江西省金溪县灰山石墨矿床地质特征及成因探讨

朱明波，胡正华，王思学，林 婷，倪晓玉

(1.江西省自然资源事业发展中心，江西 南昌 330025；2.江西省地质勘查基金管理中心，江西 南昌 330025；3.江西有色地质勘查五队，江西 九江 332000)

0 引言

随着新能源、新材料产业的崛起，石墨正逐渐成为国防、航天、新材料等领域不可替代的重要材料，具有广阔的应用前景。近年来我国加大了对石墨矿的找矿勘探并取得很大成就，多处发现大型超大型矿床[1-3]，研究者除了从矿床地质学方面探讨石墨矿床的成因外[1-2，4-6]，还从碳同位素[7]、热力学[8]等方面对矿床的成因进行深入研究。江西省金溪县是省内重要的石墨矿集区，有峡山、半山和黄狮渡等多个石墨矿床(点)，其中峡山石墨矿床规模达大型。自1977年发现峡山石墨矿后，本区的石墨矿找矿工作一直未有突破，且区内石墨矿的相关理论研究比较薄弱，前人多是通过总结峡山石墨矿床地质特征探讨区内的成矿地质条件、找矿标志和找矿方向[9-10]，对矿床成因研究较少。2016—2018年中国建筑材料工业地质勘查中心江西总队在该区新发现灰山石墨矿，经初步估算石墨矿床规模达大型，本文总结了矿区地质背景、矿区地质特征和矿床地质特征，探讨了矿床成因，为今后区内寻找同类型石墨矿床和下一步矿区找矿工作提供参考。

1 区域地质背景

灰山石墨矿位于华夏板块武夷隆起与饶南坳陷的过渡带(图1)，属于抚州—饶南铀-铜-银-铅-锌多金属、非金属成矿亚带[11]。震旦系、寒武系变质岩构成本区的褶皱基底，侏罗系火山岩建造和白垩系红色碎屑岩建造覆盖于基底之上。区域构造复杂、褶皱强烈，加里东期以褶皱构造为主，构成近NE至NEE向展布的基底构造；燕山期转为断裂构造为主，以NNE向和近EW向断裂较为发育，规模较大。区域岩浆岩发育，以加里东期混合花岗岩、花岗岩和燕山期花岗岩为主。区域变质作用以加里东中晚期形成的区域动热变质作用为主，主要为区域变质岩和混合岩，次为动力变质岩、接触变质岩和气液变质岩。区域峡山、南华山、铅山长寿源石墨矿均赋存于寒武系外管坑组含碳碎屑岩建造中。

图1 矿区大地构造位置图(据文献[11]修编)

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区内地层简单，主要由震旦系洪山组(Zh)、寒武系外管坑组(∈1w)和第四系(Q)组成(图2)。震旦系洪山组由石英岩、片麻岩、石墨片岩、含石墨石英片岩组成。寒武系外管坑组与震旦系洪山组呈假整合接触，为矿区的主要赋矿层位，主要由石英石墨片岩、含石墨石英片岩和石英片岩组成。第四系主要为残坡积相，主要为灰黄、黄褐色亚黏土、粉砂土夹碎石层①。

图2 灰山石墨矿地质略图

2.2 构造

矿区构造较复杂，主要为褶皱构造，其次为断裂构造。

向斜位于NNW向的灰山山脊，轴部北北西端仰起，总体走向340°。向斜核部地层为寒武系外管坑组，两翼地层为震旦系洪山组。其南西翼地层倾向62°～125°，倾角27°～35°；北东翼地层倾向235°～250°，倾角40°～55°。

F1断层走向为NW—NNW，倾向NEE，倾角70°～75°，为压扭性断裂。断距小于100 m，且均为上盘向南西方向错移。断层中普遍见有硅化破碎带和角砾岩带，且有花岗岩侵入，其宽度因岩性和挤压程度不同而异。断层在后期表现有张性，故沿断裂部位往往见有花岗岩或硅化脉充填胶结破碎带，也常见细脉贯入下盘岩层的裂隙中，致使矿层中夹石发育、矿石贫化，厚度不稳定。

2.3 岩浆岩

矿区内岩浆岩主要为加里东期侵入的斜长花岗岩(γο3)，呈岩株状、层状产出，岩株状岩浆岩与矿区构造线方向较一致，顺层侵入的岩浆岩与含石墨石英片岩产状较一致。斜长花岗岩呈灰白色，中等风化后呈黄灰色，细—中细粒花岗结构为主，局部具粗粒伟晶质或斑状结构，块状构造。主要矿物：斜长石占比为40%～50%，微斜长石占比为20%～30%，石英占比为20%～30%，白云母占比为4%～5%，另有少量的黄铁矿及石榴子石、磷灰石、独居石、锆石等副矿物。

2.4 变质作用

矿区以区域变质作用为主，主要形成层状片麻岩和片岩，其矿物组成主要有斜长石、黑云母、白云母、石英等，副矿物有石榴子石、锆石、矽线石、绿帘石、板钛矿、金红石、铁金红石、磷灰石、磁黄铁矿、黄铁矿、黄玉以及矽线石、绿帘石、板钛矿、金红石、铁金红石、磷灰石、磁黄铁矿、黄铁矿、黄玉。从变质岩石的矿物相分析，本区变质岩相属于绿片岩相的钠长石-白云母-黑云母亚相或钠长石-绿帘石-黑云母亚相。

3 矿床地质特征

3.1 矿体特征

矿区内石墨矿体均赋存于寒武系外管坑组石英石墨片岩段中(图3)，自下而上依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿体，矿体产状与地层产状基本一致。Ⅰ矿体矿石以石英石墨片岩为主，Ⅱ矿体和Ⅲ矿体矿石均为石墨石英片岩。

Ⅰ矿体：主要呈层状或似层状分布于向斜轴部及东西两翼，向斜轴部往北西端仰起，总体走向314～340°，其南西翼地层倾向62°～125°，倾角17°～35°；北东翼地层倾向234°～250°，倾角30°～55°。矿体在向斜核部厚度大，向北东翼方向厚度渐薄，向南西翼方向厚度则快速变薄灭失，矿体呈似层状或透镜状产出。工程控制走向长约575 m，倾向延伸181～526 m，矿层厚度为2.4～77.84 m，平均厚度为20.49 m，固定碳平均品位为6.6%。

Ⅱ矿体：位于Ⅰ矿体之上，向斜南西翼已灭失，北东翼保存较好。矿体倾角8°～23°，厚度沿倾向上不稳定，沿走向上不连续。在走向上分为三个部分，北部矿体走向长155 m，倾向延伸97 m；中部矿体走向长50 m，倾向延伸75 m；南部矿体走向长25 m，倾向延伸31 m。矿体平均厚度为4.94 m，固定碳平均品位为6.48%。

Ⅲ矿体：位于Ⅱ矿体之上，呈透镜状或似层状，沿走向上不连续。北东翼倾角24°～45°，南西翼倾角8°～28°，倾向延伸72～201 m，矿层平均厚度为7.43 m，固定碳平均品位为6.91%。

图3 灰山石墨矿某剖面示意图

3.2 矿石特征

3.2.1 矿物成分

矿石中矿石矿物为石墨，脉石矿物为石英、白云母、斜长石、电气石、方解石、白云石、黑云母、黄铁矿和赤铁矿。石墨常以集合体出现，呈六边形和伸长的鳞片状，集合体大小一般为0.1～0.5 mm，少数为1.0～1.8 mm。石墨单晶主要呈片状、鳞片状、细小的板状产出，少数呈粒状，片径一般小于0.15 mm，以37.4～75 μm为主。石墨矿物分布不均匀，局部为条带状和团块状，含量一般为10%～20%，局部可超过70%。

3.2.2 矿石的化学成分

由表1可见，矿石的化学成分较为简单，主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3组成，其他化学成分K2O、Na2O、CaO、MgO、Cu、S、TiO2、P2O5含量较低。

3.2.3 矿石结构构造和类型

矿石结构为花岗鳞片变晶结构、鳞片变晶结构。矿石主要构造为块状构造、片状构造和条带状构造。

矿石自然类型主要为石英石墨片岩，其次为石墨石英片岩。矿石工业类型为鳞片状晶质石墨矿。

4 矿床成因

4.1 变质岩原岩恢复

根据矿区石英岩-石英片岩-片岩岩石组合，初步推断矿区变质岩的原岩为沉积岩，为恢复矿区变质岩的原岩建造，采集4个样品进行了主量元素分析，分析结果见表1。

表1 矿石主量元素分析结果

根据正、副变质岩的K-A判别图解(图4)，样品全部落在沉积岩区，表明其原岩为沉积岩。根据w(Al2O3+TiO2)-w(SiO2+K2O)-w(∑其余组分)图解(图5)，矿区变质岩原岩为砂质岩。根据SiO2/Al2O3- K2O/Na2O图解(图6)，可知矿区变质岩的原岩构造环境为活动大陆边缘环境。

图4 正、副变质岩的K-A判别图解(据周世泰，1977)

图5 w(Al2O3+TiO2)-w(SiO2+K2O)-w

图6 变质岩原岩构造环境判别图解

4.2 矿床成因

石墨矿床成矿物质来源长期存在着有机成因和无机成因两种观点[12]，前人通过收集不同石墨矿床类型的碳同位素数据(表2)，总结出区域变质型、接触变质型和岩浆热液型石墨矿床碳质主要来源于沉积地层中的有机碳[5，13-14]。

表2 不同类型石墨矿床中碳同位素测定值

灰山石墨矿与邻近矿区石墨矿床地质特征类似(表3)，赋存于寒武系外管坑组，区域变质成因，其形成大致经历了两个阶段。

表3 邻近矿区石墨矿床特征

碳质沉积阶段：晋宁构造运动以后，区内处于地槽的发展阶段，早震旦世早中期地壳以下降为主，震荡运动较频繁，并有间歇性火山喷发活动，在气候温暖湿润，海盆水体稳定的潮下低能还原沉积环境中③，大量繁殖低海绵生物和低等菌藻植物，堆积了较多的有机质，形成了一套富含碳质泥砂质沉积夹火山碎屑物沉积的复理石建造，为最初的石墨矿源层。

石墨矿形成阶段：早古生代末期，加里东构造运动导致地槽褶皱回返，形成了广泛的区域变质作用，含碳泥砂质建造中的有机质在还原条件下发生脱氢、脱氧反应，结晶成鳞片状石墨，区域变质作用晚期，混合岩化作用使石墨鳞片就地重结晶富集长大。

5 结论

综上，灰山石墨矿赋存于寒武系外管坑组底部，矿体呈层状、似层状或透镜状产出，主要矿石矿物为石墨，脉石矿物为石英、白云母、斜长石、电气石、方解石、白云石、黑云母、黄铁矿和赤铁矿。根据矿区岩石组合特征以及矿石主量元素测试结果及相关图解，认为区内变质岩原岩为沉积岩。对比邻近石墨矿床地质特征，矿区石墨的碳质来源为有机碳，成矿作用发生在加里东构造运动期，矿床成因为沉积变质型。

注释：

① 中国建筑材料工业地质勘查中心江西总队. 江西省金溪县灰山矿区石墨矿详查报告[R]. 2018.

② 江西省五〇一地质队. 江西省金溪县峡山石墨矿勘探地质报告[R]. 1980.

③ 江西省地质矿产局. 金溪幅区域地质调查报告[R]. 1987.