張興康，樊玉朋，靳 松，賈正海

(河北省地質(zhì)調(diào)查院，石家莊 050081)

0 引言

近年來，石墨由于特殊的性質(zhì)，一直是軍工與現(xiàn)代工業(yè)及高、新、精技術(shù)發(fā)展中不可或缺的重要戰(zhàn)略資源[1-2]。在2013年的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及投資論壇上，國(guó)際業(yè)內(nèi)專家預(yù)言“20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，21世紀(jì)將是碳的世紀(jì)”。華北陸塊北緣中段石墨成礦帶是我國(guó)重要石墨礦成礦區(qū)帶[3-4]。該石墨成礦帶橫跨內(nèi)蒙古西部至河北北部。冀北地區(qū)位于華北陸塊北緣石墨成礦帶的東部[5-6]。近年來冀北地區(qū)石墨資源勘查開發(fā)突飛猛進(jìn)，先后發(fā)現(xiàn)了張北縣義哈德大型石墨礦、尚義縣松樹溝石墨礦以及康?？h的后大興德石墨礦、萬隆店石墨礦、后坊子石墨礦等多個(gè)石墨礦[7-9]。

后坊子石墨礦是近兩年在冀西北地區(qū)康?？h土城子一帶新發(fā)現(xiàn)的一區(qū)域變質(zhì)型石墨礦。前人對(duì)后坊子石墨礦的研究程度較低，主要集中在地質(zhì)特征的研究[10]，而對(duì)后坊子石墨礦的礦體特征、礦石特征、成礦物質(zhì)來源和礦床成因方面研究較少。本文通過總結(jié)分析前人的研究成果并利用巖礦鑒定、激電中梯剖面測(cè)量及探槽工程等手段，探討了后坊子石墨礦的成礦地質(zhì)特征和礦體特征，分析了礦床成因，為查明冀西北地區(qū)石墨礦的礦床成因和成礦規(guī)律提供了一定的參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

冀西北土城子一帶位于華北陸塊北緣石墨成礦帶中部康?；鹕?沉積盆地(圖1(a))[10]，處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))內(nèi)蒙臺(tái)背斜(Ⅱ級(jí))陰山臺(tái)拱(Ⅲ級(jí))土城子臺(tái)凸(Ⅳ級(jí))的中北部[11]。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為新太古界烏拉山巖群變質(zhì)巖系、古元古界紅旗營(yíng)子群變質(zhì)巖系、中—新元古界沉積巖系以及新生界第四系松散堆積物等，局部地段發(fā)育中生界侏羅系陸相火山沉積建造[11-15](圖1(b))。含礦地層主要為古元古界紅旗營(yíng)子群東井子巖組，變質(zhì)程度達(dá)低角閃巖相。地層多被古元古代晚期變質(zhì)巖體侵入，褶皺構(gòu)造發(fā)育，混合巖化作用以鉀交代為特征。

1.第四系；2.新近系；3.白堊系大北溝組；4.侏羅系滿克頭鄂博組；5.侏羅系張家口組；6.中—新元古界化德群；7.古元古界紅旗營(yíng)子群東井子巖組；8.新太古界烏拉山巖群；9.早侏羅世二長(zhǎng)花崗巖；10.二疊紀(jì)花崗巖；11.晚古生代花崗巖；12.晚泥盆世變質(zhì)二長(zhǎng)花崗巖；13.地質(zhì)界線；14.斷層；15.省界；16.石墨礦；17.研究區(qū)范圍；康保褶皺束；土城子臺(tái)凸；大青溝新臺(tái)凹

區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不明顯，斷裂十分發(fā)育。區(qū)內(nèi)分布多條NEE—EW、NE—NNE、NW向斷裂，規(guī)模一般較小，如孟家營(yíng)子斷層、后坊子斷層等。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖較為發(fā)育，主要有元古宙變質(zhì)中細(xì)粒斑狀二長(zhǎng)花崗巖，二疊紀(jì)中、細(xì)粒斑狀二長(zhǎng)花崗巖和早侏羅世中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、花崗斑巖等。脈巖受斷裂構(gòu)造控制比較明顯，多為花崗細(xì)晶巖脈、石英脈、閃長(zhǎng)玢巖脈和堿性巖脈等。

區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源比較豐富，已發(fā)現(xiàn)的礦種有鎢、鉛鋅、銅、鉻、鈮鉭、煤、石膏、螢石和石墨等[16]。通過分析區(qū)內(nèi)石墨礦、稀有金屬礦、螢石礦和高純石英礦的成礦條件，認(rèn)為區(qū)內(nèi)具有優(yōu)越的成礦條件[17]。

2 礦床地質(zhì)特征

后坊子石墨礦位于康?？h東部后坊子村一帶，地表礦體的揭露工作顯示礦體規(guī)模較大。礦區(qū)地層主要有古元古界紅旗營(yíng)子巖群東井子巖組和新生代第四紀(jì)地層(圖2)。東井子巖組主要巖性為石榴斜長(zhǎng)淺粒巖、石榴二長(zhǎng)淺粒巖、石榴黑云斜長(zhǎng)變粒巖，其次是透閃透輝大理巖夾少量石英巖及透鏡狀含石墨透輝大理巖，為主要的含礦地層。地層整體走向?yàn)镹E向，傾向200°～270°，傾角70°～80°。

1.第四系；2.新近系；3.東井子巖組；4.石墨大理巖；5.早侏羅世花崗巖；6.輝綠巖脈；7.閃長(zhǎng)玢巖脈；8.花崗斑巖脈；9.地層界線；10.斷層及編號(hào)；11.產(chǎn)狀；12.激電剖面；F1.孟家營(yíng)子斷層；F2.后坊子斷層；F3.孟秦家營(yíng)子斷層；F4.閻油坊斷層

區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，主要出露斷層有孟家營(yíng)子斷層、后坊子斷層、孟秦家營(yíng)子斷層和閻油坊斷層(圖2)。其中，孟家營(yíng)子逆斷層出露約3.70 km，寬150～350 m，走向?yàn)镹E，傾向NW；后坊子斷層由多個(gè)斷層面組成，走向NE，傾向NW，出露長(zhǎng)6.4 km，寬30～100 m。斷層擠壓破碎嚴(yán)重，破碎帶多發(fā)育糜棱巖化片理以及絹云母化、硅化和綠泥石化等。

區(qū)內(nèi)巖漿巖多為花崗斑巖脈、輝綠巖脈、閃長(zhǎng)玢巖脈和二長(zhǎng)斑巖脈。在礦區(qū)北部外圍土城子一帶有大面積中?；◢弾r出露。

3 樣品采集和技術(shù)方法

采集了新鮮的后坊子石墨礦中的石墨大理巖。石墨大理巖呈淺灰白色，中—粗粒變晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，由方解石、白云石、石墨及少量暗色礦物組成。本次的巖礦鑒定工作由廊坊市誠(chéng)信地質(zhì)服務(wù)有限公司完成，主要分析了礦石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及石墨的片度等。

對(duì)紅旗營(yíng)子巖群東井子巖組的含石墨地層進(jìn)行激電中梯剖面測(cè)量及探槽工程揭露等。激電中梯剖面測(cè)量使用DWJ-3型微機(jī)激電儀，供電周期16 s，占空比1∶1，供電脈寬±4 s，迭加次數(shù)2次；AB距1 200 m，點(diǎn)距20 m，精度要求為背景場(chǎng)區(qū)視極化率的均方誤差≤±0.21%，異常場(chǎng)區(qū)視極化率的均方相對(duì)誤差≤±7%，視電阻率的均方相對(duì)誤差≤±12%。在工作過程中，應(yīng)注意供電電極盡量保持點(diǎn)位準(zhǔn)確和接收機(jī)的一致性標(biāo)定。利用探槽工程揭露地表基巖，用以觀察地質(zhì)界面產(chǎn)狀、礦化蝕變情況，并刻槽取樣分析基巖含礦品位。探槽深度以揭露至新鮮基巖0.3～0.5 m深為宜，最大槽深不得超過3 m，槽底寬不小于0.8 m，見新鮮基巖不小于0.3 m。

4 激電中梯異常特征

區(qū)域內(nèi)物性標(biāo)本電參數(shù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：非礦化巖石的視極化率一般較低，視極化率約為1%；石墨礦化使區(qū)內(nèi)巖石視極化率明顯大于非礦化巖石，視極化率在4.91%～6.10%之間。同類巖石石墨化程度不同使其電性產(chǎn)生很大差異，既反映了不同巖礦石的電性特征，也反映了巖石礦化程度[18]。

礦區(qū)內(nèi)激電中梯剖面跨越含石墨大理巖層達(dá)到圍巖，測(cè)量結(jié)果顯示圍巖及無礦化大理巖中視極化率(ηs)背景值為1%～2%，以ηs值4.91%圈定異常，異常寬度達(dá)240 m，異常值高而且穩(wěn)定；視電阻率(ρs)在181～490 Ω·m，硅化脈處達(dá)659 Ω·m。異常高值段與石墨大理巖完全吻合，地表硅化脈處發(fā)育零星褐鐵礦化，但規(guī)模很小，而石墨礦化強(qiáng)烈、穩(wěn)定，與激電異常套合較好，石英脈處電阻率明顯增高，而兩側(cè)急劇降低，這也反映了硅化規(guī)模較小，硫化物不成規(guī)模。因此，研究區(qū)呈現(xiàn)的“中低阻、高極化”特征反映了石墨礦化強(qiáng)烈、穩(wěn)定且成礦規(guī)模較大(圖3)。

圖3 后坊子石墨礦激電中梯剖面(A—A′)

5 礦體特征

礦體主要賦存于東井子巖組的厚層含石墨大理巖中。含石墨大理巖出露長(zhǎng)度約6 km，寬100～1 000 m，含礦地層規(guī)模較大。礦體受地層控制明顯，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，走向NE，傾向NNW，傾角為75°～80°，局部褶曲。

含石墨大理巖為淺灰色，中—粗粒變晶結(jié)構(gòu)，塊狀、似層狀構(gòu)造(圖4)。礦石成分主要為方解石、白云石、石墨、透輝石以及少量暗色礦物等。石墨呈鱗片狀，大小0.2～2 mm，呈星散狀分布在大理巖中，石墨集合體呈條紋狀，略定向分布，含量為1%～10%。受到重熔分異作用、混合巖化作用的影響而形成的混合巖化花崗巖、花崗質(zhì)巖脈、石英細(xì)脈(偉晶巖脈)周圍，變質(zhì)程度越高，石墨鱗片往往越大。圍巖蝕變主要為碳酸鹽化、絹云母化、綠泥石化，螢石化、高嶺土化、黝簾石化和褐鐵礦化等。地表具有褐鐵礦化的地段，石墨鱗片加大呈塊狀，同時(shí)含量也增高。

圖4 后坊子石墨礦礦石照片

在地表施工的探槽中，可見厚度不等的石墨礦體，礦體厚度為15.0～26.9 m，測(cè)試的固定碳含量為1.42%～3.28%，礦體延伸約5 200 m，沿走向、傾向的延伸和厚度較大且相對(duì)穩(wěn)定。礦石樣品的鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示：石墨原始片度>0.3 mm的占石墨鱗片的40%～52%；0.19～0.3 mm的占石墨鱗片的13%～26%；0.15～0.18 mm的占石墨鱗片的11%～15%；<0.15 mm的占石墨鱗片的17%～27%(表1)。

表1 后坊子石墨粒度分布頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

綜上，后坊子石墨礦礦體穩(wěn)定，成礦規(guī)模較大，具有成為大型石墨礦床的潛力。

6 礦床成因

石墨礦床多是富有機(jī)質(zhì)的沉積地層發(fā)生變質(zhì)作用形成的，石墨礦床的形成要具備2個(gè)條件[3,19]: 一是地層沉積時(shí)富含大量的有機(jī)質(zhì)；二是沉積地層發(fā)生較為強(qiáng)烈的變質(zhì)作用。

6.1 碳質(zhì)來源

區(qū)內(nèi)石墨礦主要賦存于東井子巖組的石墨大理巖中。東井子巖組的巖性主要為石榴斜長(zhǎng)淺粒巖、石榴黑云斜長(zhǎng)變粒巖，其次是透閃透輝大理巖夾少量石英巖及透鏡狀含石墨透輝大理巖。前人對(duì)華北陸塊北緣石墨成礦帶中的石墨礦石進(jìn)行的原巖建造分析認(rèn)為，變粒巖、長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖、富鋁片麻巖等原巖以半黏土質(zhì)、泥質(zhì)、粉砂質(zhì)巖類為主。原巖正變質(zhì)巖較少反映火山活動(dòng)微弱，沉積巖中黏土質(zhì)成分顯著增多反映了一種相對(duì)寧?kù)o的陸棚淺海環(huán)境[6,20]。區(qū)域變質(zhì)石墨礦的原巖建造多為含碳質(zhì)半黏土質(zhì)、泥砂質(zhì)巖-中基性火山巖-碳酸鹽巖建造[21-23]。

綜合研究可推斷，后坊子石墨礦的原始大地構(gòu)造環(huán)境屬于相對(duì)寧?kù)o的陸棚淺海環(huán)境，這為后坊子石墨礦的碳質(zhì)提供了來源。碳質(zhì)部分來源于含碳質(zhì)半黏土質(zhì)、泥砂質(zhì)巖-碳酸鹽巖建造中。在區(qū)域變質(zhì)由綠片巖相達(dá)到角閃巖相過程中，脫碳作用釋放出大量CO2，CO2經(jīng)過還原作用，析出一部分游離碳，并與原來的有機(jī)碳疊加，共同成為石墨礦化的物源[24-25]。因此，石榴斜長(zhǎng)淺粒巖、石榴黑云斜長(zhǎng)變粒巖和含石墨大理巖提供了后坊子石墨礦的物源。

紅旗營(yíng)子巖群原巖以海相碎屑巖夾碳酸鹽巖為特征，遭受了呂梁旋回的構(gòu)造-熱事件影響，發(fā)生區(qū)域變質(zhì)作用、混合巖化作用改造。含有碳質(zhì)的泥質(zhì)、含砂泥質(zhì)沉積巖、黏土巖在區(qū)域變質(zhì)作用的高溫高壓環(huán)境下，碳元素結(jié)晶形成鱗片狀石墨晶體，富含碳質(zhì)的巖層則形成石墨礦層。區(qū)域變質(zhì)是本礦區(qū)石墨礦床的主要成礦作用，混合巖化作用是石墨礦床的補(bǔ)充成礦作用。

6.2 成礦模式

華北陸塊北緣石墨成礦帶上的石墨礦屬于區(qū)域變質(zhì)型，區(qū)域變質(zhì)、混合巖化作用是影響成礦的主要因素。華北陸塊北緣石墨成礦帶的石墨礦是多期變質(zhì)疊加的結(jié)果，主成礦期是呂梁期[6]。

關(guān)于區(qū)域變質(zhì)型石墨的成因模型一般認(rèn)為有3個(gè)成礦階段[1]：第一階段原始含碳質(zhì)半黏土質(zhì)、泥砂質(zhì)巖-中基性火山巖-碳酸鹽巖建造的沉積階段；第二階段構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成原始沉積巖發(fā)生區(qū)域變質(zhì)變形作用下，使得有機(jī)質(zhì)變質(zhì)成石墨；第三階段是變質(zhì)地層折返剝蝕到地表并保存下來(圖5)。

1.古元古界；2.新太古界；3.古—中太古界；4.大理巖；5.變質(zhì)巖系；6.混合花崗巖；7.斷層；8.石墨礦體；9.石墨富礦

Houfangzigraphitedeposit[1]

后坊子石墨礦床的形成過程推測(cè)為富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)或黏土質(zhì)沉積巖，在區(qū)域變質(zhì)作用的過程中，含碳酸鹽原巖建造在經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用的影響下，形成細(xì)小鱗片狀石墨晶體。在區(qū)域變質(zhì)的過程中，巖石發(fā)生重結(jié)晶、重組合及變形作用進(jìn)而脫碳，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，游離碳與原來的石墨晶體疊加，并促使發(fā)生了石墨重結(jié)晶，在一定的條件下聚集成鱗片狀石墨。后期的巖漿活動(dòng)及混合巖化作用引起圍巖的溫度增高，致使石墨晶片隨脈石礦物顆粒增大而增大，并在大理巖中遷移富集形成了星點(diǎn)狀的石墨礦體。

7 結(jié)論

(1)后坊子石墨礦礦體受地層控制明顯，主要賦存于紅旗營(yíng)子群東井子巖組的厚層含石墨大理巖中，紅旗營(yíng)子群東井子巖組可以作為直接找礦標(biāo)志。

(2)后坊子石墨礦激電異常呈現(xiàn)“中低阻、高極化”的特征，礦體穩(wěn)定，成礦規(guī)模較大，礦床具有成為大型石墨礦床的潛力。

(3)后坊子石墨礦的成礦物質(zhì)主要來源于東井子巖組變粒巖和含石墨大理巖，區(qū)域變質(zhì)是后坊子石墨礦床的主要成礦作用，后期的巖漿活動(dòng)及混合巖化作用使得石墨晶體增大、富集。