南秦岭西峡县尹家沟石墨矿床地质特征及成因分析

吴园园，余智慧，陈昊龙，王剑锋，郭荣鑫，王巧玲

(1.河南省有色金属地质矿产局第七地质大队， 河南 郑州 450016； 2.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心， 河南 郑州 450016)

0 引言

河南淅川—陕西商南石墨矿带是河南三条主要的石墨矿带之一(薛天闯等，2016)，通过以往所做工作，河南境内目前在该条石墨成矿带上已经发现了小陡岭、下大扒、五里梁、柳树沟、徐家湾—李家营等大型、超大型晶质石墨矿床，探获的石墨资源量累计已经超过3000万吨。本次工作新发现的尹家沟石墨矿是该条石墨矿带上又一个具有大型规模的晶质石墨矿床。该条石墨矿带上以往的工作和研究资料表明，除了个别石墨矿床(刘新新，2015；赖群生，2017；蔡文春等，2020)之外，多数石墨矿床的沉积环境、矿床成因等仅进行了初步的研究和推测(于吉林和邱冬生，2012；曹芳芳等，2012；曹渊等，2017①；谢珂等，2018；胡伟等，2019；赖群生等，2019；徐宪立等，2020)。本次工作通过一系列的野外地质勘查手段及室内岩矿测试分析结果，初步阐述了西峡县尹家沟石墨矿床地质特征，并与区域上以往发现的石墨矿床进行综合对比研究，进而探讨了项目区石墨矿床成因类型，为淅川—商南石墨矿带石墨找矿和进一步研究提供了支撑。

1 区域成矿地质背景

研究区地处秦岭造山带南秦岭小陡岭—老灌河石墨成矿带的中部偏东地段，位于淅川和木家垭—内乡两大断裂之间。区域上构造形态以NW向为主，石墨成矿带赋存于古元古界大沟岩组中，地层区划属扬子地层区南秦岭地层分区淅川小区(图1)(吴园园等，2019②)。

图1 河南省石墨成矿带分布特征(据燕长海等，2009)A1、A2、A3—华北地台南缘灵宝一鲁山一舞阳石墨成矿带灵宝小秦岭北坡段、鲁山段、舞阳段；B—秦岭造山带北秦岭朱阳关—柳泉铺石墨成矿带；C—秦岭造山带南秦岭小陡岭—老灌河石墨成矿带；Ⅰ—华北板块；Ⅰ1—华北陆块南缘；Ⅰ2—北秦岭构造带；宽坪构造岩片；二朗坪构造岩片；秦岭构造岩片；Ⅱ—扬子板块；Ⅱ1—南秦岭构造带；信阳构造岩片；陡岭构造岩片；Ⅱ2—扬子陆块北缘；①—三门峡—鲁山断裂；②—栾川断裂；③—瓦穴子断裂；④—朱阳关—夏馆断裂；⑤—商丹断裂；⑥—木家垭—内乡断裂；⑦—淅川断裂

区域内以广泛出露古元古界陡岭群大沟岩组地层为特征，另出露少量的中元古界毛堂群姚营寨组，新元古界耀岭河组，震旦系、下古生界周进沟组，寒武系、奥陶系地层，零星出露志留系、泥盆系、石炭系、白垩系以及第四系等地层(王巧玲等，2020)。其中陡岭群大沟岩组为一套近源快速堆积的含碳质陆源碎屑岩——基性火山沉积岩建造，局部夹少量碳酸盐建造(赖群生，2017)，构成了本区石墨矿的主要赋矿层位。

区域内岩浆岩广泛发育，岩浆活动强烈，相对集中分布于木家垭—内乡和淅川两大断裂之间，总体与构造方向一致；从古元古代一直到中生代岩浆活动从未间断，以中性—中酸性侵入岩为主。

2 矿床地质特征

研究区内出露的地层由老到新依次为古元古界陡岭群大沟岩组(Pt1d)、中元古界毛堂群姚营寨组二段(Pt2y2)以及河流两岸及山谷中的新生界第四系(Q)(图2)。其中大面积出露的古元古界陡岭群大沟岩组一段的白云母石墨片岩和石墨斜长片麻岩为本次研究区内石墨矿的含矿岩石，该套含矿地层主要出露于研究区的北中部及南部少量地区，总体呈NW向分布，倾向为北东，局部地区由于受到后期岩体的侵入，因此倾角变化较大，为22°～85°；古元古界陡岭群大沟岩组二段以斜长角闪片岩出露为主，局部为白云母片岩，出露于研究区的北中大部分地区；中元古界毛堂群姚营寨组二段极少量的出露于研究区东南角，主要岩性为变流纹岩、变玄武岩等熔岩。区内的构造不发育，仅出露一条滑脱韧性剪切带F1且对矿体的影响较小，研究区南部出露大面积中酸性侵入岩，该侵入岩体与大沟岩组热接触变质，使石墨矿片度增大。

图2 尹家沟石墨矿区地质简图1—第四系全新统砂砾石层；2—古元古界大沟岩组一段白云母石墨片岩、石墨斜长片麻岩等；3—古元古界大沟岩组二段斜长角闪片岩夹少量白云母片岩等；4—新元古代早南华世鹰爪山片麻状闪长玢岩；5—新元古代早南华世封子山片麻状中粒花岗闪长岩；6—新元古代早南华世边杆岭片麻状石英闪长岩；7—古元古代灵官垭杂岩；8—韧性剪切带及编号；9—石墨矿夹石；10—石墨矿层及编号；11—勘探线及编号

2.1 矿体特征

通过本次工作，共发现27个石墨矿体，其中I4-1、Ⅰ5-1、Ⅰ6-1、Ⅰ7-1四个矿体为新发现的具有较大规模的主要矿体，其特征见表1。各矿体总体呈层状、似层状平行展布，个别石墨矿体沿走向和倾向存在分支复合情况，总体产状与地层产状保持一致(图3)。矿体顶底板多以含石墨白云母片岩、角闪斜长片麻岩、含石墨石英片岩等为主。

2.2 矿石特征

石墨矿石类型以白云母石墨片岩型为主，石墨斜长片麻岩型为辅。矿石结构总体以鳞片变晶结构为主，仅在研究区南部F1附近见有一部分的碎裂结构和糜棱结构。矿石构造多发育为片状、片麻状构造，局部可见少量的块状构造和条带状构造。矿石矿物主要为石墨，含量占比5%～30%，主要以银灰色单矿物的形式存在于矿石之中，主要以单晶片的形式产出，少量以聚晶或者连晶形式存在，且在本次研究中发现的石墨晶体大多挠曲和弯曲，鳞片定向排列，平行于片理和片麻理方向，局部以斑点、团块状乃至条带状或条纹状的形式富集。单晶石墨的粒径大小在0.01～0.5 mm之间。石墨鳞片质地柔软，用手触摸时光滑且污手较强(图4)。另含有少量的其他矿物，如黄铁矿、黄铜矿、白铁矿等。

表1 主要矿体特征一览表

图3 石墨矿勘查线地质剖面图1—古元古界大沟岩组；2—新元古代早南华世封子山片麻状花岗闪长岩；3—新元古代早南华世鹰爪山片麻状闪长玢岩；4—含石墨白云母片岩；5—斜长角闪片麻岩；6—花岗闪长岩；7—闪长玢岩；8—韧性剪切带及编号；9—石墨矿体产状；10—石墨矿体及编号；11—槽探位置及编号；12—钻孔位置及编号

白云母石墨片岩型矿石的脉石矿物主要为白云母(20%～25%)、石英(30%～35%)，少量斜长石(4%～6%)、黑云母、绢云母、方解石等。石墨斜长片麻岩型矿石的脉石矿物主要为斜长石(35%～60%)、石英(20%～45%)，少量白云母、角闪石、透辉(闪)石、黑云母、绢云母、方解石等，两种矿石都含微量榍石、石榴子石、磷灰石、金红石、锆石、绿帘石等。

图4 尹家沟石墨矿形态及显微照片a、b—地表石墨矿；c、d—深部石墨矿；e—石墨矿薄片；f—石墨矿光片矿物缩写：Gr—石墨；Ccp—黄铜矿；Mrc—白铁矿

2.3 矿石化学成分

根据矿石与围岩的地球化学主量元素分析结果(表2)，各岩石样品中的主量元素含量差异很大的原因可能是由于变质作用、蚀变作用等因素对活动性较大元素的极为强烈的影响所致(张腾飞，2015)。样品中SiO2含量58.8%～83.3%，平均65.57%，含量较高；Al2O3含量较高，为11.1%～16.17%，平均13.13%；K2O含量1.92%～4.0%，平均3.12%；Na2O含量0.8%～2.33%，平均1.38%；CaO含量0.9%～2.13%，平均1.65%；MgO含量2.0%～2.75%，平均2.25%；以上Si、Al较高，Mg、Ca较低，显示出副变质岩特点，属长英质岩系，而变质岩的TiO2-SiO2图解也显示为副变质岩(图5)。Na2O+K2O为4.0%～5.0%，平均4.50%；Na2O/K2O为0.2%～1.21%，碱度指数(A/NK)为2.09～2.74较低，铝过饱和指数(A/CNK)为1.3～1.67，平均1.53>1较高，烧失量较低(2.67%～12.1%)，平均为7.92%，与原岩为沉积岩的特征比较吻合，同时，也具有孔兹岩系的特点(副变质岩，含Al2O3高)。

表2 石墨矿石与围岩主量元素组成/%

图5 变质岩的TiO2—SiO2图解(底图据Tarney，1976)

图6 石墨矿(al+fm)-(c+alk)-si图解a(底图据Simonen，1953)及Zi/TiO2-Ni图解b(底图据Winchester et al.，1980)

3 讨论

3.1 原岩恢复

(al+fm)-(c+alk)-si图解在恢复变质岩原岩类型上效果较好(周世泰，1984；王仁民等，1986)，在该图解中所有样品全部落入泥质沉积岩和砂质沉积岩区(图6a)。而区内矿石样品的Zr/TiO2-Ni图解(图6b)与图6a所反映的情况基本一致，也全部落在了沉积岩区，显示为典型的副变质岩特点(阎昆等，2021)。

在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-Σ图解(图7a)中，样品落入复矿砂岩区、杂砂岩区、复矿粉砂岩区、长石质砂岩区；在(Na2O/K2O)-(SiO2/Al2O3)图解(图7b)中，样品落入杂砂岩区、长石砂岩区。

综合以上各地球化学图解的结果，不难得出尹家沟石墨矿床的矿体原岩为沉积岩这一结论，再结合区域上地质概况以及岩相学特征综合研究初步判定，尹家沟石墨矿变质原岩为含碳质杂砂岩和长石砂岩。

3.2 沉积环境

根据相关研究结果显示，最近几年，沉积岩的构造环境多数学者都采用主量元素参数ω(Al2O3)/ω((Al2O3+Fe2O3)来进行判断(Jewell and Stallard，1991)，当比值区间属于0.1～0.4时，表明其为洋脊海岭沉积构造环境；当比值区间属于0.4～0.7时，表明其为远洋深海沉积构造环境；当比值区间属于0.7～0.9时，表明其为大陆边缘沉积构造环境。通过计算，ω(Al2O3)/ω((Al2O3+Fe2O3)的比值为0.60～0.91，平均值为0.72，与大陆边缘沉积构造环境相似。为了更加准确地判断尹家沟石墨矿变质岩系原岩的构造环境，使用化学图解log(K2O/Na2O)—SiO2进行判别(图8)，该构造环境判别图解显示，所有样品的投点均落在岛弧和活动大陆边缘区域，与陡岭群片麻岩具有以切割的岩浆弧为源区的沉积杂砂岩的地球化学特征，其所反映的沉积环境更加接近于大陆岛弧是吻合的(Bhatia，1985)。

图7 石墨矿(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-Σ图解a(底图据Неелов，1974)及(Na2O/K2O)-(SiO2/Al2O3)图解b(底图据Pettijohn et al.，1972)Ⅰ—石英砂岩、石英岩；Ⅱ—少矿砂岩、石英砂岩；Ⅲ—复矿砂岩；Ⅳ—长石砂岩；ⅤⅥ—钙质砂岩、含铁砂岩等；Ⅵ—化学上弱分异的沉积物(a—主要为杂砂岩；b—主要为复矿粉砂岩；c—泥质砂岩和寒带、温带气候的陆相粘土)；Ⅶ—化学上中等分异的粘土-寒带、温带气候的海相和陆相黏土；Ⅷ—潮湿气候带化学上强分异的黏土；Ⅸ—碳酸盐质含铁的黏土；Ⅹ—泥灰岩；Ⅺ—硅质泥灰岩、含铁砂岩等；Ⅻ—含铁石英岩(碧玉铁质岩)

图8 log(K2O/Na2O)—SiO2构造环境判定图解(底图据Roser and Korsch，1986)

根据研究区内采集分析的岩矿石样品的岩石地球化学特征分析结果以及各类判别图解结果综合判断，沉积岩为尹家沟石墨矿变质岩的原岩类型，研究区内变质岩系的原岩具大陆岛弧的特征。因此认为尹家沟石墨矿变质岩系的原岩可能形成于大陆岛弧沉积环境，与区域上典型石墨矿床即淅川县小陡岭石墨矿成岩成矿构造环境是可类比的，是相似的。

3.3 矿床成因

尹家沟石墨矿赋存于古元古界陡岭群大沟岩组的副变质岩系中，矿体赋存形态严格受含矿地层控制，矿体以层状、似层状平行分布为主，产状与围岩基本一致，且矿体与围岩的界线以互层关系为主，少量的渐变关系，含矿岩石的原生沉积特征比较明显。矿体内的石墨含量变化较小，比较稳定，反映了矿体的物质来源和含矿围岩的物质沉积成分具有同时性，说明矿体的成矿物质来源未进行过大规模的运移，只是在变质作用的影响下重组合、重结晶进而形成石墨，显示出变质矿床的特征。

关于碳质来源，据陈衍景等(2000)对中国北方石墨矿及其赋矿孔兹岩系的碳同位素研究表明，有机成因和无机成因都有其存在的依据，其不同的矿床类型对应不同的成因类型：片岩、片麻岩中的石墨主要是有机成因类型，而透辉岩、大理岩、混合岩化岩石中的石墨是有机和无机的混合成因类型。尹家沟石墨矿的矿石类型为白云母石墨片岩型和石墨斜长片麻岩型，碳质来源主要为原岩沉积中的有机质。石墨矿体的层位产出规律以及宜昌研究所对该区石墨矿石的研究发现都说明了大沟岩组已经繁殖了早期生物。由于受到长期的区域地质作用，生物腐殖质变成有机碳，在原岩沉积过程中蒸发逸出，最终结晶形成鳞片状石墨，因此尹家沟石墨矿属于有机碳成矿。

区域变质作用、后期的混合岩化作用以及岩浆热液侵入变质作用都对石墨矿的形成及富集有很大的影响，主要取决于温度和压力，对于该区出露的鳞片状晶质石墨矿来说，持续的区域变质作用是其最主要的控矿因素。

根据研究区的岩石地球化学特征以及各类地球化学判别图解结果综合判断，尹家沟石墨矿床的矿体原岩为沉积岩，各个样品的全碱含量较低，铝饱和指数较高，也表现出其原岩为沉积岩的特点。项目区南部广泛发育古元古代—新元古代南华纪中—中酸性侵入岩，而尹家沟石墨矿区内主矿体都集中在南部大沟岩组地层中，南部石墨矿体的片径比北部矿体大，品位比北部矿体高，说明后期中酸性侵入岩使得石墨矿层受热进而重新结晶、重新聚集，最终片度再次增大，品位变高，这一现象说明岩浆岩的侵入为更好的形成石墨矿床提供了较好的热力条件(边敏等，2018)。因此认为沉积变质型为本次研究区内石墨矿床的成因类型，并且该石墨矿床具有明显的后期叠加热接触变质进而富集的特点。

4 结论

(1)尹家沟石墨矿体赋存于古元古界陡岭群大沟岩组一套中深变质的副变质岩系中，属于淅川—商南石墨成矿带的一部分。矿层于地表直接出露，其赋存形态完全受含矿地层的控制和影响，矿体多以层状、似层状平行分布为主，产状与围岩基本相同。研究区内石墨矿的矿石类型以白云母石墨片岩型为主，少量的石墨斜长片麻岩型。地球化学特征表现为高Si、高Al、低碱、低烧失量的特点。

(2)尹家沟石墨矿的变质原岩为含碳质的杂砂岩和长石砂岩。其含矿建造形成于大陆岛弧沉积环境。尹家沟石墨矿为有机碳成矿，持续的区域变质作用是最主要的控矿因素。属于典型的沉积变质型矿床，并具有后期热液叠加富集的特征。

(3)尹家沟大型晶质石墨矿床的发现，再一次证明了沿淅川—商南石墨成矿带具有较好的找矿前景，区域上陡岭群大沟岩组地层判断还有大型晶质石墨矿床存在，为本区今后勘查石墨矿指明了方向和标志。同时本次研究成果也为淅川—商南石墨矿带的进一步探讨和研究提供了一定的依据和支撑。

注 释

① 曹渊, 蒋永芳, 蒋朝军, 张云政, 吕伟庆, 张晨曦, 田修启, 庞学勇, 王军强, 金辉, 李爽, 张衡, 侯四周, 殷建锋, 李沛. 2017. 河南省淅川县下大扒矿区石墨矿普查报告[R]. 河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院, 1-62.

② 吴园园, 余智慧, 张云贺, 李莉, 李晓姣, 孙春霞, 杨薇, 李淑军, 李原, 何美香, 李维振, 王亚北, 袁要伟, 乔海霞, 陈昊龙, 李京, 王剑锋, 王巧玲, 王冠华. 2019. 河南省西峡县尹家沟矿区石墨矿普查报告[R]. 河南省有色金属地质矿产局第七地质大队, 1-77.

③ 吕伟庆, 曹渊, 张云政, 张衡, 靳拥护, 王令全, 瓮纪昌, 云辉, 蒋朝军, 张晨曦, 蒋永芳, 陈晓龙, 白洪阳, 杜春阳, 黄培明, 张照斌, 王鹍, 李爽, 郎岩峰, 杨位坤, 李亚涛, 何鹏, 梁春贝, 冯海涛, 郑萍. 2015. 河南省境内白浪幅、荆紫关幅、西峡县幅、七峪幅、寺湾幅、淅川县幅、袁店幅1∶5万矿产远景调查报告[R]. 河南省地质矿产厅第四地质调查队, 233-264.