黃陵基底北部古元古代洋板塊地質(zhì)與石墨成礦

陳 超， 朱 江

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)勘察工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430034；3.資源與生態(tài)環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034; 4.長(zhǎng)江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100)

石墨是一種性能優(yōu)異、用途廣泛的無(wú)機(jī)非金屬材料，石墨特殊的晶格結(jié)構(gòu)決定了其具有耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)滑和化學(xué)穩(wěn)定等特點(diǎn)，石墨的優(yōu)異性能使其在冶金、電池(包括新能源車動(dòng)力電池)、化工、國(guó)防和航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。石墨礦是中國(guó)戰(zhàn)略新興礦產(chǎn)、優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重大引領(lǐng)作用[2]。中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)都是世界天然石墨生產(chǎn)和出口第一大國(guó)[3](圖1)，在黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆、四川、湖南、湖北等地均分布有重要的石墨礦床[4-7]。中國(guó)非常重視石墨的勘查開發(fā)及利用，但相對(duì)于其他戰(zhàn)略性礦產(chǎn)，石墨礦成因方面的研究還相對(duì)薄弱。

目前，石墨礦床成因類型主要分為區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型、巖漿熱液型三類[8]。少量學(xué)者認(rèn)為混合巖化也可以為石墨的形成提供有利條件[9]，而中國(guó)的石墨礦主要集中在前寒武紀(jì)，以區(qū)域變質(zhì)成因?yàn)橹鱗10-13]。一般的區(qū)域變質(zhì)作用主要發(fā)生在造山帶，因此對(duì)造山帶的認(rèn)識(shí)成為石墨礦成因研究的重點(diǎn)之一。以往對(duì)造山帶研究主要以板塊構(gòu)造理論為指導(dǎo)，產(chǎn)生了構(gòu)造混雜、非史密斯地層等基本概念[14-15]，對(duì)造山帶成礦地質(zhì)背景研究取得了重大進(jìn)展。近年，以李廷棟院士為核心的新一代區(qū)域地質(zhì)志編撰專家組提出洋板塊地質(zhì)學(xué)理論[16-17]，并開始逐步探索其在造山帶研究、地質(zhì)找礦、工程建設(shè)等方面的應(yīng)用[18-21]。筆者在承擔(dān)黃陵基底北部洋板塊地質(zhì)研究課題的過(guò)程中，通過(guò)詳細(xì)的野外調(diào)查，結(jié)合前人對(duì)古元古代水月寺俯沖增生雜巖和石墨成礦的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為古元古代洋板塊地質(zhì)過(guò)程與區(qū)域石墨成礦有著密切關(guān)系，故通過(guò)本文進(jìn)行初步探討，以供同行參考。

1 洋板塊地質(zhì)學(xué)理論進(jìn)展

造山帶是多金屬礦床形成的重要場(chǎng)所，全球有2/3的銅礦和1/3的金礦與俯沖—增生型造山作用有關(guān)[22]，增生型造山帶造山過(guò)程及其成礦地質(zhì)背景已成為全球研究的熱點(diǎn)。為了研究增生型造山帶地質(zhì)過(guò)程和相關(guān)成礦作用，地質(zhì)學(xué)家們將造山帶俯沖增生雜巖作為重點(diǎn)研究對(duì)象，分別提出了蛇綠混雜巖(Ophiolitic Mélange)、非史密斯地層(non-Smith Strata)、洋板塊地層(Ocean Plate Stratigraphy)等相關(guān)概念。蛇綠混雜巖指的是代表大洋洋殼巖石(由下至上為超鎂鐵質(zhì)巖、輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、枕狀玄武巖、遠(yuǎn)洋沉積等)在俯沖帶與陸源碎屑巖構(gòu)造混雜形成的無(wú)序地層組合[23-26]。非史密斯地層是由中國(guó)學(xué)者提出，指那些經(jīng)歷不同程度變形、變質(zhì)、變位后，無(wú)序或部分有序的地層—巖石體[18,27-28]。洋板塊地層是在開展日本造山帶增生雜巖研究時(shí)提出的[29]，強(qiáng)調(diào)大洋板塊由形成到消亡過(guò)程中形成的一套火山巖—沉積巖組合[30-32]。

圖1 2018—2020年世界主要石墨生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)量份額(數(shù)據(jù)摘自USGS,Mineral commodity summaries,2019—2021)Fig.1 Output share of the world’s leading graphite producing countries in 2018—2020

無(wú)論是蛇綠混雜巖、非史密斯地層，還是俯沖增生雜巖、洋板塊地層，都是對(duì)造山帶組成部分進(jìn)行的特殊定義，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是研究對(duì)象，沒(méi)有上升到造山帶研究系統(tǒng)理論高度。第二代區(qū)域地質(zhì)志修編過(guò)程中，考慮到造山帶的重要性，將造山帶研究上升到系統(tǒng)理論層次，創(chuàng)造性地提出了洋板塊地質(zhì)學(xué)(Ocean Plate Geology)，即：應(yīng)用地質(zhì)學(xué)的理論和方法對(duì)造山帶俯沖增生雜巖帶、蛇綠巖帶等大洋巖石圈板塊地質(zhì)建造、結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)研究，再造大洋巖石圈板塊從洋中脊形成到海溝俯沖消亡、轉(zhuǎn)換成陸的地質(zhì)作用全過(guò)程。其主要涉及俯沖增生雜巖、洋板塊地層、蛇綠巖、洋沉積巖、俯沖帶火成巖、洋陸轉(zhuǎn)換、洋板塊地層序列重建、洋—陸轉(zhuǎn)換與成礦等8個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容[16]。值得注意的是，洋板塊地質(zhì)學(xué)將洋板塊地層作為重點(diǎn)研究對(duì)象，并在前人的基礎(chǔ)之上修改完善了洋板塊地層的定義[16-17]，將其分為活動(dòng)陸緣、洋盆及裂離地塊三類(圖2)。洋板塊地質(zhì)學(xué)的核心是識(shí)別并再造造山帶從“洋”到“陸”的詳細(xì)過(guò)程，更加重視造山帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重視不同比例尺的地質(zhì)構(gòu)造圖、剖面圖表達(dá)，將造山帶粗放型研究推向精細(xì)化，并提升到理論創(chuàng)新的高度。洋板塊地質(zhì)學(xué)對(duì)造山帶成礦過(guò)程進(jìn)行了更為精準(zhǔn)的定位，可為礦床成礦機(jī)理研究和下一步找礦提供有利指導(dǎo)。

2 北黃陵洋板塊地質(zhì)

黃陵基底位于揚(yáng)子地塊的北部，區(qū)內(nèi)因出露華南最古老的巖石而備受地質(zhì)學(xué)家關(guān)注[33-36]。黃陵基底變質(zhì)雜巖體因被新元古代黃陵花崗巖基侵入而分割為南、北兩部分，北部主要為下列5大類巖石組合組成(圖3-a)：①中太古代花崗質(zhì)片麻巖，成巖年齡為3.0～2.9 Ga[37]，主要出露于北黃陵西部；②中太古代野馬洞組，其主體巖性為斜長(zhǎng)角閃巖，主要呈孤島狀零星出露于太古代花崗質(zhì)片麻巖中[38]；③新太古代花崗質(zhì)片麻巖，主體成巖年齡為2.7～2.6 Ga[39]，在北黃陵中、東部與變沉積巖相間出露;④古元古代碎屑巖—大理巖組合——黃涼河巖組及一套蛇綠混雜巖；⑤古元古代花崗質(zhì)侵入巖、基性侵入巖及酸性火山巖等，形成時(shí)間為2.0～1.8 Ga，它們變質(zhì)、變形程度相對(duì)較低[40-41]。

其中，黃涼河巖組主要巖性為富鋁片(麻)巖、大理巖、云母石墨片巖、條帶狀磁鐵石英巖(BIF)、泥質(zhì)麻粒巖及變質(zhì)砂巖等，呈北東—北北東向帶狀展布，并且經(jīng)歷了強(qiáng)烈變形變質(zhì)，廣泛發(fā)育北東—北北東走向的構(gòu)造面理，并且在變沉積巖系中構(gòu)造混雜大量變鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖塊，整體巖石—構(gòu)造組合顯示俯沖增生雜巖的特點(diǎn)(圖3)，即水月寺俯沖增生雜巖[42-43]。該俯沖增生雜巖以黃涼河巖組變沉積巖系為基質(zhì)，其沉積時(shí)間應(yīng)早于2.05 Ga[44]。其中變鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)巖塊可能大部分為SSZ型蛇綠巖的組成部分[42-43]，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了少量弧高鎂安山巖、玄武巖及(富Nb)輝綠—輝長(zhǎng)巖等[45-47]，它們的形成年齡大致可限定在2.15～2.05 Ga[42,45-47]。另外，北黃陵地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量2.05～1.96 Ga加厚地殼部分熔融形成的花崗巖類[48-51]，以及在區(qū)內(nèi)廣泛被識(shí)別出的2.05～1.95 Ga高角閃巖相—麻粒巖相以及高壓榴輝巖相變質(zhì)作用[50-54]，外加普遍發(fā)育的1.88～1.78 Ga伸展型雙峰式侵入巖[41,48,55-56]。它們?cè)敿?xì)記錄了北黃陵地區(qū)古元古代2.15～2.05 Ga洋盆俯沖、2.05～1.96 Ga碰撞造山、1.88～1.78 Ga造山后伸展的完整地質(zhì)過(guò)程(圖4)，代表北黃陵古元古代洋板塊地質(zhì)過(guò)程。

圖2 洋板塊地層類型及形成構(gòu)造環(huán)境劃分示意圖(摘自參考文獻(xiàn)[16])Fig.2 Stratigraphic types of oceanic plate and division of tectonic setting

圖3 黃陵基底北部地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)、核桃園混雜巖大比例尺剖面(b)和水月寺俯沖增生雜巖橫切剖面(c，改自參考文獻(xiàn)[42])Fig.3 Geological sketch of the northern Huangling basement (a),large scale section of the Hetaoyuan Complex (b),cutting section of the Shuiyuesi Subduction-accretionary Complex (c)

圖4 北黃陵古元古代洋板塊地質(zhì)過(guò)程紀(jì)錄Fig.4 Paleoproterozoic ocean plate geological records in the northern Huangling basement

3 北黃陵石墨礦床特征

黃陵基底北部是中國(guó)南方重要的晶質(zhì)石墨礦產(chǎn)地[57-58]，已探明的中、大型石墨礦床有三岔埡、二郎廟、東沖河等，還有龔家河、青茶園等多個(gè)石墨礦點(diǎn)[59]。三岔埡石墨礦位于宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)三岔埡村(產(chǎn)出位置見(jiàn)圖3-a)，礦體賦存于黃陵基底北部古元古界黃涼河巖組中，礦區(qū)巖漿巖較為發(fā)育，出露輝綠巖、變花崗斑巖和斜云煌巖，變花崗斑巖與大理巖呈侵入接觸關(guān)系(照片1)，輝綠巖、斜云煌巖侵入變花崗斑巖。礦體呈似層狀產(chǎn)出，頂板主要為混合巖化花崗巖，次為透輝石大理巖，底板主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、大理巖，局部可見(jiàn)混合巖化花崗巖。礦石類型包括石墨片巖型和含石墨黑云斜長(zhǎng)片麻巖型。礦體局部發(fā)育大量黃鐵礦集合體，與石墨空間關(guān)系密切(照片2)。

東沖河石墨礦位于興山縣水月寺鎮(zhèn)龍頭坪村，產(chǎn)于古元古界黃涼河巖組中(位置見(jiàn)圖3-a)。礦區(qū)地層主要巖性為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、片巖，原巖為雜砂巖、粉砂巖、泥巖，局部可見(jiàn)綠泥鈉長(zhǎng)片巖、大理巖透鏡體，分別為原始地層中的火山巖、碳酸鹽巖夾層。礦區(qū)巖漿巖主要包括輝綠巖脈、偉晶巖脈及花崗巖透鏡體，在礦體附近圍巖中局部可見(jiàn)電氣石、透閃石、黃鐵礦集合體。礦區(qū)構(gòu)造面理整體傾向南東，傾角一般呈高角度(70°左右)。礦體呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，該剖面處出露上、下兩層礦層，總厚度約為5 m。礦石主要巖性為石墨片巖(圖5)。

照片1 三岔埡變花崗斑巖侵入大理巖中Photo 1 Meta-granite porphyry intruded into marble in the Sanchaya

照片2 三岔埡石墨礦區(qū)局部的黃鐵礦集合體Photo 2 Local pyrite aggregates in the Sanchaya graphite deposit

4 討論

4.1 北黃陵石墨礦床成因認(rèn)識(shí)

前人調(diào)查研究認(rèn)為，北黃陵石墨礦屬于區(qū)域變質(zhì)型，區(qū)域變質(zhì)作用是石墨礦形成的關(guān)鍵因素[57,60-63]，其形成過(guò)程主要經(jīng)歷了沉積、區(qū)域變質(zhì)—混合巖化作用[64-66]。筆者通過(guò)初步調(diào)查研究認(rèn)識(shí)到：①北黃陵地區(qū)的石墨礦均賦存于黃涼河巖組一套含炭變沉積巖中，說(shuō)明石墨的形成與該套地層關(guān)系密切；②石墨礦區(qū)巖漿作用發(fā)育，主要為花崗巖和輝綠巖，部分花崗巖被改造呈透鏡狀產(chǎn)出，局部可見(jiàn)花崗巖與地層之間的侵入接觸關(guān)系(照片1)，礦體賦存部位附近一般可見(jiàn)接觸熱交代礦物黃鐵礦、電氣石、透閃石等，推測(cè)在石墨的形成過(guò)程中可能伴隨著巖漿侵位、接觸熱變質(zhì)作用；③礦區(qū)礦體及賦礦圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的變形，構(gòu)造行跡走向由三岔埡至東沖河從北北東向轉(zhuǎn)向北東東向(圖3-a)；④礦區(qū)內(nèi)發(fā)育變形的淺變質(zhì)花崗巖，與區(qū)域內(nèi)強(qiáng)變質(zhì)變形的太古宙花崗質(zhì)片麻巖明顯區(qū)別，它們結(jié)晶成巖之后與石墨礦一起遭受了晚期的變形，這些花崗質(zhì)侵入巖可能與石墨礦在形成時(shí)間上相近，由此說(shuō)明礦區(qū)花崗質(zhì)巖漿侵位、構(gòu)造變形、石墨三者形成在時(shí)空上關(guān)系緊密；⑤北黃陵較普遍發(fā)育高角閃巖相—麻粒巖相變質(zhì)作用[53]，區(qū)域變質(zhì)作用是促使石墨形成的一個(gè)重要因素；⑥碳同位素組成方面，黃陵北部石墨礦的石墨片巖樣品δ13C較低，變化于-9.69‰～-25.35‰，主要落入地質(zhì)碳庫(kù)的“沉積有機(jī)物、石油和煤”區(qū)間內(nèi)(圖6)，少量落在大氣中二氧化碳、火成碳酸巖區(qū)間，說(shuō)明石墨的形成有無(wú)機(jī)碳的加入。

圖5 東沖河石墨礦區(qū)剖面圖Fig.5 Section of the Dongchonghe graphite deposit1.綠泥鈉長(zhǎng)片巖；2.淺粒巖；3.黑云鈉長(zhǎng)片(麻)巖；4.云母片巖；5.石墨片巖(礦體)；6.大理巖；7.輝綠巖；8.花崗巖；9.片理/片麻理；10.片理/片麻理產(chǎn)狀。

綜上所述，筆者初步認(rèn)為北黃陵區(qū)域構(gòu)造變形變質(zhì)對(duì)石墨成礦起到了極其重要作用，但區(qū)域石墨礦的成因并非單一的區(qū)域變質(zhì)作用改造早期的炭質(zhì)沉積，而同期的巖漿—混合巖化以及接觸熱變質(zhì)作用對(duì)區(qū)域石墨礦的形成也發(fā)揮了非常重要的作用，這就需要重視區(qū)域巖漿作用與石墨礦的成因關(guān)系。

4.2 洋板塊地質(zhì)對(duì)深化石墨成礦規(guī)律認(rèn)識(shí)的意義

北黃陵發(fā)育古元古代蛇綠巖[42-43]，與古元古代黃涼河巖組變沉積巖發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造混雜，加上近同期的變質(zhì)作用、巖漿作用[48,53,68-69]，指示北黃陵西部陸塊與東部陸塊可能在古元古代發(fā)生拼貼[42,46]，即洋盆形成到俯沖消亡的復(fù)雜洋板塊地質(zhì)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程與北黃陵石墨成礦具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系(圖7)。原始含炭沉積巖系可能在2.05 Ga之前大陸邊緣形成[68]，其原巖沉積物主要來(lái)自下伏的古老地殼物質(zhì)，富含有機(jī)質(zhì)的沉積巖系，構(gòu)成石墨礦形成的原始物質(zhì)基礎(chǔ)(礦源層和賦礦層)。2.05～1.95 Ga期間發(fā)生的碰撞造山事件引起的區(qū)域變質(zhì)和巖漿活動(dòng)為石墨成礦主要提供了熱動(dòng)力條件，促使炭質(zhì)組分進(jìn)一步發(fā)生自組織和重結(jié)晶作用，形成晶質(zhì)石墨礦。

圖6 北黃陵與國(guó)內(nèi)其他石墨礦δ13C組成對(duì)比圖(數(shù)據(jù)摘自參考文獻(xiàn)[60,67])Fig.6 Comparison of δ13C composition between the graphite deposits in the northern Huangling basement and others in China

圖7 北黃陵石墨礦形成地質(zhì)背景(演化模式圖據(jù)參考文獻(xiàn)[46])Fig.7 Geological background of the graphite deposits in the north Huangling graphite mine

通過(guò)洋板塊地質(zhì)研究，解剖和厘定北黃陵古元古代洋、陸體系，進(jìn)一步明確并細(xì)化古元古代洋陸轉(zhuǎn)換演化過(guò)程，對(duì)認(rèn)識(shí)區(qū)域石墨成礦規(guī)律具有重要意義，具體表現(xiàn)在：①認(rèn)識(shí)前寒武紀(jì)古沉積和古地理環(huán)境，并探討生物演化及有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生；②造山作用階段區(qū)域變形變質(zhì)—巖漿作用的時(shí)間序列和P-T-t演化軌跡是理解區(qū)域石墨成礦作用和規(guī)律的前提；③北黃陵三岔埡和東沖河之間廣大區(qū)域，原始炭質(zhì)沉積背景、區(qū)域大地構(gòu)造背景相似，可能仍具有較大的石墨找礦潛力。

5 小結(jié)及展望

洋板塊地質(zhì)學(xué)是李廷棟院士及新一代區(qū)域地質(zhì)志編撰專家組倡導(dǎo)的研究造山帶形成演化的新理論，其以俯沖增生雜巖帶、蛇綠巖帶等為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究大洋在洋中脊形成至海溝俯沖消亡的復(fù)雜洋陸轉(zhuǎn)換過(guò)程。黃陵基底北部水月寺俯沖增生雜巖中發(fā)育完整的古元古代蛇綠巖組合、弧火山巖，以及以高溫為特征的區(qū)域變質(zhì)作用、碰撞至晚期伸展的巖漿作用，可作為華南前寒武紀(jì)洋板塊地質(zhì)研究的典型實(shí)例，同時(shí)深入研究北黃陵古元古代洋板塊地質(zhì)過(guò)程對(duì)深化揚(yáng)子古陸基底演化及正確認(rèn)識(shí)古地理格局具有重要意義。

黃陵基底北部發(fā)育華南優(yōu)質(zhì)晶質(zhì)石墨礦，石墨礦勘探與其成因研究工作程度尚淺。區(qū)域石墨成礦與古元古代洋板塊地質(zhì)演化過(guò)程中的變質(zhì)—巖漿活動(dòng)關(guān)系密切，其炭質(zhì)來(lái)源可能為無(wú)機(jī)碳和有機(jī)碳的混合，北黃陵地區(qū)俯沖增生雜巖帶中沉積、巖漿巖及變質(zhì)塊體的識(shí)別，是發(fā)展洋板塊地質(zhì)及其成礦理論的理想對(duì)象。加強(qiáng)北黃陵古元古代洋板塊地質(zhì)的地質(zhì)建造—構(gòu)造背景研究，有助于查明北黃陵石墨礦成礦機(jī)制、成礦過(guò)程及控礦因素，對(duì)區(qū)域下一步探礦、找礦工作具有重要意義。

本文認(rèn)識(shí)尚顯淺薄，意在拋磚引玉，期待學(xué)界更多聚焦揚(yáng)子陸塊北緣(湖北段)基底組成、結(jié)構(gòu)及演化研究，探討前寒武紀(jì)成礦與找礦中的關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題，通過(guò)多學(xué)科聯(lián)合，提升基礎(chǔ)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查程度，提高科技創(chuàng)新的能力和水平。