高 曉, 馮紹平, 楊光忠, 常嘉毅, 王小濤, 李 利, 毛 寧

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽(yáng) 471023；3.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023)

河南省石墨礦產(chǎn)資源豐富，主要為晶質(zhì)石墨礦，資源儲(chǔ)量居全國(guó)第六位。羅銘玖等[1]利用礦床成礦系列的觀點(diǎn)，將河南省石墨礦床劃分為兩個(gè)石墨成礦帶：華北板塊南緣靈寶—魯山—舞陽(yáng)石墨成礦帶及北秦嶺朱陽(yáng)關(guān)—柳泉鋪石墨成礦帶。小秦嶺泉家峪石墨礦床位于靈寶—魯山—舞陽(yáng)石墨成礦帶內(nèi)，累計(jì)查明資源儲(chǔ)量已達(dá)中型規(guī)模，該成礦帶是我國(guó)重要的石墨成礦帶之一，分布著泉家峪、欒川平良河、魯山背孜等大中型石墨礦床，主要賦存于新太古界太華群的中、深變質(zhì)巖系中，受區(qū)域變質(zhì)作用影響較大。本文對(duì)泉家峪石墨礦進(jìn)行礦床地質(zhì)特征及成因研究，可有效地指導(dǎo)小秦嶺地區(qū)石墨礦床深部找礦工作。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)特征

小秦嶺地處秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶的北亞帶，西北為祁呂—賀蘭山字形構(gòu)造，東北為新華夏系太行山隆折帶，北為山西多字型構(gòu)造，南為秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶的南亞帶。據(jù)河南地質(zhì)研究所劃分，本區(qū)屬中朝地臺(tái)華熊沉降帶崤山—魯山拱斷束華山臺(tái)穹。區(qū)內(nèi)主要分布了一套太古代變質(zhì)巖系，遭受不同程度的混合巖化。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，南部的大月坪—老鴉岔背斜、中間的西陰(或稱七樹坪)向斜，北部的五里村背斜構(gòu)成褶皺構(gòu)造的全貌。泉家峪石墨礦處于五里村背斜西傾伏端(圖1)。斷裂構(gòu)造主要為區(qū)域南北兩大斷裂，南部大斷裂表現(xiàn)為壓扭性，北部大斷裂為華山斷裂的東延部分，經(jīng)歷了先壓后張的復(fù)雜轉(zhuǎn)變過程。兩大斷裂總的反映了長(zhǎng)期多次活動(dòng)的特征，對(duì)區(qū)域地質(zhì)具控制作用。泉家峪石墨礦處于北部大斷裂附近，對(duì)礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育影響頗大。

區(qū)域內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，主要為酸性花崗巖侵入，多呈巖株?duì)?。古元古代桂家峪片麻狀黑云角閃花崗巖巖體 (γ21)，中元古代小河正長(zhǎng)花崗巖、黑云母花崗巖巖體(γ22)，中生代閔峪黑云母花崗巖巖體(γ53)，緊鄰泉家峪石墨礦床。脈巖以中基性輝綠巖最發(fā)育，其他有花崗巖、細(xì)晶巖、堿性正長(zhǎng)斑巖等。區(qū)內(nèi)混合巖廣泛分布，可分成條帶狀混合巖、混合片麻巖、均質(zhì)混合巖三個(gè)帶。泉家峪石墨礦床屬混合片麻巖帶。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)內(nèi)除新生界第四系外，主要出露新太古界太華群的地層。

(1)閆家峪組(Ar3l)：巖性主要為角閃混合片麻巖，僅在礦區(qū)東南角有少量分布。區(qū)域厚度1 705m，與上覆地層接觸關(guān)系不清。

(2)觀音堂組(Ar3g)：為礦區(qū)主要賦礦地層，石墨含礦層位，以石英巖為標(biāo)志與上下地層分界，按巖性可劃分為11層。巖性為石英巖、黑云透輝混合片麻巖、斜長(zhǎng)透輝巖、石墨混合片麻巖、角閃黑云混合片麻巖，局部夾透輝大理巖。分布在大月坪—老鴉岔背斜兩翼和七樹坪向斜軸部，區(qū)域厚度200～650m，與上覆地層整合接觸。

(3)洞溝組(Ar3d)：巖性為角閃石花崗質(zhì)混合片麻巖夾角閃石片巖，主要分布于礦區(qū)西部。區(qū)域厚度2 135～4 243m，與上覆地層接觸關(guān)系不清。

2.2 構(gòu)造

受區(qū)域構(gòu)造多期活動(dòng)的影響形成了較為復(fù)雜的構(gòu)造面貌?？傮w來看，首先在強(qiáng)大的近東西向擠壓力的作用下，形成了礦區(qū)的褶皺構(gòu)造，奠定了礦區(qū)巖石構(gòu)造線方向，并形成了與褶皺軸向一致的斷裂構(gòu)造F4，組成了礦區(qū)基本構(gòu)造輪廓；之后在近南北向作用力影響下，又發(fā)育形成了F5近南北向張性斷裂及北西西向F3壓性斷裂，其中F3切斷區(qū)內(nèi)主要礦體，F(xiàn)5控制礦體邊界。

(1)褶皺構(gòu)造。

礦區(qū)總體褶皺構(gòu)造為—傾伏背斜，傾伏端位于礦區(qū)西北部，被北部斷裂切割，背斜軸向140～320°，背斜受斷裂構(gòu)造破壞，僅保留大致輪部。

(2)斷裂構(gòu)造。

北部發(fā)育有邊緣大斷裂F1及F2，斷裂面北傾，為多期活動(dòng)斷裂，礦區(qū)可見寬達(dá)百余米的碎裂巖帶，擦痕也清晰可見。據(jù)區(qū)域資料，該斷裂斷距超過5 000m，可能經(jīng)歷了先壓后張的力學(xué)轉(zhuǎn)變過程。F2為其派生次一級(jí)斷裂構(gòu)造。

礦區(qū)中部斜切背斜軸發(fā)育有北西西向壓性斷裂F3，區(qū)內(nèi)延長(zhǎng)1 450m，切斷F4和F5，沿?cái)鄬涌梢姅?shù)米寬的糜棱片巖及碎裂混合偉晶巖帶，斷層傾向約200°，傾角70～80°。斷盤南升北降，屬壓性斷裂，切斷了礦區(qū)主要礦體。

在背斜西翼大致平行背斜軸向發(fā)育有壓性斷裂F4，延長(zhǎng)850m，傾向東北，傾角80°左右，從礦體中通過，可見十余米寬的糜棱巖帶，斷層擦光面十分發(fā)育，東盤上升為—壓性斷層。

礦區(qū)東部F5張性斷裂帶北北東向縱貫礦區(qū)，區(qū)內(nèi)延長(zhǎng)1 000m，近南北向，為—張性斷裂帶，斷裂破碎帶較寬，多數(shù)蛭石透輝巖化，局部發(fā)育寬大的方解石脈。斷面傾向北西，近于直立。該斷層控制了礦體東部邊界。

3 礦體地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

礦區(qū)有兩個(gè)含礦層位，位于觀音堂組(Ar3g)的上部和下部。含礦層巖性為石墨混合片麻巖夾斜長(zhǎng)透輝巖、透輝大理巖。局部出現(xiàn)透輝混合巖。礦體形態(tài)有似層狀、透鏡狀和楔形狀。

下部礦層厚度20～46m。主要分布在F4斷層以東地段，礦體分布在含礦層上部，厚度3～11m，含有2～3個(gè)較穩(wěn)定的斜長(zhǎng)透輝巖夾層，夾層厚度1～2m。

上部礦層背斜西翼含礦層厚度60～90m，產(chǎn)出礦區(qū)主要礦體，即I、Ⅱ號(hào)礦體。礦體呈似層狀產(chǎn)出，含礦層頂部為I號(hào)礦體，厚度7～33m，傾角40～70°，平均60°，延長(zhǎng)660m，延深80～250m，品位4.23%；底部為Ⅱ號(hào)礦體，厚度6～33m，傾角40～74°，延長(zhǎng)660m，延深42～200m，品位4.09%。I、Ⅱ號(hào)礦體之間為斜長(zhǎng)透輝巖、透輝大理巖夾層，夾層厚度10～30m，夾層中產(chǎn)有透鏡狀小礦體；背斜東翼含礦層變薄為40～70m，產(chǎn)出礦體規(guī)模較小。

3.2 礦石特征

礦石工業(yè)類型屬晶質(zhì)鱗片狀石墨礦，自然類型屬石墨片麻巖型，主要有石墨混合片麻巖和石墨透輝混合巖。礦石構(gòu)造主要有條帶狀構(gòu)造(圖2a)、片麻狀構(gòu)造(圖2b、c)；礦石結(jié)構(gòu)主要有鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)(圖2e、f)、混合交代結(jié)構(gòu)(條紋結(jié)構(gòu))(圖2d)及交代殘留結(jié)構(gòu)等。礦石礦物為石墨，脈石礦物有透輝石、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、黑云母等，微量含鐵礦物。石墨呈聚晶、連晶產(chǎn)出，片徑最大0.38mm×1.725mm，一般 0.12mm×0.42mm。

3.3 礦石化學(xué)成分

圖2 泉家峪石墨礦石手標(biāo)本及鏡下顯微照片

小秦嶺泉家峪石墨礦床變質(zhì)巖系的主量元素組成及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。從表1中可以看出，樣品中 SiO256.63%～ 62.88%，平均59.26%；Al2O312.43% ～ 17.54%， 平 均 13.91%；K2O 2.02% ～8.77%，平均 4.51%；Na2O 2.56% ～ 5.84%，平均3.72%；TiO20.37% ～ 0.95%，平均 0.63%；Fe2O31.90%～2.92%，平均2.37%；MgO 2.57%～4.66%，平均 3.59%；CaO 2.52% ～ 7.98%，平均 4.73%。由此可以得出，Al2O3和燒失量(LOI)數(shù)值較大，表明該礦區(qū)變質(zhì)巖具有沉積巖的特點(diǎn)。

根據(jù)泉家峪石墨礦所取樣品的 Harker 圖解(圖3)可以看出，隨著 SiO2含量的不斷增加，Al2O3、CaO、Fe2O3、Na2O、MgO、TiO2和 P2O5的含量逐漸減少，具有明顯的負(fù)相關(guān)性；K2O含量隨 SiO2含量的增加而增加，呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，這反映了泉家峪礦變質(zhì)巖系的巖石化學(xué)成分的演化特點(diǎn)。

4 礦床成因討論

4.1 礦石含礦建造

本區(qū)的石墨賦存在太華群觀音堂組以片麻巖為主的變質(zhì)巖系中，主要含礦巖性為石墨混合片麻巖、斜長(zhǎng)透輝巖、透輝大理巖等。礦層的頂?shù)装鍨榈湫偷某练e變質(zhì)巖——大理巖、石英巖礦體為層狀、似層狀和透鏡狀，具明顯的層理和韻律特點(diǎn)。片麻巖系與大理巖系呈頻繁夾雜或交互出現(xiàn)，反映出當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境振蕩作用比較頻繁。石墨呈顯微鱗片—鱗片狀分布于脈石礦物顆粒間，沿片麻理出現(xiàn)，可見石墨集聚成的條帶或條紋，說明石墨礦質(zhì)與地層巖石同時(shí)沉積。礦石中重砂礦物多呈渾圓狀，半渾圓狀，磨蝕現(xiàn)象明顯。泉家峪石墨礦床含礦地層為一套典型的變質(zhì)沉積巖組合含礦建造。

表1 泉家峪石墨礦床礦石化學(xué)成分

4.2 礦石的原巖恢復(fù)

對(duì)礦石的主量元素進(jìn)行尼格里值計(jì)算，在(al+fm)-(c+alk)-Si 圖解(圖4)中，樣品落在鈣質(zhì)沉積巖和火山巖區(qū)域中。

圖3 泉家峪石墨礦變質(zhì)巖系Harker圖解

圖 4 (al+fm)-(c+alk)—Si圖解

在(al-alk)-c圖解中(圖5)，樣品落入長(zhǎng)石質(zhì)粘土和雜砂巖混合物區(qū)域內(nèi)，表明變質(zhì)巖系原巖很可能為長(zhǎng)英質(zhì)沉積巖。依據(jù) Girty等[3]的研究理論，若Al2O3/TiO2比值＜14，說明物源來自于鎂鐵質(zhì)巖石的沉積物；19＜Al2O3/TiO2比值＜28，則說明物源來自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石的沉積物。泉家峪石墨礦床所取巖石樣品中Al2O3/TiO2比值介于14.45～ 35.97，均值 24.20，說明樣品物源偏向來源于長(zhǎng)英質(zhì)巖石的沉積物。

圖5 (al-alk)-c圖解

綜合上述，可以推斷出泉家峪變質(zhì)巖系原巖為鈣質(zhì)、長(zhǎng)英質(zhì)沉積巖，并夾有中基性火山凝灰?guī)r。

4.3 成礦物質(zhì)來源

目前石墨成礦物質(zhì)的來源主要存在兩種情況：有機(jī)碳來源和無機(jī)碳來源[4]。田煦等[5]對(duì)泉家峪石墨礦床中碳同位素進(jìn)行了測(cè)試，δ13C值為-26.5‰～-28.7‰(表2)。與現(xiàn)代有機(jī)質(zhì)、現(xiàn)代動(dòng)植物、瀝青、煤、各地石灰?guī)r等δ13C值[12]對(duì)比，發(fā)現(xiàn)泉家峪石墨礦石δ13C 值變化范圍與有機(jī)碳的δ13C值極為相似，與地幔脫氣深部流體(δ13C約為5×10-3)和無機(jī)碳的δ13C值((0.5±2.5)×10-3)相差較大。綜上所述，泉家峪石墨礦的碳物質(zhì)來源主要為沉積地層中的有機(jī)碳。

表2 泉家峪石墨礦石與其他地區(qū)碳穩(wěn)定同位素對(duì)比表[5-11]

4.4 礦床成因分析

石墨礦床根據(jù)成因可分為區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型和巖漿熱液型3種類型[13]。其中，以區(qū)域變質(zhì)型最重要，其主要與區(qū)域變質(zhì)作用密切相關(guān)，分布在古老地臺(tái)周緣的元古代地層中，分布廣、規(guī)模大。

泉家峪石墨礦床含礦巖石的原巖為一套泥質(zhì)、鈣質(zhì)，并伴有火山凝灰?guī)r沉積建造，在區(qū)域變質(zhì)條件下，形成主要的礦化巖石。成礦物質(zhì)主要來源于有機(jī)碳，含碳地層在區(qū)域變質(zhì)過程中，在溫度、壓力、變質(zhì)溶液的作用下，使原有機(jī)碳逐漸變化形成石墨，并經(jīng)過遷移、重結(jié)晶、富集形成現(xiàn)今的晶質(zhì)石墨礦床。泉家峪石墨礦床的成因?yàn)閰^(qū)域沉積變質(zhì)型石墨礦床。

5 結(jié)論

(1)小秦嶺泉家峪石墨礦床含礦層位為新太古界太華群觀音堂組，為一套典型的變質(zhì)沉積巖組合含礦建造，在區(qū)域上具有穩(wěn)定性。

(2)通過研究相關(guān)地球化學(xué)圖解，推斷泉家峪變質(zhì)巖系原巖為鈣質(zhì)、長(zhǎng)英質(zhì)沉積巖，并夾有中基性火山凝灰?guī)r。

(3)根據(jù)石墨礦石碳同位素樣δ13C值的測(cè)試結(jié)果，并與其他有機(jī)碳成因的石墨礦床及有機(jī)物質(zhì)等碳同位素組成進(jìn)行類比分析，得出小秦嶺泉家峪石墨礦床碳的成礦物質(zhì)主要來源于有機(jī)碳。

(4)綜合研究認(rèn)為，小秦嶺泉家峪石墨礦床為沉積變質(zhì)型石墨礦床。