湖南省煤系石墨成矿规律与找矿方向探讨

2020-04-16莫佳峰赵训林朱文卿李焕同

煤田地质与勘探 2020年1期

莫佳峰，赵训林，朱文卿，李焕同

(1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南长沙 410014；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054)

2014—2016 年初，新疆、黑龙江、四川、湖北、江西等省(自治区)相继发现大、中型石墨资源。黑龙江、内蒙古石墨资源占全国晶质石墨矿储量的66%，内蒙古、湖南石墨资源占全国隐晶质石墨矿储量的67%，其中湖南省占到27%[1]，排在全国第二。湖南的隐晶质石墨都是煤系石墨，其保有资源量是20 世纪80 年代查明的[2-7]，至今多年未见新的资源报道。安江华等[8]对骑田岭、天龙山周边地区，横向距岩体1 326 m 范围内，深度2 000 m 以浅资源量进行预测，推测骑田岭西部、鲁塘石墨矿区北部为湖南省石墨矿的勘查区，但是其认识仅依托于引用的数据，存在较大的局限性。关于煤系石墨成矿规律，前人也开展了大量的研究工作，并取得了相应的认识。谢有赞等[9]、李焕同等[10-11]、张浩等[12]对天龙山岩体周边的石墨矿微观特征开展了大量的研究工作。杨雄庭等[13]研究指出，岩体呈“蘑菇菌盖”的不断扩大，形成推覆断层倾角由平缓而变陡，深部有利于煤系保存。莫佳峰等[14]研究指出，煤层距岩体边界1 000 m 范围内才是寻找石墨的远景区。何艳林等[15]、周旭林等[16]相继研究表明，寒婆坳矿区南部石巷里—井门山一带距离岩体近，地表煤系出露较好，延伸范围广，岩石蚀变强，以往有民采现象，认为该区具有寻找大型隐晶质石墨矿的潜力。R.E.Franklin[17]通过实验研究指出，只有原始碳结构呈现初步定向性时石墨化作用才会进一步进行；R.M.Bustin 等[18]的实验表明，煤的变质程度越高，变质成石墨的过程中需要的温度越低；K.R.Wilks等[19]的实验预示高煤级煤相比低煤级煤更易石墨化，而烟煤在发生石墨化作用之前需要先变质成无烟煤；王路等[20]针对煤、半石墨与石墨的对比实验发现，显微组分孔隙边缘、胞腔结构边缘似乎更容易发生石墨化，提出煤向石墨演化呈阶段性和差异性的演化特征。矿化剂有助于煤石墨化已经是不争的事实。I.Mochida 等[21]用铬、锰和钼的氧化物，E.Fitzer 等[22]用少量硫，M.I.Inagaki[23]采用CaCO3、Ca(OH)2、CaO，发现碳酸钙催化所需的温度要比钙的氧化物高；D.González 等[24]认为伊利石、铁白云石、菱铁矿要比高岭石的催化效果好；张晓欠[25]认为硼酸比FeCl3催化效果好。

基于前人在煤系石墨成矿规律的认识，笔者在收集现有地质资料的基础上，借鉴国内外的煤系石墨矿床的赋存特点，结合湖南省石墨资源的分布特点和开发现状，采用地质调查、生产井调查、采样化验等手段，深入分析骑田岭、天龙山2 个花岗岩体周边现有矿区的矿体地质特征，探讨煤系石墨的成因类型和控矿因素，进而提出煤系石墨赋存模式与找矿方向。

1 湖南省煤系石墨概况

湖南省煤系石墨的开发仍处在成长阶段，但资源相对集中，全省保有资源储量953 万t，全部分布于骑田岭、天龙山岩体周边，其中，骑田岭岩体周围煤系石墨保有量885.7 万t，占全省93%(图1)，其他地区未发现中型以上资源量。主要矿产地为湘南郴州市骑田岭花岗岩体西侧的鲁塘矿区、荷叶矿区，南侧的梅田矿区、白腊水矿区(图2a)，及湘中娄底市天龙山花岗岩体东侧的寒婆坳矿区。

图1 湖南省主要煤系石墨地质简图Fig.1 Geological sketch of coal-based graphite in Hunan Province

1.1 石墨类型与煤系石墨

石墨的变质类型包括区域变质型、接触变质型和岩浆热液型。煤系石墨变质类型主要为接触变质型。

煤系石墨主要产于石炭–二叠纪含煤岩系中，也包括极少量前寒武纪石煤中，是煤与岩浆岩接触变质而成，主要受煤的沉积厚度、层数，岩浆岩侵位控制，当矿层走向平行于岩体边界时，矿体保存条件最好。品位较高，固定碳质量分数一般为60%～80%，最高可达95%以上。石墨依据其晶体形态可分为晶质石墨和隐晶质石墨，世界生产的隐晶质石墨大部分来自这类矿床[26]。

我国此类矿床中，岩体一般为酸性或中酸性花岗岩、闪长岩，岩体常沿背斜轴部或倾伏端等构造有利部位侵入。接触变质晕宽一般可达2～3 km，含煤岩系变质程度一般为绿片岩相或角闪岩相，煤层的煤级达无烟煤以上，矿床规模以中、小型为主。

1.2 成矿地质背景

湖南省的主要含煤岩系大致以雪峰山隆起带为界分布在湘中、湘东、湘南。现已发现石墨的地区分属涟邵煤田、郴耒煤田。涟邵煤田位于华南褶皱系、长邵断坳的中部和西部，自北而南多以纺锤形较为连续的线形褶皱及断块形的含煤向斜组成，为向西突出的弧形，总体呈NE—NNE 向展布。包括北段的涟源凹陷和南部的邵阳凹陷，越城岭–牛头寨–关帝庙华夏系构造带又将南部的邵阳凹陷和郴耒煤田分开。涟邵煤田广泛沉积了早石炭世的含煤岩系，含煤地层以石炭系下统测水组为主，二叠系龙潭组次之，少量下侏罗统。煤系石墨主要分布于涟邵煤田中部印支期天龙山花岗岩体东侧的测水组中。

郴耒煤田位于华南加里东褶皱带的攸兰断坳中，主要受长寿街–双牌断裂带及茶陵–临武断裂带的控制。构造线方向多呈SN 向，在北部偏向NNE向。向斜宽缓，背斜较紧密，呈隔档式构造。二叠系龙潭组为主要含煤岩系，石炭系测水组、上三叠统—下侏罗统的煤层仅零星可采。煤系石墨主要分布于郴耒煤田东南部燕山期骑田岭花岗岩体西部和南部龙潭组中。

1.3 煤系石墨分布特征与资源

骑田岭岩体周围的煤系石墨勘查程度较高，当地对煤系石墨的认识程度也较高，能认定为石墨的矿区基本有生产矿井。现存4 个矿区，保有资源储量分别为鲁塘矿区788.7 万t、荷叶矿区82.7 万t、梅田矿区9.3 万t、白腊水矿区5.0 万t(图2a)。天龙山岩体周围的勘查程度相对较低，寒婆坳矿区保有资源储量67.3 万t，原有三尖石船石墨矿正在生产，位于天龙山岩体东部最突出端，岩体从矿区中部穿过，资源面临枯竭。该矿北部1 km 做过物探勘查，显示煤系被侵入岩体破坏，但北部1 km 之外有煤矿生产，煤系与地表岩体边界相距约1 km，虽有煤矿开采，但未做过勘查，矿种也有待进一步核实；该矿南部约有3 km 煤系与岩体接触，可进一步调查。

图2 骑田岭岩体周边煤系石墨地质简图及代表性剖面Fig.2 Geological sketch and representative section of coal-based graphite around Qitianling granite

2 典型矿区赋矿特征

煤系石墨矿床是湖南正在生产石墨的唯一类型，因此，先从位于骑田岭岩体的鲁塘、荷叶典型矿区开展研究，再延伸至天龙山岩体周围。

现行的勘查规范中，关于石墨的定义未有明确的定量指标作为划分依据。本文对采集的矿样送具有国家认证认可的郴州市产商品质量监督检验所检验，X 射线衍射(XRD)可进行煤与石墨的区分[27-30]。

2.1 骑田岭岩体周边矿区

2.1.1 鲁塘、荷叶矿区

鲁塘矿区与荷叶矿区接壤，位于骑田岭花岗岩体西侧，煤系石墨由二叠系龙潭组煤层变质而成，原普查报告中龙潭组被命名为“乐平组”[2]。骑田岭花岗岩体最早形成于印支期，之后燕山期花岗岩进一步侵入，煤系石墨逐渐形成。该区域石墨资源全部由南方石墨有限公司开采。按含矿性、岩性将二叠纪地层分为上、中、下3 段。其中，下段不含矿；上段按岩性特征及含矿性自下而上划分4 个沉积旋回，主要含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4 个矿层(图2c)，为区内含矿层位。

研究区同一矿层中既有煤又有石墨(即同层异矿)，大体而言，煤层分布于鲁塘–沙田复式向斜西翼，石墨矿层分布于东翼，特别指出的是鲁塘–沙田复式向斜东翼并非全部是石墨矿层，在远离岩体的北部部分地段仍然是煤层，Ⅰ石墨矿组在12 线以北被风化剥蚀(图3)，Ⅱ3、Ⅲ3石墨矿层在矿区内仅零星分布，Ⅳ2石墨矿层主要分布在矿区8 线以北地段，Ⅳ3石墨矿层全区均有分布，但发育最好的是0—20 线间(图3)。区内可采矿层为Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅲ3、Ⅳ2、Ⅳ3等5 层(图2)。因此，Ⅳ3矿层石墨化界线最具代表性。

图3 鲁塘、荷叶矿区Ⅳ3 矿层底板等高线水平投影及石墨化界线Fig.3 Horizontal projection of floor contours and graphitization boundary of Ⅳ3graphite deposit in Lutang and Heye mining areas

从剖面图可以看出，石墨化界线大致平行于岩体边界线(图2b、图2c)。有报道指出，相距岩体边界线350～900 m 以内均变质为石墨矿[2,5,31]，在8—16线最宽者达1 326 m 的石墨矿带(图3)。从平面上看石墨化存在明显的差异性，在1 326 m 的热变质影响范围内，15 线以南煤层没有石墨化，3 线以北煤层石墨化了。可能是因为15 线以南的花岗岩体在整个骑田岭岩体向西膨胀挤压时，先造成一条近SN向的张性断裂带，而后岩体再充填，此时中心岩体不再向外膨胀挤压，该处的压力不足以使煤层变质为石墨，因此该处没有形成石墨。3 线以北煤层发生石墨化，则表明这一区段位于岩体的主要挤压带上，应力最大，0 线至18 线离膨胀中心最近，受力最大，能石墨化的范围也最大。其他地段受力小，能石墨化的范围也较小。另一方面，当褶皱增多时，会造成应力的散失，褶皱越多，散失的越快，20 线的石墨化范围明显小于18 线。

在矿区最北部120 线附近的太竹石墨矿采取Ⅲ3、Ⅳ2、Ⅳ3矿层各1 个样品，化验结果显示石墨化度、固定碳含量及水分含量均较高(表1)。水分含量高可能与样品取自生产矿井，其采掘、运输等过程暴露在富水条件下时间较长相关。化验分析结果与原勘查报告基本一致。

表1 鲁塘矿区太竹石墨矿样品化验结果Table 1 Test results of samples from Taizhu graphite ore in Lutang mining area

2.1.2 梅田矿区

梅田矿区位于骑田岭岩体西南，花岗岩体从东、北、西3 面包围煤系，由北向南分布2 个石墨矿井：滴水带石墨矿和小湾联办煤矿(图2a)。构造形态为褶皱，以背斜、向斜为主，呈“M”形，小褶曲较发育，两侧岩体与煤系呈断层接触关系(图2d)。受3侧岩体挤压，煤系倾角较陡，普遍大于60°，由于次级褶皱发育，造成矿层埋藏浅。

在滴水带石墨矿发育2 层可采矿层，各采样1组，位于450 m 水平、410 m 水平。测试结果为：石墨化度分别为89.3%、96.5%，固定碳含量分别为88.51%、83.24%，表明这两个样都是石墨。

小湾联办煤矿北界至北部花岗岩体的三角地带，其最远直线距离约800 m，东西宽约1 200 m，考虑煤层稳定性、构造复杂程度、岩体边界的变化，勘查风险较高。小湾联办煤矿南部为煤矿，煤层距离岩体直线超过约1 300 m，煤层主要构造形态为复式背斜，造成应力散失，不利于煤层变质为石墨。

2.2 天龙山岩体寒婆坳矿区

石炭系测水组是寒婆坳矿区的含(石墨矿)煤地层，分布于天龙山花岗岩体东侧，大致呈一向斜，发育2 个矿层(图4a、图4b)。近地表处岩体边界较陡，有利于煤层的保存，但是深部岩体边界产状有待进一步查明。

寒婆坳向斜西翼由北向南矿井依次为：稠木煤矿、胜利煤矿、稗冲煤矿、石巷里煤矿、石船石墨矿。在保证各矿井每矿层都有样品化验的前提下，随机在各矿井下采取了12 组样品，在石巷里煤矿以南的石船石墨矿采样1 组。将13 组样送实验室化验。采样方法为刻槽法。

图4 天龙山岩体周边煤系石墨地质简图及代表性剖面Fig.4 Geological sketch and representative section of coal-based graphite around Tianlongshan granite

稠木煤矿在岩体边界1.5 km 之外，该矿井中的3 组样品未见石墨化特征；胜利煤矿在岩体边界1.2 km之内，向南稗冲煤矿、石巷里煤矿、石船石墨矿逐渐与岩体接近，采于这些矿井的10 组矿层样有明显石墨化特征，均为隐晶质石墨矿。3 号矿层固定碳质量分数为63.67%～83.73%，平均品位为75.86%(表2)，品位变化系数为12.49%。5 号矿层固定碳质量分数83.50%～92.76%，平均品位为86.27%，品位变化系数为5.04%。大体上越接近岩体石墨化程度越高，深部样品石墨化程度高于浅部。

地质调查发现，天龙山花岗岩的侵位有如下特点：地表花岗岩体与围岩的接触层位不一；石巷里煤矿井下未见花岗岩体侵入煤层(石墨)中，石船石墨矿中有岩体侵入，石船石墨矿以南煤系被岩体吞蚀了大半，南部有老窑开采的迹象，但煤层发育不佳，厚度往往小于0.5 m；花岗岩岩体边界产状基本稳定，向东倾斜，倾角约65°。结合化验结果，从胜利煤矿北400 m 至石巷里煤矿南500 m，长约2.9 km，深度上从±0 m 水平(500 m 以深)未进行勘查，该区域具有大型石墨矿床潜力，是今后找矿方向。

表2 天龙山花岗岩体东侧样品化验结果Table 2 Test results of samples from the east side of Tianlongshan granite

3 煤系石墨赋存控制因素探讨与赋存模式

本文采取的18 个样品均进行导电性测试，测试结果显示样品均导电。其中，石墨化度大于55%样品有15 个，距离岩体均小于1 000 m，然而骑田岭岩体边界500 m 范围内同样存在未石墨化但导电的煤层，这表明煤层石墨化是多种要素共同作用的结果，除了与岩体的距离之外，可能还跟岩体的大小、侵入期次、作用时间，构造规模、作用方式、作用时间及煤层变质程度等因素相关，总体上分为外因即岩体和构造应力与内因(煤层自身性质)。

3.1 外因

3.1.1 岩体大小、侵入期次、作用时间、矿层与岩体边界距离

前人已研究得出岩体侵入对煤成石墨的主导作用[1-5]。岩体侵入时，受岩体挤压，煤层的流变作用明显，导致煤层的尖灭，不同岩体周围保存距离不同。

天龙山地区的石墨层倾角大于70°，位于向斜西翼，呈近直立或倒转。天龙山岩体地表出露约30.7 km2，上小下大，岩体边界倾角约65°，矿层与岩体边界小角度相交，交角约15°，相距大于35 m 就能保存。

鲁塘地区石墨矿层倾角34°～65°，位于复式向斜东翼。骑田岭岩体地表出露约502.1 km2，上小下大，岩体边界倾角约60°，矿层与岩体边界交角约40°，距岩体大于100 m 才能保存。变质差异大，有的距岩体356 m 就发现了无烟煤，最远的1 326 m 也发现了石墨矿。

骑田岭岩体西南的梅田矿区，岩体兜底，从3 面将富炭岩层包围在中间，矿层呈复式背斜，长轴南北向，底部岩体边界与矿层相距0～400 m，背斜轴距东西两侧岩体边界均小于1 000 m，此范围内全部石墨化；而其南部随着岩体边界距离矿体间距的加大、加深未变质为石墨。

岩体的大小变化很大，从30～502 km2，30 km2的天龙山岩体与502 km2骑田岭岩体均能形成煤系石墨，煤层石墨化的范围与岩体的大小无递增关系。

岩体的侵入为印支期、燕山期，都是花岗岩体，各期次岩体周边都造成煤层变质，甚至石墨化。可能是每一期次的岩体都有多次侵入，有足够的作用时间。因此，侵入期次也不是影响煤层石墨化的直接要素。

3.1.2 构造规模、作用方式、作用时间

岩体从褶皱的两翼侵入比从褶皱的扬起或倾伏端更容易造成煤层的石墨化，如位于褶皱两翼的鲁塘、寒婆坳石墨化明显，而骑田岭岩体南部的灯盏窝煤矿未完全石墨化。

压性断裂带比张性断裂带更容易造成煤层石墨化，如骑田岭岩体西南的荷叶矿区，岩体侵入一张性断裂带中，其西侧的煤层及距岩体356 m 范围也未完全石墨化。

构造对石墨化作用不可忽视，其作用有3 个方面[32-24]：导热辅助成矿、应力主导成矿和同期或后期改造。

3.2 内因

3.2.1 煤变质程度

前人实验成果表明，煤的变质程度越高越容易石墨化。我国区域变质作用形成的晶质石墨矿赋存于寒武系及其之前的地层，变质相往往达到绿片岩相下界—麻粒岩相，虽然并非煤系石墨，但同样佐证变质程度的重要作用。

3.2.2 煤的成分、粒度

显微组分孔隙边缘、胞腔结构边缘似乎更容易发生石墨化[20]，粒度越小越有利于煤的石墨化[25]，惰质组比镜质组更易石墨化[25]，煤中含有锰、铁、钙、硼的化合物时更易石墨化[21-25]。

3.3 赋存模式

从湖南省煤系石墨的赋存形态、形成原因和形成的石墨带宽度，可以总结出3 种赋存模式：兜底式、向斜式、背斜式。

3.3.1 兜底式

石墨带至少经历了两次不同方位的挤压抬升，造成煤系被岩体包围，这种包围可以是完全的，也可以是不完全包围，如骑田岭花岗岩西南部的金江镇，花岗岩位从东、北、西三面将滴水带石墨矿、小湾联办煤(石墨)矿半包围(图2d)。岩体边界在底部距矿层底部最远距离约400 m，地表两侧相对的岩体边界最远距离可达2 000 m，此时岩浆高温在煤层变质为石墨的过程中起决定性作用，可不考虑主应力的方向(图5a)。

图5 煤系石墨赋存模式Fig.5 Mode of occurrence of graphite in coal measures

3.3.2 向斜式

当岩体从煤系一侧侵入时，接触变质带石墨化的范围较窄，据荷叶矿区骑田岭I—I'剖面显示，石墨化带可达1 000 m 以上，石墨化范围大致平行岩体边界线(图2b)，应考虑主应力的催化作用。主应力从含煤向斜的一翼向另一翼挤压，最理想的样式是煤层的产状与岩体边界的产状基本一致，因向斜轴部应力集中造成煤层流变，石墨带与无烟煤带的界线大都集中在向斜轴部附近略偏向岩体外侧，石墨化带应考虑主应力与岩体的共同作用(图5b)。

3.3.3 背斜式

与向斜式石墨化受力原理相同，不同的是煤层倾向与岩体边界倾向相反，骑田岭Ⅱ—Ⅱ′剖面(图2c)显示，石墨化带可达1 000 m 以上，石墨化范围大致平行岩体边界线，背斜造成煤层远离岩体，应力衰减较快，因此，这种情况下，石墨带与无烟煤带的界线大都偏向于岩体边界附近。接近岩体一侧的煤层倾角越陡，石墨化范围越大，最理想的形态是煤层发生倒转，煤层倾向与岩体边界倾向相同，石墨化带应考虑主应力与岩体的共同作用(图5c)。