地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 198-205
引用本文
丁正云, 曹代勇, 王路, 彭扬文, 李阳, 陈泉霖, 邓瑞锦, 林晓炎. 福建漳平可坑矿区煤系石墨赋存规律研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 198-205.
DING Zhengyun, CAO Daiyong, WANG Lu, PENG Yangwen, LI Yang, CHEN Quanlin, DENG Ruijin, LIN Xiaoyan. STUDY ON OCCURRENCE REGULARITY OF COAL-BASED GRAPHITE IN KEKENG MINING AREA IN ZHANGPING, FUJIAN PROVINCE[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 198-205.
福建漳平可坑矿区煤系石墨赋存规律研究
丁正云1 , 曹代勇1 , 王路1 , 彭扬文1 , 李阳1 , 陈泉霖2 , 邓瑞锦2 , 林晓炎2     
1. 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083;
2. 福建省煤田地质勘查院, 福建 福州 350005
摘要:漳平可坑矿区地处福建省中部含煤条带,赋存有丰富的高变质无烟煤,有较好的煤系石墨资源前景,是福建重要的石墨成矿区。为了查明可坑矿区煤系石墨的赋存规律,利用X射线衍射、拉曼光谱等技术,结合矿区岩浆活动和构造运动,对煤成石墨结构演化特征、煤成石墨化作用机制和控制因素进行了研究。结果表明煤系石墨是岩浆热和构造应力共同作用的产物,在煤成石墨化过程中,岩浆热产生的高温促进芳香层相互连接和横向增长,构造应力有利于芳香层的择优定向和有序堆叠,煤成石墨结构在温度、应力等因素作用下,碳层间结构缺陷逐渐消亡,石墨晶格逐渐形成,微观相逐渐转变,最终形成比较完善的石墨结构。研究明确了矿区构造和岩浆岩侵入对煤成石墨化作用的影响,划分了构造动力—岩浆热变质带、岩浆热—构造变质带、构造动力变质带三个变质带和三级控矿断裂带。可坑矿区煤系石墨产于构造动力—岩浆热变质带中,矿层靠近岩体呈近东西走向的单斜层状、似层状展布,但矿床的展布不完全受制于岩体,在空间上也受三级控矿断裂带的控制。
关键词煤系石墨    构造    岩浆活动    赋存规律    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.018     文章编号:1006-6616(2019)02-0198-08
STUDY ON OCCURRENCE REGULARITY OF COAL-BASED GRAPHITE IN KEKENG MINING AREA IN ZHANGPING, FUJIAN PROVINCE
DING Zhengyun1 , CAO Daiyong1 , WANG Lu1 , PENG Yangwen1 , LI Yang1 , CHEN Quanlin2 , DENG Ruijin2 , LIN Xiaoyan2     
1. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;
2. Fujian Provincial Coalfield Geological Exploration Institute, Fuzhou 350005, Fujian, China
Abstract: Zhangping Kekeng mining area is located in the coal-bearing belt in the central part of Fujian Province. It contains abundant high-metamorphic anthracite and has good prospects for coal-based graphite resources. It is an important graphite metallogenic area in Fujian Province. In order to find out the occurrence regularity of coal-bearing graphite in Kekeng mining area, the structural evolution characteristics of coal-forming graphite, the mechanism of coal-forming graphitization and the controlling factors were studied by X-ray diffraction, Raman spectrum, combined with magmatic activities and tectonic movements in the mining area. The results show that coal-based graphite is the product of magmatic heat and tectonic stress. In the process of coal-forming graphitization, the high temperature generated by magmatic heat promotes the interconnection and lateral growth of aromatic layers, and tectonic stress is beneficial to the preferential orientation and orderly stacking of aromatic layers. Under the influence of temperature, stress and other factors, the defects of carbon interlayer structure disappear gradually, graphite lattice forms and micro-phase changes; eventually a relatively perfect graphite structure is formed. The influence of tectonics and magmatic intrusion on coal-forming graphitization is clarified. Three-grade ore-controlling fault zones and three metamorphic belts are classified, which are tectonic dynamics-magmatic thermal metamorphic belt, magmatic thermal-tectonic metamorphic belt and tectonic dynamic metamorphic belt. The coal-based graphite in the Kekeng mining area is produced in tectonic dynamics-magmatic thermal metamorphic belt, and the ore-bearing layer is close to the rock mass with a monoclinic layered and layer-like distribution with approximately E-W strike; however, the distribution of ore deposits is not only controlled by rock mass but also controlled by three-grade ore-controlling faults in space.
Key words: coal-based graphite    structure    magmatic activity    occurrence regularity    
0 引言

煤系石墨是煤及煤系炭质页岩等在岩浆热接触变质及构造变质作用下形成的,多为隐晶质石墨[1]。与晶质石墨相比,同样具有耐高温性、导电性、导热性、润滑性和化学性能稳定等良好特性,是冶金、化工、机械、纺织等行业重要的工业矿物原料。随着晶质石墨矿资源的日益枯竭,煤系隐晶质石墨的开发利用越来越受到重视[2]。但是,目前对于煤系石墨成矿机制的认识不够深入,导致对其赋存规律不清楚,严重影响了煤系石墨的勘探开发,中国每年开采的煤系石墨约50%被当作无烟煤燃烧利用,造成资源的极大浪费[3]

漳平可坑矿区位于福建省中部含煤条带龙岩—永定煤田,煤系资源丰富,几乎都是高变质无烟煤,煤的变质受到了不同期次、不同阶段岩浆岩侵入和构造运动的叠加影响,有较好的煤系石墨资源前景,是福建省重要的石墨成矿区。文章通过对可坑矿区煤成石墨结构特征的分析,结合矿区岩浆活动和构造运动,探讨煤向石墨演化的作用机制和控制因素,揭示可坑矿区矿体及矿床地质特征、煤系石墨矿体赋存形态及空间展布规律,为矿山勘探开发及利用提供有利依据。

1 矿区地质特征

漳平可坑石墨矿位于华南褶皱带东部,闽西南拗陷带广平—龙岩复式向斜西南部,区域断裂带政和—大浦断裂带西侧,距离政和—大浦断裂带4.7 km,区域主构造线方向为北北东向。区内地质构造复杂,与区域性构造运动相伴生的岩浆活动频繁,侵入岩出露面积大,分布广泛,由于多期构造运动、火山活动和岩浆侵入,为石墨矿床的形成提供了良好的成矿条件。

矿区内地层呈单斜层状产出,走向总体近东西向,倾向由北东向转至北北西向,倾角变化较大,浅部陡,向深部渐变缓。出露的地层有二叠系下统文笔山组(P1w)、二叠系下统童子岩组(P1t)、二叠系上统翠屏山组(P2cp)、二叠系上统大隆组(P2d)、三叠系下统溪口组(T1x)及三叠系上统文宾山组(T3w),地表覆盖有第四系冲洪积及残坡积层(图 1)。

1—泥盆系天瓦组;2—二叠系童子岩组;3—二叠系文笔山组;4—二叠系大隆组;5—二叠系翠屏山组;6—三叠系溪口组;7—三叠系大坑组;8—三叠系文宾山组;9—侏罗系梨山组;10—侏罗系漳平组;11—侏罗系南园组;12—地质界线;13—断层;14—花岗岩;15—花岗斑岩;16—石墨矿体;17—勘探线;18—采样点;19—矿区 图 1 可坑矿区地质简图及采样点 Fig. 1 Geological sketch map and sampling locations of the Kekeng mining area

二叠系下统童子岩组是矿区主要含煤地层,为一套海陆交互相含煤碎屑沉积,由深灰—灰黑色厚—中厚状泥岩、粉砂岩、细砂岩夹煤系石墨矿层组成,区域厚度为480 m左右。受断层切割等影响,其厚度变化较大,与下伏文笔山组为整合接触。区内主要发育两组断裂构造,即北东—南西走向的正断层F1、高角度逆断层F2和北西—南东走向的正断层F3、F4。两组断裂在成矿同期或后期形成,由于其纵横切割,使矿层和局部地层的连续性受到破坏,对石墨矿层影响较大。

矿区范围内无岩浆岩出露,矿区周边构造岩浆活动强烈,岩浆岩较发育,总体呈北东向展布,其分布主要受区域构造控制,不同期或同期不同阶段、不同次侵入岩常沿构造带侵入,构成复式岩体,具有多阶段、多期次活动特点。矿区东南有花岗斑岩脉出露,南部大面积分布印支期、燕山早期侵入的花岗岩,呈岩基产出,侵入二叠—侏罗系地层。岩性以肉红色中细粒似斑黑云母花岗岩为主,部分为灰白色花岗斑岩。

2 分析样品与煤成石墨结构演化特征 2.1 样品基本特征

分析样品采自可坑矿区童子岩组,分别编号KK1,KK2,KK3,KK4,KK5,KK6,KK7,KK8(图 1b)。样品呈刚灰色、灰黑色,金属光泽,块状构造,鳞片状结构。裂隙发育较少,性脆易破碎成小块,构造变形强烈,以揉皱状韧性变形为主。主要组分为石墨,含有少量石英、高岭石和伊利石。按照GB/T212-2008和GB/T214-2007对样品进行工业分析和元素分析,由表 1可知矿区样品固定碳含量为57.18%~82.47%,灰分为11.67%~38.82%,挥发分为3.12%~6.65%,已达到煤系石墨的工业品位。

表 1 煤系石墨样品工业分析和元素分析数据 Table 1 Industry analysis and element analysis data of coal-based graphite samples
2.2 煤成石墨的结构演化特征

煤是短程有序而长程无序的非晶态物质,研究煤变质程度增长过程中芳香晶核的演变趋势与规律,是研究无烟煤石墨化的基础[4]。随着煤化程度加深,煤的缩合芳香体系的芳构化和缩合程度逐渐增高,芳香层的定向性和有序化增强,芳香层叠置、聚集形成更大的芳环叠片[5]

石墨化作用是煤化作用的延续,在温度、压力等因素控制下,高煤级煤中芳香晶核经芳构化、环聚合、拼叠作用向石墨结构发展,碳原子芳香层片结构趋向于石墨,晶格间距d002不断减小,堆砌度(Lc)、延展度(La)不断增大[6],石墨晶格逐渐形成。高煤级煤的红外光谱研究证实,受定向剪切力压力的影响后,侧链的分解和碳网的缩合定位造成了煤的芳香核增大,且La和Lc的大小与碳网的缩合程度呈现出正向变化[7]

可坑矿区煤系石墨样品的X射线衍射图谱如图 2所示,可以看出8个样品都在26°附近出现了明显(002)衍射峰,样品KK1、KK2、KK7、KK8衍射峰峰形趋于尖锐,但峰不对称,低角度衍射峰较宽化,说明其已发生部分石墨化,但仍存在煤的大分子结构,石墨的结晶程度不高;KK3、KK4、KK5、KK6衍射峰收缩变窄,峰形尖锐突出且左右对称,峰强度较高,显示了石墨晶体结构形成,且逐渐规整、近于三维有序。

图 2 煤系石墨样品XRD图谱 Fig. 2 XRD spectra of coal-based graphite samples

一般来说,随着变质程度的增高,煤基本结构单元碳原子面网间距逐渐减小[8],就d002而言,它的极限数值为相应的石墨面网间距0.3354 nm[9]。由表 2可以看出,样品KK3、KK4、KK5、KK6的d002较小,微晶尺寸(Lc、La)均比较大,表明样品中已经有多层延伸较大的碳层有序堆叠,石墨结晶程度好,石墨化程度较高;KK1、KK2、KK7、KK8微晶尺寸增大,出现了一定程度的石墨化。

表 2 煤系石墨样品X射线衍射和拉曼光谱分析数据 Table 2 XRD and Raman spectral analysis data of coal-based graphite samples

陈宣华等[10]对煤系石墨拉曼光谱研究表明在一级拉曼光谱图上存在与缺陷谱峰相应的D峰和石墨固有的层内振动谱峰相应的G峰。如果将石墨碳层看成一完整的晶格区,煤系石墨的碳层间的无规则碳原子区就是整个结构的“缺陷区”,因此石墨化过程就是原生结构缺陷区不断缩小、直至消亡的过程[11]

煤系石墨样品的拉曼图谱如图 3所示,各样品G峰窄而尖锐,强度较高,D峰强度较低,G峰明显高于缺陷峰D峰,在二级拉曼光谱图上出现了反映石墨晶格发育的完善程度的谱峰,表明这些样品已经开始发育石墨三维立体结构。用D峰与G峰的面积比R2(R2=AD/(AD+AG))来表征石墨的结构缺陷发育程度[12],由表 2可以看出其R2值均小于0.5,说明其结构缺陷较少,碳原子排列有序度较高,石墨结构逐渐趋于理想石墨。

图 3 煤系石墨样品的拉曼光谱特征 Fig. 3 Raman spectra of coal-based graphite samples

在煤成石墨化过程中,岩浆热产生的高温增强了分子的能动性,促进芳香层相互连接和横向增长,同时构造应力有利于芳香层的择优定向和有序堆叠,促使其向三维有序结构演化。可坑矿区煤成石墨结构在温度、应力等因素作用下,碳层间结构缺陷逐渐消亡,石墨晶格逐渐形成,微观相逐渐向标准石墨转变,最终形成比较完善的石墨结构[3],矿区煤系石墨结晶程度好,石墨化程度较高。

3 煤成石墨化作用的控制因素

目前研究普遍认为,煤系石墨是煤高变质作用的产物,在煤的变质作用过程中,温度、压力均是影响变质作用的重要因素。石墨化作用是煤化作用的延伸,其控制因素包括矿源层、高温和构造(应力)[3]。王路等[13]结合地质环境,比较煤和石墨的高温高压模拟实验,认为煤向石墨的演化受到温度、应力、煤岩组分等因素的共同影响。Kwiecinska对不同煤和石墨样品的X射线衍射和拉曼光谱对比研究表明,温度和压力在含碳材料的结构趋于有序化并向石墨方向发展的过程中起着重要作用[14]。煤系石墨是岩浆热和构造应力共同作用的产物,在构造—热的共同作用下,煤向石墨的演化才得以发生。

3.1 温度对煤成石墨化作用的影响

影响煤变质作用和石墨化作用的关键因素是温度,要达到一定石墨化程度,需要达到能发生相应石墨化作用的能量。高温为原子重排、重结晶、结构转化提供了活化能[13],对煤的石墨化过程起着主导作用。岩浆岩侵入地层,产生高温,为煤的热接触变质作用提供了热量。安江华等[15]对鲁塘石墨矿床的成矿模式研究发现,煤成石墨的产出与煤层距离岩浆体的远近相关,随着与岩体距离由近及远,呈现出石墨→半石墨或石墨化无烟煤→无烟煤的分带性。

可坑矿区南部多期次、多阶段侵入的岩浆岩是区内煤层变质为隐晶质石墨的主要热源,随着与岩浆岩体的距离由远及近,围岩温度从接触带向外由高到低依次下降,围岩受到不同程度的热接触变质作用。通过对矿区围岩和矿层变质特征的研究,可大致划分为构造动力—岩浆热变质带、岩浆热—构造变质带、构造动力变质带三个变质带,以侵入岩体为中心由内向外呈环带状分布,出现不同类型的变质岩(图 4)。

1—构造动力—岩浆热变质带;2-岩浆热—构造变质带;3—构造动力变质带;4—石墨矿体;5—花岗岩 图 4 变质带与矿体关系示意图 Fig. 4 Diagram of the metamorphic belt and the ore body

构造动力—岩浆热变质带紧靠岩浆岩体,其范围约500 m,围岩和煤层受到印支期和燕山期岩浆岩侵入体的多次加热发生多次热接触变质。变质带常见红柱石化、绢云母角岩化等现象,栖霞组灰岩大理岩化强烈,童子岩组及文笔山组岩层有不同程度的重结晶,石英砂岩变质成石英岩。同时,岩浆侵入和构造运动产生的应力形成了一个局部应力场,受应力作用挤压变形,煤层出现流变特征,呈现出揉皱变形等韧性变形,反应了动力变质作用的影响。在构造动力—岩浆热变质带中,以岩浆热为主,是煤变质成石墨的主要因素,同时构造应力作用有利于煤的石墨化进程,岩浆热叠加动力变质,促进了煤中有机质、结构的演化,煤的石墨化程度较高,煤层石墨化较完全,矿区煤系石墨主要产于该带中。

岩浆热—构造变质带受构造和岩浆热的双重影响,其温度和压力较构造动力—岩浆热变质带低。岩石受岩浆热影响发生变质,影响范围100 m左右,变质带内泥岩绢云母板岩化、砂岩绢云母角岩化现象,同时受构造影响,岩石破碎,具片理化。煤成石墨化的热源主要来自于岩浆岩体侵入时的高温热液气,与煤层未直接接触,断裂带又成为岩浆岩体的散热通道,岩体热量的对煤系地层的影响范围有限,应力的催化作用较弱,煤层半石墨化,主要形成半石墨—石墨。

构造动力变质带内普遍发育缓倾角断层,围岩主要以构造变形为主,影响范围约300 m,可见一些云母角岩化泥岩、变质砂岩。煤变质热源主要来自于顺层侵入或沿断层侵入的岩脉,影响范围小,热变质作用程度较弱,同时,断裂构造的发育破坏了热源的连续性,煤的石墨化程度不高,形成高变质无烟煤或石墨化无烟煤。

3.2 构造对煤成石墨化作用的影响

虽然温度对煤的石墨化过程起着主导作用,但构造对煤成石墨化作用的影响也不可忽视。杨起等[16]认为,在高温和构造剪应力共同作用下,煤变质演化成半石墨、石墨,与在高温和低压条件下形成的天然焦迥然不同,天然焦虽然变质程度很高,却没有显示碳层微观结构有序化特征。构造应力可以促进煤的演化,不仅促使煤大分子结构芳构化增强,还可促进其大分子结构的定向排列,尤其是剪切应力的作用更加明显。曹代勇等[17~18]根据以往研究成果指出剪切应力会引起煤结构裂解、聚合、异构、芳构等多种化学效应,提出了应力降解机制和应力缩聚机制,强调构造应力在煤化作用中促进基本结构单元有序的“催化”意义。

可坑矿区位于闽西南拗陷带,区域性主干断裂政和—大浦断裂带西侧,构造活动强烈,矿区煤系石墨在空间上受断裂带控制,表现出多级的特点。政和—大浦断裂带是矿区煤系石墨的Ⅰ级控矿断裂,经过多期构造活动,断裂带的发育控制了岩浆岩体的侵入活动,为岩浆热液的导通提供了良好的通道,同时构造运动引起的构造应力变质作用也能加深石墨化程度。矿区周围及区内北西—南东向、北东—南西向两组断裂为Ⅱ级控矿断裂,对矿区地层连续性,与煤系石墨成矿有关的岩浆活动等都起着制约作用。既作为岩浆热的导热通道也作为煤系地层热变质的隔热层,起到保温作用,减少热量的散失,其产生的应力作用也有利于煤的石墨化作用进程。矿层和矿层边缘发育的断层是Ⅲ级控矿断裂,由于矿层较软且石墨是良好的润滑剂,其往往作为应力的释放层被改造,发生挤出、运移与聚集富化作用[3]

4 煤系石墨赋存规律

漳平可坑矿区煤系石墨是含煤地层在岩浆热接触变质及构造变质作用下形成的,其复杂的赋存状态与岩浆活动、构造作用等多种因素有关,从煤成石墨化作用机制入手开展研究有利于查明煤系石墨的赋存规律。可坑矿区煤系石墨矿体赋存于二叠系下统童子岩组第三段含煤地层中(图 5),矿区南部大面积侵入的岩浆岩是煤变质成石墨的主要原因,石墨矿层在横向和纵向上的分布都受侵入岩体的影响,产于岩浆热变质带之中,靠近岩体呈近东西走向的单斜层状、似层状展布,靠近矿体产状与围岩地层产状基本一致,受煤层层位的严格控制。距离岩浆体越近,变质程度越高。

1—二叠系童子岩组;2—二叠系文笔山组;3—二叠系大隆组;4—二叠系翠屏山组;5—三叠系溪口组;6—石墨矿体;7—岩浆岩 图 5 矿区1线地质剖面图 Fig. 5 No.1 geological section of the mining area

由于漳平地区地质构造复杂,矿床的展布不完全受制于矿区南部的岩浆岩体,也与褶皱和断裂等构造运动相关,在空间上受断裂带控制,三级控矿断裂带为矿区煤系石墨的形成提供了重要的成矿条件,控制了煤系石墨矿层的赋存形态、产状和厚度的变化,煤系石墨构造变形强烈,以揉皱状韧性变形为主。Ⅱ级断裂中北西—南东向和北东—南西向两组断裂限制了矿层的分布、延伸方向,Ⅲ级断裂也对矿体和岩石产生挤压变形作用,形成透镜状矿体。矿层沿走向延伸较稳定,东西长约1800 m,南北宽约600 m,向北部延伸,产状353°~45°∠39°~52°。其可采区段大多为不规则透镜状,南北倾斜方向长40~60 m,东西走向方向宽14~20 m,不可采区段多呈南北长条夹于两可采区段之间[19]。其余矿层层位及厚度不稳定,常呈鸡窝状、扁豆状等不规则形式赋存。

5 结论

(1) 可坑矿区煤系资源丰富,几乎都是高变质无烟煤,并受到了不同期次、不同阶段岩浆岩侵入和构造的叠加影响,有较好的煤系石墨资源前景,是福建重要的石墨成矿区。

(2) 可坑矿区煤成石墨结构在温度、应力等因素作用下,碳层间结构缺陷逐渐消亡,晶格逐渐形成,近于石墨三维立体结构,石墨结晶程度好,石墨化程度较高,是石墨化比较完全的煤系隐晶质石墨。

(3) 煤系石墨化作用的控制因素主要是高温和构造应力,岩浆岩是区内煤层变质为隐晶质石墨的主要热源,随着与岩浆岩体的距离由近及远,围岩可大致划分为构造动力—岩浆热变质带、岩浆热—构造变质带、构造动力变质带三个变质带,在构造动力—岩浆热变质带中,岩浆热叠加动力变质,促进了煤中有机质结构的演化,煤的石墨化程度高,煤层石墨化较完全,矿区煤系石墨产于该带中;构造也对煤成石墨化作用产生重要影响,三级控矿断裂带为矿区煤系石墨的形成提供了重要的成矿条件。

(4) 石墨矿层靠近岩体呈近东西走向的单斜层状、似层状展布,越靠近岩浆体,变质程度越高。矿床的展布不完全受制于岩体,在空间上也受三级控矿断裂带的控制。

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