一、区域变质型石墨矿床
矿床产于早前寒武变质岩系中。岩系由一套富含石墨高铝的片岩、片麻岩，同时夹有大理岩、石英岩等副变质岩石组合组成，这套岩石组合也被称为孔兹岩系。岩系中常见的特征矿物有：石墨、磷灰石、矽线石、紫苏辉石、单斜辉石、中长石、石榴子石、堇青石等。国内外区域变质岩系中的石墨矿床，无例外的产于孔兹岩系和与之类似的变质沉积岩系中。孔兹岩系的原岩为富含碳的高铝粘土岩-半粘土岩、砂岩、白云质泥灰岩、石灰岩。在片麻岩中，经常见有金红石、锆石的磨圆碎屑颗粒，说明其原岩应为陆源浅海沉积产物，大多形成于新太古代末-古元古代末。
石墨矿床一般呈层状、似层状和透镜状并多层产出，与容矿围岩呈整合接触，具层控特点，沿一定层位延长可达几公里至几十公里。矿体受变形强烈，使矿体形态、产状复杂，有时可成群、成带分布。矿体主要为石墨片岩或石墨片麻岩，变质程度一般达角闪岩相和麻粒岩相。矿床附近有时受混合岩化作用，出现一些花岗伟晶岩脉。
矿石的物质成分和组构与近矿围岩相同。常见的矿石自然类型有石墨片岩和石墨片麻岩两种，其次有石墨透辉岩，少数矿床中还有石墨变粒岩、石墨大理岩及石墨混合岩。矿石中以含鳞片状石墨为其突出特点。此外，还有斜长石、石英、黑云母、石榴子石、钾长石、透辉石、锆石、金红石以及铁、铜、锌等金属硫化物。石墨等矿物在矿石中均匀分布，定向排列，构成片麻状或片状构造，鳞片片径一般为0.5～1.5mm，因受混合岩化片度可加大，鳞片并局部集中形成斑杂状构造，直至形成一些石墨脉体。矿石品位较稳定，碳含量一般为5%～10%。有的矿石中V2O5含量较高，为0.02%～0.1%；P2O5的含量也较高。当矿体受断裂破坏，石墨矿石发生泥化，断裂通过之处矿石质量降低。
矿石中石墨碳同位素值与大理岩中方解石碳同位素值相差很大，而与天然焦及原油的碳同位素值相近（表3-1），说明形成石墨碳采自有机碳，而不是由碳酸盐岩经变质作用转变而成的无机碳。
表3-1 石墨矿床与有机化合物碳同位素组成测定表
表3-1说明，早前寒武纪结晶片岩岩中的石墨矿床属区域变质类型。早前寒武纪孔兹岩系中大理天然石墨矿床的出现记录了地球上第一次大规模生物的活动，推测当时的大气已由还原转变为氧化性质。孔兹岩发育的浅海沉积环境适于藻类的生长，大量繁殖的藻类被埋藏在泥砂沉积物中，经区域变质作用则形成了石墨矿床。
这类矿床一般规模为大—中型，石墨质量好，品位较稳定，易于选矿，并可露天开采，是石墨矿床中的最重要类型，在世界上占十分重要的地位。我国已探明石墨储量的95%来自本类型。
我国山东莱西南墅，黑龙江鸡西柳毛、勃利佛岭，内蒙古兴和，江西金溪等石墨矿床都属于本类型。此外，在俄罗斯、朝鲜、马达加斯加、挪威等国也是重要石墨矿床类型。
国内该类型矿床以山东南墅石墨矿床最为典型，特点如下：矿床产于中朝克拉通胶辽地块西南端的古元古代荆山群上部（图3-2），岩石组合构成石墨建造，自下而上可分为3个岩石组合。
1.大理岩、角闪斜长片麻岩夹石墨片麻岩组合
以蛇纹石化橄榄石大理岩和角闪斜长片麻岩互层为主，夹石墨片麻岩、石榴斜长片麻岩和少量斜长角闪岩、透辉岩和石英岩等，最大厚度420m，含有1个石墨矿层。
2.角闪斜长片麻岩夹大理岩和石墨片麻岩组合
以角闪斜长片麻岩为主，夹金云母、方镁石橄榄大理岩和石墨片麻岩以及少量的黑云母变粒岩和斜长角闪岩等，最大厚度950m，含有1个石墨矿层。
3.大理岩角闪斜长片麻岩组合
由白云石大理岩、蛇纹石化橄榄大理岩和角闪斜长片麻岩互层组成，有少量的含石墨岩石，一般不含工业石墨矿层，最大厚度约510m。
在整个含矿建造中，最主要的岩石类型是角闪斜长片麻岩，厚度占剖面的60%以上；其次是以橄榄大理岩为主的白云质大理岩类，厚度约占25%；石墨片麻岩约占7%～8%；其余岩石只占6%～7%。因此，含矿建造为含碳角闪斜长片麻岩-石墨黑云片麻岩-镁质大理岩、角闪斜长片麻岩，其原岩为浅海相或潟湖相含碳杂砂岩—粘土岩—镁质碳酸盐岩建造，其中丰富的有机质为以后形成石墨矿床提供了物质基础。
南墅石墨矿床包括院后矿体、刘家庄矿体和岳石矿体，向东向西断续延长约4km。①院后矿体呈透镜状，东西长600m，最厚处80m左右，矿体直接围岩为透辉岩和白云质大理岩等；②刘家庄矿体位于院后矿体以北80m处，有数层厚度不等的石墨矿层经褶皱形成复杂的矿层群，自刘家庄往西石墨矿层延长约2km，厚4～53m，围岩主要是石榴斜长片麻岩和白云质大理岩，靠近岩体常有透辉岩或长石透辉岩分布；③岳石矿体主要分布在小沽河西岸，东长1km多，为复式矿层，总计厚度100～200m，夹石主要为石榴斜长片麻岩，此外还有透辉岩和石英岩，矿体向南倾，下盘围岩为黑云石榴斜长片麻岩、蛇纹大理岩、长石透辉岩和透闪岩，上盘围岩有黑云片麻岩、蛇纹大理岩、透辉岩和角闪斜长片麻岩等（图3-2）。
图3-2 岳石石墨矿床地质示意图
（据南墅石墨矿床勘探报告，1965）
Bm—人工堆积物；Q—第四系；MfHg—混合岩化石榴斜长片麻岩；
Bg—墨云母片麻岩；AHg—角闪斜长片麻岩；Smb—蛇纹大理岩；
HD—长石透辉岩；G—石墨片麻岩；F—破碎带
南墅石墨矿石中鳞片片径0.01～6mm，以0.1～0.4mm较多，粗鳞片比例较高。各种矿石品位一般为5%～10%。硫铁含量偏高，Fe2O3为5%～12%，S为1%～5%，主要来自细脉状、薄膜状分布的黄铁矿。石墨片麻岩矿石中多含金红石，尤以富长英质矿物的矿石中金红石量较高，一般每吨原矿含金红石为1～3kg，可综合回收利用。硫化物脉与长英质矿物成分都与混合岩化有关。
在岳石矿体中矿石主要为片麻状构造，石墨鳞片大致均匀分布和定向排列，有的按不同矿物呈平行细条纹，反映原始的微层理。
院后矿体中矿石构造主要为花斑状构造，也有片麻状构造。花斑状构造矿石的石墨鳞片较片麻状者石墨鳞片大，并且常集中成一些小聚集体，分布在长石、石英等因重结晶而变得较粗的矿物颗粒之间，晶片排列无一定方向。
南墅石墨矿床的石墨及围岩大理岩中碳酸盐的碳同位素分析资料表明，两者并非同源，石墨碳来自有机质，而大理岩中碳酸盐的碳是无机成因的（图3-1）。
各种特点表明，南墅矿床是沉积变质成因的，在混合岩化作用过程中，矿体局部又受了有关热液的改造。
山东莱西县南墅石墨矿床，矿石质量好，探明储量达390×105t，接近大型矿床，是我国生产石墨最古老的矿山，在国内石墨生产中占有重要地位。
二、接触变质型石墨矿床
在变质煤系地层中产出的隐晶质土状石墨是石墨矿床中仅次于区域变质型层状石墨矿床第二重要矿床类型。这类型矿床是由于煤层受中酸性岩浆侵入，发生接触热变质而成，因而决定了它一系列地质特征。在我国主要有湖南郴县鲁塘石墨矿床和吉林磐石烟筒山石墨矿床。
含煤岩系由碎屑岩和生物岩组成，即由泥质岩、泥质、粉砂质岩，砂岩和煤层（岩）、油页岩等组成。因接触变质煤层变成石墨矿石以外，其余的岩石在受到岩浆侵入，因接触热变质形成各种角岩。虽离侵入体远近不同受热变质强度不等，则出现热变质相的分带，特别是泥质岩反应的更灵敏。从较高温到较低温出现石榴子石、矽线石、电气石、堇青石和红柱石等特征变质矿物。整个岩层从接触带往外，表现的强的角岩化到轻微的角岩化，直至未变质的原岩。而煤层则从结晶的细鳞片状石墨到隐晶质石墨，到石墨化无烟煤渐变过渡到无烟煤。
由于含煤岩系中常有多层煤产出，因而也往往有多层石墨产出。矿体呈层状或透镜状，厚达几十米，延长几百米或几公里。
矿石主要由隐晶质石墨组成，石墨结晶程度极低，颗粒小于1μm，集合体为土状，其中杂质矿物有石英、粘土矿物、金红石、碳酸盐和黄铁矿等。矿石品位较高，一般为60%～80%，有的超过90%，但矿石可浮选性差，大多数情况下经过手选再进行细磨分级即得成品。一般可将选后的精矿和尾矿分别作不同质量的产品出售。
这类矿床规模较大，石墨含量高，是石墨矿床的主要类型之一，在世界上占重要的经济地位。因矿石为土状结构，所以不及鳞片状石墨应用广泛。
在我国，该类石墨矿床广泛分布在石炭、二叠、侏罗系煤系地层中，主要矿床有吉林磐石、湖南鲁塘、福建漳平高山、广东连平梅洞等石墨矿床。国外主要产隐晶质石墨的国家有朝鲜、奥地利、墨西哥和俄罗斯等国。
该类的典型矿床是湖南郴州鲁塘石墨矿床，其特点如下：
矿区地层自下而上包括：上二叠统斗岭组（P2ι）含煤碎屑岩系，厚390m；下二叠系当冲组（P1d）碳质页岩夹灰岩、铁锰质硅质岩，厚25m；栖霞组（P1q）结晶灰岩、泥灰岩，厚75m，构成一向斜构造。向斜内主要分布斗岭组，其下段（P2ι1）以泥质岩、粉砂岩为主；上段（P2ι2）除泥质岩、粉砂岩、砂岩外，含煤4层，是含石墨层位。
印支期（158～233Ma）骑田岭花岗岩沿向斜构造东翼侵入二叠系之中。岩体呈卵形，面积约70km2，长轴与褶皱轴平行，有较长的接触带（长6500m，宽800m），为白色斑状细粒黑云母花岗岩。侵入作用引起斗岭组含煤岩系发生接触变质，碎屑岩角岩化，出现红柱石、堇青石角岩，煤层则变质成无烟煤和石墨。
石墨矿床主要产于斗岭组上段，矿层与煤层相当，可见煤层中的无烟煤 石墨化无烟煤-石墨矿的变化关系。一般与花岗岩接触带500m以内为鳞片状晶质石墨，越近岩体，鳞片越大；距接触带500～800m范围内为细鳞片到隐晶质石墨；距接触带800～1200m范围内全部为隐晶质土状石墨；1200m以外为石墨化无烟煤。这种分带大致与花岗岩平行。矿体呈层状，沿煤层有矿4层（图3-3a）。各矿层平均厚度分别为：Ⅰ（0.59m）、Ⅱ（1.42m）、Ⅲ（0.57）、Ⅳ（1.14m），其中Ⅱ、Ⅲ是主要矿层。各矿层之间的距离：Ⅰ-Ⅱ之间为45m，Ⅱ-Ⅲ之间为56m，Ⅲ-Ⅳ之间为57m。石墨矿层控制长800～1000m，平均厚1.42～1.5m，控制延深200～400m以上。由于挤压作用，矿层沿倾斜方向发生剧烈的塑性变形，出现复杂的柔皱，呈齿状、束状、根须状、束状分枝复合变化（图3-3b），失去层状矿床的稳定性。矿石呈土状、致密块状或页片状，但仍见原始的层理构造。矿石主要组成矿物有石墨（70%～80%）、石英（5%～7%）、伊利石和高岭石（5%～10%）及少量黄铁矿。石墨多呈隐晶及微晶集合体，以前者为主，含少量细晶鳞片。隐晶石墨呈无定形花瓣状、叠层状，其中杂以半自形-自形六方片状，片状一般为0.2μm。细晶鳞片见于隐晶块体之裂隙或空洞中，片径1～2 μm，呈羽状或束状排列。矿石品位68%～80%，局部达94%，含硫0.07%～1.60%。石墨矿层近地表通常有数米至十多米以低碳低硫为标志的氧化带，其中固定碳含量为55%～65%，部分矿石失去工业价值。目前已探明储量达664.5×105t，是我国最大的接触变质型石墨矿床。
图3-3a 鲁塘石墨矿床地质剖面图
（据何昌柱等，1987）
1—长兴组（P2c）；2—斗岭组上段（P2ι2）；3—斗岭组下段（P2ι1）；γ—骑田岭花岗岩；Ⅰ—Ⅳ石墨矿层；F—断层
图3-3b 鲁塘石墨矿体形态素描图
（据何昌柱等，1987）
1—石英砂岩；2—碳质板岩；3—角岩化粘土岩；4—石墨矿体
三、热液型脉状石墨矿床
这种石墨矿床产于结晶片岩、大理岩的裂隙中，常构成巨大的矿带。带内分布有伟晶岩脉、花岗岩脉。矿带中的矿脉呈单脉状、树枝状或网脉状，有的为板状矿体，并与围岩片理一致，矿脉倾角一般很陡。脉厚由数厘米到数十厘米，延长可达数十米或更长。大多数矿脉中石墨含量极高，有的可达75%～98%。共生矿物主要为高温气成矿物黄玉、电气石、磷灰石等，以及长石、辉石、金红石、磁铁矿、石英、方解石和黄铁矿、辉钼矿等硫化物。石墨呈柱状、板状、纤维状等细长晶体垂直脉壁生长，晶体长度一般数厘米，有的可达1m。目前对这种矿床类型的形成研究得不够，推测可能与变质热液或混合岩化热液作用有关，热液活动促使岩石中的碳活化转移，至构造裂隙中富集成矿。这种矿脉附近常分布有金矿化，值得注意。
该类型矿床质量较好，有一定的经济价值，但分布不广。斯里兰卡（规模较大的脉状）石墨矿床总储量达2000×105t，美国、墨西哥也有此类型矿床。
四、矽卡岩型石墨矿床
这类矿床产于侵入岩体与石灰岩接触带的透辉石、石榴子石矽卡岩中。矿体呈透镜状、巢状，鳞片状石墨呈浸染状分布于矽卡岩中。矿体厚十几米，长达100～150m，石墨品位一般10%～20%，最高可达60%～80%。这类矿床石墨质量好，储量也可很大，在国外是一个重要的矿床类型，但分布稀少。目前所知，只有加拿大安大略、魁北克的矿床最为著名，美国的安德路达克也有此类矿床。
五、岩浆型石墨矿床
矿床产于霞石正长岩、混杂花岗岩中。矿体呈大小不等的株状、巢状、透镜状、细脉状，矿体可成群出现，单个矿体规模小，长不过几米至几十米。
在霞石正长岩中石墨为细鳞片状集合体，呈浸杂状分布，石墨含量高，一般达60%～85%。矿床规模较小，分布不广。矿床成因属岩浆矿床，正长岩侵入围岩后，捕虏了其中的灰岩，被岩浆同化后，使岩浆富集CO2，在其结晶过程中，CO2被还原，结晶出石墨。以俄罗斯伊尔库茨克的波托果尔矿床为代表。
在混染花岗岩中的石墨，为晶质鳞片状集合体，呈球状、豆状、斑杂状和浸染状分布。岩体中含有石墨，矿体与围岩为渐变过渡关系。石墨矿石中含有铜的硫化物及稀有稀土元素矿物，可综合利用。矿石中固定碳含量一般为4%～6%，伴生元素有Cu、Ti、Zr、Hf、Y、Yb、Ge、Be、Ta、Nb 等元素。矿床可能从富含挥发组分（CO2）花岗岩残余溶浆中结晶而成。矿体含有大量碳质页岩的角砾，推测残浆中碳至少有一部分来自围岩的有机碳。该类矿床罕见。