苏北双湖晶质石墨矿找矿预测模型

张洋洋, 姚维军, 刘峰, 石林, 潘刚, 许生武

(江苏省地质勘查技术院, 南京 210049)

石墨是军工和现代工业发展不可或缺的重要战略资源,自石墨烯被发现以来,因其优异的导电、导热性能及质量轻等优点,在高新科技领域中新型复合材料、新能源、航天等领域有十分广阔的前景,已成为战略新兴材料[1-3]。中国石墨矿产资源丰富,分布广泛,矿床种类齐全,以区域变质型晶质石墨矿床为主。目前已发现的晶质石墨矿床主要产于较稳定条件下的克拉通周缘,如黑龙江鸡西、辽宁宽甸、山东南墅等地[4-8],而产于苏鲁造山带超高压变质带的晶质石墨矿床鲜有报道。2016—2018年,江苏地勘单位在东海县双湖地区的晶质石墨矿勘查工作取得了重大突破,也是江苏省在该领域的新突破。刘峰等[9]对双湖石墨矿的矿床特征、矿石类型进行了阐述,并对其找矿潜力进行了初步探讨。罗传根等[10]、张洋洋等[11]对该矿床的激电异常特征进行了阐述,证实了激电测量在本区寻找石墨矿的有效性。但仍有较多问题没有解决,如矿床控矿因素、成矿规律、找矿模型等仍需开展进一步研究[12]。

在找矿预测及找矿模型研究方面,李海峰等[12]从金场子矿床的关键控矿因素入手,对其成矿规律及找矿方向进行探讨,有很好的借鉴作用。赵海超等[13]从矿床综合信息和成矿模式中总结出夏日哈木岩浆熔离-贯入型铜-镍-钴硫化物矿床的区域找矿标志,并以此为基础建立地物化综合找矿模型,并进行了成矿潜力评价。可见,研究找矿模型对开展找矿预测工作意义重大。

苏北超高压变质带多为第四系所浅覆盖,找矿难度较大,仍有较多石墨矿点尚未开展勘查工作。双湖石墨矿在苏鲁造山带内较具典型性,在本区多年工作研究基础上,现以地质矿产、地球物理、地球化学综合研究为基础,结合前人研究成果,总结区内地物化综合特征,初步研究矿床成因,在此基础上构建综合找矿预测模型,为下一步苏鲁造山带(江苏段)寻找晶质石墨矿提供有效的理论指导及新的启示。

1 区域地质背景

苏北超高压变质带以广泛发育超高压变质岩为特征[14-15](图1),研究区则位于其西南缘。带内混合岩化黑云钾长片麻岩、含黑云母二长片麻岩、含黄铁矿石榴石二长片麻岩、黑云角闪二长片麻岩、含霓辉石角闪石二长片麻岩等花岗质片麻岩分布面积约占70%[14],东海杂岩(也称表壳岩)由于经历了复杂的变形变质、构造、岩浆作用,以无序的透镜状、似层状夹于花岗质片麻岩中[15-16]。带内分布有金红石、铁及石榴子石、蓝晶石、蛭石、石墨等多种金属、非金属变质矿产,其中,石墨矿化与东海杂岩斜长角闪岩大理岩组有关,该岩组多呈北东—南西向断续产出于二长片麻岩和钾长片麻岩之中[15],主要由透辉石大理岩、石英岩、黑云斜长片麻岩(或变粒岩)组成,局部夹含石墨大理岩、榴辉岩、斜长角闪岩。

图1 苏北超高压变质带地质简图[15]

2 双湖晶质石墨矿床地物综合特征

2.1 含矿岩系特征

东海杂岩斜长角闪岩大理岩组为双湖矿区石墨矿(化)体的赋存层位,近南北向,向西陡倾,呈似层状夹于钾长片麻岩中。据矿区ZK01孔揭露,该岩组整体显示为大理岩与变粒岩频繁互层,自下而上共发育5个含矿层(图2),各含矿层下部为变粒岩,上部为大理岩,局部夹薄层石英岩,总体显示为大理岩-(石英岩)-变粒岩岩性组合。

图2 双湖矿区ZK01孔斜长角闪岩-大理岩组柱状图[9]

变粒岩主要为二长变粒岩,灰色、浅肉红色,细粒粒状变晶结构、碎裂结构,弱片麻状构造、块状构造。矿物成分由斜长石(30%～40%)、钾长石(30%～40%)、石英(20%～30%)、黑云母(0～5%)、黄铁矿(0～5%)组成,局部含少量角闪石、透辉石、阳起石、石榴子石等。斜长石、石英、黑云母多以细粒化变晶集合体状产出。黄铁矿呈半自形粒状,粒径以0.05～0.45 mm为主。

大理岩包括不纯大理岩和较纯净大理岩。不纯大理岩位于上部3个含矿层,主要为白云质大理岩,灰白色、灰色、淡绿色,矿物成分主要为白云石(40%～70%)、方解石(10%～40%),普遍含有金云母、透辉石、橄榄石等一种或多种富镁硅酸盐矿物,含量一般在10%～30%,局部含石墨。间夹薄层石英岩。细、中粒状变晶结构为主,厚层状-块状构造,局部条带状构造。

较纯净大理岩位于下部两个含矿层,主要为白云石大理岩,主要矿物成分为白云石,以不含或少含富镁硅酸盐矿物为特征,含量一般在0～5%,局部含石墨。中、粗粒状变晶结构,块状构造。

2.2 矿体特征

区内已圈定晶质石墨矿体4条(图3),分别为G1、G2、G3、G4,其中G3、G4为主矿体(G3矿体分为两支,即G3-1、G3-2),G1、G2为隐伏矿体。石墨矿体呈似层状、透镜状赋存于斜长角闪岩大理岩组,产状受地层控制明显,呈顺层状产出。矿体走向与山脊方向基本一致,近南北向,平面形态呈舒缓波状略呈“S”形,走向延长300～670 m。向西陡倾,倾角55°～75°,沿倾向延深145～295 m。固定碳含量2.50%～10.33%,平均4.34%。

图3 双湖矿区0线地质剖面图

2.3 矿石特征

区内石墨矿石主要为石英岩型石墨矿石、大理岩型石墨矿石。石英岩型石墨矿石[图4(a)]规模较小,多见于地表。矿石呈显微-细粒鳞片状变晶结构、片麻状构造,糜棱岩化强烈,矿物颗粒细粒化,多形成绢云母集合体条带[图4(c)],而石墨矿物多与绢云母集合体交织在一起形成条带状分布[图4(d)]。大理岩型石墨矿石[图4(b)]为本区主要的矿石类型,矿石呈细粒-中粗粒(鳞片)柱状变晶结构、块状构造,固定碳含量2.5%～6%。石墨为鳞片状、叶片状,主要呈稀疏浸染状星散分布[图4(e)],部分与金云母交织在一起形成条带状构造[图4(f)]。石墨片径一般为0.08～0.3 mm。

图4 石墨矿石照片

矿石主要有用组分为固定碳,石英岩型石墨矿石固定碳含量明显高于大理岩型(表1)。其中石英岩型石墨矿石以富SiO2、Al2O3,较多的Fe2O3、K2O,贫CaO、MgO为特征,伴生组分为V2O5;大理岩型石墨矿石以富MgO、CaO、CO2,贫Al2O3、Na2O、K2O、Fe2O3、V2O5为特征。矿石中固定碳呈晶质石墨存在,SiO2主要在石英及富镁硅酸盐矿物中存在,Al2O3主要在金云母、绢云母中存在,Fe主要在黄铁矿、褐铁矿中存在,S主要在黄铁矿、闪锌矿中存在。

表1 石墨矿石化学特征表

2.4 激电异常特征

前期预查电性参数测定结果显示,石英岩型石墨矿石极化率、电阻率常见值分别为23.59%、241 Ω·m,大理岩型石墨矿石极化率、电阻率常见值分别为10.55%、471 Ω·m,其他岩石极化率、电阻率常见值分别在1.87%～4.23%、 732～3 080 Ω·m,可见,石墨矿石低阻高极化特征明显[11]。

1∶10 000激电中梯测量圈定5处激电异常,其中JD-1异常与双湖石墨矿床位置吻合。该异常长、宽分别为1 100 m和200 m,视充电率极大值在7%以上,相应视电阻率为1 000 Ω·m以下,显示低阻高极化特征。针对该异常开展的激电测深、钻探验证、激电测井工作均显示其深部低阻高极化异常与诸多石墨矿化体位置基本吻合[10-11]。

2.5 赋矿地层固定碳特征

石墨固定碳检测是石墨矿基本的分析项目,其含量的高低是判断石墨优劣的重要因素,用来作为石墨矿含量的工业指标。矿区岩矿石的固定碳含量由东北煤田地质局沈阳测试研究中心通过非水滴定容量法进行测试。

通过对ZK01孔中斜长角闪岩大理岩组较连续固定碳测试(图2)发现,变粒岩的含矿性较差,固定碳平均含量为0.39%～0.61%。石墨矿化主要与大理岩有关,大理岩固定碳平均含量在1.18%～4.65%,各含矿层大理岩的上部为石墨矿化主要发育部位,固定碳含量多在2.5%(工业品位)以上。固定碳最高值从下到上呈递增趋势(2.5%～4.65%),矿化强度也呈递增趋势,说明不纯大理岩的含矿性要好于较纯净大理岩;另外矿(化)体厚度则随大理岩发育厚度的增加而增加,以下部第二含矿层大理岩层最发育(38.28 m),见矿厚度最大(7.7 m)。

3 成矿模式

双湖矿区石墨含矿层位于东海岩群斜长角闪岩大理岩组中,岩石组合为大理岩-变粒岩-石英岩,其中大理岩既是含矿母岩,又是赋矿围岩,石墨矿(化)体的产状、规模、形态均受大理岩控制。各层大理岩的上部为石墨矿化主要发育部位,往往可见工业石墨矿体。苏北超高压变质带目前已发现的石墨矿点均分布在该岩组中,主要为大理岩,原岩为一套滨海—浅海相碳酸盐沉积+硅质岩沉积组合,石墨矿化与大理岩密切相关,均产在大理岩内或附近。

矿区含矿建造系多期变质作用形成,普遍经历了一期角闪岩相变质作用,大理岩中矿物组合主要为白云石+金云母+透辉石+石墨,变粒岩中主要为钾长石+斜长石+石英+黑云母+角闪石组合;局部保留了早期高P/T榴辉岩相变质作用,大理岩中可见方解石+白云石+橄榄石+石榴子石组合;后期普遍叠加了绿片岩相变质作用,普遍可见绿泥石、蛇纹石、绢云母等新生矿物。早期经历的中深程度的区域变质作用,使含矿地层中的炭质变质结晶形成晶型较好的晶质石墨。

总之,研究区在新太古代—古元古代处于华北板块南缘,在陆缘滨海-浅海沉积区形成了一套陆源碎屑-(含有机质)碳酸盐岩的沉积旋回[6],后期经历了中高级变质作用,同步伴随区域动热变质作用,使岩石中的有机质变成了鳞片晶质石墨[17](图5)。所以区内石墨矿为区域沉积变质型矿床。

图5 成矿模式图[17]

4 找矿预测模型

研究区地处苏鲁造山带超高压变质带,石墨矿赋存于东海岩群斜长角闪岩大理岩组,含矿岩石组合为大理岩-变粒岩-石英岩,三者呈互层或夹层交互出现,矿体与围岩同斜产出,受地层控制明显。新太古代—古元古代本区处于大陆裂谷构造环境,沉积了一套富含有机质的碳酸盐岩-硅质岩-碎屑岩建造,后期经过中深区域变质作用形成了一套含石墨建造。

根据双湖石墨矿区勘查实践经验,对找矿勘查的地质物探方法进行优选和组合,总结的综合勘查流程和找矿预测模型如下。

(1)优选找矿靶区。首先在古老的变质岩发育区收集或开展中大比例尺地质调查,选择有石墨矿化或石墨建造的区域作为找矿靶区。

(2)圈定激电异常。在选择找矿靶区内进行大比例尺激电中梯测量,圈定激电异常,查明异常的走向、规模、强度等特征。

(3)异常查证与评价。通过槽探对异常进行浅部揭露,初步查明矿(化)体的前部特征;对矿致异常择优开展激电测深评价工作,查明异常的深部特征,并了解矿化体的深部延伸情况。

(4)深部成矿信息验证。以激电测深异常为基础,布设钻探工程开展深部验证并圈定矿体,查明含矿建造及矿化体的深部赋存状态。

综合上述矿床控矿因素、找矿标志、找矿流程等分析,建立找矿模型为:地质-地球物理模型(图6)。即在东海岩群斜长角闪岩大理岩组的大理岩段(含矿建造为大理岩-石英岩-变粒岩建造)分布区域采用激电测量,确定找矿远景区域。随后通过探矿工程进行揭露验证,并圈定矿体。

图6 找矿预测模型

5 应用效果

根据上述找矿模型分析,黑豆涧地区成矿条件与双湖石墨矿床类似。其位于双湖石墨矿床北北东走向6 km处,出露地层为东海岩群斜长角闪岩大理岩组,大理岩断续出露达2 km,局部可见石墨矿化。通过开展大比例尺地质路线调查、激电中梯测量,圈定中低阻高极化异常1处。异常北北东向呈条带状延伸约1.2 km,极化率极值约9%。通过开展激电测深评价及钻探深部验证工作发现晶质石墨矿体2条,厚度2～5 m,固定碳品位2.5%～7%。由此,证明该找矿模型用于指导周边区域寻找石墨矿行之有效。

6 结论

(1)双湖石墨矿体赋存于东海岩群斜长角闪岩大理岩组,为大理岩-变粒岩-石英岩组合。含矿岩系变质级别达角闪岩相,原岩为一套陆源碎屑-(含有机质)碳酸盐岩组合,显示温暖气候带滨浅海相沉积环境,矿床成因类型为区域沉积变质型。

(2)区内石墨矿化主要与大理岩密切相关,且含矿层与低阻高极化异常吻合,找矿标志明显。

(3)构建的石墨矿找矿预测模型,其关键是找矿勘查区有无含石墨建造及激电异常,模型对苏鲁造山带其他石墨矿点找矿具有一定的指示作用。