佳木斯地块东段典型石墨矿床地质特征及成因机制研究

储照波，朱随洲，徐 建，许永兴，李令斌

(1.山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东 济南 250101；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250101)

0 前 言

随着新能源、新材料产业的崛起，石墨产品正逐渐成为国防、航天和新材料等领域不可替代的重要材料[1-2]。全球石墨烯市场规模已超1 700亿元，中国在石墨烯产业起到了核心和主导地位，占全球规模的70%～80%。目前石墨在国际市场供不应求，高纯石墨价格呈直线上升趋势，-196鳞片石墨价格长期高于4 000元/t，合理开发和利用石墨资源对促进地方经济发展具有深远意义。我国石墨资源丰富，主要分布于黑龙江、内蒙古、四川、山东和山西等地区，主要有晶质石墨和隐晶质石墨2种类型[3]，晶质石墨以大、中型规模为主[3-4]。其中，黑龙江省已查明石墨矿物资源储量 1.35 亿 t，占全国资源储量的46.9%，主要集中于鸡西和鹤岗一带[5-6]。

以佳木斯地块东段典型的麻山石墨矿为研究对象，系统研究佳木斯东段区域地质背景、矿区地质特征和矿床特征，探讨矿床成因和找矿标志，对提高黑龙江石墨资源研究程度具有重要理论意义，对促进鸡西地区经济发展和资源规划具有经济意义。

1 区域地质背景

研究区位于天山-兴安加里东弧形造山带东界佳木斯地块东段麻山隆起区(见图1)，是前寒武纪晶质石墨矿富集的重要地带，岩浆活动强烈、断裂切割交替使隆起区构造异常复杂。根据岩石组合、含矿特征、岩浆侵入特点，将隆起区划分为2个褶皱构造，即麻山复背斜和龙山复向斜。麻山石墨矿2个采区发育于龙山复向斜中，呈北东向延伸，长>40 km，宽8～12 km，地层为上太古界麻山岩群余庆组。核部地层为麻山岩群余庆组上段大理岩和黑云变粒岩；两翼为余庆组下段石墨片岩、石墨斜长片麻岩、矽线透辉片麻岩、石墨斜长变粒岩和斜长角闪岩等；形成于太古代晚期，东部被元古代花岗岩侵入，燕山时期东部大面积沉降被燕山中晚期白垩系地层覆盖。区内矿产以非金属为主，主要有石墨、矽线石、大理岩、透辉石、磷灰石、金云母、钾长石等，具有工业价值的矿产主要为石墨、矽线石和大理岩等[7]。

图1 佳木斯地块麻山杂岩分布

2 矿区地质

2.1 地质特征

矿区位于龙山复向斜南翼(见图2)，为一单斜构造，地层走向为近东西向，倾向南，倾角60°～70°；区内断裂构造较发育，主要以南北向为主，但两采区内均未发现明显的断裂和褶皱构造。主要出露上太古界麻山岩群余庆组(Ar3y)矽线石墨石英片岩、矽线黑云片岩、石墨斜长片麻岩、石榴堇青片岩、黑云斜长变粒岩、大理岩和含石墨大理岩等，中生界白垩系穆棱组(K1m)砾岩、粗砂岩、粉砂岩夹灰绿色凝灰岩及含煤地层和第四系全新统(Qh2)河漫滩黏土、砂砾、碎石及淤泥质黏土堆积层。其中，上太古界余庆组是石墨主要富集层位。侵入岩主要出露有片麻状二长花岗岩、变辉长辉绿岩、变闪长岩和混合岩化闪长岩岩体及少量变闪长玢岩脉。

图2 麻山石墨矿区地形地质

2.2 地球物理特征

经物性测试，区内出露的麻山岩群各岩石电阻率均较大。仅有石墨矿石电阻率约10 Ω，可以形成较强的自然电位点异常。如二采区内发现了1条较强的自然电位异常带，曲线比较宽缓，点值中心部分曲线有些小的起伏波动，该自然电位点异常为石墨矿体异常，且为多层地质体产生的综合效应[8]。

3 矿床特征

区内石墨矿体赋存于近东西向麻山岩群变质岩系中，矿体呈层状或似层状产出，共发现石墨矿体9个，矿体的产出严格受地层控制。截至2017年12月31日，核实的工业资源储量为：(332)+(333)石墨矿石量7 297.30 kt，矿物量565 697 t，固定碳平均品位7.75×10-2。其中控制的内蕴经济资源量(332)，矿石量3 911.78 kt，矿物量289 499 t，平均品位7.40×10-2；推断的内蕴经济资源量(333)，矿石量3 385.52 kt，矿物量276 198 t，平均品位8.16×10-2。控制的内蕴经济资源量(332)占总资源量(332)+(333)的53.61%。

3.1 矿体分布特征

一采区共查明石墨矿体4条，3条位于采区南部，1条位于采区北部。含矿地层为余庆组黑云斜长片麻岩、辉石大理岩、石墨石英片岩和混合岩等。采区南部含矿层出露厚度约200 m，长度约400 m，赋存有Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3号矿体，主要含矿岩性为石墨石英片岩和石墨石榴石石英片岩。矿体呈层状、似层状产出，单层厚度17.80～28.31 m，沿走向膨大收缩明显，长度100～300 m，延深在50～169 m之间，各矿体之间呈平行排列，间距3～20 m，倾向南，倾角51°～79°。矿体直接围岩为黑云斜长片麻岩、辉石大理岩、混合岩。北部Ⅰ4号矿体，含矿岩性为石墨石英片岩，呈脉状产出，厚度6.91 m，长度100 m，延深40 m，倾向南，倾角79°，矿体直接围岩为黑云斜长片麻岩、混合岩。

二采区共查明石墨矿体5条，呈近东西向展布。含矿地层为余庆组黑云斜长片麻岩、石墨黑云石英片岩、辉石大理岩、石墨白云母石英片岩和混合岩等。采区内含矿层出露厚度约150 m，长度约615 m，赋存有Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5号矿体，主要含矿岩性为石墨黑云石英片岩。矿体呈层状、似层状、脉状产出，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4号矿体走向上向东西两端有一定延伸，长度一般610 m，矿体延深控制一般130～225 m，厚度13.24～26.30 m，各个矿体之间呈平行排列，间距2～25 m，倾向南，倾角为51°～77°。矿体直接围岩为黑云斜长片麻岩、辉石大理岩、混合岩。Ⅱ5号矿体为单工程控制矿体，仅在地表槽探中揭露，矿体规模较小，呈脉状产出，厚度6.02 m，长度90 m，延伸50 m。

3.2 矿体特征

矿区共圈定矿体9个(见表1)，编号分别为Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ5。其中，主要矿体5个(Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅱ4)，次要矿体2个(Ⅰ1、Ⅰ3)，零星矿体2个(Ⅰ4、Ⅱ5)。

表1 矿体特征一览

3.2.1 主矿体特征

1)Ⅰ2号矿体:分布于一采区2～5线间，东部延伸至采区边界，西部延伸至采坑水体之下，由2条探槽和3个钻孔控制。矿体呈层状，走向近东西，倾向191°，倾角56°～79°。矿体整体出露长度271 m，控制矿体长210 m，控制斜深169 m。矿体中部宽两端窄，真厚度最厚28.43 m，最薄8.50 m，平均厚度17.80 m，厚度变化系数为42.30%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位25.41×10-2，最低品位2.65×10-2，平均品位15.98×10-2，品位变化系数40%，系有用组分分布均匀型矿体。矿体赋存于麻山岩群余庆组中，顶板为辉石大理岩，2勘查线为含石墨石英片岩，底板为含石墨石英片岩，矿体深部底板为辉石大理岩，矿体与围岩产状一致，界线清楚。矿体中的夹石主要为含石墨石英片岩，其次为含石墨辉石大理岩、条带状花岗岩，夹石厚度2.41～3.40 m，含石墨石英片岩、含石墨辉石大理岩与矿体产状一致，条带状混合花岗岩形态不规则，多为顺层侵入。

2)Ⅱ1号矿体:分布于二采区1～10线间，延走向向东西两侧延伸出采区边界，由11个5条探槽和6个钻孔控制。矿体呈似层状，走向东西，倾向180°，倾角53°～76°。矿体整体出露长度605 m，控制矿体长400 m，控制斜深225 m。矿体中部宽两端窄，真厚度最厚25.89 m，最薄1.43 m，平均厚度13.24 m，厚度变化系数为67.16%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位15.77×10-2，最低品位2.24×10-2，平均品位6.04×10-2，品位变化系数42.97%，系有用组分分布较均匀型矿体。矿体类型多数为片岩型，含矿岩性为石墨黑云石英片岩，在2勘查线2ZK1底部见变粒岩型石墨矿石，含矿岩性为石墨辉石长英变粒岩。矿体顶板多为含石墨石英片岩，1线为辉石大理岩，底板多为混合花岗岩，1线为含石墨石英片岩，矿体与围岩基本一致，界线清楚。2线底部见脉状混合花岗岩夹石，厚度为1.7～3.1 m。

3)Ⅱ2号矿体:分布于二采区1～10线间，延走向向东西两侧延伸出采区边界，由5条探槽和6个钻孔控制。矿体呈似层状，走向东西，倾向180°，倾角47°～77°。矿体整体出露长度605 m，控制矿体长400 m，控制斜深152 m。矿体中部宽两端窄，真厚度最厚44.63 m，最薄1.86 m，平均厚度17.93 m，厚度变化系数为66.16%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位14.28×10-2，最低品位1.96×10-2，平均品位5.41×10-2，品位变化系数42.96%，系有用组分分布较均匀型矿体。矿体类型为单一片岩型，含矿岩性为石墨黑云石英片岩，矿体顶板多为含石墨石英片岩，底板多为混合花岗岩，局部为辉石大理岩，矿体与围岩基本一致，界线清楚。4线底部、8线顶部见透镜状含石墨石英片岩夹石，厚度为1.60～2.31 m。

4)Ⅱ3号矿体:分布于二采区1～10线间，延走向向东西两侧延伸出采区边界，由6条探槽和4个钻孔控制。矿体呈似层状，走向东西，倾向180°，倾角52°～71°。矿体整体出露长度515 m，控制矿体长400 m，控制斜深169 m。矿体中部宽两端窄，真厚度最厚46.57 m，最薄4.91 m，平均厚度26.30 m，厚度变化系数为48.16%，属厚度变化较稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位14.67×10-2，最低品位2.06×10-2，矿体平均品位6.51×10-2，品位变化系数41.94%，系有用组分分布较均匀型矿体。矿体类型为单一片岩型，含矿岩性为石墨黑云石英片岩，矿体顶板多为含石墨石英片岩，4线为混合花岗岩，底板多为含石墨石英片岩，局部为混合花岗岩。矿体与围岩基本一致，界线清楚。6线见脉状含石墨斜长片麻岩2条，厚度为2.0～11.1 m。

5)Ⅱ4号矿体:分布于二采区1～10线间，延走向向东西两侧延伸出采区边界，由6条探槽和3个钻孔控制。矿体呈层状，走向东西，倾向180°，倾角59°～68°。矿体整体出露长度500 m，控制矿体长400 m，控制斜深130 m。矿体中部宽两端窄，真厚度最厚26.86 m，最薄12.67 m，平均厚度18.97 m，厚度变化系数为28.02%，属厚度变化稳定型矿体。矿体单样固定碳最高品位11.49×10-2，最低品位2.36×10-2，矿体平均品位5.32×10-2，品位变化系数43.90%，系有用组分分布较均匀型矿体。矿体类型为单一片岩型，含矿岩性为石墨黑云石英片岩，矿体顶板为黑云斜长片、混合花岗岩，底板多为含石墨石英片岩，局部为混合花岗岩，矿体与围岩基本一致，界线清楚。8线、10线见楔形含石墨斜长片麻岩夹石，厚度为3.2～7.6 m。

3.2.2 次要矿体特征

1)Ⅰ1号矿体：分布于一采区2～4勘查线上，地表由TC3-1、TC4-1探槽揭露，总厚度51 m，长度200 m，深部由2个钻孔控制。矿体呈似层状，向西南198°倾斜，倾角50°～66°。矿体向深部延深大于120 m。矿体真厚度最厚49.52 m，最薄2.47 m，平均厚度20.09 m。矿石类型为单一的片岩型石墨，岩性为石墨石英片岩。矿体固定碳平均品位14.17×10-2。

2)Ⅰ3号矿体：分布于一采区2～4勘查线上，地表由TC3-2、TC2-1探槽揭露，总厚度48 m，长度200 m，深部由1个钻孔控制。矿体呈似层状，向西南187°倾斜，倾角65°，向深部延深大于107 m。矿体真厚度最厚40.87 m，最薄13.91 m，平均厚度28.31 m。矿石类型为单一的片岩型石墨。矿体固定碳平均品位11.94×10-2。

3.2.3 零星矿体特征

1)Ⅰ4号矿体：在一采区北部出露，地表由TC12-1探槽控制，施工深部控制工程ZK13-1未在深部见到该矿体。矿体顶、底板围岩分别为混合花岗岩、黑云斜长片麻岩。推断矿体长100 m，延伸40 m，矿体厚度6.91 m，固定碳品位7.34×10-2。

2)Ⅱ5号矿体：在一采区南部出露，由TC4单工程控制，深部未施工钻探验证其含矿性。矿体顶、底板围岩为混合花岗岩。推断矿体长90 m，延伸50 m，矿体厚度6.09 m，固定碳品位5.73×10-2。

3.3 矿石质量

3.3.1 矿石矿物组成

矿区透明矿物主要以石英(50%～70%)为主、长石(2%～5%)、黑云母(5%～15%)、辉石(10%～20%)，少见电气石、石榴石、矽线石、蓝晶石、金红石、白云母、透辉石、方解石、锆石等矿物；不透明矿物以石墨为主，石墨含量10%～27%，平均含量17%，固定碳(C)含量最高可达26×10-2，少量黄铁矿、钛铁矿、黄铜矿等金属矿物。

石墨矿物，肉眼观察呈黑色，鳞片状，大致呈定向分布于岩石中，显微镜下呈灰白反射色，双反射明显，强非均质性，具暗棕-暗蓝偏光色。

本次工作在一、二采区内共采集188片光片进行了鳞片测定(见表2)，剔除部分石墨矿物含量较低的光片，一采区参与片度统计的光片为48片，二采区115片。

表2 主要矿体石墨鳞片各片度平均百分含量统计

一采区，主要矿体石墨矿石石墨片度>270 μm的平均百分含量为50%、180～270 μm为26%、150～180 μm为9%、<150 μm为15%，正目率为85%。

二采区，主要矿体石墨矿石石墨片度>270 μm的平均百分含量为45%、180～270 μm为27%、150～180 μm为9%、<150 μm为19%，正目率为81%。

3.3.2 矿石化学成分

矿区内共采集6件多元素分析样品(见表3)，并进行了组合分析。矿石有益伴生组分V2O5在324×10-6～2 125×10-6，平均893×10-6，TiO2在0.35×10-2～0.82×10-2，平均0.5×10-2，含量低于综合评价指标，没有综合利用价值。矿石中主要有害组分为S、P、Fe元素，矿石中S在0.03×10-2～2.84×10-2，平均0.81×10-2，TFe2O3在1.76×10-2～10.14×10-2，平均4.14×10-2。P2O5在0.03×10-2～0.27×10-2，平均0.12×10-2；有害组分低于综合评价指标。

表3 矿体多元素分析结果 ×10-2

3.3.3 矿体固定碳含量变化特征

1)一采区固定碳含量变化情况

对一采区固定碳品位的统计计算：样品数206件，标准差6.44，平均品位13.61×10-2，变化系数47.32%。说明一采区的矿石品位变化较稳定，形态从4.5×10-2～24.5×10-2大致呈对数正态分布(见图3)。

图3 一采区固定碳品位频数分布

2)二采区固定碳含量变化情况

对二采区固定碳品位的统计计算：样品数646件，标准差2.64，平均品位6.07×10-2，变化系数43.45%。说明二采区的矿石品位变化较稳定，其形态从0.5×10-2～11.5×10-2大致呈对数正态分布(见图4)。

图4 二采区固定碳品位频数分布

3.4 矿石风(氧)化带特征

钻孔资料显示一采区矿体仅地表存在数米的风化矿石，因采区内开采深度已达50～80 m，风化矿层已基本采完，核实区中一采区无风化矿石。二采区矿体风化带根据钻孔编录，其深度一般在17.3～46.0 m之间，风化带的深浅与矿体出露位置标高有关，出露位置较高的风化带较深，出露位置标高较低的风化带较浅。

3.4.1 风化带标志及特征

1)泥风化带：矿体从地表向下1～3 m，局部3～5 m，为全风化带，岩心呈泥状，矿石结构难以辨认，长石多高岭土化，部分地段的石墨矿物呈黑色土状物。受采矿活动影响，二采区采坑内钻孔工程仅10ZK1中见泥风化带。

2)强风化带石墨矿体：节理裂隙发育，岩心破碎，不完整，硬度低，节理面上有较多灰色或灰绿色泥状物质，硫化物已全部被铁锰氧化物所取代，深度一般小于46 m。

3)弱风化带：深度小于72 m，矿体风化较弱，裂隙不发育，岩石较完整，沿层面及裂隙面略有变色，可见棕色或铁锈色铁锰氧化物。

3.4.2 风化矿石特征

1)泥化带：矿石多呈土状，石墨矿物呈黑色泥状，长石大部分呈土状，石英呈砂状，部分矿石中的石墨和脉石多已解离，矿石易于加工，但回收率低。

2)强风化带：石墨矿石受风化作用的影响，硬度变低，结构松散，使矿石在选矿加工过程中脉石矿物与矿石矿物易于解离，使原生石墨鳞片在矿石加工中容易得到保护。

3)弱风化带：石墨矿石节理裂隙发育程度略低于强风化带，矿石的结构、构造、物理性能保持原岩的特点，除部分长石高岭土化外，石英及其他矿物等无明显变化，加工技术性能略低于强风化带中的矿石。

综上所述，矿区主要矿体风化带较深，石墨矿石受风化作用的影响，有利于矿石的技术加工，有利于鳞片的保护，是矿山开采的有利地段。

3.5 矿石类型和品级

3.5.1 矿石自然类型

矿区石墨矿石按矿石的结构、构造和矿物成分等特征，划分为片岩型石墨矿和变粒岩型石墨矿2种(见图5)，以片岩型石墨矿为主，变粒岩型石墨矿仅见于二采区2ZK1钻孔。

1.Q为石英；2.Gr为石榴石；3.Srt-Ms为石墨；4.Llm为褐铁矿；5.Py为黄铁矿；6.Pl为斜长石；7.Px为辉石；8.Po为磁黄铁矿

1)片岩型石墨矿：为矿区主要矿石自然类型，鳞片粒状变晶结构，片状构造，少见定向构造。一、二采区矿石矿物含量有所不同。一采区石墨含量(15%～32%)，次要矿物以石榴石(5%～20%)和辉石(5%～20%)为主，少见金红石、白云母和透辉石等，含矿岩性为石墨石英片岩、石墨石榴石石英片岩、石墨辉石石英片岩，偶见石墨二云石英片岩；二采区石墨含量(4%～28%)，次要矿物以黑云母(3%～20%)和白云母(1%～5%)为主，偶见矽线石和蓝晶石等，含矿岩性为石墨黑云石英片岩及少量石墨白云母石英片岩。

2)变粒岩型石墨矿：仅见于二采区2ZK1钻孔底部，矿石为石墨辉长英变粒岩，粒状变晶结构，定向构造。主要矿物为石英(35%～40%)、长石(25%～30%)、辉石(15%)、不透明矿物(18%)及少量石榴石。

3.5.2 矿石工业类型

矿石中主要矿石矿物为单一的晶质石墨，不论是片岩型石墨矿，还是极少数的变粒岩型石墨矿，本区石墨矿石均属同一工业类型，即晶质(鳞片状)石墨矿石，进一步可根据矿石风(氧)化程度分为风化矿石及原生矿石[9]。

3.6 矿体围岩和夹石

3.6.1 矿体围岩

根据围岩性质及与矿体的接触关系，围岩大致可分2类：①与矿体为渐变关系的，含石墨石英片岩、含石墨斜长片麻岩、含石墨黑云石英片岩，为主矿体的围岩，石墨含量1%～2%，固定碳品位0.69×10-2～1.95×10-2，这类片岩分布在矿体顶板、底板，与矿体呈渐变关系；②含石墨辉石大理岩、含石墨辉石长英变粒岩、混合花岗岩等，这类岩石含石墨较少，与矿体界线清晰，多为整合接触，局部混合花岗岩与矿体接触边界不规则。

3.6.2 矿体夹石

一采区内矿体分支复合，矿体中无夹石。二采区含夹石3条，其中Ⅱ3号矿体透镜状夹石2条(3 m和18 m)，Ⅱ4号矿体似层状夹石1条(5 m)，夹石岩性为含石墨黑云斜长片麻岩，固定碳含量在0.86%～2.43%之间。夹石与矿体关系密切，界线清楚。

4 矿床成因

4.1 矿床成因

佳木斯地块东段麻山石墨矿与民主南山、和平、光义及柳毛石墨矿同属一个石墨矿田[10]，地质条件及矿床特征基本相似，均为沉积变质型石墨矿，石墨矿体赋存于新太古界麻山岩群余庆岩组变质岩层中。

根据矿区石墨岩系的特征以及矿体产状、形态、矿石结构、构造、矿物组合、岩石化学特征和矿体复层状产出的特点分析：佳木斯地块东段石墨矿新太古界麻山岩群余庆岩组石墨石英片岩和石墨黑云石英片岩的矿物共生组合主要为长石、黑云母、石英、透辉石、矽线石、石榴石等，原始沉积物为砂泥质、黏土质、碳质泥岩及富镁碳酸盐系列，变质岩系的原岩为正常沉积岩；区内柳毛石墨矿δ13C 值变化范围与有机碳的δ13C值接近，而与无机碳的δ13C值相差较大，表明石墨矿石中的碳质主要来源于生物有机碳，部分来源于无机碳的沉积；区域地质作用下，有机质发生分解，开始形成较小鳞片石墨，随着温度和压力的升高，石墨发生净化、重结晶和富集，颗粒变大，形成粗大鳞片；后期花岗岩多次叠加侵入，不仅提供了无机碳来源，而且高温高压促使石墨进一步富集和重结晶，形成品位较高、鳞片粗大的石墨矿床；后期强烈的构造活动，矿石中的石墨鳞片受到严重破坏，鳞片产生“脆化”现象不利于选矿。后期的混合岩化作用一方面使附近的石墨鳞片增大，同时由于脉体含量增多，降低固定碳品位，影响矿石质量。

4.2 找矿标志

1)直接找矿标志：石墨矿床与中压高温区域动力热变质的片岩类和变质的石英岩类有直接的关系。含石墨片岩、黑云石英片岩和石榴石石英片岩等均是寻找石墨矿的直接标志；变质特征矿物，含量高的白云母、绢云母和含量较少的黑云母及较少量的透闪石、透辉石，少量红柱石和石榴石等。

2)间接找矿标志：物探甚低频电磁法测量寻找石墨矿是比较好的有效间接找矿方法。电导率(γα)异常值高的地方见石墨矿可能性较大。

5 结 论

1)佳木斯地块东段石墨矿赋存于新太古界麻山岩群余庆岩组石墨石英片岩和石墨黑云石英片岩中，呈层状、似层状或脉状产出，石墨含量10%～27%，固定碳品位1.96%～25.41%，为典型的沉积变质型石墨矿。

2)矿体的产出严格受地层控制，矿石矿物以石墨为主，鳞片状定向分布于岩石中，石墨鳞片正目率均>80%，片度以>270 μm、180～270 μm和150～180 μm为主，矿石品位变化较稳定；矿石类型主要为片岩型晶质石墨矿石，有零星变粒岩型石墨矿石；矿体风化带较深，泥化带和强风化带石墨矿体为良好的加工、解离和矿山开采的有利地段。

3)中压高温区域动力热变质的片岩类和变质的石英岩类与甚低频电磁法和高视电导率为良好的找矿标志。