坦桑尼亚纳钦圭阿石墨成矿带地质特征及成因初析

杜菊民，景永波，孙晨，刘平，李双喜，陈诚

(1.江苏省地质工程有限公司，南京 210018；2.江苏省地质矿产局第六地质大队，江苏 连云港 222023)

0 引言

石墨是战略性矿产或关键矿产，石墨产品尤其是下游深加工产品正逐渐成为新能源、新材料、航天等领域不可替代的重要材料[1-3]。莫桑比克、坦桑尼亚、马达加斯加等国家的石墨资源多为优质大鳞片石墨[2]。2018年以来，全球石墨供需格局发生重要变化，中国成为全球第一大石墨进口国和鳞片天然石墨净进口国，主要从莫桑比克和马达加斯加进口鳞片天然石墨[2]。坦桑尼亚晶质石墨矿产资源丰富，发育6个重要石墨成矿带(图1)，国内地质勘查队伍在坦桑尼亚石墨矿产勘查工作中已取得一些成果，对坦桑尼亚石墨矿的地质特征、地球化学特征、找矿标志、找矿潜力等进行了初步总结[4-8]。近年来坦桑尼亚南部林迪—姆特瓦拉地区的纳钦圭阿成矿带发现了一系列大型、超大型优质晶质石墨矿床，如邦尤(Bunyu)、纳楚(Nachu)、奇拉络(Chilalo)、林迪将波(Lindi Jumbo)、纳钦圭阿(Nachingwea)等[4-5]，系统总结这一成矿带的地质特征还未见报道。本文在纳钦圭阿、鲁昂瓦等石墨矿床勘查工作的基础上，对纳钦圭阿石墨成矿带的地质成矿背景、矿床特征、矿石特征、地球化学特征、矿床成因等进行分析总结，以期对进行相关工作时有所参考。

图1 坦桑尼亚地质构造单元及石墨成矿带分布图(据文献[9]，修改)

1 区域地质背景

坦桑尼亚地质历史复杂而多样，太古宙克拉通分布在该国中北部，向北延伸至肯尼亚南部及乌干达西南部，元古宙活动带呈带状环绕克拉通分布(图1)。古元古代乌萨迦兰(Usagaran)活动带，分布于克拉通东南侧；乌宾迪(Ubendian)活动带，分布于克拉通西—西南侧；中元古代基巴拉(Kibara)活动带，分布于克拉通的西北侧；新元古代泛非莫桑比克(Mozambique)活动带，分布于克拉通的东部。泛非运动(900～550 Ma)后，坦桑尼亚境内经历了相对平静的时期，广泛的准平原化阶段持续了近300 Ma[9]。

新元古代莫桑比克活动带，从莫桑比克一直延伸到埃塞俄比亚，主要岩性为高级变质铁镁质和长英质麻粒岩、片麻岩、石英岩、大理岩、角闪岩等[10-11]。纳钦圭阿石墨成矿带位于莫桑比克活动带坦桑尼亚部分的最南部，近SN向展布，东西宽约40 km，南北长约120 km(图2)，盛产红宝石、蓝宝石等宝石矿产，其他矿种仅见矿点或小型矿床出露，如石英脉型金矿点，与基性、超基性岩有关的铜镍硫化物矿化点等。

图2 坦桑尼亚纳钦圭阿成矿带地质矿产简图

2 纳钦圭阿石墨成矿带地质特征

纳钦圭阿石墨成矿带发育一套中高变质程度的新元古代沉积变质岩系，西侧第四系覆盖，东侧白垩纪砂岩出露(图3)。变质岩主要岩性有黑云斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩、石英片岩、石英岩、大理岩、角闪岩、麻粒岩等，局部混合岩化强烈，总体呈NE—NEE走向，倾向SE或NW，局部平卧褶皱、鞘褶皱、流褶皱等褶皱形式发育，断裂构造以NE向为主，多顺岩层产出，NW向断层常错断石墨含矿地层。发育少量新元古代花岗岩、闪长岩、细晶岩、伟晶岩及辉长岩、超基性岩等。伟晶岩常顺变质岩片理产出，富含电气石、海蓝宝石等，超基性岩中可见铜镍矿化。大型-超大型晶质石墨矿床赋存于黑云斜长片麻岩、石英片岩中，在石英岩、大理岩、伟晶岩中也常见石墨矿化，通常石墨鳞片粗大、规模较小。

图3 纳钦圭阿—鲁昂瓦地区地质简图

2.1 矿体特征

矿床受沉积变质作用控制，呈层状、似层状、透镜状产出，产状多与围岩产状一致，一般存在多层矿体。矿体长度从500 m至大于10 km，矿体群宽度100～500 m，单层矿体厚度2～100 m(图3、表1)。

表1 纳钦圭阿石墨成矿带主要石墨矿床资源量简表

纳楚石墨矿，矿体赋存于石墨片岩中，围岩为片岩，夹石为少量白云质大理岩和片麻岩，由5个矿段组成，矿体走向呈NEE向，延伸250～1000 m，宽100～500 m，厚2～100 m，倾角较缓，主矿体产于开阔褶皱的核部，两翼倾角15°左右①。

奇拉络石墨矿，矿体赋存于石墨片麻岩中，围岩为长英质片麻岩、闪长岩和少量大理岩。主矿段由两个透镜状矿体组成，走向NE—NEE，倾向SE，倾角40°～50°，走向延伸1600 m，矿层厚10～40 m②。

林迪将波石墨矿，矿体赋存于石墨片岩、石墨石英岩、石墨片麻岩中，含少量条带状白云岩和长英质麻粒岩。主矿体走向NNE，走向延伸1200 m，倾向NW或SW，倾角11°～35°，矿层厚5～34 m③。

纳钦圭阿石墨矿，赋体赋存于石墨片麻岩、石墨片岩中，围岩为黑云斜长片麻岩。主矿体走向NE，倾向SE，倾角50°左右，走向延伸1000 m以上，矿层厚12～80 m。

2.2 矿石矿化特征

主要矿石类型有石墨片岩型和石墨片麻岩型。

石墨片岩型主要为黑云石英片岩石墨矿石，鳞片粒状变晶结构，片麻状、片状构造；矿物成分主要为φ(石英)=74%～76%、φ(石墨)=21%～23%、φ(黑云母)=2%～4%和少量斜长石。

石墨片麻岩型主要为黑云斜长片麻岩石墨矿石，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造；矿物成分主要为φ(石英)=50%～52%、φ(斜长石)=26%～28%、φ(石墨)=9%～14%、φ(黑云母)=9%～11%和少量碳酸盐矿物。

在大理岩、石英岩、伟晶岩中，常见石墨矿化。石墨矿化大理岩中，石墨体积分数1%～2%±，片径一般小于0.5 mm。石墨矿化石英岩，石墨体积分数1%～2%±，片径0.2～5.0 mm。石墨矿化伟晶岩，石墨体积分数1%～2%±，片径0.5～10.0 mm，石墨沿矿物粒间分布，局部聚集成小块。

此外，还有少量金属矿物，主要为黄铁矿，次为赤(褐)铁矿、磁黄铁矿，以及黄铜矿、闪锌矿等。

2.3 石墨矿物特征

以鲁昂瓦晶质石墨矿为例，石墨片径集中在0.10～2.40 mm，结晶程度较高，晶体比较完整，半自形晶结构。灰色带褐、蓝灰色，反射多色性较强，片状、弯曲、扭折，强非均性，部分晶体具波状消光，部分比较破碎，大致定向，集合体呈条带状，断续分布(图4a)。存在3个片径范围，片径0.10～0.40 mm占10%，片径0.28～1.10 mm占15%，片径1.20～2.40 mm占75%。大部分石墨沿层理分布，部分沿脉石矿物粒间分布(图4b)。片径较小的石墨呈包体分布在脉石矿物中，呈筛状变晶结构(图4c)。部分晶体受后期应力作用呈弯曲、扭折状、碎裂状(图4d)。

图4 鲁昂瓦石墨矿石显微照片(反光)

2.4 石墨片度特征

以鲁昂瓦石墨矿为例，原矿石墨片度+100目含量大多大于95%，+50目含量大于67%。石墨矿石经选矿后，精矿+100目含量大多在54%～75%之间，+50目含量在12%～49%之间(表2)。如邦尤2号矿体，精矿+100目含量可达75%，+50目含量达38%④；林迪将波，精矿+50目含量可达49%⑥。

表2 纳钦圭阿石墨成矿带典型矿床石墨片度特征

3 矿石主量元素特征

以纳钦圭阿石墨矿为例，矿石类型为片岩-片麻岩型，从钻孔和探槽中采取10件样品进行主量元素分析，由国家建筑材料工业地质工程勘查研究院测试中心完成测试工作，分析方法为原子吸收分光光度法。主量元素分析结果见表3，各石墨矿石主量成分相似，主要的成分w(SiO2)=57.55%～78.92%，平均为69.88%；w(Al2O3)=3.61%～11.50%，平均为8.16%。其次，w(固定碳)=2.26%～10.98%，平均为5.98%；w(Fe2O3)=2.90%～7.07%，平均为4.85%；w(CaO)=0.09%～9.08%，平均为2.54%。再次，w(FeO)=0.36%～4.37%，平均为1.70%；w(MgO)=0.32%～3.66%，平均为1.36%；w(S)=0.05%～2.42%，平均为1.21；w(K2O)=0.35%～2.08%，平均为1.19%；w(Na2O)=0.09%～1.93%，平均为0.96%。总体特征为正常-铝过饱和型。

表3 纳钦圭阿石墨矿床矿石主量元素分析结果

综合以上主量元素分析可知：

(1)主量元素具有富硅铝贫钙特征，变质岩可能为副变质岩；

(2)SiO2含量与Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、S、P2O5含量呈明显负相关性，推测其原岩为酸性；

(3)造岩氧化物中除HQ7和HQ9外，K2O含量均高于Na2O含量，w(K2O)/w(Na2O)的平均值为1.24，变质原岩表现出沉积岩的特征，并可能混入少量火成岩。

4 矿床成因初析

4.1 原岩类型判别

根据DM肖(1972)提出的DF函数进行判别(表4)，DF>0为火成岩，DF<0则为沉积岩。样品中除HQ7属正变质岩，其他属副变质岩。根据西蒙南的尼格里值(al+fm)-(c+alk)-si图解判别(图5)，HQ7、HQ8属火山岩，HQ4-6、HQ9均为泥砂沉积岩，HQ1-3、HQ10投影到图外，原因是si较高，原岩为石英砂岩或硅质岩，或超酸性的火山岩。根据周世泰的K-A相关图解判别(图6)，HQ7为火成岩，HQ6、HQ9介于泥质粉砂岩与火成岩界线上，HQ5接近火成岩区，其他样品与DF函数判别类似，同时，固定碳含量有向泥质粉砂岩亚区增大的趋势。综合判别纳钦圭阿石墨片岩-片麻岩的原岩为富硅铝贫钙的砂质-泥砂质沉积，并混入少量火成岩。

图5 尼格里值(al+fm)-(c+alk)-si图解(据Symoner，1953，简化)

图6 正-副变质岩的K-A差别图解(据周世泰，1977)

表4 特征值计算结果表

4.2 碳质来源分析

碳的主要来源为有机碳、碳酸盐岩碳和地幔来源的岩浆碳，并具有不同的同位素组成区间。同属莫桑比克活动带片麻岩—片岩型石墨矿的马达加斯加Vohitasara石墨矿床，δ(13C)值为-22.85×10-3～-17.20×10-3[12]，Antonisoa石墨矿床δ(13C)值为-21.4×10-3～-20.1×10-3[13]，石墨碳质的来源主要是有机碳的沉积，可能掺杂部分无机碳来源。与坦桑尼亚班巴拉维石墨矿床类似[6]，纳钦圭阿石墨成矿带的石墨矿体呈层状、似层状、透镜状产出，与围岩呈渐变过渡关系，产状与围岩基本一致，具有较明显的沉积变质作用控制特征，没有发生大规模的成矿物质远程迁移，碳质成分主要来自原始沉积。围岩岩性主要为片岩—片麻岩—石英岩等，局部可见大理岩，初步分析认为，石墨碳主要来自原岩沉积过程中生物的繁殖和聚集。

DF=10.44-0.21w(SiO2)-0.32w(TFeO)-0.98w(MgO)+0.55w(CaO)+1.46w(Na2O)+0.45w(K2O))，适用条件是样品的w(SiO2)>53.5%。

4.3 成因初析

纳钦圭阿石墨成矿带所在的莫桑比克活动带，新元古代变质变形作用之前存在古老的大陆边缘[10]，这一时间形成了一套由含碳高硅富铝的泥砂质岩、石英砂岩和不纯碳酸盐岩所组成的沉积原岩。东、西冈瓦纳大陆的碰撞以及莫桑比克洋关闭引起了大量变质变形事件，多期次的变质变形事件形成了区内石墨矿床，尤其是610 Ma—660 Ma广泛发育的角闪岩相变质以及混合岩化[11]，使得这一成矿带石墨鳞片增大，品质提高。后期次的断裂构造对矿层有一定的切割破坏作用，在宏观上制约着含石墨岩系的分布，在微观上使得石墨鳞片断裂。

5 结论

(1)纳钦圭阿石墨成矿带位于莫桑比克活动带坦桑尼亚境内最南部，东西宽40 km，南北长120 km；区域地层为一套中高变质程度的沉积变质岩系，西侧第四系覆盖，东侧白垩纪砂岩出露，含石墨矿片岩、片麻岩，总体呈NE—NEE向展布。

(2)石墨矿体呈层状、似层状、透镜状产出，产状与围岩产状一致，一般存在多层矿体；矿体规模走向延伸500～10 km，矿体群宽度100～500 m，单层矿体厚度2～100 m，倾角从平缓至50°左右；固定碳平均品位4.05%～17.9%。

(3)矿石类型以石墨片岩型、石墨片麻岩型为主，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造；在大理岩、石英岩、伟晶岩中也常见石墨矿化；石墨鳞片主要沿层理分布，部分晶体受后期应力弯曲、折断。

(4)石墨原矿鳞片+100目含量大多数大于95%，+50目含量大于67%；石墨精矿鳞片+100目含量大多在54%～75%之间，+50目含量在12%～49%之间。

(5)地球化学初步分析，石墨矿石具高硅富铝贫钙特征，原岩可能为富碳的泥砂质沉积物，可能混入了少量火山质沉积物。新元古代多期变质作用形成了区内石墨矿，混合岩化作用可能使得石墨鳞片进一步增大。

致谢：本公司陈焦、杨波、李鹏飞等技术人员一起参加了野外工作，本文撰写过程中得到了陈春生、施建斌教授级高级工程师的指导，在此一并表示感谢！

注释：

① Graphex Mining. Annual Report, 2019.

② Graphex Mining. Quarterly Activities Report-Quarter ended 31 December, 2019.

③ Magnis Resources. Annual Report, 2016.

④ Volt Resources. Consolidated Annual Report, 2019.

⑤ Walkabout Resources. Maiden JORC Resource at Lindi Jumbo Graphite Project, 2016.

⑥ Walkabout Resources. Annual Report, 2019.