陜西洋縣鐵河石墨礦區大安溝礦段碳同位素特征及成因分析

夏錦勝，孫 莉，陳昌闊，司江福，汪君珠

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2. 六盤水市自然資源局，貴州 六盤水 553000；3.貴州省地礦局113地質大隊，貴州 六盤水 553000)

我國石墨資源成礦地質條件優越，資源潛力巨大，據國土資源部全國礦產資源儲量通報(2015年)統計顯示，我國晶質石墨基礎儲量5 516萬t(礦物)，鐵河石墨礦區大安溝礦段累計探明礦物資源量約221.69萬t[1-2]，是我國重要的晶質石墨礦床之一。本文通過野外地質調查及室內巖礦石分析測試，采用碳同位素分析手段，初步闡述了大安溝石墨礦床礦床地質、碳同位素特征，并對礦床碳質成因進行分析。

1 礦區地質背景

礦區大地構造位置位于秦嶺褶皺系印支褶皺帶，白水江—白河褶皺束的中部，關帝廟—酉水復背斜的北翼。礦區主要出露中—上志留統地層，為濱海—淺海相泥巖、碎屑巖和碳酸鹽巖建造[3]。

礦區主要出露志留系中—上部四個巖性段地層和第四系地層[3](圖1)。中—上志留系第三套巖性段(S2-33)地層層位穩定，巖性比較單一，以含石榴石黑云母斜長片麻巖為主，局部可見薄層狀石英巖和大理巖透鏡體，斜長片麻巖為灰色，鱗片變晶結構，片麻狀構造，主要由斜長石、石英和黑云母組成，局部可見少量石墨，本層厚84～514m。第四套巖性段(S2-34)地層呈帶狀貫穿于礦區，巖性主要為含石墨大理巖，為灰白色粒狀變晶結構，主要由方解石、石英、透閃石等組成，該地層局部可見少量石墨，層厚116～409m。第五套巖性段(S2-35)地層為礦區主要賦礦地層，與上下地層巖性特征變化明顯，且與上下層間均有石英巖作為分層標志，根據所含礦物不同，主要分為含石墨斜長片麻巖、硅線石二云母石英片巖和含黃鐵礦黑云石英片巖。巖石以灰—深灰色為主，鱗片花崗變晶結構、片麻狀或條帶狀構造，石墨多在含石墨斜長片麻巖中富集形成礦體，本層厚5～100m。第六套巖性段(S2-36)地層在礦區分布較廣，巖性主要為含石墨大理巖，局部夾含石墨黑云母片麻巖，含石墨大理巖多為青灰色、中—粗粒結構、塊狀構造，多可見含星點狀石墨，地層厚114～332m。

圖1 鐵河石墨礦床大安溝礦段礦區地質簡圖

區內發育鐵河向斜，位于礦區中部，西起三桿旗，東到向家溝西，長約6km，總體走向 295°～115°，向南東翹起，向北西傾狀撒開，傾伏角約25°，礦區斷層發育較少，僅在礦區東南側可見一條斷層[3]。

2 礦床地質特征

2.1 礦體特征

區內礦體主要出露在鐵河向斜南翼，分布面積約4km2。石墨礦體賦存在中—上志留統第五巖性層黑云斜長片麻巖內，該地層厚度變化較大，石墨礦體分布也不均勻，在含礦層上、中、下部位均有石墨礦化現象，但該含礦地層巖性與上下地層巖性變化明顯，且多以石英巖作為分層標志。因此，只需確定賦礦地層，就能根據工業指標要求劃定石墨礦體范圍[3]。礦區石墨礦體沿地層走向往往出現尖滅或分支復合現象，礦體形態多呈似層狀，厚度變化較大，但無明顯變化規律，大致為南邊厚，北邊薄，東邊厚，西邊薄，礦體平均厚度為21.50m。礦體傾向主要為四周向礦體中心傾斜，傾角主要為18°～36°，走向為東西向[3]。礦體的分布嚴格受地層層位和褶皺構造的控制，礦體產狀較平緩且呈舒緩的波狀變化，其出露形態和分布受地形影響也較明顯。

2.2 礦石特征

大安溝晶質石墨礦賦存在含石墨片麻巖中，石墨片麻巖呈深灰色—灰黑色，粒狀鱗片變晶結構，片麻狀構造。主要由石英、長石、黑云母、石墨等礦物組成。石墨呈黑灰色或鋼灰色，金屬光澤，葉片狀、鱗片狀和板狀集合體多延片理方向定向排列，顯微鏡單偏光鏡下呈淺灰帶褐色，正交偏光鏡下多色性灰色帶棕—藍灰色，且無內反射，并伴有少量磁鐵礦或黃鐵礦等礦物(圖2)。石墨粒徑＞0.5mm 的約占 10%，0.3～ 0.5mm 的占約 19%，0.15 ～ 0.3mm 的占約 35%，0.05 ～ 0.15mm 的占約21%，＜0.05mm的占約15%。

圖2 大安溝石墨礦石及顯微照片

3 石墨碳同位素特征

石墨的碳質來源問題對于研究石墨礦床的形成至關重要[4]。一般認為，碳在地球上有4種存在形式：①以碳質球粒隕石為代表的初始碳和以金剛石、碳酸鹽巖漿為代表的初生碳；②空氣中的CO2和與之達到平衡的地表、近地表水體中的CO2；③自然界生物體內的有機碳；④沉積碳酸鹽中無機碳。目前爭論較多的是探討其有機碳成因和無機碳成因問題[4]。根據δ13C測試結果來推測石墨礦床中石墨的碳質來源是目前主要的分析方法[5-8]。碳同位素主要由穩定同位素12C、13C以及部分放射性同位素14C組成，而13C/12C的比值常被用來判斷石墨礦中的碳質來源，因為12C在生物光合作用產生的有機物中相對集中，所以生物成因的13C/12C比值比較低，而非生物成因的13C/12C比值則相對比較高。δ13C為測試樣品中13C/12C的比值相對于標樣中13C/12C比值偏離程度的千分率。近代沉積物中有機物δ13C范圍為-10‰～-30‰，在-20‰～-27‰之間有一個最大分布區；沉積碳酸鹽大約占73%，δ13C平均值為0‰，地幔碳的δ13C為-7‰左右[9-10]。

本文選取具有代表性的五個樣品進行分析測試，采用同位素質譜法，檢測依據為GB/T18340.2010。檢測流程為：①將礦區所采新鮮石墨礦石樣品磨制粉末至200目；②稱取100g左右石墨粉末至干凈燒杯中；③配置1mol/L的鹽酸；④將配好的稀鹽酸緩慢倒入燒杯中，同時用玻璃棒攪拌直至樣品不起氣泡，即所有碳酸鹽均反映完畢；⑤待樣品沉淀后倒掉上清液，留下杯中沉淀；⑥加入去離子水清洗樣品，倒掉上清液，重復清洗4～5次，直至pH試紙測試顯示呈中性；⑦將清洗后的樣品留在燒杯中并放入烘烤箱，調節溫度到60℃，烘烤24h；⑧將烘干的樣品取出并稱重備用；⑨將稱好的樣品、標樣和空白樣用MAT253質譜儀(Thermo Finnigan MAT 253 TRMS)測試，結果用V-PDB作參考，分析誤差在±0.2‰以內。測試結果顯示大安溝晶質石墨礦δ13C值在-22.69‰～-23.25‰之間，平均為-22.96‰(表1)。

表1 大安溝晶質石墨碳同位素測試結果

通過與遼河群石墨礦床、遼寧杜屯石墨礦床、黑龍江柳毛石墨礦床及圍巖蛇橄透輝大理巖、四川中壩晶質石墨礦床以及各地石灰巖、現代有機質、渤海灣油田原油、煤的δ13C測試結果(表2)對比發現，大安溝石墨礦δ13C值與遼河群石墨礦床、遼寧杜屯石墨礦床、黑龍江柳毛石墨礦床、四川中壩晶質石墨礦床等的δ13C測試值比較接近，且前人研究表明上述幾個石墨礦床石墨碳質來源均為有機質[7-9]；與此同時，通過與現代有機質、煤、各地石灰巖等的δ13C對比[5-8]，發現大安溝石墨礦石δ13C值與有機碳的δ13C值基本一致，與無機碳的δ13C值相差較大，綜合推測大安溝晶質石墨礦礦床石墨碳質來源為有機碳。

表2 含碳物質碳同位素測試結果對比表

4 結論

鐵河晶質石墨礦區大安溝礦段石墨礦體產在黑云斜長片麻巖內，礦體形狀呈似層狀，礦石類型主要為含石墨片麻巖，次為含石墨大理巖[3]。顯微鏡下石墨呈葉片狀、鱗片狀和板狀集合體多延片理方向定向排列。石墨δ13C測試值在-22.69‰～-23.25‰之間，平均為-22.96‰，石墨δ13C測試值與有機碳δ13C值基本一致。結合前人研究成果綜合推測陜西洋縣鐵礦石墨礦區大安溝礦段石墨礦床成因為有機成因的大鱗片晶質石墨礦床[11-14]。