湖北廣水—紅安一帶晶質石墨成礦地質特征及成因探討

王書春，王 翔

(中國建筑材料工業地質勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430034)

晶質石墨為我國戰略性非金屬礦產之一，在新興產業主要用于新一代信息技術、新能源及高端制造領域等，對支撐戰略性新興產業發展及制造強國的實現具有重要的作用[1]。廣水—紅安一帶地處大別山地區，為湖北省晶質石墨分布區之一[2]，該地區先后開展了廣水市蘆花灣石墨礦普查、大別山西段晶質石墨礦資源調查評價工作，共發現蘆花灣、七角山等6處晶質石墨礦床(點)，規模較小，目前均未開發利用。本文對該地區已發現晶質石墨礦床(點)的成礦地質特征、地球物理特征進行總結，探討了礦床成因，為后期在該地區開展找礦工作提供參考。

1 成礦地質背景

廣水—紅安一帶大地構造位置處于高橋—浠水斷裂西部，一、二、三級構造單元分別為秦嶺—大別造山帶、桐柏—大別構造帶及桐柏構造亞帶[3]，成礦區帶位于桐柏—大別石墨成礦帶[4]。區域上地層出露從老至新為晚太古—早元古代桐柏山巖群(Ar3-Pt1t)，中元古代紅安巖群黃麥嶺組下段(Pt2h1)、上段(Pt2h2)，天臺山組(Pt2t)，七角山組下段(Pt2q1)、上段(Pt2q2)及第四系(Q)，主要為區域變質巖，變質相以綠片巖相、綠簾角閃巖相及低角閃巖相為主[5]。黃麥嶺組下段(Pt2h1)及七角山組下段(Pt2q1)為石墨含礦層位，其中黃麥嶺組下段主要出露于廣水北部，七角山組下段主要出露于廣水—紅安東部。區域構造較發育，變質作用強烈，主要為一系列的褶皺、斷層及韌性剪切帶。巖漿巖一般發育，主要分布于廣水北部、紅安西部(圖1)。

圖1 廣水—紅安區域地質簡圖

2 礦床地質特征

廣水—紅安一帶有兩個石墨含礦層位。一個含礦層位為中元古代紅安巖群黃麥嶺組下段(Pt2h1)，已發現有蘆花灣晶質石墨礦床及揚九沖晶質石墨礦點[6-7]；另一含礦層位為中元古代紅安巖群七角山組下段(Pt2q1)，已發現有七角山、靜居庵、陳家崗、陳家灣晶質石墨礦點[7](表1)。

2.1 蘆花灣礦床

蘆花灣礦床位于廣水北部，礦區出露地層主要為中元古代紅安巖群黃麥嶺組下段(Pt2h1)，由下而上依次分為2個亞段，其中第二亞段(Pt2h1-2)為石墨含礦巖系[6]，為一套白云鈉長片麻巖夾鈉長角閃巖、白云石大理巖建造，變質相為中壓低角閃巖相。礦區北部出露少量燕山晚期花崗斑巖脈，局部見混合巖化。礦區主體構造為桂花樹灣倒轉背斜，背斜軸向北東東，軸面向南東傾斜，南東翼地層產狀正常，北西翼地層倒轉；其次北西向斷裂較發育，斷裂傾向北東，在桂花樹灣倒轉背斜的核部見北西向斷裂被近東西向斷裂錯開。石墨礦體賦存于黃麥嶺巖組下段第二亞段(Pt2h1-2)底部，主要分布在桂花樹灣倒轉背斜轉折端及兩翼，在平面上呈北東東向凸出弧形展布，部分礦體被北西向或近東西向斷裂錯開，且礦體在其轉折端部位厚度明顯增大，向兩翼厚度逐漸變薄以至尖滅(圖2)。自上而下分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個礦層，共17個礦體，多呈層狀或透鏡體狀，傾角20～65°，沿走向延伸100～1 600m，傾向延伸50～300m，厚度一般3～10m，規模大小不等(圖2)。其中Ⅱ-5、Ⅲ-8、Ⅲ-9為主礦體，約占礦區石墨礦資源儲量的96%，其特征見表2。

表2 蘆花灣礦床主礦體特征一覽表

圖2 蘆花灣礦區地質簡圖

礦石自然類型以石墨片巖型為主，其次為含石墨二云鈉長片巖。礦石結構主要為顯微鱗片狀、鱗片狀、他形—自形粒狀結構；礦石構造主要為片狀構造，少數具稀疏浸染狀構造[6]。主要由石墨、石英、云母、鈉長石、黃鐵礦等礦物組成。固定碳含量一般在3.01%～5.94%，石墨片徑一般在0.001～0.03mm，為小鱗片晶質石墨。

2.2 七角山礦點

七角山礦點位于紅安縣西南部，礦區由東向西依次出露為中元古代紅安巖群天臺山組(Pt2t)、七角山組下段第一亞段(Pt2q1-1)、七角山組下段第二亞段(Pt2q1-2)、七角山組上段(Pt2q2)，七角山組下段第一亞段(Pt2q1-1)為石墨含礦巖系[7](圖3)，為一套白云石英片巖夾鈉長角閃巖、大理巖建造，變質相為中—高壓綠片巖相。區內巖漿巖不甚發育，僅在西北部出露少量晉寧期基性侵入巖(Pt3ν)。七角山組底部發育一韌性剪切帶，韌性剪切作用較強烈。礦體賦存于七角山組下段第一亞段(Pt2q1-1)中部，位于底部韌性剪切帶附近，共2個礦體，呈層狀分布，傾向236～245°，傾角56～60°，地表出露厚度3～6m，走向延伸1 200m，根據地球物理特征，沿傾向推測延伸大于100m。

圖3 七角山礦區地質簡圖

礦石自然類型為含石墨白云石英片巖，礦石呈黑色、灰黑色，鱗片粒狀變晶結構，片狀構造。主要由石英、白云母、石墨等礦物組成，含有少量褐鐵礦[7]。固定碳含量一般在2.5%～5.24%，石墨片徑一般在0.002～0.05mm。

3 地球物理特征

通過對區內礦體及圍巖相關的巖石電性參數測量，石墨礦體呈低電阻率和高極化的電性特征[8-9]，自然電位負異常，圍巖相對則相反，兩者之間電性參數差異顯著。在蘆花灣、七角山、靜居庵、陳家崗、揚九沖、陳家灣礦區晶質石墨礦勘查過程中分別采用了自然電場法、時間域激發極化法，并在物探異常強烈地帶采用山地工程進行異常查證，發現了石墨的礦體，取得了較好的找礦效果(表3、圖4)。

圖4 廣水—紅安一帶晶質石墨礦體及圍巖地球物理特征

表3 廣水—紅安一帶晶質石墨礦體及圍巖地球物理特征一覽表

4 成因探討

4.1 控礦因素

石墨礦賦存于中元古代紅安巖群黃麥嶺組下段(Pt2h1)或七角山組下段(Pt2q1)的片巖中，礦體呈層狀、透鏡狀，圍巖為片麻巖、片巖或大理巖，與礦體呈漸變過渡關系，其嚴格受地層控制；含礦層均為中元古代地層，區域上位于桐柏構造亞帶，構造較發育，經歷了長期的區域變質作用，礦區韌性剪切帶、褶皺較發育或附近侵入燕山晚期巖體，進一步疊加動力變質作用、接觸變質作用；石墨礦體主要分布于褶皺的核部或近核兩翼、巖體或韌性剪切帶附近。

4.2 成礦物質來源

石墨的成礦物質來源主要為原巖中碳質成分。含礦層黃麥嶺組下段(Pt2h1)主要巖性為二云鈉長片麻巖、白云鈉長片麻巖夾斜長角閃巖、變粒巖、石墨片巖、含石墨二云鈉長片巖、黑云斜長片麻巖，其底部一般發育為薄層白云質大理巖；另一含礦層七角山組下段(Pt2q1)主要巖性為白云鈉長片麻巖、含石墨白云石英片巖、白云石英片巖、白云片巖、含石榴白云鈉長片麻巖等，其下部一般發育長透鏡狀、似層狀方解石大理巖；兩個含礦層原巖均為一套富含有機質的砂泥質、粘土質、半粘土質及泥灰質富鎂碳酸鹽的陸源沉積巖，可為石墨成礦提供碳質來源[10-13]。

4.3 成礦機制

綜合分析認為本區石墨礦床成因類型為區域變質型礦床，成礦階段分為以下兩個階段。

(1)沉積成巖階段：中元古代在淺海穩定的沉積環境中，富含有機質的砂泥質、半粘土質、粘土質及泥灰質富鎂碳酸鹽形成有序的沉積，在成巖過程中有機質發生分解、遷移，使碳質成分發生相對富集，出現某些含碳成分較高的巖段[14]。

(2)區域變質作用階段：在區域變質作用下，疊加動力變質作用、接觸變質作用，使原巖中的碳質組分發生自組織和重結晶作用，并相對集中，形成晶質石墨礦。此外，本區變質相以綠片巖相、綠簾角閃巖相及低角閃巖相為主，變質程度不高是造成石墨鱗片較小的根本原因。

5 結論

(1)廣水—紅安一帶晶質石墨礦體嚴格受地層控制，含礦層為中元古代紅安巖群黃麥嶺組下段(Pt2h1)、七角山組下段(Pt2q1)，巖性主要為片麻巖、片巖及大理巖類，其原巖為一套富含有機碳的陸源沉積巖，為成礦提供物質來源。

(2)本區石墨礦床成因類型為區域變質型礦床，成礦階段劃分為沉積成巖階段、區域變質作用階段，區域變質程度不高造成本區晶質石墨鱗片較小。

(3)石墨礦體相對圍巖呈現低電阻率、高極化率及自然電位負異常的電性特征，可采用時間域激發極化法、自然電場法有效指導找礦。