齊新國, 王廣, 付茂英, 張燕波

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊(duì)，保定 071051； 2.保定理工學(xué)院，保定 071000)

0 引言

石墨礦已被列入新材料、新能源礦產(chǎn)，在戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用潛力巨大，越來越受到人們的關(guān)注[1]。冀西北地區(qū)是我國前寒武系分布較廣的地區(qū)之一，位于我國重要的大鱗片晶質(zhì)石墨成礦帶上，即華北陸塊北緣中段石墨成礦帶中部[2]，是河北省石墨礦的重要成礦區(qū)。此外，冀西北地區(qū)是淺覆蓋區(qū)，礦產(chǎn)地多為金屬礦產(chǎn)，石墨礦勘查工作開展較少，對(duì)典型石墨礦床及區(qū)域成礦規(guī)律的研究程度相對(duì)較低，相關(guān)的找礦模型及礦產(chǎn)預(yù)測(cè)資料也較少。近年來，張家口地區(qū)石墨礦資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作取得了較好的找礦效果，提交張北縣義哈德石墨礦和康?？h后大興德石墨礦2處礦產(chǎn)地，晶質(zhì)石墨找礦靶區(qū)6處，為進(jìn)一步總結(jié)冀西北壩上地區(qū)石墨礦成礦規(guī)律及找礦預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)資料。本文通過總結(jié)冀西北壩上地區(qū)石墨礦的成礦特征，分析礦床成因并總結(jié)成礦模式，構(gòu)建找礦模型，為該區(qū)下一步石墨找礦工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)一級(jí)大地構(gòu)造單元為柴達(dá)木—華北板塊，二級(jí)構(gòu)造單元為華北陸塊，三級(jí)構(gòu)造單元為華北陸塊北緣隆起帶[3]。研究區(qū)位于康?！獓鷪?chǎng)區(qū)域斷裂與尚義—赤城區(qū)域斷裂交匯處，古元古界紅旗營子巖群變質(zhì)巖構(gòu)成結(jié)晶基底，蓋層主要為侏羅系陸相火山沉積建造、新近系玄武巖建造及第四系河湖相建造。區(qū)內(nèi)地(巖)層經(jīng)歷了不同構(gòu)造期次的變形改造，褶皺、斷裂較發(fā)育，形成了復(fù)雜的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育古元古代、中元古代、二疊紀(jì)及侏羅紀(jì)侵入巖(圖1)。

研究區(qū)位于華北陸塊北緣中段冀北隆起Pb-Zn-Ag-Mo-螢石-石墨成礦亞帶上[4]。古元古界紅旗營子巖群是石墨礦的含礦層，由下至上進(jìn)一步劃分為太平莊變粒巖夾斜長角閃巖-磁鐵石英巖組合和東井子二長淺粒巖-石墨變粒巖-大理巖組合。前者分布于張北南部、崇禮北部及赤城北部，沿尚義—赤城斷裂北側(cè)分布； 后者沿康?！獓鷪?chǎng)區(qū)域斷裂以南康保中南部分布。

1.第四系； 2.新近系； 3.侏羅系； 4.中元古界化德群； 5.古元古界東井子巖組； 6.古元古界太平莊巖組； 7.侏羅紀(jì)侵入巖； 8.二疊紀(jì)侵入巖； 9.中元古代侵入巖； 10.古元古代侵入巖； 11.向斜； 12.倒轉(zhuǎn)背斜； 13.倒轉(zhuǎn)向斜； 14.斷層、推測(cè)斷層； 15.韌性剪切帶； 16.地質(zhì)界線； 17.石墨含礦帶； 18.石墨礦產(chǎn)地

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

Fig.1Geologicalsketchofthestudyarea

2 成礦特征

2.1 成礦帶

區(qū)內(nèi)石墨礦是由泥質(zhì)巖、碎屑巖和碳酸鹽巖建造經(jīng)角閃巖相區(qū)域變質(zhì)作用后形成的，與變質(zhì)作用伴生的變形作用使含石墨地層褶皺及含礦層重復(fù)出現(xiàn)。后期巖漿活動(dòng)及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成基底出露不連續(xù)，石墨礦主要呈近EW向或NE向帶狀分布在華北陸塊北緣隆起帶南部及北部。

南礦帶分布于尚義—赤城斷裂北側(cè)張北—崇禮—赤城一線，含礦地層為紅旗營子巖群太平莊巖組下部，主要巖石類型為變粒巖、淺粒巖和大理巖，夾片麻巖、角閃巖和石英巖等。通過開展激電中梯面積測(cè)量，在張北縣大柳溝—五福堂一帶發(fā)現(xiàn)1個(gè)呈NE向帶狀展布的大規(guī)模礦化區(qū)，長約6 000 m，平均寬約900 m。經(jīng)鉆探工程驗(yàn)證，提交義哈德大型石墨礦產(chǎn)地1處。該礦產(chǎn)地含礦層厚約150 m。在TC04探槽中共圈出5層礦體，平均品位3.94%； 在ZK401鉆孔中見2層礦體，總厚約61.91 m，平均品位4.70%； 在ZK301鉆孔中見3層礦體，總厚約66.13 m，平均品位5.57%。礦體頂板為蛇紋石化含石墨橄欖大理巖、透輝透閃大理巖和石英巖； 礦體底板為黑云(角閃)斜長變粒巖和角閃黑云斜長變粒巖。礦石類型為變粒巖型晶質(zhì)鱗片狀石墨，由含石墨二長淺粒巖、石墨淺粒巖和石墨變粒巖組成。礦石中石墨片度>100目者占石墨鱗片的65%。

北礦帶分布于康?？h中南部，西段從三百頃、郝車倌向東經(jīng)蘭城子、閆油坊延伸至內(nèi)蒙古伊胡賽和東井子地區(qū)。該礦帶含礦地層為紅旗營子巖群東井子巖組，主要巖石類型為變粒巖和淺粒巖，夾大理巖透鏡體。礦體呈似層狀、透鏡狀，礦石類型為變粒巖型，主要有石墨斜長變粒巖、褐鐵礦化石墨斜長變粒巖、含石墨透輝二長變粒巖和含石墨透輝鉀長變粒巖。受兩面井復(fù)背斜和東井子復(fù)向斜控制，含礦層褶皺重復(fù)出現(xiàn)，又可分為6個(gè)亞帶，由南向北依次為：

(1)哈必嘎—黃花腦包亞帶。分布于板申圖—下白井勿素—黃花腦包一帶，長約20 km，寬約1.5 km，地表被第四系覆蓋。該帶有多個(gè)低阻-高極化激電異常，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，異常多數(shù)由石墨化變質(zhì)巖引起。

(2)三百頃—大蘭城亞帶。分布于三百頃、后大興德、大蘭城一帶，長約9 700 m，平均寬約2 300 m，該帶有多個(gè)低阻-高極化激電異常，地表見石墨二長變粒巖和含石墨黑云二長變粒巖。在三百頃—后大興德一帶發(fā)現(xiàn)5個(gè)石墨礦致異常，單個(gè)異常長1 670～2 280 m。通過探槽及鉆孔對(duì)其中3個(gè)異常進(jìn)行驗(yàn)證，見礦厚度分別為11.32 m、12.07 m和17.50 m，固定碳平均含量為2.87%～3.20%。礦石中石墨片度>100目者占石墨鱗片的68%。

(3)尹家營子—萬隆店亞帶。長約6 000 m，平均寬約660 m，該礦帶東部已發(fā)現(xiàn)萬隆店大型石墨礦1處。礦區(qū)含石墨地層厚50～100 m，共探明2個(gè)礦體，控制長度分別為480 m和960 m，最大延深均為860 m，礦體厚3.01～78.67 m，平均厚度分別為13.17 m和26.84 m，平均品位分別為3.47%和3.64%。礦石中石墨片度>100目者占石墨鱗片的95%。

(4)三義公司村—趙植村亞帶。長約2 500 m，寬1～15 m，帶內(nèi)分布黑云斜長變粒巖、褐鐵礦化含石墨變粒巖和淺粒巖，固定碳含量為2.00%～3.69%。

(5)郝車倌—閆油坊村亞帶。長約5 800 m，寬1～36 m，帶內(nèi)分布角閃黑云斜長變粒巖和褐鐵礦化含石墨變粒巖。該帶發(fā)現(xiàn)2個(gè)石墨礦致異常，經(jīng)探槽揭露，地表見4層褐鐵礦化含石墨變粒巖，單層厚1～4 m，固定碳含量為2.84%～5.0%，最高含量為14.02%。

(6)郭油坊—陳小鋪亞帶。長約6 200 m，其中郭油坊村出露長約2 250 m，寬30～120 m，出露巖性為含石墨淺粒巖，局部為褐鐵礦化變粒巖，目估品位≤1%。在陳小鋪村北發(fā)現(xiàn)1個(gè)低阻-高極化異常，經(jīng)ZK19-2鉆孔驗(yàn)證，石墨含礦層厚約60 m，圈出的2個(gè)石墨礦體厚度分別為5.04 m和17.92 m，平均固定碳含量分別為4.83%和3.61%。礦石為含石墨黑云斜長變粒巖，礦石中石墨片度>100目者占石墨鱗片的75%。

2.2 含礦建造

含礦建造主要有太平莊巖組和東井子巖組。

2.3 變質(zhì)變形及混合巖化

研究區(qū)主期區(qū)域變質(zhì)作用主要發(fā)生于呂梁構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期(古元古代晚期)，變質(zhì)含碳泥質(zhì)砂巖類(含石墨石榴黑云斜長變粒巖)典型礦物組合為斜長石、石英、黑云母、石榴子石、石墨，其中石墨呈鱗片狀，片徑為0.1～0.5 mm。主期區(qū)域變質(zhì)作用溫度為530～680 ℃，壓力為0.3～0.7 GPa[3]，變質(zhì)相為角閃巖相，變質(zhì)帶為十字石變質(zhì)帶，屬中溫-中低溫-中低壓型角閃巖相。

研究區(qū)位于NEE向大型復(fù)式向形褶皺南翼，發(fā)育次級(jí)束帶狀褶皺或褶皺束。褶皺是區(qū)內(nèi)主要控礦構(gòu)造，復(fù)式同斜倒轉(zhuǎn)褶皺造成含礦層重復(fù)出現(xiàn)，含礦帶受褶皺控制。成礦后的斷裂或造成含礦層重疊，礦體加厚，或造成礦層錯(cuò)移，礦體被破壞，如義哈德石墨礦即受逆沖推覆斷層破壞，造成上、下盤礦體拉開距離較遠(yuǎn)，目前找到的僅是上盤礦體。

伴隨呂梁晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該區(qū)發(fā)生了混合巖化作用，以鉀長花崗質(zhì)混合巖化為特征?；旌蠋r化較強(qiáng)地段多位于古元古代晚期變質(zhì)鉀長花崗巖周圍、韌性剪切帶、斷裂帶及其附近，變質(zhì)鉀長花崗巖與斷裂關(guān)系最密切。

2.4 激電異常

研究區(qū)不同巖(礦)石的電性差異較大。含石墨巖石(變粒巖、淺粒巖、大理巖)的視極化率一般≥6%，最高達(dá)23%，視電阻率較低，一般為20～350 Ω·m。紅旗營子巖群不含石墨的變粒巖、淺粒巖、侏羅系火山沉積巖及侵入巖的視極化率一般<2%，視電阻率較高，一般為100～1 500 Ω·m。

區(qū)內(nèi)大部分地段視極化率為1.0%～1.5%，且變化平緩，構(gòu)成該區(qū)背景場(chǎng)。當(dāng)視極化率為2.5%～6.0%時(shí)，指示存在多金屬礦； 當(dāng)視極化率≥6%時(shí)，形成強(qiáng)激電異常，這類異常一般規(guī)模較大，形態(tài)較規(guī)則，異常邊界梯度大，其展布與含石墨地層有關(guān)。在低阻(視電阻率≤350 Ω·m)-高極化(視極化率≥6%)情況下，異常區(qū)往往與含石墨地層關(guān)系密切。

3 成礦模式

通過與黑龍江柳毛，山東南墅，內(nèi)蒙古興和、查汗木胡魯?shù)鹊湫偷V床進(jìn)行對(duì)比[5-10]，發(fā)現(xiàn)在成礦地質(zhì)條件及成礦作用等方面，研究區(qū)石墨礦與上述典型礦床具有相似性(表1)。目前，在華北陸塊北緣中段石墨成礦帶已查明石墨礦床30多個(gè)，通過區(qū)域地層對(duì)比研究[11]，將冀晉蒙接壤地帶石墨礦床的賦存層位、主要成礦期及成礦作用特征列于表2。

區(qū)域變質(zhì)型石墨礦主要由富有機(jī)質(zhì)地層經(jīng)變質(zhì)作用形成[12]，可分為沉積期和變質(zhì)變形期，沉積建造中的有機(jī)質(zhì)含量決定了后期礦石品位的高低。古元古代早期，該區(qū)為一套在陸緣環(huán)境下形成的碎屑巖和碳酸鹽巖組合，在淺海穩(wěn)定的沉積環(huán)境中，泥砂質(zhì)、半黏土質(zhì)、黏土質(zhì)及含有機(jī)碳的泥灰質(zhì)、富鎂碳酸鹽巖形成有序的沉積系列[13]，在成巖過程中有機(jī)質(zhì)發(fā)生分解、遷移，碳質(zhì)相對(duì)富集，出現(xiàn)含碳較高的巖段。古元古代中期，呂梁構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致該地層發(fā)生強(qiáng)烈的變形作用及低角閃巖相區(qū)域變質(zhì)作用，含有機(jī)碳的泥砂質(zhì)沉積巖在高溫高壓環(huán)境下，巖石中的有用組分因變質(zhì)熱液遷移而富集，原巖中大量有機(jī)碳在封閉還原條件下發(fā)生脫氧、脫氫反應(yīng)，通過交代重結(jié)晶作用形成鱗片狀石墨晶體，富含碳質(zhì)的巖層形成石墨礦層。伴隨呂梁晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該區(qū)發(fā)生大規(guī)模中酸性巖漿侵入及混合巖化作用，經(jīng)過重熔和再富集，石墨鱗片增大[6]。研究區(qū)石墨礦區(qū)域成礦模式如圖2所示。

表1 研究區(qū)石墨礦床與典型石墨礦床特征

表2 冀晉蒙接壤地帶石墨礦主要成礦期、成礦作用及典型礦床

1.長城群—青白口群； 2.化德群； 3.紅旗營子巖群； 4.崇禮巖群； 5.石墨； 6.古元古代晚期變質(zhì)巖； 7.尚義—隆化區(qū)域斷裂； 8.康?！獓鷪?chǎng)區(qū)域斷裂； 9.碎屑巖及碳酸鹽巖建造； 10.二云石英片巖； 11.變粒巖、淺粒巖； 12.片麻巖、變粒巖、麻粒巖； 13. 石墨礦化帶； 14.變質(zhì)二長花崗巖； 15.斷裂

圖2 研究區(qū)石墨礦區(qū)域成礦模式

Fig.2Regionalmetallogenicmodelofgraphitedepositsinthestudyarea

4 找礦模型

區(qū)域變質(zhì)型石墨礦床多位于特定的含礦層，空間分布受褶皺控制。因此，首先應(yīng)研究區(qū)域含礦層的分布特征，其次研究區(qū)內(nèi)激電異常特征。大面積激電高異常往往與石墨礦化層對(duì)應(yīng)較好，是尋找石墨隱伏礦體的重要標(biāo)志。激電測(cè)深剖面測(cè)量可大致推測(cè)含礦層的深部延伸情況，對(duì)勘查工程的布設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義。在綜合地質(zhì)、物探資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)研究區(qū)石墨礦找礦模型。

首先開展1∶50 000礦產(chǎn)地質(zhì)建造-構(gòu)造填圖，對(duì)含礦層進(jìn)行初步了解，圈定含礦帶； 其次，在含礦帶上開展1∶25 000激電中梯面積性測(cè)量，圈出重點(diǎn)工作區(qū)； 最后，在重點(diǎn)工作區(qū)開展1∶10 000地質(zhì)填圖及物探異常驗(yàn)證(鉆探、槽探)。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的石墨礦多為隱伏、半隱伏礦體，在礦化異常上開展激電測(cè)深工作，推測(cè)礦化體埋深及產(chǎn)狀，利用勘查工程進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)激電中梯測(cè)量，在義哈德石墨礦圈出激電異常，探槽揭露發(fā)現(xiàn)了石墨礦體。為進(jìn)一步了解異常形態(tài)，在8線布設(shè)6個(gè)測(cè)深點(diǎn)，與激電中梯剖面31點(diǎn)—43點(diǎn)對(duì)應(yīng)。由激電中梯剖面曲線圖(圖3(a))可知，剖面32點(diǎn)—38點(diǎn)之間約360 m范圍內(nèi)，石墨含礦層整體視極化率較高，且向小號(hào)點(diǎn)方向傾斜，異常區(qū)與地表揭露的含礦層套合較好。由對(duì)稱四極測(cè)深視極化率等值線斷面圖(圖3(b))可知，120點(diǎn)—360點(diǎn)與激電中梯剖面32點(diǎn)—38點(diǎn)對(duì)應(yīng)，該區(qū)域分布1個(gè)視極化率整體>10%的高極化異常區(qū)，異常區(qū)向小號(hào)點(diǎn)方向傾斜，異常兩側(cè)視極化率較低，與激電剖面反映的情況基本一致。由對(duì)稱四極測(cè)深視電阻率等值線斷面圖(圖3(c))可知，120點(diǎn)—360點(diǎn)之間有1個(gè)視電阻率整體<50 Ω·m的區(qū)域，表現(xiàn)為低電阻率，與激電中梯剖面曲線圖(圖3(a))的異常區(qū)及對(duì)稱四極測(cè)深視極化率等值線斷面圖(圖3(b))的高極化異常分布區(qū)對(duì)應(yīng)，異常區(qū)向小號(hào)點(diǎn)方向傾斜。為進(jìn)一步驗(yàn)證石墨礦體的深部含礦性，在激電中梯剖面32點(diǎn)附近布設(shè)ZK401鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。由實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面圖(圖3(d))可知，鉆孔內(nèi)石墨含礦層的賦存情況與激電測(cè)深斷面及激電中梯剖面顯示的信息基本一致。按照“三位一體”找礦理論[14]，建立研究區(qū)石墨礦找礦模型(表3)。

(a) 激電中梯剖面曲線圖

(b) 對(duì)稱四極測(cè)深視極化率等值線斷面圖 (c) 對(duì)稱四極測(cè)深視電阻率等值線斷面圖

(d) 實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面

圖3 義哈德石墨礦地質(zhì)-物探綜合剖面

成礦特征項(xiàng) 主要標(biāo)志成礦地質(zhì)體構(gòu)造位置陰山—冀北微陸塊張北—圍場(chǎng)斷塊含礦層形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模含礦層多呈層狀、似層狀、透鏡狀,與地層整合產(chǎn)出,長幾百米至幾千米,厚幾米至150 m成礦時(shí)代古元古代賦礦地層古元古界紅旗營子巖群太平莊巖組和東井子巖組巖石組合變粒巖類、淺粒巖類、大理巖類成礦期次沉積后經(jīng)歷了復(fù)雜強(qiáng)烈的多期次變質(zhì)變形改造,分為沉積期和變質(zhì)變形期巖石地球化學(xué)以SiO2、A12O3、Fe2O3為主,硅、鋁含量高原巖建造及成礦環(huán)境含黏土質(zhì)長石石英砂巖-富黏土質(zhì)長石雜砂巖夾黏土巖和粉砂巖,淺海陸棚盆地成巖物理化學(xué)條件有機(jī)質(zhì)在還原條件下脫氧、脫氫,結(jié)晶成鱗片狀石墨; 沉積期為淺海環(huán)境,變質(zhì)變形期溫度530～680 ℃、壓力0.3～0.7 GPa

(續(xù)表)

5 結(jié)論

(1)冀西北壩上地區(qū)含礦建造形成于陸緣淺海環(huán)境，成礦物質(zhì)來源于沉積地層中的有機(jī)碳。成巖時(shí)代為古元古代早期，變質(zhì)成礦時(shí)代為古元古代中期，后期巖漿侵入及混合巖化作用使石墨鱗片增大。

(2)根據(jù)地質(zhì)和地球物理特征構(gòu)建的石墨礦找礦模型，實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是有無含石墨建造及激電異常，模型其他特征對(duì)找礦也具有一定的指示作用。

(3)冀西北壩上地區(qū)石墨礦多為隱伏、半隱伏礦體，采用地質(zhì)-物探-勘查工程綜合找礦技術(shù)方法組合，找礦效果較好。