近年来, 石墨由于特殊的性质, 一直是军工与现代工业及高、新、精技术发展中不可或缺的重要战略资源^{[1, 2]}。在2013年的石墨烯产业发展趋势及投资论坛上, 国际业内专家预言“ 20世纪是硅的世纪, 21世纪将是碳的世纪” 。华北陆块北缘中段石墨成矿带是我国重要石墨矿成矿区带^{[3, 4]}。该石墨成矿带横跨内蒙古西部至河北北部。冀北地区位于华北陆块北缘石墨成矿带的东部^{[5, 6]}。近年来冀北地区石墨资源勘查开发突飞猛进, 先后发现了张北县义哈德大型石墨矿、尚义县松树沟石墨矿以及康保县的后大兴德石墨矿、万隆店石墨矿、后坊子石墨矿等多个石墨矿^{[7, 8, 9]}。

后坊子石墨矿是近两年在冀西北地区康保县土城子一带新发现的一区域变质型石墨矿。前人对后坊子石墨矿的研究程度较低, 主要集中在地质特征的研究^[10], 而对后坊子石墨矿的矿体特征、矿石特征、成矿物质来源和矿床成因方面研究较少。本文通过总结分析前人的研究成果并利用岩矿鉴定、激电中梯剖面测量及探槽工程等手段, 探讨了后坊子石墨矿的成矿地质特征和矿体特征, 分析了矿床成因, 为查明冀西北地区石墨矿的矿床成因和成矿规律提供了一定的参考。

冀西北土城子一带位于华北陆块北缘石墨成矿带中部康保火山-沉积盆地(图1(a))^[10], 处于中朝准地台(Ⅰ 级)内蒙台背斜(Ⅱ 级)阴山台拱(Ⅲ 级)土城子台凸(Ⅳ 级)的中北部^[11]。

区内出露地层主要为新太古界乌拉山岩群变质岩系、古元古界红旗营子群变质岩系、中— 新元古界沉积岩系以及新生界第四系松散堆积物等, 局部地段发育中生界侏罗系陆相火山沉积建造^{[11, 12, 13, 14, 15]} (图1(b))。含矿地层主要为古元古界红旗营子群东井子岩组, 变质程度达低角闪岩相。地层多被古元古代晚期变质岩体侵入, 褶皱构造发育, 混合岩化作用以钾交代为特征。

图1

Fig.1

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	图1 冀西北大地构造图(a)和土城子一带区域地质简图(b)[11] 1.第四系; 2.新近系; 3.白垩系大北沟组; 4.侏罗系满克头鄂博组; 5.侏罗系张家口组; 6.中— 新元古界化德群; 7.古元古界红旗营子群东井子岩组; 8.新太古界乌拉山岩群; 9.早侏罗世二长花岗岩; 10.二叠纪花岗岩; 11.晚古生代花岗岩; 12.晚泥盆世变质二长花岗岩; 13.地质界线; 14.断层; 15.省界; 16.石墨矿; 17.研究区范围; Ⅳ 11.康保褶皱束; Ⅳ 12.土城子台凸; Ⅳ 22.大青沟新台凹Fig.1 Regional geological map of geotectonics (a) and Tuchengzi area of Northwestern Hebei Province (b) [11]

区内褶皱构造不明显, 断裂十分发育。区内分布多条NEE— EW、NE— NNE、NW向断裂, 规模一般较小, 如孟家营子断层、后坊子断层等。

区域内岩浆岩较为发育, 主要有元古宙变质中细粒斑状二长花岗岩, 二叠纪中、细粒斑状二长花岗岩和早侏罗世中细粒二长花岗岩、花岗斑岩等。脉岩受断裂构造控制比较明显, 多为花岗细晶岩脉、石英脉、闪长玢岩脉和碱性岩脉等。

区域内矿产资源比较丰富, 已发现的矿种有钨、铅锌、铜、铬、铌钽、煤、石膏、萤石和石墨等^[16]。通过分析区内石墨矿、稀有金属矿、萤石矿和高纯石英矿的成矿条件, 认为区内具有优越的成矿条件^[17]。

后坊子石墨矿位于康保县东部后坊子村一带, 地表矿体的揭露工作显示矿体规模较大。矿区地层主要有古元古界红旗营子岩群东井子岩组和新生代第四纪地层(图2)。东井子岩组主要岩性为石榴斜长浅粒岩、石榴二长浅粒岩、石榴黑云斜长变粒岩, 其次是透闪透辉大理岩夹少量石英岩及透镜状含石墨透辉大理岩, 为主要的含矿地层。地层整体走向为NE向, 倾向200° ~270° , 倾角70° ~80° 。

图2

Fig.2

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	图2 后坊子石墨矿地质简图 1.第四系; 2.新近系; 3.东井子岩组; 4.石墨大理岩; 5.早侏罗世花岗岩; 6.辉绿岩脉; 7.闪长玢岩脉; 8.花岗斑岩脉; 9.地层界线; 10.断层及编号; 11.产状; 12.激电剖面; F1.孟家营子断层; F2.后坊子断层; F3.孟秦家营子断层; F4.阎油坊断层Fig.2 Geological map of Houfangzi graphite deposit

区内断层发育, 主要出露断层有孟家营子断层、后坊子断层、孟秦家营子断层和阎油坊断层(图2)。其中, 孟家营子逆断层出露约3.70 km, 宽150~350 m, 走向为NE, 倾向NW; 后坊子断层由多个断层面组成, 走向NE, 倾向NW, 出露长6.4 km, 宽30~100 m。断层挤压破碎严重, 破碎带多发育糜棱岩化片理以及绢云母化、硅化和绿泥石化等。

区内岩浆岩多为花岗斑岩脉、辉绿岩脉、闪长玢岩脉和二长斑岩脉。在矿区北部外围土城子一带有大面积中粒花岗岩出露。

采集了新鲜的后坊子石墨矿中的石墨大理岩。石墨大理岩呈浅灰白色, 中— 粗粒变晶结构, 层状构造, 由方解石、白云石、石墨及少量暗色矿物组成。本次的岩矿鉴定工作由廊坊市诚信地质服务有限公司完成, 主要分析了矿石的矿物成分、结构、构造及石墨的片度等。

对红旗营子岩群东井子岩组的含石墨地层进行激电中梯剖面测量及探槽工程揭露等。激电中梯剖面测量使用DWJ-3型微机激电仪, 供电周期16 s, 占空比1∶ 1, 供电脉宽± 4 s, 迭加次数2次; AB距1 200 m, 点距20 m, 精度要求为背景场区视极化率的均方误差≤ ± 0.21%, 异常场区视极化率的均方相对误差≤ ± 7%, 视电阻率的均方相对误差≤ ± 12%。在工作过程中, 应注意供电电极尽量保持点位准确和接收机的一致性标定。利用探槽工程揭露地表基岩, 用以观察地质界面产状、矿化蚀变情况, 并刻槽取样分析基岩含矿品位。探槽深度以揭露至新鲜基岩0.3~0.5 m深为宜, 最大槽深不得超过3 m, 槽底宽不小于0.8 m, 见新鲜基岩不小于0.3 m。

区域内物性标本电参数测试统计结果表明: 非矿化岩石的视极化率一般较低, 视极化率约为1%; 石墨矿化使区内岩石视极化率明显大于非矿化岩石, 视极化率在4.91%~6.10%之间。同类岩石石墨化程度不同使其电性产生很大差异, 既反映了不同岩矿石的电性特征, 也反映了岩石矿化程度^[18]。

矿区内激电中梯剖面跨越含石墨大理岩层达到围岩, 测量结果显示围岩及无矿化大理岩中视极化率(η _s)背景值为1%~2%, 以η _s值4.91%圈定异常, 异常宽度达240 m, 异常值高而且稳定; 视电阻率(ρ _s)在181~490 Ω · m, 硅化脉处达659 Ω · m。异常高值段与石墨大理岩完全吻合, 地表硅化脉处发育零星褐铁矿化, 但规模很小, 而石墨矿化强烈、稳定, 与激电异常套合较好, 石英脉处电阻率明显增高, 而两侧急剧降低, 这也反映了硅化规模较小, 硫化物不成规模。因此, 研究区呈现的“ 中低阻、高极化” 特征反映了石墨矿化强烈、稳定且成矿规模较大(图3)。

图3

Fig.3

	Figure Option Fig.3 Induced electric medium gradient section (A--A') of Houfangzi graphite deposit'>ViewDownloadNew Window
Fig.3 Induced electric medium gradient section (A--A') of Houfangzi graphite deposit'>	图3 后坊子石墨矿激电中梯剖面(A— A')Fig.3 Induced electric medium gradient section (A--A') of Houfangzi graphite deposit

矿体主要赋存于东井子岩组的厚层含石墨大理岩中。含石墨大理岩出露长度约6 km, 宽100~1 000 m, 含矿地层规模较大。矿体受地层控制明显, 呈似层状、透镜状产出, 产状与围岩基本一致, 走向NE, 倾向NNW, 倾角为75° ~80° , 局部褶曲。

含石墨大理岩为浅灰色, 中— 粗粒变晶结构, 块状、似层状构造(图4)。矿石成分主要为方解石、白云石、石墨、透辉石以及少量暗色矿物等。石墨呈鳞片状, 大小0.2~2 mm, 呈星散状分布在大理岩中, 石墨集合体呈条纹状, 略定向分布, 含量为1%~10%。受到重熔分异作用、混合岩化作用的影响而形成的混合岩化花岗岩、花岗质岩脉、石英细脉(伟晶岩脉)周围, 变质程度越高, 石墨鳞片往往越大。围岩蚀变主要为碳酸盐化、绢云母化、绿泥石化, 萤石化、高岭土化、黝帘石化和褐铁矿化等。地表具有褐铁矿化的地段, 石墨鳞片加大呈块状, 同时含量也增高。

图4

Fig.4

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	图4 后坊子石墨矿矿石照片Fig.4 Mineral photographs of Houfangzi graphite deposit

在地表施工的探槽中, 可见厚度不等的石墨矿体, 矿体厚度为15.0~26.9 m, 测试的固定碳含量为1.42%~3.28%, 矿体延伸约5 200 m, 沿走向、倾向的延伸和厚度较大且相对稳定。矿石样品的鉴定结果统计显示: 石墨原始片度> 0.3 mm的占石墨鳞片的40%~52%; 0.19~0.3 mm的占石墨鳞片的13%~26%; 0.15~0.18 mm的占石墨鳞片的11%~15%; < 0.15 mm的占石墨鳞片的17%~27%(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 后坊子石墨粒度分布频率统计结果 Tab.1 Statistical results for the frequency distribution of graphite particle size 样品号 石墨粒度分布频率/% > 100目 (< 0.15 mm) 100~80目 (0.15~ 0.18 mm) 79~50目 (0.19~ 0.3 mm) < 50目 (> 0.3 mm) B1 19 15 26 40 B2 27 12 13 48 B3 17 11 20 52

表1 后坊子石墨粒度分布频率统计结果 Tab.1 Statistical results for the frequency distribution of graphite particle size

综上, 后坊子石墨矿矿体稳定, 成矿规模较大, 具有成为大型石墨矿床的潜力。

石墨矿床多是富有机质的沉积地层发生变质作用形成的, 石墨矿床的形成要具备2个条件^{[3, 19]}: 一是地层沉积时富含大量的有机质; 二是沉积地层发生较为强烈的变质作用。

6.2 成矿模式

华北陆块北缘石墨成矿带上的石墨矿属于区域变质型, 区域变质、混合岩化作用是影响成矿的主要因素。华北陆块北缘石墨成矿带的石墨矿是多期变质叠加的结果, 主成矿期是吕梁期^[6]。

关于区域变质型石墨的成因模型一般认为有3个成矿阶段^[1]: 第一阶段原始含碳质半黏土质、泥砂质岩-中基性火山岩-碳酸盐岩建造的沉积阶段; 第二阶段构造运动造成原始沉积岩发生区域变质变形作用下, 使得有机质变质成石墨; 第三阶段是变质地层折返剥蚀到地表并保存下来(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 后坊子石墨矿成矿模式[1] 1. 古元古界; 2.新太古界; 3.古— 中太古界; 4.大理岩; 5.变质岩系; 6.混合花岗岩; 7.断层; 8.石墨矿体; 9.石墨富矿Fig.5 Metallogenic model of Houfangzi graphite deposit[1]

后坊子石墨矿床的形成过程推测为富含有机质的泥质或黏土质沉积岩, 在区域变质作用的过程中, 含碳酸盐原岩建造在经过漫长的地质作用的影响下, 形成细小鳞片状石墨晶体。在区域变质的过程中, 岩石发生重结晶、重组合及变形作用进而脱碳, 在复杂的物理化学条件下分解成一定数量的游离碳, 游离碳与原来的石墨晶体叠加, 并促使发生了石墨重结晶, 在一定的条件下聚集成鳞片状石墨。后期的岩浆活动及混合岩化作用引起围岩的温度增高, 致使石墨晶片随脉石矿物颗粒增大而增大, 并在大理岩中迁移富集形成了星点状的石墨矿体。

(1)后坊子石墨矿矿体受地层控制明显, 主要赋存于红旗营子群东井子岩组的厚层含石墨大理岩中, 红旗营子群东井子岩组可以作为直接找矿标志。

(2)后坊子石墨矿激电异常呈现“ 中低阻、高极化” 的特征, 矿体稳定, 成矿规模较大, 矿床具有成为大型石墨矿床的潜力。

(3)后坊子石墨矿的成矿物质主要来源于东井子岩组变粒岩和含石墨大理岩, 区域变质是后坊子石墨矿床的主要成矿作用, 后期的岩浆活动及混合岩化作用使得石墨晶体增大、富集。

(责任编辑: 刘永权)