王廣， 齊新國(guó)， 付茂英， 田騰飛

(1.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102； 2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊(duì)，保定 071051)

0 引言

華北克拉通是世界著名的古老陸塊之一，在其地殼演化期間發(fā)生了一系列的重大地質(zhì)事件，經(jīng)歷了多次構(gòu)造熱事件[1]，包括陸核發(fā)育、結(jié)晶基底形成、陸塊裂解、匯聚、拼貼、蓋層發(fā)育、沉積變質(zhì)和巖漿活動(dòng)等。與此同時(shí)，伴隨產(chǎn)生了大規(guī)模的成礦作用，形成了十分豐富的礦產(chǎn)資源，除有豐富的鐵、金、鉛鋅等金屬礦產(chǎn)外，還有石墨、矽線(xiàn)石、藍(lán)晶石、大理石、磷灰石、滑石、菱鎂礦、硼、磷塊巖和石棉等非金屬礦產(chǎn)，具有巨大的找礦潛力[2]。前人在研究區(qū)主要開(kāi)展了成礦構(gòu)造環(huán)境、成礦期次以及金屬礦床地質(zhì)特征等方面的研究，對(duì)于河北省尚義縣石墨礦床的研究程度相對(duì)較低，而此次發(fā)現(xiàn)的松樹(shù)溝石墨礦是“中西部地區(qū)晶質(zhì)石墨等特種非金屬礦產(chǎn)調(diào)查”項(xiàng)目重要的找礦成果。本文通過(guò)對(duì)松樹(shù)溝石墨礦巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析，并與內(nèi)蒙古興和石墨礦床進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而探討石墨礦床成因，豐富了研究區(qū)石墨礦床的研究資料，為指導(dǎo)找礦提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 大地構(gòu)造位置

研究區(qū)一級(jí)大地構(gòu)造單元屬于塔里木—華北板塊，二級(jí)構(gòu)造單元為華北陸塊，三級(jí)構(gòu)造單元為陰山—冀北微陸塊。松樹(shù)溝一帶石墨礦位于興和—懷安地層小區(qū)[3]，分布的主要地層為古元古界集寧巖群下白窯巖組，外圍被侏羅系火山-沉積建造覆蓋。松樹(shù)溝石墨礦賦礦層位為集寧巖群下白窯巖組，主要巖性為黑云斜長(zhǎng)變粒巖、片麻巖和大理巖，變質(zhì)程度為麻粒巖相—角閃巖相，具有孔茲巖系特征。

松樹(shù)溝一帶石墨礦分布在內(nèi)蒙古孔茲巖帶內(nèi)[4](圖1)，如西鄰著名的內(nèi)蒙古興和石墨礦。該孔茲巖帶是一條古元古代碰撞構(gòu)造帶，北鄰陰山陸塊，南側(cè)與鄂爾多斯陸塊相接，東側(cè)緊鄰中部造山帶。研究區(qū)處于集寧—涼城巖區(qū)，巖區(qū)主要以孔茲巖系為主，孔茲巖系以低壓麻粒巖相變質(zhì)為主。孔茲巖區(qū)主要經(jīng)歷一期角閃二輝麻粒巖相變質(zhì)，變質(zhì)事件對(duì)應(yīng)于集寧巖群經(jīng)歷的主期構(gòu)造-熱事件[5-6]。

圖1 華北克拉通構(gòu)造單元?jiǎng)澐帜Ｊ絒4]

1.2 礦區(qū)地質(zhì)特征

下白窯巖組為礦區(qū)主要地層(圖2)。本組巖性主要為一套中深—深變質(zhì)作用形成的變質(zhì)巖，以淺紅、淺灰色矽線(xiàn)石榴鉀長(zhǎng)變粒巖(片麻巖)和矽線(xiàn)石榴鉀長(zhǎng)淺粒巖互層為主，夾有長(zhǎng)石石英巖、斜長(zhǎng)淺粒巖、斜長(zhǎng)麻粒巖、基性麻粒巖，局部夾有灰色與深灰色石墨黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石榴石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖及灰白色含石墨白云質(zhì)大理巖、含橄欖透輝透閃白云質(zhì)大理巖等。巖石普遍含有金紅石，呈粒狀，沿片理定向分布。該組為石墨礦體含礦層位，具孔茲巖系特征。位于松樹(shù)溝石墨礦西南的興和黃土窯石墨礦，其成礦物質(zhì)來(lái)自于孔茲巖系[7-8]，原巖中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)1.95～1.82 Ga的變質(zhì)、變形作用后發(fā)生了再富集成礦過(guò)程。松樹(shù)溝石墨礦與興和石墨礦具有相似的成礦地質(zhì)環(huán)境(表1)。

1.第四系沖洪積； 2.新近系烏良臺(tái)組第三段； 3.新近系烏良臺(tái)組第二段； 4.侏羅系后城組第三段； 5.侏羅系九龍山組第二段； 6.侏羅系九龍山組第一段； 7.古元古界集寧巖群下白窯巖組； 8.礦化帶及編號(hào)； 9.礦體及編號(hào)； 10.地層界線(xiàn)

圖2 松樹(shù)溝石墨礦化帶及礦體分布示意圖

Fig.2DistributionofmineralizedzoneandorebodyofSongshugougraphitedeposit

表1 石墨礦典型礦床地質(zhì)特征

2 巖石學(xué)特征

2.1 礦石類(lèi)型

松樹(shù)溝石墨礦工業(yè)類(lèi)型為晶質(zhì)鱗片狀石墨(圖3)，礦石自然類(lèi)型為變粒巖型，由含石墨云母斜長(zhǎng)變粒巖、石墨斜長(zhǎng)變粒巖組成。礦石為灰白色、灰黃色、褐黃色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分及含量分別為： 石英10%～25%、斜長(zhǎng)石30%～50%、條紋長(zhǎng)石5%～20%、黑云母5%～20%、石墨3%～5%，片徑為0.15～2.00 mm，部分含鐵鋁榴石1%～3%、矽線(xiàn)石1%～2%，其次有少量榍石、金紅石等。石墨多呈板狀或葉片狀，雜亂分布，粒徑0.15～1.10 mm，反射色為淺黃褐色—淺褐灰色，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性(草黃—紫灰色)。

(a) 含石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖礦石手標(biāo)本 (b) 含石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖礦石顯微照片

圖3 晶質(zhì)鱗片狀石墨

Fig.3Crystallineflakegraphite

2.2 礦石固定碳含量

通過(guò)對(duì)全礦區(qū)85件樣品固定碳含量統(tǒng)計(jì)，平均固定碳含量為2.89%，單樣固定碳含量最高為4.52%，最低為2.02%。固定碳含量>2.50%的樣品為81件，占樣品總數(shù)的96%。

2.3 石墨片度

根據(jù)對(duì)礦區(qū)100件光片鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)，石墨片度各級(jí)比例為： >0.30 mm(<50目)者折合占石墨鱗片的51.7%，(0.18,0.30] mm([50,80)目)者折合占石墨鱗片的27.8%，[0.15,0.18] mm([80,100]目)者折合占石墨鱗片的7.5%，<0.15 mm(>100目)者折合占石墨鱗片的12.7%。據(jù)此可知松樹(shù)溝石墨礦為大鱗片晶質(zhì)石墨礦。

3 礦床地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

松樹(shù)溝石墨礦礦石類(lèi)型為黑云斜長(zhǎng)變粒巖石墨礦石，主量元素組成見(jiàn)表2。由表2可知： 礦石相對(duì)富鋁的特征，K2O含量大于Na2O含量，CaO含量略小于MgO含量，可以推斷火成巖的可能性不大(圖4)。興和石墨礦各類(lèi)巖石的硅酸鹽全分析[9]表明： 各類(lèi)巖石的SiO2含量變化較大，為52.2%～71.44%，平均為62.75%，屬中性到酸性巖類(lèi)； Al2O3含量較高，為13.5%～24.43%，平均為17.96%； SiO2、Al2O3含量較高，堿質(zhì)含量較低，w(FeO)>

表2 松樹(shù)溝石墨礦床礦石主量元素、微量元素和稀土元素分析結(jié)果

(續(xù)表)

注： A/CNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O)，A/NK=Al2O3/(Na2O+K2O)，N/C=Na2O/CaO，三者均為摩爾分?jǐn)?shù)比； DF=10.44-0.2SiO2-0.32TFe2O3-0.98MgO+0.55CaO+1.46Na2O+0.54K2O; CΔ為固定碳； ∑REE為總稀土元素，LREE/HREE、δCe、δEu為球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后計(jì)算值。

w(Fe2O3)。從礦石主要元素地球化學(xué)特征來(lái)看，松樹(shù)溝石墨礦與興和黃土窯石墨礦礦石相似程度高。

圖4 含石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖礦石巖石化學(xué)成分變化對(duì)比圖

3.2 微量元素

通過(guò)松樹(shù)溝一帶石墨礦礦石微量元素?cái)?shù)據(jù)(表2)分析顯示： 含礦巖石的Rb/Sr平均值高于陸殼平均值(0.24)[10]，Sr/Ba比值較低； Ti含量較少，個(gè)別樣品低于原始地幔值； V/Cr平均值為0.99，V/(Ni+V)平均值為0.76。原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化處理后微量元素蛛網(wǎng)圖(圖5)整體趨勢(shì)略向右傾。松樹(shù)溝一帶石墨礦含礦巖石富集大離子親石元素Rb及輕稀土元素La、Nd和Sm； 而高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb和大離子親石元素Sr出現(xiàn)明顯虧損，大離子親石元素Sr明顯虧損是因?yàn)镾r在斜長(zhǎng)石風(fēng)化過(guò)程中出現(xiàn)了丟失。由此可知，松樹(shù)溝石墨礦成礦過(guò)程中循環(huán)沉積作用較弱，變質(zhì)原巖以陸源物質(zhì)為主，成礦環(huán)境屬弱還原沉積變質(zhì)環(huán)境。

圖5 含石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖礦石微量元素含量蛛網(wǎng)圖

3.3 稀土元素

松樹(shù)溝一帶石墨礦含礦巖石的稀土含量較高(表2)，變化范圍較廣，銪負(fù)異常明顯，δEu平均值為0.61； 鈰異常不明顯，δCe平均值為1.16； ∑REE含量為66.79×10-6～4 947.72×10-6，平均為744.05×10-6，明顯高于上地殼總量平均值； 輕稀土曲線(xiàn)較陡，呈右傾趨勢(shì)，LREE含量平均值為704.07×10-6； 重稀土段顯示平緩，具微發(fā)散特征，HREE含量平均值為39.98×10-6； LREE/HREE平均值為17.61，反映出分餾不明顯或較弱的特征。從稀土配分曲線(xiàn)圖(圖6)中可以看出，大部分樣品向右傾斜，并且呈現(xiàn)幾乎平行的特征，表明稀土含量的變化大致同步，曲線(xiàn)總體呈現(xiàn)兩段式，從Eu處明顯分開(kāi)； 松樹(shù)溝一帶石墨礦原巖具有一定的相似性，原巖為沉積巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的化學(xué)風(fēng)化作用或者含水溶液的溶解作用導(dǎo)致Eu2+流失，造成銪負(fù)異常明顯，其成礦環(huán)境更有可能為淺海相沉積環(huán)境。

圖6 松樹(shù)溝石墨礦床黑云斜長(zhǎng)變粒巖

4 礦床成因探討

4.1 原巖恢復(fù)

依據(jù)(al+fm)-(c+alk)-Si圖解[12]，松樹(shù)溝石墨礦樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)分布如圖7所示，大部分樣品數(shù)據(jù)落在厚層泥巖范圍內(nèi)，綜上分析表明松樹(shù)溝石墨礦區(qū)變質(zhì)原巖為富碳質(zhì)和富鋁質(zhì)的泥質(zhì)碎屑巖，反映出原巖形成環(huán)境總體為準(zhǔn)穩(wěn)定地理環(huán)境。

由DF函數(shù)判別式[12]可知： DF>0，為正變質(zhì)巖； DF<0，為副變質(zhì)巖。由表2可知，所有的含石墨黑云母斜長(zhǎng)變粒巖的DF值均<0，為副變質(zhì)巖。

根據(jù)巖石組合特征和區(qū)域地質(zhì)情況初步分析，本區(qū)集寧巖群下白窯巖組原巖以泥質(zhì)碎屑巖為主，夾基性與中性火山巖及含炭泥質(zhì)碎屑沉積巖、含泥質(zhì)碎屑沉積巖及碳酸鹽沉積巖等，屬沉積(主)-火山(次)建造類(lèi)型，主體形成于擠壓機(jī)制下的洋內(nèi)島弧火山-陸棚淺海盆地構(gòu)造環(huán)境。

圖7 黑云斜長(zhǎng)變粒巖礦石(al+fm)-(c+alk)-Si圖解

4.2 成礦時(shí)代探討

區(qū)域上，根據(jù)碎屑鋯石及重結(jié)晶鋯石年齡測(cè)試結(jié)果，華北古陸北緣孔茲巖系的沉積時(shí)代為1 900～2 100 Ma，此后經(jīng)歷了多期變質(zhì)作用[13]。興和黃土窯石榴斜長(zhǎng)片麻巖獲得鋯石U-Pb年齡為(1 970±10) Ma，表明石墨變質(zhì)成礦作用開(kāi)始于1.97 Ga，現(xiàn)今石墨經(jīng)過(guò)多期變質(zhì)成礦疊加而成[14]。在東鄰區(qū)赤城伙房村一帶，崇禮巖群變質(zhì)基性巖石中獲得Sm-Nd年齡為2 891 Ma、2 894 Ma[15]，集寧巖群的形成時(shí)限分析在一次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生之后處于相對(duì)寧?kù)o或穩(wěn)定時(shí)期，又有新的地質(zhì)體形成。本區(qū)集寧巖群就是呂梁構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主期之后新形成地質(zhì)體的典型代表。

4.3 礦床成因

松樹(shù)溝石墨礦源層原始沉積主要為富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)或黏土質(zhì)沉積碎屑巖。在區(qū)域變質(zhì)作用的高溫高壓環(huán)境下，原始沉積的生物碎屑先變成石墨晶核，然后晶核聚集結(jié)晶形成石墨，隨著熱動(dòng)力作用活動(dòng)的進(jìn)行和加強(qiáng)，石墨鱗片由小變大，雜質(zhì)不斷得到清除，石墨質(zhì)量不斷提高，進(jìn)而形成鱗片狀石墨晶體，而其周?chē)暮}泥質(zhì)沉積巖在區(qū)域變質(zhì)逐漸增強(qiáng)的過(guò)程中，在復(fù)雜的物理化學(xué)條件下分解成一定數(shù)量的游離碳，游離碳及原來(lái)的石墨晶體經(jīng)過(guò)交代和重結(jié)晶作用，致使石墨鱗片富集和增大，從而形成現(xiàn)在的松樹(shù)溝石墨礦床。

5 結(jié)論

(1)松樹(shù)溝石墨礦賦存在集寧巖群下白窯巖組，屬于晶質(zhì)鱗片石墨礦床。

(2)松樹(shù)溝石墨礦礦石類(lèi)型為含石墨黑云斜長(zhǎng)變粒巖，礦石主要元素地球化學(xué)特征為SiO2、Al2O3含量較高，堿質(zhì)含量較低，與興和黃土窯石墨礦礦石相似程度高。

(3)原巖恢復(fù)表明，松樹(shù)溝石墨礦區(qū)變質(zhì)原巖為富碳質(zhì)和富鋁質(zhì)的泥質(zhì)碎屑巖，原巖形成環(huán)境總體為準(zhǔn)穩(wěn)定地理環(huán)境。

(4)松樹(shù)溝石墨礦礦石微量元素分析數(shù)據(jù)表明，原巖形成在缺氧的弱還原環(huán)境； 含礦巖石稀土元素配分曲線(xiàn)為右傾曲線(xiàn)，具銪負(fù)異常特征，原巖為沉積巖，屬于淺海相沉積環(huán)境。

(5)松樹(shù)溝石墨礦礦床成因類(lèi)型為區(qū)域變質(zhì)型。