石墨矿床分布特征、成因类型及勘查进展

发布时间：2021-09-25

　　提要:石墨已成为新兴技术产业的重要原料，也是未来高新技术发展的重要关键性矿产资源。中国既是石墨资源大国，也是生产消费大国。本文通过对石墨矿床特征、物质来源及矿床成因等内容进行系统梳理，概括了石墨矿产资源分布现状，总结了不同成因类型石墨矿床的特征及规律。石墨矿集区主要分布于东亚—南亚、东非、东欧—中欧、北美洲、南美洲和大洋洲等地，各矿集区资源禀赋、矿床成因及成矿地质特征各具特色。石墨矿床成因类型重新划分为区域变质型、热液型、岩浆型和接触变质型四种类型，其中区域变质型、接触变质型、岩浆热液型及深成岩型石墨矿的碳质来源主要为有机质，而变质热液型和火成碳酸岩型石墨矿则以幔源岩浆碳为主。石墨矿勘查进展方面，中国和东非马达加斯加、莫桑比克、坦桑尼亚等国，近几年找矿成果显著，探获多处资源量达亿t级的石墨矿床，且储量大、易开采、成本低。石墨矿主要生产国为中国、莫桑比克、巴西，2020年三国石墨矿产量约占总产量的80%。

　　关键词:晶质石墨;石墨矿床;矿床类型;地质调查工程

　　1引言

　　石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体，其与金刚石、碳纳米管、碳60等碳元素的单质互为同素异形体。石墨因其独特的耐高温性、导电导热性、化学稳定性、抗热震性与可塑性等，广泛应用于冶金、化工、高端装备制造、新能源、新材料等领域(安彤等,2017;周起忠等,2019)。日本(2009年)、欧盟(2010年)、英国(2015年)、中国(2016年)、美国(2018年)、澳大利亚(2019年)、加拿大(2021年)等国家将石墨作为―关键性矿产‖(王登红,2019)，并相继出台了有关晶质石墨发展的产业政策。石墨在现代材料工业、军工及高精尖技术发展中至关重要，被公认为―21世纪支撑高新技术发展的重要资源‖(李超等,2015;安彤等,2017)。本文通过广泛收集、整理国内外资料，对石墨矿床的分布、成因类型及典型矿床地质特征、勘查进展等方面进行总结，以深化对石墨矿床空间分布、地质特征的认识，把握石墨矿勘查开发趋势。

　　2石墨矿床的时空分布特征

　　2.1石墨资源分布概况

　　晶质石墨矿主要分布于亚洲的中国和斯里兰卡，欧洲的乌克兰、挪威和意大利，非洲的马达加斯加、津巴布韦、莫桑比克、坦桑尼亚和肯尼亚，南美洲的巴西，北美洲的加拿大(图1)，其中莫桑比克和马达加斯加盛产大鳞片石墨，斯里兰卡盛产高品位的致密块状石墨(高照国等,2018)。隐晶质石墨矿主要分布于亚洲的印度、朝鲜和土耳其，欧洲的俄罗斯、瑞士和奥地利，大洋洲的澳大利亚，北美洲的墨西哥等(图1)。已有地质资料表明，多数国家只产一种石墨，且矿床规模以中、小型居多，仅亚洲的中国、欧洲的捷克和斯洛伐克、北美洲的美国等极少数国家均有晶质和隐晶质石墨矿床产出，且矿床规模以大型为主。

　　2012年以前，探明石墨资源量在7000～9000万t。2012年之后，石墨成为国际勘探研究热点矿种(Haoetal.,2016)，石墨矿产勘查开发力度不断加大，呈现出空前繁荣的勘探局面。2015年之后，探明石墨资源量呈现出快速增长的趋势。特别是近几年莫桑比克、坦桑尼亚和马达加斯加石墨资源增储迅速，且单个矿山资源量巨大(S&PGlobalMarketIntelligence，2021)。此外，意大利、美国、巴西、加拿大、肯尼亚和坦桑尼亚等国家均有晶质石墨产出，瑞士、朝鲜和美国等国家均有隐晶质石墨产出，但石墨矿床规模不大。目前，亚太地区是石墨供应市场份额最大的地区，2020年占世界市场的70%左右，其次是西欧、北美地区。

　　2.2主要石墨矿集区概况

　　石墨矿集区主要集中分布于东亚—南亚、东非、东欧—中欧、北美洲、南美洲和大洋洲等地。

　　2.2.1东亚-南亚石墨矿集区

　　石墨资源主要分布于中国、印度、朝鲜和斯里兰卡等国家。中国石墨矿床主要分布于华北地块、扬子地块周缘、天山—兴蒙造山带和秦祁昆造山带，石墨矿产地分布广泛，矿石种类齐全，以晶质石墨为主，隐晶质石墨为次，而储量又相对集中于少数成矿最有利的地区。根据资源储量的多少，晶质石墨矿床依次分布于黑龙江、山东、内蒙古、山西、河南、四川、湖北和陕西等省(李超等,2015)，隐晶质石墨矿床主要分布于内蒙古、湖南、广东、吉林、陕西、山东和福建等省(图2)。中国晶质石墨资源丰富，整体呈现东北多西南少的格局，截止2019年底，已探明晶质石墨资源储量为5.29亿t，其中黑龙江、内蒙古和山东三省为晶质石墨矿主产地(中国矿产资源报告，2020)。中国区域变质型石墨矿床的形成与前寒武纪中深变质岩系密切相关，主要成矿期为古元古代，变质程度从绿片岩相到麻粒岩相均有产出。热液型石墨矿床主要形成于石碳纪，由海西中期岩浆活动，在侵入过程中同化了石碳纪地层中含碳高的岩石，形成独特的球状晶质石墨矿床(张国新等,1996;刘松柏等,2011;颜玲亚等,2018)。接触变质型石墨矿床主要形成于二叠纪—三叠纪，由燕山期—海西期中酸性岩体侵入含煤地层引起接触变质，煤层中的碳物质发生接触变质形成隐晶质石墨矿床，变质程度主要为角岩相;接触变质型隐晶质石墨矿床成矿时代从晚古生代石碳纪、二叠纪至中生代侏罗纪，其中最重要的是晚二叠世及早侏罗世和晚侏罗世，北方以晚、早侏罗世及石碳纪的较多，南方以二叠纪为主。石墨成矿期和大地构造演化过程密切相关，主要包括中太古代—古元古代、中元古代—早寒武世、晚古生代—中生代三个重要成矿期，其中以中太古代—古元古代区域变质成矿期最为重要(李超等,2015;颜玲亚等,2018)。

　　相关知识推荐：容易发表的地质类中文核心期刊

　　印度石墨矿床多为煤或富碳沉积物变质而成，奥里萨邦、拉贾斯担邦、普拉德邦、古吉塔邦和泰米尔纳德邦是石墨主要产地，其中奥里萨邦石墨产量占印度总产量的65%～75%(颜玲亚等，2014)，奥瑞萨邦的石墨矿床赋存于寒武纪地层中，包括博兰吉尔—桑巴尔普尔、普尔巴尼—长拉汉迪和登卡纳尔3个矿带(Panigrahietal.,2007)，其中最大的甘若达尔(Ganjaudar)矿床延伸达6.4～11.3km，矿体厚120m。朝鲜盛产细晶质石墨和隐晶质石墨，矿床主要分布于慈江道和咸镜道，咸镜道内的东方石墨矿是朝鲜最大的细晶质石墨矿床，石墨呈细鳞片状或致密块状分布于云母片岩和绿泥石片岩中(张苏江,2018)。斯里兰卡西部和西南部分布多个优质的晶质石墨矿床，矿体多呈脉状分布于太古宙片麻岩中，有的呈透镜状和囊状充填于大理岩中。

　　2.2.2东非石墨矿集区

　　东非地区蕴藏着丰富的天然石墨资源，主要分布于马达加斯加、莫桑比克、坦桑尼亚、埃塞俄比亚和马拉维等国家(任军平等,2021)。马达加斯加是优质大鳞片石墨矿的重要产地之一，石墨由富碳地层经区域变质作用形成，呈浸染状赋存于火山岩、硅质沉积岩中，矿体产于云母片岩和云母片麻岩中(黄国平等，2014;安彤等，2017;王力等，2017)，矿石品位一般为3%～11%，少数为30%～40%，鳞片直径可达4mm。马达加斯加从北东到南西划分为Bekily-Ampanihy、Ambatolampy-Fianarantsoa和Befandriana-Toamasina三处石墨成矿带，成矿带近南北或北北东向展布，带内已发现矿产地17处、矿点37处，包括Ambahita、Ambohimandroso、Andasibe-Perinet、Antsirakamb、Marovintsy和Vohitasara等矿床(王奎良等,2020)。莫桑比克石墨资源丰富，石墨矿床赋存于基底变质岩中，主要分布于德尔加杜角(CaboDelgado)省的安夸贝(Ancuabe)地区以及太特(Tete)省的安格尼亚(Angoia)地区，二者的地层均产于中元古代早莫桑比克期，前者岩性主要为斜长角闪片麻岩，后者岩性主要为高级片麻岩和石墨片麻岩，均为大鳞片晶质石墨(陈超等,2018)。安格尼亚石墨矿为赋存于中元古代安格尼亚群含石墨变质岩系地层中，严格受层位控制，含矿岩性主要为石墨黑云角闪斜长片麻岩和石墨斜长片麻岩，其变质相为片麻岩相—麻粒岩相，属于大鳞片晶质石墨矿，矿体产状由地表向深部变陡等特征。坦桑尼亚石墨矿床多数位于其中部和东南部地区，为最大的石墨生产国之一(白德胜等，2017)，正在开采的石墨矿床包括马瑞拉尼(Marilani)和乞力马扎罗山(Kilimanjaro)等，此外还有很多处于勘查阶段的石墨矿床，如纳丘(Nachu)、奇拉洛(Chilalo)、纳曼加勒(Namangale)、马亨盖(Mahenge)等(罗清威等,2018;祁东等,2020)。

　　2.2.3东欧-中欧石墨矿集区

　　石墨资源主要分布于乌克兰、捷克、俄罗斯、芬兰和奥地利等国家。乌克兰石墨矿床主要分布于克什提姆—穆尔津片麻岩中，查瓦里耶夫(Zavalievsky)石墨矿是已开采最大石墨矿床，矿石品位6%～7%(Schulzetal.,2017);波多果尔(Podogol)石墨矿床位于伊尔库茨克以西，东萨彦山脉中部，涉及矿体20个。捷克南捷克州鳞片石墨矿床赋存于前寒武纪片麻岩﹑石英岩与碳酸岩中，矿石品位达15%;捷克的莫拉维亚地区微晶石墨矿床赋存于沉积变质岩中，矿石品位≥35%(张苏江等,2018)。俄罗斯克拉斯诺达尔边疆区(KrasnodarskiyKray)的库列伊卡(Kureyka)和诺金斯克(Noginskoje)隐晶质石墨矿，储量分别为8700万t和1000万t，矿石品位85%～88%(Schulzetal.,2017)。奥地利凯萨斯堡致密晶质石墨矿床，矿石品位40%～90%;特伦多夫—莫尔达夫石墨矿床，晶质石墨与微晶石墨共存，矿石品位45%～50%。德国博米安山丘帕绍石墨矿床，已发现矿层20余个，矿石品位10%~30%。瑞典Vittangi石墨矿床，其资源量1950万t，矿石品位24%;Jalkunen石墨矿床，其资源量3150万t，矿石品位15%;Nunasvaara石墨矿床，其资源量560万t，品位24.6%。芬兰中部Rautalampi和Käpysuo石墨矿床，东部Piippumäki和Kärpälä石墨矿床，其中后者是芬兰最大的石墨矿床(Palosaarietal.,2020)。

　　2.2.4北美洲石墨矿集区

　　北美洲石墨资源主要分布于加拿大、美国和墨西哥等国家。加拿大石墨矿床分布于安大略省、不列颠哥伦比亚省、魁北克省和新不伦瑞克省。安大略省比塞特克里克(Bissettcreek)石墨矿床是北美洲最大的石墨矿床，资源量5400万t，矿石品位1.9%，科尔尼(Kearney)石墨矿床资源量4800万t，矿石品位2.5%，波特兰德(Portland)石墨矿床，矿石品位6%;魁北克省刀湖石墨矿床资源量800万t，矿石品位16.7%，LacGueret石墨矿床资源量260万t，矿石品位15%～40%;不列颠哥伦比亚省库登奈山(KootenayMtns)石墨矿床，资源量670万t，矿石品位7%;新不伦瑞克省金格鲁夫(GoldenGrove)石墨矿床，矿石品位高达32%;萨斯喀彻温省(DeepBayEast)和(DeepBayWest)大型鳞片石墨矿床，个别矿段最高品位达27.52%。墨西哥已发现的石墨矿床绝大多数为隐晶质石墨矿床，主要分布于索诺拉州﹑格雷罗州和伊达尔戈州，超大型高品质的隐晶质石墨矿床埃莫西约(Hermosillo)位于索诺拉州，矿体赋存于含煤的深灰红色石英岩之间，矿体厚7.3m，平均品位为80%，最高可达95%。美国宾夕法尼亚州、密歇根州、加利福尼亚州和阿拉斯加州等10多个州均有石墨资源分布。2012年在锡沃德半岛发现大型鳞片石墨矿床，矿体地表出露长5km，厚100m，大鳞片高品质石墨赋存于黑云母石英片岩中，还有石墨透镜体，矿石品位高达60%。

　　2.2.5南美洲石墨矿集区

　　南美洲石墨资源主要分布于巴西、智利、秘鲁等国。巴西石墨矿床分布于米纳斯吉拉斯州(MinasGerais)、马托格罗索州(MatoGrosso)、塞阿拉州(Ceara)和巴伊亚州(Bahia)，品质最好的石墨分布于米纳斯吉拉斯州派德拉亚朱尔(PedraAzul)矿床，探明资源量2.5亿t，矿石品位20%～25%，为巴西最大的石墨矿床;奥门纳拉(Almenara)石墨矿床，资源量5700万t，矿石品位4%～10%。马托格罗索州波斯波利斯(Persepolis)石墨矿床，资源量4000万t，矿石品位12%(Manoeletal.,2018;张苏江等,2018)。

　　2.2.6大洋洲石墨矿集区

　　大洋洲石墨资源主要分布于澳大利亚(图3)。澳大利亚南部澳尤里(Uley)石墨矿床，资源量600万t，矿石品位11%;Munglinup大鳞片石墨矿床，已探明和推测的资源量为800万t，矿石品位12.2%;澳苏格罗夫(Sugarloaf)鳞片石墨矿床，资源量为4000～7000万t，矿石品位10%～12%(张苏江等,2018)。目前，Siviour石墨矿床为澳大利亚储量最大石墨矿，资源量8740万t，品位7.5%。

　　3石墨矿床成因类型

　　石墨的形成与大地构造格局、富碳质沉积体系、变质作用、混合岩化作用等控矿因素密切相关，大地构造格局决定了晶质石墨矿床的有利区分布，富碳陆源碎屑沉积体系主控碳源供给和赋矿层位分布，变质作用程度及期次限定石墨矿体规模，混合岩化过程对提升矿石品质具有重要促进作用(王力等，2017)。本次根据成矿作用过程、矿物组成、化学成分等特征，结合以往研究成果(张艳飞等,2020a,2020b)，将石墨矿床重新划分为区域变质型、热液型、岩浆型和接触变质型四种类型(表1)。

　　3.1区域变质型石墨矿床

　　区域变质型晶质石墨矿床是最重要类型，在区域变质条件下，赋矿沉积岩中早期的含碳物质转化为石墨(Hoefseaal.,1976)，大多数石墨矿床位于前寒武纪变质结晶基底，主要为新太古代—元古代(Chackoetal.,1987)，矿石类型主要为片麻岩型、片岩型、变粒岩型和大理岩型，进一步可划分为中深变质型和浅变质型。石墨的鳞片粒度与变质程度呈正比，结晶较好的鳞片石墨形成于角闪岩相或麻粒岩相，细鳞片结构的石墨形成于绿片岩相(李超等,2015)，石墨呈浸染鳞片状分布于火山岩、硅质沉积变质岩中，此类矿床石墨鳞片大，矿石质量高。高品位石墨通常与大理岩和副片麻岩或石英岩之间的岩石接触界面、断层带中的透镜体以及作为变质流体通道的构造有关，表明矿化受构造控制;尽管这些矿床中的大多数碳被认为存在于原始沉积岩中，但一些碳富集可能是由变质流体的内部或外部缓冲或混合过程引起(Lambetal.,1984;Newton,1986)。石墨矿床以层控透镜体或层的形式出现，矿床中的单个透镜体厚达数十米，长数百米，透镜体内部以及透镜体之间石墨含量都是可变的。典型矿床的矿石品位为8%～15%，而已发现的区域变质型石墨矿床矿石品位介于3%～60%，如马达加斯加一个富矿透镜体中含有60%的石墨，美国阿拉斯加基格鲁艾克山石墨矿区的石墨品位在某些地段超过50%(Coats,1944)。在副片麻岩型矿床中，脉石(非矿石)矿物按丰度顺序依次为长石、黑云母、辉石、石榴石和硫化物。石墨大理岩型矿床中的脉石矿物包括方解石、辉石、长石、石榴石和硫化物。——论文作者：张艳飞1,2,安政臻1,梁帅2*,翟富荣3,张森2,鞠楠2,姜平4,金秀英3,肖荣阁5