湖南鲁塘煤系石墨矿区构造格局及控矿机制_王路.pdf

第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY 2. Academy of Coal Geological Survey of Hunan Province, Changsha 410000, China Abstract Lutang mining area, one of the famous coal-based graphite mining areas in China, is controlled by both the magmatic intrusions and tectonic activities. Both the graphitization of coal and occurrence are closely related to the tectonic framework. To study the influence of tectonic activity on the ation of coal-based graphite, based on the filed geological survey, observation under microscope, X-ray diffraction and Raman spectroscopy experi- ments, structural characteristics of the research area and characteristics of coal-based graphite were analyzed. The effect of structural control of ore on the coal-based graphite was discussed in this paper. The tectonic framework of the study area is characterized by divisional and zonal structure due to the influence of regional tectonic activities. Three belts along the EW direction and three zones along the NS direction were divided separately. From the west to the east, the graphitization degree gradually increases with the decreasing distance from the intrusion. From the south to the north, the tectonic deation degree is enhanced, resulting in the closed metallogenic environment in the northern zone which has high temperature and high pressure; moreover, tectonic stress promoted the coal graphitization, causing higher graphitization degree of coal. The complex tectonic condition in the central zone developed different temperature and pressure environment, which induced different graphitization degree of coal. ChaoXing 第 1 期 王路等 湖南鲁塘煤系石墨矿区构造格局及控矿机制 49 In the southern zone, simple tectonic conditions tended to open environment with the result of poor graphiti- zation degree of coal. Semi-graphite occurs only occurred near the intrusion. The research provides a strong and convincing evidence for the exploration of coal-based graphite. Keywords Lutang mining area; coal-based graphite; tectonic framework; structural controll of ore; Qitianling rock mass 煤系石墨又称为煤成石墨，是隐晶质石墨的主 要类型，属于战略性新兴矿产[1-2]。湖南鲁塘矿区是 全国重要的隐晶质石墨煤系石墨产地，素有“石墨 之都”的美称。 前人对鲁塘石墨矿区的研究主要局限 于岩浆热变质作用，曾提出按照与骑田岭花岗岩体 的距离由近及远，呈现石墨半石墨煤渐变关系 的模式[3]，然而鲁塘矿区煤和石墨矿生产实际揭露 的情况表明，上述模式过于简单和理想化，煤系石 墨与无烟煤的过渡关系十分复杂[4]，已经初步认识 到石墨矿分布受褶皱构造的控制，并不完全与距骑 田岭岩体的远近有关[5]。煤成石墨化作用与煤化作 用是一个连续的过程，与煤化作用相同，温度是石 墨化作用的主导因素，但构造作用同样不可忽视， 野外地质研究和室内模拟实验证实了构造变形在煤 系石墨成矿机制中起到的关键作用[2,6-9]。因此，系 统深入地研究鲁塘矿区构造特征及其控矿作用，不 仅可以深化对煤系石墨成矿机制的认识，而且也有 利于查明煤系石墨展布规律，为石墨矿产合理开发 提供科学依据。 1 地质背景 1.1 区域构造背景 鲁塘矿区位于湘东南地区，地处华夏地块与扬 子陆块交界带，经历自加里东时期以来多期次、多 阶段漫长的构造–岩浆活动[10-12]。 湘东南地区以 SEE 向俯冲断裂茶陵–郴州大断裂为界， 分为东部炎陵 –汝城隆起区和西部衡阳–桂阳拗陷区，呈现出东高 西低的趋势。由于多期次大规模的构造–岩浆活动， 导致该区成为钨、锡等多金属成矿有利区，是南岭 多金属成矿带的重要组成部分[13]。 1.2 矿区地质背景 鲁塘矿区位于骑田岭花岗岩体西部，主要含煤 地层为二叠系龙潭组，骑田岭岩体是煤发生石墨化 的主要热源。骑田岭花岗岩体受区域构造影响呈 NNE 向展布，岩浆自燕山早期开始侵入形成，分布 面积达 520 km2， 岩性主要为角闪石黑云母二长花岗 岩、黑云母花岗岩、细粒黑云母花岗岩[14-15]。矿区 主体构造为走向 NNE 的鲁塘–沙田复式向斜向 2， 向斜西翼构造相对简单，地层出露较完整；东翼构 造相对复杂，发育一系列次级断层和褶皱，对煤系 石墨的成矿和分布均有较大影响。矿区内主要有两 组断层，一组为近 EW 向的平移正断层，另一组为 近 SE 或 NNE 向的走向逆断层图 1。 2 矿区构造单元划分 鲁塘矿区经历多期次构造–岩浆活动， 尤其是燕 山期受太平洋板块与印度洋板块挤压影响，构造活 动最为强烈，由 SE 向 NW 的挤压造就了现今的构 造格局，呈现南北分区、东西分带的特征。依据岩 浆热接触变质程度和构造变形强度，由强到弱将研 究区从东到西划分为东部条带、中部条带和西部条 带表 1；以近 NNW 向的 F4 和 F5 断层为界，从北 到南划分为 3 个区，即北部分区、中部分区、南部 分区图 1。 2.1 分带特征 东部条带与骑田岭岩体直接接触， 岩浆热接触 变质程度较高，岩石发生强角岩化，可见变质矿物 空晶石图 2a。岩体侵入产生的挤压应力导致东部 条带地势抬升，构造情况复杂，一方面使前期形成 的褶皱更加复杂化， 另一方面则形成新的断裂和褶 皱，如 F1 和 F7 断层，背 2、向 3、背 3、向 4 褶 皱。 岩石显微构造可见石英动态重结晶和斜长石的 扭折带等塑性变形图 2b、图 2c，指示为高温高压 的环境。 中部条带与骑田岭岩体间接接触，岩浆热接触 变质程度降低，岩石主要出现弱角岩化角岩化， 同时地层受岩体侵入挤压变形强度减弱。中部条带 地形情况相对复杂，受东部条带抬升拉伸，发育 F2 和 F8 等走向与构造线方向相一致的次级断裂。 岩石 显微构造可见晶内裂隙等脆性变形和石英波状消 光、带状消光和变形纹等塑性变形图 2d、图 2e， 说明变质温度压力条件相对东部条带逐渐降低。 西部条带与骑田岭岩体距离相对较远，热接触 变质程度较弱，可见绿泥石化，局部并未见有岩石 变质现象。受岩体侵入的挤压应力较小，地层产状 相对稳定，构造情况简单，不存在明显的断裂和次 级褶皱，显微构造可见方解石的机械双晶图 2f， 反映一种低温低压的变质环境。 2.2 分区特征 北部分区位于 F4 断层北部， 主要位于鲁塘沙田 复向斜北端，受岩体强烈挤压呈狭长形态，并发育 许多次级断裂和褶皱图 3a，如 F8 和 F4 断层，崩 ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 1 鲁塘矿区构造单元划分 Fig.1 Sketch division of tectonic units in Lutang mining area 塘–磨刀水背斜背 3、长沙岭–婆婆岭向斜向 4， 总体上呈现为一种紧闭的形态，且岩石的岩浆热接 触变质程度较高。 中部分区位于矿区的中部， F4 和 F5 断层之间。 中部分区位于鲁塘沙田复向斜中段， 向斜相对开阔， 自东向西构造情况变化显著，东侧发育较多次级断 层和褶皱，西侧构造情况简单，呈现为东侧紧闭、 西侧开阔的形态图 3b。 南部分区位于 F5 断层以南，位于鲁塘沙田复 向斜南端，东翼和西翼构造情况较简单，次级褶皱 和断裂构造不发育， 总体上呈现为一种开阔的形态 图 3c，岩石受岩体侵入的挤压变形强度较弱。 3 构造控矿 3.1 煤系石墨特征 本次样品主要采自鲁塘矿区石墨十矿、九矿等 ChaoXing 第 1 期 王路等 湖南鲁塘煤系石墨矿区构造格局及控矿机制 51 图 2 鲁塘矿区典型变质矿物与显微构造正交偏光 Fig.2 Typical metamorphic minerals and microstructure in Lutang mining area 表 1 构造分带特征表 Table 1 The features of the tectonic zoning 构造分带 与岩体的关系 宏观构造特征 显微构造现象 典型标本 变形环境 东部 直接接触 次级褶皱和断裂发育，构造情况复杂 动态重结晶，扭折现象 D33-2、D18-3、D36 高温高压 中部 间接接触 次级褶皱和断裂较发育，构造情况相对复杂 波状消光和带状消光、变形纹 D1-13、D20-1 中温中压 西部 影响较弱 构造情况简单 方解石机械双晶 D61 低温低压 图 3 鲁塘矿区北部、中部和南部分区剖面示意 Fig.3 The geological section of northern, central and southern zones in Lutang mining area 10 个矿井。由前人研究成果可知，可用 X 射线衍 射和激光拉曼光谱实验参数 d002和 R2分别表征芳 香碳层堆叠间距和分子结构缺陷密度。随着石墨 化程度提高，芳香层逐渐有序排列、堆叠，无序 结构逐渐向有序结构转化，表现为芳层间距 d002 和结构缺陷参数 R2值逐渐减小，依据其石墨化程 度可以划分为煤系石墨、煤系半石墨、石墨化无 烟煤和无烟煤 4 类[5,19-20]。由实验结果可知表 2， 在北部分区，碳层间距 d002值均小于 0.337 0 nm， 芳香层横向和纵向尺寸均较大，结构缺陷参数 R2 为 0.260.33，表明含有的结构缺陷较少，煤的石 墨化程度高，形成具有有序晶体结构的煤系石墨； 中部分区内样品的石墨化程度差异性较大，距离 岩体越近，煤的石墨化程度越高，其碳层间距 d002 可达到 0.336 3 nm，距离岩体较远的样品石墨化 程度较差，芳香层的结晶程度较低；南部分区内 样品的石墨化程度相对较差，d002和 R2参数均表 明其结晶程度较低，含有的结构缺陷相对较多， 仅在靠近岩体附近局部地方形成了石墨化程度较 高的煤系半石墨。 3.2 构造对煤系石墨成矿的影响 前人已经对煤成石墨演化过程中构造应力作用 机制进行了相关研究，认为构造应力在煤的石墨化 过程中扮演着重要的角色，是煤向石墨演化过程的 重要因素[17-20]。在研究区内，自西向东，煤层与岩 体的距离逐渐减小，受岩浆热变质作用的温度逐渐 升高，同时，构造情况逐渐由简单变复杂，导致矿 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 48 卷 表 2 鲁塘矿区样品实验结果 Table 2 XRD and Raman data of samples in Lutang mining area d002/nm La/nm Lc/nm R2 构造区带 范围 均值 范围 均值 范围 均值 范围 均值 北部 0.335 80.336 5 0.335 9 41.5052.4043.7 19.829.7 26.7 0.260.33 0.27 中部 0.336 30.341 8 0.337 6 26.3050.6035.5 14.323.2 18.5 0.320.38 0.34 南北 分区 南部 0.338 80.353 4 0.345 5 10.5027.8019.4 8.922.3 12.1 0.450.47 0.46 西部 0.354 70.343 5 0.348 1 8.6515.4411.4 7.916.1 9.8 0.420.55 0.49 中部 0.340 80.336 4 0.338 7 11.6246.7830.8 12.829.7 16.4 0.340.48 0.41 东西 分带 东部 0.336 70.335 8 0.336 2 38.5955.6747.6 20.531.6 26.6 0.240.36 0.28 注d002为芳香碳层间距；La为芳香碳层横向直径；Lc为芳香碳层垂向堆叠厚度；R2为分子结构缺陷密度。 层从原生结构逐渐出现脆性变形、韧性变形，煤的 石墨化程度也逐渐增高图 4。 在北部分区中，整体构造呈狭长、紧闭的形态； 与岩体距离较近， 受岩浆热变质温度较高， 且受岩体 挤压构造变形作用较强， 易形成封闭式环境， 热量不 易散失，形成高温–高压条件；构造应力作用不仅导 致矿层出现强烈的韧性变形， 且提高了煤的石墨化程 度，在该区内主要分布煤系石墨。在中部分区，构造 相对简单的向斜西翼， 距离岩体较远， 煤层受岩浆热 变质温度较低， 形成开放式环境， 主要形成高变质无 烟煤，自西向东，随着岩浆热变质温度逐渐升高，构 造情况逐渐复杂， 矿层变形强度逐渐增高， 在中带和 东带形成以半开放–半封闭环境和封闭式环境为主， 分别主要形成煤系半石墨和煤系石墨。在南部分区， 整体构造情况简单， 构造变形强度较弱， 形成以开放 式环境为主， 岩浆侵入提供的热量难以保存， 仅在靠 近岩体附近形成石墨化程度相对较高的煤系半石墨。 图 4 鲁塘矿区煤系石墨成矿分布模式 Fig.4 The distribution model of coal-based graphite in Lutang mining area 4 结 论 a. 在区域构造背景下， 鲁塘矿区呈现出以 NNE 向为主的向斜构造，并具有分区分带性特征，依据 岩浆热接触变质程度和构造复杂程度，将矿区分为 东西向的 3 个条带和南北向的 3 个分区， 自西向东， 岩浆热接触变质程度逐渐升高，构造变形强度逐渐 增强，由南向北，构造情况逐渐复杂，矿层变形强 度逐渐增强。 b. 由 X 射线衍射和激光拉曼光谱实验结果可 知，自西向东，受岩浆热作用的影响，煤的石墨化 程度逐渐升高；自南向北，煤的石墨化程度逐渐升 高，碳层间距逐渐减小，结构缺陷逐渐消亡，发育 较好的有序的石墨结构。 c. 煤系石墨的形成和赋存并不只受岩浆热作 用的影响，构造为煤系石墨提供有利的成矿条件。 构造复杂的北部分区，构造变形较强，形成的封闭 式环境有利于煤系石墨形成；南部分区内主体构造 相对简单，形成以开放式环境为主，仅仅在靠近岩 体附近形成煤系半石墨； 中部分区内构造情况复杂， 煤的石墨化程度差异性较大，从无烟煤到煤系石墨 均有分布。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 孙升林， 吴国强， 曹代勇， 等. 煤系矿产资源及其发展趋势[J]. 中国煤炭地质，2014，26111–11. 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