湖北黄陵断穹核北部石墨矿形成机制探讨

刘云勇,姚敬敂

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

湖北黄陵断穹核北部石墨矿形成机制探讨

刘云勇,姚敬敂

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

黄陵断穹核北部的石墨矿炭质来源于微体生物(藻类)。微体生物在古元古代陆间海陆缘潮坪相和泻湖相中富集、埋藏,在还原环境下沥青化。经区域热动力变质作用,在高角闪岩相温压条件下(P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃),有机碳转化为(鳞片状)晶质石墨。后期岩浆活动、混合岩化作用对石墨成矿有利,构造作用与石墨矿化的关系有待进一步研究。

黄陵断穹;石墨;成矿机制

黄陵断穹核北部是中国鳞片状晶质石墨矿的重要产区,并以品位高、石墨片度大、可选性好而闻名。已探明的大中型石墨矿床有三岔垭、二郎庙、谭家河、东冲河等,全区资源前景可观。对本区石墨矿的地质特征已有田成胜(2011)、邱凤(2015)、廖宗明(2016)等的论述[1-4],阐明了石墨矿的赋矿层位、矿体特征和矿石的物质组成,并对成因进行了初步分析。本文根据该区中太古代—古元古代的地质演化历史,利用岩石、矿物和地球化学的方法,恢复各类变质岩的原岩,重建孔兹岩系的沉积剖面,还原黄凉河期的岩相古地理,探索石墨矿的炭质来源和富集机制,并根据碳元素的地球化学性质,分析由有机碳转化为晶质石墨的区域变质过程和相应的区域变质温压条件,最后探讨岩浆作用、混合岩化和构造活动对石墨矿的影响。

1 地质概况

黄陵断穹为上扬子台坪鄂中褶断区的次级构造单元,周缘被断裂围割,呈椭圆形穹隆型式。断穹核部出露中太古代—新元古代各类表壳岩和变质深成侵入岩,石墨矿分布在核北部古元古代黄凉河岩组中(Pt1h)。黄凉河岩组由含石墨、石榴石、矽线石的片岩、片麻岩及大理岩和钙硅质岩组成,为一套较为典型的孔兹岩系。石墨矿呈层状、似层状、透镜状产于黄凉河岩组的下部、中部的石墨片岩和含石墨云母斜长片麻岩中,前者构成富矿体,后者则为贫矿体。

2 炭质来源及炭质富集

2.1 炭质来源

有以下证据说明本区石墨的炭质来源于生物碳,即微古植物:

(1) 本区1987年1∶5万区域地质调查,在石墨矿层中见到微古植物残留。

(2) 在黄凉河、王家台等地的黄凉河岩组白云石大理岩、石墨二云母片岩中发现微古植物化石:Leiominusulaaff.MinutaNaum(光面小球藻),Leiopsophosphaerasp.,Protoleiosphaeridiumsolidum,Trematosphaeridiumsp.,Polyporataobsoleta等。化石个体微小,大部分直径在20 μm以下。

(3) 据煤田地质学研究(弗·伊·斯米尔诺夫,1982)[5],浮游藻类等低等微古植物,主要是由蛋白质和脂肪组成,含有少量纤维素,聚集在盆地底部形成腐泥质沉积物,与泥质岩、粉砂质泥岩共生。这与本区石墨矿原岩的岩石组合一致。

(4) 国内产于孔兹岩系中的同类型石墨矿碳同位素测定结果表明[6],δ13C呈塔式分布,集中在-20‰～-24‰之间,平均-21.6‰,与世界各地不同时代有机质的δ13C平均值(-26‰)相近。而大理岩中方解石的δ13C值,介于0.97‰～4.33‰,与石墨碳绝然不同。

2.2 炭质富集

2.2.1 含矿岩系的原岩恢复和沉积相的建立

根据黄凉河岩组的空间展布、地质产状、岩石矿物组成、结构构造特征及地球化学标志,恢复原岩为一套泥质岩、碎屑岩及碳酸盐岩组合。石墨矿石化学成分指数投影落入西蒙南图解中泥质沉积物和砂泥质沉积物区域(图1、表1)。将三岔垭石墨矿的含矿岩系剖面逐层恢复原岩,即可建立石墨矿形成时的沉积相柱(图2)。

2.2.2 黄凉河期岩相古地理

(1) 原始古陆出现。本区发现最古老的变质岩为野马洞岩组(Ar2y),成岩年龄为3 051 Ma。野马洞岩组的原岩为一套双峰式系列火山活动形成的拉斑玄武岩和英安岩,代表本区原始地壳开始形成。野马洞岩组呈残片状、包体群状分布于东冲河片麻岩和晒甲冲片麻岩中。东冲河片麻岩测得的年龄值为2 900—3 200 Ma,其原岩为侵入岩,侵入野马洞岩组。根据东冲河片麻岩的岩石类型、矿物组成和化学成分、微量元素、同位素特征,恢复其原岩为英云闪长岩、花岗闪长岩和奥长花岗岩,属典型的TTG岩套。晒甲冲片麻岩原岩为二长花岗岩。世界上大多数学者认为,TTG岩套的出现,标志着原始低密度陆壳的形成,新生陆壳直接漂浮在地幔之上,构成了太古宙基底的主体。本区野马洞岩组、东冲河片麻杂岩和晒甲冲片麻岩共同构成了太古代原始陆块,在隆起区形成古陆。

图1 石墨矿化学成分(al+fm)-(C+alk)-Si图解Fig.1 Graphite mineral composition(al + fm) -(C+alk)-Si diagram1.石榴石矽线石片岩;2.斜长角闪岩;3.大理岩、钙硅质岩;4.角闪斜长片麻岩;5.石墨片岩、含石墨片麻岩。

表 1 三岔垭石墨矿石化学成分(%)Table 1 Chemical composition of graphite ore in Sanchaya mine(%)

(2) 原始海洋出现。古元古代黄凉河期,原始海洋出现。本区呈现这样的古地理格局:由太古代基底构成的古陆和陆间凹陷形成的陆间海,相间分布。在陆间海中发育了黄凉河岩组孔兹岩系,其原岩为碎屑岩、含碳泥质岩及白云岩。黄凉河岩组岩层原始产状平行古陆岸线,表明其围绕古陆边缘沉积。

(3) 沉积相的分布。通过对三岔垭、二郎庙、谭家河、东冲河等黄凉河岩组的原岩恢复和沉积相柱的建立,可大致勾划出花果树—老林沟陆间海沉积相的分布(图3)。

花果树—老林沟陆间海位于东野古陆与大坦古陆之间。由古陆至陆间海中央,依次分布潮坪(泻湖)相、滨外浅海相和中央深水海槽相。中央海槽推断为一裂谷,该裂谷至中元古代进一步发展,沟通地幔,引起中基性火山岩喷发,形成力耳坪岩组(Pt2l)火山碎屑岩建造。

斯米尔诺夫认为“腐泥质聚集在开阔水盆地(湖)、植物丛生的湖、海湾、海的泻湖中”。本区石墨矿主要分布在潮上泥坪和潮间砂泥坪相中,特别是与周围有障壁隔离的泻湖相,石墨矿尤好。滨外浅海中几乎无石墨矿分布,深海相区则无石墨矿产出。

(4) 沉积韵律分布。分析三岔垭石墨矿含矿岩系原岩沉积相柱,发现存在着由碎屑岩→泥质岩→碳酸盐岩粒度从粗变细的韵律。可以识别出四组沉积韵律(图2),并以第二组发育最为完整。本区主要石墨矿富矿产于此韵律层的中部泥质岩中,贫矿则产于韵律层的下部粉砂质泥岩、泥质砂岩中。

3 生物碳的净化(碳化)、有序化和石墨的形成

由生物碳转变为晶质石墨要解决净化和有序化两个问题:①生物碳为碳、氢、氧、氮等元素构成的复杂有机化合物,其要从中获得单质碳必须有一个净化(碳化)过程,将其中的氢、氧、氮等元素从结构中分离出去;②由生物碳碳化后获得单质碳为无定型碳,碳原子必须经过有序排列,组成结晶格子才能成为晶质石墨。

图2 三岔垭石墨矿含矿岩系原岩柱状图Fig.2 Ore-bearing rocks of the original rock histogram in Sanchaya graphite mine

图3 黄凉河期岩相古地理示意图Fig.3 Lithofacies paleogeography map of Huangliang river period1.古陆,由拉斑玄武岩系列玄武岩英安岩组成;2.古陆,由英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩组成;3.潮坪相,由砂岩、粉砂岩、含碳泥岩、白云岩组成;4.泻湖相,由砂岩、粉砂岩、炭质泥岩、白云岩组成;5.滨外浅海;6.海槽;7.大理岩、透闪石透辉石大理岩;8.中太古代东冲河片麻杂岩;9.新太古代晒甲冲片麻岩;10.中太古界野马洞岩组;11.古元古界黄凉河岩组;12.石墨矿;13.微古生物。

3.1 生物碳转变为单质碳和晶质石墨的形成

3.1.1 生物碳沥青化

沉积岩腐泥质中的生物碳主要成分为蛋白质、脂肪、纤维素,均为复杂的高分子有机化合物,其中蛋白质的基本成分为氨基酸。成岩过程中生物碳经埋藏、压实,氨基酸在还原条件下发生沥青化,伴之以氧的贫缺和碳、氢的富集。沥青化过程中物质成分和结构的变化示意如下:

在这一过程中氨基酸失去了氨基(-NH2)和羧基(-COOH),转变成烷烃(沥青的主要成分)。烷烃是最简单的有机化合物,结构中仅有碳、氢两种元素。经沥青化后碳得到了进一步富集。

3.1.2 烷烃碳化和单质碳的有序化

将氢从烷烃中裂解出去获得单质碳,需要在高温高压下才能实现。同样,无定型碳有序化组成六方晶格也需要有高温高压,在自然界这两种作用是在同一过程中完成的。本区的区域热动力变质作用为晶质石墨的形成提供了温压条件。M.Bonijoly和M.oberlin等研究了法国中部中央地块的无烟煤—半石墨—石墨系列样品,认为自然环境中石墨以“渐进的地热石墨化作用和突变相变模式”生成[7]。

3.2 本区晶质石墨矿形成的温压条件和变质相判断

黄凉河岩组岩石中矿物共生组合为:

① 石墨(g)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)+石英(Q);

② 钾长石(kf)+斜长石(pl)+黑云母(Bi)+石英(Q);

③ 斜长石(pl)+黑云母(Bi)+白云母(Ms)+红柱石(And);

④ 钾长石(kf)+斜长石(pl)+黑云母(Bi)+石榴石(Alm)+矽线石(Sil)。

根据下面共生组合两个变质反应的平衡关系推断本区变质作用的温压条件:

P=5.5～8.5 kb,t=600～750 ℃。

P=450～550 kb,t=650～750 ℃。

因此,本区石墨矿形成的温压条件应为:P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃,相应地变质为高角闪岩相。

在这种温压条件下,有机质碳化作用和石墨化程度高,形成粗粒的鳞片状晶质石墨。鳞片状晶质石墨的含碳量可达99%以上,而残留氢量只有0.04%～0.06%,H/C在0.005～0.014之间。

4 岩浆岩混合岩化和构造作用对石墨矿的影响

4.1 岩浆岩

黄陵断穹核北部地区主要石墨矿围绕圈椅埫花岗岩分布,在三岔垭石墨矿区见到大量岩浆岩(白岗岩)顺层侵入,岩浆岩侵入地段石墨矿品位较高、片度较大,推断岩浆岩有利于石墨矿化,对石墨矿有增富和晶片加大的作用。

4.2 混合岩化

混合岩化主要表现为再结晶作用,交代重组合作用和原始岩石发生选择性局部熔融,以致在片麻岩里产生特殊的长英质伟晶岩。本区石墨矿中混合岩化广泛,以条带注入为主,钾交代为特征,塑性变形明显。石墨矿区中有二长伟晶岩产出,镜下见塑性变形强烈:石墨、黑云母、白云母条带呈揉皱状,且在揉皱部位石墨富集。据此,本区混合岩化可能对石墨矿的形成有利。

4.3 构造作用

后期构造作用明显是对石墨矿的破坏,分割错断矿体。然而在坦荡河等地的石墨矿中,见到矿层与糜棱岩关系密切,似有成因关系,对于这一现象有待进一步研究。

[1] 张清平,田成胜.湖北三岔垭石墨矿地质特征及成因分析[J].中国非金属工业导刊,2011(增刊):5-7.

[2] 田成胜,黄如生,张清平.湖北夷陵区石墨矿地质特征及找矿前景分析[J].资源环境工程,2011,25(4):310-312.

[3] 廖宗明,姚燕,胡章章,等.湖北黄陵断穹核北部东冲河石墨矿地质特征与选矿工艺[J].资源环境工程,2016,30(5):681-685.

[4] 邱凤,高建营,裴银,等.黄陵背斜石墨矿地质特征及成矿规律[J].资源环境工程,2015,29(3):280-285.

[5] 弗·伊·斯米尔诺夫.矿床地质学[M].北京:地质出版社,1985:419-423.

[6] 陈衍景,刘丛强,陈华勇,等.中国北方石墨矿床及赋矿孔达岩系碳同位素特征及有关问题讨论[J].岩石学报,2000,16(2):235-244.

[7] 莫如爵,刘绍斌,黄翠蓉,等.中国石墨矿床[M].北京:中国建筑工业出版社,1989:1-115.

(责任编辑：于继红)

Discussion on Formation Mechanism of Graphite Mine in Northern Core ofHuangling Faulted Dome,Hubei

LIU Yunyong,YAO Jingqu

(CentralSouthInstituteofMetallurgicalGeology,Yichang,Hubei443003)

The carbon of graphite mine in northern core of Huangling faulted dome is derived from the microbes(algae),and the microbes are enriched and buried in the Paleoproterozoic era between intercontinental sea epicontinental tidal flat facies and lagoon facies,and asphaltization in the reduction environment.After the regional thermal power metamorphism,organic carbon is converted to(scaly) crystalline graphite at high amphibolite temperature and pressure(P=5.5～7.5 kb,t=600～700 ℃).Late magmatic activity and mixed petrophysization are favorable for graphite mineralization,and the relationship between tectonic action and graphite mineralization needs further study.

Huangling faulted dome; graphite; metallization mechanism

P619.25+2

A

1671-1211(2017)05-0536-05

2016-12-06;改回日期2017-02-28

刘云勇(1968-),男,高级工程师,地质矿产勘查专业,从事地质矿产勘查及研究工作。E-mail:330439402@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.020.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.005