摘要:为探讨甘肃省肃北县敖包沟晶质石墨矿床成矿物质来源及矿床成因,对采自矿区的8件样品进行了主、微量、稀土元素和碳同位素测定。结果显示,敖包沟晶质石墨矿主量元素总体显示出富硅、贫钙的特征,其Al2O3/TiO2比值为12.20~26.50(平均19.99),Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)比值为0.48~0.91(均值为0.77);富集大离子亲石元素(Rb、K)和高场强元素(Ta、Zr、Hf、Tb),Rb/Sr比值为0.57~1.06(平均为0.80),Sr/Ba比值为0.23~0.67(平均为0.39);轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对亏损,具弱Ce负异常和Eu负异常。石墨的δ13C值为-28.60‰~-31.35‰,平均为-29.51‰,指示石墨物源为有机碳。地球化学特征表明,敖包沟晶质石墨矿床可能形成于被动大陆边缘沉积岩的变质作用,含矿岩石的变质原岩为含碳质泥岩和粉砂质泥岩,形成于古元古代浅海相沉积环境,物源为陆源碎屑岩,推测敖包沟晶质石墨矿床为区域变质型晶质石墨矿床。
关键词:地球化学特征;矿床成因;晶质石墨矿;敖包沟
0引言
石墨是重要的战略性矿产,在冶金、化工、核工业、电子、航空航天、国防军工等领域有广泛的应用,随着石墨烯高科技材料及新能源汽车的出现,石墨资源越来越受关注(莫如爵,1986;饶娟等,2017;孙红娟,2020;朱建江等,2021),对石墨矿的类型、成因、分布规律等的研究一直是矿床学家关注的焦点(王时麒等,1989;陈衍景等,2000)。中国石墨储量世界第一,分布广泛,矿床类型较全,呈现“东多西少”不均衡分布的特点。按成因类型将石墨矿分为接触变质型、区域变质型及岩浆热液型三类,其中最主要的类型为区域变质型,区域变质型石墨矿的沉积时代主要为元古代,成矿物质主要来源于沉积地层中的有机质(李超等,2015;杨合群,2018;彭素霞等,2018;朱建江等,2021)。
2015年,甘肃省地矿局第四勘测院通过对以往资料的二次开发,发现了阿尔金东段晶质石墨矿集区,包括敖包沟、敖包山、白台沟东、红柳峡等矿区,累计探获晶质石墨资源量达2000万t(胡小春等,2019;贾鑫等,2020),使甘肃省跻身晶质石墨资源大省行列。对这些晶质石墨矿前人已开展了一些工作,主要从赋存层位、控矿构造、沉积环境、矿体和矿石特征以及分布规律等方面进行了研究(贾鑫等,2020;王东升和刘强,2020),但对于石墨矿的矿床地球化学特征、物质来源、构造背景、成因机制等的研究则较为薄弱。敖包沟晶质石墨矿是敖包山晶质石墨成矿带上最主要的矿床之一,已探获晶质石墨资源量600万t(赵吉昌等,2021),但研究程度较低,仅对矿床地质特征进行过总结,成因不明。本文通过采集晶质石墨矿样品并进行主、微量及稀土元素、石墨碳同位素分析测试,研究成矿物质来源、成矿环境,总结成矿规律、探讨矿床成因,以期对进一步认识阿尔金东段晶质石墨矿集区的矿床特征、成矿规律及矿床的勘查开发有指导作用。
1区域地质背景
甘肃省肃北县敖包沟晶质石墨矿床在大地构造上位于敦煌地块南缘(张新虎等,2005)。该矿床与敖包山、白台沟东、红柳峡等晶质石墨矿床组成了阿尔金东段晶质石墨矿集区,累计探获资源量达2000万t(贾鑫等,2020;王东升和刘强,2020)。研究区经历过多次强烈的构造运动,构造形态受阿尔金断裂控制明显,构造形迹主要为断裂、褶皱、片理、片麻理等,断裂以北东东向的阿尔金断裂及北西向的次级断裂为主。北西西向断裂在敦煌岩群中极为发育,是区内主要的控矿构造。发育的褶皱构造形态复杂多样,以复式向斜为主,其转折端地层加厚(赵吉昌等,2021)。
区域上出露地层主要为古元古代敦煌岩群,按照其构造层序、岩石组合特征、变质程度及垂向序列划分为A、B、C、D四个岩组(杨雨,1997),该区出露A、B、C三个岩组,A岩组主要为钾质交代的混合岩;B岩组与晶质石墨成矿关系密切,是一套典型的“孔兹岩系”(陈衍景等,2000),在敖包沟晶质石墨矿区出露最为典型,呈近东西向带状展布,岩石类型以二云石英片岩、含石墨片岩、石英岩为主,夹少量片麻岩、含石墨大理岩及斜长角闪岩透镜体(王东升和刘强,2020);C岩组主要为条带状混合岩、黑云斜长片麻岩和二云石英片岩等,局部夹大理岩,其次在阿尔金断裂以南出露少量的长城系变粉砂岩、变砂岩,石炭系灰岩、白云岩和第四系(图1)。
区域内岩浆岩不发育,仅局部可见元古代花岗岩和加里东晚期花岗岩小范围出露的侵入岩(赵吉昌等,2021)。
2矿床特征
敖包沟晶质石墨矿床产于古元古界敦煌岩群B岩组中,矿区出露岩性主要为二云石英片岩、石墨白云母石英片岩、条带状黑云斜长片麻岩及含石墨大理岩,矿体呈层状、似层状平行产出,产状与地层一致(图2),矿体围岩为含石墨二云石英片岩,矿体与围岩呈渐变过渡接触。
2.1矿体特征
石墨矿赋存于敦煌岩群B岩组二云石英片岩中,赋矿层位长约4.2km、宽约800~1000m,呈层状、带状近东西向展布,倾向南,局部偏转为南西或北东,倾角40°~70°。已圈定的晶质石墨矿体共8条(表1),均为二云石英片岩型晶质石墨矿体,呈似层状、条带状产出,长200~3200m、厚4.45~50m,矿体倾向170°~190°,倾角70°,矿体平均固碳量为4%~5%,石墨片径0.05×0.2mm~0.18×0.4mm,其中大于0.15mm的达60%以上,矿体顶底板围岩均为二云石英片岩,与矿体呈渐变接触关系,已探明晶质石墨矿物量600万t(赵吉昌等,2021;王东升和刘强,2020)。
2.2矿石特征
石墨矿石的矿石矿物为鳞片状石墨(图3),脉石矿物主要为白云母和石英,其余为碳酸盐集合体、泥质、碳质及磁黄铁矿、赤褐铁矿等。脉石矿物具细粒鳞片粒状变晶结构,矿石矿物具显微鳞片变晶结构,矿石呈片状构造和块状构造。矿石自然类型主要为二云石英片岩型晶质石墨矿石。含石墨二云母石英片岩主要由石英(52%~60%)、云母(18%~30%)、石墨(15%~18%)、碳酸盐集合体(2%~5%)及少量的泥质、碳质、赤褐铁矿等组成(王东升和刘强,2020)。
3样品采集与分析测试
在敖包沟晶质石墨矿区内C1、C2、C3矿体采集8件石墨矿石样品(图2),岩性为含石墨二云石英片岩、石墨二云石英片岩和二云石英片岩。对这8件样品进行主、微量及稀土元素测试,测试由自然资源部西宁矿产资源监督检测中心完成(张爱奎等,2016)。主量元素采用PANalyticalAxios型X荧光光谱仪(XRF)测定,相对误差低于5%。微量与稀土元素采用NexIon300x型电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)测定,相对误差低于2%。采集9件石墨二云石英片岩样品进行石墨碳同位素测试,测试由西北大学大陆动力学国家重点实验室的稳定同位素地质学实验室完成,测试仪器为美国ThermoFisher公司的MAT-253Plus-Flash2000HT稳定同位素质谱仪,测试结果以VPDB为标准,测试误差小于0.1‰。国际标准物质IAEA-600caffeine的测试结果(δ13C=-27.77‰)与之前的报道一致(Coplenetal.,2006)。
4矿床地球化学特征
4.1主量元素特征
敖包沟石墨矿床样品的主量元素分析结果显示(表2),样品的SiO2含量为79.11%~90.37%,Al2O3为1.08%~4.96%,SiO2/Al2O3为17.54~83.68,K2O/Na2O为0.97~3.65,FeO含量为0.62%~1.52%,Fe2O3为0.35%~1.33%。样品总体上富硅、贫钙,与石英片岩相近(韩吟文和马振东,2003;肖荣阁等,2008;黄鹏等,2013;夏锦胜等,2019)。DF是原岩性质判别函数(Shaw,1972),若样品的DF>0,则为正变质岩,若DF<0,则为副变质岩。本次研究的敖包沟晶质石墨矿样品的DF值为-7.19~-8.86,指示区内变质岩主要为副变质岩。
4.2微量元素特征
从图4a可以看出,石墨矿含矿岩石样品微量元素蛛网图曲线总体右倾,指示含矿岩石富集大离子亲石元素Rb、K(Rb为22.4×10-6~95.4×10-6,平均值为95.4×10-6)和高场强元素Ta、Zr、Hf、Tb,而亏损大离子亲石元素Ba、Sr和高场强元素Nb、Ti及轻稀土元素Sm。Sr略显亏损(Sr含量为30×10-6~100×10-6,平均值为65.75×10-6),可能与斜长石风化有关,因为Sr在风化过程中丢失而导致亏损(杨培奇等,2017)。
表2显示,样品的Rb/Sr比值为0.57~1.06,平均为0.80,高于陆壳平均值0.24(Tayloreta1.,1984),显示为弱循环沉积作用(杨培奇等,2017);Sr/Ba比值为0.23~0.67,平均为0.39,Sr/Ba<1(陶树等,2009)。原始地幔数据引自Sun和McDonough(1989);球粒陨石数据引自Boynton(1984)图4样品微量元素蛛网图(a)和稀土元素配分图(b)Fig.4Primitivemantle-normalizedtraceelementsspiderdiagrams(a)andchondrite-normalizedREEdistributionpatterns(b)ofsamplesintheAobaogoudeposit
4.3稀土元素特征
本次研究样品的稀土元素含量列于表2,由此可知,样品的稀土总量(ΣREE)为8.49×10-6~43.36×10-6,平均为23.59×10-6,LREE/HREE比值为1.20~11.57,平均为5.37。稀土元素配分图(图4b)显示为轻稀土相对富集、重稀土相对亏损的右倾型曲线。
根据δCe=Ce/Ce∗=CeN/(0.5LaN+0.5PrN)、δEu=Eu/Eu∗=EuN/(0.5SmN+0.5GdN)(柳青青等,2018)计算得出,本次研究样品的δCe值0.76~0.96,均值为0.84,δEu值0.61~1.03,均值低于1。稀土配分曲线图整体显示出弱铈负异常和铕负异常。
4.4石墨碳同位素特征
本次研究的敖包沟晶质石墨矿床石墨碳同位素测试结果见表3。由此可见,敖包沟晶质石墨矿石墨的δ13C值为-28.60‰~-31.35‰,平均为-29.51‰。根据前人研究稳定碳同位素比值可对碳质来源进行有效区分:幔源成分δ13C约为-7‰,生物有机质碳δ13C为-40‰~6‰(均值在-25‰左右),灰岩、大理岩等碳酸盐岩的δ13C值集中于0±2‰,金刚石、碳酸盐岩浆的δ13C在-5‰左右(陈衍景等,2000;Santosheta1.,2003;Sanyaletal.,2009;Luqueetal.,2012;Luoetal.,2014;Mizutanietal.,2014;黄安,2017)。本次研究的样品的碳同位素组成与生物有机物(图5)一致,而与金刚石、沉积碳酸盐等无机来源的δ13C同位素相差较大,据此推测敖包沟晶质石墨矿床的石墨碳质来源为有机碳,有机碳在变质成石墨过程中,可以在地质流体作用下发生碳同位素分馏和均一化(陈衍景等,2000)。
5讨论
5.1原岩性质及沉积环境
敖包沟晶质石墨矿石墨矿体赋存于古元古界敦煌岩群B岩组,该岩组主要由片岩、片麻岩、石英岩、大理岩等组成,属典型的“孔兹岩系”(贾鑫等,2020;王东升和刘强,2020)。孔兹岩系的原岩为碳硅泥岩建造,原岩的沉积环境为稳定的浅海-滨海相(卢良兆等,1996;陈衍景等,2000)。研究区含石墨片岩的主量元素总体显示出富硅、贫钙特征,与石英片岩接近。变质岩原岩性质判别函数DF<0,为副变质岩。在西蒙南图解中(图6),样品原岩全部落入泥岩区(Simonen,1953;郭威等,2020);在反映不同地壳岩石类型的La/Yb-ΣREE图解中(图7),大部分样品落入钙质泥质沉积岩区(AllègreandMinster,1978;郭威等,2020)。因此,含矿岩系的原岩属正常沉积岩,大体与含碳质泥岩、粉砂质泥岩及碳质页岩相当。样品的Rb/Sr比值为0.57~1.06,平均为0.80,显示出弱循环沉积作用(杨培奇等,2017)。一般认为火山岩和海相沉积物的Sr/Ba>1,陆源沉积物的Sr/Ba<1(杨崇科等,2021),敖包沟石墨矿石的Sr/Ba为0.23~0.67,平均为0.39,反映成矿物质来源可能为陆源碎屑岩;另外,Rb/Sr>Sr/Ba,指示为近海陆缘物源特征(蔡文春等,2020)。根据样品具有轻稀土相对富集、重稀土相对亏损,具弱Ce负异常和Eu负异常,反映原岩沉积环境可能为浅海相沉积环境(张腾飞,2015;夏锦胜等,2019;阎昆等,2021)。
石墨矿层中发育的褐铁矿化,指示石墨矿层生成时富含碳且吸附硫的规律,海相陆源碎屑岩为敖包沟晶质石墨矿的形成提供了重要的矿质(固定碳)来源(穆可斌等,2019;贾鑫等,2020;王东升和刘强,2020;赵吉昌等,2021)。根据以上岩石地球化学特征,结合矿区地层的产状、岩石组合、矿物组合特征及含矿岩石(二云母石英片岩)的相关地球化学图解,本文认为矿区含矿变质岩系的原岩可能是海水频繁振荡环境下沉积的含碳质泥岩和粉砂质泥岩,属滨浅海相陆源碎屑岩建造。石墨的δ13C值为-28.60‰~-31.35‰,平均为-29.51‰,指示石墨物源为有机碳(陈衍景等,2000;黄安,2017;夏锦胜等,2019;蔡文春等,2020)。在区域变质作用下,温度、压力、变质溶液的变化使原岩中的有机物质变质分解、迁移、聚集,形成较高含碳岩段(穆可斌等,2019)。含矿岩系顶部为一套稳定的含石墨大理岩,自下而上反映出一套连续相序的浅海陆源碎屑(片麻岩-石英片岩-石英岩)→海水频繁振荡环境下形成的泥灰质(斜长角闪岩)→准稳定环境下形成的碳酸盐岩(大理岩)含碳质沉积建造特征(贾鑫等,2020;王东升和刘强,2020),自下而上陆源碎屑逐渐减少。综上认为敖包沟晶质石墨矿区原岩沉积环境为古元古代的浅海相沉积环境,物源为浅海相陆源碎屑。——论文作者：陈世强,李省晔,贾鑫,樊新祥,王小强
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