冀西北坝上地区石墨矿成矿模式及找矿模型

齐新国, 王广, 付茂英, 张燕波

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，保定 071051； 2.保定理工学院，保定 071000)

0 引言

石墨矿已被列入新材料、新能源矿产，在战略新兴产业中的应用潜力巨大，越来越受到人们的关注[1]。冀西北地区是我国前寒武系分布较广的地区之一，位于我国重要的大鳞片晶质石墨成矿带上，即华北陆块北缘中段石墨成矿带中部[2]，是河北省石墨矿的重要成矿区。此外，冀西北地区是浅覆盖区，矿产地多为金属矿产，石墨矿勘查工作开展较少，对典型石墨矿床及区域成矿规律的研究程度相对较低，相关的找矿模型及矿产预测资料也较少。近年来，张家口地区石墨矿资源调查评价工作取得了较好的找矿效果，提交张北县义哈德石墨矿和康保县后大兴德石墨矿2处矿产地，晶质石墨找矿靶区6处，为进一步总结冀西北坝上地区石墨矿成矿规律及找矿预测提供了基础资料。本文通过总结冀西北坝上地区石墨矿的成矿特征，分析矿床成因并总结成矿模式，构建找矿模型，为该区下一步石墨找矿工作提供参考。

1 区域地质背景

研究区一级大地构造单元为柴达木—华北板块，二级构造单元为华北陆块，三级构造单元为华北陆块北缘隆起带[3]。研究区位于康保—围场区域断裂与尚义—赤城区域断裂交汇处，古元古界红旗营子岩群变质岩构成结晶基底，盖层主要为侏罗系陆相火山沉积建造、新近系玄武岩建造及第四系河湖相建造。区内地(岩)层经历了不同构造期次的变形改造，褶皱、断裂较发育，形成了复杂的构造格局。区内岩浆活动强烈，发育古元古代、中元古代、二叠纪及侏罗纪侵入岩(图1)。

研究区位于华北陆块北缘中段冀北隆起Pb-Zn-Ag-Mo-萤石-石墨成矿亚带上[4]。古元古界红旗营子岩群是石墨矿的含矿层，由下至上进一步划分为太平庄变粒岩夹斜长角闪岩-磁铁石英岩组合和东井子二长浅粒岩-石墨变粒岩-大理岩组合。前者分布于张北南部、崇礼北部及赤城北部，沿尚义—赤城断裂北侧分布； 后者沿康保—围场区域断裂以南康保中南部分布。

1.第四系； 2.新近系； 3.侏罗系； 4.中元古界化德群； 5.古元古界东井子岩组； 6.古元古界太平庄岩组； 7.侏罗纪侵入岩； 8.二叠纪侵入岩； 9.中元古代侵入岩； 10.古元古代侵入岩； 11.向斜； 12.倒转背斜； 13.倒转向斜； 14.断层、推测断层； 15.韧性剪切带； 16.地质界线； 17.石墨含矿带； 18.石墨矿产地

图1 研究区地质简图

Fig.1Geologicalsketchofthestudyarea

2 成矿特征

2.1 成矿带

区内石墨矿是由泥质岩、碎屑岩和碳酸盐岩建造经角闪岩相区域变质作用后形成的，与变质作用伴生的变形作用使含石墨地层褶皱及含矿层重复出现。后期岩浆活动及构造运动造成基底出露不连续，石墨矿主要呈近EW向或NE向带状分布在华北陆块北缘隆起带南部及北部。

南矿带分布于尚义—赤城断裂北侧张北—崇礼—赤城一线，含矿地层为红旗营子岩群太平庄岩组下部，主要岩石类型为变粒岩、浅粒岩和大理岩，夹片麻岩、角闪岩和石英岩等。通过开展激电中梯面积测量，在张北县大柳沟—五福堂一带发现1个呈NE向带状展布的大规模矿化区，长约6 000 m，平均宽约900 m。经钻探工程验证，提交义哈德大型石墨矿产地1处。该矿产地含矿层厚约150 m。在TC04探槽中共圈出5层矿体，平均品位3.94%； 在ZK401钻孔中见2层矿体，总厚约61.91 m，平均品位4.70%； 在ZK301钻孔中见3层矿体，总厚约66.13 m，平均品位5.57%。矿体顶板为蛇纹石化含石墨橄榄大理岩、透辉透闪大理岩和石英岩； 矿体底板为黑云(角闪)斜长变粒岩和角闪黑云斜长变粒岩。矿石类型为变粒岩型晶质鳞片状石墨，由含石墨二长浅粒岩、石墨浅粒岩和石墨变粒岩组成。矿石中石墨片度>100目者占石墨鳞片的65%。

北矿带分布于康保县中南部，西段从三百顷、郝车倌向东经兰城子、闫油坊延伸至内蒙古伊胡赛和东井子地区。该矿带含矿地层为红旗营子岩群东井子岩组，主要岩石类型为变粒岩和浅粒岩，夹大理岩透镜体。矿体呈似层状、透镜状，矿石类型为变粒岩型，主要有石墨斜长变粒岩、褐铁矿化石墨斜长变粒岩、含石墨透辉二长变粒岩和含石墨透辉钾长变粒岩。受两面井复背斜和东井子复向斜控制，含矿层褶皱重复出现，又可分为6个亚带，由南向北依次为：

(1)哈必嘎—黄花脑包亚带。分布于板申图—下白井勿素—黄花脑包一带，长约20 km，宽约1.5 km，地表被第四系覆盖。该带有多个低阻-高极化激电异常，经钻孔验证，异常多数由石墨化变质岩引起。

(2)三百顷—大兰城亚带。分布于三百顷、后大兴德、大兰城一带，长约9 700 m，平均宽约2 300 m，该带有多个低阻-高极化激电异常，地表见石墨二长变粒岩和含石墨黑云二长变粒岩。在三百顷—后大兴德一带发现5个石墨矿致异常，单个异常长1 670～2 280 m。通过探槽及钻孔对其中3个异常进行验证，见矿厚度分别为11.32 m、12.07 m和17.50 m，固定碳平均含量为2.87%～3.20%。矿石中石墨片度>100目者占石墨鳞片的68%。

(3)尹家营子—万隆店亚带。长约6 000 m，平均宽约660 m，该矿带东部已发现万隆店大型石墨矿1处。矿区含石墨地层厚50～100 m，共探明2个矿体，控制长度分别为480 m和960 m，最大延深均为860 m，矿体厚3.01～78.67 m，平均厚度分别为13.17 m和26.84 m，平均品位分别为3.47%和3.64%。矿石中石墨片度>100目者占石墨鳞片的95%。

(4)三义公司村—赵植村亚带。长约2 500 m，宽1～15 m，带内分布黑云斜长变粒岩、褐铁矿化含石墨变粒岩和浅粒岩，固定碳含量为2.00%～3.69%。

(5)郝车倌—闫油坊村亚带。长约5 800 m，宽1～36 m，带内分布角闪黑云斜长变粒岩和褐铁矿化含石墨变粒岩。该带发现2个石墨矿致异常，经探槽揭露，地表见4层褐铁矿化含石墨变粒岩，单层厚1～4 m，固定碳含量为2.84%～5.0%，最高含量为14.02%。

(6)郭油坊—陈小铺亚带。长约6 200 m，其中郭油坊村出露长约2 250 m，宽30～120 m，出露岩性为含石墨浅粒岩，局部为褐铁矿化变粒岩，目估品位≤1%。在陈小铺村北发现1个低阻-高极化异常，经ZK19-2钻孔验证，石墨含矿层厚约60 m，圈出的2个石墨矿体厚度分别为5.04 m和17.92 m，平均固定碳含量分别为4.83%和3.61%。矿石为含石墨黑云斜长变粒岩，矿石中石墨片度>100目者占石墨鳞片的75%。

2.2 含矿建造

含矿建造主要有太平庄岩组和东井子岩组。

2.3 变质变形及混合岩化

研究区主期区域变质作用主要发生于吕梁构造运动晚期(古元古代晚期)，变质含碳泥质砂岩类(含石墨石榴黑云斜长变粒岩)典型矿物组合为斜长石、石英、黑云母、石榴子石、石墨，其中石墨呈鳞片状，片径为0.1～0.5 mm。主期区域变质作用温度为530～680 ℃，压力为0.3～0.7 GPa[3]，变质相为角闪岩相，变质带为十字石变质带，属中温-中低温-中低压型角闪岩相。

研究区位于NEE向大型复式向形褶皱南翼，发育次级束带状褶皱或褶皱束。褶皱是区内主要控矿构造，复式同斜倒转褶皱造成含矿层重复出现，含矿带受褶皱控制。成矿后的断裂或造成含矿层重叠，矿体加厚，或造成矿层错移，矿体被破坏，如义哈德石墨矿即受逆冲推覆断层破坏，造成上、下盘矿体拉开距离较远，目前找到的仅是上盘矿体。

伴随吕梁晚期构造运动，该区发生了混合岩化作用，以钾长花岗质混合岩化为特征。混合岩化较强地段多位于古元古代晚期变质钾长花岗岩周围、韧性剪切带、断裂带及其附近，变质钾长花岗岩与断裂关系最密切。

2.4 激电异常

研究区不同岩(矿)石的电性差异较大。含石墨岩石(变粒岩、浅粒岩、大理岩)的视极化率一般≥6%，最高达23%，视电阻率较低，一般为20～350 Ω·m。红旗营子岩群不含石墨的变粒岩、浅粒岩、侏罗系火山沉积岩及侵入岩的视极化率一般<2%，视电阻率较高，一般为100～1 500 Ω·m。

区内大部分地段视极化率为1.0%～1.5%，且变化平缓，构成该区背景场。当视极化率为2.5%～6.0%时，指示存在多金属矿； 当视极化率≥6%时，形成强激电异常，这类异常一般规模较大，形态较规则，异常边界梯度大，其展布与含石墨地层有关。在低阻(视电阻率≤350 Ω·m)-高极化(视极化率≥6%)情况下，异常区往往与含石墨地层关系密切。

3 成矿模式

通过与黑龙江柳毛，山东南墅，内蒙古兴和、查汗木胡鲁等典型矿床进行对比[5-10]，发现在成矿地质条件及成矿作用等方面，研究区石墨矿与上述典型矿床具有相似性(表1)。目前，在华北陆块北缘中段石墨成矿带已查明石墨矿床30多个，通过区域地层对比研究[11]，将冀晋蒙接壤地带石墨矿床的赋存层位、主要成矿期及成矿作用特征列于表2。

区域变质型石墨矿主要由富有机质地层经变质作用形成[12]，可分为沉积期和变质变形期，沉积建造中的有机质含量决定了后期矿石品位的高低。古元古代早期，该区为一套在陆缘环境下形成的碎屑岩和碳酸盐岩组合，在浅海稳定的沉积环境中，泥砂质、半黏土质、黏土质及含有机碳的泥灰质、富镁碳酸盐岩形成有序的沉积系列[13]，在成岩过程中有机质发生分解、迁移，碳质相对富集，出现含碳较高的岩段。古元古代中期，吕梁构造运动导致该地层发生强烈的变形作用及低角闪岩相区域变质作用，含有机碳的泥砂质沉积岩在高温高压环境下，岩石中的有用组分因变质热液迁移而富集，原岩中大量有机碳在封闭还原条件下发生脱氧、脱氢反应，通过交代重结晶作用形成鳞片状石墨晶体，富含碳质的岩层形成石墨矿层。伴随吕梁晚期构造运动，该区发生大规模中酸性岩浆侵入及混合岩化作用，经过重熔和再富集，石墨鳞片增大[6]。研究区石墨矿区域成矿模式如图2所示。

表1 研究区石墨矿床与典型石墨矿床特征

表2 冀晋蒙接壤地带石墨矿主要成矿期、成矿作用及典型矿床

1.长城群—青白口群； 2.化德群； 3.红旗营子岩群； 4.崇礼岩群； 5.石墨； 6.古元古代晚期变质岩； 7.尚义—隆化区域断裂； 8.康保—围场区域断裂； 9.碎屑岩及碳酸盐岩建造； 10.二云石英片岩； 11.变粒岩、浅粒岩； 12.片麻岩、变粒岩、麻粒岩； 13. 石墨矿化带； 14.变质二长花岗岩； 15.断裂

图2 研究区石墨矿区域成矿模式

Fig.2Regionalmetallogenicmodelofgraphitedepositsinthestudyarea

4 找矿模型

区域变质型石墨矿床多位于特定的含矿层，空间分布受褶皱控制。因此，首先应研究区域含矿层的分布特征，其次研究区内激电异常特征。大面积激电高异常往往与石墨矿化层对应较好，是寻找石墨隐伏矿体的重要标志。激电测深剖面测量可大致推测含矿层的深部延伸情况，对勘查工程的布设具有较好的指导意义。在综合地质、物探资料的基础上，总结研究区石墨矿找矿模型。

首先开展1∶50 000矿产地质建造-构造填图，对含矿层进行初步了解，圈定含矿带； 其次，在含矿带上开展1∶25 000激电中梯面积性测量，圈出重点工作区； 最后，在重点工作区开展1∶10 000地质填图及物探异常验证(钻探、槽探)。该区已发现的石墨矿多为隐伏、半隐伏矿体，在矿化异常上开展激电测深工作，推测矿化体埋深及产状，利用勘查工程进行验证。根据激电中梯测量，在义哈德石墨矿圈出激电异常，探槽揭露发现了石墨矿体。为进一步了解异常形态，在8线布设6个测深点，与激电中梯剖面31点—43点对应。由激电中梯剖面曲线图(图3(a))可知，剖面32点—38点之间约360 m范围内，石墨含矿层整体视极化率较高，且向小号点方向倾斜，异常区与地表揭露的含矿层套合较好。由对称四极测深视极化率等值线断面图(图3(b))可知，120点—360点与激电中梯剖面32点—38点对应，该区域分布1个视极化率整体>10%的高极化异常区，异常区向小号点方向倾斜，异常两侧视极化率较低，与激电剖面反映的情况基本一致。由对称四极测深视电阻率等值线断面图(图3(c))可知，120点—360点之间有1个视电阻率整体<50 Ω·m的区域，表现为低电阻率，与激电中梯剖面曲线图(图3(a))的异常区及对称四极测深视极化率等值线断面图(图3(b))的高极化异常分布区对应，异常区向小号点方向倾斜。为进一步验证石墨矿体的深部含矿性，在激电中梯剖面32点附近布设ZK401钻孔进行验证。由实测地质剖面图(图3(d))可知，钻孔内石墨含矿层的赋存情况与激电测深断面及激电中梯剖面显示的信息基本一致。按照“三位一体”找矿理论[14]，建立研究区石墨矿找矿模型(表3)。

(a) 激电中梯剖面曲线图

(b) 对称四极测深视极化率等值线断面图 (c) 对称四极测深视电阻率等值线断面图

(d) 实测地质剖面

图3 义哈德石墨矿地质-物探综合剖面

成矿特征项 主要标志成矿地质体构造位置阴山—冀北微陆块张北—围场断块含矿层形态、产状、规模含矿层多呈层状、似层状、透镜状,与地层整合产出,长几百米至几千米,厚几米至150 m成矿时代古元古代赋矿地层古元古界红旗营子岩群太平庄岩组和东井子岩组岩石组合变粒岩类、浅粒岩类、大理岩类成矿期次沉积后经历了复杂强烈的多期次变质变形改造,分为沉积期和变质变形期岩石地球化学以SiO2、A12O3、Fe2O3为主,硅、铝含量高原岩建造及成矿环境含黏土质长石石英砂岩-富黏土质长石杂砂岩夹黏土岩和粉砂岩,浅海陆棚盆地成岩物理化学条件有机质在还原条件下脱氧、脱氢,结晶成鳞片状石墨; 沉积期为浅海环境,变质变形期温度530～680 ℃、压力0.3～0.7 GPa

(续表)

5 结论

(1)冀西北坝上地区含矿建造形成于陆缘浅海环境，成矿物质来源于沉积地层中的有机碳。成岩时代为古元古代早期，变质成矿时代为古元古代中期，后期岩浆侵入及混合岩化作用使石墨鳞片增大。

(2)根据地质和地球物理特征构建的石墨矿找矿模型，实际应用的关键是有无含石墨建造及激电异常，模型其他特征对找矿也具有一定的指示作用。

(3)冀西北坝上地区石墨矿多为隐伏、半隐伏矿体，采用地质-物探-勘查工程综合找矿技术方法组合，找矿效果较好。