小秦嶺泉家峪石墨礦床地質特征及成因研究

高 曉, 馮紹平, 楊光忠, 常嘉毅, 王小濤, 李 利, 毛 寧

(1.河南省地質礦產勘查開發局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450000；2.河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471023；3.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預測重點實驗室，河南 洛陽 471023)

河南省石墨礦產資源豐富，主要為晶質石墨礦，資源儲量居全國第六位。羅銘玖等[1]利用礦床成礦系列的觀點，將河南省石墨礦床劃分為兩個石墨成礦帶：華北板塊南緣靈寶—魯山—舞陽石墨成礦帶及北秦嶺朱陽關—柳泉鋪石墨成礦帶。小秦嶺泉家峪石墨礦床位于靈寶—魯山—舞陽石墨成礦帶內，累計查明資源儲量已達中型規模，該成礦帶是我國重要的石墨成礦帶之一，分布著泉家峪、欒川平良河、魯山背孜等大中型石墨礦床，主要賦存于新太古界太華群的中、深變質巖系中，受區域變質作用影響較大。本文對泉家峪石墨礦進行礦床地質特征及成因研究，可有效地指導小秦嶺地區石墨礦床深部找礦工作。

1 區域成礦地質特征

小秦嶺地處秦嶺東西復雜構造帶的北亞帶，西北為祁呂—賀蘭山字形構造，東北為新華夏系太行山隆折帶，北為山西多字型構造，南為秦嶺東西復雜構造帶的南亞帶。據河南地質研究所劃分，本區屬中朝地臺華熊沉降帶崤山—魯山拱斷束華山臺穹。區內主要分布了一套太古代變質巖系，遭受不同程度的混合巖化。

區內構造復雜，南部的大月坪—老鴉岔背斜、中間的西陰(或稱七樹坪)向斜，北部的五里村背斜構成褶皺構造的全貌。泉家峪石墨礦處于五里村背斜西傾伏端(圖1)。斷裂構造主要為區域南北兩大斷裂，南部大斷裂表現為壓扭性，北部大斷裂為華山斷裂的東延部分，經歷了先壓后張的復雜轉變過程。兩大斷裂總的反映了長期多次活動的特征，對區域地質具控制作用。泉家峪石墨礦處于北部大斷裂附近，對礦區構造發育影響頗大。

區域內巖漿活動頻繁，主要為酸性花崗巖侵入，多呈巖株狀。古元古代桂家峪片麻狀黑云角閃花崗巖巖體 (γ21)，中元古代小河正長花崗巖、黑云母花崗巖巖體(γ22)，中生代閔峪黑云母花崗巖巖體(γ53)，緊鄰泉家峪石墨礦床。脈巖以中基性輝綠巖最發育，其他有花崗巖、細晶巖、堿性正長斑巖等。區內混合巖廣泛分布，可分成條帶狀混合巖、混合片麻巖、均質混合巖三個帶。泉家峪石墨礦床屬混合片麻巖帶。

2 礦區地質特征

2.1 地層

礦區內除新生界第四系外，主要出露新太古界太華群的地層。

(1)閆家峪組(Ar3l)：巖性主要為角閃混合片麻巖，僅在礦區東南角有少量分布。區域厚度1 705m，與上覆地層接觸關系不清。

(2)觀音堂組(Ar3g)：為礦區主要賦礦地層，石墨含礦層位，以石英巖為標志與上下地層分界，按巖性可劃分為11層。巖性為石英巖、黑云透輝混合片麻巖、斜長透輝巖、石墨混合片麻巖、角閃黑云混合片麻巖，局部夾透輝大理巖。分布在大月坪—老鴉岔背斜兩翼和七樹坪向斜軸部，區域厚度200～650m，與上覆地層整合接觸。

(3)洞溝組(Ar3d)：巖性為角閃石花崗質混合片麻巖夾角閃石片巖，主要分布于礦區西部。區域厚度2 135～4 243m，與上覆地層接觸關系不清。

2.2 構造

受區域構造多期活動的影響形成了較為復雜的構造面貌。總體來看，首先在強大的近東西向擠壓力的作用下，形成了礦區的褶皺構造，奠定了礦區巖石構造線方向，并形成了與褶皺軸向一致的斷裂構造F4，組成了礦區基本構造輪廓；之后在近南北向作用力影響下，又發育形成了F5近南北向張性斷裂及北西西向F3壓性斷裂，其中F3切斷區內主要礦體，F5控制礦體邊界。

(1)褶皺構造。

礦區總體褶皺構造為—傾伏背斜，傾伏端位于礦區西北部，被北部斷裂切割，背斜軸向140～320°，背斜受斷裂構造破壞，僅保留大致輪部。

(2)斷裂構造。

北部發育有邊緣大斷裂F1及F2，斷裂面北傾，為多期活動斷裂，礦區可見寬達百余米的碎裂巖帶，擦痕也清晰可見。據區域資料，該斷裂斷距超過5 000m，可能經歷了先壓后張的力學轉變過程。F2為其派生次一級斷裂構造。

礦區中部斜切背斜軸發育有北西西向壓性斷裂F3，區內延長1 450m，切斷F4和F5，沿斷層可見數米寬的糜棱片巖及碎裂混合偉晶巖帶，斷層傾向約200°，傾角70～80°。斷盤南升北降，屬壓性斷裂，切斷了礦區主要礦體。

在背斜西翼大致平行背斜軸向發育有壓性斷裂F4，延長850m，傾向東北，傾角80°左右，從礦體中通過，可見十余米寬的糜棱巖帶，斷層擦光面十分發育，東盤上升為—壓性斷層。

礦區東部F5張性斷裂帶北北東向縱貫礦區，區內延長1 000m，近南北向，為—張性斷裂帶，斷裂破碎帶較寬，多數蛭石透輝巖化，局部發育寬大的方解石脈。斷面傾向北西，近于直立。該斷層控制了礦體東部邊界。

3 礦體地質特征

3.1 礦體特征

礦區有兩個含礦層位，位于觀音堂組(Ar3g)的上部和下部。含礦層巖性為石墨混合片麻巖夾斜長透輝巖、透輝大理巖。局部出現透輝混合巖。礦體形態有似層狀、透鏡狀和楔形狀。

下部礦層厚度20～46m。主要分布在F4斷層以東地段，礦體分布在含礦層上部，厚度3～11m，含有2～3個較穩定的斜長透輝巖夾層，夾層厚度1～2m。

上部礦層背斜西翼含礦層厚度60～90m，產出礦區主要礦體，即I、Ⅱ號礦體。礦體呈似層狀產出，含礦層頂部為I號礦體，厚度7～33m，傾角40～70°，平均60°，延長660m，延深80～250m，品位4.23%；底部為Ⅱ號礦體，厚度6～33m，傾角40～74°，延長660m，延深42～200m，品位4.09%。I、Ⅱ號礦體之間為斜長透輝巖、透輝大理巖夾層，夾層厚度10～30m，夾層中產有透鏡狀小礦體；背斜東翼含礦層變薄為40～70m，產出礦體規模較小。

3.2 礦石特征

礦石工業類型屬晶質鱗片狀石墨礦，自然類型屬石墨片麻巖型，主要有石墨混合片麻巖和石墨透輝混合巖。礦石構造主要有條帶狀構造(圖2a)、片麻狀構造(圖2b、c)；礦石結構主要有鱗片粒狀變晶結構(圖2e、f)、混合交代結構(條紋結構)(圖2d)及交代殘留結構等。礦石礦物為石墨，脈石礦物有透輝石、斜長石、鉀長石、石英、黑云母等，微量含鐵礦物。石墨呈聚晶、連晶產出，片徑最大0.38mm×1.725mm，一般 0.12mm×0.42mm。

3.3 礦石化學成分

圖2 泉家峪石墨礦石手標本及鏡下顯微照片

小秦嶺泉家峪石墨礦床變質巖系的主量元素組成及數據統計分析結果見表1。從表1中可以看出，樣品中 SiO256.63%～ 62.88%，平均59.26%；Al2O312.43% ～ 17.54%， 平 均 13.91%；K2O 2.02% ～8.77%，平均 4.51%；Na2O 2.56% ～ 5.84%，平均3.72%；TiO20.37% ～ 0.95%，平均 0.63%；Fe2O31.90%～2.92%，平均2.37%；MgO 2.57%～4.66%，平均 3.59%；CaO 2.52% ～ 7.98%，平均 4.73%。由此可以得出，Al2O3和燒失量(LOI)數值較大，表明該礦區變質巖具有沉積巖的特點。

根據泉家峪石墨礦所取樣品的 Harker 圖解(圖3)可以看出，隨著 SiO2含量的不斷增加，Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O、MgO、TiO2和 P2O5的含量逐漸減少，具有明顯的負相關性；K2O含量隨 SiO2含量的增加而增加，呈現出一定的正相關性，這反映了泉家峪礦變質巖系的巖石化學成分的演化特點。

4 礦床成因討論

4.1 礦石含礦建造

本區的石墨賦存在太華群觀音堂組以片麻巖為主的變質巖系中，主要含礦巖性為石墨混合片麻巖、斜長透輝巖、透輝大理巖等。礦層的頂底板為典型的沉積變質巖——大理巖、石英巖礦體為層狀、似層狀和透鏡狀，具明顯的層理和韻律特點。片麻巖系與大理巖系呈頻繁夾雜或交互出現，反映出當時的沉積環境振蕩作用比較頻繁。石墨呈顯微鱗片—鱗片狀分布于脈石礦物顆粒間，沿片麻理出現，可見石墨集聚成的條帶或條紋，說明石墨礦質與地層巖石同時沉積。礦石中重砂礦物多呈渾圓狀，半渾圓狀，磨蝕現象明顯。泉家峪石墨礦床含礦地層為一套典型的變質沉積巖組合含礦建造。

表1 泉家峪石墨礦床礦石化學成分

4.2 礦石的原巖恢復

對礦石的主量元素進行尼格里值計算，在(al+fm)-(c+alk)-Si 圖解(圖4)中，樣品落在鈣質沉積巖和火山巖區域中。

圖3 泉家峪石墨礦變質巖系Harker圖解

圖 4 (al+fm)-(c+alk)—Si圖解

在(al-alk)-c圖解中(圖5)，樣品落入長石質粘土和雜砂巖混合物區域內，表明變質巖系原巖很可能為長英質沉積巖。依據 Girty等[3]的研究理論，若Al2O3/TiO2比值＜14，說明物源來自于鎂鐵質巖石的沉積物；19＜Al2O3/TiO2比值＜28，則說明物源來自于長英質巖石的沉積物。泉家峪石墨礦床所取巖石樣品中Al2O3/TiO2比值介于14.45～ 35.97，均值 24.20，說明樣品物源偏向來源于長英質巖石的沉積物。

圖5 (al-alk)-c圖解

綜合上述，可以推斷出泉家峪變質巖系原巖為鈣質、長英質沉積巖，并夾有中基性火山凝灰巖。

4.3 成礦物質來源

目前石墨成礦物質的來源主要存在兩種情況：有機碳來源和無機碳來源[4]。田煦等[5]對泉家峪石墨礦床中碳同位素進行了測試，δ13C值為-26.5‰～-28.7‰(表2)。與現代有機質、現代動植物、瀝青、煤、各地石灰巖等δ13C值[12]對比，發現泉家峪石墨礦石δ13C 值變化范圍與有機碳的δ13C值極為相似，與地幔脫氣深部流體(δ13C約為5×10-3)和無機碳的δ13C值((0.5±2.5)×10-3)相差較大。綜上所述，泉家峪石墨礦的碳物質來源主要為沉積地層中的有機碳。

表2 泉家峪石墨礦石與其他地區碳穩定同位素對比表[5-11]

4.4 礦床成因分析

石墨礦床根據成因可分為區域變質型、接觸變質型和巖漿熱液型3種類型[13]。其中，以區域變質型最重要，其主要與區域變質作用密切相關，分布在古老地臺周緣的元古代地層中，分布廣、規模大。

泉家峪石墨礦床含礦巖石的原巖為一套泥質、鈣質，并伴有火山凝灰巖沉積建造，在區域變質條件下，形成主要的礦化巖石。成礦物質主要來源于有機碳，含碳地層在區域變質過程中，在溫度、壓力、變質溶液的作用下，使原有機碳逐漸變化形成石墨，并經過遷移、重結晶、富集形成現今的晶質石墨礦床。泉家峪石墨礦床的成因為區域沉積變質型石墨礦床。

5 結論

(1)小秦嶺泉家峪石墨礦床含礦層位為新太古界太華群觀音堂組，為一套典型的變質沉積巖組合含礦建造，在區域上具有穩定性。

(2)通過研究相關地球化學圖解，推斷泉家峪變質巖系原巖為鈣質、長英質沉積巖，并夾有中基性火山凝灰巖。

(3)根據石墨礦石碳同位素樣δ13C值的測試結果，并與其他有機碳成因的石墨礦床及有機物質等碳同位素組成進行類比分析，得出小秦嶺泉家峪石墨礦床碳的成礦物質主要來源于有機碳。

(4)綜合研究認為，小秦嶺泉家峪石墨礦床為沉積變質型石墨礦床。