研究区一级大地构造单元属于塔里木— 华北板块, 二级构造单元为华北陆块, 三级构造单元为阴山— 冀北微陆块。松树沟一带石墨矿位于兴和— 怀安地层小区^[3], 分布的主要地层为古元古界集宁岩群下白窑岩组, 外围被侏罗系火山-沉积建造覆盖。松树沟石墨矿赋矿层位为集宁岩群下白窑岩组, 主要岩性为黑云斜长变粒岩、片麻岩和大理岩, 变质程度为麻粒岩相— 角闪岩相, 具有孔兹岩系特征。

松树沟一带石墨矿分布在内蒙古孔兹岩带内^[4](图1), 如西邻著名的内蒙古兴和石墨矿。该孔兹岩带是一条古元古代碰撞构造带, 北邻阴山陆块, 南侧与鄂尔多斯陆块相接, 东侧紧邻中部造山带。研究区处于集宁— 凉城岩区, 岩区主要以孔兹岩系为主, 孔兹岩系以低压麻粒岩相变质为主。孔兹岩区主要经历一期角闪二辉麻粒岩相变质, 变质事件对应于集宁岩群经历的主期构造-热事件^{[5, 6]}。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 华北克拉通构造单元划分模式[4]Fig.1 Division pattern of tectonic units of North China Craton[4]

下白窑岩组为矿区主要地层(图2)。本组岩性主要为一套中深— 深变质作用形成的变质岩, 以浅红、浅灰色矽线石榴钾长变粒岩(片麻岩)和矽线石榴钾长浅粒岩互层为主, 夹有长石石英岩、斜长浅粒岩、斜长麻粒岩、基性麻粒岩, 局部夹有灰色与深灰色石墨黑云斜长片麻岩、石榴石墨黑云斜长变粒岩、斜长角闪岩及灰白色含石墨白云质大理岩、含橄榄透辉透闪白云质大理岩等。岩石普遍含有金红石, 呈粒状, 沿片理定向分布。该组为石墨矿体含矿层位, 具孔兹岩系特征。位于松树沟石墨矿西南的兴和黄土窑石墨矿, 其成矿物质来自于孔兹岩系^{[7, 8]}, 原岩中的有机质经1.95~1.82 Ga的变质、变形作用后发生了再富集成矿过程。松树沟石墨矿与兴和石墨矿具有相似的成矿地质环境(表1)。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 松树沟石墨矿化带及矿体分布示意图 1.第四系冲洪积; 2.新近系乌良台组第三段; 3.新近系乌良台组第二段; 4.侏罗系后城组第三段; 5.侏罗系九龙山组第二段; 6.侏罗系九龙山组第一段; 7.古元古界集宁岩群下白窑岩组; 8.矿化带及编号; 9.矿体及编号; 10.地层界线Fig.2 Distribution of mineralized zone and orebody of Songshugou graphite deposit

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 石墨矿典型矿床地质特征 Tab.1 Geological characteristics of typical graphite deposits 要素 松树沟一带石墨矿 兴和黄土窑石墨矿 大地构造位置 燕山— 辽西断陷带 燕山— 辽西断陷带 赋矿地层 古元古界集宁岩群下白窑岩组中深— 深变质岩系 古元古界集宁岩群黄土窑组的中深变质岩系 变质相 麻粒岩相— 角闪岩相 麻粒岩相 控矿构造 宣府夭倒转向斜南翼 黄土窑向斜长轴方向40° ~50° 岩浆岩 矿区内岩浆岩不甚发育, 仅见长英质岩脉和基性岩脉 仅见有辉绿岩、闪长岩及花岗伟晶岩等浅成岩 含矿岩石 黑云斜长变粒岩、斜长变粒岩 黑云斜长片麻岩 围岩蚀变 混合岩化作用微弱, 局部有长英质脉体和伟晶岩脉注入 黑云矽线石榴斜长片麻岩、混合岩化长英质片麻岩 矿体产状 总体走向NE— SW, 倾向285° ~350° , 倾角25° ~45° 在平面上, 矿体呈弧形分布, 走向近EW— NE而后转为NW向, 倾角一般50° ~60° , 局部直立或倒转 矿体形态 似层状及透镜状 透镜状及似层状, 少数为层状 矿体规模 分为2个矿化带Ⅰ 和Ⅱ : 矿化带Ⅰ 圈出11个矿体, K1-1~K1-11, 长度为2 820~8 570 m, 厚度为2.69~9.01 m; 矿化带Ⅱ 圈出3个矿体, K2-1~K2-3, 长度为1 235~1 467 m, 厚度为2.15~3.67 m 区内分布大小矿体共32个, 矿体长度为400~3 500 m, 一般长500~1 000 m, 矿体厚度4~40 m, 平均厚度约20 m, 矿层内常见有花岗质细脉和伟晶岩脉, 在其接触处, 矿石的粒度变粗, 品位变富 矿石类型 石墨黑云斜长变粒岩 石墨斜长片麻岩 矿物成分 斜长石、石英、黑云母、石榴子石和石墨等 斜长石、石英、黑云母、石墨、蛭石和绿泥石等 结构构造 鳞片粒状变晶结构, 块状构造 鳞片粒状变晶结构、粒状变晶结构, 片麻状构造、块状构造

表1 石墨矿典型矿床地质特征 Tab.1 Geological characteristics of typical graphite deposits

松树沟石墨矿工业类型为晶质鳞片状石墨(图3), 矿石自然类型为变粒岩型, 由含石墨云母斜长变粒岩、石墨斜长变粒岩组成。矿石为灰白色、灰黄色、褐黄色, 鳞片粒状变晶结构, 块状构造。主要矿物成分及含量分别为: 石英10%~25%、斜长石30%~50%、条纹长石5%~20%、黑云母5%~20%、石墨3%~5%, 片径为0.15~2.00 mm, 部分含铁铝榴石1%~3%、矽线石1%~2%, 其次有少量榍石、金红石等。石墨多呈板状或叶片状, 杂乱分布, 粒径0.15~1.10 mm, 反射色为浅黄褐色— 浅褐灰色, 具有极强的非均质性(草黄— 紫灰色)。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 晶质鳞片状石墨Fig.3 Crystalline flake graphite

通过对全矿区85件样品固定碳含量统计, 平均固定碳含量为2.89%, 单样固定碳含量最高为4.52%, 最低为2.02%。固定碳含量> 2.50%的样品为81件, 占样品总数的96%。

根据对矿区100件光片鉴定结果统计, 石墨片度各级比例为: > 0.30 mm(< 50目)者折合占石墨鳞片的51.7%, (0.18, 0.30] mm([50, 80)目)者折合占石墨鳞片的27.8%, [0.15, 0.18] mm([80, 100]目)者折合占石墨鳞片的7.5%, < 0.15 mm(> 100目)者折合占石墨鳞片的12.7%。据此可知松树沟石墨矿为大鳞片晶质石墨矿。

松树沟石墨矿矿石类型为黑云斜长变粒岩石墨矿石, 主量元素组成见表2。由表2可知: 矿石相对富铝的特征, K₂O含量大于Na₂O含量, CaO含量略小于MgO含量, 可以推断火成岩的可能性不大(图4)。兴和石墨矿各类岩石的硅酸盐全分析^[9]表明: 各类岩石的SiO₂含量变化较大, 为52.2%~71.44%, 平均为62.75%, 属中性到酸性岩类; Al₂O₃含量较高, 为13.5%~24.43%, 平均为17.96%; SiO₂、Al₂O₃含量较高, 碱质含量较低, w(FeO)> w(Fe₂O₃)。从矿石主要元素地球化学特征来看, 松树沟石墨矿与兴和黄土窑石墨矿矿石相似程度高。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 松树沟石墨矿床矿石主量元素、微量元素和稀土元素分析结果 Tab.2 Analysis results of major elements, trace elements and rare earth elements of Songshugou graphite deposit ore 样号 主量元素含量/% SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 烧失量 合计 CΔ 挥发分 灰分 H25 56.63 0.27 21.23 4.46 1.12 0.02 3.70 2.36 0.07 2.50 0.03 4.52 99.59 2.68 8.06 88.7 H26 57.83 0.12 22.15 3.50 1.03 0.04 3.20 2.25 0.08 2.65 0.12 3.56 99.38 2.85 7.95 82.4 H27 60.02 0.23 20.22 5.47 1.01 0.02 2.96 2.23 0.06 3.16 0.05 2.15 100.53 2.95 4.55 92.74 H28 59.63 0.15 20.25 5.04 1.10 0.05 3.15 2.35 0.07 2.25 0.08 3.15 100.29 3.02 4.77 91.18 H29 55.13 0.05 23.25 6.42 0.98 0.04 3.40 2.12 0.02 2.85 0.06 2.56 99.93 3.05 4.56 90.85 H30 56.28 0.16 21.23 7.12 1.02 0.02 3.01 2.36 0.08 3.36 0.07 1.59 99.15 2.85 3.85 95.82 H31 56.03 0.25 21.03 6.23 1.01 0.02 3.50 2.52 0.07 3.35 0.05 3.22 99.93 2.65 4.21 90.21 H32 59.12 0.22 21.22 3.98 0.96 0.04 3.30 2.41 0.09 3.32 0.07 2.85 100.31 2.73 3.22 92.12 样号 A/CNK A/NK N/C DF 微量元素含量/10-6 Cs Rb Ba Th U Nb Sr Hf Zr H25 2.98 7.51 0.03 -0.11 1.05 12.83 151.06 1.87 0.71 1.71 108.02 4.44 198.12 H26 3.12 7.37 0.03 -1.37 4.69 159.77 782.62 1.47 0.46 1.86 129.54 3.49 140.89 H27 2.66 5.73 0.02 -1.34 8.89 189.96 719.61 0.73 0.97 1.04 139.38 4.03 158.50 H28 2.96 7.92 0.03 -1.54 8.07 182.05 1 141.49 0.95 3.18 1.24 153.46 4.88 195.05 H29 3.33 7.44 0.01 -1.33 1.25 89.45 609.83 5.14 2.46 3.90 132.13 7.20 332.36 H30 2.63 5.62 0.03 -1.97 0.54 7.37 130.71 4.84 4.29 2.93 27.95 4.13 208.48 H31 2.52 5.61 0.03 -1.44 0.18 28.64 116.95 313.32 8.20 5.15 17.97 2.44 101.37 H32 2.61 5.66 0.03 -1.50 0.51 69.80 1 107.01 17.56 1.18 1.66 93.06 3.76 155.85 样号 微量元素含量/10-6 Rb/Sr Sr/Ba Zr/Y V/Cr V/ (Ni+V) 稀土元素含量/10-6 Ti Y V Cr Ni La Ce Pr Nd H25 1 592.70 76.04 195.47 347.19 131.53 0.12 0.72 2.61 0.56 0.60 25.16 54.76 5.47 20.39 H26 2 871.01 11.68 195.82 179.79 56.39 1.23 0.17 12.06 1.09 0.78 12.94 27.22 2.86 10.42 H27 3 461.52 13.44 265.91 203.03 51.90 1.36 0.19 11.79 1.31 0.84 15.17 32.31 2.97 10.07 H28 3 763.81 11.04 369.22 286.46 53.56 1.19 0.13 17.67 1.29 0.87 11.88 31.62 2.77 9.49 H29 3 146.68 28.09 199.75 148.43 73.43 0.68 0.22 11.83 1.35 0.73 19.43 47.89 4.64 16.94 H30 1 503.50 109.61 253.30 517.06 78.04 0.26 0.21 1.90 0.49 0.76 15.53 46.82 4.57 19.68 H31 6 881.65 66.80 106.97 128.48 34.46 1.59 0.15 1.52 0.83 0.76 924.04 2 438.37 293.50 1 045.49 H32 3 013.09 38.08 175.60 176.43 48.66 0.75 0.08 4.09 1.00 0.78 56.88 156.60 16.81 64.51 样号 稀土元素含量/10-6 LREE/ HREE δ Ce δ Eu Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ∑ REE H25 6.48 0.82 10.40 2.00 13.62 3.07 9.93 1.85 11.27 2.15 167.37 2.08 1.08 0.30 H26 2.34 0.69 2.99 0.51 2.92 0.59 1.46 0.24 1.37 0.24 66.79 5.47 1.03 0.80 H27 2.13 1.16 2.94 0.59 3.38 0.65 1.88 0.32 1.93 0.34 75.84 5.30 1.09 1.42 H28 2.14 0.96 2.60 0.50 3.06 0.61 1.77 0.31 1.85 0.33 69.89 5.34 1.28 1.24 H29 3.50 0.80 3.67 0.74 5.42 1.34 4.25 0.77 4.77 0.80 114.96 4.28 1.18 0.68 H30 8.81 0.41 13.09 2.81 20.56 4.78 14.03 2.47 15.15 2.64 171.35 1.27 1.32 0.12 H31 142.11 1.31 65.97 5.07 15.71 2.58 7.38 0.87 4.55 0.77 4 947.72 47.08 1.12 0.04 H32 10.86 0.87 8.75 1.24 7.24 1.70 5.08 0.95 5.91 1.10 338.50 9.59 1.21 0.26 注: A/CNK=Al2O3/(CaO+Na2O+K2O), A/NK=Al2O3/(Na2O+K2O), N/C=Na2O/CaO, 三者均为摩尔分数比; DF=10.44-0.2SiO2-0.32TFe2O3-0.98MgO+0.55CaO+1.46Na2O+0.54K2O; CΔ 为固定碳; ∑ REE为总稀土元素, LREE/HREE、δ Ce、δ Eu为球粒陨石标准化后计算值。

表2 松树沟石墨矿床矿石主量元素、微量元素和稀土元素分析结果 Tab.2 Analysis results of major elements, trace elements and rare earth elements of Songshugou graphite deposit ore

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 含石墨黑云斜长变粒岩矿石岩石化学成分变化对比图Fig.4 Contrast of petrochemical composition changes of graphite-bearing biotite plagioclase granulite ore

通过松树沟一带石墨矿矿石微量元素数据(表2)分析显示: 含矿岩石的Rb/Sr平均值高于陆壳平均值(0.24)^[10], Sr/Ba比值较低; Ti含量较少, 个别样品低于原始地幔值; V/Cr平均值为0.99, V/(Ni+V)平均值为0.76。原始地幔标准化处理后微量元素蛛网图(图5)整体趋势略向右倾。松树沟一带石墨矿含矿岩石富集大离子亲石元素Rb及轻稀土元素La、Nd和Sm; 而高场强元素Nb和大离子亲石元素Sr出现明显亏损, 大离子亲石元素Sr明显亏损是因为Sr在斜长石风化过程中出现了丢失。由此可知, 松树沟石墨矿成矿过程中循环沉积作用较弱, 变质原岩以陆源物质为主, 成矿环境属弱还原沉积变质环境。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 含石墨黑云斜长变粒岩矿石微量元素含量蛛网图Fig.5 Trace elements spider diagram of graphite-bearing biotite plagioclase granulite ore

松树沟一带石墨矿含矿岩石的稀土含量较高(表2), 变化范围较广, 铕负异常明显, δ Eu平均值为0.61; 铈异常不明显, δ Ce平均值为1.16; ∑ REE含量为66.79× 10^-6~4 947.72× 10^-6, 平均为744.05× 10^-6, 明显高于上地壳总量平均值; 轻稀土曲线较陡, 呈右倾趋势, LREE含量平均值为704.07× 10^-6; 重稀土段显示平缓, 具微发散特征, HREE含量平均值为39.98× 10^-6; LREE/HREE平均值为17.61, 反映出分馏不明显或较弱的特征。从稀土配分曲线图(图6)中可以看出, 大部分样品向右倾斜, 并且呈现几乎平行的特征, 表明稀土含量的变化大致同步, 曲线总体呈现两段式, 从Eu处明显分开; 松树沟一带石墨矿原岩具有一定的相似性, 原岩为沉积岩经过长期的化学风化作用或者含水溶液的溶解作用导致Eu²⁺流失, 造成铕负异常明显, 其成矿环境更有可能为浅海相沉积环境。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 松树沟石墨矿床黑云斜长变粒岩矿石稀土元素配分曲线图[11]Fig.6 Rare earth elements pattern of biotite plagioclase granulite ore in Songshugou graphite deposit[11]

依据(al+fm)-(c+alk)-Si图解^[12], 松树沟石墨矿样品数据投点分布如图7所示, 大部分样品数据落在厚层泥岩范围内, 综上分析表明松树沟石墨矿区变质原岩为富碳质和富铝质的泥质碎屑岩, 反映出原岩形成环境总体为准稳定地理环境。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 黑云斜长变粒岩矿石(al+fm)-(c+alk)-Si图解Fig.7 Diagram of (al+fm)-(c+alk)-Si of biotite plagioclase granulite ore

由DF函数判别式^[12]可知: DF> 0, 为正变质岩; DF< 0, 为副变质岩。由表2可知, 所有的含石墨黑云母斜长变粒岩的DF值均< 0, 为副变质岩。

根据岩石组合特征和区域地质情况初步分析, 本区集宁岩群下白窑岩组原岩以泥质碎屑岩为主, 夹基性与中性火山岩及含炭泥质碎屑沉积岩、含泥质碎屑沉积岩及碳酸盐沉积岩等, 属沉积(主)-火山(次)建造类型, 主体形成于挤压机制下的洋内岛弧火山-陆棚浅海盆地构造环境。

区域上, 根据碎屑锆石及重结晶锆石年龄测试结果, 华北古陆北缘孔兹岩系的沉积时代为1 900~2 100 Ma, 此后经历了多期变质作用^[13]。兴和黄土窑石榴斜长片麻岩获得锆石U-Pb年龄为(1 970± 10) Ma, 表明石墨变质成矿作用开始于1.97 Ga, 现今石墨经过多期变质成矿叠加而成^[14]。在东邻区赤城伙房村一带, 崇礼岩群变质基性岩石中获得Sm-Nd年龄为2 891 Ma、2 894 Ma^[15], 集宁岩群的形成时限分析在一次大的构造运动发生之后处于相对宁静或稳定时期, 又有新的地质体形成。本区集宁岩群就是吕梁构造运动主期之后新形成地质体的典型代表。

松树沟石墨矿源层原始沉积主要为富含有机质的泥质或黏土质沉积碎屑岩。在区域变质作用的高温高压环境下, 原始沉积的生物碎屑先变成石墨晶核, 然后晶核聚集结晶形成石墨, 随着热动力作用活动的进行和加强, 石墨鳞片由小变大, 杂质不断得到清除, 石墨质量不断提高, 进而形成鳞片状石墨晶体, 而其周围的含钙泥质沉积岩在区域变质逐渐增强的过程中, 在复杂的物理化学条件下分解成一定数量的游离碳, 游离碳及原来的石墨晶体经过交代和重结晶作用, 致使石墨鳞片富集和增大, 从而形成现在的松树沟石墨矿床。