湖北黃陵斷穹核北部石墨礦形成機制探討

劉云勇,姚敬敂

(中南冶金地質研究所,湖北 宜昌 443003)

湖北黃陵斷穹核北部石墨礦形成機制探討

劉云勇,姚敬敂

(中南冶金地質研究所,湖北 宜昌 443003)

黃陵斷穹核北部的石墨礦炭質來源于微體生物(藻類)。微體生物在古元古代陸間海陸緣潮坪相和瀉湖相中富集、埋藏,在還原環境下瀝青化。經區域熱動力變質作用,在高角閃巖相溫壓條件下(P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃),有機碳轉化為(鱗片狀)晶質石墨。后期巖漿活動、混合巖化作用對石墨成礦有利,構造作用與石墨礦化的關系有待進一步研究。

黃陵斷穹;石墨;成礦機制

黃陵斷穹核北部是中國鱗片狀晶質石墨礦的重要產區,并以品位高、石墨片度大、可選性好而聞名。已探明的大中型石墨礦床有三岔埡、二郎廟、譚家河、東沖河等,全區資源前景可觀。對本區石墨礦的地質特征已有田成勝(2011)、邱鳳(2015)、廖宗明(2016)等的論述[1-4],闡明了石墨礦的賦礦層位、礦體特征和礦石的物質組成,并對成因進行了初步分析。本文根據該區中太古代—古元古代的地質演化歷史,利用巖石、礦物和地球化學的方法,恢復各類變質巖的原巖,重建孔茲巖系的沉積剖面,還原黃涼河期的巖相古地理,探索石墨礦的炭質來源和富集機制,并根據碳元素的地球化學性質,分析由有機碳轉化為晶質石墨的區域變質過程和相應的區域變質溫壓條件,最后探討巖漿作用、混合巖化和構造活動對石墨礦的影響。

1 地質概況

黃陵斷穹為上揚子臺坪鄂中褶斷區的次級構造單元,周緣被斷裂圍割,呈橢圓形穹隆型式。斷穹核部出露中太古代—新元古代各類表殼巖和變質深成侵入巖,石墨礦分布在核北部古元古代黃涼河巖組中(Pt1h)。黃涼河巖組由含石墨、石榴石、矽線石的片巖、片麻巖及大理巖和鈣硅質巖組成,為一套較為典型的孔茲巖系。石墨礦呈層狀、似層狀、透鏡狀產于黃涼河巖組的下部、中部的石墨片巖和含石墨云母斜長片麻巖中,前者構成富礦體,后者則為貧礦體。

2 炭質來源及炭質富集

2.1 炭質來源

有以下證據說明本區石墨的炭質來源于生物碳,即微古植物:

(1) 本區1987年1∶5萬區域地質調查,在石墨礦層中見到微古植物殘留。

(2) 在黃涼河、王家臺等地的黃涼河巖組白云石大理巖、石墨二云母片巖中發現微古植物化石:Leiominusulaaff.MinutaNaum(光面小球藻),Leiopsophosphaerasp.,Protoleiosphaeridiumsolidum,Trematosphaeridiumsp.,Polyporataobsoleta等。化石個體微小,大部分直徑在20 μm以下。

(3) 據煤田地質學研究(弗·伊·斯米爾諾夫,1982)[5],浮游藻類等低等微古植物,主要是由蛋白質和脂肪組成,含有少量纖維素,聚集在盆地底部形成腐泥質沉積物,與泥質巖、粉砂質泥巖共生。這與本區石墨礦原巖的巖石組合一致。

(4) 國內產于孔茲巖系中的同類型石墨礦碳同位素測定結果表明[6],δ13C呈塔式分布,集中在-20‰～-24‰之間,平均-21.6‰,與世界各地不同時代有機質的δ13C平均值(-26‰)相近。而大理巖中方解石的δ13C值,介于0.97‰～4.33‰,與石墨碳絕然不同。

2.2 炭質富集

2.2.1 含礦巖系的原巖恢復和沉積相的建立

根據黃涼河巖組的空間展布、地質產狀、巖石礦物組成、結構構造特征及地球化學標志,恢復原巖為一套泥質巖、碎屑巖及碳酸鹽巖組合。石墨礦石化學成分指數投影落入西蒙南圖解中泥質沉積物和砂泥質沉積物區域(圖1、表1)。將三岔埡石墨礦的含礦巖系剖面逐層恢復原巖,即可建立石墨礦形成時的沉積相柱(圖2)。

2.2.2 黃涼河期巖相古地理

(1) 原始古陸出現。本區發現最古老的變質巖為野馬洞巖組(Ar2y),成巖年齡為3 051 Ma。野馬洞巖組的原巖為一套雙峰式系列火山活動形成的拉斑玄武巖和英安巖,代表本區原始地殼開始形成。野馬洞巖組呈殘片狀、包體群狀分布于東沖河片麻巖和曬甲沖片麻巖中。東沖河片麻巖測得的年齡值為2 900—3 200 Ma,其原巖為侵入巖,侵入野馬洞巖組。根據東沖河片麻巖的巖石類型、礦物組成和化學成分、微量元素、同位素特征,恢復其原巖為英云閃長巖、花崗閃長巖和奧長花崗巖,屬典型的TTG巖套。曬甲沖片麻巖原巖為二長花崗巖。世界上大多數學者認為,TTG巖套的出現,標志著原始低密度陸殼的形成,新生陸殼直接漂浮在地幔之上,構成了太古宙基底的主體。本區野馬洞巖組、東沖河片麻雜巖和曬甲沖片麻巖共同構成了太古代原始陸塊,在隆起區形成古陸。

圖1 石墨礦化學成分(al+fm)-(C+alk)-Si圖解Fig.1 Graphite mineral composition(al + fm) -(C+alk)-Si diagram1.石榴石矽線石片巖;2.斜長角閃巖;3.大理巖、鈣硅質巖;4.角閃斜長片麻巖;5.石墨片巖、含石墨片麻巖。

表 1 三岔埡石墨礦石化學成分(%)Table 1 Chemical composition of graphite ore in Sanchaya mine(%)

(2) 原始海洋出現。古元古代黃涼河期,原始海洋出現。本區呈現這樣的古地理格局:由太古代基底構成的古陸和陸間凹陷形成的陸間海,相間分布。在陸間海中發育了黃涼河巖組孔茲巖系,其原巖為碎屑巖、含碳泥質巖及白云巖。黃涼河巖組巖層原始產狀平行古陸岸線,表明其圍繞古陸邊緣沉積。

(3) 沉積相的分布。通過對三岔埡、二郎廟、譚家河、東沖河等黃涼河巖組的原巖恢復和沉積相柱的建立,可大致勾劃出花果樹—老林溝陸間海沉積相的分布(圖3)。

花果樹—老林溝陸間海位于東野古陸與大坦古陸之間。由古陸至陸間海中央,依次分布潮坪(瀉湖)相、濱外淺海相和中央深水海槽相。中央海槽推斷為一裂谷,該裂谷至中元古代進一步發展,溝通地幔,引起中基性火山巖噴發,形成力耳坪巖組(Pt2l)火山碎屑巖建造。

斯米爾諾夫認為“腐泥質聚集在開闊水盆地(湖)、植物叢生的湖、海灣、海的瀉湖中”。本區石墨礦主要分布在潮上泥坪和潮間砂泥坪相中,特別是與周圍有障壁隔離的瀉湖相,石墨礦尤好。濱外淺海中幾乎無石墨礦分布,深海相區則無石墨礦產出。

(4) 沉積韻律分布。分析三岔埡石墨礦含礦巖系原巖沉積相柱,發現存在著由碎屑巖→泥質巖→碳酸鹽巖粒度從粗變細的韻律。可以識別出四組沉積韻律(圖2),并以第二組發育最為完整。本區主要石墨礦富礦產于此韻律層的中部泥質巖中,貧礦則產于韻律層的下部粉砂質泥巖、泥質砂巖中。

3 生物碳的凈化(碳化)、有序化和石墨的形成

由生物碳轉變為晶質石墨要解決凈化和有序化兩個問題:①生物碳為碳、氫、氧、氮等元素構成的復雜有機化合物,其要從中獲得單質碳必須有一個凈化(碳化)過程,將其中的氫、氧、氮等元素從結構中分離出去;②由生物碳碳化后獲得單質碳為無定型碳,碳原子必須經過有序排列,組成結晶格子才能成為晶質石墨。

圖2 三岔埡石墨礦含礦巖系原巖柱狀圖Fig.2 Ore-bearing rocks of the original rock histogram in Sanchaya graphite mine

圖3 黃涼河期巖相古地理示意圖Fig.3 Lithofacies paleogeography map of Huangliang river period1.古陸,由拉斑玄武巖系列玄武巖英安巖組成;2.古陸,由英云閃長巖、奧長花崗巖、花崗閃長巖組成;3.潮坪相,由砂巖、粉砂巖、含碳泥巖、白云巖組成;4.瀉湖相,由砂巖、粉砂巖、炭質泥巖、白云巖組成;5.濱外淺海;6.海槽;7.大理巖、透閃石透輝石大理巖;8.中太古代東沖河片麻雜巖;9.新太古代曬甲沖片麻巖;10.中太古界野馬洞巖組;11.古元古界黃涼河巖組;12.石墨礦;13.微古生物。

3.1 生物碳轉變為單質碳和晶質石墨的形成

3.1.1 生物碳瀝青化

沉積巖腐泥質中的生物碳主要成分為蛋白質、脂肪、纖維素,均為復雜的高分子有機化合物,其中蛋白質的基本成分為氨基酸。成巖過程中生物碳經埋藏、壓實,氨基酸在還原條件下發生瀝青化,伴之以氧的貧缺和碳、氫的富集。瀝青化過程中物質成分和結構的變化示意如下:

在這一過程中氨基酸失去了氨基(-NH2)和羧基(-COOH),轉變成烷烴(瀝青的主要成分)。烷烴是最簡單的有機化合物,結構中僅有碳、氫兩種元素。經瀝青化后碳得到了進一步富集。

3.1.2 烷烴碳化和單質碳的有序化

將氫從烷烴中裂解出去獲得單質碳,需要在高溫高壓下才能實現。同樣,無定型碳有序化組成六方晶格也需要有高溫高壓,在自然界這兩種作用是在同一過程中完成的。本區的區域熱動力變質作用為晶質石墨的形成提供了溫壓條件。M.Bonijoly和M.oberlin等研究了法國中部中央地塊的無煙煤—半石墨—石墨系列樣品,認為自然環境中石墨以“漸進的地熱石墨化作用和突變相變模式”生成[7]。

3.2 本區晶質石墨礦形成的溫壓條件和變質相判斷

黃涼河巖組巖石中礦物共生組合為:

① 石墨(g)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)+石英(Q);

② 鉀長石(kf)+斜長石(pl)+黑云母(Bi)+石英(Q);

③ 斜長石(pl)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)+紅柱石(And);

④ 鉀長石(kf)+斜長石(pl)+黑云母(Bi)+石榴石(Alm)+矽線石(Sil)。

根據下面共生組合兩個變質反應的平衡關系推斷本區變質作用的溫壓條件:

P=5.5～8.5 kb,t=600～750 ℃。

P=450～550 kb,t=650～750 ℃。

因此,本區石墨礦形成的溫壓條件應為:P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃,相應地變質為高角閃巖相。

在這種溫壓條件下,有機質碳化作用和石墨化程度高,形成粗粒的鱗片狀晶質石墨。鱗片狀晶質石墨的含碳量可達99%以上,而殘留氫量只有0.04%～0.06%,H/C在0.005～0.014之間。

4 巖漿巖混合巖化和構造作用對石墨礦的影響

4.1 巖漿巖

黃陵斷穹核北部地區主要石墨礦圍繞圈椅埫花崗巖分布,在三岔埡石墨礦區見到大量巖漿巖(白崗巖)順層侵入,巖漿巖侵入地段石墨礦品位較高、片度較大,推斷巖漿巖有利于石墨礦化,對石墨礦有增富和晶片加大的作用。

4.2 混合巖化

混合巖化主要表現為再結晶作用,交代重組合作用和原始巖石發生選擇性局部熔融,以致在片麻巖里產生特殊的長英質偉晶巖。本區石墨礦中混合巖化廣泛,以條帶注入為主,鉀交代為特征,塑性變形明顯。石墨礦區中有二長偉晶巖產出,鏡下見塑性變形強烈:石墨、黑云母、白云母條帶呈揉皺狀,且在揉皺部位石墨富集。據此,本區混合巖化可能對石墨礦的形成有利。

4.3 構造作用

后期構造作用明顯是對石墨礦的破壞,分割錯斷礦體。然而在坦蕩河等地的石墨礦中,見到礦層與糜棱巖關系密切,似有成因關系,對于這一現象有待進一步研究。

[1] 張清平,田成勝.湖北三岔埡石墨礦地質特征及成因分析[J].中國非金屬工業導刊,2011(增刊):5-7.

[2] 田成勝,黃如生,張清平.湖北夷陵區石墨礦地質特征及找礦前景分析[J].資源環境工程,2011,25(4):310-312.

[3] 廖宗明,姚燕,胡章章,等.湖北黃陵斷穹核北部東沖河石墨礦地質特征與選礦工藝[J].資源環境工程,2016,30(5):681-685.

[4] 邱鳳,高建營,裴銀,等.黃陵背斜石墨礦地質特征及成礦規律[J].資源環境工程,2015,29(3):280-285.

[5] 弗·伊·斯米爾諾夫.礦床地質學[M].北京:地質出版社,1985:419-423.

[6] 陳衍景,劉叢強,陳華勇,等.中國北方石墨礦床及賦礦孔達巖系碳同位素特征及有關問題討論[J].巖石學報,2000,16(2):235-244.

[7] 莫如爵,劉紹斌,黃翠蓉,等.中國石墨礦床[M].北京:中國建筑工業出版社,1989:1-115.

(責任編輯：于繼紅)

Discussion on Formation Mechanism of Graphite Mine in Northern Core ofHuangling Faulted Dome,Hubei

LIU Yunyong,YAO Jingqu

(CentralSouthInstituteofMetallurgicalGeology,Yichang,Hubei443003)

The carbon of graphite mine in northern core of Huangling faulted dome is derived from the microbes(algae),and the microbes are enriched and buried in the Paleoproterozoic era between intercontinental sea epicontinental tidal flat facies and lagoon facies,and asphaltization in the reduction environment.After the regional thermal power metamorphism,organic carbon is converted to(scaly) crystalline graphite at high amphibolite temperature and pressure(P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃).Late magmatic activity and mixed petrophysization are favorable for graphite mineralization,and the relationship between tectonic action and graphite mineralization needs further study.

Huangling faulted dome; graphite; metallization mechanism

P619.25+2

A

1671-1211(2017)05-0536-05

2016-12-06;改回日期2017-02-28

劉云勇(1968-),男,高級工程師,地質礦產勘查專業,從事地質礦產勘查及研究工作。E-mail:330439402@qq.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.020.html數字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.005