福建大田—漳平地區構造-熱對煤系石墨成礦及賦存的控制探討

丁正云，王 路，曾 歡，李 陽，陳泉霖，鄧瑞錦，程 喬，林曉炎，曹代勇

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.福建省煤田地質勘查院，福建 福州 350005)

煤系石墨是由富集型煤在煤化作用階段進入石墨化作用階段形成的，隨著演化程度的不同，其化學組成和結構有序化程度發生變化。近年來，國內外學者圍繞煤成石墨的化學組成、微觀結構和應用等方面進行了探討，取得了一定的成果[1-3]。一些學者認為煤向石墨演化主要受巖漿熱單一因素的影響，并未重點關注構造，尤其是構造應力對煤成石墨化的影響。然而，K.R.Wilks 等[4]、R.M.Bustin等[5]通過模擬實驗證明了應力可以促進煤向石墨演化，且剪切應力的促進作用更加明顯；構造煤的研究發現，構造應力作用可以促使煤的超前演化，表現為構造煤具有較大的大分子結構及結構的有序排列[6-9]。因此，在多因素的制約下，煤成石墨化過程更加復雜。福建省位于東部濱太平洋構造帶上，巖漿活動顯著、構造十分發育、煤變質程度高，有較好的煤系石墨資源前景。以福建省大田—漳平地區礦區為主要研究對象，選取不同礦區不同變質程度的煤/石墨礦樣品，結合巖漿-構造條件，研究煤系石墨礦區的化學組成及微觀結構特征，探討煤系石墨的巖漿活動及構造等特征及其分布規律，為煤系石墨礦產綜合勘查開發利用提供依據。

1 地質背景

福建省位于東部濱太平洋構造成礦帶上，是煤系石墨礦的富集區。自晚太古代以來經歷了多次造山運動影響，特別是印支-燕山運動的活動影響最為顯著，NNE—NEE、NW—EW 及S—N 走向斷裂十分發育，形成大小不同的地塊。最突出的是NE 向的晉江–永安斷裂帶與NNE 向的政和—大埔構造-巖漿帶相交匯，將福建省割切為閩西北、閩西南及閩東3 個地塊，各主要構造期均伴有規模不等的巖漿侵入活動。

福建省大田—漳平地區(圖1)位于閩西南加里東–印支期陸內疊合造山帶永梅拗陷區中段，政和–大埔斷裂帶以西、晉江–永安斷裂帶以南地區。從西往東由沙縣–永安復式向斜，青水–龍巖復式向斜等一系列NE 向的次級構造單元組成，構造軸線總體走向NNE。研究區含煤地層為中二疊統童子巖組，該含煤區經歷了自晚古生代以來多次期構造運動，巖漿巖體分布廣泛，尤以燕山期構造–巖漿活動最為強烈和頻繁，對煤系影響最為顯著。

圖1 大田—漳平地質簡圖及采樣點Fig.1 Geological sketch map and sampling locations of the Datian-Zhangping area

2 煤系石墨基本特征

2.1 樣品宏觀構造變形特征

以福建省大田—漳平地區煤/石墨礦區為研究對象，選取該地區10 個礦區不同變質程度的15 個煤/石墨樣品(圖1)，由于礦區含煤地層沉積、聚煤環境等具有較大差異，樣品變質程度的分布范圍較大。在一期或多期構造應力作用下，煤體原生結構會發生不同程度的脆裂、破碎、韌性變形或疊加破壞，由此也引發了其內部化學成分和結構的變化[6]，樣品宏觀上既有脆性變形的碎粒、碎裂結構，也有構造變形強烈的揉皺狀結構或煤成石墨典型的鱗片結構。如大田地區9HP-1、QK-1-B、QK-2、9XGZ-2、9XGZ-4、SQ-4-B 樣品為構造變形稍弱的碎粒、碎裂煤，原生結構難以辨認，樣品易碎成小塊。漳平地區樣品的變形類型不同，其中WK-3-B、9WK-1、KK-3-B、9KK-3-1、9KK-3-2 樣品構造變形強烈，主要以鱗片狀、揉皺狀的韌性變形特征為主，裂隙發育較少，煤體可見揉皺現象，大田溪洋煤礦部分樣品(XY-4)也有此特征；而WSG-1-B、SSK-1-B、SBK-2-B 則主要以脆性變形為主，煤體破碎較嚴重，呈碎粒一小塊狀。依據變形機制不同，可將上述3種變形類型劃分為脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形(表1)。

表1 樣品基本信息與工業分析、元素分析Table 1 Basic information and proximate analysis and element analysis data of coal-based graphite samples

2.2 化學組成及微觀結構特征

煤的石墨化是化學組成上富碳、去氫、脫氧、大分子結構逐漸有序化的過程[10-12]，此過程中由多種元素向單一元素組成演化，H、O、N、S 等異種元素摻雜在芳環結構中造成異質原子吸附缺陷、取代缺陷等[13]，隨著碳含量增多，雜元素含量減少，芳環結構中的缺陷逐步降低。

為探討煤/石墨的化學組成、微觀結構特征等煤成石墨化特征變化，對樣品進行工業分析、元素分析、X 射線衍射和激光拉曼光譜等實驗(表1、表2)。由元素分析實驗結果可知樣品的演化程度很高，H/C 原子比基本小于0.1，屬于國際煤巖學與有機巖石學會(ICCP)所劃定石墨的H/C 范圍[14-16]，隨著變質程度的增高，煤基本結構單元碳原子面網間距逐漸減小[17]，同時各種類型的結構缺陷逐漸消亡，表征石墨結構缺陷發育程度的拉曼光譜參數R2=AD1/(AD1+AG+AD2)逐漸減小[12,19]，碳原子排列有序度較高，逐漸形成三維有序的石墨晶體結構[19-20]。

根據文獻[21]中高變質無煙煤-煤成石墨類型的分類模板，以碳層間距d002值和拉曼參數R2值作為結構指標，可以將大田—漳平地區樣品劃分為煤成石墨()Ⅰ、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化無煙煤(Ⅲ))三大類(表2)。根據表2 可以看出，研究區韌性變形特征樣品的碳層間距d002均位于0.335 7～0.337 0 nm，R2＜0.6，石墨微晶結晶程度較好，石墨晶體的三維有序度高，為煤成石墨；脆-韌性變形樣品的碳層間距d002位于0.337～0.344 nm，R2為0.4～0.7，微晶尺寸(Lc和La)增大，表明樣品石墨化程度較高，已達到煤成半石墨；而脆性樣品其d002值部分大于0.344 nm，R2基本小于0.7，樣品已經出現了一定程度的石墨化，但部分樣品石墨化程度不高，含有的結構缺陷較多，尚未形成規整、有序的石墨晶體結構，屬于石墨化無煙煤。

3 煤系石墨的分布規律

研究區從石墨化無煙煤(Ⅲ類)到煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)、煤成石墨(Ⅰ類)均有分布(表2)，其中，漳平地區樣品多為煤成石墨(Ⅰ類)，部分為煤成半石墨(Ⅱ1)，大田地區既有煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，也有石墨化程度不高的石墨化無煙煤(Ⅲ類)，之所以形成這樣的分布格局，和大田—漳平地區復雜的構造-熱條件有關(圖1，圖2)。

表2 樣品X 射線衍射、拉曼光譜數據及石墨類型Table 2 XRD and Raman spectral analysis data and distribution of different types of coal-based graphite samples

巖漿巖入侵產生的高溫為煤層的石墨化提供了熱力條件，而構造格局，特別是斷裂帶的展布，對煤系石墨的空間分布也有明顯的控制作用，大田—漳平地區多期次構造運動形成了一系列NNE、NEE、NW 及EW、SN 向斷裂帶，構成了“東西分帶、南北分塊”的基本構造格局(圖2)。煤系石墨的分布規律有：a.該區煤系石墨礦分布具有明顯的成區及成帶分布的特點，石墨成礦區主要集中在閩西南坳陷南部的漳平一帶，幾乎都是煤成石墨(Ⅰ類)，其次為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)；而在北部大田一帶分布的礦區石墨化程度較漳平一帶低，多為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，還有部分石墨化無煙煤(Ⅲ類)。b.煤系石墨成礦區主要呈NE、NNE 向展布，少部分為NW 向展布。NE 向煤系石墨成礦區可分為兩個亞區，漳平可坑–烏坑成礦亞區和永安–大田成礦亞區[21]。c.區內的Ⅰ級控礦斷裂(如政和–大埔斷裂帶)控制著主要成礦帶的分布；次一級的Ⅱ級控礦斷裂(如斷裂帶的派生構造或礦區發育的構造)既控制著不同期次的巖漿活動，成為巖漿熱導熱通道，也成為地層變質的隔熱層，為煤系石墨創造了良好的成礦空間，故在此帶上石墨礦相對集中分布。

圖2 大田–漳平地區煤成石墨分布Fig.2 Distribution of coal-based graphite in Datian-Zhangping area

4 煤系石墨成礦的控制因素

研究區內多期構造演化形成了復雜多變的構造格局和多種成巖成礦環境，是中國東南部重要的成礦集中區，也是南嶺東西構造帶[22-23]與東部濱太平洋成礦帶的亞洲大陸邊緣NNE 向構造帶交替演化的疊合部位，兩個構造帶長期、反復劇烈活動，不斷演化，使其交匯部位的區域成巖、成礦條件發生變化，形成封閉的擠壓環境，成為重要的成礦帶。不同時期的巖漿熱液作用和復雜多變的構造形變格局，為大田—漳平地區形成豐富的石墨礦床提供了良好的成礦條件。

4.1 巖漿巖對煤系石墨成礦的控制

巖漿巖作為礦質及成礦熱液的重要來源，其侵入時產生的高溫促進附近煤的變質作用和石墨化作用，要達到一定石墨化程度，需要有達到能發生相應石墨化作用的能量，理論上高溫為原子重排、重結晶、結構轉化提供了活化能[24]，有利于煤向石墨轉變。研究區經歷了印支期、燕山期等多期次巖漿侵入活動，其中燕山期侵入規模最大，分布在政和-大埔斷裂帶兩側，對含煤地層的影響最大。

大田—漳平地區巖漿巖侵入體與石墨礦的成礦關系主要表現在以下幾個方面：a.在空間上，區內絕大多數石墨礦床產出于巖漿巖侵入體外接觸帶或附近斷裂帶的有利圍巖地層中，如漳平可坑礦區的構造動力–巖漿熱變質帶、巖漿熱-構造變質帶、構造動力變質帶[20]。就每一個礦區來說，礦床(點)經常圍繞花崗巖體接觸帶分布，可坑礦區、大田下蓋竹等礦區均屬于此類；b.巖漿巖體的產狀、形態、規模及其與圍巖的接觸關系對石墨礦的產出和富集有顯著的影響，巖體順層侵入或巖體與含煤地層環抱式侵入，對煤的石墨化程度影響各不相同，后者對煤系石墨成礦最為有利，石墨礦的規模也相對較大，如可坑礦區；c.從巖漿巖體的侵位深度來看，深成侵入相或中深成侵入相的大巖體、巖基接觸帶、大巖株的邊緣等，侵入面積較大，熱能充足，對煤系石墨的成礦比較有利，如漳平可坑礦區；而較小的巖漿巖體或小巖脈則很少有石墨礦產出。這可能是因為淺成侵入的熱源散失較快，冷卻迅速，不利于接收并保存來自于巖漿巖體侵入時的高溫熱液氣，且作用時間短，影響煤的石墨化范圍較小，僅在巖脈附近煤的石墨化程度較好，如石板坑、烏石隔礦區。

4.2 構造對煤系石墨成礦的控制

構造對礦產的控制作用表現在對礦產形成、產出、分布的控制，大規模的走滑斷層及斜向逆沖構造等斷裂帶的發育不僅能控制巖漿巖體的侵入活動，作為巖漿熱的導熱通道，還能引起強烈的構造變形，可形成封閉式環境，成為含煤地層熱變質的隔熱層，起到保溫作用，構成復雜的構造-熱變質變形環境，有利于石墨化的發生。

更重要的是構造應力不僅可以造成煤的宏觀、微觀和超微觀變形，同時可以作用于煤中大分子化學結構，改變其化學組成。眾多學者在構造煤的研究中已經進行深入探討，曹代勇等[25]提出在煤化作用中的應力降解-應力縮聚機制；王路等[18]對湖南魯塘礦區煤系石墨的研究中提出了應變誘導石墨化機制；李小詩等[26]認為由于構造變形造成煤的化學結構和次生缺陷的不同，是導致構造煤與原生結構煤大分子結構不同的主要原因；張玉貴等[8]指出構造煤演化中的力化學作用，可引起裂解、聚合、正構、異構等化學變化。

大田—漳平地區童子巖組含煤巖系由軟硬巖層相間組合而成，在其形成以后的構造運動中，作為軟巖層的煤層在構造作用力下破壞并發生塑性流動，從區域構造背景來看，研究區位于東西兩條逆沖推覆構造帶的中間層，尤其沿政和-大埔斷裂帶附近，受強烈的擠壓、推覆構造的影響，煤在不同應力-應變環境中形成不同的變形特征。壓性、壓扭性或剪切變形環境，導致煤層受構造應力作用較強，含煤地層受到強烈破壞，形成脆性變形的碎粒煤、碎粉煤等；在較強的構造應力作用、較高的溫度和壓力變形環境下產生流變、揉皺變形或鱗片狀等韌性變形特征；而脆-韌性過渡的變形構造界于脆性和韌性之間，煤的變形也表現出脆-韌性疊加的特點[9]。

在韌性變形環境下，巖漿熱變質疊加動力變質作用，煤層在巖漿熱與構造應力共同作用下，促使煤的石墨化程度變高。從樣品變形類型來看，同一地區不同礦區或同一礦區礦層產出于不同構造變形環境的煤，其石墨化程度出現差異性，如漳平可坑、烏坑礦區，以韌性變形為主的樣品 KK-3-B 和WK-3-B，碳層間距減小為0.336 1 nm 和0.336 2 nm，堆砌度和延展度增大，R2為0.343 和0.338，樣品多以Ⅰ類煤成石墨為主，說明韌性變形作用不僅促進了脂族結構的降解和環化縮合，同時也使芳香結構相互拼疊，形成了更大尺寸的芳香層片，發生了應力縮聚作用，這也進一步表明構造應力作用能促進煤的石墨化。

脆性斷裂導致煤的變形以脆性變形為主，形成碎粉狀、碎粒狀結構，斷裂構造發育切斷含煤地層，成為巖漿熱的導熱通道，為煤的石墨化提供熱源，但又成為巖漿熱的散熱通道，形成一開放性環境，煤的石墨化程度不高，d002值大于0.344 nm 或R2大于0.65，如瓊口石墨礦(QK-2)、烏石隔礦(WSG-1-B)、石板坑(SBK-2-B)等礦區，樣品多形成Ⅱ2類煤成半石墨，甚至是Ⅲ類石墨化無煙煤。而以脆-韌性變形為特征的下蓋竹、可坑等部分樣品，變形表現出脆-韌性疊加特點，如9XGZ-4、9KK-3-2，其碳層間距(0.341 8 nm、0.337 2 nm)和R2值(0.611、0.469)明顯較韌性變形樣品高又比脆性樣品低，在半開放-半封閉式環境主要形成Ⅱ1和Ⅱ2類煤成半石墨。

5 結論

a.根據變形機制不同，可將煤的變形類型分為脆性變形、脆-韌性變形和韌性變形。以碳層間距d002值和拉曼參數R2值作為結構指標，可以將大田—漳平地區不同變形特征的樣品劃分為煤成石墨(Ⅰ)、煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2)和石墨化無煙煤(Ⅲ)三大類，煤的變形特征與煤成石墨類型基本一致。

b.絕大多數石墨礦床均產出于巖漿巖侵入體外接觸帶或附近斷裂帶的有利圍巖地層中，且巖漿巖體的產狀、形態、規模及其與圍巖的接觸構造形式對石墨礦的產出和富集有明顯的控制作用；深成侵入相或中深成侵入相大巖體、巖基接觸帶、大巖株的邊緣等對煤系石墨的成礦比較有利。

c.同一地區不同礦區或同一礦區產出于不同構造變形環境的礦層，煤的石墨化程度呈現差異性。構造應力作用能促進煤的石墨化作用，韌性變形過程中大分子結構的應力縮聚變形機理使得煤層在韌性變形環境下，因巖漿熱變質疊加動力變質作用，其石墨化程度較高，以Ⅰ類煤成石墨為主。

d.大田—漳平地區煤系石墨礦具有明顯的成區、成帶分布特點，煤成石墨成礦區主要集中在閩西南坳陷南部的漳平一帶，幾乎都為Ⅰ類石墨；北部大田一帶分布的礦區礦體石墨化程度較漳平一帶低，多為煤成半石墨(Ⅱ1和Ⅱ2類)，甚至是石墨化無煙煤；研究區煤系石墨成礦區主要呈NE、NNE向展布，可進一步分為漳平可坑–烏坑成礦亞區和永安–大田成礦亞區兩個亞區。