湖南魯塘煤系石墨礦區構造格局及控礦機制

王 路，彭揚文，曹代勇，丁正云，莫佳峰

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410000)

煤系石墨又稱為煤成石墨，是隱晶質石墨的主要類型，屬于戰略性新興礦產[1-2]。湖南魯塘礦區是全國重要的隱晶質石墨(煤系石墨)產地，素有“石墨之都”的美稱。前人對魯塘石墨礦區的研究主要局限于巖漿熱變質作用，曾提出按照與騎田嶺花崗巖體的距離由近及遠，呈現石墨—半石墨—煤漸變關系的模式[3]，然而魯塘礦區煤和石墨礦生產實際揭露的情況表明，上述模式過于簡單和理想化，煤系石墨與無煙煤的過渡關系十分復雜[4]，已經初步認識到石墨礦分布受褶皺構造的控制，并不完全與距騎田嶺巖體的遠近有關[5]。煤成石墨化作用與煤化作用是一個連續的過程，與煤化作用相同，溫度是石墨化作用的主導因素，但構造作用同樣不可忽視，野外地質研究和室內模擬實驗證實了構造變形在煤系石墨成礦機制中起到的關鍵作用[2,6-9]。因此，系統深入地研究魯塘礦區構造特征及其控礦作用，不僅可以深化對煤系石墨成礦機制的認識，而且也有利于查明煤系石墨展布規律，為石墨礦產合理開發提供科學依據。

1 地質背景

1.1 區域構造背景

魯塘礦區位于湘東南地區，地處華夏地塊與揚子陸塊交界帶，經歷自加里東時期以來多期次、多階段漫長的構造–巖漿活動[10-12]。湘東南地區以SEE向俯沖斷裂—茶陵–郴州大斷裂為界，分為東部炎陵–汝城隆起區和西部衡陽–桂陽拗陷區，呈現出東高西低的趨勢。由于多期次大規模的構造–巖漿活動，導致該區成為鎢、錫等多金屬成礦有利區，是南嶺多金屬成礦帶的重要組成部分[13]。

1.2 礦區地質背景

魯塘礦區位于騎田嶺花崗巖體西部，主要含煤地層為二疊系龍潭組，騎田嶺巖體是煤發生石墨化的主要熱源。騎田嶺花崗巖體受區域構造影響呈NNE 向展布，巖漿自燕山早期開始侵入形成，分布面積達520 km2，巖性主要為角閃石黑云母二長花崗巖、黑云母花崗巖、細粒黑云母花崗巖[14-15]。礦區主體構造為走向NNE 的魯塘–沙田復式向斜(向2)，向斜西翼構造相對簡單，地層出露較完整；東翼構造相對復雜，發育一系列次級斷層和褶皺，對煤系石墨的成礦和分布均有較大影響。礦區內主要有兩組斷層，一組為近EW 向的平移正斷層，另一組為近SE 或NNE 向的走向逆斷層(圖1)。

2 礦區構造單元劃分

魯塘礦區經歷多期次構造–巖漿活動，尤其是燕山期受太平洋板塊與印度洋板塊擠壓影響，構造活動最為強烈，由SE 向NW 的擠壓造就了現今的構造格局，呈現南北分區、東西分帶的特征。依據巖漿熱接觸變質程度和構造變形強度，由強到弱將研究區從東到西劃分為東部條帶、中部條帶和西部條帶(表1)；以近NNW 向的F4 和F5 斷層為界，從北到南劃分為3 個區，即北部分區、中部分區、南部分區(圖1)。

2.1 分帶特征

東部條帶與騎田嶺巖體直接接觸，巖漿熱接觸變質程度較高，巖石發生強角巖化，可見變質礦物空晶石(圖2a)。巖體侵入產生的擠壓應力導致東部條帶地勢抬升，構造情況復雜，一方面使前期形成的褶皺更加復雜化，另一方面則形成新的斷裂和褶皺，如F1 和F7 斷層，背2、向3、背3、向4 褶皺。巖石顯微構造可見石英動態重結晶和斜長石的扭折帶等塑性變形(圖2b、圖2c)，指示為高溫高壓的環境。

中部條帶與騎田嶺巖體間接接觸，巖漿熱接觸變質程度降低，巖石主要出現弱角巖化—角巖化，同時地層受巖體侵入擠壓變形強度減弱。中部條帶地形情況相對復雜，受東部條帶抬升拉伸，發育F2和F8 等走向與構造線方向相一致的次級斷裂。巖石顯微構造可見晶內裂隙等脆性變形和石英波狀消光、帶狀消光和變形紋等塑性變形(圖2d、圖2e)，說明變質溫度壓力條件相對東部條帶逐漸降低。

西部條帶與騎田嶺巖體距離相對較遠，熱接觸變質程度較弱，可見綠泥石化，局部并未見有巖石變質現象。受巖體侵入的擠壓應力較小，地層產狀相對穩定，構造情況簡單，不存在明顯的斷裂和次級褶皺，顯微構造可見方解石的機械雙晶(圖2f)，反映一種低溫低壓的變質環境。

2.2 分區特征

北部分區位于F4 斷層北部，主要位于魯塘沙田復向斜北端，受巖體強烈擠壓呈狹長形態，并發育許多次級斷裂和褶皺(圖3a)，如F8 和F4 斷層，崩塘–磨刀水背斜(背3)、長沙嶺–婆婆嶺向斜(向4)，總體上呈現為一種緊閉的形態，且巖石的巖漿熱接觸變質程度較高。

圖1 魯塘礦區構造單元劃分Fig.1 Sketch division of tectonic units in Lutang mining area

中部分區位于礦區的中部，F4 和F5 斷層之間。中部分區位于魯塘沙田復向斜中段，向斜相對開闊，自東向西構造情況變化顯著，東側發育較多次級斷層和褶皺，西側構造情況簡單，呈現為東側緊閉、西側開闊的形態(圖3b)。

南部分區位于F5 斷層以南，位于魯塘沙田復向斜南端，東翼和西翼構造情況較簡單，次級褶皺和斷裂構造不發育，總體上呈現為一種開闊的形態(圖3c)，巖石受巖體侵入的擠壓變形強度較弱。

3 構造控礦

3.1 煤系石墨特征

圖2 魯塘礦區典型變質礦物與顯微構造(正交偏光)Fig.2 Typical metamorphic minerals and microstructure in Lutang mining area

表1 構造分帶特征表Table 1 The features of the tectonic zoning

圖3 魯塘礦區北部、中部和南部分區剖面示意Fig.3 The geological section of northern,central and southern zones in Lutang mining area

本次樣品主要采自魯塘礦區石墨十礦、九礦等10 個礦井。由前人研究成果可知，可用X 射線衍射和激光拉曼光譜實驗參數d002和R2分別表征芳香碳層堆疊間距和分子結構缺陷密度。隨著石墨化程度提高，芳香層逐漸有序排列、堆疊，無序結構逐漸向有序結構轉化，表現為芳層間距d002和結構缺陷參數R2值逐漸減小，依據其石墨化程度可以劃分為煤系石墨、煤系半石墨、石墨化無煙煤和無煙煤4 類[5,19-20]。由實驗結果可知(表2)，在北部分區，碳層間距d002值均小于0.337 0 nm，芳香層橫向和縱向尺寸均較大，結構缺陷參數R2為0.26～0.33，表明含有的結構缺陷較少，煤的石墨化程度高，形成具有有序晶體結構的煤系石墨；中部分區內樣品的石墨化程度差異性較大，距離巖體越近，煤的石墨化程度越高，其碳層間距d002可達到0.336 3 nm，距離巖體較遠的樣品石墨化程度較差，芳香層的結晶程度較低；南部分區內樣品的石墨化程度相對較差，d002和R2參數均表明其結晶程度較低，含有的結構缺陷相對較多，僅在靠近巖體附近局部地方形成了石墨化程度較高的煤系半石墨。

3.2 構造對煤系石墨成礦的影響

前人已經對煤成石墨演化過程中構造應力作用機制進行了相關研究，認為構造應力在煤的石墨化過程中扮演著重要的角色，是煤向石墨演化過程的重要因素[17-20]。在研究區內，自西向東，煤層與巖體的距離逐漸減小，受巖漿熱變質作用的溫度逐漸升高，同時，構造情況逐漸由簡單變復雜，導致礦層從原生結構逐漸出現脆性變形、韌性變形，煤的石墨化程度也逐漸增高(圖4)。

表2 魯塘礦區樣品實驗結果Table 2 XRD and Raman data of samples in Lutang mining area

在北部分區中，整體構造呈狹長、緊閉的形態；與巖體距離較近，受巖漿熱變質溫度較高，且受巖體擠壓構造變形作用較強，易形成封閉式環境，熱量不易散失，形成高溫–高壓條件；構造應力作用不僅導致礦層出現強烈的韌性變形，且提高了煤的石墨化程度，在該區內主要分布煤系石墨。在中部分區，構造相對簡單的向斜西翼，距離巖體較遠，煤層受巖漿熱變質溫度較低，形成開放式環境，主要形成高變質無煙煤，自西向東，隨著巖漿熱變質溫度逐漸升高，構造情況逐漸復雜，礦層變形強度逐漸增高，在中帶和東帶形成以半開放–半封閉環境和封閉式環境為主，分別主要形成煤系半石墨和煤系石墨。在南部分區，整體構造情況簡單，構造變形強度較弱，形成以開放式環境為主，巖漿侵入提供的熱量難以保存，僅在靠近巖體附近形成石墨化程度相對較高的煤系半石墨。

圖4 魯塘礦區煤系石墨成礦分布模式Fig.4 The distribution model of coal-based graphite in Lutang mining area

4 結論

a.在區域構造背景下，魯塘礦區呈現出以NNE向為主的向斜構造，并具有分區分帶性特征，依據巖漿熱接觸變質程度和構造復雜程度，將礦區分為東西向的3 個條帶和南北向的3 個分區，自西向東，巖漿熱接觸變質程度逐漸升高，構造變形強度逐漸增強，由南向北，構造情況逐漸復雜，礦層變形強度逐漸增強。

b.由X 射線衍射和激光拉曼光譜實驗結果可知，自西向東，受巖漿熱作用的影響，煤的石墨化程度逐漸升高；自南向北，煤的石墨化程度逐漸升高，碳層間距逐漸減小，結構缺陷逐漸消亡，發育較好的有序的石墨結構。

c.煤系石墨的形成和賦存并不只受巖漿熱作用的影響，構造為煤系石墨提供有利的成礦條件。構造復雜的北部分區，構造變形較強，形成的封閉式環境有利于煤系石墨形成；南部分區內主體構造相對簡單，形成以開放式環境為主，僅僅在靠近巖體附近形成煤系半石墨；中部分區內構造情況復雜，煤的石墨化程度差異性較大，從無煙煤到煤系石墨均有分布。