华北显晶质石墨矿床

本书收集了前人的研究成果和地质资料，对区域地质、含矿建造进行综合分析总结，系统调查采集了华北主要石墨成矿带典型石墨矿床岩矿石样品，进行了岩石化学测试、同位素测试，综合总结了矿床矿化特征。根据石墨碳同位素、岩石化学、石墨矿物学、含矿建造、沉积相、变质作用、矿化特征等方面的研究，总结了石墨矿床的成因类型。

目录
序
前言
第一章 概论 1
第一节 碳元素地球化学 1
一、碳元素 1
二、碳同位素 4
第二节 石墨矿物学及工业价值 11
一、石墨矿物学 11
二、石墨的工业价值 27
第三节 石墨矿石 32
一、矿石类型 32
二、矿石的化学成分 37
三、石墨岩系地球化学 40
第四节 石墨矿床 44
一、世界石墨矿床 44
二、成矿模式 47
三、石墨矿床类型 53
第二章 前寒武纪地球动力学及地质事件 69
第一节 古地壳结构 69
一、早前寒武纪地壳 69
二、晚前寒武纪地壳 76
三、前寒武纪地层划分 79
第二节 主要地质事件 81
一、前寒武纪地质事件年代表 81
二、前寒武纪古地质事件记录 84
第三节 生命起源与生态演化 89
一、前寒武纪大气和水 89
二、太古宙地球表层环境 90
三、生命起源 91
四、生态演化 93
第三章 前寒武纪沉积建造 97
第一节 高温TTG岩系 97
一、岩石学特征 97
二、成因分析 104
三、动力学环境 105
第二节 孔兹岩系 106
一、一般特征 107
二、白云岩建造 111
三、富硼岩系 115
第三节 绿岩岩系 119
一、花岗绿岩带 119
二、科马提岩 123
三、BIF建造 126
第四节 黑色（石墨）岩系 133
一、黑色岩系分布及主要岩性 134
二、黑色页岩中有机质 136
三、黑色岩系地球化学 146
第四章 华北古陆地质背景 177
第一节 大地构造背景及构造演化 177
一、大地构造背景 177
二、大地构造演化 178
三、地层划分对比 182
第二节 早前寒武纪变质岩系 191
一、TTG岩系 191
二、花岗一绿岩带 202
三、BIF岩系 212
四、含磷岩系 233
五、硼镁岩系 241
第三节 晚前寒武纪裂谷建造 260
一、沉积岩类 261
二、岩浆岩类 269
第五章 中国孔兹岩系及石墨矿床 291
第一节 中国孔兹岩系 291
一、孔兹岩系分布 291
二、华北孔兹岩系岩石学 296
三、石墨矿石Rb/Sr-Sm/Nd同位素 312
四、孔兹岩系变质温压条件 317
第二节 中国石墨矿床 319
一、深变质型石墨矿床 319
二、浅变质及煤变质型石墨矿床 321
三、中国石墨矿床成矿时代及资源量 322
第三节 华北古陆深变质石墨矿床 329
一、含矿地层对比 329
二、岩石化学特征 332
三、矿化特征 335
第六章 佳木斯地区石墨矿床 351
第一节 成矿地质背景 351
一、主要成矿带含矿地层 351
二、孔兹岩系岩石地球化学 355
三、含矿地层变形变质作用 360
第二节 地层及成矿时代分析 364
一、区域对比 364
二、麻山群孔兹岩系锆石U-Pb年龄值 366
三、石墨矿石锆石同位素分析 372
第三节 石墨矿床 374
一、区域地质 374
二、萝北云山石墨矿床 376
三、鸡西柳毛石墨矿床 379
四、矿石地球化学 384
第七章 乌拉山一太行山地区石墨矿床 393
第一节 地质背景 393
一、主要含矿地层393
二、含矿地层变形变质作用 396
第二节 含矿岩石地球化学分析 399
一、孔兹岩系样品分布 399
二、孔兹岩系岩石化学 400
三、物质来源及沉积环境 410
第三节 地层及成矿时代分析 411
一、乌拉山群孔兹岩系锆石年龄 411
二、集宁群上岩组锆石年龄 420
三、黄土窑石墨矿石锆石年龄 422
第四节 石墨矿床 424
一、黄土窑石墨矿床 425
二、新荣镇石墨矿床 427
二、什报气石墨矿床 437
四、矿石地球化学 440
第八章 辽吉裂谷带石墨矿床 454
第一节 地质背景 454
一、含矿地层 454
二、孔兹岩系岩石地球化学 457
三、含矿地层变形变质作用 461
第二节 地层时代分析 463
一、辽河群孔兹岩系 463
二、集安群孔兹岩系 473
三、石墨矿石同位素年龄 480
第三节 集安地区石墨矿床 480
一、矿区地质 480
二、矿层及矿体 482
三、矿石矿化 485
四、矿石地球化学 486
第四节 辽东地区石墨矿床 491
一、区域地质背景 491
二、桓仁县黑沟石墨矿 493
三、宽甸县杨木杆石墨矿 495
四、矿石地球化学 499
第九章 东秦岭石墨矿床 506
第一节 含矿地层506
一、主要成矿带含矿地层对比 506
二、含矿地层变形变质作用 512
第二节 含矿岩石地球化学分析 514
一、太华群 514
二、秦岭群 519
三、陡岭群 523
第三节 石墨含矿地层时代分析 528
一、太华群孔兹岩系地层时代 528
二、秦岭群孔兹岩系地层时代 532
三、南秦岭孔兹岩系地层时代 545
第四节 北秦岭小岔沟石墨矿床 556
一、矿区地质 557
二、矿床矿化 559
三、矿石地球化学 560
第五节 南秦岭五里梁石墨矿床 568
一、矿区地质 568
二、矿床矿化 569
三、矿石地球化学 572
四、秦岭石要矿碳同位素 577
第十章 胶北地区石墨矿床 579
第一节 地质背景 579
一、含矿地层 579
二、荆山群孔兹岩系岩石化学 582
三、含矿地层变形变质作用 586
第二节 地层时代分析 589
第三节 南墅石墨矿床 602
一、矿区地质 602
二、矿床矿化 605
三、矿石地球化学 607
第四节 平度刘戈庄石墨矿床 614
一、矿化特征 614
二、围岩蚀变 18
三、矿石地球化学 618
第十一章 浅变质岩型石墨矿床 624
第一节 大乌淀石墨矿床 624
一、区域地质背景 624
二、含矿地层 630
三、矿区地质 642
四、矿石矿化特征 646
第二节 辽宁北镇石墨矿床 647
一、区域地质背景 647
二、含矿地层对比 650
三、矿石地球化学特征 653
四、矿床矿化 663
第三节 南秦岭微晶石墨矿床 664
一、成矿岩系 664
二、矿层矿体 667
三、矿石矿物 667
结语 669
主要参考文献 673
附表变质矿物代码简表 687
图版

    第一章 概论
    石墨（Graphite）是重要的非金属材料矿产，但是具有金属材料导电、导热性能、具有可塑性，并且耐高温和特殊的热性能、化学稳定性、润滑，能涂敷在固体表面等良好工艺性能，因此，石墨在冶金、机械、电气、化工、纺织、轻工、建筑及国防等许多工业部门都得到广泛的应用。
    中国石墨矿产资源丰富，总资源储量位世界前列，晶质石墨资源储量也居靠前地位。我国石墨矿产地分布广泛而又相对集中，绝大多数省、市、自治区都已发现石墨矿床，但是主要集中在华北古陆的黑龙江省鸡西、胶北、山西省、内蒙古自治区、豫西等地。近几年石墨矿床找矿勘探不断有新成果，2015年内蒙古自治区阿拉善盟探明巨大型大鳞片晶质石墨矿床，石墨资源总量达130Mt，品位5.45%；2015年四川省南江县上两庙坪发现新的高品位石墨矿床，测算石墨矿物量在10Mt以上，截止到2014年年初该区域内已查明部分石墨矿石储量为53.61Mt。
    我国石墨矿石工业类型有晶质石墨矿石和隐晶质石墨矿石，而以工业利用价值高的晶质石墨为主。部分矿床大鳞片石墨含量高，矿石品位一般为3%~13.50%，部分矿石品位较高。虽多属中、低品位，但易于选矿富集；隐晶质石墨晶位一般可高达60%~80%，由于进一步富集困难，其工业价值受到一定的。然而，我国的无论是晶质石墨或是隐晶质石墨，工艺性能均良好，与斯里兰卡、马达加斯加的优质石墨在国际市场中共享盛誉。
    1949年后，我国对石墨评价及找矿勘查作了一些工作，并新发现了一大批石墨矿产地，如内蒙古自治区什报气、湖北省三岔垭、江西省金溪峡山、云南省元阳棕皮寨、新疆维吾尔自治区苏吉泉等大、中型矿床，现在已知的大、中型矿床大多已进行了勘探或详查，众多的矿点也作了不同程度的评价，探明了数量可观的资源储量，从而掌握了我国石墨资源的情况。总之，石墨地质工作程度不高，不如金属矿床受到重视，很多石墨矿床的勘探科研深度较低，甚至很多人不了解石墨矿床。近几年随着石墨开发应用的持续升温，人们开始重视石墨矿床的开发，但是科研勘探工作仍没有提上日程，因此对很多人来讲石墨矿床研究仍属于空白。
    第一节 碳元素地球化学
    一、碳元素
    碳是人类最早接触和利用的元素之一，碳元素的拉丁文名称Carbonium来自Carbon一词，就是“煤”的意思，英文名称是Carbon。碳是作为元素出现的。碳在古代的燃素理论的发展过程中起了重要的作用，根据这种理论，碳不足一种元素而是一种纯粹的燃素，由于研究煤和其他化学物质的燃烧，拉瓦锡首先指出碳是一种元素。
    碳在地壳中的质量分数为0.027%，丰度并不高，但分布相当广泛，主要集中于结晶页岩和碳酸盐岩中，至于碳在地球中的分配，大部分集中于地壳，地核中少量，地幔中极少。以化合物形式存在的碳有煤、石油、天然气、动植物体、石灰石、白云石、二氧化碳等。美国化学文摘上登记的化合物总数为18.8百万种，其中绝大多数是碳的化合物。碳构成碳氢化合物及碳水化合物是生命机体蛋白质、核酸-单细胞基本化合物。现代超深钻探证实，岩石圈的CH4是颇丰富的。
    1.碳的化学性质
    碳在元素地球化学分类中被列为亲石（岩）元素，中性岩浆元素，矿化剂或挥发分元素。它的地球化学性质表现了强烈的亲石性、亲氧性和亲生物性。地壳上层，氧化还原电位很高，碳几乎总是与氧结合成[C03]2-络阴离子。这是因为常见的碳离子有C4+和，C4+是一种半径小而电价高的阳离子，它电离势大，极化力强，往往使低价的大阴离子强烈极化而形成络阴离子，因而在水中它易与氧结合形成[C03]2-。这是含碳矿物大多为络阴离子化合物的原因所在。
    碳在元素周期表中属第ⅣA族第一元素，位于非金属性不错的卤素元素和金属性不错的碱金属之间。它的价电子层结构为2s22p2，在化学反应中它既不容易失去电子，也不容易得到电子，难以形成离子键，而是形成特有的共价键，它的优选共价数为4，通过碳原子杂化形成各种化合物。
    碳原子sp3杂化：sp3杂化可以生成4个键，形成正四面体构型，如金刚石、甲烷CH4、四氯化碳CCI4.乙烷C2H6等。在甲烷分子中，C原子4个sp3杂化轨道与4个H原子生成4个共价键，分子构型为正四面体结构。
    碳原子sp2杂化：sp3杂化生成1个键，2个键，平面三角形构型，如石墨、COCl2、C2H4、C6H6等。在COCI2分子中，C原子以3个sp3杂化轨道分别与2个Cl原子和1个O原子各生成1个共价键外，它的未参加杂化的那个p轨道中的未成对的p电子O原子中的对称性相同的1个p轨道上的p电子生成了一个共价键，所以在C和O原子之间是共价双键，分子构型为平面三角形。
    碳原子sp2杂化-1：生成2个键，未杂化轨道生成2个Ⅱ键，直线形构型，如C02、HCN、C2H2等。在C02分子中，C原子以2个sp杂化轨道分别与2个O原子生成2个共价键，它的2个未参加杂化的p轨道上的2个p电子分别与2个O原子的对称性相同的2个P轨道上的3个p电子形成2个三中心四电子的大Ⅱ键，所以C02是2个双键。在HCN分子中，C原子分别与H和N原子各生成1个共价键外，还与N原子生成了2个正常的Ⅱ共价键，所以在HCN分子中是一个单键，1个叁键。
    碳原子sp2杂化-2：生成1个键，1个Ⅱ键，未杂化轨道生成1个配位Ⅱ键和1对孤对电子对，直线型构型。例如，在CO分子中，C原子与O原子除了生成一个共价键和1个正常的Ⅱ共价键外，C原子的未参加杂化的1个空的p轨道可以接受来自O原子的一对孤电子对而形成一个配值Ⅱ键，所以CO分子中C与O之间是叁键，还有1对孤电子对。
    碳原子不仅仅可以形成单键、双键和叁键，碳原子之间还可以形成长长的直链、环形链、支链等。纵横交错，变幻无穷，再配合上氢、氧、硫、磷和金属原子，就构成了种类繁多的碳化合物。
    2.固态碳
    碳在自然界中以非晶质无定形碳（焦炭，木炭、活性炭和炭黑）和多种晶质同素异形体（金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管、C60）存在。
    无定形活性炭疏松多孔，有很强的吸附能力，可作防毒口罩的滤毒层，或作防毒面具的滤毒罐、净水过滤器；炭黑常温下非常稳定，故用炭黑墨汁绘的画和书写的字经久不变色。
    金刚石和石墨早己被人们所知，拉瓦锡做了燃烧金刚石和石墨的实验后，确定这两种物质燃烧都产生了C02，发现金刚石和石墨中含有相同的“物质”，称为碳。
    石墨是自然界最软的矿石，石墨的密度比金刚石小，熔点比金刚石仅低50K，为3773K。
    在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。层中每个碳原子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子，同一层中这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大Ⅱ键。这堂电子在碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向良好的导电导热性质，化学惰性，耐高温，易于加工成型。
    石墨的层与层之间是以分子间力结合起来的，因此石墨容易沿着与层平行的方向滑动、裂开，石墨质软具有润滑性。石墨层中有自由电子存在，石墨的化学性质比金刚石稍显活泼。
    C60是1985年由美国休斯敦赖斯大学的化学家哈里可劳特等发现的，它是由60个碳原子组成的一种球状的稳定的碳分子，是金刚石和石墨之后的碳的第三种同素异形体。C60是由60个碳原子组成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形组成。
    3.碳化合物
    自然界中由碳元素组成的化合物多达40多万种，其中大部分是有机物，所以碳有“生命基础”的称呼。碳在自然界中，通过C02在无机循环和有机循环中平衡，如地幔物质分异，CO）进入大气圈与岩石作用而被消耗，碳酸盐岩在高温下分解C02返回大气圈；植物吸收C02产生复杂的有机物，后经微生物作用分解C02，一部分变成碳酸盐沉积成石灰岩。据K.H.Wedpohl等1969年的资料，高盐度（35%）海水含无机碳和溶解的有机碳分别为28000×10-9和500×10-9。实际上，海水中碳主要以碳酸盐和重碳酸盐形式存在，游离的C02并不多，它们在一定条件下保持平衡。碳化合物主要是碳氢氧结合形成的化舍物，自然界有碳氧化物、碳氢化合物及碳水化合物。
    碳氧化物：C02-无色、无臭的气体，在大气中约占0.03%，海洋中约占0.014%，它还存在于火山喷射气和某些泉水中。地面上的C02气主要来自煤、石油、天然气及其他含碳化合物的燃烧、碳酸钙矿石的分解、动物的呼吸，以及发酵过程。当太阳光通过大气层的时候，C02吸收波长13~17nm的红外线，如同给地球罩上一层硕大无比的塑料薄膜，留住温暖的红外线，不让它散失掉，使地球成为昼夜温差不太悬殊的温室。植物通过光合作用，每年将大气里C02转化为碳氢化合物，并且释放出02气。
    CO是无色、无臭、无味、有毒的气体，标准状况下气体密度为1.25g/L，比空气小，难溶于水。碳的最外层有四个电子氧的最外层有6个电子，这样碳的两个单电子进入到氧的p轨道和氧的两个单电子配对成键，这样就形成两个键，然后氧的孤电子对进入到碳的空的p轨道中形成一个配键，这样氧和碳之间就形成了三个键。
    碳氢化合物（hydrocarbon）：“碳”“氢”二字连读音成为“烃”音，是一种有机化合物，只由碳和氢组成，其中包含了烷烃、烯烃、炔烃、环烃及芳烃，是许多其他有机化合物的基体。烃分为饱和烃和不炮和烃，石油天然气中的烃类多是饱和烃，而不饱和烃如乙烯、乙炔等，一般只在石油加工过程中才能得到。石油天然气中的烃有三种类型。
    （1）烷烃：碳原子间以单键相连接的链状碳氢化合物。根据分子里所含的碳原子数目命名烷烃的名字，碳原子数在10个以下的，从1~10依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸烷来表示，碳原子数在11个以上的，就用数字来表示。
    烷烃的分子式的通式为CnH2n+2，其中“聆”表示分子中碳原子的个数。“2n+2”表示氢原子的个数。在常温常压下，Cl-C4的烷烃呈气态，存在于天然气中；C5-C16的烷烃是液态，是石油的主要成分；C16以上的烷烃为固态。
    （2）环烷烃：又称为环烷族碳氢化合物，是环状结构，最常见的是五个碳原予（环戊烷）或六个碳原子（环己烷）组成的环。环烷烃的分子通式为CnH2n。
    （3）芳香烃：又称芳香族碳氢化合物，一般有一个或多个具有特殊结构的六圆环（苯环）组成，最简单的芳香烃是苯、甲苯、二甲苯。芳香族碳氢化合物的分子式的通式为CnH2n-6。
    碳水化合物（carbohydrate）：由碳、氢和氧三种元素组成，由于它所含的氢氧的比例为2：1，和水一样，故称为碳水化合物。它是为生物机体提供热能的三种主要的营养素中最廉价的营养素。食物中的碳水化合物分成两类：机体可以吸收利用的有效碳水化合物，如单糖、双糖、多糖和不能消化的无效碳水化合物，如纤维素，是机体必需的物质。
    糖类化合物是生物机体维持生命活动所需能量的主要来源，不仅是营养物质，而且有些还具有特殊的生理活性。同时，核酸的组成成分中也含有糖类化合物一一核糖和脱氧核糖。
    碳水化合物分子通式Cx（H20）。，有单糖、寡糖、淀粉、半纤维素、纤维素、复合多糖，以及糖的衍生物，由植物经光合作用而形成，是光合作用的初期产物。从化学结构特征来说，它是含有多羟基的醛类或酮类的化合物或经水解转化成为多羟基醛类或酮类的化合物，如葡萄糖，含有一个醛基、六个碳原子，叫己醛糖。果糖则含有一个酮基、六个碳原子，叫己酮糖。它与蛋白质、脂肪同为生物界三大基础物质，为生物的生长、运动、繁殖提供主要能源。
    二、碳同位素
    碳同位素是用来判别含碳矿物的成因或起源的有效方法，通过多年各地质体碳同位素组成资料的积累，对未知成因的碳矿物及含碳矿物提供了可以进行13CPDB比较的基础。随着对碳同位素分馏机理认识的深化，推断也更趋客观