湖南魯塘礦區(qū)煤系石墨空間分布特征與深部找礦方向

趙訓(xùn)林，王 路，李 靖，朱文卿，莫佳峰，肖金成

（1.湖南省地球物理地球化學(xué)調(diào)查所，湖南長(zhǎng)沙 410014；2.山西能源學(xué)院地質(zhì)與測(cè)繪工程系，山西晉中 030600）

煤系石墨屬隱晶質(zhì)石墨的一種類(lèi)型，由富集型有機(jī)質(zhì)——煤經(jīng)過(guò)構(gòu)造-熱作用演化而成，因其品位高、易開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)被重點(diǎn)開(kāi)發(fā)。煤向石墨演化過(guò)程為煤大分子物理-化學(xué)結(jié)構(gòu)的逐漸有序化，在內(nèi)因（煤巖組分、礦物等）和外因（構(gòu)造應(yīng)力、侵入體等）多因素作用下，呈現(xiàn)出差異性特征，形成不同石墨化程度的產(chǎn)物［1-3］。前人對(duì)我國(guó)不同地區(qū)煤系石墨特征、控制因素、賦存規(guī)律等方面的研究已取得了豐富的成果［4-10］。莫佳峰（2020）對(duì)湖南省煤系石墨成礦規(guī)律和找礦方向進(jìn)行了探討，提出了兜底式、向斜式、背斜式三種成礦模式［9］。王路等（2020）對(duì)閩西南地區(qū)煤系石墨成礦因素進(jìn)行了分析，并劃分了由構(gòu)造-巖漿熱條件構(gòu)成的封閉式、半開(kāi)放-半封閉式和開(kāi)放式三種煤系石墨成礦模式［5］。王路等（2020）根據(jù)魯塘礦區(qū)構(gòu)造-熱條件劃分了東西三個(gè)條帶、南北三個(gè)分區(qū)，并劃分了無(wú)煙煤-煤系半石墨-煤系石墨成礦區(qū)［11］。

魯塘礦區(qū)位于湖南千里山-騎田嶺多金屬和非金屬礦礦集區(qū)西部，為典型的煤系石墨礦區(qū)。自20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了地質(zhì)勘查和開(kāi)采工作，主要針對(duì)±0m標(biāo)高以上煤與煤系石墨礦進(jìn)行了開(kāi)采，隨著資源量的日益減少，勘探目標(biāo)轉(zhuǎn)向深部。本文基于礦區(qū)構(gòu)造-巖漿熱和煤系石墨發(fā)育特征，對(duì)礦區(qū)深部構(gòu)造和煤系石墨成礦潛力進(jìn)行了探討分析，力爭(zhēng)為深部找礦提供依據(jù)。

1 魯塘礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層與含煤地層

出露地層由老至新有中上石炭統(tǒng)壺天群、下二疊統(tǒng)棲霞組、下二疊統(tǒng)當(dāng)沖組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、上二疊統(tǒng)大隆組和第四系。含礦地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M上段，含煤/石墨共4 個(gè)礦組11 個(gè)礦層，平均厚度139.86m。

1.2 巖漿活動(dòng)

礦區(qū)東側(cè)為騎田嶺花崗巖體，出露面積達(dá)530 km2，巖性以灰白色—肉紅色細(xì)中粒斑狀角閃石黑云母花崗巖為主，屬?gòu)?fù)式巖體。燕山期早期產(chǎn)物以灰白色肉紅色細(xì)中粒斑狀角閃石黑云母花崗巖為主，靠近圍巖以淡紅色—灰白色中細(xì)粒或中粒斑狀黑云母花崗巖為主［8-12］。巖體與圍巖呈侵入式接觸，侵入石炭系—三疊系，在3勘探線以南以巖脈侵入，規(guī)模不大，對(duì)煤的石墨化作用范圍有限（圖1）。

圖1 魯塘礦區(qū)地質(zhì)圖（修改自參考文獻(xiàn)［11］）Figure 1 Geological map of Lutang mines（modified from reference［11］）

多期次、多階段巖漿侵入是煤變質(zhì)成石墨的主要熱源，使得圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的變質(zhì)，形成較寬的變質(zhì)帶，坑道所見(jiàn)近巖體處的圍巖有烘烤現(xiàn)象，呈紫紅色，并具色暈，距離巖漿巖體1 300 m 左右為角巖帶和強(qiáng)角巖化帶［11］。

1.3 構(gòu)造特征

主體構(gòu)造為軸向北東-南西的魯塘-沙田復(fù)向斜，軸向長(zhǎng)10 km 以上，縱貫礦區(qū)南北，控制了整個(gè)礦區(qū)的構(gòu)造形態(tài)，伴生系列北東-北北東向和橫向斷裂。向斜西翼地層出露較完整，走向25°～33°，傾角30 ° ～60 °，平均45°；東翼淺部地層被騎田嶺巖體破壞出露不完整，地層走向25 ° ～33 °，傾角10°～50°，平均40°。

2 煤系石墨礦層特征

2.1 宏觀特征

多為致密塊狀構(gòu)造（圖2），具鋼灰色—鉛灰色，強(qiáng)金屬光澤，硬度小于2，斷口為參差狀、土狀，具滑感，易污手。

圖2 魯塘礦區(qū)煤系石墨Figure 2 Coal-based graphite samples from Lutang mines

2.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

顯微組分以新生石墨化產(chǎn)物，即粒狀石墨、絲狀石墨和片狀石墨組分為主，殘余部分煤巖組分（主要為惰質(zhì)組）和少許熱解碳［7，8，13-15］，混入物有較多的假六方片狀的高嶺石，板條狀的伊利石及不規(guī)則粒狀石英，多呈團(tuán)塊狀、不規(guī)則狀、透鏡狀之集合體，有時(shí)呈細(xì)小的星點(diǎn)狀浸染于石墨之中，其次尚有少量黃鐵礦、黃銅礦、白鐵礦。

在顯微鏡下可見(jiàn)以隱晶質(zhì)-顯晶質(zhì)細(xì)鱗片石墨集合體為主，多為它形-半自形晶，輪廓不清，片徑0.1 ～3 μm，平均1.5 μm。距巖體較近的石墨化帶，礦石結(jié)構(gòu)呈顯晶細(xì)鱗片狀，片徑1 ～4 μm，一般為3 μm，少數(shù)呈自形-半自形的六方片狀，輪廓清晰。半石墨化帶，礦石結(jié)構(gòu)呈顯晶細(xì)鱗片狀和隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，片徑0.1 ～3 μm，一般1.5 μm，它形-半自形晶，呈鑲嵌狀，后者晶形不定，輪廓不清晰。石墨化無(wú)煙煤-無(wú)煙煤帶，礦石多為隱晶-非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含少許細(xì)鱗片狀石墨，晶形不定，趨它形-半自形，片徑小于0.1 ～2 μm。

2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

從化學(xué)組成上看，各礦層水分普遍小于3%，灰分除I2 礦層外均小于30 %，固定碳含量為70.6% ～74.09%，除II3礦層外，其余礦層揮發(fā)分均小于5%，賦礦層位由淺至深，揮發(fā)分含量逐漸減小，反映了煤演化程度的逐漸增高。依據(jù)曹代勇等（2021，2022）提出的煤與煤系石墨鑒別指標(biāo)，從化學(xué)組成參數(shù)（固定碳和揮發(fā)分）即可初步判斷樣品均屬于煤系石墨，由X射線衍射結(jié)果計(jì)算得出各礦層的石墨化度為80.3%～95.6%，均大于了70%，屬于煤系石墨一號(hào)［3，16］。

表1 魯塘礦區(qū)不同層位樣品工業(yè)分析結(jié)果Table 1 Proximate analysis of coal samples from different seams in Lutang minee

3 煤系石墨的空間分布

3.1 平面展布

因煤系石墨與煤呈同層異礦的關(guān)系，二者在演化上為逐漸演化過(guò)渡關(guān)系，在其過(guò)渡帶則多形成石墨化無(wú)煙煤-半石墨帶［2，5，11］?？傮w上看，石墨與無(wú)煙煤主要圍繞騎田嶺巖體呈有規(guī)則的環(huán)帶狀分布，在平面上的分布規(guī)律：①距離巖體0 ～300 m 范圍，煤的石墨化程度較高，石墨結(jié)晶程度較好，礦石結(jié)構(gòu)呈顯晶細(xì)鱗片狀；②距離巖體300 ～1 300 m 范圍，煤的石墨化程度次之；③距離巖體1 300 m 外，煤的石墨化程度總體較差，但差異性較大，主要以高變質(zhì)無(wú)煙煤-石墨化無(wú)煙煤為主，為隱晶-非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。前人指出構(gòu)造應(yīng)力（尤其是剪切應(yīng)力）在煤演化中具有“催化”的作用［8，17-20］，因此，雖距離巖體較遠(yuǎn)而受巖漿熱作用影響較弱，但受巖體的強(qiáng)烈擠壓影響，在某些構(gòu)造變形強(qiáng)烈區(qū)煤的石墨化程度也較高，出現(xiàn)了少量石墨化程度較高的半石墨，甚至是煤系石墨［8，20］。

3.2 垂向分布

自上而下，礦區(qū)主要開(kāi)采Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅲ3、Ⅳ2、Ⅳ3共5 層礦層。由表2 可知，各礦層的間距變化較大，礦層總厚度不大，平均為7.11 m，但厚度變化較大。區(qū)內(nèi)各礦層厚度變化主要受沉積環(huán)境、后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)等因素的影響。

表2 各可采礦層厚度與層間距Table 2 Thickness and layer space of each mineable coal seam

礦層在垂向上的分布規(guī)律：①底板巖性、形態(tài)對(duì)礦層厚度的影響。底板變質(zhì)砂巖厚度不大、延伸較遠(yuǎn)、分布范圍較廣時(shí)，礦層厚度穩(wěn)定、分布廣、延伸遠(yuǎn)。砂巖厚度過(guò)于厚或者薄時(shí)，其礦層厚度變化較大。各礦組間距與IV 礦組頂板砂巖厚度有一定的關(guān)系，在向斜西翼IV 礦組頂板砂巖厚度大，礦層間距則小，向斜核部未見(jiàn)有IV 礦組頂板砂巖，礦組間距可達(dá)到215.44m；②礦層厚度受后期構(gòu)造影響表現(xiàn)為向斜構(gòu)造軸部厚，兩翼變薄，如在馬屁股坑道中，向斜軸部厚達(dá)10m，兩翼僅1m 左右（圖3a）。受巖體北西向擠壓造成礦區(qū)北部呈緊閉狹長(zhǎng)的構(gòu)造形態(tài)，各礦層間距則自西向東、由北向南逐漸增大；③沉積旋回發(fā)育地段相應(yīng)礦層增多，礦層薄而延伸不遠(yuǎn)，連續(xù)性較差。巖體侵入造成礦層出現(xiàn)強(qiáng)烈的褶皺和斷裂，破壞了礦層的連續(xù)性和礦體形態(tài)，巖漿帶來(lái)的高溫作用使得煤/石墨層呈現(xiàn)塑性流動(dòng)狀態(tài)，擠入各種構(gòu)造空隙中形成脈狀、鋸齒狀、樹(shù)狀等不規(guī)則形狀（圖3b）。

圖3 a.馬屁股坑道向斜軸部礦層厚度變化；b.不規(guī)則形狀礦層Figure 3 a.Different thickness of coal seam in Mapigu tunnel；b.Irrregular coal seam

3.3 空間分布的復(fù)雜性

前人對(duì)魯塘石墨礦區(qū)的研究主要局限于巖漿熱變質(zhì)作用，曾提出按照與騎田嶺花崗巖體的距離由近及遠(yuǎn)，呈現(xiàn)石墨—半石墨—無(wú)煙煤漸變關(guān)系的模式［21-22］，然而魯塘礦區(qū)煤/石墨礦生產(chǎn)實(shí)際揭露的情況表明，上述模式過(guò)于簡(jiǎn)單和理想化，煤系石墨與無(wú)煙煤的過(guò)渡關(guān)系十分復(fù)雜，已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到石墨礦分布受褶皺構(gòu)造的控制，并不完全與距騎田嶺巖體的遠(yuǎn)近有關(guān)［8，9，20］。煤成石墨化作用與煤化作用是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，與煤化作用相同，溫度是石墨化作用的主導(dǎo)因素，同時(shí)構(gòu)造變形在煤系石墨成礦機(jī)制中起到的關(guān)鍵作用［8，17-20］。

煤層在騎田嶺花崗巖侵入時(shí)產(chǎn)生高溫、高壓和還原環(huán)境下緩慢結(jié)晶形成，煤的變質(zhì)強(qiáng)弱及石墨礦結(jié)晶程度主要受距花崗巖體遠(yuǎn)近距離的控制，同時(shí)也與煤層的質(zhì)量及埋深有關(guān)，在多因素條件下煤系石墨的空間分布呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。

4 深部構(gòu)造特征與找礦方向

4.1 深部滑脫構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)

在以往認(rèn)為±0 m 以下無(wú)礦的多條石門(mén)均發(fā)現(xiàn)了與上部相同含礦層位，由北往南石墨五礦至煤十礦-100 m 以下均有揭露。上覆向斜出露地層由上自下分別為二疊系大隆組、龍?zhí)督M上段、龍?zhí)督M下段、當(dāng)沖組，地層由新到老正常出露，在±0 m 以下本應(yīng)為當(dāng)沖組以下的下二疊統(tǒng)棲霞組，但有多條巷道證實(shí)為大隆組及含礦地層龍?zhí)督M（圖4a，b），且地層對(duì)比標(biāo)志明顯，出現(xiàn)了上、下地層重復(fù)。上覆向斜和深部大隆組巖性特征一致，均為硅質(zhì)泥巖，巖性特征以泥質(zhì)為主，含少量細(xì)粉砂顆粒，富有機(jī)質(zhì)，局部見(jiàn)方解石，經(jīng)重結(jié)晶大理巖化（圖4c，d）。

圖4 a. 地表大隆組巖層；b.石墨五礦452平硐揭露大隆組巖層；c，d.地表和井下大隆組巖石顯微照片F(xiàn)igure 4 a.Strata of Dalong Formation；b.Strata of Dalong Formation in 452 tunnel；c，d.Micro structures of Dalong formation on surface and underground

通過(guò)對(duì)礦區(qū)東側(cè)F1斷裂的前期調(diào)查認(rèn)為，該斷層為延伸近3.1km的高角度正斷層（產(chǎn)狀280°∠80°）。通過(guò)井下編錄發(fā)現(xiàn)了大量滑脫面和滑脫破碎帶，如在石墨五礦+6m 石門(mén)、石墨六礦-60m 采掘面均發(fā)現(xiàn)了滑脫構(gòu)造面和滑脫破碎帶，寬度達(dá)十余米，棱角狀、透鏡狀砂質(zhì)泥巖碎塊、粉砂巖，夾雜煤/石墨礦層（圖5a、b），滑動(dòng)鏡面、階步均有發(fā)育。綜上所述，F(xiàn)1斷層實(shí)為一上陡下緩的犁鏟狀滑脫構(gòu)造（圖5c），滑動(dòng)面主體為煤/石墨礦層，上部基本平行于巖層面，向下延伸逐漸與層面斜切。滑面上下均為二疊系大隆組和龍?zhí)督M煤/石墨礦層，導(dǎo)致礦層出現(xiàn)重復(fù)。

圖5 a.滑脫破碎帶，透鏡狀砂質(zhì)泥巖碎塊，石墨五礦+6m石門(mén)；b.石墨六礦-60m采掘面，滑脫面；c.上陡下緩的犁鏟狀0線剖面Figure 5 a.Slip zone of fracture，lens shaped sandy mudstone fragments，+6 m crosscut in graphite 5 mine；b.Slip zone in-60 m mining face in graphite 6 mine；c.Section drawing of 0 line of shovel plow shape

4.2 滑脫構(gòu)造成因模式

魯塘礦區(qū)煤系地層受水平擠壓影響其初始形態(tài)為兩個(gè)向斜，即向斜A 和向斜B（圖6a）多期次活動(dòng)的騎田嶺巖體自深部向淺部侵位時(shí)，由南東向北西擠壓，一方面軟弱的煤系地層發(fā)生明顯的褶皺等變形，另一方面，由低強(qiáng)度、高塑性的煤層與強(qiáng)度較硬的頂?shù)装骞栀|(zhì)巖組成的軟硬相間的巖石組合，隨著巖層發(fā)生褶皺和斷裂變形的同時(shí)，頂?shù)装逡渤霈F(xiàn)了相對(duì)滑移來(lái)適應(yīng)或補(bǔ)償受力巖層伸展（圖6b），之后受巖體繼續(xù)向上抬升，向斜A 因重力滑動(dòng)覆蓋在向斜B 之上（圖6c），而礦區(qū)現(xiàn)開(kāi)采的即為滑脫構(gòu)造面以上的煤/石墨礦資源。

圖6 滑脫構(gòu)造成因模式Figure 6 Genetic model of detachment structure

4.3 深部成礦潛力與找礦方向

由于滑脫構(gòu)造導(dǎo)致斷層面下部與上覆含煤地層形成了“二層樓式”的含礦系統(tǒng)，位于騎田嶺花崗巖體西側(cè)，成礦條件較好?！?m以下有多條石門(mén)揭露了與上部相同含礦層位，礦層質(zhì)量較好，最深點(diǎn)可達(dá)-168 m。進(jìn)行取樣測(cè)試分析其石墨化度達(dá)到87.2%～93.0%，均屬煤系石墨一號(hào)（表3）。

表3 ±0m標(biāo)高以下樣品石墨化分析結(jié)果Table 3 Graphite degree of samples under 0 m elevation

對(duì)0線-110m東主石門(mén)、9線-116 m東主石門(mén)進(jìn)行了編錄，2 條石門(mén)相距約2.1 km，采區(qū)最長(zhǎng)控制斜長(zhǎng)約為90m，完整的揭露了大隆組硅質(zhì)巖及龍?zhí)督M含石墨（煤）地層，對(duì)比標(biāo)志明顯，兩條石門(mén)東距巖體430 ～500 m，揭露礦層厚0.3 ～2.72m，傾向300°，傾角約58°，礦層發(fā)育較好，質(zhì)量較好，可成為未來(lái)找礦的主要目標(biāo)。

5 結(jié)論

1）在平面上，魯塘礦區(qū)煤/石墨礦層呈現(xiàn)出以圍繞巖體為主的環(huán)帶狀分布，由近及遠(yuǎn)依次形成了石墨帶、半石墨帶和石墨化無(wú)煙煤-無(wú)煙煤帶，垂向上煤系石墨礦層厚度、間距較大，且多為不規(guī)則形態(tài)。由于煤系石墨成礦成因復(fù)雜，受巖漿熱和構(gòu)造變形的共同影響，煤與石墨礦層的空間分布出現(xiàn)復(fù)雜性。

2）±0m以下地層的重復(fù)出現(xiàn)，地表與井下滑脫構(gòu)造現(xiàn)象證實(shí)了礦區(qū)東部的F1斷層實(shí)為一上陡下緩的滑脫構(gòu)造，由礦區(qū)東側(cè)騎田嶺巖體北北西向侵位時(shí)形成，滑脫面以煤/石墨礦層為主，向下切穿頂?shù)装濉?/p>

3）上陡下緩的F1斷層構(gòu)成了滑脫構(gòu)造，造成了煤/石墨礦層的上、下重復(fù)出現(xiàn)，形成了“二層樓式”的成礦系統(tǒng)。下覆煤系石墨礦層位于巖體西側(cè)，石墨化度較高，具有較好的成礦潛力，是未來(lái)煤系石墨找礦的潛在區(qū)。