我国煤系石墨研究及资源开发利用前景_曹代勇.pdf

第 48 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.1 2020 年 2 月 COAL GEOLOGY in view of the demand of resource assessment, the coal-based graphite with different graphitization degree was separately divided into three grades as grade-Icoal-based graphite, grade-IIsemi-graphite and grade-IIIgraphitized anthracite. The for- mation and distribution of coal-based graphite is closely related to the magmatic intrusions and compressional tectonic environment, which shows characteristics of direction, degradation and centralized mineralization in belt. The coal-based graphite metallogenic regions show one vertical and three horizontal patterns, including the circum Pacific metallogenic region, Nanling metallogenic region, Qinling-Dabie metallogenic region, Yinshan-Yanshan metallogenic region and nine metallogenic belts. The research status of coal-based graphite in China was analyzed, the result shows that there are enormous potential resources in China based on the abundant coal resources and the intense influence of tectonic and magmatic thermal in several coal bearing areas. The development and application of coal-based graphite has important sense to strengthen the strategic guarantee ability of graphite resources, promote the rational exploitation and utilization of coal series resources and promote the transation and upgrading of coal enterprises. The problems of exploitation and utilization of coal-based graphite were analyzed and corresponding policies and suggestions were presented. Keywords coal-based graphite; graphitization; identification index; metallogenic belts; resources assessment; exploita- tion and utilization 石墨是碳元素的一种同素异形体，由于特殊的 分子结构，具有耐高温、导热性、导电性、化学稳 定性、润滑性和可塑性等诸多优良性能，广泛应用 于冶金、机械、核工业、航天、电子信息、新能源 汽车等领域，属于新兴战略性矿产。2010 年，欧盟 委员会将石墨列为 14 种“对欧盟生死攸关的原料” 之一，我国 2016 年全国矿产资源规划2016 2020首次将石墨等 24 种矿产列入战略性矿产， 2018 年美国将石墨天然列为 35 种“关键矿物”之 一[1-6]。根据不同工业用途，石墨矿产可分晶质石墨 和隐晶质石墨两大类，煤系石墨又称为煤成石墨 是隐晶质石墨的主要组成部分，也是煤系非金属矿 产的一种[6-7]，与晶质石墨相比，煤系石墨具有矿体集 中、品位高、易开发等特点，石墨查明资源储量中， 隐晶质石墨煤系石墨占比不足 20[8-9]，却支撑着全 国一半以上的石墨产量[6-10]。 由于过去对隐晶质石墨煤 系石墨成矿机制认识不够深入，缺乏煤系石墨鉴别标 准，难以科学地区分煤系石墨与高变质无烟煤，严重 影响了煤系石墨的评价和勘查工作。据估计，每年我 国开采的煤系石墨中有 50左右被当作燃料消耗，造 成极大的资源浪费。随着石墨矿床应用领域的拓宽和 煤系综合矿产开发利用的推进，煤系石墨矿产资源评 价和勘查工作也逐渐受到重视，近年来在煤系石墨成 矿机制、赋存规律、鉴别指标与评价方法研究等方面 取得重要进展[6,8,11-19]，福建、湖南、江西、陕西等省份 煤系石墨找矿评价获得重要发现[13-14,16,19-24]，显示了煤 系石墨勘查开发利用的良好前景。 1 煤系石墨鉴别指标与等级划分 1.1 煤系石墨的概念 目前普遍认为隐晶质石墨是由煤或煤系有机碳 经岩浆侵位接触变质形成的，属于接触变质型石墨 成因类型[1,8]，因而，从成矿物质和矿床赋存角度出 发，煤系石墨可视为隐晶质石墨的同义词，煤系石 墨矿床与煤层为同层异矿，是煤及煤系有机碳炭质 页岩等经历煤化作用阶段进入石墨化阶段的产物， 发育不同程度石墨结构、具有石墨或类似石墨的物 理化学特征和工艺性能，可做工业原料。 煤化作用与石墨化作用是一个连续存在几次跃变 的过程图 1， 具有不可逆性和非线性两个基本特点， 其 演化实质在元素组成上表现为富碳、去氢、脱氧，在分 子结构上表现为缩合程度增加、有序化增强和石墨结构 的逐渐形成。石墨化作用的开始标志着煤有机质开始向 无机矿物发展演化，随着结构有序度提高，逐渐形成具 有不同石墨化程度的石墨化无烟煤、半石墨、石墨，最 终演变为三维有序的石墨晶体结构[6,13,25-26]。 与具有完全 有序的晶体结构的无机矿物不同，在煤成石墨化过程 中常形成不同结晶程度的微观结构，因此，煤系石墨 属于特殊的非典型晶质矿物。 图 1 煤化作用与石墨化作用阶段 Fig.1 Coalification and graphitization stages 1.2 鉴别指标与等级划分 科学地鉴别煤系石墨是资源评价与开发利用的 前提条件和基础工作，遗憾的是，迄今尚未有专门 ChaoXing 第 1 期 曹代勇等 我国煤系石墨研究及资源开发利用前景 3 针对煤系石墨鉴别的指标或标准规范， 现行的 DZ/T 03262018石墨、碎云母矿产地质勘查规范采 用固定碳含量FC作为石墨矿的一般性工业指标， 隐晶质石墨边界品位和工业品位分别为 FC≥55 和 FC≥65[27]。 该规范是在确定为隐晶质石墨的前 提下，用固定碳含量作为质量品位指标。根据固 定碳含量的定义和测定方法，固定碳含量反映的是 样品的物质组成，众所周知，大多数煤的固定碳质量 分数超过 55和 65，因此，采用固定碳含量作为区 分煤系石墨和煤的鉴别指标势必引起混乱。由前述可 知，煤系石墨成矿的实质是在热能和定向应力的作用 下，煤大分子结构有序度提高，最终演变为三维有序 的石墨晶体结构的过程，因此，反映煤大分子和石墨 晶体结构的参数才是鉴别煤系石墨的可靠指标。 国内外学者分别采用反射率、FCad、H/C、碳层 间距 d002、Raman 光谱等参数作为区别煤与石墨的 划分指标[28-33]。综合前人的研究成果，在福建闽西 南、湖南鲁塘、吉林磐石等典型煤系石墨矿区研究 工作的基础上[6-7,11-16,20]，提出了煤系石墨鉴别指标 和等级划分方案表 1。 划分指标分为结构参数和成 分参数两大类，结构参数包括 X 衍射分析碳层间距 d002和拉曼光谱表征结构缺陷的参数 R2D 峰与 G 峰的面积比 AD1/AD1AD2AG，作为精确指标，用 以鉴别煤与煤系石墨及其石墨化程度的确定等 级； 成分参数包括固定碳含量FC、 镜质体反射率、 挥发分产率Vdaf和 H/C 元素比，用以评价煤系石墨 的质量，在资源勘查阶段也可用于初步区分无烟煤 与煤系隐晶质石墨。 表 1 煤系石墨鉴别指标与等级划分方案 Table 1 Identification index and grade classification of coal-based graphite 成分参数 结构参数 煤系石墨类型 ωFCad/ ωVdaf/ H/C d002/nm R2 煤系石墨等级 石墨 ＞65 ＜3.8 ＜0.10 0.335 40.337 0 ≤0.60 Ⅰ级 ＞0.600.65 Ⅱ1级 半石墨 6575 3.84.5 0.100.15 ＞0.337 00.344 0 ＞0.65 Ⅱ2级 石墨化无烟煤 55＜65 ＞4.56.5 ＞0.150.20 ＞0.344 0 0.650.70 Ⅲ级 煤 ＜55 ＞6.5 ＞0.20 ＞0.344 0 ＞0.70 煤的石墨化是一个连续跃变的演化过程，在 微观结构变化上表现为逐渐形成具有不同石墨化程 度的石墨化无烟煤、半石墨、石墨，最终演变为三 维有序的石墨晶体结构图 1， 不同演化程度的煤系 石墨则具有不同程度类似石墨的物理化学特征和工 艺性能，据此划分煤系石墨等级表 1，以满足资源 评价和地质勘查的需要。 Ⅰ级煤系石墨，对应石墨，其碳层间距0.335 4 nm≤ d002≤0.337 0 nm，R2≤0.6，结构有序度较高，碳层尺 寸发育较大， 煤的有机组分完全消失， 转变成颗粒状、 丝状等石墨组分，具有典型石墨矿物的理化性能。 Ⅱ级煤系石墨，对应半石墨，进一步划分两个 亚级Ⅱ1级，0.3370 nm＜d002≤0.3440 nm，0.60＜ R2≤0.65，碳层间距相对较小、结构有序度较高、显 微组分以颗粒状石墨组分为主；Ⅱ2级，0.337 0 nm＜ d002≤0.344 0 nm，但 R2＞0.65，该亚级石墨碳层间 距较小，但具有的结构缺陷相对较多，具有部分石 墨矿特征。 Ⅲ级石墨，对应石墨化无烟煤，d0020.344 nm， 0.65≤R2≤0.70，该级别石墨化程度相对较差，碳层 长程无序，但其导电性、热稳定性较好，可作为低 端工业原料，具有一定程度实用价值。 2 煤系石墨形成的控制因素 影响煤系石墨形成的主要控制因素可以分为内 因物质组成和外因温度、压力等两大类[12]。 2.1 物质组成 煤系石墨形成首先要有煤作为矿源层，煤是由 有机组分煤岩显微组分和无机组分矿物质组成 的混合物， 由于煤中不同有机显微组分的分子结构、 化学组成的差异性，以及对不同温度、压力条件的 敏感性差异，导致其石墨化速率和石墨化产物也各 不相同[6,12-13,19]，而不同种类、含量的矿物在煤的石 墨化中的催化作用也各有差别[12,34-37]，由此决定了 可石墨化性和石墨化差异性特征图 2。R. E. Franklin[38]依据碳在高温下是否可石墨化分为可石 墨化碳和不可石墨化碳两种类型，较弱的桥键、较 小的超微孔隙和趋于定向排列的大分子结构决定了 碳的可石墨化性。煤的大分子结构是由众多以芳香 环为核心，含有侧链、官能团等小分子结构，由桥 键连接组成的大分子基本结构单元BSUs，当桥键 断裂、小分子结构排出，芳香环相互排列、堆叠可 构成石墨的晶体结构；桥键的断裂也促使被“锁住” 的芳层可以发生旋转、择优取向。A. Oberlin 等[39] ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 48 卷 认为，无烟煤在 2 500℃以上时，芳香层之间的超微 孔隙出现扁平化，导致芳层有序排列。镜质组、壳 质组和惰质组三大显微组分的结构变化和演化速率 各不相同，在高煤级煤石墨阶段，煤中原生有机 显微组分逐渐消失，取而代之的是新生成的石墨化 组分，根据其形态特征可以将其划分为颗粒状、片 状或丝状石墨组分和热解碳，其中，片状和丝状石 墨的石墨化程度最高，颗粒状石墨的石墨化程度较 低[13,19,40]。实例研究发现，壳质组在高变质无烟煤 中已经消失，表明其石墨化速率最快；其次为镜质 组，惰质组在石墨化中表现出“惰性”特征，在石 墨化程度高的样品中仍可观察到残留的惰质组分， 表明其石墨化速率最慢[13,19,40-41]。 图 2 煤向石墨演化的作用要素 Fig.2 Critical factors for evolution of coal to graphite 2.2 温 度 温度是影响有机质演化包括煤化作用和石墨 化作用的首要因素，高温为原子重排、重结晶、结 构转化提供了活化能。杨起等[26]认为岩浆作用的叠 加热场是中国高变质煤形成的根本原因，作为煤化 作用煤变质作用的延续，煤系的石墨化作用的活 化能也主要来自岩浆作用产生的高温。石墨矿床按 其成因划分为区域变质型、接触变质型及岩浆热液 型三大类，隐晶质石墨煤系石墨属于接触变质型， 由岩浆侵入煤层接触变质而成，岩体的性质一般为 酸性花岗岩类或中酸性闪长岩类。 酸性岩浆稠度低、 流动性好，有利于热的传递，同时此类岩浆富含氟 和硼等挥发性气体，可起到催化剂和助熔剂作用， 有利于有机碳转变为石墨[1]。我国目前已知煤系石 墨矿床几乎均与大规模的酸性和中酸性岩体如岩 基、岩株有关，深成岩体侵位深度较深数千米至 10 km 以上、接触变质带范围宽、侵位时上覆岩系 厚、形成良好“热封闭条件” ，从而具有热量充足、 作用时间长的优势，能够为煤变质和石墨化提供充 足的热能。而岩脉、岩墙和岩床等小型侵入体，侵 入深度浅、规模小、热作用时间较短，所能提供的 热能有限，其接触带窄、煤变质梯度大，通常形成 天然焦热变煤系列[26]。 2.3 地质构造 地质构造构造格局和构造应力也是煤系石墨 形成不可忽视的控制因素之一，包括构造导热辅助 成矿、构造应力主导成矿和同期或后期改造等 3 种 基本方式[6]。强烈构造活动带往往伴随显著的岩浆 活动，大型断裂构造提供岩浆侵入通道；不同的构 造格局构成不同类型的成矿构造–热环境条件封闭 式、半封闭–半开放式和开放式[16]，导致不同石墨 化程度的差异。已经认识到构造应力尤其是剪切应 力具有与热力作用相似的机制应力降解和应力缩 聚，在有机质演化煤化作用石墨化作用中起到 催化作用[42]，R. M. Bustin 等[43]提出了在剪切应力 作用下煤的石墨化模式，Wang Lu 等[13]在湖南鲁塘 煤系石墨研究中提出了应变诱导石墨化机制。人工 合成石墨实验表明， 需要把碳物质加热到 2 800℃才 能形成石墨结构[44]，显然与天然石墨形成温度分布 于 400800℃的地质研究成果相矛盾[1,44-47]。煤石墨 化过程所需的活化能达到 1 089 J/mol，仅仅由岩浆 所提供的热能远远不够[48]，构造应力应变能可以为 煤成石墨化提供必需的活化能。为数不多的高温高 压模拟实验研究支持剪应力在碳物质石墨化过程中 起到重要作用[37,48-50]，加拿大 R. M. Bustin 等[43]采 用镜质体反射率 Rmax5.27的无烟煤样品，开展了 共轴挤压和剪切实验，得出在剪切变形条件下局部 石墨结构出现的起始温度可低至 600℃，900℃时样 品绝大部分已经石墨化[43]。 3 煤系石墨赋存规律与成矿区带划分 3.1 煤系石墨赋存规律 目前已知的煤系石墨产地大多分布在中生代 以燕山期为主酸性或中酸性深成岩体岩基、岩 株旁侧，接触变质–变形带宽度 13 km，从岩体 向外，总体上呈现石墨→半石墨→石墨化无烟 煤→无烟煤的过渡变化，空间展布受褶皱形态和 挤压性断层控制。 由于矿源层煤层物质组成的差 异和地质构造的变化，导致石墨化程度的突变或 间断，从而造成煤系石墨赋存状态十分复杂，平 面分布和垂向变化显著。矿井调查和显微尺度观 察发现， 石墨化程度与煤/石墨的变形程度原生结 构→碎裂结构→碎粒结构→糜棱结构呈正相关关 系，表明局部应力/应变集中是导致石墨化特征差 异的主要因素。 区域上， 煤系石墨的形成与岩浆活动和挤压性 构造环境密切相关，受区域性构造–岩浆带控制， 具有方向性、递变性、集中成带展布的特点。莫如 ChaoXing 第 1 期 曹代勇等 我国煤系石墨研究及资源开发利用前景 5 爵等[1]总结我国石墨分布特点时指出，煤层接触变 质型石墨矿床主要见于活动大陆边缘地区， 一般形 成于早期挤压–中酸性岩浆活动阶段；我国煤层变 质石墨分布于我国东部环太平洋域及西部若干断 裂岩浆带上，更多集中于郯庐断裂以东地区。肖克 炎等[5]在我国东部划分出老爷岭陆缘活动带接触变 质型石墨成矿区和东南地区中生代隐晶质石墨成矿 区等两个与煤系石墨有关的成矿带。 颜玲亚等[8]依据 已有石墨矿点分布，划分出 4 个隐晶质石墨成矿 带，分别为内蒙古扎鲁特旗隐晶质石墨成矿带、吉 中隐晶质石墨成矿带、小兴安岭张广才岭造山 带隐晶质石墨成矿带、湘中南粤北拗陷中生代 隐晶质石墨成矿带。 3.2 成矿区带划分 在前人研究成果的基础上，总结近年我国煤系 石墨研究和资源评价的新进展，以区域大地构造格 局和赋煤构造格局为基础，结合煤系石墨成矿的构 造–岩浆地质条件， 初步划分了全国煤系石墨成矿区 带，包括 4 个成矿域和 9 个成矿带表 2。煤系石墨 主要分布在我国东、中部，具有东多西少、南多北 少的基本规律，一级成矿区带呈“一纵三横”格局。 一纵是指大兴安岭–太行山–雪峰山以东 NNE 向展 布的滨太平洋煤系石墨成矿域Ⅰ-1， 三横是指分别 受控于3条EW向区域性构造–岩浆带的南岭煤系石 墨成矿域Ⅰ-2、 秦岭–大别山煤系石墨成矿域Ⅰ-3 和燕山–阴山煤系石墨成矿域Ⅰ-4。 表 2 我国煤系石墨成矿区带划分 Table 2 The main metallogenic belts of coal-based graphite in China 成矿域 成矿区带 主要矿区矿 成矿条件 黑吉东部煤系石墨成矿 带Ⅱ-1 黑龙江东部神树石墨 矿区、尚志石墨矿区、 吉林中部磐石仙人洞 石墨矿 含矿地层主要为二叠系土门岭组含石墨炭质板岩，岩浆侵入时期为印 支–燕山期，位于滨绥断裂两侧。三叠系大酱缸组含煤地层为主要矿源 层，燕山期仙人洞岩体为热源，矿层发育于褶皱一翼，次级褶皱和断 裂发育 大田–漳平成矿亚区 滨太平洋煤 系石墨成矿 域Ⅰ-1 闽西南煤系石墨成矿带 Ⅱ-2 永安–安溪成矿亚区 二叠系龙潭组含煤地层为主要矿源层，由燕山期大规模岩浆侵入，永 安–晋江断裂和政和–大埔断裂成为有利成矿构造条件 新化寒婆坳石墨矿区 湖南鲁荷石墨矿区 湘中–湘南煤系石墨成 矿带Ⅱ-3 湖南宜章梅田矿区 石炭系测水组、二叠系龙潭组含煤地层为主要矿源层，印支–燕山期侵 入的骑田岭、天龙山岩体为主要热源，受 NW 向构造挤压影响，次级 构造发育，形成封闭条件 江西赣州崇义矿区 赣中–赣南煤系石墨成 矿带Ⅱ-4 江西萍乡–丰城矿区 含煤地层主要为二叠系龙潭组，煤变质程度较高，燕山期岩浆侵入活 动强烈，集中分布于赣中、赣南地区，紧邻岩体附近煤的石墨化程度 较高 广东连平矿区 南岭煤系石 墨成矿域 Ⅰ-2 粤北煤系石墨成矿带 Ⅱ-5 广东佛冈矿区 含煤地层主要为二叠系龙潭组，岩体附近煤发生石墨化 凤县岩湾石墨矿 铜峪石墨矿 北秦岭煤系石墨成矿带 Ⅱ-6 桑园坝石墨矿 石炭系草凉驿组含煤地层为矿源层，燕山期侵入的太白山、天台山等 岩体为高温热源，东西向断裂、南北向挤压的多期次构造活动成为有 利构造–热成矿条件 秦岭–大别山 煤系石墨成 矿域Ⅰ-3 北淮阳煤系石墨成矿带 Ⅱ-7 河南商城–安徽金寨 一带 石炭系杨山组含煤地层为矿源层，燕山期侵入的商城、铁冲和桃花岭 岩体为煤的石墨化提供热能，大别山造山带提供有利的成矿构造条件 忙哈吐矿区 板子庙矿区 查干诺尔矿区 内蒙古扎鲁特旗煤系石 墨成矿带Ⅱ-8 敖包营子矿区 含煤地层为侏罗系红旗组，燕山期构造–岩浆活动频繁，强度较高，受 苏尼特右旗褶皱带影响，形成有利的构造成矿条件 北京南安河石墨矿 阴山–燕山煤 系石墨成矿 域Ⅰ-4 京西煤系石墨成矿带 Ⅱ-9 北京房山车厂石墨矿 侏罗系窑坡组含煤地层为矿源层，房山、独山、青龙涧等小型侵入体 为热源，靠近岩体附近的煤发生石墨化 3.2.1 滨太平洋煤系石墨成矿域Ⅰ-1 滨太平洋煤系石墨成矿域由东北经华东延伸至 东南地区，呈 NNE 向斜跨东北赋煤区、华北赋煤区 和华南赋煤区三大一级赋煤构造单元，并与 EW 向 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 48 卷 区域构造带东段叠加复合，中生代以来进入活动大 陆演化阶段，多期次、高强度的构造–岩浆活动不仅 造就了多金属成矿区，同时也为煤系石墨成矿提供 了有利条件。该成矿域北段东北赋煤区东部小兴安 岭–张广才岭构造–岩浆岩带形成有利的封闭式成矿 条件，发育黑吉东部煤系石墨成矿带。南段华南赋 煤带东部华夏赋煤构造亚区以前泥盆纪浅变质岩系 为基底，成煤期后经历多次挤压与拉张等不同构造 机制的交替作用，中生代以来卷入活动大陆边缘， 燕山期岩浆活动强烈，煤系变形–变质程度高，煤类 以无烟煤为主，沿海中生代闽浙火山岩带西侧闽西 南拗陷成矿带多处煤系石墨产地沿区域断裂–岩体 连片分布[16,51]。滨太平洋煤系石墨成矿域中段华北 赋煤区中东部自燕山运动以来进入大陆裂解阶段， 太行山东麓诸煤田和淮北煤田在开放性构造环境 下，众多浅层或中浅层小型岩体侵入煤系，接触变 质带发育天然焦，尚无煤系石墨的报道。 3.2.2 南岭煤系石墨成矿域Ⅰ-2 南岭构造–岩浆活动带是以近 EW 向的花岗岩 带为主要标志，由北向南分布的骑田岭–九峰山岩 带、大东山–贵东岩带和佛冈–新丰江岩带 3 个岩浆 岩带[52]。南岭煤系石墨成矿域与滨太平洋煤系石墨 成矿域南段呈叠加复合关系，对华南赋煤区的华夏 赋煤构造亚区含煤岩系赋存影响较大，构造变形强 烈，煤田推覆和滑覆构造全面发育，构造变形强度 和岩浆活动强度均呈由西向东增强的趋势[53]。南岭 煤系石墨成矿域中生代以来经历的多期构造–岩浆 活动导致煤变质程度高，挤压性构造格局和深成岩 体侵位造就了有利的煤系石墨成矿环境，雪峰山与 武夷山之间发育湘中–湘南煤系石墨成矿带、赣中– 赣南煤系石墨成矿带和粤北煤系石墨成矿带，煤系 石墨矿床主要分布于湖南中南部、江西中南部、闽 西南以及广东北部一带，矿源层主要为二叠系龙潭 组，部分地区为下石炭统测水组如湘中新化矿 区[16,19-20,22,24]。 3.2.3 秦岭–大别山煤系石墨成矿域Ⅰ-3 秦岭–大别山造山带是我国重要的构造–岩浆活 动带，具有多旋回复合造山特征，晚古生代初南北 大陆从东向西逐渐拼合，到三叠纪拼合完成，中、 新生代秦岭–大别山造山带的地壳演化以逆冲推覆 和强烈酸性岩浆活动为特征[54-57]。煤系石墨分布在 东段大别山北麓北淮阳地区商固煤田和西段北秦岭 凤县一带。商固煤田位于河南省商城与安徽金寨一 带，石炭纪含煤沉积习称杨山煤系，晚古生代以来 相继经历了由弧后裂陷盆地→前陆盆地→构造反转 等多期构造–热事件，导致煤系变形强烈、煤变形– 变质作用显著[53]， 划分为构造–热变质、 岩浆热变质 和区域变质 3 种类型。其中，构造–热变质类型位于 燕山期早白垩世商城花岗岩基旁侧剪切变形带 内，马鞍山煤矿样品 d002为 0.335 50.339 4 nm，平 均值 0.336 8 nm，高分辨透射电镜分析呈现接近平 直石墨的 SAD 衍射环[58]。 北秦岭煤系石墨成矿带位 于洛南–栾川逆冲推覆构造与商丹缝合带之间， 矿源 层为石炭系草凉驿组，经历多期构造运动，变形强 烈，以“S”型褶皱、推覆构造及叠加褶皱等挤压性构 造样式为主；陕西凤县贯沟–老厂–煤沟一带的草凉 驿组煤层受燕山期岩浆热作用及构造热作用变质而 发生石墨化，东部老厂至贯沟矿体多、矿石质量 较好，固定碳质量分数一般为 6889；西部矿 石质量变差[21]。草凉驿组煤系石墨的主要控矿要素 是海西期、印支期和燕山期多次岩浆热侵位对煤层 的加热烘烤作用，同时区域性的构造运动对石墨矿 层的富集也起到了积极作用[23]。 3.2.4 阴山–燕山煤系石墨成矿域Ⅰ-4 阴山–燕山构造–岩浆带属于天山–兴蒙造山带 的东段，后者是华北–塔里木板块与西伯利亚板块 之间的巨型造山带，同样具有多旋回演化的历史， 中、新生代卷入滨太平洋构造域，发生陆内俯冲、 逆冲推覆、伸展断陷、走滑旋转等构造变形和岩浆 活动[56-57]，对南北两侧华北赋煤区和东北赋煤区煤 变质具有一定程度的影响。 阴山–燕山煤系石墨成矿 域北侧内蒙古通辽市扎鲁特旗煤系石墨成矿带区域 大地构造位置位于阴山–燕山褶皱带与大兴安岭中 生代岩浆岩带滨太平洋构造域复合部位，褶皱断 裂发育，岩浆活动显著，以燕山中期侵入活动为主， 中、酸性岩体出露面积大，下侏罗统红旗组煤层经 岩浆热接触变质作用发生石墨化，矿石品位一般较 高，固定碳质量分数多为 6080[59]。阴山–燕山 煤系石墨成矿域南侧京西煤田北京海淀南安河和房 山车厂各有一小型接触变质型石墨矿床，为石炭– 二叠纪煤层变质形成，南安河石墨矿固定碳质量分 数为 12.17，车厂石墨矿的矿石固定碳质量分数为 6.6271.50，平均 29.22，因质量较差，基本无 工业价值[60]。 4 我国煤系石墨资源 4.1 煤系石墨资源现状 我国煤系石墨资源储量较大，据全国矿产资 源储量通报2018资料统计[9]，截至 2018 年底， 全国石墨查明资源储量 53 782.09 万 t，其中晶质石 ChaoXing 第 1 期 曹代勇等 我国煤系石墨研究及资源开发利用前景 7 墨 43 740.58 万 t、隐晶质石墨 10 041.51 万 t，隐晶 质石墨资源储量前三位的省自治区分别是内蒙 古、湖南和吉林表 3。把煤系石墨等同于隐晶质石 墨，则占全国石墨查明资源储量的 18。如前文所 述，由于缺乏鉴别煤系石墨的科学指标，大约有一 半左右的煤系石墨被混同为无烟煤使用，因此，现 有煤系石墨查明资源储量数据可能被大大的低估。 表 3 全国隐晶质石墨资源储量统计截至 2018 年底[9] Table 3 Reserves of amorphous graphite in China until the end of 2018[9] 单位万 t 省自治区 矿区数 基础储量 资源量 查明资源储量 北京 2 10.40 10.40 内蒙古 4 1 913.04 3 832.45 5 745.49 辽宁 1 0.15 0.37 0.52 吉林 6 946.84 1 320.86 2 267.70 安徽 1 0.40 8.80 9.20 福建 12 82.53 246.86 329.39 山东 1 155.16 155.16 湖南 5 325.23 624.55 949.78 广东 4 383.85 383.85 陕西 2 160.00 30.02 190.02 全国 38 3 428.19 6 613.32 10 041.51 近年受石墨烯和石墨应用领域拓宽的驱动，煤 系石墨评价和找矿取得显著进展，其中比较重要发 现包括 2016 年内蒙古扎鲁特旗板子庙矿区勘查新 增隐晶质石墨资源量 2 220 万 t[8]； “陕西省凤县岩湾 矿区外围石墨矿普查”阶段性成果表明， 可获煤系石 墨 333 与 334 资源量 7 000 余万 t；福建煤田地质局 联合中国矿业大学北京和福能集团等完成的“福建 省煤系石墨赋存规律及资源评价”于 2019 年 5 月通 过福建省自然资源厅组织的评审验收，划分了六大 煤系石墨远景区，预测资源量 8 700 余万 t；最近又 首次在江西赣南崇义矿区发现煤系石墨矿产[20]， 使 粤北、湘中南、赣南、闽西南煤系石墨产地连为一 片南岭煤系石墨成矿域与滨太平洋煤系石墨成矿 域的复合，大大拓宽了华南赋煤区煤系石墨找矿 范围。 4.2 煤系石墨资源前景 中国大陆是由若干个稳定地块和活动带经多次 拼合镶嵌而成的复合大陆，活动带密度大，稳定地 块规模小，中、新生代构造–岩浆活动强烈，对包括 含煤岩系在内的沉积盖层改造显著[53]。在此大地构 造背景中的含煤盆地构造–热演化历史复杂， 变形显 著、变质作用类型多样、尤其是叠加变质作用较普 遍，导致煤类空间分异性显著，在全国 2.02 万亿 t 已探获煤炭资源量中高煤级煤占 13[61]，显示了巨 大的煤系石墨资源潜力。 中国煤炭资源分布广泛，依据煤田构造格局可 以划分为东北、西北、华北、华南和滇藏五大赋煤 构造区，阴山–燕山构造–岩浆活动带、秦岭–大别山 构造–岩浆活动带、南岭构造–岩浆活动带、滨太平 洋构造–岩浆活动带和喜马拉雅构造–岩浆活动带对 各大赋煤区煤变质和石墨化均有重要影响[53]。煤系 石墨资源调查评价的工作重点应在加深对煤系石墨 成矿机制认识、科学鉴别煤系石墨及其划分等级的 基础上，开展 4 大煤系石墨成矿域的全面调查，由 已知煤系石墨矿床向深部和周边扩展，扩大现有勘 查成果。另一方面，拓宽找矿领域，重点排查各赋 煤单元高煤级煤产地，主要找矿标志包括燕山期 酸性、中酸性深成岩体周边，区域性断裂带尤其是 不同方向断裂交叉部位，煤系中出现红柱石、堇青 石、 蓝晶石等变质矿物， 煤/石墨层变形强烈呈碎粒、 糜棱结构。有希望的远景区包括华北赋煤区周缘 逆冲推覆带高煤级煤分布区、太行山东麓诸煤田、 山西晋中晋南煤田；华南赋煤区西南部四川盆地周 边无烟煤分布区；西北赋煤区河西走廊甘肃靖远 武威张掖一线无烟煤分布区；滇藏赋煤区煤炭资 源量小、工作程度低，尚无确切的煤系石墨矿产地 报道，但特提斯构造域多期构造活动和岩浆活动， 尤其是中、新生代强烈的板块碰撞构造–热事件，对 煤变形–变质作用具有显著影响， 沿区域性断裂和岩 浆带可能存在动力变质–接触变质成因的煤系石墨。 5 开发利用前景 5.1 煤系石墨开发利用意义 天然石墨具有耐高温、高强度、导电、导热、 化学性能稳定、润滑性、可塑性等诸多优良性质， 应用领域广泛，其中耐火材料和钢铁冶金是石墨最 主要的应用方向，市场份额合计占比超过 40[10]。 近年来随着科技的发展进步，石墨在新材料、新能 源领域的应用不断拓宽，尤其是利用高纯晶质石墨 制作石墨烯，引发材料科学的一系列突破性进展， 引起电子通讯、锂离子电池、航天军工、生物医药、 环保、太阳能、光电等新兴领域的广泛关注，从而 也极大地推动了石墨矿产资源评价与开发[10,62-64]。 煤系石墨属于典型的隐晶质石墨，晶体直径一般小 于 1 μm，是微晶石墨的集合体，由于其自身物理性 质，是做各种同性石墨的最佳原料，用于铸造、电 池、铅笔、颜料、耐火材料、碳素制品、增碳剂及 铸锭保护渣等领域[1,6,10]。随着石墨材料应用领域的 ChaoXing 8 煤田地质与勘探 第 48 卷 拓宽，煤系石墨的产业链也在延伸。2011 年中国建 材集团有限公司旗下南方石墨有限公司进驻我国最 大的煤系石墨产地湖南郴州鲁塘，投资近 40 亿元， 用于矿区技改建设和产品开发，力争打造集原矿生 产、 石墨精深加工、 产品研发、 物流贸易于一体的“中 国最大微晶石石墨产业集群”。2017 年，福建省提 出了福建省石墨烯产业发展规划20172025 年 ，布局“两核三区”中高端石墨及石墨烯产业聚 集区，闽西南永安市把发展石墨和石墨烯新兴产业 作为新一轮经济驱动的战略布局，依托丰富的煤系 石墨资源，建设石墨和石墨烯产业园，引入石墨产 业高新企业，致力石墨深加工，形成完整的产业链。 我国煤系石墨资源潜力巨大，具有矿体集中、 品位高、易开发等特点，煤系石墨源于煤，其经济 价值远高于煤，煤系石墨的开发利用具有重要经济 意义和社会意义。① 作为石墨矿床的重要组成部 分，煤系石墨的开发增强了石墨需求的战略保障能 力，为石墨产业中初级产品加工和高端产品应用提 供资源保障。② 促进煤系矿产资源合理开发利用， 煤系矿产种类多、资源量大、潜在价值高，煤系石 墨的高效合理的开发利用， 是煤系矿产资源利用价 值的客观体现。③ 促进煤炭由单一燃料向燃料和 工业原料并重转变，实现资源科学合理利用，推动 煤炭行业向新兴产业的迈进。④ “煤”变身为“石 墨”及其系列产品，其经济价值大幅度提升，增加企 业的经济效益。 ⑤ 有利于矿山转型升级， 煤系石墨成 矿区带为构造–岩浆活动区域， 煤系赋存条件复杂、 规 模一般较小，煤炭开采受到极大限制，经勘查确认变 更为石墨矿产则为矿山转型发展带来新的机遇。 5.2 存在的问题与对策建议 然而，由于历史和现实原因，目前煤系石墨矿 产资源开发利用不尽如人意，存在的主要问题有 ① 对煤系石墨成矿机制认识肤浅， 对煤系石墨赋存 规律尚不清楚，资源调查和勘查程度低，资源储量 不可靠。② 缺少煤系石墨鉴别标准和勘查规范，导 致已发现的煤系石墨矿产难以得到认可，抑制了煤 系石墨矿产资源勘查的积极性。 ③ 煤系石墨的无序 开发，乱挖乱采，甚至被当成无烟煤开采和销售， 煤系石墨资源浪费严重。 ④ 煤系石墨提纯和深加工 工艺研发滞后，仍主要局限于低端应用，严重制约 了煤系石墨附加值的提高，缺乏产业升级良性发展 的动力[10,64-65]。⑤ 不合理、过度资源开发，造成资 源迅速枯竭，并带来严重的环境污染问题。 煤系石墨是石墨矿床的重要组成部分，煤系石 墨具有的矿体集中、品位高和易开发的特点，决定 了其必将成为未来石墨产业的重要支柱，在新时期 发展背景的要求下，为满足中国制造 2025计划 的资源需求，应从以下方面开展工作① 深入研究 煤系石墨成矿机制和赋存规律，建立科学的评价指 标，加强煤系石墨勘查评价，摸清资源家底。② 加 强政府宏观调控，根据资源、环境和经济协调发展 原则科学规划，合理有序地开发煤系石墨资源，实 现在保护中开发、在开发中保护。③ 开展煤系石墨 物理化学性质研究，实现矿床资源分级分质利用， 优化在耐火材料、 钢铁原料等传统工业的应用价值， 提高资源利用率。 ④ 加强煤系石墨提纯和深加工技 术研究，面向石墨产业价值链的高端，提高产品附 加值。⑤ 加强产业结构转型，推进煤系石墨工业园 区建设， 为以煤–煤系石墨为原料制备人造高纯石墨 等产品提供服务创新平台，充分将煤炭从传统粗放 型的燃料转变为工业原料。 6 结 论 a. 煤系石墨是一类特殊的非典型晶质矿物，与 煤层为同层异矿，煤向石墨演化的实质在元素组成 上表现为