Geological characteristics and genesis of crystalline graphite deposits in the North margin of Upper Yangtze Block
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摘要:
石墨矿是重要的国家战略保护资源，为了深化对上扬子陆块北缘晶质石墨矿成因的认识，对研究区多个石墨矿床的含矿地层、矿体特征、矿石结构构造、矿石地球化学特征进行了对比研究。结果发现，上扬子陆块石墨矿主要分布于四川南江—旺苍一带，形成一个南西—北东向延伸约60 km的矿化带。由南西至北东，石墨矿具有矿体厚度增加、结晶程度变高的趋势。主量和微量元素指标(SiO2、Al2O3、V/Cr、Ni /Co等)反映出含矿岩系整体形成于相对局限缺氧的浅水碳酸盐台地环境，这种环境有利于炭质保存，从而为石墨成矿提供物质来源。石墨矿的δ13C在-24.9‰~-14.2‰之间，与有机质的δ13C分布范围一致，表明石墨矿的炭质来源于生物有机质。石墨矿围岩含有绢云母、黑云母、石榴子石、红柱石等特征变质矿物，指示其经历了低绿片岩相变质作用。在岩浆岩与石墨矿接触部位固定碳含量明显增加，并伴有石墨片径增大的现象，表明岩体热接触变质促进了石墨矿进一步富集。初步提出了研究区石墨矿三阶段成矿模式，即中元古代原生碳质沉积阶段、中新元古代区域变质石墨晶核形成阶段、新元古代岩体热变质晶体生长成矿阶段。研究结果为深入认识上扬子陆块北缘石墨矿形成机制和中国晶质石墨矿成因提供基础材料。
Abstract:Graphite ore is a kind of important national strategic protection resource.In order to deepen the understanding of the genesis of crystalline graphite ore in the northern margin of the Upper Yangtze Block, the ore-bearing strata, ore body characteristics, ore structure and ore geochemical characteristics of many graphite deposits in the area have been studied.It was found that graphite ore was mainly distributed in the Nanjiang-Wangcang area of Sichuan, forming a graphite mineralization zone extending about 60 km from the northeast-southwest direction, and graphite ore has a tendency to increase the thickness of the ore body and the degree of crystallinity in this direction.The main and trace element proxies (SiO2, Al2O3, V/Cr, Ni/Co, etc.) reflect the formation of the ore-bearing rock series in a relatively limited, oxygen-deficient shallow carbonate platform environment.This environment is conducive to the preservation of carbon, which provide material sources for graphite ore formation.The δ13C of graphite ore is between -24.9‰ and -14.2‰, which overlaps the distribution range of δ13C of organic matter, indicating that the carbon of graphite ore comes from biological organic matter.The surrounding rock of the graphite mine contains characteristic metamorphic minerals such as sericite, biotite, garnet, andalusite, indicating that it is a set of low-green schist facies shallow metamorphic rocks.The fixed carbon content in the contact part of the magmatic rock and the graphite ore increases significantly and is accompanied by the increase of the scale structure, indicating that the thermal contact metamorphism of the rock mass promotes the further enrichment of the graphite ore.A three-stage metallogenic model of graphite deposits in the study area is initially proposed, inclunding the Mesoproterozoic primary carbonaceous sedimentation enrichment stage, Mesoproterozoic to Neoproterozoic regional metamorphic graphite nucleation stage, and Neoproterozoic rock mass thermal metamorphic crystal growth and mineralization stage.This study will provide basic materials for in-depth understanding of the formation mechanism of graphite ore in the study area and the genesis of China's crystalline graphite ore.
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致谢: 感谢中国地质调查局成都地质调查中心测试中心徐国栋老师、武汉上谱分析科技有限责任公司陈老师、核工业北京地质研究院刘老师在测试过程中给予的帮助，感谢成都理工大学研究生刘振、潘伟奇在野外工作中给予的帮助和支持。
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图 1 上扬子陆块北缘区域地质及石墨矿分布简图
a—研究区大地构造位置图; b—研究区区域地质及石墨矿矿点分布简图; 1—中元古界上两组; 2—中元古界麻窝子组; 3—古元古界后河岩群; 4—断层; 5—石墨矿床
Figure 1. Regional geological and graphite ore distribution in North margin of Upper Yangtze Block
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图 2 上扬子陆块北缘石墨矿体分布示意图
1—麻窝子组一段; 2—麻窝子组二段; 3—麻窝子组三段; 4—上两组三段; 5—后河岩群; 6—TTG岩套; 7—角闪辉长岩; 8—钾长花岗岩; 9—黑云石英闪长岩; 10—石英闪长岩; 11—花岗闪长岩; 12—霓霞岩; 13—角闪闪长岩; 14—石墨矿矿体; 15—断层; 16—地层产状
Figure 2. Schematic map of graphite ore body distribution in North margin of Upper Yangtze Block
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图版Ⅰ
a.大理岩裂隙中的透镜状石墨矿体，刺巴门地区; b.片岩中的石墨矿体，阴坝子地区; c.石墨片岩，大河乡; d.石墨矿夹大理岩，庙坪矿区; e.晶质石墨矿，坪河矿区; f.角砾状石墨矿，尖山矿区
图版Ⅰ.
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图版Ⅱ
a.角砾岩型矿石，尖山矿区; b.角砾岩型矿石，柳湾矿区; c.石墨片岩型矿石，庙坪矿区; d.石墨片岩型矿石，尖山矿区; e.石墨片岩型矿石，坪河矿区; f.含石墨大理岩型矿石，赖宜梁矿区; g.角砾状矿石，尖山，单偏光; h.石墨片岩型矿石，坪河，单偏光。黄色箭头指示石墨矿体。Gr—石墨; Dol—白云石; Q—石英
图版Ⅱ.
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图 3 石墨矿石显微激光拉曼光谱特征
Gr-石墨;Cb-碳酸盐;Ms-白云母;Ch-绿泥石;Q-石英;Ap-磷灰石;Ru-金红石
Figure 3. Microscopic laser Raman spectrum characteristics of graphite ore
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图 4 柳湾地区新元古代正长岩锆石阴极发光(CL)图像
Figure 4. CL images of ziron from Neoproterozoic granodiorite samples in Liuwan area
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图 5 石墨矿与围岩及相关物质碳同位素组成
Figure 5. Carbon isotope composition of graphite ore and surrounding rock and related materials
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图 6 石墨矿中剪切透镜体特征
a—石墨矿化大理岩夹方解石剪切透镜，zk001-6;b—石墨矿夹方解石，zk001-6，透射光正交镜; c—剪切透镜体，右行剪切，zk001-2;d—石墨矿化，星散状，zk001-4，反射光; Cal—方解石; Gr—石墨; Q—石英; Py—黄铁矿
Figure 6. Characteristics of shear lens in graphite ore
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图 7 柳湾地区新元古代正长岩样品锆石U-Pb年龄图
Figure 7. Zircon U-Pb age chart of Neoproterozoic syenite samples in Liuwan area
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图 8 上扬子陆块北缘石墨成矿模式简图
Figure 8. Schematic plot of graphite mineralization model in the North margin of Upper Yangtze Block
表 1 研究区石墨矿矿石固定碳、主量元素、微量元素、碳同位素特征
Table 1 Fixed carbon, major element, trace element and carbon isotope contents of the graphite ores in the studied area
采样地点 尖山 尖山 庙坪 庙坪 柳湾 柳湾 坪河 坪河 样品号 JS1-1 JS2-1 MP-1 MP-2 LW-1 LW-2 PH-1 PH-3 固定碳 5.26 6.49 2.50 1.72 5.51 2.79 6.02 15.10 SiO2 8.33 6.59 7.66 12.49 9.82 9.39 64.03 56.12 Al2O3 1.84 2.14 0.45 1.53 1.65 2.09 11.42 12.66 Fe2O3 0.85 1.13 0.59 0.73 1.88 2.67 5.98 2.69 MgO 16.11 16.55 19.63 16.41 18.33 17.62 1.18 1.46 CaO 23.73 23.87 27.42 24.48 25.93 25.28 0.23 0.40 Na2O 0.10 0.11 0.07 0.10 0.08 0.08 0.31 0.15 K2O 0.56 0.65 0.14 0.53 0.54 0.80 4.02 4.69 MnO 0.04 0.04 0.04 0.04 0.08 0.08 0.01 0.01 TiO2 0.11 0.13 0.02 0.05 0.06 0.10 0.94 1.17 P2O5 1.17 0.50 0.12 0.63 0.19 0.48 0.02 0.02 烧失量 47.14 48.23 43.35 42.37 41.37 40.99 11.82 19.28 V 41.5 43.8 12.3 37.9 26.8 30.3 966 6837 Cr 65.5 79.3 18.5 47.6 22.8 22.5 121 219 Co 2.34 2.41 1.55 2.24 4.11 6.11 15.2 7.45 Ni 40.2 47.7 8.97 29.2 13 18.9 270 203 Mo 4.37 3.81 0.1 1.56 1.89 2.07 42.3 193 U 23.4 2.62 0.6 3.17 2.15 3.26 8.97 28.8 Sr 78.8 81 39.3 104 53.2 55.3 37.9 16.1 Ba 188 197 47.7 105 212 561 174 191 V/Cr 0.63 0.55 0.66 0.80 1.18 1.35 7.98 31.22 Ni/Co 17.18 19.79 5.79 13.04 3.16 3.09 17.76 27.25 V/(V+Ni) 0.51 0.48 0.58 0.56 0.67 0.62 0.78 0.97 Sr/Ba 0.42 0.41 0.82 0.99 0.25 0.10 0.22 0.08 δ13C -14.5 -15.2 -19.4 -21.3 -19.1 -19.2 -24.5 -22 注：固定碳和主量元素含量单位为%，微量元素含量单位为10-6，碳同位素含量单位为‰ 
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表 2 四川南江柳湾矿区正长岩锆石U-Th-Pb分析结果
Table 2 Zircon U-Th-Pb analysis of the syenite from Liuwan in Nanjiang County, Sichuan Province
测点 Th/10-6 U/10-6 Th/U 同位素比值 年龄/Ma 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 208Pb/232Th 1σ 207Pb/206Pb 1σ 207Pb/235U 1σ 206Pb/238U 1σ 208Pb/232Th 1σ 1 134 119 1.13 0.0626 0.0023 1.0824 0.0395 0.1257 0.0013 0.0383 0.0008 696 79.6 745 19.2 763 7.7 760 15.7 2 239 194 1.23 0.0624 0.0018 1.0604 0.0304 0.1231 0.0011 0.0357 0.0006 700 58.3 734 15.0 748 6.1 708 12.2 3 239 185 1.29 0.0633 0.0020 1.0923 0.0336 0.1251 0.0011 0.0371 0.0006 720 64.8 750 16.3 760 6.4 737 12.3 4 148 130 1.14 0.0612 0.0022 1.0495 0.0354 0.1247 0.0012 0.0374 0.0007 656 77.8 729 17.5 758 6.7 742 13.2 5 122 113 1.08 0.0665 0.0024 1.1407 0.0408 0.1251 0.0015 0.0375 0.0008 820 74.1 773 19.3 760 8.4 745 14.7 6 222 192 1.16 0.0638 0.0017 1.0860 0.0286 0.1238 0.0011 0.0364 0.0006 744 57 747 13.9 752 6.5 723 12.0 7 142 142 1.00 0.0640 0.0020 1.0843 0.0343 0.1229 0.0011 0.0363 0.0007 743 66.7 746 16.7 747 6.5 721 14.3 8 356 258 1.38 0.0642 0.0015 1.0728 0.0255 0.1213 0.0009 0.0359 0.0005 746 51.1 740 12.5 738 5.3 713 10.5 9 182 158 1.15 0.0626 0.0021 1.0440 0.0342 0.1210 0.0011 0.0359 0.0006 694 65.7 726 17.0 736 6.6 712 12.1 10 218 182 1.20 0.0617 0.0018 1.0391 0.0302 0.1220 0.0011 0.0352 0.0006 663 56.5 723 15.1 742 6.3 699 12.6 11 176 152 1.16 0.0657 0.0021 1.1332 0.0356 0.1254 0.0014 0.0368 0.0006 796 66.7 769 16.9 761 7.9 730 12.3 12 100 133 0.75 0.0638 0.0021 1.0917 0.0361 0.1245 0.0014 0.0363 0.0007 744 69.3 749 17.5 757 7.9 720 14.0 13 83.7 91.1 0.92 0.0633 0.0026 1.0962 0.0448 0.1261 0.0014 0.0355 0.0008 720 88.9 752 21.7 766 7.8 705 15.5 14 135 138 0.98 0.0633 0.0021 1.0812 0.0349 0.1243 0.0013 0.0347 0.0006 717 65.7 744 17.0 755 7.5 690 12.5 15 123 117 1.06 0.0637 0.0022 1.0860 0.0374 0.1237 0.0013 0.0344 0.0006 731 73.0 747 18.2 752 7.2 683 11.5 16 133 126 1.06 0.0649 0.0022 1.0996 0.0341 0.1230 0.0012 0.0346 0.0006 772 69.3 753 16.5 748 6.6 688 12.1 17 127 156 0.81 0.0649 0.0019 1.1238 0.0328 0.1256 0.0013 0.0363 0.0007 769 63.0 765 15.7 762 7.5 721 13.7 18 155 142 1.09 0.0591 0.0019 1.0319 0.0332 0.1265 0.0014 0.0353 0.0007 569 70.4 720 16.6 768 7.9 702 12.9 19 89.2 93.6 0.95 0.0629 0.0022 1.1026 0.0390 0.1265 0.0015 0.0367 0.0008 706 80.5 755 18.8 768 8.3 728 15.4 20 50.8 66.3 0.77 0.0672 0.0029 1.1419 0.0466 0.1238 0.0015 0.0368 0.0009 856 91.5 773 22.1 752 8.5 731 17.4 21 223 186 1.19 0.0651 0.0017 1.1419 0.0286 0.1271 0.0012 0.0352 0.0006 789 57.4 773 13.6 772 7.0 699 11.7 22 340 258 1.32 0.0651 0.0016 1.1302 0.0268 0.1254 0.0010 0.0362 0.0005 776 51.1 768 12.8 762 6.0 719 10.1
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表 3 上扬子陆块北缘石墨矿床(点)特征对比
Table 3 Comparison of graphite deposits (points) in the North margin of Upper Yangtze Block
矿床(点)名称 赋矿层位 矿体形态 矿体平均厚度/m 产状 矿石类型 固定碳含量/% 岩体分布 矿石矿物组成 围岩蚀变 阴坝子 麻窝子组二段 似层状、透镜状 6.0 350°∠46° 石墨片岩 / 角闪辉长岩 石墨、白云石、石英、云母 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化 大阳河坝 麻窝子组二段 似层状、透镜状 50.0 325°∠81° 石墨片岩 / 花岗闪长岩 石墨、白云石、方解石、石英、云母 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化 大河 麻窝子组二段 似层状、透镜状 10.0 352°∠58° 石墨片岩 / 花岗闪长岩 石墨、白云石、方解石、石英、云母 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化 坪河 麻窝子组二段 似层状、透镜状 300.0 253°∠72° 石墨片岩、含石墨大理岩 13.5 霓霞岩 石墨、白云石、石英、绢云母、绿泥石、长石、黄铁矿、褐铁矿 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化、绿泥石化 后漆沟 麻窝子组二段 似层状、透镜状 1.0 320°∠38° 石墨片岩 30.41 石英闪长岩 石墨、白云石、方解石、绢云母、石英、黄铁矿 硅化、黄铁矿化 尖山 麻窝子组二段 不规则状、透镜状 79.5 350°∠60° 含石墨大理岩、石墨片岩 6.33 花岗闪长岩 石墨、白云石、石英、云母、黄铁矿、黄铜矿、磷灰石、金红石、透辉石 硅化、黄铁矿化、黄铜矿化、绿泥石化、透闪石化 庙坪 麻窝子组二段 层状、似层状 87.4 325°∠87° 含石墨大理岩 5.12 花岗闪长岩 石墨、白云石、方解石、石英、云母、黄铁矿、针铁矿 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化、针铁矿化、绿泥石化 赖宜梁 麻窝子组二段 似层状、透镜状 2.7 330°∠65° 含石墨大理岩 4.66 花岗闪长岩 石墨、方解石、白云石、黄铁矿、云母、石英 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化、绿泥石化 柳湾 麻窝子组二段 似层状 2.0 356°∠65° 含石墨矿角砾岩 2.6 正长岩 石墨、方解石、白云石、黄铁矿、云母、石英 硅化、黄铁矿化、褐铁矿化
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