福建凤山矿区石墨矿地质特征及控矿因素分析

程远慧

(福建省197地质大队，福建泉州 362011)

我国煤系共伴生矿物资源丰富，主要矿种有高岭土、膨润土、耐火黏土、石膏、硫铁矿、油页岩、硅藻土、石灰石、石墨、天然焦等[1-2]。石墨具有耐高温、传热、导电、润滑及可塑性，素有“金砂”美称，广泛用于铸造、涂抹、电池、碳素制品、铅笔及颜料等方面[3-4]，也是电器元件、通讯工具、计算机芯片、新能源汽车电池等新兴产业的关键原材料。近两年石墨烯技术创新成果频出，已经走在世界前列，高质量石墨是石墨烯重要原材料之一。石墨是高新技术产业发展中不可或缺的重要战略资源[5]。随着社会对石墨能源的需求量增加，石墨矿的勘查将备受矿业公司的青睐，勘查热度将持续升温，未来石墨矿勘探、开发工作的主要趋势是将资源优势转变为经济优势，石墨产业发展会有一个新的飞跃。

福建省位于东部滨太平洋构造成矿带上，大致可划分为东、中、西三个含煤条带，是煤系石墨矿的富集区。煤系共伴生石墨多为隐晶质石墨[6-10]，主要是由煤受热变质作用形成，矿床规模大，成矿地质条件好，其化学性质稳定，不受强酸性影响，有害杂质少，品位高，却一直未得到重视，开发利用程度低，石墨原矿要么当煤矸石被遗弃，要么当煤被烧掉，不仅浪费资源，污染环境，甚至失去了综合利用的资源条件。随着石墨产业的飞速发展，晶质石墨矿资源日益枯竭，煤系隐晶质石墨的开发利用越来越受到重视[11]。漳平市凤山矿区位于中部龙岩-永定含煤带，多为无烟煤，受到了不同时期岩浆侵入和构造运动的叠加影响发生变质，具有较好的煤系石墨资源前景。

1 矿区简介

凤山矿区位于戴云山脉东南段的低山地带，沟谷下切，属构造侵蚀型低山地貌单元。区内先开展3次勘查工作，完成1∶1万、1∶5000、1∶2000地质及水文地质填图，及采取钻探、槽探、硐探等多种手段开展勘查工作并采样化验。本区于2014年提交煤矿详查野外验收，从矿石的矿物组成、矿石的结构构造，以及围岩和矿石的空晶石化等方向展开研究，显示整个井田煤系地层底部均被岩浆岩侵入，认为该区属于经后期的岩浆热变质后形成的石墨矿更为合适(图1)。

图1 研究区地质构造略图Figure 1 Study area geological and structural sketch

2 矿区地质特征

2.1 矿区地层

2.1.1 区域地层特征

矿区位于戴云山脉南麓，北东向政和-大埔大断裂带附近，闽西南拗陷带大田-龙岩拗陷的太华-长塔复式背斜南段，成矿地质条件较好，区域内矿产资源较为丰富。主要有益金属矿产有漳平厚德磁铁矿(化)点、漳平北坑场石英脉型黑钨矿、漳平北坑场新发现斑岩型(铜)钼矿、大田上岩矿区铅锌矿等；非金属矿产主要为煤炭(大田赤水煤矿、上京煤矿、下溪口煤矿、漳平吾祠煤矿、前坪煤矿)、石灰石(大田崆峒山、灵川)及高岭土矿等。区域内地层从上侏罗统南园组(J3n)至中二叠统栖霞组(P2q)均有出露，受燕山期造山运动及断裂构造的影响和控制，部分地层缺失，现存地层由老到新有：中二叠统栖霞组(P2q)、文笔山组(P2w)、童子岩组(P2t)、上二叠统翠屏山组(P3cp)和下三叠统溪口组(T1x)、上侏罗统长林组(J3c)和南园组(J3n)(图2)。

1.上侏罗统南园组；2.上侏罗统长林组；3.下三叠统溪口组第二段；4.下三叠统溪口组第一段；5.上二叠统长兴组；6.上二叠统翠屏山组；7.中二叠统童子岩组；8.燕山早期黑云母花岗岩；9.燕山晚期花岗斑岩；10.花岗斑岩脉；11.工作区位置；12.实测、推断断层；13.实测、推断地质界线；14.地质不整合界线；15.煤矿(化)点及编号；16-17.本次工作区内铅锌矿(化)点及编号；18.钨矿(化)点及编号图2 区域地质简图Figure 2 Regional geological schematic diagram

2.1.2 矿区地层特征

矿区地层层序由老至新：中二叠统栖霞组(P2q)、中二叠统文笔山组(P2w)，中二叠统童子岩组(P2t)，上二叠统翠屏山组(P3cp)、第四系(Q)。其中童子岩组是本区主要含矿地层，大范围出露于本区，总体呈北东向展布，局部为北西向，总出露面积大于1.00km2,厚度>500m。童子岩组第一段：滨海碎屑、远滨、障壁海岛、潟湖、泥炭沼泽相沉积，主要由细砂岩、细粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和石墨矿组成，含矿20层以上,可采石墨矿石三层，地层厚度大约280.2 m，分上、下两个亚段：童子岩组第一段第一亚段(P2t1-1)：厚度188.2m。据ZK20、ZK21、ZK22、ZK23、ZK24-1、ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK34、ZK35、ZK36、ZK6、ZK4、75-01、73-04等钻孔和多个矿硐控制，含厚薄度不一矿层19层以上，均变质成石墨矿。其中： B、C号石墨矿层为可采层。童子岩组第一段第二亚段(P2t1-2)：厚度92m。据ZK4、75-01、73-04、ZK20、ZK21、ZK22、ZK23、ZK24-1、ZK25、ZK26、ZK27、ZK28、ZK29、ZK34、ZK35、ZK36等钻孔和多个矿硐控制，含6～8层石墨矿层，其中：A层矿体为可采层。

2.2 构造

受区内一级构造北东向政和-大埔断裂带和区内二级构造北西向永安-晋江断裂带的控制，次级断裂构造中等发育。区域内断裂构造较发育，根据断层的空间分布形态，主要为北东向和北西向两组断裂构造。本区构造复杂，以断裂为主，褶皱次之。

2.2.1 断裂

区内发育7条断层，分别为走向北东的F6、F7、F9、F10、F11断层和走向西南的F2断层及F0推覆断层。其中：断层F2、F6、F10为边界断层，造成主采石墨矿层不连续。

2.2.2 褶皱

主要为一组背向斜(图3)。①号向斜位于矿段南部，以F7断层上盘较明显，经AA′剖面线中PD19煤硐、ZK4、ZK6钻孔控制背向斜，伴生2个以上小形背向斜，轴向330°，延伸长度大于300m。②号背斜由K6钻孔控制背斜，轴向330°，延伸长度大于500m。

图3 地质剖面构造形态略图Figure 3 Geological sections showing structural forms

2.3 岩浆岩

本区岩浆岩为燕山期早期侵入的中—细粒含斑花岗闪长岩(γδJ1)，俗称汤泉岩体出露于深部，地表风化后呈碎裂状、松散状。深部ZK2、ZK4、ZK5、ZK6、ZK72-01、ZK73-04钻孔均已揭露，主要为花岗闪长岩与二长花岗岩组合。该岩体呈岩基状侵入，对含矿地层童子岩组的连续性破坏较大，局部见有黄铜矿化和银多金属矿异常，均不构成矿体。区内岩浆小岩脉较为发育，主要有花岗斑岩、石英闪长岩，少量煌斑岩、辉绿玢岩、霏细岩等，岩脉宽度0.3～76m，侵入地层主要为童子岩组，次为文笔山组。

3 矿体特征

3.1 矿体规模、形态及产状

本区有三层石墨矿体，呈层状分布，走向呈南东—北西，倾向西南，属隐伏矿体，延伸长度大于500m，赋存标高+700～+1150m，总体呈单斜构造，边界规则，结构较简单，局部含夹层。根据钻孔老窑矿硐揭露，A层矿体厚0.51～2.56m，平均为1.11m；B层矿体厚0.19～2.69m，平均为1.16m；C层矿体厚0.56～2.94m，平均为0.96m。

3.2 矿石结构

通过镜下鉴定(照片1)，石墨呈颗粒状，边缘圆滑，大小不一，是由细小的鳞片组成的集合体；石墨单晶呈六方形。各个碳层堆由小碳层片堆叠在一起，形貌上与黏土矿物类似，碳层片状边缘破碎，呈锯齿状或圆弧状，大小在几十至几百纳米不等，存在许多零散分布碳薄片层。矿石构造：具层状、块状、粉粒状构造，以粉粒状为主。本区石墨矿为红柱石角岩化石墨矿，其矿石自然类型为软质石墨。钻孔揭露见照片2。矿石工业类型为隐晶质石墨。岩石受热液变质作用，发生重结晶，黏土矿物全部重结晶，形成新生矿物红柱石，炭质形成隐晶状石墨。晶体直径极为细小，矿物长轴具定向排列。石墨手标本为铁黑色，条痕为亮黑色，污手，抚之有弱滑感，硬度1，显微镜下为隐晶状、土状、尘埃状，单偏光下不透光，反射光下铅灰色。

照片1 石墨矿扫描电镜图

3.3 矿石质量

根据样品测试结果，矿物成分以石墨为主，伴生有石英、红柱石、高岭石、云母等黏土矿物及少量黄铁矿、褐铁矿等。矿石围岩顶板主要为砂质泥岩，呈灰黑色，具水平层理，薄—中厚层状，水平层理发育；局部具细粉砂岩。岩石蚀变强烈，具强烈空晶石化， 含较多似层及椭圆状粉砂质和菱铁质结核(表1)。底板主要为细粉砂岩，呈灰黑色，具水平层理，薄—中厚层状，具水平层理；局部为粗粉砂岩。岩石蚀变强烈，具强烈空晶石化，含较多圆球状菱铁质结核。夹石主要在A矿层局部见一至二层矿层夹黑色砂质泥岩和泥岩，厚度1.00m左右，B矿层和C矿层不含夹层。按照DZ/T0326—2018可知矿区样品固定碳含量已达到煤系石墨的工业品位。另外，还对区内3层石墨矿[A、B、C层矿体]随机采取4件样品，测试石墨化度(表2)。

照片2 钻孔揭露矿层矿石

表1 基本分析成果表

表2 石墨化度检验报告

4 控矿因素分析

成矿时代北方以早、晚侏罗世为主，南方则以二叠纪为主，其主要含矿层位为上二叠统龙潭组、二叠系童子岩组[12]等煤系地层。煤层经热接触变质作用发生煤层→石墨化煤→煤化石墨→石墨矿层的系列变化，富集形成隐晶质石墨矿[13]。隐晶质石墨矿床主要形成于燕山期，形成过程分为沉积和变质两个时期，由富有机质的沉积地层发生变质作用而形成。本区石墨矿赋存于中二叠统童子岩组含煤岩段及燕山期早期汤泉岩浆岩共同发育地带，煤层受到岩浆热变质作用使碳物质(煤)分解，重新富集形成以隐晶质(土状)为主的隐晶质石墨矿，属接触变质型矿床。晚古生代二叠纪、中生代三叠纪—侏罗纪含煤地层与燕山期早期侵入的汤泉岩浆岩的外接触带是寻找接触变质型石墨矿(隐晶质石墨)的重要部位[14]。温度和压力在含碳材料的结构趋于有序化并向石墨方向发展的过程中起着重要作用[15]。

4.1 温度对煤层石墨化的影响

福建省经历了多期次岩浆侵入活动，其中燕山期侵入规模最大，覆盖面最广，影响最强。燕山期是华东地区最重要的成矿时期，成矿作用与花岗质侵入岩密切相关[16]。在燕山期早期，燕山运动以压倒一切的优势对早期构造进行了多期次反复改造和叠加，构造期形成了规模不同的岩浆岩，大面积的岩浆侵入地层，产生高温，岩石均已发生弱—中等变质，促使已固结成煤的煤层进行热液交代而形成石墨矿，围岩常见强烈的空晶石化和红柱石化。要达到一定石墨化程度，需要有达到能发生相应石墨化作用的能量，理论上高温为原子重排、重结晶、结构转化提供了活化能[17]，有利于煤向石墨转变。岩浆活动越显著、构造越发育，煤变质程度就越高，煤系石墨资源前景就越好。本区燕山期早期中—细粒含斑花岗闪长岩(γδJ1)，侵入到煤系地层附近时产生的热能，以传导方式传给围岩栖霞组灰岩，为石墨矿的形成提供热力条件，尽管其温度比一般直喷岩浆的低，但是深部岩浆自地下深处而上侵入时，所处的地质环境相对封闭，热能散失慢、热作用时间长，有充分的时间使围岩和煤层发生变质，形成石墨矿体。岩浆侵入时的动力又“托起”了童子岩组含矿地层，控制了含矿地层的深部延伸，大面积的侵入活动未对矿体造成破坏。岩浆的侵入导致煤系围岩发生绢云母角岩化、红柱石化、碳酸盐化、空晶石化等现象，浅变质的石英、红柱石、高岭石等与高变质煤相伴产出。石墨是煤的热变质作用最高变质产物之一，在封闭的换热系统下，经过较长的时间热作用，由无烟煤转化形成，在浅变质岩中，温度小于300℃，碳物质经过热作用聚合成石墨晶体，由此可见，燕山期的岩浆侵入活动为煤变质成石墨矿提供了主要热能。

4.2 构造对煤层石墨化的影响

虽然温度对煤的石墨化过程起着主导作用，但构造对煤层石墨化作用的影响也不可忽视[18]。复杂的构造形态控制岩浆的侵入途径和接触方式。断裂构造为岩浆侵入提供导热通道，断层两侧的煤系地层受岩浆热变质作用，发生绢云母角岩化、空晶石化等蚀变现象，进而石墨化；断裂构造使得煤系地层位于岩体之上时，直接受岩浆岩体的加热作用，有利于煤的石墨化。凤山矿区燕山期早期侵入中—细粒含斑花岗闪长岩(γδJ1)，既吞蚀了大部分栖霞组灰岩，又“托起”了童子岩组含矿地层，限制了含矿地层的深部延伸。经钻孔揭露花岗岩体侵入界面大多在标高700～800 m，石墨矿地层被局限在标高700～1150m的狭小空间内。矿区石墨矿总体呈单斜，大规模F7、F9、F10、F11断层及推覆构造F0等发育断裂带控制岩浆岩体的侵入活动，为岩浆提供导热通道，引起强烈的构造变形，形成封闭式环境，为含煤地层热变质提供隔热层，起到保温作用。构成复杂的构造-热变质变形环境，有利于石墨化的发生[19]。断裂构造穿过整个煤系地层，岩浆借此通道加热煤系地层，使其蚀变，煤层石墨化。由于受大面积花岗岩体热接触变质作用，岩石均已弱—中等变质，导致区内童子岩组第一段煤层受岩浆热液接触变质作用形成石墨矿；矿体围岩常见强烈的空晶石化和红柱石化。构造断裂的走向倾向只促进煤演化的物理结构变化，而构造应力不仅破坏了煤的物理结构，不同的变形机制和强度影响煤的大分子结构，还改变煤的化学结构，在某种程度下促进煤的演化进程。构造应力作用有利于煤的石墨化进程，促使煤中有机质结构超前演化，表现为构造煤具有较大的大分子结构及结构的有序排列[20-23]。凤山矿区位于闽西南拗陷带，区域性主干断裂政和-大浦断裂带构造活动强烈，受强烈的挤压、推覆构造的影响，形成压扭性剪切变形，在应力作用下，形成了一个对煤层的包裹应力场，煤层呈揉皱或鳞片状韧性变形，应变速率环境有利于煤的石墨化进程。受构造动力变质和岩浆热液接触变质作用，细砂岩具强烈硅化，栖霞组灰岩变质为矽卡岩。从图3可知，构造还对煤系石墨矿的赋存有一定的影响，对矿体层位、厚度和变形特征均有不同影响，形成多种控矿构造样式，破坏矿层的连续性，导致矿层缺失或变形。区内断裂构造发育，除7条断距大于30m的断层外，尚有较多断距5～20m小断层，破坏了矿层的连续性。皱褶存在两个以上复式向斜、背斜及次一级褶曲，褶曲对矿层厚度变化及稳定性起决定作用。花岗岩“底鼓”作用严重影响和限制了含矿地层深部延伸，且含矿地层产状变化比较大，但主要以单斜为主，具有明显岩浆构造控矿的特点。

5 结论

1)凤山矿区煤系资源丰富，均为高变质无烟煤，受多期次岩浆侵入活动，尤其是燕山期岩浆岩的侵入和构造的影响，形成较好的煤系石墨资源前景，是福建省重要的石墨矿产出地之一。

2)凤山矿区赋存于中二叠统童子岩组，含煤岩段在燕山期早期汤泉岩浆热变质作用下，使碳物质(煤)分解，重新富集形成以隐晶质(土状)为主的隐晶质石墨矿。通过样品测试显示矿体的固定碳含量高，石墨化度较高，是石墨化较完整的隐晶质石墨矿。

3)通过分析研究，查明凤山矿区煤系发生石墨化的控矿因素主要是温度和构造，岩浆岩的侵入为煤层变质为隐晶质石墨矿提供了热能，构造运动提供了热能通道和构造应力，这两者为凤山矿区煤系石墨化的形成提供了重要的成矿条件。