唐 韜

TANG Tao

遼寧省第七地質大隊有限責任公司，遼寧 丹東 118000

Liaoning Seventh Geological Brigade Co., Ltd, Dandong 118000, China

0 引言

遼寧省寬甸縣基礎地質工作始于20世紀50年代，長期的基礎地質調查、礦產(chǎn)資源勘查和評價工作，為當?shù)氐刭|資料的豐富奠定了基礎。2010年寬甸縣紅石鎮(zhèn)楊木桿西發(fā)現(xiàn)大房身石墨礦。石墨是一種具有優(yōu)良的導電性、化學穩(wěn)定性和特殊的高溫抗熱性能的非金屬材料[1～2]，因而在密封材料、冶金鑄造以及導電材料和耐火材料等領域備受青睞[3～6]。近年來隨著石墨烯高科技新材料的出現(xiàn)，在眾多非金屬資源中，石墨資源日益受到國內外關注，成為一種新興的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)[7]。本文在對礦區(qū)地層、構造、巖漿巖和變質巖以及礦床特征研究基礎上，掌握石墨礦資源的分布和產(chǎn)出規(guī)律。

研究區(qū)位于寬甸滿族自治縣縣城東南，隸屬遼寧省寬甸滿族自治縣紅石鎮(zhèn)大韭菜村所轄，屬遼東低山丘陵區(qū)，長白山脈東延部分，山高林密，最低100 m。最高標高461.9 m，相對高差361.9 m。大地構造單元屬華北克拉通（Ⅰ）膠遼臺隆（Ⅱ）營口—寬甸臺拱（Ⅲ）東南部，遼吉裂谷東部中央凹陷之上，鴨綠江斷裂帶北西部上盤，虎皮峪—紅石砬子復背斜東端。從區(qū)域成礦條件來看，下元古界遼河群高家峪巖組地層中普遍含墨，石墨礦多在背斜構造的核部或者轉折端富集，礦體似層狀、條帶狀，連續(xù)性一般。石墨多呈顯晶質，片晶大小不等，石墨鱗片狀在各種變～淺粒巖中條帶分布。

1 成礦地質條件

研究區(qū)位于鴨綠江斷裂中部以西，遼東古裂谷內，區(qū)內地層主要為下元古界遼河群，受區(qū)域變質作用及混合巖化作用影響巖性復雜。構造以復式褶皺、斷層為主。巖漿侵入活動一般，脈巖較為發(fā)育。

1.1 地層

研究區(qū)地層出露不全，僅發(fā)育下元古界遼河群里爾峪巖組（Pt1Lhlr）、高家峪巖組（Pt1Lhg）、大石橋巖組（Pt1Lhd）和第四系（Q4）沉積物。高家峪（Pt1Lhg）為主要含礦層，其次為大石橋巖組（Pt1Lhd）。高家峪巖組（Pt1Lhg）出露面積較大、范圍較廣，多呈北西向不規(guī)則條帶狀延伸。該組地層分為上下兩個巖性段。一段出露面積較大，巖性為灰色中細粒石墨透閃透輝變粒巖，夾褐灰色石墨斜長變（淺）粒巖，底部偶有斜長角閃巖，是研究區(qū)內石墨礦的主要產(chǎn)出層位。二段分布面積相對較小，不連續(xù)，僅見于研究區(qū)南部和西北、東北角，走向近東西向，巖性主要為褐灰色石墨變粒巖，石墨變粒巖，分布少量較貧石墨礦體。大石橋巖組（Pt1Lhd）巖性主要為大理巖和斜長角閃巖，具粒狀變晶結構，塊狀構造，大理巖局部含石墨（圖1）。

圖1 大房身研究區(qū)地質圖Fig.1 Geological map of Dafangshen research area

1.2 構造

研究區(qū)發(fā)育2個褶皺、9條斷層。受多期次區(qū)域構造運動影響，褶皺多表現(xiàn)為復式褶皺，斷裂以壓性、張性、壓扭性及剪性為主。區(qū)內石墨礦體多在背斜核部富集。斷裂構造對成礦影響不大，僅個別會對礦體產(chǎn)生一定的破壞。

倒轉背斜以大韭菜溝江水一線為界，東西各發(fā)育一個。西部倒轉背斜，北西西延伸，核部地層為里爾峪巖組一段，傾角70°，翼部地層為里爾峪巖組二段及高家峪巖組，地層傾向褶皺軸面；東部倒轉背斜，北西向延伸。核部為條痕狀花崗巖（γ21），兩翼為里爾峪巖組和高家峪巖組地層。地層傾向褶皺軸面，北翼地層傾角陡，南翼傾角較緩。

斷裂構造，以張扭和壓扭性為主，走向北東向和北西向，多與褶皺軸方向相切，部分與褶皺核部構造應力方向一致。

1.3 變質作用及巖漿巖

研究區(qū)區(qū)域變質作用、混合巖化作用較為強烈，以鐵鋁榴石角閃巖相中的十字石—藍晶石亞相為主。主要發(fā)育遼河群變質巖。巖漿巖發(fā)育程度一般，主要為早元古代混合花崗巖，次為各種侵入脈巖。脈巖主要有石英脈、花崗偉晶巖脈、閃長巖脈、閃長玢巖脈和正長斑巖脈。

2 礦體產(chǎn)出特征

根據(jù)野外地質調查，大房身石墨礦自西向東共發(fā)育13個礦體，走向以北西向為主，個別為北東向，規(guī)模大小、含礦巖性等均不相同（圖2、表1），

圖2 大房身石墨礦地質簡圖Fig.2 Geological sketch of Dafangshen graphite mine

表1 礦體特征簡表Table 1 Brief description of orebody characteristics

表1（續(xù)）

以規(guī)模最大的D8號礦體為重點，通過槽探工程對礦體進行揭露，查明其淺部礦體形態(tài)、產(chǎn)狀及礦石質量，并通過鉆探工程達到對其深部控制的目的[8]。

2.1 槽探工程

為對D8號礦體開展地質評價，根據(jù)勘探線在垂直于礦體走向上布設5個槽探工程對礦體地表部分進行控制。探槽間距100～200 m，均穿透礦體（圖3）。

圖3 大房身石墨礦段探槽圖Fig.3 Exploration groove diagram of graphite ore section in large house

由上圖可知，D8號礦體礦體賦存于下元古界遼河群高家峪巖組一段石墨透閃透輝變粒巖、石墨微斜變粒巖和斜長角山巖中。礦體呈單斜形式產(chǎn)出，邊界較規(guī)則，整體呈層狀、似層狀。走向北西300°～320°，傾向北東，傾角35°～45°之間。礦體延長近540 m，平均真厚度47.18 m。含碳量大于2%的石墨礦，厚度約為29 m；含碳量在1%～2%的石墨礦，厚度約為12 m。未見較明顯斷裂構造切穿和破壞礦體。礦體中有時見細小花崗偉晶巖和閃長玢巖等脈巖穿插，但脈巖發(fā)育不普遍，規(guī)模較小，對礦體影響輕微。

2.2 鉆探工程

在地表槽探的基礎上，為對D8號礦體深部進行控制，查明礦體形態(tài)、規(guī)模、空間位置、分布規(guī)律及相互關系等[9～10]，沿勘探線布設6個鉆孔，鉆孔深度在216.12～286.23 m間，控制礦體最大延深約240 m。其中ZK6孔深度251.71 m，礦體埋深0～50.6 m，傾向30°～50°，傾角35°～45°，產(chǎn)于下元古界遼河群高家峪巖組一段變粒巖、透閃變粒巖、黑云透閃變粒巖中。礦體中間不連續(xù)，上層厚度約40.8 m，下層約為3.8 m。中間夾5.8 m淺粒巖。

3 大房身石墨礦特征

研究區(qū)出露13個石墨礦體（圖2），其中D8號礦體估算（332+333）類石墨礦石量、品位和礦物含量最高，因此筆者對礦區(qū)石墨礦產(chǎn)出特征，尤其是D8號礦體產(chǎn)出特征進行了詳細研究，以查明礦區(qū)石墨礦體的賦存狀態(tài)、礦石質量特征、（332+333）類石墨礦資源量。

3.1 礦體特征

D8號礦體位于礦區(qū)東南側，根據(jù)槽探、鉆探工程可知，礦體延長近540 m，最大延深約240 m。礦體傾向北東，傾角35°～45°，呈層狀、似層狀。真厚度17.57～101.77 m，平均真厚度47.18 m，厚度變化系數(shù)36.47%，礦體賦存標高152～32 m，埋深0～192 m。其余礦體特征詳見表2。

表2 石墨礦體特征表Table 2 Characteristics of graphite orebody

為確定礦體固定碳含量，探槽工程中于0～56.7 m之間，采取樣品進行化驗，D8號礦體固定碳含量0.53%～5.51%，平均品位固定碳2.75%。鉆探于0～214.95 m之間，取樣化驗，礦體固定碳（C）含量2.76%～3.52%，平均品位固定碳3.11%，品位變化系數(shù)12.11%，屬穩(wěn)定類型。

圖4 鉆孔Fig.4 Borehole

3.2 礦石特征

為查清礦石物質組成、化學成分、查明礦物組成礦石結構構造。于大房身石墨礦區(qū)采取石墨礦實驗樣，探槽TC～1取樣50 kg，鉆孔ZK～6取樣50 kg，頂、底板圍巖中取樣5 kg，將礦石與適量圍巖混合后，將樣品送交試驗單位。

根據(jù)野外觀測的礦石物理特征并結合鏡下光片中結構構造，大房身石墨礦礦石巖性主要為黑云變粒巖、透閃變粒巖。礦石自然類型為石墨變粒巖型。礦石工業(yè)類型為晶質（鱗片狀）石墨礦石。

礦石礦物主要為石墨，呈他形晶，片狀及鱗片狀變晶結構，部分呈葉片狀結構或呈彎曲葉片狀，少量呈不規(guī)則脈狀，具極顯著的雙反射和極強的非均質性，反射率低，硬度低的特點。石墨多易于在背斜構造的核部或者轉折端富集，富集后的石墨礦體似層狀，實際多為條帶狀，連續(xù)性一般。

礦石以片狀、粒狀變晶結構為主，其次為短柱狀粒狀變晶結構；構造主要為塊狀構造、片狀構造、片麻狀構造，有時見條帶狀構造、星點狀構造。

脈石礦物有透輝石、透閃石、納長石、白云母、黑云母、斜長石、鉀長石、碳酸鹽、石英及少量的針鐵礦、黃鐵礦等。

圍巖與夾石巖性與礦體相近，僅以石墨含量與其區(qū)分，夾石主要巖性為淺粒巖、透閃淺粒巖。

根據(jù)表3可知，石墨礦石中SiO2含量最高，Al2O3值大于10%，表明礦石可能具有高硅鋁的特點，K2O/Na2O比值為1.98，其值較低，表明樣品受淋濾作用較小[11]。

表3 石墨礦礦石主要化學成分表Table 3 Main chemical composition of graphite ore

3.3 石墨礦石資源特征

為查明石墨礦石工業(yè)利用性能，對送交的實驗樣品進行選礦試驗。

天然石墨雜質較多，很難直接利用，為滿足工業(yè)需求，需要對石墨進行分選提純，目前提純方法分為三種，分別為：1.浮選法[12～13]、2.化學法[14～15]、3.高溫法[16]。

根據(jù)石墨礦層狀、片狀結構，疏水性好與油性物質結合密切特點，采用浮選法進行試驗[17]。

石墨礦石經(jīng)一次粗磨兩次粗選、一次掃選、粗精礦、次精選后經(jīng)兩次再磨再選，共計五次精選的選別流程，固定碳含量為3.17%的原礦經(jīng)過該流程后可獲得95.08%的石墨精礦（精礦物質成分表詳見表4），并查明了石墨精礦+100目比例為55.9%（詳見表5）。

表4 石墨精礦物質成分表Table 4 Composition of graphite refined minerals

表5 石墨精礦全篩析結果表Table 5 Results of full sieve analysis of graphite concentrate

根據(jù)表4、表5可知原礦C固品位3.17%，精礦產(chǎn)率3.02%，精礦品位97.84%，回收率為90.52%，表明該地區(qū)礦石為較易選石墨礦石。根據(jù)對所采集的104件石墨礦光片樣品進行測試結果可知（石墨礦石薄片照片見圖5），區(qū)內石墨礦石中95%以上為晶質石墨。其中片徑大于100目（0.147 mm）者比例為90.8%。

圖5 石墨礦石薄片照片F(xiàn)ig.5 Photo of graphite ore slice

為查明石墨礦資源儲量，采用地質塊段法[18～19]，即對礦體在勘查網(wǎng)度內劃分塊段進行控制。具體為當?shù)V體傾角大于45°時，選用垂直縱投影法估算資源儲量；當?shù)V體傾角小于45°時，選用水平投影法估算資源儲量。首先進行礦體單工程加權品位計算，以D8號礦體為例對槽探和鉆探工程中采取的樣品進行計算（詳見表6）。

表6 槽礦體單工程、鉆孔中礦體加權平均品位計算表Table 6 Calculation table of weighted average grade of ore body in single project and borehole of slot ore body

根據(jù)上表可知，槽探工程中加權平均品位范圍為3.20%～3.49%之間，鉆探工程中加權平均品位范圍為2.76%～3.15%之間，品位較高。

為進一步查明礦體的品位，于礦體中進行塊段采樣（詳見表7）。

表7 大房身礦段礦體塊段加權平均品位計算表Table 7 Calculation table of weighted average grade of ore body block in dafangshen ore section

根據(jù)表7可知，D8號礦體中共計采樣13個，塊段加權品位范圍為2.97%～3.22%，其余礦體共采取6個塊段，得出塊段加權品位范圍在2.05%～2.85%之間。通過計算得知，大房身石墨礦固定碳平均品位為2.95%，其中D8號礦體固定碳平均品位為3.11%。

為查明大房身石墨礦石量332類資源量，即控制資源量，沿礦體走向和傾向有深部工程控制，工程間距為200×100 m，所圈閉三維空間的礦體部分，估算為控制的內蘊經(jīng)濟的資源量。D8號礦體礦石量為2 896.27 kt[20]。

控制的332類型資源量沿走向、傾向外推的礦體平推1/4或平推1/2的外推點與工程所圈定的礦體為推斷的內蘊經(jīng)濟的資源量[21]即333類資源量，D8號礦體礦石量為5 896.85 kt（詳見表8）。其余礦體，礦石量為3 211.21 kt，礦物量為80.87 kt。大房身石墨礦共估算石墨礦石量（332+333）為12 004.33 kt，固定碳含量353.88 kt。

表8 石墨礦資源儲量估算表Table 8 Estimation of reserves of graphite ore resources

除D8號礦體，對D1、D3、D4、D9號礦體進行了資源儲量估算。礦體傾向北東，傾角在31°～51°之間，礦體延長150～320 m，平均厚度8.8 m，巖性以含墨黑云變粒巖和含墨透閃變粒巖為主。

4 礦床成因分析

4.1 石墨物質成份來源

大房身石墨礦主要賦存于遼河群高家峪巖組一段黑云變粒巖、透閃變粒巖中，高家峪組屬于遼東裂谷中冒地槽相，原巖建造主要為夾碳酸鹽巖富含碳質的粘土巖建造，局部含有少量火山巖，厚度比較穩(wěn)定。分布于黑云變粒巖、透閃變粒巖的層狀石墨礦，石墨含量較高。在陸源碎屑的搬運沉積環(huán)境中，大量生物體在適宜的水體淺海環(huán)境下，大量繁殖，為石墨形成提供豐富的原始物質[1]。

4.2 石墨礦主要成因

大房身變質巖發(fā)育于高家峪組，因為原巖建造相同，導致巖相變化較小。類型及組合較為簡單，主要為，含墨黑云斜長片麻巖、石墨黑云變粒巖、石墨透閃巖、石墨透閃變粒巖夾斜長角閃巖、淺粒巖。濁積巖系以富含石墨為其主要特征。

在經(jīng)歷呂梁運動和區(qū)域動力熱變質作用后，高家峪組形成了一套綠片巖相—角閃巖相的變質雜巖，巖石中礦物共生組合為，十字石、黑云母、斜長石、石英；方解石、金云母、透閃石、透輝石，顯示其為低角閃巖相。

高家峪組中賦存大量有機物質，在區(qū)域變質作用下，部分有機質在還原環(huán)境下逐漸結晶成石墨晶體，當變質作用達到角閃巖相時，在還原環(huán)境下，大量的二氧化碳析出游離碳并與有機碳結合，形成鱗片狀石墨。

5 結論

（1）大房身石墨礦主要賦存于下元古界高家峪組一段，礦體呈單斜形式產(chǎn)出，整體呈層狀或似層狀產(chǎn)出。礦體邊界較規(guī)則，斷裂構未破壞礦體，脈巖發(fā)育不普遍，對礦體影響輕微。

（2）礦石類型以透閃變粒巖和黑云變粒巖為主，礦體中夾石發(fā)育程度一般。

（3）石墨礦段主礦體厚度變化較穩(wěn)定，真厚度17.57～101.77 m，平均真厚度47.18 m，厚度變化系數(shù)36.47%，石墨礦體富集于背斜的核部或轉折端，為條帶狀，連續(xù)性一般。

（4）區(qū)域變質作用是大房身石墨礦的主要成礦作用，還原環(huán)境下，游離碳與有機碳結合，形成鱗片狀石墨。