黑龙江省鸡西市东海石墨矿地质特征及成因探讨

朱随洲，王志浩，储照波，徐 建，金 刚

(1.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101； 2.中国冶金地质总局 山东正元地质勘查院，山东 济南 250101)

石墨耐高温性、导电性、润滑性、抗热震性、化学稳定性以及可塑性等特性，广泛应用于科技工程领域中，已被一些发达国家列为战略资源，严格限制开采和出口。中国石墨资源丰富，是我国的优势矿产资源，产量和出口量在世界市场上占主导地位[1]，但产业链中处于供应者地位，深加工技术非常薄弱。21世纪以来，石墨在众多领域取代金属和有机材料，具有良好的发展前景，黑龙江省石墨资源居全国首位，占全国资源储量的52.03%[2-3]。本文对鸡西市东海石墨矿的区域地质背景、矿区地质条件和矿体特征进行了初步分析，探讨了东海石墨矿的矿床成因，总结区域成矿规律和找矿方向，为后期石墨矿勘探工作提供基础地质资料。

1 区域地质背景

研究区位于兴蒙古生代造山带东端佳木斯地块南东部双鸭山—麻山隆起南东缘麻山隆起变质杂岩区内(图1)，主要断裂有东西向构造体系的青山—东海断裂及其有关的被动、北西向扭性断裂，断裂下盘的麻山岩群受断裂影响，裂隙发育，形成了容矿空间，区域东西向断裂发育早，多形成断陷盆地，不仅控制了含煤地层的发育和分布，也控制了热液矿化蚀变带。主要出露佳木斯地层分区双鸭山—鸡西地层分区中—新元古界麻山岩群余庆岩组混合质石墨片麻岩、石墨片岩、石英片岩、混合岩、白云质大理岩、橄榄石大理岩、矽线石片岩和变粒岩等；中生界下白垩统滴道组砾岩、中粗粒砂岩和火山岩，城子河组中细粒砂岩，穆棱组细砂岩和粉砂岩和东山组安山质集块岩、火山角砾岩和熔岩；新生界新近系橄榄玄武岩、气孔状玄武岩及玄武火山集块岩；新生界第四系黏土、粉砂、砂砾石层等。

图1 佳木斯地块麻山岩群变质杂岩分布Fig.1 Distribution of metamorphic complex of Mashan rock group in Jiamusi block

区域内岩浆活动频繁，呈岩基、岩枝、岩脉形式产出；主要发育有古元古代花岗岩组，晚二叠世花岗岩组和晚三叠—早侏罗世花岗岩组侵入岩；中生代集块岩、英安岩质凝灰岩、晶屑岩屑凝灰岩、英安质凝灰熔岩、凝灰角砾岩、凝灰砾岩、凝灰砂岩等。区域内变质作用类型主要为区域变质作用，变质程度主要为中—高温变质，归属于角闪岩相—麻粒岩相，主要包括混合岩、混合花岗岩，云母石英片岩、角闪透灰变粒岩、黑云斜长变粒岩、矽线石榴斜长片麻岩，含紫苏辉石斜长片麻岩、黑云斜长石墨变粒岩、黑云石英石墨片岩、矽线黑云石英片岩、大理岩、含石墨大理岩、含橄榄石大理岩、透灰大理岩和石英岩等。

2 矿区地质特征

2.1 地层

区内出露地层主要为中—新元古界麻山岩群余庆岩组(Pt2-3Y)和白垩系下统滴道组(K1d)、城子河组(K1c)(图2)。

图2 东海石墨矿矿区地质简图Fig.2 Geological map of graphite ore mining area in Donghai Graphite Deposit

(1)余庆岩组。区内出露的主要地层，地层走向为近北东向。岩性主要为石墨石英片岩、矽线石石墨石英片岩、绢云石英片岩、石墨云母片岩、二长片麻岩、变粒岩、混合岩和大理岩等。其中，石墨石英片岩为石墨矿体的主要岩性，另有少量石墨大理岩。

以矿区内二采区ZK0-1钻孔为例，自上而下地层岩性分别为：花岗岩(厚2.20 m)、石墨石英片岩Ⅸ石墨矿体(厚8.80 m)、花岗岩(厚7.70 m)、石墨石英片岩Ⅹ石墨矿体(厚3.00 m)、花岗岩(厚8.80 m)、石墨石英片岩家石墨大理岩Ⅺ石墨矿体(厚46.90 m)、花岗岩(厚7.20 m)、石墨石英片岩(厚5.55 m)、花岗岩(厚19.25 m)，层与层之间均呈侵入接触关系。

(2)滴道组。仅在区内一采区北部少量出露，不整合于中—新元古界麻山岩群余庆岩组之上，其底部界线因受基底地形的制约而弯曲，呈不规则状，主要岩性为火山碎屑岩和不同粒级的沉积岩夹不稳定的煤层，其中产植物化石，厚度大于130 m。

(3)城子河组。城子河组仅在核实区二采区东南部少量出露，近东西向分布，岩性以中细粒砂岩为主，夹粉砂岩、泥岩、凝灰岩及多层工业煤层。

2.2 构造

矿区位于东西向构造哈达砬子—马来山复向斜西段的南翼，一向北倾的单斜构造，地层走向50°～70°，倾向320°～340°，倾角40°～60°。

矿区南部有一较大的东西向断裂带，即萤石矿—东山断裂带(F0)及其相应的次级北西向扭性断裂。在一采区，该断裂带切割麻山岩群余庆岩组；而在二采区，则使得麻山岩群余庆岩组与白垩系地层成断层接触。在整个断裂带中，均有强弱不同的萤石矿化，有的形成矿体。在断裂带及其两侧，破碎带、各种构造岩及节理、裂隙发育。破碎带多平行断裂带分布，破碎带岩性混杂、松散，矿体附近的破碎带可见破碎岩石被石墨包裹。

区内构造形迹主要显示压性，在区域性南北向构造力作用下，形成了横贯本矿区的萤石矿—东山断裂带，并发育了3条北北西、北西向扭性断裂F1、F2、F3。其中，F1在原来基础上，受到岩性控制，并转化为东西向逆冲断层，该断层使一采区Ⅰ-1号矿体受挤压堆积，在地表形成厚大矿体。

2.3 侵入岩

区内无侵入岩出露，仅在部分钻孔中发现有花岗岩侵入体，主要是加里东早期白岗质花岗岩和中期斑状花岗岩。如二采区钻孔内发育花岗质侵入体，分布于矿床下盘，构成基底岩性为白岗质花岗岩。

2.4 地球物理特征

矿区面积较小，全区自然电位整体较低，大部分处于异常区内，自然电位ΔV值多在-100～-300 mV，背景部分很少。只在工作区西北部及东南部出现局部正场，ΔV在50～100 mV。区内异常四周均未封闭，矿区共圈定2处自然电位异常，编号为ΔV-1、ΔV-2。

(1)ΔV-1异常。位于工作区东部114—128线，呈宽带状，北东东向展布，控制长1 400 m，平均宽200 m，北东端未封闭；异常值一般在-300～-500 mV，异常中心位于118—124线，极大值出现在118线159号点，ΔVmax=657.5 mV。该异常ΔV剖面曲线较尖陡，梯度较大，异常较集中，各剖面连续性较好。

(2)ΔV-2异常。位于工作区西部100—116线，呈不规则的宽带状，整体近东西走向；控制东西向长1 600 m，异常东段较集中，宽250 m，西部变得分散；东、西、北部均未封闭。异常值多在-300～-400 mV，ΔV剖面曲线较宽缓，异常区内出现多处极大值，ΔVmax=452～496 mV。

总之，区内自然电位异常强度较高，连续性较好，推断异常为含石墨矿(化)体地层引起。在两处自电异常之间存在明显异常错位的现象，推断为一处北西向断裂构造带存在。

3 矿床地质特征

东海石墨矿床位于哈达砬子—马来山复式向斜南翼中—新元古界麻山岩群余庆岩组中，矿床呈北东东展布(70°～80°)，倾向340°～350°，倾角50°左右，长近3 000 m，宽200～400 m，共30余条矿体，呈似层状、薄层状、透镜状、不规则状大致平行分布，矿体的产出严格受地层控制。此次未对以往报告中位于本次核实范围外的矿体做核实工作，主要矿体在核实区内规模较大，矿体长356～708 m，倾向延深104～290 m，矿体平均真厚度11.56～31.59 m，资源量占资源总量的73.58%。

3.1 矿体特征

此次工作共圈定矿体34个(表1)。其中，一采区矿体12个，二采区矿体22个。主要矿体4个(一采区Ⅰ-1，二采区Ⅰ、Ⅲ、Ⅵ)，次要矿体5个(一采区Ⅱ、Ⅲ，二采区Ⅳ、Ⅹ、Ⅺ)，其余为零星矿体。

表1 石墨矿体特征Tab.1 Characteristics of graphite ore body

3.1.1 矿体分布特征

(1)一采区矿体分布特征。因萤石矿—东山断裂带经采区南部通过，造成采区内构造形态复杂，Ⅰ-1号矿体变厚，Ⅲ号矿体被F2、F3断层切成3段，且石墨矿体多为薄层状，出露厚度小，矿体分散，够不成一定的可采规模。矿体主要位于采区南部，部分矿体向西南延伸至核实区范围之外，共查明石墨矿体12条，东西长约1 250 m，南北宽400 m，含矿地层为麻山岩群余庆岩组，岩性主要为石墨石英片岩、矽线石墨石英片岩、绢云石英片岩、方解石大理岩和二长片麻岩等。矿体呈不规则状、似层状、薄层状产出，单层厚度2.12～29.25 m，长度95～356 m，Ⅰ-1号矿体受构造影响较大，使其地表形成厚大矿体，局部出现分枝复合，而延伸方向迅速尖灭，延深在50～132 m，各矿体之间呈近似平行排列，间距为15～30 m，倾向北，倾角在45°～56°，矿体直接围岩为含石墨石英片岩、大理岩、混合花岗岩、碎粒岩。Ⅱ、Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3号矿体位于矿区东部，含矿岩性为石墨石英片岩，呈似层状产出，厚度8.56～14.87 m，长度61～496 m，延深50～118 m，Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3号矿体为一层状矿体因构断层影响成为3个不连续矿体，矿体倾向北，倾角37°～47°。矿体直接围岩为含石墨石英片岩、大理岩。

(2)二采区矿体分布特征。受断裂带影响较小，矿体影响微弱，仅部分局部发生挤压破碎现象。石墨矿床位于矿区中西部，部分矿体向北东方向延伸至核实范围之外，沿北东东向展布，共查明石墨矿体22条，东西长1 300 m，南北宽350 m，含矿地层为麻山岩群余庆岩组，岩性主要为石墨石英片岩、矽线石墨石英片岩、绢云石英片岩、方解石大理岩等。含矿层出露厚度200～600 m，长约1 300 m，主要含矿岩性为石墨石英片岩、石墨矽线石石英片岩、石墨大理岩。矿体呈层状、似层状、薄层状、透镜状产出，矿体长100～708 m，矿体延深控制一般在50～290 m，厚5.02～27.89 m，各个矿体之间呈近似平行排列，间距3～35 m，倾向北倾，倾角30°～65°。矿体直接围岩为含石墨石英片岩、大理岩、混合花岗岩。

3.1.2 矿体地质特征

(1)一采区Ⅰ-1矿体。分布于1—6线，由8个工程控制，地表为6条探槽，深部为2个钻孔，地表出露最高标高+326 m。矿体呈不规则状，走向东西，倾向2°，倾角48°～56°，区内矿体控制长度356 m，控制斜深104 m。单工程真厚度3.20～70.02 m，平均真厚度31.59 m，厚度变化系数为73.74%，属厚度变化不稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位13.24×10-2，最低品位0.98×10-2，矿体平均品位5.74×10-2，品位变化系数41.67%，属于矿石质量较稳定型。含矿岩性为石墨石英片岩，顶、底板均为混合花岗岩及含石墨石英片岩。矿体含夹石，形态为透镜状，厚度8 m左右，岩性为混合花岗岩，规模较小。Ⅰ-1矿体南侧有东山断裂带通过，西南侧有东山断裂带次级断裂F1，该构造特点使一采区Ⅰ-1号矿体受挤压堆积，在地表形成厚大矿体。

(2)二采区Ⅰ矿体。分布在9—20线，由11个工程控制，地表为7条探槽，深部为4个钻孔，地表出露最高标高+301 m。矿体呈似层状，走向近东西，倾向345°，倾角33°～65°。区内矿体控制长度608 m，控制斜深130 m。单工程真厚度1.80～26.67 m，平均真厚度11.56 m，厚度变化系数为78.97%，属厚度变化不稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位12.75×10-2，最低品位0.48×10-2，矿体平均品位5.10×10-2，品位变化系数40.78%，属于矿石质量较稳定型。含矿岩性为石墨石英片岩，顶、底板均为混合花岗岩及含石墨石英片岩。

(3)二采区Ⅲ矿体。分布在13—20线，由21个工程控制，地表为8条探槽，深部为13个钻孔，地表出露最高标高在+314 m。矿体呈似层状，走向近东西，倾向345°，倾角30°～64°。区内矿体控制长度708 m，控制斜深190 m。单工程真厚度6.49～92.65 m，平均真厚度27.89 m，厚度变化系数为81.13%，属厚度变化不稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位17.75×10-2，最低品位0.48×10-2，矿体平均品位6.59×10-2，品位变化系数43.49%，属于矿石质量较稳定型。含矿岩性为石墨石英片岩，顶、底板均为混合花岗岩及含石墨石英片岩。16线顶部见透镜状混合花岗岩夹石，厚度约为3 m。

(4)二采区Ⅵ矿体。分布在0—32线，由13个工程控制，地表为8条探槽，深部为5个钻孔，地表出露最高标高在+320 m。矿体呈似层状，走向近东西，倾向346°，倾角42°～62°。区内矿体控制长度684 m，控制斜深130 m。单工程真厚度5.61～37.39 m，平均真厚度16.42 m，厚度变化系数为55.16%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位14.95×10-2，最低品位0.33×10-2，矿体平均品位4.89×10-2，品位变化系数51.74%，属于矿石质量较稳定型。含矿岩性为石墨石英片岩，顶、底板均为混合岩及含石墨石英片岩。

3.2 矿石质量

(1)矿石结构和构造。矿石结构主要为鳞片粒状变晶结构，少量粒状变晶结构。前者石墨呈鳞片状，鳞片延长方向大致定向排列，集合体或单个片状产出，分布在石英、长石、云母等脉石矿物晶粒间，石墨片具有一定的方向性；后者石墨呈粒状，常呈单个粒状分布于石英、长石等矿物晶粒间，部分组成团块状集合体。矿石构造有片状构造、块状构造，以片状构造为最常见。前者由片状、鳞片状石墨稍定向排列所构成的片状构造；后者由鳞片状、粒状的石墨组成团块状集合体，石墨含量较高。

(2)矿石矿物组成。矿石矿物以石墨为主，石墨含量5%～25%，固定碳含量最高25.62×10-2，脉石矿物主要以石英(50%～70%)、绢—白云母(5%～35%)、矽线石(5%～10%)为主，少见绢云母、黑云母、绿泥石、电气石、石榴石等矿物，偶见方解石(45%～80%)，另含有少量黄铁矿、钛铁矿、黄铜矿等金属矿物。石墨矿物，肉眼见黑色，鳞片状，大致呈定向分布于岩石中，显微镜下呈灰白反射色，双反射明显，强非均质性，具暗棕—暗蓝偏光色。

(3)矿石化学成分。矿石的基本成分为硅、铝，二者占矿石的60%～70%，CaO、MgO、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O等占岩石的15%左右，其余为挥发组分。经对矿区区内参与资源储量估算的石墨矿固定碳品位进行统计计算，样品数1 358件(含详查阶段探槽样品)，固定碳(C)含量最高25.62×10-2，最低0.10×10-2，标准差2.79，平均品位5.74×10-2，变化系数48.67%。将固定碳含量大于16.50%部分合并后，其形态大致呈对数正态分布(图3)，若剔除矿体圈算过程中带入的夹石后，样品数1 295件，固定碳含量最高25.62×10-2，最低2.00×10-2，标准差2.51，平均品位5.97×10-2，变化系数44.41%。说明核实区内的矿石品位变化较稳定。

图3 矿区固定碳品位频数分布直方图Fig.3 Histogram of frequency distribution of fixed carbon grade in mining area

3.3 矿石风(氧)化带特征

此次工作主要是通过对钻孔岩心的编录确定风化带的界线，具体划分依据如下：岩石破碎、岩心不完整、节理裂隙发育、裂隙面具有棕色或褐色铁锰染、长石普遍高岭土化、矿石硬度低，以此作为划分风化带的依据。地表至强风化带下限间为风化矿石，强风化带下限以下为原生矿石。剖面上各工程的强风化带下限深度为1.50～15.00 m，区内平均强风化带深度为6.80 m。

(1)风化带标志及特征。①第四系残坡积物。矿体从地表向下1～3 m，局部3～5 m，为全风化带，岩心成泥状，矿石结构难以辨认，云母等矿物多高岭土化，部分地段的石墨矿物多呈黑色土状物。②强风化带石墨矿体。节理裂隙发育，岩心破碎，不完整，矿石硬度低，节理面上有较多灰色或灰绿色泥状物质，硫化物已全部被铁锰氧化物所取代，各工程的强风化带深度1.50～15.00 m，平均深度6.80 m。在9个钻孔中，强风化带以上共采取了29件基本分析样品，单样固定碳最高品位8.32×10-2，最低品位0.23×10-2，平均品位2.60×10-2。③弱风化带。深度4.70～60.60 m，平均深度20.10 m，矿体风化较弱，裂隙不发育，岩石较完整，沿层面及裂隙面略有变色，可见棕色或铁锈色铁锰氧化物。

(2)风化矿石特征。①第四系残坡积物中的矿石。多呈土状，石墨矿物呈黑色泥状，云母大部分呈土状物，石英呈砂状，部分矿石中的石墨和脉石多已解离，矿石易于加工，但回收率低。②强风化带中的石墨矿石。由于云母、石英受风化作用的影响，硬度变低，结构松散，使矿石在选矿在加工过程中脉石矿物与矿石矿物易于解离，使原生石墨鳞片在矿石加工中容易得到保护。③弱风化带中的石墨矿石。节理裂隙发育程度低于强风化带，矿石的结构、构造、物理性能保持原岩的特点，除部分云母高岭土化外，石英及其他矿物等无明显变化，加工技术性能低于强风化带中的矿石。

3.4 矿石类型和品级

矿区石墨矿石自然类型按矿石的结构、构造和矿物成分等特征，可划分为片岩型石墨矿和碳酸盐岩型石墨矿2种[4-7]。其中，以片岩型石墨矿为主，大理岩型石墨矿仅在二采区个别钻孔见到。

(1)片岩型石墨矿。片岩型石墨矿石中依据矽线石含量不同可划分为石英片岩型和矽线石片岩型2个亚类(图4)。此矿石类型矿区主要矿石自然类型，矿石为鳞片粒状变晶结构，定向、片状构造，少见定向构造(图2)。

图4 片岩型石墨矿特征Fig.4 Characteristics of schist graphite ore

(2)碳酸盐岩型石墨矿。此类型矿石为石墨大理岩(图5)，鳞片粒状变晶结构，块状、定向构造，仅在二采区西北部工程中出现，分布少，钻孔揭露厚度小于4 m，且夹在片岩型矿石内，此次工作未单独对其评价。

图5 石墨大理岩特征Fig.5 Characteristics of graphite marble

矿石中主要矿石矿物为单一的晶质石墨，不论是片岩型石墨矿，还是少数的碳酸盐岩型石墨矿，本区石墨矿石均属同一工业类型，即晶质(鳞片状)石墨矿石。按其风化程度又可分为2个亚类：风化石墨矿石和原生石墨矿石。前者分布在地表及附近强风化带内的矿石，质地较松软，节理裂隙发育，矿物成分变化黄铁矿风化为褐铁矿，矿石中长石多有高岭土化、黑云母绢云母化等，其在全区均有分布，受地形及地下水位影响其深度在各勘查线有所不同；后者为强风化带以下的矿石，界面以下仅在裂隙面上见到风化现象，矿石较坚硬，采矿难度相对增加，区内脉石不发育，矿体内夹石较少规模小。

3.5 矿体围岩和夹石

(1)矿体围岩。根据围岩性质及与矿体的接触关系，大致可分2类：①与矿体为渐变关系的，以含石墨石英片岩为主的矿体围岩，石墨含量1%～3%，固定碳品位0.74×10-2～2.89×10-2，分布在矿体顶板、底板，与矿体呈渐变关系；②花岗岩、混合花岗岩、大理岩等，这类岩石含石墨较少，石墨含量1%以下，固定碳品位0.37×10-2～1.02×10-2，与矿体界线清楚，多为整合接触，局部混合花岗岩与矿体接触边界不规则。

(2)矿体夹石。矿区内共有夹石8条(真厚度>2 m的非矿岩石)，夹石较少，呈层状、透镜状，规模较小。其中一采区为3条，分别为Ⅱ号矿体内的JS1/JS2号夹石和Ⅰ-1号矿体内的JS3；二采区夹石有5条，分别为Ⅰ号矿体内的JS1、Ⅲ号矿体内的JS2/JS5以及Ⅵ号矿体内的JS3/JS4。

4 矿床成因和找矿标志

4.1 矿床成因

矿区石墨矿为沉积变质型石墨矿[5，8-10]，矿体赋存于中—新元古界麻山岩群余庆岩组变质岩层中。根据矿区石墨岩系的特征以及矿体产状、形态、矿石结构、构造、矿物组合、岩石化学特征和矿体复层状产出的特点分析，石墨岩的原岩系属正常沉积岩，原始沉积物为砂泥质、富铝半黏土质、黏土质、富含碳质的泥岩及富镁碳酸盐系列，沉积物特征反映为浅海沉积环境[5，10]。根据柳毛石墨矿及围岩稳定同位素碳的研究，石墨矿石中的碳质来源于生物有机碳[11]。石墨矿层的原岩为含有机质富铝的黏土岩及有机质含量较高的黑色页岩。原岩经过区域变质及混合岩化等复杂的地质作用，形成了晶质石墨矿石。矿石中石墨含量的贫富，主要取决于原岩中有机碳成分的多少，碳质成分含量高，石墨含量则高；石墨鳞片的大小，主要取决于矿体所处的构造位置、区域变质作用及混合岩化作用的温度、压力等条件，若条件适宜，则可形成大鳞片石墨[12]；后期剧烈的构造活动，对石墨片起破坏作用。构造发育地段，矿石中的石墨鳞片受到严重破坏，鳞片产生“脆化”现象不利于选矿[13]。后期的混合岩化作用，一方面使附近的石墨鳞片增大，同时由于脉体含量增多，降低固定碳品位，影响矿石质量。

4.2 找矿标志

(1)石墨矿床与中压高温区域动力热变质的片岩类和变质的石英岩类有直接的关系[6，9]。含石墨石英片岩、矽线石石英片岩和含石墨大理岩等均是寻找石墨矿的直接标志。变质特征矿物，含量高的白云母、绢云母和含量较少的黑云母及较少量的透闪石、透辉石，少量红柱石和石榴石等。

(2)物探自然电位测量寻找石墨矿是比较好的有效间接找矿方法。自然电位ΔV负异常值高的地方见石墨矿可能性较大[14-15]。

5 结论

(1)鸡西市东海石墨矿赋存于中—新元古界麻山岩群余庆岩组石墨石英片岩中，共圈定矿体34个，呈似层状、薄层状、透镜状、不规则状大致平行分布，为典型的沉积变质型石墨矿。

(2)矿体的产出严格受地层控制，一采区受萤石矿—东山断裂带影响，形态复杂，部分矿体切成2段或3段；含矿岩性主要为石墨石英片岩、矽线石墨石英片岩为主；矿石矿物以石墨为主，石墨含量5%～25%，固定碳含量0.10×10-2～25.62×10-2，平均品位5.74×10-2；矿石类型以片岩型石墨矿为主，碳酸盐岩型石墨矿为辅。

(3)中压高温区域动力热变质的片岩类和石英岩类与物探自然电位负异常为良好的找矿标志。