進入大陸裂解階段，太行山東麓諸煤田和淮北煤田在開放性構造環(huán)境下，眾多淺層或中淺層小型巖體侵入煤系，接觸變質帶發(fā)育天然焦，尚無煤系石墨的報道。

3.2.2 南嶺煤系石墨成礦域(Ⅰ-2)

南嶺構造–巖漿活動帶是以近EW 向的花崗巖帶為主要標志，由北向南分布的騎田嶺–九峰山巖帶、大東山–貴東巖帶和佛岡–新豐江巖帶3 個巖漿巖帶[52]。南嶺煤系石墨成礦域與濱太平洋煤系石墨成礦域南段呈疊加復合關系，對華南賦煤區(qū)的華夏賦煤構造亞區(qū)含煤巖系賦存影響較大，構造變形強烈，煤田推覆和滑覆構造全面發(fā)育，構造變形強度和巖漿活動強度均呈由西向東增強的趨勢[53]。南嶺煤系石墨成礦域中生代以來經歷的多期構造–巖漿活動導致煤變質程度高，擠壓性構造格局和深成巖體侵位造就了有利的煤系石墨成礦環(huán)境，雪峰山與武夷山之間發(fā)育湘中–湘南煤系石墨成礦帶、贛中–贛南煤系石墨成礦帶和粵北煤系石墨成礦帶，煤系石墨礦床主要分布于湖南中南部、江西中南部、閩西南以及廣東北部一帶，礦源層主要為二疊系龍?zhí)督M，部分地區(qū)為下石炭統(tǒng)測水組(如湘中新化礦區(qū))[16,19-20,22,24]。

3.2.3 秦嶺–大別山煤系石墨成礦域(Ⅰ-3)

秦嶺–大別山造山帶是我國重要的構造–巖漿活動帶，具有多旋回復合造山特征，晚古生代初南北大陸從東向西逐漸拼合，到三疊紀拼合完成，中、新生代秦嶺–大別山造山帶的地殼演化以逆沖推覆和強烈酸性巖漿活動為特征[54-57]。煤系石墨分布在東段大別山北麓北淮陽地區(qū)商固煤田和西段北秦嶺鳳縣一帶。商固煤田位于河南省商城與安徽金寨一帶，石炭紀含煤沉積習稱楊山煤系，晚古生代以來相繼經歷了由弧后裂陷盆地→前陸盆地→構造反轉等多期構造–熱事件，導致煤系變形強烈、煤變形–變質作用顯著[53]，劃分為構造–熱變質、巖漿熱變質和區(qū)域變質3 種類型。其中，構造–熱變質類型位于燕山期(早白堊世)商城花崗巖基旁側剪切變形帶內，馬鞍山煤礦樣品d002為0.335 5～0.339 4 nm，平均值0.336 8 nm，高分辨透射電鏡分析呈現接近平直石墨的SAD 衍射環(huán)[58]。北秦嶺煤系石墨成礦帶位于洛南–欒川逆沖推覆構造與商丹縫合帶之間，礦源層為石炭系草涼驛組，經歷多期構造運動，變形強烈，以“S”型褶皺、推覆構造及疊加褶皺等擠壓性構造樣式為主；陜西鳳縣貫溝–老廠–煤溝一帶的草涼驛組煤層受燕山期巖漿熱作用及構造熱作用變質而發(fā)生石墨化，東部(老廠至貫溝)礦體多、礦石質量較好，固定碳質量分數一般為68%～89%；西部礦石質量變差[21]。草涼驛組煤系石墨的主要控礦要素是海西期、印支期和燕山期多次巖漿熱侵位對煤層的加熱烘烤作用，同時區(qū)域性的構造運動對石墨礦層的富集也起到了積極作用[23]。

3.2.4 陰山–燕山煤系石墨成礦域(Ⅰ-4)

陰山–燕山構造–巖漿帶屬于天山–興蒙造山帶的東段，后者是華北–塔里木板塊與西伯利亞板塊之間的巨型造山帶，同樣具有多旋回演化的歷史，中、新生代卷入濱太平洋構造域，發(fā)生陸內俯沖、逆沖推覆、伸展斷陷、走滑旋轉等構造變形和巖漿活動[56-57]，對南北兩側華北賦煤區(qū)和東北賦煤區(qū)煤變質具有一定程度的影響。陰山–燕山煤系石墨成礦域北側內蒙古通遼市扎魯特旗煤系石墨成礦帶區(qū)域大地構造位置位于陰山–燕山褶皺帶與大興安嶺中生代巖漿巖帶(濱太平洋構造域)復合部位，褶皺斷裂發(fā)育，巖漿活動顯著，以燕山中期侵入活動為主，中、酸性巖體出露面積大，下侏羅統(tǒng)紅旗組煤層經巖漿熱接觸變質作用發(fā)生石墨化，礦石品位一般較高，固定碳質量分數多為60%～80%[59]。陰山–燕山煤系石墨成礦域南側京西煤田北京海淀南安河和房山車廠各有一小型接觸變質型石墨礦床，為石炭–二疊紀煤層變質形成，南安河石墨礦固定碳質量分數為12.17%，車廠石墨礦的礦石固定碳質量分數為6.62%～71.50%，平均29.22%，因質量較差，基本無工業(yè)價值[60]。

4 我國煤系石墨資源

4.1 煤系石墨資源現狀

我國煤系石墨資源儲量較大，據《全國礦產資源儲量通報》(2018)資料統(tǒng)計[9]，截至2018 年底，全國石墨查明資源儲量53 782.09 萬t，其中晶質石墨43 740.58 萬t、隱晶質石墨10 041.51 萬t，隱晶質石墨資源儲量前三位的省(自治區(qū))分別是內蒙古、湖南和吉林(表3)。把煤系石墨等同于隱晶質石墨，則占全國石墨查明資源儲量的18%。如前文所述，由于缺乏鑒別煤系石墨的科學指標，大約有一半左右的煤系石墨被混同為無煙煤使用，因此，現有煤系石墨查明資源儲量數據可能被大大的低估。

表3 全國隱晶質石墨資源儲量統(tǒng)計(截至2018 年底)[9]Table 3 Reserves of amorphous graphite in China(until the end of 2018)[9] 單位：萬t

近年受石墨烯和石墨應用領域拓寬的驅動，煤系石墨評價和找礦取得顯著進展，其中比較重要發(fā)現包括2016 年內蒙古扎魯特旗板子廟礦區(qū)勘查新增隱晶質石墨資源量2 220 萬t[8]；“陜西省鳳縣巖灣礦區(qū)外圍石墨礦普查”階段性成果表明，可獲煤系石墨333 與334 資源量7 000 余萬t；福建煤田地質局聯合中國礦業(yè)大學(北京)和福能集團等完成的“福建省煤系石墨賦存規(guī)律及資源評價”于2019 年5 月通過福建省自然資源廳組織的評審驗收，劃分了六大煤系石墨遠景區(qū)，預測資源量8 700 余萬t；最近又首次在江西贛南崇義礦區(qū)發(fā)現煤系石墨礦產[20]，使粵北、湘中南、贛南、閩西南煤系石墨產地連為一片(南嶺煤系石墨成礦域與濱太平洋煤系石墨成礦域的復合)，大大拓寬了華南賦煤區(qū)煤系石墨找礦范圍。

4.2 煤系石墨資源前景

中國大陸是由若干個穩(wěn)定地塊和活動帶經多次拼合鑲嵌而成的復合大陸，活動帶密度大，穩(wěn)定地塊規(guī)模小，中、新生代構造–巖漿活動強烈，對包括含煤巖系在內的沉積蓋層改造顯著[53]。在此大地構造背景中的含煤盆地構造–熱演化歷史復雜，變形顯著、變質作用類型多樣、尤其是疊加變質作用較普遍，導致煤類空間分異性顯著，在全國2.02 萬億t已探獲煤炭資源量中高煤級煤占13%[61]，顯示了巨大的煤系石墨資源潛力。

中國煤炭資源分布廣泛，依據煤田構造格局可以劃分為東北、西北、華北、華南和滇藏五大賦煤構造區(qū)，陰山–燕山構造–巖漿活動帶、秦嶺–大別山構造–巖漿活動帶、南嶺構造–巖漿活動帶、濱太平洋構造–巖漿活動帶和喜馬拉雅構造–巖漿活動帶對各大賦煤區(qū)煤變質和石墨化均有重要影響[53]。煤系石墨資源調查評價的工作重點應在加深對煤系石墨成礦機制認識、科學鑒別煤系石墨及其劃分等級的基礎上，開展4 大煤系石墨成礦域的全面調查，由已知煤系石墨礦床向深部和周邊擴展，擴大現有勘查成果。另一方面，拓寬找礦領域，重點排查各賦煤單元高煤級煤產地，主要找礦標志包括：燕山期酸性、中酸性深成巖體周邊，區(qū)域性斷裂帶尤其是不同方向斷裂交叉部位，煤系中出現紅柱石、堇青石、藍晶石等變質礦物，煤/石墨層變形強烈呈碎粒、糜棱結構。有希望的遠景區(qū)包括：華北賦煤區(qū)周緣逆沖推覆帶高煤級煤分布區(qū)、太行山東麓諸煤田、山西晉中晉南煤田；華南賦煤區(qū)西南部四川盆地周邊無煙煤分布區(qū)；西北賦煤區(qū)河西走廊甘肅靖遠—武威—張掖一線無煙煤分布區(qū)；滇藏賦煤區(qū)煤炭資源量小、工作程度低，尚無確切的煤系石墨礦產地報道，但特提斯構造域多期構造活動和巖漿活動，尤其是中、新生代強烈的板塊碰撞構造–熱事件，對煤變形–變質作用具有顯著影響，沿區(qū)域性斷裂和巖漿帶可能存在動力變質–接觸變質成因的煤系石墨。

5 開發(fā)利用前景

5.1 煤系石墨開發(fā)利用意義

天然石墨具有耐高溫、高強度、導電、導熱、化學性能穩(wěn)定、潤滑性、可塑性等諸多優(yōu)良性質，應用領域廣泛，其中耐火材料和鋼鐵冶金是石墨最主要的應用方向，市場份額合計占比超過40%[10]。近年來隨著科技的發(fā)展進步，石墨在新材料、新能源領域的應用不斷拓寬，尤其是利用高純晶質石墨制作石墨烯，引發(fā)材料科學的一系列突破性進展，引起電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫(yī)藥、環(huán)保、太陽能、光電等新興領域的廣泛關注，從而也極大地推動了石墨礦產資源評價與開發(fā)[10,62-64]。煤系石墨屬于典型的隱晶質石墨，晶體直徑一般小于1 μm，是微晶石墨的集合體，由于其自身物理性質，是做各種同性石墨的最佳原料，用于鑄造、電池、鉛筆、顏料、耐火材料、碳素制品、增碳劑及鑄錠保護渣等領域[1,6,10]。隨著石墨材料應用領域的拓寬，煤系石墨的產業(yè)鏈也在延伸。2011 年中國建材集團有限公司旗下南方石墨有限公司進駐我國最大的煤系石墨產地湖南郴州魯塘，投資近40 億元，用于礦區(qū)技改建設和產品開發(fā)，力爭打造集原礦生產、石墨精深加工、產品研發(fā)、物流貿易于一體的“中國最大微晶石石墨產業(yè)集群”。2017 年，福建省提出了《福建省石墨烯產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2017—2025年)》，布局“兩核三區(qū)”中高端石墨及石墨烯產業(yè)聚集區(qū)，閩西南永安市把發(fā)展石墨和石墨烯新興產業(yè)作為新一輪經濟驅動的戰(zhàn)略布局，依托豐富的煤系石墨資源，建設石墨和石墨烯產業(yè)園，引入石墨產業(yè)高新企業(yè)，致力石墨深加工，形成完整的產業(yè)鏈。

我國煤系石墨資源潛力巨大，具有礦體集中、品位高、易開發(fā)等特點，煤系石墨源于煤，其經濟價值遠高于煤，煤系石墨的開發(fā)利用具有重要經濟意義和社會意義。①作為石墨礦床的重要組成部分，煤系石墨的開發(fā)增強了石墨需求的戰(zhàn)略保障能力，為石墨產業(yè)中初級產品加工和高端產品應用提供資源保障。② 促進煤系礦產資源合理開發(fā)利用，煤系礦產種類多、資源量大、潛在價值高，煤系石墨的高效合理的開發(fā)利用，是煤系礦產資源利用價值的客觀體現。③促進煤炭由單一燃料向燃料和工業(yè)原料并重轉變，實現資源科學合理利用，推動煤炭行業(yè)向新興產業(yè)的邁進。④“煤”變身為“石墨”及其系列產品，其經濟價值大幅度提升，增加企業(yè)的經濟效益。⑤ 有利于礦山轉型升級，煤系石墨成礦區(qū)帶為構造–巖漿活動區(qū)域，煤系賦存條件復雜、規(guī)模一般較小，煤炭開采受到極大限制，經勘查確認變更為石墨礦產則為礦山轉型發(fā)展帶來新的機遇。

5.2 存在的問題與對策建議

然而，由于歷史和現實原因，目前煤系石墨礦產資源開發(fā)利用不盡如人意，存在的主要問題有：①對煤系石墨成礦機制認識膚淺，對煤系石墨賦存規(guī)律尚不清楚，資源調查和勘查程度低，資源儲量不可靠。② 缺少煤系石墨鑒別標準和勘查規(guī)范，導致已發(fā)現的煤系石墨礦產難以得到認可，抑制了煤系石墨礦產資源勘查的積極性。③煤系石墨的無序開發(fā)，亂挖亂采，甚至被當成無煙煤開采和銷售，煤系石墨資源浪費嚴重。④ 煤系石墨提純和深加工工藝研發(fā)滯后，仍主要局限于低端應用，嚴重制約了煤系石墨附加值的提高，缺乏產業(yè)升級良性發(fā)展的動力[10,64-65]。⑤ 不合理、過度資源開發(fā)，造成資源迅速枯竭，并帶來嚴重的環(huán)境污染問題。

煤系石墨是石墨礦床的重要組成部分，煤系石墨具有的礦體集中、品位高和易開發(fā)的特點，決定了其必將成為未來石墨產業(yè)的重要支柱，在新時期發(fā)展背景的要求下，為滿足《中國制造2025》計劃的資源需求，應從以下方面開展工作：①深入研究煤系石墨成礦機制和賦存規(guī)律，建立科學的評價指標，加強煤系石墨勘查評價，摸清資源家底。② 加強政府宏觀調控，根據資源、環(huán)境和經濟協(xié)調發(fā)展原則科學規(guī)劃，合理有序地開發(fā)煤系石墨資源，實現在保護中開發(fā)、在開發(fā)中保護。③開展煤系石墨物理化學性質研究，實現礦床資源分級分質利用，優(yōu)化在耐火材料、鋼鐵原料等傳統(tǒng)工業(yè)的應用價值，提高資源利用率。④ 加強煤系石墨提純和深加工技術研究，面向石墨產業(yè)價值鏈的高端，提高產品附加值。⑤ 加強產業(yè)結構轉型，推進煤系石墨工業(yè)園區(qū)建設，為以煤–煤系石墨為原料制備人造高純石墨等產品提供服務創(chuàng)新平臺，充分將煤炭從傳統(tǒng)粗放型的燃料轉變?yōu)楣I(yè)原料。

6 結論

a.煤系石墨是一類特殊的非典型晶質礦物，與煤層為同層異礦，煤向石墨演化的實質在元素組成上表現為富碳、去氫和脫氧，在分子結構上表現為有序化增強和石墨晶體結構的逐漸形成。煤巖組分、巖漿熱和地質構造等均對煤成石墨化作用具有重要影響，在多因素綜合作用下，煤系石墨成礦常表現出差異石墨化特征。

b.從煤系石墨成礦機理入手，提出了以化學組成參數為基礎指標，以結構參數為精確指標的煤系石墨鑒別指標體系；從資源評價需求出發(fā)，將不同演化程度的煤系石墨劃分為Ⅰ級(石墨)、Ⅱ級(半石墨)和Ⅲ級(石墨化無煙煤)等3 類。

c.基于煤系石墨的成礦條件和控制因素，首次開展了煤系石墨成礦區(qū)帶劃分，受區(qū)域性構造–巖漿帶控制，我國煤系石墨成礦區(qū)帶呈現“一縱三橫”的分布特點，劃分為濱太平洋成礦域、南嶺成礦域、秦嶺–大別山成礦域和陰山–燕山成礦域及9 個成礦帶。

d.我國煤系石墨(隱晶質石墨)查明資源儲量僅占全國石墨資源儲量的18%，由于缺乏鑒別煤系石墨的科學指標，現有煤系石墨查明資源儲量數據可能被大大的低估，由于我國煤炭資源豐富和賦煤區(qū)構造–熱疊加作用顯著，煤系石墨資源潛力巨大。

e.煤系石墨資源開發(fā)對于新時期背景下的社會發(fā)展和經濟需求具有重大意義，摸清資源家底，提出適宜的開發(fā)利用途徑，提高煤系石墨資源利用價值，是實現煤系石墨資源合理開發(fā)利用和相關煤炭企業(yè)轉型升級的有效途徑。