山東石墨礦地質特征和成礦區帶劃分

顏玲亞，高樹學，劉海泉，孫即秀，周 雯

(中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100)

山東石墨礦資源較為豐富，因石墨鱗片大、宜采宜選，成為我國石墨礦重要開發基地。山東石墨礦床的研究工作始于20世紀60年代，首先在區域地質調查過程中開展了基礎研究工作；80年代，蘭心儼[1]、王克勤[2]以南墅石墨礦為例，對山東前寒武紀石墨建造的特征和石墨礦床的成因進行了詳細的研究，提出區域變質作用是石墨礦床的主要成礦作用；2000年以來，顏玲亞等[3]、孟輝[4]分別開展了劉戈莊典型石墨礦成礦要素及地球化學特征研究，提出了劉戈莊成礦模式及物質來源；中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊開展了山東省資源潛力評價[5]；孔慶友等[6]、于學峰等[7]、倪振平等[8]，開展了包括石墨在內的山東礦床成礦系列及成礦規律研究，形成了豐富的研究成果。本文在全面分析山東石墨礦勘查成果的基礎上，結合前人研究成果，分析了石墨成礦地質條件，重新劃分了石墨成礦區帶，以期對山東省礦床成礦區帶劃分提供參考，為開發利用提供依據。

1 石墨礦資源概況

1.1 資源特征

截至2018年，全國保有晶質石墨礦158處，資源儲量(礦物量)3.68億t[9]。山東石墨礦均為晶質石墨礦，礦產地33處，保有資源儲量(礦物量)1 770.20萬 t，查明資源儲量(礦物量 )2 083.02萬t，其中保有礦產地22處[10]，資源儲量(礦物量)1 618.78萬t，全國占比4.40%，位居全國第5位；另有未統計在儲量表內的晶質石墨礦11處，資源儲量(礦物量)151.42萬t。按規模劃分，大型7個，占比21%；中型9個，占比27%；小型17個，占52%。山東石墨礦床數量分布以平度最多，為18處，其余分布在萊西、萊陽、牟平、海陽等地，在威海田村、蓉城泊于、乳山午極、海陽晶山—牧牛山等地，也有晶質石墨礦點分布。具有工業意義的礦床大都分布在平度和萊西境內，兩地區合計查明晶質石墨資源儲量(礦物量)占總量的94.66%(圖1)。

圖1 山東查明石墨礦物量占比分布

1.2 礦床類型

我國石墨礦成因類型為區域變質型、接觸變質型和巖漿同化混染型[11]，山東石墨礦床成因類型全部為區域變質型，工業類型為晶質石墨礦。

1.3 質量特征

全國晶質石墨礦各礦石中固定碳含量2.34%～34.55%，平均7.4%±[11]。山東石墨礦固定碳含量處于中等，通過統計山東省33個石墨礦資源量及固定碳含量數據，山東石墨礦固定碳平均含量為3.76%。最高的為魯中的萊蕪獨路石墨礦，為9.91%，其次是魯中的章丘下射垛石墨礦，為4.78%。膠東地區石墨礦固定碳含量低于魯中地區(圖2)，但石墨鱗片片徑大。如萊西南墅石墨礦鱗片大小6～0.01mm，主要在0.4～0.1mm；平度劉戈莊石墨礦石墨片徑一般0.2～ 0.5mm、0.5～ 1.0mm；魯中地區石墨礦雖然固定碳含量高，但石墨鱗片較小，均在100目(0.147mm)以下，如章丘下射垛石墨礦石墨片徑一般0.1～0.005mm，萊蕪市獨路石墨礦石墨片徑一般為0.01～ 0.02mm。

圖2 山東自西向東各地區石墨固定碳平均含量變化趨勢

由圖2可以看出，除萊蕪地區石墨固定碳含量較高以外，膠東地區自西向東固定碳含量變化不大，但從礦床規模看，大型礦床全部分布在平度、萊西地區，萊陽、海陽、牟平、威海等地均為中小型石墨礦，從已有大型石墨礦床分布特征看，膠東地區自西向北東，成礦強度逐步變弱。石墨鱗片除魯西地區石墨片徑較小以外，膠東地區石墨礦鱗片普遍較大。

1.4 重要礦集區

根據石墨礦分布的地理位置、賦存層位、成礦時代及查明的石墨資源儲量分布特征，將山東石墨礦劃分為3個礦集區(表1)，礦集區累計查明石墨(礦物)資源量儲量1 969.45萬t，占已查明資源儲量的95%。其中平度劉戈莊石墨礦集區查明石墨礦床14處，萊西南墅石墨礦集區查明石墨礦床4處，平度云山石墨礦集區查明石墨礦床4處。由于石墨礦均賦存于荊山群陡崖組徐村段，普遍變質程度較高，3個石墨礦集區均屬于大鱗片產出率較高的石墨礦。

2 成礦地質背景

2.1 大地構造位置

山東石墨礦大地構造位置主要位于華北板塊(Ⅰ)膠遼隆起區(Ⅱ)膠北隆起(Ⅲ)，占查明資源儲量的95.37%。在膠萊盆地(Ⅲ)西北部分布有萊陽大粱子口和山前夼兩處石墨礦；在蘇魯造山帶(Ⅰ)膠南—威海隆起區(Ⅱ)威海隆起(Ⅲ)分布有威海小石島、文登冢子莊及文登市臧格莊等小型石墨礦；另外在華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)分布有萊蕪市萊城區獨路石墨礦、章丘市下射垛石墨礦2處小型石墨礦。大中型且具有工業意義的石墨礦主要分布在膠北隆起(表2)。

表1 山東石墨礦集區一覽

2.2 賦礦地質體

山東石墨礦成礦地質體以沂沭斷裂帶為界，以東(膠東地區)石墨礦賦存于古元古代荊山群陡崖組徐村段、祿戈莊組安吉村片巖段；沂沭斷裂帶以西(魯中地區)石墨礦賦存于新太古代泰山巖群雁翔關組。

與石墨礦成礦密切相關的地質體為陡崖組徐村段石墨變粒巖—透輝大理巖組合，巖性由石墨片麻巖、石墨變粒巖、透輝巖、透閃巖、斜長角閃巖和大理巖等組成，含晶質石墨的變質巖石主要為斜長片麻巖(約占礦石總量的70%～80%)，其次為透閃透輝巖(約占礦石總量的10%～20%)，少數為大理巖型石墨礦。膠東地區石墨礦體的產出與大理巖密切相關，大理巖多作為礦體的頂、底板或夾層出現，圍巖中的大理巖具有石墨礦化現象，如萊西南墅，牟平徐村、平度境內的石墨礦床等，荊山群大理巖可作為區域上的找礦標志。

魯中地區石墨礦床產于泰山巖群雁翔關組地層中，石墨礦石類型為含石墨斜長角閃巖(章丘下射垛石墨礦)、含石墨黑云變粒巖[13](萊蕪獨路石墨礦)，其圍巖均為斜長角閃巖。

2.3 成礦環境

在膠東地區石墨礦成礦環境主要為古元古代魯東裂谷盆地環境，出現了大量濱—淺海相復理石沉積(荊山群、粉子山群)和部分高成熟度濱海碎屑巖沉積(芝罘群)。其原巖主要為一套正常淺海相的泥質巖、碎屑巖、碳酸鹽巖及鈣鎂硅酸鹽巖。三個不同的沉積旋回形成了三組巖性組合，即祿格莊組、野頭組、陡崖組，主要巖性為石榴矽線黑云片巖、大理巖、透輝巖、石墨片麻巖、長石石英巖、黑云變粒巖、麻粒巖等，具孔茲巖系巖石組合特點。其中，祿格莊組主要為長英質變粒變巖類；野頭組主要為斜長角閃巖、透輝巖、透閃巖、大理巖；陡崖組主要為含石墨巖系和高鋁片巖的巖石組合，沿橫向和縱向延伸穩定，說明該組沉積時地殼處于穩定狀態，其中石墨的出現表征著該地區第一次出現大規模有機質成分，其原巖主要為一套含碳質的碎屑巖及粘土巖，也反映了一種淺海相的沉積環境。根據孟輝[4]對劉戈莊石墨礦δ13CPDB/‰測試結果及王克勤[2]對南墅石墨同位素測定結果(表3)，山東石墨礦碳質來源為有機質。

表3 山東石墨礦δ13CPDB/‰測試結果統計

2.4 構造控礦

山東石墨礦的形成與基底褶皺構造關系密切，均受控于區域上大型褶皺構造。如在平度地區，倉村—吉林大型復式背斜呈北東向控制著張舍、東石嶺、西石嶺、田莊、矯戈莊等石墨礦的產出，劉戈莊石墨礦產于劉戈莊—田莊向斜[12](圖3)。褶皺構造對石墨礦體的形態和品位有一定影響，石墨礦體主要分布在背斜構造的兩翼或向斜構造的核部。產于背斜構造翼部的石墨礦層(體)規模大，保存好，形態簡單；產于褶皺轉折端處的石墨礦層(體)寬大，呈鞍狀，但斷層發育，形態復雜。褶皺構造傾伏端、轉折部位，石墨礦品位較富。大型礦床多發育在褶皺的轉折端。斷裂構造多對石墨礦床多具破壞作用，但早期的斷裂為熱液運移的通道，在一定程度上對石墨成礦也起到促進作用。

2.5 變質作用

圖3 平度地區褶皺構造與石墨礦分布圖

山東石墨礦主要分布在膠北陸緣活動帶，屬于膠北高級變質區，成礦作用與古元古代裂谷型區域動力熱流(核部)變質作用密切相關，變質相為角閃巖相—麻粒巖相。一些大、中型石墨礦幾乎全部產于麻粒巖相條件下形成的含礦變質沉積建造中。變質作用與石墨礦的形成密切相關，變質程度越高，變質巖石中石墨晶片越大。據山東省地礦局第四地質隊對南墅石墨礦田的變質相進行多組礦物對溫、壓估測認為，南墅地區主期變質溫度為760～875°，壓力在0.5GPa左右，地熱梯度為41～46℃/km，屬低壓相系麻粒巖相，從而使得原巖中的碳質在更有利的環境中結晶成晶片大的晶質石墨礦床。在同一地層單位的非麻粒巖相發育區，如牟平徐家、海陽郭城、萊陽荊山等地的角閃巖相變質級發育區，形成的石墨礦規模小，石墨片度較小。再如發育在膠北隆起北部福山巨屯和東廳、蓬萊疃頂、萊州粉子山等地的粉子山群巨屯組，也是一套含石墨變質巖系，為石墨(黑云)片巖、黑云片巖、石墨大理巖為主夾(石墨)黑云變粒巖、石墨透閃巖的巖石組合。盡管這套含石墨變質巖系中固定碳含量達5%～8%(高者達10%)，普遍高于荊山群陡崖組徐村段變粒巖—片麻巖相含石墨變質巖系中的固定碳含量(一般3%～5%)，因變質程度低，其石墨結晶程度差，石墨片徑0.03～0.1mm，鱗片細小，不能形成工業礦床。粉子山群巨屯組不是沒有形成成礦的物質基礎，變質相僅達到低角閃巖相，遠不能滿足優質鱗片石墨礦結晶的溫壓條件。

山東晶質石墨礦普遍發生了混合巖化作用，混合巖化作用對區域變質作用階段形成晶質石墨礦石進行了一定的改造，主要表現為混合巖化的重結晶作用，使含片麻理礦石中石墨鱗片片徑加大(粗大)；混合巖化的重熔作用，使部分碳質遷移，形成石墨脈(脈內石墨鱗片片徑較大)；重熔作用產生的長英質脈體注入石墨片麻巖之片麻理中，引起近脈壁兩旁石墨鱗片粗化，同時長英質脈體注入使得石墨品位降低。

3 時空分布特征

3.1 空間分布特征

(1)山東石墨礦主要賦存于古元古代荊山群。荊山群主要分布于膠北地區的萊陽荊山、施旗山、萊西南墅、平度祝溝、明材、海陽晶山、牟平祥山及昌邑岞山和安丘趙戈莊等地，在威海—乳山—膠南—日照一帶多小包體形式產出于青白口紀二長花崗質片麻巖中。荊山群總體呈北北東向的帶狀展布，主要巖性為高鋁片巖、變粒巖、大理巖、含石墨巖系、片麻巖、透輝巖等巖石組合，遭受了比較強烈的變質作用，達角閃巖相—麻粒巖相。厚1 977～2 856m，出露總面積約1 405km2，自下而上分為祿格莊組、野頭組和陡崖組，其中陡崖組是石墨礦主要賦礦層位。

(2)魯中地區石墨礦主要分布于新太古代泰山巖群，大地構造位于魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)泰山—濟南斷隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)，受新太古代TTG巖系的侵入以及區域變質作用，呈北西、北北西向條帶狀、包體狀分布。石墨礦主要分布于魯中地區的濟南市萊蕪、章丘等地。

3.2 成礦時代

山東石墨礦成礦時代主要集中在古元古代，占查明資源儲量的98.93%。新太古代占1.07%。具有工業意義的石墨礦全部形成于古元古代。根據孟輝[4]對膠東地區劉戈莊石墨礦通過鋯石U－Pb測年數據可知，石墨變質巖系原巖沉積時代年齡約為2230±20Ma，形成時代在古元古代早期。古元古代形成的石墨礦主要分布在沂沭斷裂帶以東的膠東地區，新太古代形成的石墨礦分布在沂沭斷裂帶以西的魯中地區。

3.3 成礦層位

山東石墨礦主要賦存沂沭斷裂帶以東的古元古代荊山群陡崖組徐村段，占查明資源儲量的98.52%，荊山群祿戈莊組安吉村片巖段僅占0.41%，石墨礦的形成具有明顯的層控性，山東萊西南墅石墨礦、平度劉戈莊、矯戈莊、張舍石墨礦、萊陽大梁子口和山前夼石墨、海陽郭成等石墨礦均賦存于該層位中。沂沭斷裂帶以西(魯中地區)石墨礦賦存于新太古代泰山巖群雁翔關組僅占查明資源儲量的1.07%。泰山巖群雁翎關組分布于泰山凸起區(Ⅳ)南部邊緣，呈北北西向條帶狀展布，片麻理發育，巖性主要為角閃片巖、斜長角閃巖夾黑云變粒巖、磁鐵石英巖、石墨變粒巖，為一套基性火山巖夾砂泥質建造。魯中地區的萊蕪獨路石墨礦、章丘下射垛石墨礦賦存于該層位中(表4)。由于變質程度低，形成的石墨鱗片較小，目前尚未開發利用。

表4 山東石墨礦賦礦層位

4 成礦模式

4.1 膠東地區石墨礦成礦模式

古元古代(2 500～1 800Ma)早期，華北陸塊經歷了一次基底陸塊的拉伸—破裂事件，產生了膠遼裂陷盆地，在其中膠北海盆內發育了一套半穩定—較穩定構造環境下的濱、淺海相沉積建造(荊山群和粉子山群)，原巖主要為含碳粘土巖—碎屑巖—碳酸鹽巖建造。荊山群位于沉積盆地中心、粉子山群位于盆地邊緣。古元古代晚期，裂陷、盆地閉合，地層發生強烈變形，荊山群發生了中高級區域變質作用，變質程度達到了角閃巖相—麻粒巖相，原巖中的有機質進一步發生分解反應，形成了晶質石墨礦，主要巖性為石榴矽線黑云片巖、大理巖、透輝巖、石墨片麻巖、長石石英巖、黑云變粒巖、麻粒巖等等典型的孔茲巖系巖石組合。膠東地區石墨礦成礦模式見圖4。

圖4 膠東地區石墨礦成礦模式

粉子山群總體分布于荊山群的南北兩側，變質程度為高綠片巖相—低角閃巖相。主要巖性為大理巖、黑云變粒巖、透閃巖、石墨透閃巖、淺粒巖、斜長角閃巖、磁鐵石英巖、矽線黑云片巖等。粉子山群形成于濱海相至淺海相的大陸邊緣構造環境。主要形成菱鎂礦、滑石、石英巖等礦床。粉子山群和荊山群都含有有機質，粉子山群未經受高級變質作用，原巖中的有機質未充分發生分解反應，形成的石墨礦鱗片較小，未形成具有工業意義的石墨礦床。

4.2 魯中地區石墨礦成礦模式

魯中地區的石墨礦賦存于新太古代泰山巖群雁翎關組地層中。泰山巖群形成于2 850Ma之前，在大于2 850Ma期間，魯西地塊處于拉張狀態，發生類似如裂谷作用的斷裂，形成面積廣泛的海盆地，并沉積了含有相當數量有機物的泥砂質建造，在區域變質作用過程中，巖石均達到角閃巖相，巖石中的有機物遭受一系列的分解反應，導致晶質石墨的產生。典型礦床代表為萊蕪獨路石墨礦和章丘下射垛石墨礦。

5 成礦區帶劃分

據倪振平等[8]，山東省Ⅳ級成礦區帶共劃為13個區帶，其中4個Ⅳ級成礦區帶與石墨礦有關，分別為膠西北Au-Fe-Mo-石墨-滑石-菱鎂礦成礦亞帶(Ⅲ-65-①)、膠萊盆地螢石-重晶石-膨潤土成礦亞帶(Ⅲ-65-②)、威海－文登Au-Ag-Mo-PbZn-Cu成礦亞帶(Ⅲ-67-①)、魯中地區煤-Fe-Al-Au-建材、非金屬成礦亞帶(Ⅲ-64－②；在Ⅳ成礦帶中共劃分了5個石墨V級成礦帶，分別為南墅石墨-Au成礦區(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成礦區Ⅴ65-1-8)、新河—飲馬Fe-Au-石墨成礦區(Ⅴ65-1-9)、萊山Au-Mo-Cu-石墨成礦區(Ⅴ65-1-3)、膠南七寶山Pb-Cu-Au-螢石-石墨。根據本次研究成果，V級成礦帶進行了調整，由于新河—飲馬石墨成礦區(Ⅴ65-1-9)和膠南七寶山Pb-Cu-Au-螢石-石墨(Ⅴ67-2-1)成礦區至今未發現具有工業意義的石墨礦床，可作為成礦潛力區，不能作為V級成礦帶。本次共劃分了6個石墨V級成礦帶(圖5、表5)，分別為南墅石墨-Au成礦區(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成礦區(Ⅴ65-1-8)、萊山Au-Mo-Cu-石墨成礦區(Ⅴ65-1-3)、萊陽膨潤土-石墨成礦區(Ⅴ65-2-2)、牟平-乳山Au-Cu-Mo-Fe-石墨成礦區(Ⅴ67-1-2)、新泰—大汶口成礦區Fe、石墨(Ⅴ64-2-12)，呈北北東向分布于膠西北地區的平度—萊西—萊陽—海陽—牟平一文登一帶，石墨礦主要分布在南墅成礦區(Ⅴ65-1-7)和平度石墨成礦區(Ⅴ65-1-8)。

6 結論

(1)山東石墨礦資源較為豐富，較集中分布于膠西北地區，因石墨鱗片大、宜采宜選，成為我國石墨礦重要生產加工基地。其中平度是我國重要的國家石墨規劃礦區。

(2)山東石墨礦成因類型為區域變質型，主要形成于古元古代，占查明資源儲量的98.93%。具有工業意義的晶質石墨礦主要賦礦層位為古元古代荊山群陡崖組徐村段(膠東地區)，其次是新太古代泰山巖群雁翎關組(魯中地區)。

圖5 山東石墨礦Ⅴ級成礦區帶劃分圖

表5 山東石墨礦成礦區帶

(3)山東石墨礦床是古元古—新太古代含碳質粘土巖—碎屑巖—碳酸鹽巖(孔茲巖系)，經角閃巖相—麻粒巖相的中高級區域變質作用，形成晶質石墨礦。后期的混合巖化作用，使得區域變質階段形成的石墨鱗片加大。石墨黑云斜長片麻巖、石墨透輝變粒巖、斜長角閃巖、大理巖組合是石墨礦重要找礦標志；區域性復式褶皺構造的翼部、次級褶皺構造的核部及轉折端是石墨礦主要控礦構造。

(4)根據石墨礦成礦特征，共劃分了南墅石墨-Au成礦區(Ⅴ65-1-7)、平度石墨成礦區(Ⅴ65-1-8)、萊山Au-Mo-Cu-石墨成礦區(Ⅴ65-1-3)等6個Ⅴ級石墨成礦帶。

致謝：論文編寫中，得到了中國建筑材料工業地質勘查中心陳正國總工程師的悉心指導，提出了許多寶貴的意見和建議，使自己獲益和啟發良多，在此表示衷心的感謝！