河南省淅川县官沟石墨矿矿区及矿体地质特征研究

王晓枝，夏晓梅，徐立爽

（河南省地质矿产勘查开发局 第五地质勘查院，河南 郑州 450000）

石墨中的单层薄片晶体可以构成石墨烯，具有强度高、韧性好、质量小、透光率高、导电性佳的材料，石墨烯可替代硅生产电子产品和锂电子产品，也极大促进了超级电容器发展。由此可见，石墨在当今社会和经济发展中具有较大的综合利用和研究价值。石墨行业发展前景较好：①中国石墨储量、生产量、出口量均居世界首位；世界发达国家及发展中国家，都要进口中国石墨，在世界市场上占有重要地位，随着世界经济发展对石墨的需求越来越大。②石墨是战略资源，各国对石墨及其制品需求非常迫切；日本与美国大量储备石墨资源，在尖端的军事领域，石墨的用途也越来越重要，航天、民用石墨也不断增加。③随着国民经济的不断发展，石墨行业必将进入一个崭新发展时期，石墨的新品种不断增加，新用途不断扩大。据有关专家预言，20世纪是硅的世纪，而21世纪将是碳的世纪，石墨发展前途将不可估量。

石墨因其特殊的性质，是传统工业和战略性新兴产业所必需的矿物原料，未来将成为支撑高技术发展的重要战略资源。石墨是我国的优势矿产资源，国土资源部出台的《全国矿产资源规划（2016—2020年）》，对我国战略性新兴产业发展具有重要支撑保障作用的矿产有50余种，但纵观全球，中国仍有优势，因为主要生产国只有少数几个，而我国的晶质石墨长期以来以质量好而享誉世界，具有较强的竞争力，估计在较长的时期内，我国晶质石墨在国际市场上的主导地位将不会改变。未来几年，我国可望继续保持晶质石墨在日本、韩国、美国和西欧市场上的份额，并且还可以增加石墨制品及晶质石墨出口[1-3]。

根据我国石墨工业规划，未来我国重点发展下述石墨深加工制品，同时其需求量将有较大幅度的增长。冶金耐火材料，如高档镁碳砖、铝碳砖、高档石墨耐火材料、特种石墨坩埚等；柔性石墨密封材料，如酸化石墨、膨胀石墨板材、金属石墨缠绕垫片等；能源石墨制品，如石墨节能减磨添加剂、核能用纯天然石墨等；电碳石墨制品，如大规格高强高密高纯石墨、各向同性石墨、大规格石墨换热器等。此外，天然石墨垫板、锂离子电池电极材料、浸硅石墨材料、石墨复合摩擦制动材料、铸钢用低碳保护渣等石墨制品的需求量也将有较大幅度增长。从河南省的产业布局上来看，新能源产业发展迅速，已经形成了以郑州、洛阳、新乡为核心的国家自主创新示范区，作为引领带动河南省创新驱动发展的综合载体和增长极，示范区将被打造成为国家重要的装备制造、新能源和新能源汽车等创新中心和产业基地。而石墨是新能源汽车电池负极的主要原材料，石墨类负极材料占比高达 90%。易成新能计划在新乡投入50亿元生产锂电池，银隆新能源计划在洛阳投入150亿元生产新能源汽车，都将进一步加大河南省对石墨资源的需求[4-5]。

1 矿区地质

1.1 地层

通过1∶1万地质简测，结合1∶5万区调成果，认为该区出露地层主要有北秦岭地层区的元古界宽坪群大沟岩组（Pt1d），低洼处为新生界第四系（Q）覆盖。区内石墨矿分布在大沟岩组（Pt1d）含矿岩系中。

1.1.1 元古界大沟岩组（Pt1d）

大沟岩组地层在普查区内大面积出露，总体走向近东西，倾向10°～30°，倾角40°～65°。主要岩性特征如下。

（1）斜长片麻岩。风化面为灰黄色，新鲜面为灰白色，粒状变晶结构，片麻状构造。矿物成分主要是石英约占55%，斜长石约占35%，白云母约占、黑云母约占5%。

（2）斜长角闪岩。风化面为灰绿色，新鲜面为绿色，粒柱状变晶结构，块状构造。

（3）二云斜长片麻岩。矿物成分主要是石英约占50%，斜长石约占25%，白云母约占15%，黑云母约占10%。在显微镜下石英呈他形粒状，较大者呈透镜状，粒径0.03～3.0 mm，具波状消光，定向排列；斜长石呈他形粒状，较大者呈透镜状，粒径0.05～1.2 mm，可见聚片双晶，被绢云母交代，定向排列；白云母呈鳞片状，粒径0.05～1.5 mm，无色，低正突起，近平行消光，鲜艳干涉色，定向排列；黑云母呈鳞片状，粒径0.05～1.20 mm，红褐色，多色性吸收性显著，近平行消光，定向排列（图1（a））。

图1 二云斜长片麻岩和斜长角闪片麻岩照片Fig.1 Photographs of Eryun plagioclase gneiss and plagioclastic gneiss

（4）斜长角闪片麻岩。风化面为灰绿色，新鲜面为深绿色，具粒柱状变晶结构，片麻状构造。石英呈他形粒状，粒径0.05～0.4 mm，具强烈波状消光，定向排列（图1（b））。

（5）石墨斜长片麻岩。石墨5%～25%，黑色—灰棕色不透明，呈鳞片状、弯曲鳞片状，多呈条纹状断续定向分布；斜长石25%～45%，呈他形粒状，可见聚片双晶，多被绢云母、绿帘石交代，蚀变较强烈；石英10%～35%，呈他形粒状、延长状，具强烈波状消光，多数定向排列；黑云母1%～20%，含量极不均匀，浅褐色，多色性明显，近平行消光，呈鳞片状，定向排列，部分被绿泥石、白云母交代；白云母1～9%，含量极不均匀，无色，鲜艳干涉色，近平行消光，呈鳞片状，定向排列；阳起石+透闪石0～9%，含量极不均匀，无色—浅绿色，呈纤柱状，正中突起，角闪石式解理发育，定向排列；磁黄铁矿0～5%，呈半自形粒状，乳黄色，强磁性；黄铁矿少量至10%，含量极不均匀，呈半自形—他形粒状，浅黄色；石榴子石微量至8%，含量极不均匀，呈等轴粒状、半自形粒状，无色，正极高突起，具均质性；金红石微量至3%，呈柱状，红褐色，高正突起；副矿物主要有磷灰石、锆石、榍石，钻孔中局部可见微量黄铜矿（图2（a））。

（6）大理岩。风化面为灰色，新鲜面为灰白色，与稀盐酸剧烈起泡，粒状变晶结构，块状构造。矿物成分主要是方解石约占95%，其次含少量斜长石、钾长石、石英和黑云母，约占5%（图2（b））。

（7）石墨石英片岩。黑色，显微鳞片粒状变晶结构，片状构造，矿物成分主要是石英约占60%，石墨约占35%，其次含少部分金云母、金属矿物，约占5%。在显微镜下石英呈他形粒状，粒径0.01～0.70 mm。石墨多呈鳞片状，黑色不透明，集合体定向分布；金云母呈鳞片状，粒径0.01～0.30 mm，浅褐色，多色性明显，近平行消光，鲜艳干涉色，定向排列；白云母呈鳞片状，无色，鲜艳干涉色，定向排列。

1.1.2 第四系

主要分布在河流两侧及沟谷中，为现代河流冲积物、洪积物及残坡积物，主要为砾石、砂、亚砂土及少量亚黏土。

1.2 构造

工作区内构造以断裂构造为主，为木家垭断裂带的次级断裂，在工作区西北穿过，区域上长十余千米，区域上走向北东东，倾向北，倾角45°～65°。此断裂控制了石英闪长岩体的分布。

在官沟口发育有木家垭断裂带的次级断裂F1，长约3 000 m，走向北西，倾向北东，倾角45°～65°。沿断裂发育有数十米的糜棱岩带、片理化带。

1.3 岩浆岩

普查区内岩浆岩发育，以晚元古代侵入岩大面积出露为特征，晚元古代侵入岩从超基性至酸性均有分布，构成了复杂的岩浆岩带。晚元古代侵入岩以三坪沟石英闪长岩体为主，在普查区东北部大面积出露，岩体主要为石英闪长岩。岩体被其后小规模花岗闪长岩株穿插。普查区中部分布有晚元古代闪长岩岩株，出露长200～700 m、宽200～700 m。岩性主要为闪长岩。普查区西南部分布有晚元古代超基性岩株，出露长800 m、宽200 m。岩性主要为辉石岩、次闪长岩、蛇纹岩。普查区东南部分布有晚元古代基性岩株，出露长1 500 m、宽300～500 m。岩性主要为辉长岩。

2 变质作用对矿床的影响

普查区处于元古界大沟岩组变质带内，地层长期经受区域变质、动力及热液变质作用。上述变质作用，对该区石墨矿床的形成及富集有较大影响。

（1）区域变质及混合岩化作用。在板块碰撞上升的过程中，地层遭到广泛的中—深程度的区域变质作用，大沟岩组的变质作用温度为650～700 ℃，压力0.7～0.81 GPa，属中压相系、高角闪岩相；形成以矽线石与白云母共生组合为特征的矽线石变质相带，可见蓝晶石、石榴石变质矿物；原岩中的有机碳气化溢出，在适当地质条件下冷却，再结晶形成鳞片状晶质石墨矿床。

（2）热液变质作用。区内岩浆岩及断裂构造都比较发育，由于岩浆热液的影响和沿挤压破碎带上升的Si、Al3+、Fe2+、Mg2+、K+、Na+、OH-等组分在岩石中渗透和扩散，产生交代作用和同化作用，使原来的贫矿石变成富矿石，原岩中的斜长石变成绢云母。

（3）动力变质作用。直接影响矿石的质量，在断裂活动初期，岩（矿）层受力作用，产生碎裂岩化，随着断裂活动的深入发展，岩（矿）石进一步破碎产生构造角砾以致糜棱岩，石墨鳞片随之产生破裂或挠曲，因而对选矿造成影响。

3 矿体地质

3.1 矿体特征

3.1.1 含矿层特征

通过1∶1万地质简测、探槽地表揭露及钻探深部工程验证，大致查明了矿（层）体特征及分布范围，已圈定K1、K2、K3、K4、K5、K6共6条含矿层，现分别介绍。

（1）K1含矿层。分布在工作西区的中部偏北，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约1.30 km，走向110°，倾向北东，倾角40°～65°，出露宽度一般为1.40～1.50 m，固定碳含量1.59%～2.81%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K1-1矿体。

（2）K2含矿层。分布在工作西区的中部，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约0.70 km，走向110°左右，倾向北东，倾角45°～60°，出露宽度一般为3.20～5.80 m，固定碳含量1.21%～3.13%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K2-1矿体。

（3）K3含矿层。分布在工作东区的南部，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约1.45 km，走向110°左右，倾向北东，倾角45°～65°，出露宽度一般为1.40～11.10 m，固定碳含量1.03%～5.50%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K3-1、K3-2、K7-1矿体。

（4）K4含矿层。分布在工作东区的南部，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约1.50 km，走向110°左右，倾向北东，倾角40°～65°，出露宽度一般为1.10～12.65 m，固定碳含量1.38%～12.57%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K4-1、K8-1矿体。

（5）K5含矿层。分布在工作西区的西南部，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约1.00 km，走向100°左右，倾向北东，倾角50°～60°，出露宽度一般为1.60～11.49 m，固定碳含量1.04%～11.83%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K5-1、K5-2及K5-3矿体。

（6）K6含矿层。分布在工作西区的中西部，含矿层岩性为石墨斜长片麻岩，出露长度约300 m，受褶皱构造的影响，走向60°左右，倾向北，倾角50°～60°，出露宽度一般为5.00～8.20 m，固定碳含量1.00%～10.18%。经工程控制，在该含矿层中圈定出K6-1矿体。

3.1.2 矿体地质特征

通过地表槽探及中深部工程揭露，在6条含矿层内分别圈定K1-1、K2-1、K3-1、K3-2、K4-1、K5-1、K5-2、K5-3、K6-1、K7-1、K8-1共11个矿体。其中，K1-1、K2-1、K5-1、K5-2、K5-3、K6-1分布于矿区西侧，K3-1、K3-2、K4-1、K7-1、K8-1分布在矿区东侧，矿体呈层状、透镜状赋存在大沟岩组中，K5-2、K5-3为隐伏矿体，呈透镜状。矿体受矿层控制，各矿体大致平行，产状与地层一致，总体产状走向近东西，倾向北东，倾角45°～61°。矿体岩性除K5-2、K5-3矿体为石墨石英片岩外，其他为石墨斜长片麻岩。主矿体为K4-1，石墨矿物量分别占区内总资源量的51.73%，主矿体特征如下（表1）。

K4-1矿体分布在工作东区的南部，赋存于K4含矿层内，矿体呈层状，边界较规则，呈近东西方向展布，赋存于大沟岩组石墨斜长片麻岩中。矿体走向110°左右，倾向北东，倾角33°～78°，区内地表出露长度约1 600 m，控制最大斜深371 m，出露标高+375～+464 m，埋深0～344 m。该矿体由TC3601、TC4001、TC4402、TC4801、TC5201、TC5601、TC6001、ZK4001、ZK4002、ZK4801、ZK4802、ZK5601工程进行控制。

单工程矿体厚度1.04～11.49 m，一般厚3～5 m，平均厚4.04 m，矿体总体西厚东薄，中深部厚度大于地表厚度，且中深部厚度较稳定，地表局部呈现膨胀变厚趋势，厚度变化系数67.62%。固定碳含量2.60%～11.91%，一般3%～5%，平均4.70%，地表及中深部总体较稳定，局部石墨呈现富集变高趋势，品位变化系数52.53%。

矿体顶、底板围岩主要为元古界大沟岩组斜长片麻岩，矿体与围岩界线一般清晰。矿体内部结构简单，基本无夹石，仅在ZK5601钻孔斜深127.37～130.38 m、真厚2.73 m圈为剔除夹石。矿体沿走向地表已至矿区边界未封闭，中深部尚未封闭。

3.2 矿石质量特征

3.2.1 矿石的矿物组成

根据岩矿鉴定及野外观察（图3），矿石中矿石矿物主要为石墨，含量1.03%～18.91%；脉石矿物主要有斜长石、石英、黑云母、绢云母，另有微量—少量的白云母、绿帘石、阳起石、透闪石、石榴子石、金红石、黄铁矿、磁黄铁矿，钻孔中局部可见黄铜矿、闪锌矿，含微量的磷灰石、锆石、榍石等。

表1 矿体特征Tab.1 Ore body characteristics

图3 岩矿鉴定及野外观察Fig.3 Rock and mineral identification and field observation

石墨化学成分为C，固定碳含量99.31%，杂质成分主要为Si，少量的Al、K。石墨呈鳞片状，片径0.01～0.45 mm，鳞片有弯曲现象，质软、手摸有滑感，灰色带棕色，低硬度，强非均质性，薄层状分布。脉石矿物方解石呈他形粒状，粒径0.1～7.0 mm，闪突起显著，高级白干涉色，聚片双晶发育；斜长石呈他形粒状，粒径0.05～1.00 mm，可见聚片双晶，被绢云母、绿帘石交代；钾长石呈他形粒状，粒径0.05～0.70 mm，被黏土矿物交代；石英呈他形粒状，粒径在0.05～0.20 mm；黑云母呈鳞片状，粒径0.05～0.50 mm，褐色，强烈被绿泥石交代，仅见少量残留。

3.2.2 矿石化学成分

矿石中有用组分为固定碳，矿体的固定碳平均含量1.03%～18.91%，其中主矿体K4-1的单样品固定碳含量为2.07%～12.57%，变化系数分别为54.05%。矿床固定碳平均含量4.32%。

（1）伴生有益组分。矿石中伴生的有益组分是TiO2、V2O5，含Ti的矿物为金红石，其单矿物含TiO2近100%。依据10件组合分析样品的分析结果，矿石中TiO2含量0.53%～1.64%，平均0.88%。虽然金红石粒度较大（0.04～0.60 mm）、嵌布简单、亦于解离，但总体含量低且不均匀，选矿过程中无综合回收利用价值。 矿石中钒主要赋存在白云母、绢云母中，矿石中V2O5含量0.02～0.17%，平均0.08%。含量低，选矿过程中无综合回收利用价值。

（2）伴生有害组分。矿石中伴生有害组分为S、P、Fe。 矿石中S主要赋存在磁黄铁矿及黄铁矿中，含量0.01%～1.93%，平均0.88%；P主要赋存在鳞灰石中，P2O5含量0.16%～1.27%，平均0.49%；Fe主要赋存在黄铁矿、磁黄铁矿、黑云母、绢云母、白云母、绿帘石、阳起石、透闪石、石榴子石、金红石中；Fe2O3含量4.11%～14.93%，平均7.20%，FeO含量0.26%～0.77%，平均0.48%。矿石中S、P2O5含量低且上述矿物在选矿过程中绝大多数被排放到尾矿中，矿石中的S、P、Fe对矿石质量影响很小。

（3）其他化学成分。矿石的SiO2含量为31.72%～66.00%，平均53.31%；Al2O3含量6.12%～13.67%，平均10.19%；MgO+CaO含量1.81%～16.69%，平均6.21%；Na2O+K2O含量1.57%～4.11%，平均2.90%；灰分74.13%～92.33%，平均84.83%；挥发分2.46%～8.27%，平均4.70%。化学成分总体具有富硅、铝之特征。

3.2.3 矿石结构构造

（1）矿石结构主要为鳞片粒状变晶结构，石墨呈呈鳞片状、弯曲鳞片状，多呈条纹状断续定向分布；斜长石呈他形粒状，蚀变较强烈；石英呈他形粒状、延长状，具强烈波状消光，多数定向排列；黑云母呈鳞片状，定向排列；白云母呈鳞片状，定向排列；石榴子石半自形粒状。其次为鳞片变晶结构、碎裂结构等。

（2）矿石构造主要为片麻状构造，石墨呈呈鳞片状、弯曲鳞片状，多呈条纹状断续定向分布；斜长石呈他形粒状，可见聚片双晶，多被绢云母、绿帘石交代，蚀变较强烈；石英呈他形粒状、延长状，多数定向排列；黑云母呈鳞片状，定向排列；白云母呈鳞片状，定向排列。其次为片状构造、条带状构造等。

3.2.4 矿石片（粒）度特征

根据区内采集的60件石墨样品粒度统计分析，地表石墨片度正目含量占9.39%，地下石墨片度正目含量占16.29%，全区平均11.69%。与小陡岭详查工作119件光片样测定结果较吻合。小陡岭详查工作测定成果为：正目石墨占含量占5.28%；小于0.147 mm目占94.92%。样品石墨粒度分类统计见表2。

表2 石墨粒度统计Tab.2 Graphite particle size statistics

3.3 矿石类型

普查区内石墨矿层主要赋存于石墨斜长片麻岩层中，局部赋存于石墨石英片岩中，矿层即是石墨斜长片麻岩层及石墨石英片岩。

根据此次及类比小陡岭详查的光片样测定结果，石墨为细鳞片晶质石墨；小陡岭详查矿体的固定碳含量6.23%～13.67%，矿床固定碳平均含量8.33%，工业上不能直接利用，需经选矿才能获得合乎要求的石墨产品。

3.4 矿体围岩和夹石

矿体中夹石其岩性主要有脉岩和片麻岩两类。脉岩类夹石岩性主要为花岗岩、辉绿岩，少量的片麻状黑云二长花岗岩、石英闪长岩、伟晶岩、斜长角闪岩；呈规则或不规则脉状近于顺层或平行构造线分布，厚度1.29～3.94 m；与矿体界线清晰，对矿体的连续性影响小，主要分布在K2-1、K3-1、K3-2、K4-1、K6-1等矿体中。

4 矿床成因及找矿标志

（1）矿床成因。矿床位于秦岭造山带东段南支，荆紫关—师岗复式向斜北翼西端，木家垭—内乡断裂与淅川断裂之间的古元古界大沟岩组一套中深变质的副变质岩系中。矿体（层）呈层状，分布广泛，延伸稳定，与围岩产状一致；宏观上矿体与围岩呈互层状，二者之间界线清晰或渐变过渡，大沟岩组具明显的沉积韵律特征。矿床的碳质，来源于原沉积的有机质。石墨矿的成矿作用，系在区域变质、混合岩化及热液作用下，特别取决于温度和压力，在还原环境中原岩中有机碳以重结晶的方式结晶成鳞片状晶质碳。持续的区域变质作用是形成鳞片状晶质石墨矿最主要的成矿因素。综上所述，该区石墨矿床成因类型属沉积变质型矿床。

（2）找矿标志。石墨矿的找矿标志主要为：①地层标志。元古界大沟岩组为区域含矿层位。②岩性标志。该区内石墨一般赋存在含石墨斜长片麻岩及石墨石英片岩中。

5 矿区内共（伴）生矿产综合评价

矿石中伴生的有益组分是TiO2、V2O5，含Ti的矿物为金红石。依据组合分析样品的分析结果，矿石中TiO2含量0.53%～1.64%，平均0.88%。虽然金红石粒度较大（0.04～0.60 mm）、嵌布简单、亦于解离，但总体含量低且不均匀，选矿过程中无综合回收利用价值。钒主要赋存在白云母、绢云母中，矿石中V2O5含量0.02%～0.17%，平均0.08%。含量低，选矿过程中无综合回收利用价值。

6 结语

未来矿山企业在取得一定经济效益和社会效益的同时，要加强对普查区及周围环境保护，每年应投入一定量的资金进行地表植被恢复、地表滑坡治理、尾矿库治理及安全检测、地采采空区治理、选矿污水治理、采矿废渣及粉尘治理等环境保护工作，树立牢固的既要得到金山银山、也要保护好绿水青山的绿色勘查理念。未来矿山建设应重点加强地下开采能力，保障选场选矿能力、加强控制地表剥离面积，同时确保环境保护，特别是对周围河流、土壤、空气的影响要降到最小。此外，要进一步开展地质勘查工作，制定矿山建设长远规划。