坦桑尼亞納欽圭阿石墨成礦帶地質(zhì)特征及成因初析

杜菊民，景永波，孫晨，劉平，李雙喜，陳誠

(1.江蘇省地質(zhì)工程有限公司，南京 210018；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊，江蘇 連云港 222023)

0 引言

石墨是戰(zhàn)略性礦產(chǎn)或關(guān)鍵礦產(chǎn)，石墨產(chǎn)品尤其是下游深加工產(chǎn)品正逐漸成為新能源、新材料、航天等領(lǐng)域不可替代的重要材料[1-3]。莫桑比克、坦桑尼亞、馬達(dá)加斯加等國家的石墨資源多為優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨[2]。2018年以來，全球石墨供需格局發(fā)生重要變化，中國成為全球第一大石墨進(jìn)口國和鱗片天然石墨凈進(jìn)口國，主要從莫桑比克和馬達(dá)加斯加進(jìn)口鱗片天然石墨[2]。坦桑尼亞晶質(zhì)石墨礦產(chǎn)資源豐富，發(fā)育6個重要石墨成礦帶(圖1)，國內(nèi)地質(zhì)勘查隊伍在坦桑尼亞石墨礦產(chǎn)勘查工作中已取得一些成果，對坦桑尼亞石墨礦的地質(zhì)特征、地球化學(xué)特征、找礦標(biāo)志、找礦潛力等進(jìn)行了初步總結(jié)[4-8]。近年來坦桑尼亞南部林迪—姆特瓦拉地區(qū)的納欽圭阿成礦帶發(fā)現(xiàn)了一系列大型、超大型優(yōu)質(zhì)晶質(zhì)石墨礦床，如邦尤(Bunyu)、納楚(Nachu)、奇拉絡(luò)(Chilalo)、林迪將波(Lindi Jumbo)、納欽圭阿(Nachingwea)等[4-5]，系統(tǒng)總結(jié)這一成礦帶的地質(zhì)特征還未見報道。本文在納欽圭阿、魯昂瓦等石墨礦床勘查工作的基礎(chǔ)上，對納欽圭阿石墨成礦帶的地質(zhì)成礦背景、礦床特征、礦石特征、地球化學(xué)特征、礦床成因等進(jìn)行分析總結(jié)，以期對進(jìn)行相關(guān)工作時有所參考。

圖1 坦桑尼亞地質(zhì)構(gòu)造單元及石墨成礦帶分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[9]，修改)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

坦桑尼亞地質(zhì)歷史復(fù)雜而多樣，太古宙克拉通分布在該國中北部，向北延伸至肯尼亞南部及烏干達(dá)西南部，元古宙活動帶呈帶狀環(huán)繞克拉通分布(圖1)。古元古代烏薩迦蘭(Usagaran)活動帶，分布于克拉通東南側(cè)；烏賓迪(Ubendian)活動帶，分布于克拉通西—西南側(cè)；中元古代基巴拉(Kibara)活動帶，分布于克拉通的西北側(cè)；新元古代泛非莫桑比克(Mozambique)活動帶，分布于克拉通的東部。泛非運動(900～550 Ma)后，坦桑尼亞境內(nèi)經(jīng)歷了相對平靜的時期，廣泛的準(zhǔn)平原化階段持續(xù)了近300 Ma[9]。

新元古代莫桑比克活動帶，從莫桑比克一直延伸到埃塞俄比亞，主要巖性為高級變質(zhì)鐵鎂質(zhì)和長英質(zhì)麻粒巖、片麻巖、石英巖、大理巖、角閃巖等[10-11]。納欽圭阿石墨成礦帶位于莫桑比克活動帶坦桑尼亞部分的最南部，近SN向展布，東西寬約40 km，南北長約120 km(圖2)，盛產(chǎn)紅寶石、藍(lán)寶石等寶石礦產(chǎn)，其他礦種僅見礦點或小型礦床出露，如石英脈型金礦點，與基性、超基性巖有關(guān)的銅鎳硫化物礦化點等。

圖2 坦桑尼亞納欽圭阿成礦帶地質(zhì)礦產(chǎn)簡圖

2 納欽圭阿石墨成礦帶地質(zhì)特征

納欽圭阿石墨成礦帶發(fā)育一套中高變質(zhì)程度的新元古代沉積變質(zhì)巖系，西側(cè)第四系覆蓋，東側(cè)白堊紀(jì)砂巖出露(圖3)。變質(zhì)巖主要巖性有黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、石英片巖、石英巖、大理巖、角閃巖、麻粒巖等，局部混合巖化強(qiáng)烈，總體呈NE—NEE走向，傾向SE或NW，局部平臥褶皺、鞘褶皺、流褶皺等褶皺形式發(fā)育，斷裂構(gòu)造以NE向為主，多順巖層產(chǎn)出，NW向斷層常錯斷石墨含礦地層。發(fā)育少量新元古代花崗巖、閃長巖、細(xì)晶巖、偉晶巖及輝長巖、超基性巖等。偉晶巖常順變質(zhì)巖片理產(chǎn)出，富含電氣石、海藍(lán)寶石等，超基性巖中可見銅鎳礦化。大型-超大型晶質(zhì)石墨礦床賦存于黑云斜長片麻巖、石英片巖中，在石英巖、大理巖、偉晶巖中也常見石墨礦化，通常石墨鱗片粗大、規(guī)模較小。

圖3 納欽圭阿—魯昂瓦地區(qū)地質(zhì)簡圖

2.1 礦體特征

礦床受沉積變質(zhì)作用控制，呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀多與圍巖產(chǎn)狀一致，一般存在多層礦體。礦體長度從500 m至大于10 km，礦體群寬度100～500 m，單層礦體厚度2～100 m(圖3、表1)。

表1 納欽圭阿石墨成礦帶主要石墨礦床資源量簡表

納楚石墨礦，礦體賦存于石墨片巖中，圍巖為片巖，夾石為少量白云質(zhì)大理巖和片麻巖，由5個礦段組成，礦體走向呈NEE向，延伸250～1000 m，寬100～500 m，厚2～100 m，傾角較緩，主礦體產(chǎn)于開闊褶皺的核部，兩翼傾角15°左右①。

奇拉絡(luò)石墨礦，礦體賦存于石墨片麻巖中，圍巖為長英質(zhì)片麻巖、閃長巖和少量大理巖。主礦段由兩個透鏡狀礦體組成，走向NE—NEE，傾向SE，傾角40°～50°，走向延伸1600 m，礦層厚10～40 m②。

林迪將波石墨礦，礦體賦存于石墨片巖、石墨石英巖、石墨片麻巖中，含少量條帶狀白云巖和長英質(zhì)麻粒巖。主礦體走向NNE，走向延伸1200 m，傾向NW或SW，傾角11°～35°，礦層厚5～34 m③。

納欽圭阿石墨礦，賦體賦存于石墨片麻巖、石墨片巖中，圍巖為黑云斜長片麻巖。主礦體走向NE，傾向SE，傾角50°左右，走向延伸1000 m以上，礦層厚12～80 m。

2.2 礦石礦化特征

主要礦石類型有石墨片巖型和石墨片麻巖型。

石墨片巖型主要為黑云石英片巖石墨礦石，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀、片狀構(gòu)造；礦物成分主要為φ(石英)=74%～76%、φ(石墨)=21%～23%、φ(黑云母)=2%～4%和少量斜長石。

石墨片麻巖型主要為黑云斜長片麻巖石墨礦石，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造；礦物成分主要為φ(石英)=50%～52%、φ(斜長石)=26%～28%、φ(石墨)=9%～14%、φ(黑云母)=9%～11%和少量碳酸鹽礦物。

在大理巖、石英巖、偉晶巖中，常見石墨礦化。石墨礦化大理巖中，石墨體積分?jǐn)?shù)1%～2%±，片徑一般小于0.5 mm。石墨礦化石英巖，石墨體積分?jǐn)?shù)1%～2%±，片徑0.2～5.0 mm。石墨礦化偉晶巖，石墨體積分?jǐn)?shù)1%～2%±，片徑0.5～10.0 mm，石墨沿礦物粒間分布，局部聚集成小塊。

此外，還有少量金屬礦物，主要為黃鐵礦，次為赤(褐)鐵礦、磁黃鐵礦，以及黃銅礦、閃鋅礦等。

2.3 石墨礦物特征

以魯昂瓦晶質(zhì)石墨礦為例，石墨片徑集中在0.10～2.40 mm，結(jié)晶程度較高，晶體比較完整，半自形晶結(jié)構(gòu)?；疑珟Ш?、藍(lán)灰色，反射多色性較強(qiáng)，片狀、彎曲、扭折，強(qiáng)非均性，部分晶體具波狀消光，部分比較破碎，大致定向，集合體呈條帶狀，斷續(xù)分布(圖4a)。存在3個片徑范圍，片徑0.10～0.40 mm占10%，片徑0.28～1.10 mm占15%，片徑1.20～2.40 mm占75%。大部分石墨沿層理分布，部分沿脈石礦物粒間分布(圖4b)。片徑較小的石墨呈包體分布在脈石礦物中，呈篩狀變晶結(jié)構(gòu)(圖4c)。部分晶體受后期應(yīng)力作用呈彎曲、扭折狀、碎裂狀(圖4d)。

圖4 魯昂瓦石墨礦石顯微照片(反光)

2.4 石墨片度特征

以魯昂瓦石墨礦為例，原礦石墨片度+100目含量大多大于95%，+50目含量大于67%。石墨礦石經(jīng)選礦后，精礦+100目含量大多在54%～75%之間，+50目含量在12%～49%之間(表2)。如邦尤2號礦體，精礦+100目含量可達(dá)75%，+50目含量達(dá)38%④；林迪將波，精礦+50目含量可達(dá)49%⑥。

表2 納欽圭阿石墨成礦帶典型礦床石墨片度特征

3 礦石主量元素特征

以納欽圭阿石墨礦為例，礦石類型為片巖-片麻巖型，從鉆孔和探槽中采取10件樣品進(jìn)行主量元素分析，由國家建筑材料工業(yè)地質(zhì)工程勘查研究院測試中心完成測試工作，分析方法為原子吸收分光光度法。主量元素分析結(jié)果見表3，各石墨礦石主量成分相似，主要的成分w(SiO2)=57.55%～78.92%，平均為69.88%；w(Al2O3)=3.61%～11.50%，平均為8.16%。其次，w(固定碳)=2.26%～10.98%，平均為5.98%；w(Fe2O3)=2.90%～7.07%，平均為4.85%；w(CaO)=0.09%～9.08%，平均為2.54%。再次，w(FeO)=0.36%～4.37%，平均為1.70%；w(MgO)=0.32%～3.66%，平均為1.36%；w(S)=0.05%～2.42%，平均為1.21；w(K2O)=0.35%～2.08%，平均為1.19%；w(Na2O)=0.09%～1.93%，平均為0.96%?？傮w特征為正常-鋁過飽和型。

表3 納欽圭阿石墨礦床礦石主量元素分析結(jié)果

綜合以上主量元素分析可知：

(1)主量元素具有富硅鋁貧鈣特征，變質(zhì)巖可能為副變質(zhì)巖；

(2)SiO2含量與Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、S、P2O5含量呈明顯負(fù)相關(guān)性，推測其原巖為酸性；

(3)造巖氧化物中除HQ7和HQ9外，K2O含量均高于Na2O含量，w(K2O)/w(Na2O)的平均值為1.24，變質(zhì)原巖表現(xiàn)出沉積巖的特征，并可能混入少量火成巖。

4 礦床成因初析

4.1 原巖類型判別

根據(jù)DM肖(1972)提出的DF函數(shù)進(jìn)行判別(表4)，DF>0為火成巖，DF<0則為沉積巖。樣品中除HQ7屬正變質(zhì)巖，其他屬副變質(zhì)巖。根據(jù)西蒙南的尼格里值(al+fm)-(c+alk)-si圖解判別(圖5)，HQ7、HQ8屬火山巖，HQ4-6、HQ9均為泥砂沉積巖，HQ1-3、HQ10投影到圖外，原因是si較高，原巖為石英砂巖或硅質(zhì)巖，或超酸性的火山巖。根據(jù)周世泰的K-A相關(guān)圖解判別(圖6)，HQ7為火成巖，HQ6、HQ9介于泥質(zhì)粉砂巖與火成巖界線上，HQ5接近火成巖區(qū)，其他樣品與DF函數(shù)判別類似，同時，固定碳含量有向泥質(zhì)粉砂巖亞區(qū)增大的趨勢。綜合判別納欽圭阿石墨片巖-片麻巖的原巖為富硅鋁貧鈣的砂質(zhì)-泥砂質(zhì)沉積，并混入少量火成巖。

圖5 尼格里值(al+fm)-(c+alk)-si圖解(據(jù)Symoner，1953，簡化)

圖6 正-副變質(zhì)巖的K-A差別圖解(據(jù)周世泰，1977)

表4 特征值計算結(jié)果表

4.2 碳質(zhì)來源分析

碳的主要來源為有機(jī)碳、碳酸鹽巖碳和地幔來源的巖漿碳，并具有不同的同位素組成區(qū)間。同屬莫桑比克活動帶片麻巖—片巖型石墨礦的馬達(dá)加斯加Vohitasara石墨礦床，δ(13C)值為-22.85×10-3～-17.20×10-3[12]，Antonisoa石墨礦床δ(13C)值為-21.4×10-3～-20.1×10-3[13]，石墨碳質(zhì)的來源主要是有機(jī)碳的沉積，可能摻雜部分無機(jī)碳來源。與坦桑尼亞班巴拉維石墨礦床類似[6]，納欽圭阿石墨成礦帶的石墨礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，與圍巖呈漸變過渡關(guān)系，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，具有較明顯的沉積變質(zhì)作用控制特征，沒有發(fā)生大規(guī)模的成礦物質(zhì)遠(yuǎn)程遷移，碳質(zhì)成分主要來自原始沉積。圍巖巖性主要為片巖—片麻巖—石英巖等，局部可見大理巖，初步分析認(rèn)為，石墨碳主要來自原巖沉積過程中生物的繁殖和聚集。

DF=10.44-0.21w(SiO2)-0.32w(TFeO)-0.98w(MgO)+0.55w(CaO)+1.46w(Na2O)+0.45w(K2O))，適用條件是樣品的w(SiO2)>53.5%。

4.3 成因初析

納欽圭阿石墨成礦帶所在的莫桑比克活動帶，新元古代變質(zhì)變形作用之前存在古老的大陸邊緣[10]，這一時間形成了一套由含碳高硅富鋁的泥砂質(zhì)巖、石英砂巖和不純碳酸鹽巖所組成的沉積原巖。東、西岡瓦納大陸的碰撞以及莫桑比克洋關(guān)閉引起了大量變質(zhì)變形事件，多期次的變質(zhì)變形事件形成了區(qū)內(nèi)石墨礦床，尤其是610 Ma—660 Ma廣泛發(fā)育的角閃巖相變質(zhì)以及混合巖化[11]，使得這一成礦帶石墨鱗片增大，品質(zhì)提高。后期次的斷裂構(gòu)造對礦層有一定的切割破壞作用，在宏觀上制約著含石墨巖系的分布，在微觀上使得石墨鱗片斷裂。

5 結(jié)論

(1)納欽圭阿石墨成礦帶位于莫桑比克活動帶坦桑尼亞境內(nèi)最南部，東西寬40 km，南北長120 km；區(qū)域地層為一套中高變質(zhì)程度的沉積變質(zhì)巖系，西側(cè)第四系覆蓋，東側(cè)白堊紀(jì)砂巖出露，含石墨礦片巖、片麻巖，總體呈NE—NEE向展布。

(2)石墨礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖產(chǎn)狀一致，一般存在多層礦體；礦體規(guī)模走向延伸500～10 km，礦體群寬度100～500 m，單層礦體厚度2～100 m，傾角從平緩至50°左右；固定碳平均品位4.05%～17.9%。

(3)礦石類型以石墨片巖型、石墨片麻巖型為主，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造；在大理巖、石英巖、偉晶巖中也常見石墨礦化；石墨鱗片主要沿層理分布，部分晶體受后期應(yīng)力彎曲、折斷。

(4)石墨原礦鱗片+100目含量大多數(shù)大于95%，+50目含量大于67%；石墨精礦鱗片+100目含量大多在54%～75%之間，+50目含量在12%～49%之間。

(5)地球化學(xué)初步分析，石墨礦石具高硅富鋁貧鈣特征，原巖可能為富碳的泥砂質(zhì)沉積物，可能混入了少量火山質(zhì)沉積物。新元古代多期變質(zhì)作用形成了區(qū)內(nèi)石墨礦，混合巖化作用可能使得石墨鱗片進(jìn)一步增大。

致謝：本公司陳焦、楊波、李鵬飛等技術(shù)人員一起參加了野外工作，本文撰寫過程中得到了陳春生、施建斌教授級高級工程師的指導(dǎo)，在此一并表示感謝！

注釋：

① Graphex Mining. Annual Report, 2019.

② Graphex Mining. Quarterly Activities Report-Quarter ended 31 December, 2019.

③ Magnis Resources. Annual Report, 2016.

④ Volt Resources. Consolidated Annual Report, 2019.

⑤ Walkabout Resources. Maiden JORC Resource at Lindi Jumbo Graphite Project, 2016.

⑥ Walkabout Resources. Annual Report, 2019.