蘇北雙湖晶質石墨礦找礦預測模型

張洋洋, 姚維軍, 劉峰, 石林, 潘剛, 許生武

(江蘇省地質勘查技術院, 南京 210049)

石墨是軍工和現代工業發展不可或缺的重要戰略資源,自石墨烯被發現以來,因其優異的導電、導熱性能及質量輕等優點,在高新科技領域中新型復合材料、新能源、航天等領域有十分廣闊的前景,已成為戰略新興材料[1-3]。中國石墨礦產資源豐富,分布廣泛,礦床種類齊全,以區域變質型晶質石墨礦床為主。目前已發現的晶質石墨礦床主要產于較穩定條件下的克拉通周緣,如黑龍江雞西、遼寧寬甸、山東南墅等地[4-8],而產于蘇魯造山帶超高壓變質帶的晶質石墨礦床鮮有報道。2016—2018年,江蘇地勘單位在東海縣雙湖地區的晶質石墨礦勘查工作取得了重大突破,也是江蘇省在該領域的新突破。劉峰等[9]對雙湖石墨礦的礦床特征、礦石類型進行了闡述,并對其找礦潛力進行了初步探討。羅傳根等[10]、張洋洋等[11]對該礦床的激電異常特征進行了闡述,證實了激電測量在本區尋找石墨礦的有效性。但仍有較多問題沒有解決,如礦床控礦因素、成礦規律、找礦模型等仍需開展進一步研究[12]。

在找礦預測及找礦模型研究方面,李海峰等[12]從金場子礦床的關鍵控礦因素入手,對其成礦規律及找礦方向進行探討,有很好的借鑒作用。趙海超等[13]從礦床綜合信息和成礦模式中總結出夏日哈木巖漿熔離-貫入型銅-鎳-鈷硫化物礦床的區域找礦標志,并以此為基礎建立地物化綜合找礦模型,并進行了成礦潛力評價。可見,研究找礦模型對開展找礦預測工作意義重大。

蘇北超高壓變質帶多為第四系所淺覆蓋,找礦難度較大,仍有較多石墨礦點尚未開展勘查工作。雙湖石墨礦在蘇魯造山帶內較具典型性,在本區多年工作研究基礎上,現以地質礦產、地球物理、地球化學綜合研究為基礎,結合前人研究成果,總結區內地物化綜合特征,初步研究礦床成因,在此基礎上構建綜合找礦預測模型,為下一步蘇魯造山帶(江蘇段)尋找晶質石墨礦提供有效的理論指導及新的啟示。

1 區域地質背景

蘇北超高壓變質帶以廣泛發育超高壓變質巖為特征[14-15](圖1),研究區則位于其西南緣。帶內混合巖化黑云鉀長片麻巖、含黑云母二長片麻巖、含黃鐵礦石榴石二長片麻巖、黑云角閃二長片麻巖、含霓輝石角閃石二長片麻巖等花崗質片麻巖分布面積約占70%[14],東海雜巖(也稱表殼巖)由于經歷了復雜的變形變質、構造、巖漿作用,以無序的透鏡狀、似層狀夾于花崗質片麻巖中[15-16]。帶內分布有金紅石、鐵及石榴子石、藍晶石、蛭石、石墨等多種金屬、非金屬變質礦產,其中,石墨礦化與東海雜巖斜長角閃巖大理巖組有關,該巖組多呈北東—南西向斷續產出于二長片麻巖和鉀長片麻巖之中[15],主要由透輝石大理巖、石英巖、黑云斜長片麻巖(或變粒巖)組成,局部夾含石墨大理巖、榴輝巖、斜長角閃巖。

圖1 蘇北超高壓變質帶地質簡圖[15]

2 雙湖晶質石墨礦床地物綜合特征

2.1 含礦巖系特征

東海雜巖斜長角閃巖大理巖組為雙湖礦區石墨礦(化)體的賦存層位,近南北向,向西陡傾,呈似層狀夾于鉀長片麻巖中。據礦區ZK01孔揭露,該巖組整體顯示為大理巖與變粒巖頻繁互層,自下而上共發育5個含礦層(圖2),各含礦層下部為變粒巖,上部為大理巖,局部夾薄層石英巖,總體顯示為大理巖-(石英巖)-變粒巖巖性組合。

圖2 雙湖礦區ZK01孔斜長角閃巖-大理巖組柱狀圖[9]

變粒巖主要為二長變粒巖,灰色、淺肉紅色,細粒粒狀變晶結構、碎裂結構,弱片麻狀構造、塊狀構造。礦物成分由斜長石(30%～40%)、鉀長石(30%～40%)、石英(20%～30%)、黑云母(0～5%)、黃鐵礦(0～5%)組成,局部含少量角閃石、透輝石、陽起石、石榴子石等。斜長石、石英、黑云母多以細粒化變晶集合體狀產出。黃鐵礦呈半自形粒狀,粒徑以0.05～0.45 mm為主。

大理巖包括不純大理巖和較純凈大理巖。不純大理巖位于上部3個含礦層,主要為白云質大理巖,灰白色、灰色、淡綠色,礦物成分主要為白云石(40%～70%)、方解石(10%～40%),普遍含有金云母、透輝石、橄欖石等一種或多種富鎂硅酸鹽礦物,含量一般在10%～30%,局部含石墨。間夾薄層石英巖。細、中粒狀變晶結構為主,厚層狀-塊狀構造,局部條帶狀構造。

較純凈大理巖位于下部兩個含礦層,主要為白云石大理巖,主要礦物成分為白云石,以不含或少含富鎂硅酸鹽礦物為特征,含量一般在0～5%,局部含石墨。中、粗粒狀變晶結構,塊狀構造。

2.2 礦體特征

區內已圈定晶質石墨礦體4條(圖3),分別為G1、G2、G3、G4,其中G3、G4為主礦體(G3礦體分為兩支,即G3-1、G3-2),G1、G2為隱伏礦體。石墨礦體呈似層狀、透鏡狀賦存于斜長角閃巖大理巖組,產狀受地層控制明顯,呈順層狀產出。礦體走向與山脊方向基本一致,近南北向,平面形態呈舒緩波狀略呈“S”形,走向延長300～670 m。向西陡傾,傾角55°～75°,沿傾向延深145～295 m。固定碳含量2.50%～10.33%,平均4.34%。

圖3 雙湖礦區0線地質剖面圖

2.3 礦石特征

區內石墨礦石主要為石英巖型石墨礦石、大理巖型石墨礦石。石英巖型石墨礦石[圖4(a)]規模較小,多見于地表。礦石呈顯微-細粒鱗片狀變晶結構、片麻狀構造,糜棱巖化強烈,礦物顆粒細粒化,多形成絹云母集合體條帶[圖4(c)],而石墨礦物多與絹云母集合體交織在一起形成條帶狀分布[圖4(d)]。大理巖型石墨礦石[圖4(b)]為本區主要的礦石類型,礦石呈細粒-中粗粒(鱗片)柱狀變晶結構、塊狀構造,固定碳含量2.5%～6%。石墨為鱗片狀、葉片狀,主要呈稀疏浸染狀星散分布[圖4(e)],部分與金云母交織在一起形成條帶狀構造[圖4(f)]。石墨片徑一般為0.08～0.3 mm。

圖4 石墨礦石照片

礦石主要有用組分為固定碳,石英巖型石墨礦石固定碳含量明顯高于大理巖型(表1)。其中石英巖型石墨礦石以富SiO2、Al2O3,較多的Fe2O3、K2O,貧CaO、MgO為特征,伴生組分為V2O5;大理巖型石墨礦石以富MgO、CaO、CO2,貧Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、V2O5為特征。礦石中固定碳呈晶質石墨存在,SiO2主要在石英及富鎂硅酸鹽礦物中存在,Al2O3主要在金云母、絹云母中存在,Fe主要在黃鐵礦、褐鐵礦中存在,S主要在黃鐵礦、閃鋅礦中存在。

表1 石墨礦石化學特征表

2.4 激電異常特征

前期預查電性參數測定結果顯示,石英巖型石墨礦石極化率、電阻率常見值分別為23.59%、241 Ω·m,大理巖型石墨礦石極化率、電阻率常見值分別為10.55%、471 Ω·m,其他巖石極化率、電阻率常見值分別在1.87%～4.23%、 732～3 080 Ω·m,可見,石墨礦石低阻高極化特征明顯[11]。

1∶10 000激電中梯測量圈定5處激電異常,其中JD-1異常與雙湖石墨礦床位置吻合。該異常長、寬分別為1 100 m和200 m,視充電率極大值在7%以上,相應視電阻率為1 000 Ω·m以下,顯示低阻高極化特征。針對該異常開展的激電測深、鉆探驗證、激電測井工作均顯示其深部低阻高極化異常與諸多石墨礦化體位置基本吻合[10-11]。

2.5 賦礦地層固定碳特征

石墨固定碳檢測是石墨礦基本的分析項目,其含量的高低是判斷石墨優劣的重要因素,用來作為石墨礦含量的工業指標。礦區巖礦石的固定碳含量由東北煤田地質局沈陽測試研究中心通過非水滴定容量法進行測試。

通過對ZK01孔中斜長角閃巖大理巖組較連續固定碳測試(圖2)發現,變粒巖的含礦性較差,固定碳平均含量為0.39%～0.61%。石墨礦化主要與大理巖有關,大理巖固定碳平均含量在1.18%～4.65%,各含礦層大理巖的上部為石墨礦化主要發育部位,固定碳含量多在2.5%(工業品位)以上。固定碳最高值從下到上呈遞增趨勢(2.5%～4.65%),礦化強度也呈遞增趨勢,說明不純大理巖的含礦性要好于較純凈大理巖;另外礦(化)體厚度則隨大理巖發育厚度的增加而增加,以下部第二含礦層大理巖層最發育(38.28 m),見礦厚度最大(7.7 m)。

3 成礦模式

雙湖礦區石墨含礦層位于東海巖群斜長角閃巖大理巖組中,巖石組合為大理巖-變粒巖-石英巖,其中大理巖既是含礦母巖,又是賦礦圍巖,石墨礦(化)體的產狀、規模、形態均受大理巖控制。各層大理巖的上部為石墨礦化主要發育部位,往往可見工業石墨礦體。蘇北超高壓變質帶目前已發現的石墨礦點均分布在該巖組中,主要為大理巖,原巖為一套濱海—淺海相碳酸鹽沉積+硅質巖沉積組合,石墨礦化與大理巖密切相關,均產在大理巖內或附近。

礦區含礦建造系多期變質作用形成,普遍經歷了一期角閃巖相變質作用,大理巖中礦物組合主要為白云石+金云母+透輝石+石墨,變粒巖中主要為鉀長石+斜長石+石英+黑云母+角閃石組合;局部保留了早期高P/T榴輝巖相變質作用,大理巖中可見方解石+白云石+橄欖石+石榴子石組合;后期普遍疊加了綠片巖相變質作用,普遍可見綠泥石、蛇紋石、絹云母等新生礦物。早期經歷的中深程度的區域變質作用,使含礦地層中的炭質變質結晶形成晶型較好的晶質石墨。

總之,研究區在新太古代—古元古代處于華北板塊南緣,在陸緣濱海-淺海沉積區形成了一套陸源碎屑-(含有機質)碳酸鹽巖的沉積旋回[6],后期經歷了中高級變質作用,同步伴隨區域動熱變質作用,使巖石中的有機質變成了鱗片晶質石墨[17](圖5)。所以區內石墨礦為區域沉積變質型礦床。

圖5 成礦模式圖[17]

4 找礦預測模型

研究區地處蘇魯造山帶超高壓變質帶,石墨礦賦存于東海巖群斜長角閃巖大理巖組,含礦巖石組合為大理巖-變粒巖-石英巖,三者呈互層或夾層交互出現,礦體與圍巖同斜產出,受地層控制明顯。新太古代—古元古代本區處于大陸裂谷構造環境,沉積了一套富含有機質的碳酸鹽巖-硅質巖-碎屑巖建造,后期經過中深區域變質作用形成了一套含石墨建造。

根據雙湖石墨礦區勘查實踐經驗,對找礦勘查的地質物探方法進行優選和組合,總結的綜合勘查流程和找礦預測模型如下。

(1)優選找礦靶區。首先在古老的變質巖發育區收集或開展中大比例尺地質調查,選擇有石墨礦化或石墨建造的區域作為找礦靶區。

(2)圈定激電異常。在選擇找礦靶區內進行大比例尺激電中梯測量,圈定激電異常,查明異常的走向、規模、強度等特征。

(3)異常查證與評價。通過槽探對異常進行淺部揭露,初步查明礦(化)體的前部特征;對礦致異常擇優開展激電測深評價工作,查明異常的深部特征,并了解礦化體的深部延伸情況。

(4)深部成礦信息驗證。以激電測深異常為基礎,布設鉆探工程開展深部驗證并圈定礦體,查明含礦建造及礦化體的深部賦存狀態。

綜合上述礦床控礦因素、找礦標志、找礦流程等分析,建立找礦模型為:地質-地球物理模型(圖6)。即在東海巖群斜長角閃巖大理巖組的大理巖段(含礦建造為大理巖-石英巖-變粒巖建造)分布區域采用激電測量,確定找礦遠景區域。隨后通過探礦工程進行揭露驗證,并圈定礦體。

圖6 找礦預測模型

5 應用效果

根據上述找礦模型分析,黑豆澗地區成礦條件與雙湖石墨礦床類似。其位于雙湖石墨礦床北北東走向6 km處,出露地層為東海巖群斜長角閃巖大理巖組,大理巖斷續出露達2 km,局部可見石墨礦化。通過開展大比例尺地質路線調查、激電中梯測量,圈定中低阻高極化異常1處。異常北北東向呈條帶狀延伸約1.2 km,極化率極值約9%。通過開展激電測深評價及鉆探深部驗證工作發現晶質石墨礦體2條,厚度2～5 m,固定碳品位2.5%～7%。由此,證明該找礦模型用于指導周邊區域尋找石墨礦行之有效。

6 結論

(1)雙湖石墨礦體賦存于東海巖群斜長角閃巖大理巖組,為大理巖-變粒巖-石英巖組合。含礦巖系變質級別達角閃巖相,原巖為一套陸源碎屑-(含有機質)碳酸鹽巖組合,顯示溫暖氣候帶濱淺海相沉積環境,礦床成因類型為區域沉積變質型。

(2)區內石墨礦化主要與大理巖密切相關,且含礦層與低阻高極化異常吻合,找礦標志明顯。

(3)構建的石墨礦找礦預測模型,其關鍵是找礦勘查區有無含石墨建造及激電異常,模型對蘇魯造山帶其他石墨礦點找礦具有一定的指示作用。