敦煌地塊大水峽北晶質(zhì)石墨礦床地球化學(xué)特征及成因意義

宋宏 湯慶艷 蘇天寶 劉聰 黎卓明 鮑堅 趙吉昌 李立武

石墨是由碳元素組成的一種自然元素礦物,屬三方晶系或六方晶系的塊狀集合體或鱗片狀晶體,具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有耐高溫、耐腐蝕、耐酸堿、抗熱震性,同時也具有良好的潤滑性和可塑性,廣泛應(yīng)用于石油化工、有色金屬、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域,是重要的戰(zhàn)略性資源(張?zhí)K江等,2018;張艷飛等,2022)。

全球石墨資源主要分布在亞洲、歐洲、大洋洲、北美洲及拉丁美洲等五大洲。截止2019年,全球已探明的天然石墨儲量約3億t,中國儲量約為7300萬t,占全球的1/4(張?zhí)K江等,2018,2021)。根據(jù)結(jié)晶程度,分為晶質(zhì)石墨礦和隱晶質(zhì)石墨礦兩大類。晶質(zhì)石墨主要分布在中國、烏克蘭、斯里蘭卡、巴西等國;隱晶質(zhì)石墨主要分布在中國、印度、墨西哥和奧地利等國。我國石墨資源分布廣泛,以鱗片狀晶質(zhì)類型為主,隱晶質(zhì)次之(肖克炎等,2016;張?zhí)K江等,2018)。

從礦床類型上分,有火山巖、硅質(zhì)沉積巖中呈浸染狀鱗片石墨礦床,充填斷裂裂隙和洞穴的脈狀石墨礦床,大理巖中接觸交代或熱液礦床,浸染在大理巖中的鱗片石墨礦床,煤或富碳沉積物中的變質(zhì)石墨礦床這5種類型(張?zhí)K江等,2018)。我國石墨礦按成因分為區(qū)域變質(zhì)型,如黑龍江柳毛和山東南墅石墨礦(蘭心儼,1981;汪欣林等,2019);接觸變質(zhì)型,如湖南魯塘石墨礦(李超等,2017);以及巖漿熱液型,如新疆黃羊山石墨礦(Aietal.,2020;孫新浩等,2021)。

大水峽北晶質(zhì)石墨礦床是敦煌地塊新近發(fā)現(xiàn)的大型晶質(zhì)石墨礦床,位于阿爾金大斷裂北側(cè)。本文以該礦床為研究對象,通過野外地質(zhì)調(diào)查,結(jié)合元素地球化學(xué)、碳氧同位素以及石墨結(jié)晶程度等特征,對研究區(qū)變質(zhì)巖的原巖進(jìn)行恢復(fù),揭示大水峽北石墨礦床的成礦物質(zhì)來源、礦床成因和成礦作用過程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大水峽北晶質(zhì)石墨礦床位于甘肅省酒泉市瓜州縣,地處阿爾金大斷裂北側(cè)的敦煌地塊。敦煌地塊已發(fā)現(xiàn)敖包山、大敖包溝、大案盆溝、紅柳峽、白臺溝東等超大型、大型晶質(zhì)石墨礦,探獲晶質(zhì)石墨礦資源量達(dá)19Mt以上(趙吉昌等,2021;蘇天寶,2022;宋宏等,2023)。敖包山、大敖包溝、大案盆溝、紅柳峽、白臺溝東等晶質(zhì)石墨礦床組成了敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)(圖1),該礦集區(qū)均賦存于敦煌巖群,屬同一含礦層,二云石英片巖為主要賦礦巖體,局部為大理巖;大水峽北晶質(zhì)石墨礦床屬東巴兔晶質(zhì)石墨礦集區(qū),也屬敦煌巖群,且含礦巖體與敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)礦床相似(陳世強等,2021;趙吉昌等,2021,2023)。

圖1 大水峽北晶質(zhì)石墨礦區(qū)域地質(zhì)圖及采樣位置(據(jù)刁志鵬等,2019;陳世強等,2021;趙吉昌等,2021修改)Fig.1 Geological map and sampling location of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (modified after Diao et al., 2019; Chen et al., 2021; Zhao et al., 2021)

敦煌地塊變質(zhì)沉積巖的研究較為薄弱,前人將三危山附近的一套變質(zhì)雜巖命名“敦煌系”,在1:20萬安西幅和敦煌幅等地質(zhì)圖將敦煌以南、安西(今瓜州縣)、肅北等地的中、深變質(zhì)巖層稱為“敦煌群”。甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1989)將敦煌巖群劃分為A、B、C、D四個巖組。對于敦煌雜巖時代劃分也存在很大爭議,孫健初最初將其劃歸為古元古代;在《甘肅省區(qū)域地質(zhì)志》(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989)和1:25萬昌馬幅(甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,2002(1)甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院.2002. 1:25萬昌馬幅地質(zhì)圖)將其統(tǒng)歸為前長城系,推測其形成年代為太古宙-古元古代。

研究表明敦煌地塊經(jīng)歷了多期構(gòu)造-熱事件,約為3.1～2.5Ga、2.3～1.6Ga、440～400Ma、370～310Ma,早志留世-晚石炭世(約440～310Ma)與造山運動有關(guān)的變質(zhì)巖和巖漿巖廣泛分布,因此,敦煌地區(qū)的地質(zhì)體主要是古生代造山作用的產(chǎn)物,是中亞造山帶(CAOB)的一部分(Zhaoetal.,2016;Wangetal.,2021)。目前未對大水峽北晶質(zhì)石墨礦床做成礦年代學(xué)方面的研究,因此大水峽北晶質(zhì)石墨礦床的形成時代還需進(jìn)一步研究確定。另外,研究區(qū)晶質(zhì)石墨礦床的形成可能與敦煌地塊多期構(gòu)造-熱事件有關(guān)。

2 礦床地質(zhì)

大水峽北晶質(zhì)石墨礦賦存于敦煌巖群B巖組2巖段的二云石英片巖中(圖2),研究區(qū)內(nèi)圈定礦化帶長2500m、寬700m,呈北東向展布。礦區(qū)巖石組合為二云石英片巖、斜長角閃巖及大理巖,礦體呈層狀、似層狀(圖3),晶質(zhì)石墨礦主要賦存于眼球狀二云石英片巖中(圖3b)。研究區(qū)內(nèi)主要地層敦煌巖群B巖組遭受了不同程度的區(qū)域變質(zhì)作用,變質(zhì)巖廣泛分布,主要巖性有斜長片麻巖類、石英片巖類、斜長角閃巖類、大理巖類等,巖性組成具有孔茲巖系特征。野外可見火成巖侵入體,主要為2.55～2.60Ga時期TTG質(zhì)斜長角閃巖、片麻巖以及基性麻粒巖(Luetal.,2008),巖體與圍巖接觸帶具烘烤邊(圖3a),接觸帶巖石經(jīng)高溫烘烤而脫水變硬、退色,出現(xiàn)玻璃質(zhì),接觸變質(zhì)作用明顯,變質(zhì)程度為高角閃巖相。

圖2 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床地質(zhì)簡圖(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,2021(2)甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院. 2021. 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床普查報告)Fig.2 Simplified geological map of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit

圖3 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床野外地質(zhì)現(xiàn)象和典型露頭特征(a)烘烤邊;(b)二云石英片巖中的眼球狀構(gòu)造;(c)斜長角閃巖中的捕虜體;(d、e)復(fù)式褶皺;(f)二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石;(g)風(fēng)化的石墨二云石英片巖;(h)斜長角閃巖Fig.3 Field geological phenomena and typical outcrop features of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit(a) baking edge;(b) ocellar structure in the two-mica quartz schist;(c) amphibolite xenoliths;(d, e) compound folds;(f) the crystalline graphite-bearing two-mica quartz schist;(g) weathered graphitic two-mica quartz schist;(h) amphibolite

礦區(qū)內(nèi)共圈定晶質(zhì)石墨礦體2條(圖2);c1礦體在礦區(qū)東部出露,是區(qū)內(nèi)的主礦體,該礦體呈層狀,長1700m,地表出露寬度25～250m,厚度40～179.31m,固定碳品位在2.95%～8.57%之間,平均品位4.55%。礦石類型為二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石,頂板為大理巖,局部大理巖被拉斷,與斜長角閃巖接觸,頂板接觸界線明顯;底板為二云石英片巖,礦體與底板圍巖呈漸變過渡,接觸界線不明顯。礦體內(nèi)有石英脈穿插,大部分順片理面形成透鏡體,局部可見截穿片理的脈體,礦體與石英脈接觸部位可見弱褐鐵礦化,呈薄膜狀分布于巖石片理面和裂隙面(圖3h)。c2礦體出露于區(qū)內(nèi)東南角,礦體呈層狀,長2100m,地表出露寬度5～15m,厚度8.41～12.75m,固定碳品位在2.12%～6.43%之間,平均品位3.77%。礦石類型為二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石,頂板圍巖均為二云石英片巖,礦體北側(cè)與斜長角閃巖呈斷層接觸,接觸部位巖石破碎。礦體被F2左行平移斷層錯斷,出現(xiàn)位移,斷距約140m,錯斷部位見明顯的拖曳、撓曲現(xiàn)象(圖3)。

大水峽北晶質(zhì)石墨礦床經(jīng)歷多次強烈構(gòu)造運動,受阿爾金大斷裂控制,斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,斷層多為逆沖斷層及平移斷層,對含礦層有擠壓作用(趙吉昌等,2021);出露地層主要為太古宇-古元古界敦煌巖群及第四系,呈北東東向帶狀展布,整體傾向為南東向。巖石組合為二云石英片巖、含石墨二云石英片巖及含石墨透閃石化大理巖,此巖段為晶質(zhì)石墨礦主要的賦礦層位,屬于典型的孔茲巖系(陳衍景等,2000)。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育一般,僅出露面積較小的脈巖。

3 樣品采集和實驗方法

3.1 樣品采集

樣品主要采自大水峽北石墨礦c1和c2礦體,共11件,JQ-26、JQ-27和JQ-28為二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石(采樣位置分別為40°06′17″N、95°39′29″E;40°06′21″N、95°39′47″E和40°06′31″N、95°39′57″E);JQ-29、JQ-30和JQ-31為二云石英片巖(位置為40°06′20″N、95°39′29″E;40°06′20″N、95°39′48″E和40°06′15″N、95°39′30″E);JQ-32和JQ-33為斜長角閃巖(位置為40°06′12″N、95°39′39″E和40°06′31″N、95°39′59″E);JQ-43、JQ-45和JQ-50為大理巖(位置為40°06′12″N、95°39′31″E;40°06′28″N、95°39′55″E和40°06′16″N、95°39′25″E)。

3.2 巖相學(xué)特征

二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石呈灰黑色,鱗片變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造,石英含量在60%～70%之間,晶質(zhì)石墨約占15%,黑云母和白云母約占15%,含少量的黃鐵礦,石英主要呈他形粒狀,晶質(zhì)石墨為鱗片狀,自形程度高,呈條帶狀集合體定向分布,部分呈零星分布(圖3f、圖4a-c)。

圖4 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床手標(biāo)本及顯微鏡下照片(a-c)二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石;(d-f)二云石英片巖;(g-i)斜長角閃巖;(j-l)大理巖. (b、e、h、k)為正交偏光照片;(c、f、i、l)為反射光照片. Bi-黑云母;Cal-方解石;Gr-石墨;Hbl-角閃石;Pl-斜長石;Py-黃鐵礦;Qtz-石英Fig.4 Representative photos of the hand specimen and photomicrographs of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit(a-c) the crystalline graphite-bearing two-mica quartz schist;(d-f) two-mica quartz schist;(g-i) amphibolite;(j-l) marable. (b, e, h, k) under crossed polarized light;(c, f, i, l) under reflected light. Bi-biotite;Cal-calcite;Gr-graphite;Hbl-hornblende;Pl-plagioclase;Py-pyrite;Qtz-quartz

二云石英片巖呈黃褐色到灰褐色,鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造,含約60%石英,20%斜長石,10%～15%黑云母和白云母以及少量石墨(5%)和黃鐵礦(5%)等,石英呈他形粒狀定向排列分布,黑云母和白云母呈片狀分布(圖3g、圖4d-f)。

斜長角閃巖呈灰黑色,細(xì)粒粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,主要由角閃石(含量約占70%)、斜長石(約占25%)及少量石榴子石(約占5%左右)組成。普通角閃石呈短柱狀,粒度大多在0.1～0.6mm左右。斜長石呈粒狀,粒度在0.1～0.5mm左右。有石英脈侵入,脈體呈灰白色,粒狀結(jié)構(gòu),呈細(xì)條狀構(gòu)造,脈寬約0.1～0.3cm左右,主要由石英組成,石英粒徑2～3mm(圖3h、圖4g-i)。

大理巖呈灰白色,具有粒狀變晶結(jié)構(gòu) (圖4k-l), 塊狀構(gòu)造,主要由方解石(約占85%)、石英(約占15%)組成,局部可見透閃石化,呈纖維狀集合體分布于巖石層理面,集合體大小約3×20mm,分布不均(圖4j)。

顯微鏡下,石墨主要呈條狀或鱗片狀產(chǎn)出(圖4c, f),與黃鐵礦等硫化物密切共生,反射光下呈淺灰色,自形程度高,呈條帶狀集合體定向分布,部分零散分布。

3.3 實驗方法

主、微量元素測試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成,測試儀器為荷蘭帕納科AB104L Axios-mAX 波長色散X射線熒光光譜儀。燒失量(LOI)通過樣品在1000℃下灼燒后的質(zhì)量,分析誤差(1σ)小于1%。微量元素測試儀器為ELEMENT XR等離子質(zhì)譜儀。

碳、氧同位素樣品分析測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成,測試方法為:將石墨礦粉末樣品經(jīng)提純、干燥等處理后,用干凈銀杯或錫杯包裹,自動進(jìn)樣器進(jìn)樣,樣品在960℃的反應(yīng)器中,有機(jī)物與O2迅速反應(yīng),生成CO2氣體,在90mL/min的He氣流帶動下,經(jīng)過干燥劑除水和色譜柱分離,CO2氣體通過石英毛細(xì)管進(jìn)入MAT253質(zhì)譜進(jìn)行分析。碳同位素測量結(jié)果以PDB為標(biāo)準(zhǔn),記為δ13CV-PDB,分析精度優(yōu)于±0.1‰。工作標(biāo)準(zhǔn)為國際原子能機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IAEA-600,其δ13C=-27.77±0.043‰(Aietal.,2020;Yanetal.,2020)。

激光拉曼光譜分析在中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院地球化學(xué)分析測試中心采用HORIBA scientific激光共焦拉曼光譜儀進(jìn)行測試,Ar+為激發(fā)源,激光波長為 514.5nm,掃描范圍為 400～4000cm-1。

4 分析結(jié)果

4.1 主量元素

大水峽北晶質(zhì)石墨礦主量元素分析結(jié)果見表1。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石SiO2含量為66.02%～76.31%,平均值為69.66%,高于二云石英片巖(57.92%～59.38%)和斜長角閃巖(46.63%～47.03%)。二云石英片巖Al2O3含量(14.15%～18.53%)較高,CaO變化較大(0.54%～11.71%,平均值為5.44%);斜長角閃巖Al2O3(14.17%～14.2%)、MgO(8.58%～8.93%,平均值為8.75%)含量較高。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖MgO值偏低,分別為0.72%～7.22%和2.44%～3.78%。從二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石到斜長角閃巖,SiO2、FeO、CaO和Na2O含量逐漸增加。所有樣品的A/CNK值均較低,為0.42～2.93,平均值為1.16;且整體表現(xiàn)為富Si、低堿、貧Ca的特點,與敖包溝晶質(zhì)石墨礦床石英片巖的主量元素組成特征(陳世強等,2021)接近。

表1 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床主量元素數(shù)據(jù)(wt%)Table 1 Major elements of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (wt%)

4.2 微量元素

大水峽北晶質(zhì)石墨礦床不同類型樣品微量元素分析結(jié)果見表2。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖5a),二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖具有相似的元素富集和虧損特征,呈現(xiàn)大離子親石元素Rb等的富集,Ba、Sr、Nb、Ta、Zr、Hf、Ti等元素的虧損;斜長角閃巖具有弱的Nb、Ta虧損和強烈的Zr虧損。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石ΣREE=113.8×10-6～168.3×10-6,平均值為140.2×10-6;二云石英片巖ΣREE=91.28×10-6～277.5×10-6,平均值為164.6×10-6;斜長角閃巖ΣREE=69.82×10-6～71.75×10-6,平均值為70.78×10-6。相比于二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖,斜長角閃巖的ΣREE較低。

圖5 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(b)(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)Fig.5 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram (a) and chondrite-normalized REE patterns (b) for the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (normalized data from Sun and McDonough, 1989)

4.3 稀土元素

從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖可看出曲線整體呈現(xiàn)右傾(圖5b),顯示二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石、二云石英片巖和斜長角閃巖具有輕稀土富集的特征。除斜長角閃巖外,二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖具有明顯的Eu負(fù)異常,δΕu平均值分別為0.56和0.82。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖具有弱的Ce負(fù)異常。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石LREE/HREE=5.62～9.64,平均值為7.05;二云石英片巖LREE/HREE= 3.0～12.94,平均值為6.78,輕重稀土分餾程度較強;斜長角閃巖LREE/HREE=2.29～2.41,平均值為2.35,輕重稀土分餾程度較弱。

4.4 碳-氧同位素特征

碳氧同位素測試結(jié)果顯示二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和大理巖碳同位素分布區(qū)間差別較大,其中二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石樣品δ13CV-PDB=-22.4‰～-22.3‰, 平均值為-22.36‰;δ18OV-PDB=14‰～14.8‰,平均值為14.4‰(表3);與敖包溝晶質(zhì)石墨礦床石墨二云石英片巖的碳同位素相比(δ13CV-PDB=-31.35‰～-28.60‰),大水峽北晶質(zhì)石墨礦床二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石的碳同位素值較重。大水峽北二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石的碳同位素組成與地幔(δ13C≈-7‰)、大理巖(δ13C=0±2‰)、金剛石和碳酸巖巖漿(δ13C=-5‰)的碳同位素組成相比更加富集12C(蘭心儼,1981;陳衍景等,2000;李凱月等,2018),位于生物有機(jī)質(zhì)的碳同位素組成范圍內(nèi)(δ13C=-40‰～-6‰)(陳衍景等,2000;Luqueetal.,2012)。大理巖樣品δ13CV-PDB=-6.3‰～-2.4‰,平均值為-4.6‰;δ18OV-PDB=14.8‰～20.8‰,平均值為16.7‰(表3)。與全球大理巖的碳同位素組成相比(δ13C=0±2‰),大水峽北晶質(zhì)石墨礦床大理巖碳同位素組成較輕。

表3 敦煌地塊晶質(zhì)石墨礦床碳-氧同位素數(shù)據(jù)Table 3 Carbon and oxygen isotopic data from the crystalline graphite deposits in the Dunhuang block

4.5 激光拉曼光譜分析

對4件石墨礦石樣品進(jìn)行激光拉曼光譜測試,顯示樣品譜峰較為一致(圖6),以G帶、2D帶和S4帶等高級結(jié)晶譜峰為主,有1件樣品存在D峰(圖6a),無低級結(jié)晶譜峰D3、D4帶(Zhang and Santosh,2019;孫新浩等,2021);一級序區(qū)以G帶為主,G譜峰在1578.7～1582.4cm-1之間,平均值為1579.6cm-1,譜峰強度較低,介于24.8～70.3之間。G帶譜峰的半高寬(FWHM)相對較小,介于17.28～25.57cm-1之間,平均值為18.7cm-1,因此G帶譜峰強度高、半高寬小,具有高而窄的特點。二級序區(qū)主要為2D帶、S2帶和S4帶,其中2D帶譜峰強度最高,位置在2741.3～2744.7cm-1,平均值為2743cm-1,強度介于29.77～46.01之間,半高寬在24.24～60.51cm-1之間,平均值為34cm-1。S4帶譜峰不明顯。

5 討論

5.1 石墨結(jié)晶程度和結(jié)晶溫度

研究表明,石墨結(jié)晶的程度和形態(tài)與礦床成因密切相關(guān)。石墨結(jié)晶度隨變質(zhì)程度的增大而增加,區(qū)域變質(zhì)型石墨形態(tài)穩(wěn)定、定向性強,結(jié)晶程度很高,常呈粗大的鱗片狀或條狀,而接觸變質(zhì)型石墨由于變質(zhì)溫度較低,多為微晶或隱晶質(zhì)石墨;巖漿成因的石墨則大多結(jié)晶程度很高,與形成溫度關(guān)系不大,常以塊狀、球狀產(chǎn)出(Rawat and Sharma,2011;姜高珍等,2017;孫新浩等,2021)。研究區(qū)樣品在顯微鏡下觀察,主要呈條狀或鱗片狀產(chǎn)出,反射光下呈淺灰色,自形程度高,呈條帶狀集合體分布,部分零散分布,表明石墨可能形成于高級變質(zhì)區(qū)中,可能與區(qū)域變質(zhì)作用有關(guān)。

激光拉曼光譜的譜峰可分析石墨的有序度,能夠有效地反映出石墨變質(zhì)結(jié)晶程度(Barrenecheaetal.,2009)。石墨拉曼光譜可分為一級序區(qū)和二級序區(qū),理想狀態(tài)下,一級序區(qū)只存在G帶,譜峰位置在1581cm-1處,相對較無序的碳質(zhì)在一級序區(qū)會出現(xiàn)D峰,峰位置約在1355 cm-1處;二級序區(qū)中2D帶左側(cè)會出現(xiàn)S2帶,S2帶越明顯,石墨結(jié)晶度越高(李凱月等,2018;孫新浩等,2021)。石墨礦化結(jié)晶程度越高,G帶譜峰越鋒利,D帶則越不突出,峰值越低(Yanetal.,2020)。

結(jié)晶良好的石墨只存在G帶峰,峰位置約1580cm-1(Wopenka and Pasteris,1993)。另外,利用R1值(R1=D/G)可表征石墨的結(jié)晶程度。當(dāng)R1>0.5, 表明石墨化程度較低(Yanetal.,2020)。在一級序區(qū)若出現(xiàn)缺陷峰(即D峰),且峰值強度越高,說明石墨的結(jié)晶程度越低,反之結(jié)晶程度越高(Beyssacetal.,2002)。大水峽北晶質(zhì)石墨礦的拉曼光譜譜峰特征整體一致,均具有極尖的G帶,且較對稱。4件樣品中,僅1件樣品出現(xiàn)了D峰,其余樣品無D峰出現(xiàn),S2帶明顯,2D帶呈低而寬形態(tài),以G帶、2D帶和S4帶等高級結(jié)晶譜峰為主(Busemannetal.,2007),1件樣品R1=0.24,表明大水峽北晶質(zhì)石墨結(jié)晶程度較高。

研究區(qū)以區(qū)域變質(zhì)作用和區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用為主,變質(zhì)相及P/T范圍較寬,形成自低P/T型綠片巖相綠泥石-黑云母帶至中P/T型角閃巖相十字石-藍(lán)晶石帶的遞增變質(zhì)帶,綠片巖相退變質(zhì)作用較為普遍。云母片巖、石英片巖等屬綠片巖相低P/T相系綠泥石-黑云母帶,變質(zhì)溫度480～550℃;云母片巖、石英片巖、大理巖、斜長角閃巖、斜長片麻巖等屬綠簾角閃巖相低P/T型鐵鋁榴石帶,變質(zhì)溫度500～595℃;斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖屬角閃巖相中P/T型十字石-藍(lán)晶石帶,變質(zhì)溫度565～700℃。另外,研究區(qū)X射線衍射數(shù)據(jù)計算得到的變質(zhì)溫度在618～626℃(蘇天寶,2022),因此,本文認(rèn)為根據(jù)Codyetal.(2008)的經(jīng)驗公式計算得到的565℃較為合理,能代表大水峽北晶質(zhì)石墨礦床石墨形成時的結(jié)晶溫度。

5.2 碳質(zhì)來源

中國北方石墨礦床及賦礦孔茲巖系碳同位素研究表明,生物成因的有機(jī)碳及沉積碳酸鹽巖的無機(jī)碳可作為石墨成礦的證據(jù)來劃分礦床的成因類型(陳衍景等,2000;段威等,2021)。碳質(zhì)來源是研究石墨礦成因的關(guān)鍵,而同位素則是揭示石墨礦碳質(zhì)來源的重要途徑(Schidlowski,1988;Luqueetal.,2009,2012; Yangetal.,2014;夏錦勝等,2019)。碳的主要來源包括有機(jī)質(zhì)(Schidlowski,1987;Hoefs, 2009)、碳酸鹽、地幔和火成巖(Sanyaletal.,2009;Luqueetal.,2012),而石墨成礦過程中碳質(zhì)來源主要包括:(1)混合巖化作用可為富碳地質(zhì)流體提供碳質(zhì)來源(段威等,2021;朱建江等,2021);(2)生物化學(xué)作用導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)發(fā)生碳同位素分餾,使δ13C為負(fù)值,在沉積成巖過程中,不斷分解、聚合,形成固體和油氣,δ13C負(fù)值繼續(xù)變大(程林等,2020);(3)太古界古老沉積巖中含有大量有機(jī)碳,在區(qū)域變質(zhì)作用和高溫高壓條件下使得碳質(zhì)發(fā)生氣化,有機(jī)碳主要通過植物、真核藻類和光合菌類的光合作用進(jìn)行碳固定(Schidlowski,1988;李凱月等,2018);(4)在2.33～2.06Ga期間,發(fā)生了以全球性δ13C正向漂移事件為代表的環(huán)境突變事件,地球上各個圈層的性質(zhì)發(fā)生了全球性突變(陳衍景,1990)。盡管前寒武紀(jì)大型陸生植物還未出現(xiàn),但在地球上大氧化事件開始之前光合作用就已經(jīng)出現(xiàn)(Planavskyetal.,2014)。到古元古代,生物種類還比較單一,有機(jī)質(zhì)來源是以藍(lán)藻為代表的原核生物,但在前寒武紀(jì)能夠形成全球范圍內(nèi)大規(guī)模的富含石墨的孔茲巖系,沉積環(huán)境條件和有機(jī)質(zhì)也相對較好(李凱月等,2018)。

石墨中碳質(zhì)的形成有以下三種反應(yīng)機(jī)制:(1)沉積的生物有機(jī)質(zhì)在變質(zhì)作用下發(fā)生分解結(jié)晶:CH4→C+2H2;(2)生物沉積產(chǎn)生的CH4與流體中的CO2混合:CH4+CO2→2C+2H2O;(3)流體中發(fā)生了碳的沉淀:CO2+2H2→C+2H2O(Rumbleetal.,1986;Aietal.,2020)。不同的形成過程對碳同位素的組成存在很大影響。由于變質(zhì)作用形成的石墨來源于生物有機(jī)碳,因此通常具有更輕的碳同位素組成特征;而來源于碳酸鹽轉(zhuǎn)變形成的石墨則表現(xiàn)出了更重的碳同位素組成特征;并且由于碳的來源及其沉淀機(jī)制的不同,流體沉淀結(jié)晶形成的石墨碳同位素組成區(qū)間范圍更大(陳衍景等,2000)。隨著變質(zhì)作用的進(jìn)行,形成石墨的碳同位素會有變重的趨勢,在有機(jī)質(zhì)成熟的情況下,有機(jī)質(zhì)殘余與其演化的氣體之間發(fā)生同位素的分餾,使得CH4中13C變少,碳同位素組成更輕;而剩余的碳質(zhì)物質(zhì)δ13C值更重。在碳酸鹽礦物脫揮發(fā)分作用中導(dǎo)致了CO2相富含13C,隨著溫度的升高,兩相之間的碳同位素交換更大,在較高的溫度下,更多的13C會進(jìn)入到石墨中。因此,在含有碳酸鹽的巖石中,高級變質(zhì)作用形成的石墨可能比低級變質(zhì)形成的石墨碳同位素重(Luqueetal.,2012)。Borrowdale礦床研究表明脈狀石墨礦床是由富含碳質(zhì)的沉積巖經(jīng)變質(zhì)沉積作用形成或者由含碳流體沉積形成,石墨來源為生物成因(Luqueetal.,2014)。

大水峽北二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石碳同位素在-22.4‰～-22.3‰之間,平均為-22.35‰,位于生物成因區(qū)域,明顯高于中壩石墨礦、大烏淀石墨礦和Borrowdale石墨礦,與黃羊山石墨礦、大河壩石墨礦、興和石墨礦(-24.13‰～-20.49‰)數(shù)值接近(圖7),表明其為生物成因;此外,大理巖中碳同位素組成(δ13CV-PDB=-2.4‰～-6.3‰,平均值為-4.6‰)與其明顯不同,略低于全球不同時代海相碳酸鹽δ13C平均值0.5±2.5‰,靠近海相碳酸鹽區(qū)域(陳衍景等,2000;張艷飛等,2022)。

圖7 大水峽北晶質(zhì)石墨礦碳同位素分布區(qū)間 (據(jù)Yang et al., 2014; Zhong et al., 2019)數(shù)據(jù)來源:黃羊山(Ai et al.,2020);南墅 (蘭心儼,1981);大河壩 (段威等,2020);中壩 (夏錦勝等,2019);柳毛 (汪欣林等,2019);大烏淀 (姜高珍等,2017);興和 (王時麒,1989);New Hampshire(Rumble et al., 1986);Borrowdale (Luque et al., 2009;Barrenechea et al., 2009;Ortega et al., 2010)Fig.7 Carbon isotope distributions interval of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (modified after Yang et al., 2014; Zhong et al., 2019)Data sources: Huangyangshan (Ai et al., 2020); Nanshu (Lan, 1981);Daheba (Duan et al., 2020);Zhongba (Xia et al., 2019);Liumao (Wang et al., 2019);Dawudian (Jiang et al., 2017);Xinghe (Wang,1989);New Hampshire (Rumble et al., 1986); Borrowdale (Luque et al., 2009;Barrenechea et al., 2009; Ortega et al., 2010)

圖8為δ13C-δ18O聯(lián)合圖解,二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石靠近沉積有機(jī)物,大理巖樣品靠近海相碳酸鹽巖。在碳酸鹽溶解作用、脫羥基作用以及有機(jī)質(zhì)氧化作用下,碳質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變或者直接從流體中沉淀出來。碳同位素的變化除受溫度影響外,流體也有影響,而Sr、Mn、Fe、Rb等元素含量的變化通常與流體有關(guān),δ18O含量的變化也是判斷變質(zhì)流體作用的良好指標(biāo)(陳衍景等,2000;Yangetal.,2014)。研究區(qū)大理巖氧同位素值變化范圍為14.8‰～20.8‰,平均值為16.7‰,前人提出以18‰和20‰作為判別碳酸鹽巖是否遭受流體蝕變作用的參考值,顯然本文的δ18O值低于該參考值。樣品鐵、錳元素的變化與δ13C值呈正相關(guān),推測在變質(zhì)作用過程中有流體的參與,使得碳質(zhì)發(fā)生交換,并引起碳同位素值的變化(Sanyaletal.,2009;Yanetal.,2020)。另外,大水峽北地區(qū)受強烈構(gòu)造變質(zhì)影響,在敦煌地塊南側(cè)的阿爾金斷裂帶和北側(cè)的三危山斷裂帶構(gòu)造擠壓作用下,也可能造成碳的丟失,導(dǎo)致有機(jī)碳同位素值發(fā)生變化,向含礦巖體的頂?shù)装遛D(zhuǎn)移,造成大理巖碳同位素值偏負(fù)。綜上所述,大水峽北晶質(zhì)石墨礦床石墨碳質(zhì)來源主要為生物有機(jī)碳,并混入了部分無機(jī)碳。

圖8 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床δ13C-δ18O圖解(據(jù)孫景貴等,2001)Fig.8 The diagram of δ13C vs. δ18O of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (modified after Sun et al.,2001)

5.3 原巖性質(zhì)

對變質(zhì)巖原巖進(jìn)行恢復(fù)時,簡單的地質(zhì)產(chǎn)狀、巖石共生組合及其接觸關(guān)系和巖相學(xué)等方法無法得到確切的結(jié)果,須借助巖石化學(xué)成分和地球化學(xué)上的某些差異,來分析它們的原巖性質(zhì)。這是由于變質(zhì)巖的巖石化學(xué)及地球化學(xué)特征,基本上能反映原巖的變化特征,并主要受原巖形成作用特點的制約。在進(jìn)行原巖恢復(fù)時,除了采用主量元素含量直接對比外,一些巖石化學(xué)參數(shù)以及由這些參數(shù)構(gòu)建的巖石地球化學(xué)圖解均可用于變質(zhì)巖的識別(王仁民,1987;趙吉昌等,2023)。

大水峽北晶質(zhì)石墨礦體主要賦存于古元古界敦煌巖群B巖組,由片巖、片麻巖、斜長角閃巖、大理巖等組成,屬于典型的孔茲巖系(陳世強等,2021)。整體表現(xiàn)為富Si、低堿、貧Ca、低燒失量等特點。若變質(zhì)巖原巖DF判別函數(shù)大于0,為正變質(zhì)巖,DF<0則為副變質(zhì)巖(Shaw,1972)。研究區(qū)樣品DF值均小于0,為-1.49～-5.04。在變質(zhì)作用過程中,由于Zr、Ti、Ni為不相容元素,性質(zhì)相對比較穩(wěn)定,恢復(fù)變質(zhì)巖的Zr/TiO2-Ni圖解可進(jìn)一步確定正副變質(zhì)巖(Winchesteretal.,1980;周世泰,1984)。Ni含量為7.43×10-6～106×10-6,Zr/TiO2為11.90～207.7,變質(zhì)巖原巖恢復(fù)圖解(圖9)顯示二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦礦石和二云石英片巖落在沉積巖區(qū)域,變質(zhì)巖原巖為沉積巖類,指示樣品為副變質(zhì)巖;斜長角閃巖落在巖漿巖區(qū)域,指示樣品為正變質(zhì)巖。

圖9 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床Zr/TiO2-Ni圖解(據(jù)Winchester et al.,1980;周世泰,1984)Fig.9 The diagram of Zr/TiO2 vs. Ni of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (after Winchester et al.,1980;Zhou, 1984)

由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,受交代作用的影響較小,可作為區(qū)分變質(zhì)巖原巖成因類型的地球化學(xué)標(biāo)志(王仁民,1986)。圖10a為研究區(qū)變質(zhì)巖La/Yb-TREE(TREE: 稀土元素總量)圖解,所有斜長角閃巖樣品投影點均落在斜長角閃巖區(qū),而二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石則落在砂質(zhì)巖和雜砂巖區(qū),二云石英片巖主要落在頁巖和粘土巖區(qū)。圖10b為變質(zhì)巖的 (al-alk)-c圖解,圖中變質(zhì)巖尼格里值采用Geokit計算(鋁質(zhì)組al=Al2O3+Cr2O3,鈣質(zhì)組c=CaO+SrO+BaO,堿質(zhì)組alk=K2O+Na2O+Li2O)。大量的研究結(jié)果表明,各地區(qū)的變質(zhì)火成巖系都明顯的沿圖解中的長石線(鈉長石-鈣長石連線)分布,一般在長石線的右側(cè),這是因為在巖漿分異過程中,斜長石系列內(nèi)鈣長石的含量逐漸減小。在變質(zhì)沉積巖中除分布于粘土巖、雜砂巖、白云巖或石灰?guī)r范圍的變質(zhì)巖外,具有過渡類型的變質(zhì)沉積巖系則表現(xiàn)為大致平行al-alk軸(如粘土-雜砂巖)或明顯的斜交長石線(如粘土-石灰?guī)r、粘土-白云巖、粘土質(zhì)雜砂巖-碳酸鹽巖)的變化趨勢。同時變質(zhì)的火山沉積巖系(如泥砂質(zhì)巖-火山巖、碳酸鹽巖-火山巖)的變化趨勢也表現(xiàn)為斜交長石線分布。該圖解的主要優(yōu)點是使用方便,適用范圍較廣,不僅能區(qū)別變質(zhì)沉積巖和變質(zhì)火成巖,也能確定變質(zhì)沉積巖的不同類型及其過渡類型,特別是能區(qū)分不同性質(zhì)的火山沉積巖。圖解顯示二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石和二云石英片巖靠近長英質(zhì)粘土和雜砂巖區(qū)。根據(jù)含礦變質(zhì)巖的產(chǎn)狀及其與圍巖的接觸關(guān)系可知,含礦巖系呈層狀分布。因此,推測二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石的原巖以砂質(zhì)巖和雜砂巖為主;圍巖二云石英片巖的原巖為頁巖和粘土巖。

圖10 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床La/Yb-TREE圖解(a)和(al-alk)-c圖解(b)(底圖據(jù)王仁民,1986)Fig.10 La/Yb vs. TREE diagram (a) and (al-alk) vs. c diagram (b) in the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (base map after Wang, 1986)

5.4 沉積環(huán)境

不同構(gòu)造背景下形成的巖石,其礦物成分和賦存于巖石中的某些元素含量及其比值等地球化學(xué)參數(shù)存在差異,利用這些差異特征能較好地反映其形成時的構(gòu)造環(huán)境(趙吉昌等,2023)。同時需借助多個指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷,一般Sr、Ba對水環(huán)境具有較好的指示作用,在溶液中Sr的遷移能力比Ba強,當(dāng)Sr/Ba>1.0時為海相沉積,陸源沉積物Sr/Ba<1.0(Floydetal., 1989;夏錦勝等,2019)。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石、二云石英片巖樣品Sr/Ba平均值分別為1.35、0.54,Rb/Sr比值小于Sr/Ba,Sr/Ba值大于1.0,Sr明顯虧損,指示成礦物質(zhì)來源為海陸交互相沉積物(趙吉昌等,2023)。

在Ba-Sr圖解中(圖11),二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石、二云石英片巖樣品主要落在半咸水區(qū)域,靠近現(xiàn)代三角洲半咸水粘土區(qū)和俄羅斯地臺不同年代海相碳酸鹽區(qū),推測礦體原巖的沉積環(huán)境為靠近大陸的靜水低能、富含生物地臺,在氧化環(huán)境中主要沉積碳酸鹽巖,在還原環(huán)境中沉積富含粘土及泥砂質(zhì)層。碳質(zhì)及粘土質(zhì)的吸附使礦體原巖的V、Co、Ni、U、Th相對富集,沉積的水體主要為鹽度較高、混合不均勻的半咸水環(huán)境。這種環(huán)境十分適合藻類生物生長,大量的藻類遺體被埋藏在泥沙質(zhì)沉積物中,經(jīng)成巖作用形成碳質(zhì)頁巖,后經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用形成石墨礦床。

圖11 大水峽北晶質(zhì)石墨礦床含礦層巖石的Ba-Sr圖解(據(jù)Roser and Korsch,1986;王仁民,1987)Ⅰ-現(xiàn)代三角洲半咸水粘土區(qū);Ⅱ-太平洋遠(yuǎn)海相沉積物區(qū);Ⅲ-俄羅斯地臺不同年代海相碳酸鹽巖區(qū);Ⅳ-現(xiàn)代高咸水沉積物區(qū)Fig.11 Ba vs. Sr diagram of the Dashuixiabei crystalline graphite deposit (after Roser and Korsch, 1986;Wang, 1987)Ⅰ-modern delta brackish water clay area;Ⅱ-Pacific pelagic sediments;Ⅲ-marine carbonate area of Russian platform in different ages;Ⅳ-modern high salt water sediments

V、Co、Ni、U、Th等元素的特征可用來恢復(fù)古海洋氧化還原環(huán)境(林治家等,2008;段威等,2021)。當(dāng)U/Th比值大于1.25、Ni/Co比值大于7,V/Cr比值大于4.25時,能夠指示缺氧還原環(huán)境,反之則為富氧的氧化環(huán)境(王峰等,2017;Tangetal.,2019)。二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石樣品Ni/Co比值為6.75～17.61,平均值為12.28;V/Cr比值為8.00～11.14,平均值為9.15,指示缺氧的還原環(huán)境。二云石英片巖樣品Ni/Co比值為1.44～1.96,平均值為1.70;V/Cr比值為1.88～3.25,平均值為2.69;U/Th值0.10～0.70,平均值為0.45;斜長角閃巖樣品Ni/Co比值為1.92～1.94,平均值為1.93;V/Cr比值為1.49～1.61,平均值為1.55;指示富氧的氧化環(huán)境。綜合表明研究區(qū)石墨礦石原巖沉積屬于缺氧的還原環(huán)境,礦體圍巖為富氧的氧化環(huán)境。

稀土元素配分曲線整體呈右傾趨勢(圖5),表現(xiàn)出了輕稀土富集的特征,除Eu出現(xiàn)了明顯的負(fù)異常之外,Ce出現(xiàn)了輕微的負(fù)異常。在沉積體系中,Eu和其他稀土元素相比,更容易被含水溶液帶走,Eu負(fù)異常是海相沉積的一個指標(biāo)(夏錦勝等,2019)。同時Ce元素在淺海區(qū)會進(jìn)入到土壤顆粒中,在深海區(qū)Ce元素會移出,Ce負(fù)異常可以作為判斷海相沉積的重要指標(biāo),表明原巖形成于海相沉積環(huán)境(陶樹等,2009)。

5.5 礦床成因

大水峽北晶質(zhì)石墨礦主要賦存于敦煌巖群的片巖和碳酸鹽巖地層中,礦區(qū)經(jīng)歷了廣泛的區(qū)域變質(zhì)作用,發(fā)育片巖、片麻巖、斜長角閃巖、大理巖等變質(zhì)巖。礦體頂?shù)装迮c賦礦巖體巖性一致,是一套典型的變質(zhì)沉積巖組合含礦建造。礦體為層狀、似層狀和透鏡狀,產(chǎn)狀與圍巖片理及區(qū)域構(gòu)造線方向一致,說明石墨礦體與地層巖石同時沉積,經(jīng)過區(qū)域深變質(zhì)作用使碳質(zhì)與其他礦物重結(jié)晶形成鱗片狀晶質(zhì)石墨。石墨鏡下呈顯微鱗片狀分布于脈石礦物顆粒之間,形態(tài)穩(wěn)定、定向性強,激光拉曼光譜顯示樣品結(jié)晶程度很高,與敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)石墨特征相似(趙吉昌等,2023)。

前人研究揭示敦煌地塊存在新太古代(～2.5Ga、2.6～2.7Ga)的 TTG 質(zhì)片麻巖和古元古代末期(～1.8Ga)的基性變質(zhì)巖(趙燕等,2013,2015)。此后,在2.0～1.8Ga時期,東巴兔山、紅柳峽及黨河一帶發(fā)生了巖漿-變質(zhì)事件(Zhangetal.,2012);在1.8～1.6Ga時期,在三危山地區(qū)和紅柳峽地區(qū)發(fā)生了構(gòu)造-熱事件(Wangetal.,2013;Heetal.,2014)。在大規(guī)模的地殼上升、褶皺、斷裂形成的過程中,隨著溫度、壓力、應(yīng)力的產(chǎn)生并增大,導(dǎo)致巖石、礦物所處的物理、化學(xué)條件發(fā)生改變。沉積固結(jié)成巖后,在漫長的地質(zhì)時期發(fā)生了多次地殼運動,使先成巖石普遍遭受不同程度的區(qū)域性動力熱流變質(zhì)作用。隨著變質(zhì)程度的加深,溫度和壓力作用逐漸增大而成為主要變質(zhì)因素,產(chǎn)生變質(zhì)熱液、并伴隨有變質(zhì)分異和交代作用(趙燕等,2015;Wangetal.,2020)。多期構(gòu)造-熱事件是大水峽北晶質(zhì)石墨礦床礦體形成的重要因素,且與Columbia超大陸內(nèi)部的熱事件和Rodinia超級大陸的裂解密切相關(guān)(Wangetal.,2013, 2016, 2017;Zhaoetal.,2016, 2017;石夢巖等,2018;Ganetal.,2020a)。

敦煌地塊敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)鋯石測年結(jié)果顯示,二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石的鋯石U-Pb年齡為2442±15Ma和2462±20Ma(未發(fā)表數(shù)據(jù)),表明敖包山晶質(zhì)石墨礦床形成時代為古元古代。前文提及,東巴兔晶質(zhì)石墨礦集區(qū)和敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)均賦存于敦煌巖群,屬同一含礦層,二云石英片巖為主要賦礦巖體,所以推測大水峽北晶質(zhì)石墨礦床的形成時代與敖包山晶質(zhì)石墨礦集區(qū)相似。

古元古代期間系列的碰撞造山運動為石墨的形成提供了裂解成碳和碳質(zhì)結(jié)晶所需的溫度和壓力條件。在鱗片狀晶質(zhì)石墨礦床形成后,遭受了古生代構(gòu)造運動和巖漿活動的作用下,石墨進(jìn)行了重結(jié)晶和重新的富集最終形成了如今的石墨礦床。結(jié)合巖相學(xué)和拉曼光譜特征,本文認(rèn)為大水峽北晶質(zhì)石墨礦床屬于區(qū)域變質(zhì)型晶質(zhì)石墨礦礦床,形成過程主要有以下三個階段:

(1)碳物質(zhì)沉積成巖階段:古元古代時期,敦煌地塊處于活動大陸邊緣環(huán)境中,該區(qū)的生物有機(jī)質(zhì)大量沉積,在良好的還原條件下富集的生物有機(jī)質(zhì)發(fā)生了分解,并且固結(jié)成巖。形成了雜砂巖、泥質(zhì)砂巖、石英砂巖、粘土巖為主的沉積建造。沉積巖中的生物碳在埋藏、壓實之后,在良好的還原條件下,生物碳轉(zhuǎn)化為瀝青,碳物質(zhì)不斷富集,為石墨的形成提供了有利的碳物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)區(qū)域變質(zhì)作用階段:2.0～1.8Ga,敦煌地塊在晚古元古代經(jīng)歷一期全球性碰撞造山事件,即Columbia超大陸的匯聚(刁志鵬等,2019)。在古元古代匯聚造山和俯沖作用下伴隨的區(qū)域變質(zhì)作用為晶質(zhì)石墨的形成提供了充足的熱量。在區(qū)域變質(zhì)作用影響下,之前的沉積建造和有機(jī)碳物質(zhì)的存在形態(tài)發(fā)生了變化。首先是發(fā)生了脫氫裂解成單質(zhì)碳,而后無序的碳單質(zhì)在高溫高壓條件下,結(jié)晶產(chǎn)生了鱗片狀的晶質(zhì)石墨,并且相對集中,逐漸富集形成石墨礦(蘇天寶,2022)。

(3)后期改造作用階段:在古生代時期敦煌地塊地區(qū)發(fā)生了區(qū)域性的構(gòu)造-熱事件,一系列的構(gòu)造運動與巖漿活動對大水峽北晶質(zhì)石墨礦床原有的石墨礦層進(jìn)行了破壞和改造(趙燕和孫勇,2018)。強烈的構(gòu)造運動,使得大水峽北地區(qū)巖層發(fā)生強烈的變形,在韌性剪切作用和褶皺擠壓作用下,原生構(gòu)造發(fā)生改變,石墨礦層的形態(tài)變得復(fù)雜,原本富集石墨的地層遭到破壞。并且由于巖漿活動的影響,在新的溫度、壓力及流體條件下,該區(qū)的石墨發(fā)生了遷移和重結(jié)晶作用,使得礦石的品位得到了提升,鱗片片徑增大,最后形成了如今的大水峽北晶質(zhì)石墨礦床(蘇天寶,2022)。

6 結(jié)論

(1)大水峽北晶質(zhì)石墨礦床主要賦存于二云石英片巖中,具有典型的鱗片狀構(gòu)造,總體富鋁、貧鈣;輕稀土元素較富集,Εu負(fù)異常明顯,具有海相沉積物源特征。

(2)二云石英片巖型晶質(zhì)石墨礦石原巖以砂質(zhì)巖和雜砂巖為主,二云石英片巖原巖為頁巖和粘土巖;古沉積環(huán)境為干燥氣候條件下富氧的海陸交互相環(huán)境;古水體介質(zhì)主要為鹽度較高的半咸水環(huán)境。

(3)拉曼譜峰特征表明石墨結(jié)晶程度較高,結(jié)晶溫度中等。石墨礦樣品碳同位素δ13C=-22.4‰～-22.3‰,平均值為-22.35‰,圍巖大理巖樣品δ13C=-6.3‰～-2.4‰,表明碳質(zhì)來源主要為生物有機(jī)質(zhì),并混入部分無機(jī)碳。

(4)大水峽北晶質(zhì)石墨礦床成因可能與該區(qū)發(fā)生的構(gòu)造-熱事件有關(guān),礦床形成經(jīng)過了碳物質(zhì)沉積成巖階段、區(qū)域變質(zhì)作用階段和后期改造作用階段,強烈的構(gòu)造和巖漿活動以及高溫高壓和流體使得富含有機(jī)質(zhì)地層經(jīng)過變質(zhì)作用形成石墨礦。巖相學(xué)和激光拉曼光譜特征表明大水峽北晶質(zhì)石墨礦床屬于區(qū)域變質(zhì)型石墨礦床。

致謝感謝甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院胡小春、樊新祥、方紹忠等對野外工作提供的指導(dǎo)和幫助;兩位匿名審稿專家和編輯部老師對文稿的修改提出了寶貴的意見和建議,在此表示衷心的感謝。