摘要
石墨是生产石墨烯重要原料之一，其经济优越性和战略矿产资源地位显著，已成为多个国家的战略性关键矿产。龙首山成矿带红石泉地区最近发现的晶质石墨矿床具有较大找矿潜力，为进一步调查红石泉地区晶质石墨矿地质特征，采取“地质调查+激电测量+工程揭露”三位一体勘查手段，将地表露头与岩心编录成果相结合，发现矿体主要呈近东西向展布，产状为北倾，呈层状或似层状，主要赋矿岩性为古元古界龙首山群塌马子沟组灰黑色含石墨石英片岩，属于区域沉积变质成因。塌马子沟组石墨矿体顶部的一套灰绿色石英片岩是间接找矿标志，灰黑色石英片岩既是有利围岩又是区内重要的直接找矿标志，且赋矿石英片岩具有低电阻率和高极化率的特征，是重要的物探标志。综合分析地质物探异常特征，认为研究区矿体北西及南东向延伸与物探异常叠合区域及深部具有较大的找矿前景。
Abstract
As one of the important raw materials for the production of graphene, graphite has become a strategic key mineral in many countries because of its significant economic superiority and strategic mineral resources.The recently discovered crystalline graphite deposit in Hongshiquan area of Longshoushan metallogenic belt has great prospecting potential. In order to further investigate the geological characteristics of the crystalline graphite deposit in Hongshiquan area, the three-part exploration method of "geological survey + induced current survey + engineering exposure" was adopted, combining the results of outcrop and core cataloguing, and it was found that the ore body was mainly distributed in near east-west direction, and the occurrence was northward. It is stratified or stratified, and the main ore-bearing lithology is the graying black graphitic quartz schist of the Tamazigou Formation in the Paleoproterozoic Longshoushan Group, which belongs to the regional sedimentary metamorphism. A set of grain-green quartz schist at the top of the graphite orebody of the Tamazigou Formation is an indirect prospecting indicator, grain-black quartz schist is not only the favorable surrounding rock but also an important direct prospecting indicator in the area, and ore-bearing British schist is an important geophysical prospecting indicator with low resistivity and high polarization. Based on the comprehensive analysis of geological geophysical anomaly characteristics, it is concluded that the north-west and south-east extension of orebody and superposition area of geophysical anomaly in the study area have great prospecting prospect.
0 引言
晶质石墨矿是中国现阶段发展不可或缺的非金属矿产资源（于瑞等，2023），并且在非金属矿物学、矿床成因学和矿产资源经济学等不同领域对晶质石墨矿产进行了深入的探索和研究，在成矿规律和成矿作用等方面取得了诸多研究成果和进展（王玉往等，2014；李超等，2015；鲜海洋等，2015；肖克炎等，2016；王力等，2017；边敏等，2018；郭佳等， 2018）。中国的石墨矿产资源大多产于区域变质型石墨矿床（陈衍景等，2000；李光辉等，2008；郑永涛等，2016；白建科等，2017；姜高珍等，2017；高树学等，2019；刘力和陈彦文，2019；张小林等，2021；陈毓川等，2022），红石泉地区地表出露的元古宇中广泛发育石墨矿化，该地区属于阿拉善地块西南缘，古老基底变质岩在整个龙首山成矿带均有分布，经过抬升-剥蚀等一系列构造运动后，局部老地层在浅部出露，该套地层具备良好的石墨成矿地质环境；龙首山成矿带为祁连山地块与阿拉善地块碰撞造山形成的隆起带，红石泉地区位于其西部，区内发生的区域变质作用为石墨矿的形成提供了大量的热能和元素就位空间。近几年中国地质调查局在红石泉以北20 km处内蒙古敖包山地区发现大型石墨矿一处，表明该区石墨资源方面具备巨大的潜力。综合分析上述“有利地质环境、热源和反应空间”等有利因素并结合现阶段钻探查证成果，认为本区具备形成大规模石墨矿产的潜力，因此有必要对红石泉地区开展矿床地质特征和找矿方向等方面的研究工作，为进一步扩大资源量和实现找矿突破提供重要依据。
本研究对红石泉地区晶质石墨矿产开展了“地质调查+物探测量+钻探查证”的“三位一体”综合找矿工作。目前在伟晶花岗岩与龙首山群接触带附近发现了 3 条平行产出的晶质石墨矿体，已有的找矿成果指示该地区具备形成大型晶质石墨矿产的成矿环境。本文通过野外数据和室内理论研究相结合的方式，研究了石墨矿区的控矿因素和找矿标志，并深度分析了区内找矿前景，初步指明了石墨找矿方向。
1 区域地质背景
龙首山地区归属于华北板块，整条成矿带位于华北板块西南缘（图1a），为华北板块与南部地体碰撞造山作用的产物（何佳军等，2021），该条隆起带属于龙首山成矿亚带，全长约180 km，宽10～20 km （图1b）。
龙首山成矿带地层主要包括分布于中部和西部的古元古界龙首山岩群、大面积出露的中元古界墩子沟群和新元古界韩母山群及少量古生界地层 （杨雨，1997；何佳军等，2021；芦西战等，2021；杨彪等，2021）。古元古界龙首山岩群是本区褶皱基底，主要出露于龙首山复向斜的东西两翼和中部局部地段，其中麒麟沟组为条纹状、条带状、眼球状混合岩，局部夹混合斜长细粒角闪岩、混合片麻岩和蛇纹石化大理岩，原岩为中基性火山岩-碳酸盐岩；白家咀子组主要为灰白色石英岩、深灰色片麻岩、深灰色浅粒岩、石英片岩、灰黑色变粒岩等；塌马子沟组主要为深灰色石英片岩、片麻岩、灰白色石英岩、角闪岩、大理岩及深灰色变粒岩等。塌马子沟组石英片岩与石墨成矿关系最为密切，该组地层在黑山、红石泉、拉力沟、革命沟等地区均已发现不同规模的石墨矿点。
龙首山成矿带断裂构造发育，分别为时间最早规模最大的北西西向断裂，时间和规模次之的近东西向断裂构造和最晚期的近南北向断裂构造，北西西向和近东西向断裂为压扭性断裂，近南北向断裂主要为剪性断裂，红石泉地区石墨矿体主要受北西西向断裂影响。岩浆岩出露严格受控于北西西向断裂构造，该条构造岩浆带内部已发现众多铀多金属矿产（陈炜等，2013；赵亚云等，2016；张志强等， 2018；王增振等，2020）。
区内岩浆活动频繁，主要为中条期—晋宁期斜长花岗岩（锆石 U-Th-Pb年龄（2147±74） Ma）、伟晶花岗岩（锆石 U-Th 年龄 1735~1959 Ma）和镁铁-超镁铁岩（Sm-Nd等时线年龄（1508±31） Ma），加里东期主要为大面积出露的花岗岩（锆石U-Pb年龄455 Ma）、闪长岩（锆石 U-Pb 年龄 540 Ma）和碱性岩（锆石U-Th-Pb年龄（427±3.6） Ma），龙首山成矿带中部和西部还出露少量钠长岩脉和辉绿岩脉；龙首山长期的“抬升-剥蚀-抬升”过程，形成了一条富集铀矿、铜镍矿、铁矿、石墨矿、玛瑙矿、绿松石矿、萤石矿和硅石矿等矿产资源的金属、非金属成矿带（张金带等，2014）。
图1龙首山成矿带构造位置（a）及地质略图（b）
1—下白垩统；2—石炭系；3—震旦系韩母山群；4—中元古界墩子沟群；5—古元古界龙首山群；6—加里东期侵入岩；7—断裂；8—铀矿床；9—石墨矿床
2 矿区地质特征
2.1 地层
矿区含石墨矿地层为古元古界龙首山群 （Pt1ln），由于岩浆侵入，局部地层层序已发生改变，上覆地层墩子沟群与其呈断层接触。地层走向北西西，由下至上分为麒麟沟组、白家咀子组和塌马子沟组，其中塌马子沟组片岩为区内含晶质石墨矿岩性。红石泉矿区塌马子沟组地层走向约 120°，局部呈近东西向，出露长 4 km，南北宽 1 km，倾向北东，倾角 30°～55°。岩石多遭受不同程度的混合岩化，主要岩性为黑云母斜长片岩和深灰色石英片岩，其中云母石英片岩为主要含矿岩性，呈灰色— 灰黑色，鳞片粒状变晶结构，片状构造，主要由石英、黑云母、白云母和少量长石等矿物组成（图2）。石炭系地层（C）为碎屑岩、碳酸盐岩，沉积环境以海相为主（张金带等，2014），分布在研究区北部（图3）。第四系（Q）主要为亚砂土和松散堆积物等。
图2云母石英片岩照片
a—灰色云母石英片岩手标本特征；b—云母石英片岩正交偏光镜下特征
图3红石泉地区地质简图
1—第四系浮土；2—石炭系灰岩；3—古元古界龙首山群塌马子沟组；4—晚奥陶世花岗岩；5—古元古代伟晶花岗岩；6—晶质石墨矿带及编号； 7—断层；8—钻孔及编号；9—剖面及编号
2.2 构造
红石泉地区整体表现为一套复背斜，麒麟沟组斜长角闪岩为核部，两翼为塌马子沟组片岩和白家咀子组大理岩，南侧被北西西向断裂切割。矿床位于该复背斜北翼，由于岩浆岩的侵入，其完整性受到严重破坏，产状变化较大，在复背斜北翼测量的 A-A’号剖面中可测量到整体地层向北东倾，倾向 11°～15°，倾角38°～41°，地层之间或地层与岩体之间主要呈断层接触关系，在斜长角闪岩中发育大量顺层劈理（图4）。矿床断裂构造主要有3组，其中规模最大的是北西西向断裂，规模次之为北东向断裂构造，最晚期为近南北向断裂构造。
北西西向断裂：矿床内规模最大，延伸可达数千米，北倾，倾角约 55°，次级裂隙特征和钻探揭露显示其为逆断层，该期断裂构造切穿塌马子沟组地层和伟晶花岗岩岩体，断层内部可见灰黑色—灰绿色断层泥和构造角砾，局部可见石英和长石等矿物定向排列，通过对矿物变形后拖尾与断面锐夹角进行统计分析认为具逆断层特征。北东向断裂：通过对该期次断裂构造产状和切穿关系研究，认为该期断裂为北西西向断裂构造的次级断裂，倾向北西，倾角约 50°，局部断层被晚期硅质脉体充填，断层长度一般为几米至数十米，局部有被晚期断裂断层错动现象。近南北向断裂：规模最大约百余米长，大多数表现为长十余米的小断层，结构面均表现为平直光滑，呈剪性，错距一般较小。通过观察统计发现，以上 3 组断裂构造只有北西西向断裂对石墨矿具有控制作用，北东向和近南北向断裂构造由于规模较小，对区内石墨矿体未产生较大影响。
图4红石泉地区A-A’号剖面图
1—龙首山群塌马子沟组；2—龙首山群白家咀子组；3—龙首山群麒麟沟组；4—晚奥陶世花岗岩；5—古元古代伟晶花岗岩；6—石墨片岩；7— 大理岩；8—斜长角闪岩；9—花岗岩；10—伟晶花岗岩；11—断层；12—产状
2.3 侵入岩与成矿
矿区从古元古代晚期到中生代形成了以石英闪长岩、斜长花岗岩、伟晶花岗岩、中粗粒花岗岩以及碱性岩等为主的花岗岩类杂岩体，晚期又侵入了大量的基性岩脉，其中伟晶花岗岩体分布于由龙首山群组成的背斜轴部附近，呈巨大的透镜体状，伟晶花岗岩侵入到元古宇之中，地层片理中可见肉红色伟晶花岗岩脉体，局部花岗岩脉切穿地层沿断层发育，二者接触部位附近可见呈带状产出的混合岩。岩体总体呈近东西向展布，东西长约 3 km，南北宽约 300 m，倾向北，岩体边界形态不规则，由于晚期断裂改造作用强烈，岩体下部与闪长岩或斜长花岗岩接触，局部可见侵入到灰色闪长岩中，其上部主要为中元古界墩子沟群，岩体中还可见大量形态各异的变质岩残留体或捕虏体。在岩心中可见石墨矿体局部被晚期花岗岩脉体侵入，形成条带状混合岩且赤铁矿化、绿泥石化和褐铁矿化等蚀变发育。
研究区石墨矿多出露于古元古代岩体附近，研究发现石墨矿体的品位和厚度会随着与岩体的距离变化，整体规律表现为近岩体品位高、厚度大、片径大；远离岩体部分整体数据均有所降低。可能是岩浆岩携带的大量热能为石墨矿物的结晶富集起到了至关重要的作用。
2.4 矿区石墨矿地质-物探成果特征
矿区石墨主要呈现为低电阻率和高极化率的特征，在物性特征上与周围岩石存在着明显的区别，该种特性对采用的激电测量数据非常敏感（杨彦龙，2019），本文激电剖面测量的方位为 180°，点距以20 m为主，加密地段采用5～10 m为加密点距。矿区视极化率为 0.29%～21.60%，通过计算异常下限值为 6.5%。在 3 条激电剖面中均见有极化率异常，因为3条剖面在空间上平行排列，相距200 m，且所见异常在水平方向上为同一条断裂带附近，经过开展地质调查追索、实测剖面及钻探工程等一系列验证工作，认为 3 条激电剖面中极化率异常部位均为石墨矿导致，极化率异常部位电阻率均呈明显降低趋势（图5）。
3 矿床地质特征
3.1 矿体特征
通过本文研究，目前已圈定了3条石墨矿体（图3），分别为 Gr1 矿体、Gr2 矿体和 Gr3 矿体（图6；表1），其中Gr2为主矿体，Gr1、Gr3以隐伏矿体为主，仅有局部矿体断续出露地表。矿体走向为85°～110°，倾向 355°～5°，倾角 31°～48°，品位 2.16%～3.67%，品位最高处位于灰黑色含石墨石英片岩中，呈似层状，局部呈透镜状产出。
图5红石泉地区石墨矿地质-物探综合成果剖面图
1—第四系；2—石炭系；3—古元古界塌马子沟群；4—古元古代伟晶花岗岩；5—视极化率异常曲线；6—视电阻率异常曲线；7—石墨矿体；8— 施工钻孔及编号
图6红石泉地区石墨矿ZK01、ZK02钻孔剖面图（a）及矿体特征图（b）
1 —第四系；2—变质砾岩；3—片岩；4—花岗岩；5—石墨矿体；6—断层
（1）Gr1矿体：呈近东西向展布，倾向 355°～5°，倾角35°～50°，呈似层状，野外调查显示该矿体地表出露最长可延伸 100 m，见矿深度范围为 150～210 m，矿体顶底板为黑云斜长片岩和灰色石英片岩，其中灰色石英片岩厚度较薄，为 0.5～2.5 m，并且硅质成分相对较高，可见灰色石英细脉和灰绿色绿泥石细脉，沿脉体两侧发育擦痕，推测为晚期构造活动产物，该矿体固定碳矿物量（推测资源量）为 12000 t，平均品位为3.07%。
（2）Gr2 矿体：呈近东西向展布，倾向北，倾角 30°～41°，较 Gr1 矿体倾角偏小，呈层状或条带状，调查显示该矿体地表出露最长可延伸 200 m，见矿深度范围为 180～230 m，矿体顶底板为深灰色石英片岩和断层泥，顶部还可见一套灰绿色薄层状石英片岩，深灰色断层泥为后期构造活动产物，断距较小，构造活动较弱，固定碳矿物量（推测资源量）为 40000 t，固定碳含量为 1.6%～4.02%，平均值为 3.01%，厚2.6～3.5 m，平均厚度为2.9 m。
（3）Gr3 矿体：呈近东西向展布，倾向北，倾角 35°～40°，矿体呈似层状，地表最大延伸为 70 m，见矿深度范围为90～110 m，平均品位为2.71%。固定碳矿物量（推测资源量）为8000 t。
表1红石泉地区石墨矿体信息
3.2 矿石质量
（1）矿石结构、构造：主要为细粒鳞片粒状变晶结构，片状构造，局部可观察到石墨呈单晶状或片状聚集成为层状集合体，不透明，颜色较暗淡。
（2）矿石矿物成分：石墨矿石中的矿石矿物主要为石墨，脉石矿物主要为黑云母、白云母、石英和少量长石，局部见极少量褐铁矿等。石墨矿物不透明，颜色较暗淡，局部可见呈金属光泽，反射率为 5%～15%，片径为1～4.5 μm。
（3）矿石类型：主要为石墨石英片岩型石墨矿石（图7），主要结构为细粒鳞片粒状变晶结构，片状构造，局部可观察到石墨呈单晶状或片状聚集成为层状集合体。云母石英片岩：主要矿物成分有石英，他形粒状，定向排列，粒径0.1～0.25 mm，具波状消光特征，显示重结晶特征，含量 50%~60%；黑云母，不规则片状、碎片状，多色性明显，定向排列，集中在0.5～1 mm，含量20%～25%；白云母，不规则片状、碎片状，定向排列，集中在 0.5～1 mm，含量 5%～10%；斜长石，呈粒状—透镜状，大小多 0.1～0.5 mm，少量可见聚片双晶，含量 15% 左右；绿泥石：淡绿色，呈细脉状；含少量不透明矿物，含量 1%～3%，主要为黄铁矿和赤铁矿，黄铁矿呈黄色，主要以胶状分布于裂隙中，形成黄铁矿小细脉，脉体宽 0.6～3 mm，少量呈他形粒状分散于岩石中，赤铁矿主要以他形粒状、不规则状分布于岩石中。沿裂隙充填有不规则细脉状碳酸盐脉。与岩体接触部位，往往发生混染，局部发生钾化。据光片石墨片度统计及岩矿鉴定，石墨矿石中石墨片径以小于 70 μm 为主，其中极少量石墨片径达 95 μm，属晶质石墨矿。
矿石颜色主要为黑色，半金属光泽，不透明，反射光下呈浅灰色，密度为 2.21～2.26，具滑感，极易污手，具导电性。矿石主要有用组分为固定碳。化学全分析结果如表2所示。石墨矿石以富 SiO2、 Al2O3，较多的 Fe2O3、K2O、CaO、MgO，贫 TiO2、Na2O为特征；有害组分S、P极少；灰分较高；挥发分少，一般小于10%。
近地表的石墨矿石强风化，风化强烈部位呈松散的土灰色黏土岩，致使矿石品位明显降低；中等风化的矿石多呈碎块状，以深灰色为主，局部灰褐色，推测局部受到高岭土化、黏土化、褐铁矿化等蚀变作用影响，矿石品位也会随之降低。
4 找矿方向
4.1 石墨矿成因
红石泉地区在古元古代位于华北板块西南缘，属于活动大陆边缘性质，在滨-浅海气候环境下，发育大量藻类生物和富含有机质的沉积物，是研究区 C 元素的主要来源，在板块碰撞过程中产生的 CO2是 C 元素的次要来源。板块碰撞造山结束，在区域上大规模强烈挤压作用下，形成了多层次复式褶皱的构造背景，研究区内大部分地层在中高压变质和区域热变质的双重作用下，有机质分解，原岩中炭质成分发生富集和热变质反应，形成大量鳞片状晶质石墨矿体（张金带等，2014；阳琼艳，2016；边敏等， 2018）。研究区中生代构造-岩浆活动频繁，为石墨成矿提供热能，致使前期富石墨地质体进一步发生热变质作用，局部矿体可能受到不同性质构造作用的影响而发生变化或被破坏，从而形成现今红石泉地区石墨矿体的分布格局。红石泉石墨矿床出露规模约5 km×1 km，为一条近东西向展布的狭长“变质岩+侵入岩”组合带，目前勘查成果显示为小型石墨矿床。石墨矿带内发育逆冲推覆构造，构造岩浆活动较为强烈，地层与构造蚀变带接触部位发育强烈的变质作用。通过区域上和同成矿带内石墨矿成因对比研究认为，红石泉石墨矿属于区域变质型成因。
表2含石墨石英片岩化学分析结果（%）
注：测试单位为核工业二〇三研究所测试中心（2022年9月）。
图7石墨矿岩心及镜下照片
a—石墨矿体岩心照片；b—石墨片岩照片；c—石墨矿物照片；d—脉状石墨矿物照片
4.2 控矿因素
红石泉地区石墨矿含矿岩石为古元古界龙首山群塌马子沟组云母石英片岩，矿体整体呈层状或似层状，局部矿体保存较完好部位呈层状，局部地段石墨矿体遭受晚期构造破坏，会随该组地层呈似层状或残留体状，残留体中石墨矿石裂隙较发育，局部沿裂隙充填石英细脉或硅质细脉等。矿体明显受褶皱构造和北西西向断层共同控制，主要由于塌马子沟组岩石受晚期构造活动影响，地层形态随构造应力发生变化，进而导致地层内石墨片岩产状变化较大。其中，石墨矿体主要发育在红石泉复背斜北翼，因为该地区南翼地层大多已被晚期侵入的花岗岩所改造和破坏，在北翼的矿体也会因北西西向压扭性断裂而局部抬升迁移，迁移的距离基本为 10～50 m，在空间上致使石墨矿体的形态变化复杂，并没有造成大规模的破坏作用。
4.3 找矿标志
（1）地表露头标志：石墨矿石呈灰黑色，颜色上与其他岩石有着明显的差异，虽局部有黄土和植被覆盖，但通过颜色和地层特征辨认相对容易，有利于在野外工作中直接识别。
（2）区域地层标志：石墨矿主要赋存于石英片岩中，石墨矿体顶部发育一套薄层状灰绿色混合岩化石英片岩，可以作为间接的找矿标志。
（3）矿物组合标志：研究区石墨矿石中常见黄铁矿化和绿泥石化蚀变组合，富矿石中的黄铁矿和绿泥石往往呈细脉状，可以作为寻找石墨矿体的蚀变矿物组合标志。
（4）物探标志：红石泉石墨矿体具有明显的低阻率和高极化率特征，电阻率和极化率异常与石墨矿体基本吻合，可以作为物探异常找矿标志。
4.4 找矿方向
本研究根据红石泉地区石墨矿成矿地层特征、矿物组合特征和赋矿层位地球物理特征建立了初步的找矿标志，结合该地区石墨矿控制因素，基本明确了找矿方向。古元古界龙首山群塌马子沟组含石墨石英片岩是该区晶质石墨矿找矿的区域地层标志，北西西走向的灰黑色含石墨片岩带和低阻高极化异常带分布基本一致，可以为下一步找矿工作提供依据。这一石墨矿找矿方向的确立，将有利于促进红石泉地区石墨矿的找矿与勘查工作。
红石泉地区石墨矿体沿走向发育稳定，整体形态呈条带状，且具备低阻率和高极化率的特征，由此推测，已知矿体北西及南东向延伸部位与激电异常叠合部位是下一步找矿工作的重点区域。在矿区范围内，Gr1 矿带北西向延伸部位、Gr2 矿带北东向部位、Gr3矿带南部是进一步工程验证的重点地段。
5 结论
（1）红石泉晶质石墨矿体呈层状、似层状或透镜状，赋存于龙首山群塌马子沟组石英片岩中，矿体与地层展布规律一致，受地层控制明显，矿床成因类型为区域沉积变质型。
（2）石墨矿体顶部发育的灰绿色混合岩化石英片岩、细脉状“黄铁矿+绿泥石”蚀变矿物组合和低电阻高极化率特征均可作为本区重要的找矿标志。
（3）目前发现的3条石墨矿体为首次发现，虽找矿潜力较大但矿体规模相对较小，下一步该区找矿工作目标应在现阶段成果基础上继续探索厚大、经济可采矿体。
