1. 引言
石墨是碳元素的结晶矿物之一，是一种重要的非金属矿产。随着近年来对石墨结构及性能的深入研究，石墨有望成为新兴的环保材料、热交换材料、储能、导电材料、石墨烯及新型超级电容器材料等 [1] [2]。中国石墨总保有储量居世界第1位，是中国的优势矿种之一 [3]。全国石墨储量约为5500万吨，其中，晶质石墨储量占84.5%，隐晶质石墨储量占15.5%。陕西省晶质石墨矿占全国已探明资源量的3.08%，隐晶质石墨矿占5.37% [4]。随着矿产资源需求量逐步增大，有学者指出到2020年我国天然石墨需求规模将达到100万吨，比2010年增长42.5% [5]。为保障我国经济持续快速发展，有必要加大对石墨矿勘查、开发的研究程度。
陕西地区的石墨矿床具有多种类型和赋存特征，例如宝鸡铜峪地区的隐晶质石墨矿赋存于古元古界，矿体赋存于炭质片岩中，而宝鸡贯沟地区的土状隐晶质石墨矿体分布于石炭系地层中 [6] [7] [8]。陕西丹凤、汉中勉县等地区处于秦岭构造带，成矿条件优越，区域变质作用以及伴随较强烈的岩浆活动为成矿提供热源和动力，对石墨及金属矿的空间分布具有重要的控制作用 [9]。其中勉县庙坪石墨矿的原岩形成于缺氧还原的近陆浅海沉积环境，矿源层为富含碳质的泥质岩、碎屑岩及碳酸盐类岩石，经区域变质作用和混合岩化作用，使含碳岩石富化成矿 [10]。古老地层中产出区域变质型的石墨矿床在国内外多有报道，如华北晶质石墨主要产于新太古代–古元古代孔兹岩系或与之类似的中深变质岩系 [11] [12]，Henderson和Kendrick，Bergh等研究的挪威西特洛姆瑟石墨矿为太古代–元古代角闪岩相杂岩 [13] [14]。
本文通过研究区样品的矿石成分鉴定，矿物显微观测，石墨矿片晶粒度、矿石石墨含量的统计与计算，分析了研究区石墨矿床的矿体与矿石特征，可为类似地区石墨矿的勘查提供参考。
2. 研究区地质概况
研究区位于陕西省南部洋县窑坪乡，区内主要地层有古元古界的低庄沟组(Pt1d)、沙坝岩组(Pt1s)、湾牛坝岩组(Pt1w)，下古生界，中生界的三叠纪天华山单元(TnrT)和木河单元(TnrM)，新生界第四系中更新统(Qp)。研究区主要褶皱为茅坪–石槽河复向斜，总体走向约290˚，轴向NW-SE倾伏，核部为湾牛坝岩组，两翼为沙坝岩组、低庄沟岩组。SW翼倾角35˚~58˚，NE翼倾角65˚~72˚，次级小褶皱发育。断裂以NW-SE走向为主(图1)。
Figure 1. Regional tectonic outline of the study area (According to the People’s Republic of China regional geological survey report, Hanzhong, 1:250 thousand, 2004, revised)
图1. 研究区区域构造纲要图(据《中华人民共和国区域地质调查报告(汉中市幅，1:25万)》，2004，修改)
控制研究区及周边地区的主体构造为佛坪–留坝隆滑构造，其基底为太古界–中元古界角闪岩相–麻粒岩相的佛坪变质核杂岩，震旦系–下古生界沉积盖层构成滑覆系统，晚古生代表现为多级拆离与基底隆升，形成隆滑构造系；印支期–燕山期表现为近南北向挤压收缩、转换走滑，并伴随侵入岩体广泛发育，主要为木河侵入体(TnrM)和天华山侵入体(TnrT)。
研究区的区域变质岩主要为区域变质岩和接触变质岩，其中，区域变质岩主要分布于南部铁河街–茅坪街一带的元古界地层中，依据岩石类型可分为变粒岩、浅粒岩、石英岩、片麻岩，其变质程度达到角闪岩相；热液接触变质岩集中分布在古–中生代几个大型岩基的外接触带，主要有角岩类、大理岩类和矽卡岩等 [15]。
3. 研究区石墨矿体特征
根据国家标准DZ/T 0207-2002的规定，石墨矿的鉴定主要通过化学分析(基本分析项目为固定碳)和晶质(鳞片状)石墨矿片度测定 [12]。石墨矿一般工业要求包括矿石品位、可采厚度、夹石剔除厚度等指标(表1)。
研究区石墨矿主要赋存于古元古界湾牛坝岩组(Pt1w)中，已发现晶质石墨矿带3条，依次为SM1、SM2和SM3，SM1石墨矿带赋存于湾牛坝岩组第一岩性段(Pt1w1)，SM2、SM3石墨矿带均赋存于湾牛坝岩组第三岩性段(Pt1w3)，矿带呈条带状分布，岩性主要为石墨黑云钾(斜)长片麻岩，夹层有大理岩、片麻岩等，偶见石英片岩。
Table 1. General industrial index of graphite ore (According to Ref. [16])
表1. 石墨矿一般工业指标(据文献 [16])
根据探槽样品测试结果进行了分矿层统计，得到矿层工业品位的固定碳含量和真厚度、边界品位的固定碳含量和真厚度，其中工业品位与边界品位的划分是根据探槽样品数据进行的，以23#探槽的采样序列为例(图2)，固定碳含量大多高于3%的部分，划为工业品位；固定碳含量小于3%的部分，划为边界品位。同时统计样品真厚度，得到探槽位置的矿体真厚度。类似的，共统计了研究区30余个探槽样品的固定碳含量和矿层真厚度数据(表2)，统计显示SM1、SM2、SM3号矿体固定碳含量较高且较稳定，矿体厚度较大，厚度变化中等–较大，总体而言，研究区石墨矿具有较好的开发潜力。
Figure 2. Classification of industrial grade based on sampling sequence and test results of trench (Take No. 23 trench as an example)
图2. 根据探槽采样序列及测试结果划分工业品位(以23#探槽为例)
Table 2. Statistical table of ore sample grade and ore bed thickness of each exploration trench
表2. 探槽矿石样品的品位与矿层厚度统计表
通过分析研究区构造特征，结合探槽揭露的石墨矿条带状出露特征(图3)，判定石墨矿体呈层状发育。通过石墨矿带露头的标高统计，绘制了石墨矿体底板等高线的趋势面，并根据其展布特征和构造特征，推断了三层石墨矿体的赋存范围和隐伏地段的等高线趋势，绘制了SM1石墨矿体的底板等高线图(图4)，SM2和SM3矿体的赋存特征与SM1类似。
Figure 3. Mineralized outcrop in SM1 graphite ore belt
图3. SM1石墨矿带中矿化露头
Figure 4. Contour map of SM1 graphite ore body floor
图4. SM1石墨矿体底板等高线图
4. 研究区石墨矿石特征
4.1. 矿石的矿物组成及结构特征
研究区石墨矿母岩主要有片岩、片麻岩类和大理岩类。片岩、片麻岩类主要包括石墨黑云钾长片麻岩、石墨黑云斜长片麻岩和含石墨石英片岩；大理岩类主要包括含石墨石英大理岩和含石墨大理岩。
石墨矿石以鳞片变晶结构和粒状变晶结构、片状构造和片麻状构造为主。矿石的矿物成分主要为石墨和脉石矿物两大类，其中脉石矿物主要有石英、黑云母、斜长石，其次为矽线石、红柱石、硬绿泥石、电气石等。
根据采集样品分析，结果表明石墨片晶粒径分布主要在0.054~0.5 mm之间，且集中分布在0.1~0.355 mm之间，占51.04% (图5)。
Figure 5. Graphite flake grain size distribution diagram
图5. 石墨片晶粒度分布图
4.2. 矿石显微岩石学特征
在研究区内采集了石墨黑云钾长片麻岩、含石墨石英片岩和含石墨大理岩等样品，镜下观察了矿石的显微岩石学特征。
石墨黑云钾长片麻岩具片状粒状变晶结构，粒径为0.5 mm，石墨含量约30%，黑云母30%，钾长石和石英 40%，显微镜下具弱片麻状构造，定向性不明显(图6(A))，可能与样品风化后薄片制作有关。
含石墨石英片岩具片状粒状变晶结构，粒径0.4~1 mm，变化较大。石墨呈长条状，不透明，含量约20%。石英为粒状，无色透明。黑云母呈褐色，边部失水暗化，部分蚀变(图6(B))。
Figure 6. Microstructure of graphite-bearing ores
图6. 含石墨矿石的显微结构
含石墨石英方解大理岩具粒状变晶结构。石墨呈片状，长条状，不透明，分布于石英和方解石颗粒之间，含量约10％。石英分布于方解石的颗粒之间，或呈石英脉状，分布不均匀，总含量25%左右。方解石呈锯齿粒状结构，闪突起，多组完全解理清晰可见。含量约65% (图6(C))。
含石墨大理岩具粒状变晶结构。石墨呈片状，长条状，不透明，分布于方解石颗粒之间，含量约5%。方解石呈锯齿粒状结构，闪突起，多组完全解理清晰可见，含量约95% (图6(D))。
5. 结论
1) 研究区石墨矿主要赋存于古元古界湾牛坝岩组(Pt1w)第一岩性段和第三岩性段中，发育3条带状分布的晶质石墨矿带(编号SM1、SM2和SM3)，含矿母岩主要为石墨黑云钾(斜)长片麻岩，综合研究区构造特征和石墨矿带出露特征，判定石墨矿体呈层状发育。
2) 含石墨矿母岩以鳞片变晶结构和粒状变晶结构、片状构造和片麻状构造为主，除石墨矿外，脉石矿物主要有石英、黑云母、斜长石等，石墨片晶粒径分布主要在0.054~0.5 mm之间，且集中分布在0.1~0.355 mm之间，占51.04%。
3) SM1、SM2、SM3号矿体固定碳平均为6.26%、5.65%、7.89%，含量较高且较稳定，SM1号矿体平均厚度7.44 m，但变化较大，SM2、SM3号矿体平均厚度分别为7.47 m、4.09 m，变化中等，总体而言，研究区石墨矿具有较好的开发潜力。
4) 根据矿石样品的显微结构特征分析，石墨黑云钾(斜)长片麻岩中石墨含量高，晶粒较大，含石墨石英片岩石墨含量次之，晶粒亦较大，含石墨大理岩中石墨含量较为稀少。