金翠葉，陸志均，2，張雪芬，周金虹，陸現(xiàn)彩

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;2.江蘇省國土資源廳，江蘇 南京 210029)

句容甲山膨潤土礦的地質(zhì)特征和成因探討

金翠葉1，陸志均1，2，張雪芬1，周金虹1，陸現(xiàn)彩1

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210093;2.江蘇省國土資源廳，江蘇 南京 210029)

研究了句容甲山膨潤土礦的礦床地質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)地層上覆下白堊統(tǒng)堿性流紋巖，礦石呈黃綠色、粉紅色、灰白色和肉紅色等多種顏色，局部保留有原巖的角礫結構，并觀察到含有風化殘余的粗面巖團塊和因斷層滑移形成的斷層角礫。X射線衍射(XRD)分析發(fā)現(xiàn)不同顏色礦石的礦物組成差異很大，通過掃描電子顯微鏡觀察到巖石風化現(xiàn)象和伴生的次生礦物類型。研究表明，該礦屬于火山熔巖風化殘積型膨潤土礦床，在開發(fā)過程中應進行分類開發(fā)或進行深加工處理，可提高開發(fā)效益。

膨潤土;礦物組成;風化作用;風化殘積礦床;江蘇句容

0 引言

蘇南及沿江地區(qū)分布有多處黏土礦床，成為國內(nèi)最重要的凹凸棒石、高嶺石和膨潤土的生產(chǎn)基地。凹凸棒石和高嶺石作為特色資源類型，已得到廣泛而深入的研究(方鄴森等，1980;陳天虎等，2004);膨潤土雖預測資源量大，鈉基、鈣基土共存(張永康，1990)，但因分布零散、經(jīng)濟效益低，目前開發(fā)已經(jīng)放緩，部分礦山因環(huán)境保護和土地占用問題而停采。筆者研究的句容郭莊鎮(zhèn)甲山膨潤土為區(qū)內(nèi)重要的膨潤土礦。根據(jù)句容地方志記載，郭莊鎮(zhèn)甲山的蒙脫石礦呈層狀，經(jīng)勘察，發(fā)現(xiàn)淺部為鈣基土，深部為鈉基土，儲量約1.4億 t，礦床穩(wěn)定(夏嘉生，2001)。鈣基占60%，鈉基占40%。

黏土礦的形成與火山活動或熱液交代有關(方鄴森，1980)。江蘇沿江地區(qū)在中新生代具有多旋回的火山噴發(fā)作用。中生代分布有兩類火山巖，除了與鐵、銅成礦作用有關的火山—次火山巖外，還有一類中性、堿性和酸性3種巖石的次序噴發(fā)(李壽寅等，1990;王登紅等，2005)。句容甲山膨潤土礦的鈣基土賦存于下白堊統(tǒng)中—酸性火山巖系中，深部的鈉基土賦存于上侏羅統(tǒng)中酸偏堿性火山巖系中(計元龍，1987;許鴻基，1999)。本研究通過野外地質(zhì)調(diào)查、火山巖的風化現(xiàn)象觀察和膨潤土的礦物成分分析對甲山膨潤土礦的地質(zhì)特征和成因進行了初步探討。

1 樣品采集和分析方法

本次研究在甲山膨潤土礦剖面采集了樣品21件，包括火山巖3件、各色黏土礦15件、頂部棕色土1件、殘留火山巖團塊1件和斷層面上角礫狀黏土樣品2件。剖面位置見圖1。磨制了火山巖層樣品和殘留火山巖團塊的巖石薄片，并進行了偏光顯微鏡觀察。

為了解膨潤土的礦物組成和地質(zhì)成因，研究采用掃描電子顯微鏡觀察了火山巖和礦石的形貌，采用X射線衍射光譜分析了礦石的礦物組成，并采用X射線熒光光譜測試了火山巖的化學組成。取多件原樣小塊噴鍍金膜后在JSM-6490型掃描電鏡上觀察，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20kV、光斑為50;成分分析由Oxford INCA X射線能譜儀(EDS)測定，WD為10。全巖樣品經(jīng)粉碎，研磨后送X射線衍射分析(XRD)和X射線熒光光譜(XRF)分析。XRD在日本理學的Dmax III型X射線衍射儀上完成，光管電壓37.5kV，光管電流20mA，掃描范圍3°～70°，掃描步進角 0.02°，掃描單位計數(shù)時間0.3s。2項分析均在南京大學內(nèi)生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。XRF分析由南京大學現(xiàn)代分析中心完成，取3g～10g粉末樣品放入平板模具上的直徑為35mm的塑料環(huán)中，加30t壓力成型;壓出厚度為2mm～4mm，表面平整無裂痕的模塊;儀器型號X射線熒光光譜儀為ARL-9800。

圖1 甲山膨潤土礦位置圖

2 礦床地質(zhì)特征

膨潤土礦出露于句容郭莊鎮(zhèn)甲山南坡，山頂植被發(fā)育，黏土礦層被棕色土覆蓋(圖2A)。由于現(xiàn)已停采，采坑積水嚴重，但可從開采面見黏土礦的分布狀況。從整體看，黏土礦為似層狀，北西側(cè)與火山巖層相接，以走滑性質(zhì)的斷層相接，南東側(cè)隱伏于表層棕色土之下。膨潤土礦總體上為黃綠色，但可見到黃綠色、粉紅色、灰白色和肉紅色等多種顏色，除肉紅色、灰色土在局部集中外，不同顏色的土并未成層狀展布，多為不連續(xù)點狀分布。

在土體中有以下幾種現(xiàn)象：(1)含有不連續(xù)的火山熔巖(圖2B)，厚度多在20cm以下，可以清晰地識別火山熔巖的內(nèi)部紋層。(2)在斷層面附近可以發(fā)現(xiàn)大量蒙脫石質(zhì)礫石，大小不等，在1cm～25cm之間，多呈次圓形(圖2C)。(3)部分礦石保留有火山角礫結構和斑狀構造。對于保留火山角礫結構的礦石，角礫呈灰白色，膠結物為淺紫紅色，角礫邊界輪廓清晰，這種礦石僅局部呈層狀出現(xiàn)(圖2D);而斑狀結構的巖石可以清晰觀察到白色柱狀斑點和紫紅色基質(zhì)，根據(jù)斑點的輪廓可以推測原始礦物應為斜長石或鉀長石，原巖可能是安山巖或安山玢巖。(4)土體中殘留有大小不等、形態(tài)各異的淺綠色火山巖團塊，團塊邊緣與土體呈過渡狀態(tài)，核心已經(jīng)松軟，多為球形(圖2E)。從整體上看，礦體內(nèi)部構造不清晰，推測有短距離搬運和后期構造局部改造現(xiàn)象發(fā)生。

北西側(cè)火山熔巖呈淺灰色，根據(jù)偏光顯微鏡照片(圖3A、B)和成分分析結果(表1)，該火山巖為酸性火山巖，其SiO2的含量在70%，K2O+Na2O在8%左右，按化學組成分類應為流紋巖。根據(jù)薄片觀察，巖石呈斑狀結構，斑晶主要為鉀長石和少量鈉長石，晶體形狀為方形板狀，未見石英斑晶;基質(zhì)中可見較多的針狀綠泥石及少量赤鐵礦、石英、絹云母等(圖3A)，玻璃質(zhì)含量較高，可見粗面結構，副礦物常見磷灰石、鋯石。根據(jù)薄片觀察，該熔巖應為堿性流紋巖。礦體內(nèi)殘留的火山巖團塊的偏光顯微鏡照片見圖3C、圖3D，該巖石呈粗面結構，富含玻璃質(zhì)，可見基質(zhì)中的斜長石和正長石微晶大致呈定向或半定向的排列。據(jù)此，可定名為粗面巖，即為表層膨潤土的母巖。

3 X射線衍射(XRD)分析結果

6件不同顏色膨潤土樣品的XRD分析結果見圖4。結果顯示，不同顏色的膨潤土具有相似的礦物組成，并且都含有一定量的非晶態(tài)物質(zhì)。除頂部的棕色土和紫色斑點狀膨潤土之外，粉色、灰白色、黃綠色和褐色膨潤土樣品中均含有豐富的蒙脫石礦物。若不考慮礦石中非晶態(tài)物質(zhì)的存在，可初步估算蒙脫石的含量一般在50%左右，這與王新江等(2010)測得的含量(56%)和劉承帥等(2005)的(41%)相似。頂部的棕色土和紫色斑點狀膨潤土的礦物組合中則相對富含長石、石英，并含有少量的方解石。

膨潤土樣品的主衍射峰為蒙脫石，其主衍射峰較高且尖銳，這說明蒙脫石結晶較好(邵殿信，1996)。在實驗室條件下，d(001)面網(wǎng)間距為1.520 0nm左右，由于d(001)面網(wǎng)間距在1.5nm～1.6nm間的蒙脫石為鈣基蒙脫石(侯梅芳等，2002)，所以本次研究的甲山膨潤土中的蒙脫石應為鈣基蒙脫石。

由于在分析過程中沒有對礦石進行黏土礦物分離和加入內(nèi)標礦物，所以因石英、長石和玻璃質(zhì)的存在而抑制了低含量礦物的衍射信號，根據(jù)顯微鏡下觀察和一般規(guī)律，礦石中應該還含有一定數(shù)量的針鐵礦、綠泥石等次生礦物。而這些低含量的次生礦物可能是影響膨潤土礦石顏色的關鍵。

圖2 甲山膨潤土礦開發(fā)現(xiàn)場和土層特征

表1 北西側(cè)熔巖層巖石的熒光光譜分析結果

圖3 與膨潤土層有關的火山巖顯微照片

圖4 膨潤土樣品的XRD譜圖

4 掃描電子顯微鏡觀察

在本次研究中，選取膨潤土礦石和殘留的火山巖團塊進行了掃描電子顯微鏡觀察，以期了解膨潤土的成因和火山巖的風化作用。

在掃描電子顯微鏡下，膨潤土礦石中的鱗片團聚堆積現(xiàn)象十分清晰(圖5A、5B)。蒙脫石呈片狀，顆粒周緣呈卷曲狀。一般來講，在掃描電鏡下，鈉基蒙脫石常呈半自形晶，解理可見;鈣基蒙脫石常為鱗片重疊的粒狀，團塊狀，顆粒周緣常呈卷曲狀，集合體有時呈花瓣狀。這與XRD解釋的鈣基蒙脫石為主的認識一致。對紫紅色礦石的掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，白色斑點和紫紅色基質(zhì)的礦物組成基本相同，均為鱗片狀蒙脫石礦物和石英微晶的混合物，基質(zhì)中相對更富含微細顆粒，可能為鐵的氧化物或氫氧化物。

膨潤土礦中的火山巖殘留團塊顯示出清晰的風化現(xiàn)象(圖5C—圖5G)。圖5C、圖5D顯示的是巖石中玻璃質(zhì)的風化作用，火山玻璃的形態(tài)呈球形，風化形成的黏土礦物包圍在玻璃質(zhì)周邊。能譜分析(表2)顯示，玻璃質(zhì)(表2中點1、點3)比風化產(chǎn)物(表2中點2、4)更為富 Al、Mg和 Ca，而風化產(chǎn)物中Fe含量更高，盡管能譜分析結果存在一定的誤差，但是在風化產(chǎn)物中可以觀察到針狀礦物，可能為火山玻璃Fe釋出形成的針鐵礦，另外，風化產(chǎn)物含有少量的納米級微粒(圖5D)，其成分也更為富Si(表2中點4)，推測為硅質(zhì)沉淀或形成的次生沸石。

圖5E顯示的是斜長石風化的現(xiàn)象，可以看出風化產(chǎn)物呈羽狀，大小約5μm，沿礦物的解理縫分布，結合能譜成分分析(表2中點5)結果，推測風化產(chǎn)物為富鐵蒙脫石，鐵可能來源于暗色礦物或火山玻璃的風化作用。圖5F顯示的是角閃石溶蝕的現(xiàn)象，該礦物粒徑相對較大，主要表現(xiàn)為沿解理縫發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，表面相對潔凈，成分與富Al角閃石相似(表2中點6)。圖5G為火山玻璃表面風化形成的密集排布的石英微晶(表2中點7)，粒徑僅在1μm左右，這些石英微晶的柱面不發(fā)育，主要表現(xiàn)為2個晶錐，說明硅質(zhì)沉淀為快速形成，這些沉淀抑制了火山玻璃的進一步風化作用，這種現(xiàn)象在膨潤土礦石中沒有觀察到，這也許是火山巖能夠殘留在礦石中的原因。從火山巖殘留團塊樣品的微觀結構看，巖石中的火山玻璃最易于蒙脫石化，而長石、石英等結晶質(zhì)礦物則難以風化，暗色礦物的風化則可能與蒙脫石的富鐵特征有關。

表2 掃描電鏡-能譜分析結果

圖5H給出了斷層面表面膨潤土礦的掃描電子顯微鏡照片，礦石的結構和礦物的形態(tài)均發(fā)生了顯著的變化，已經(jīng)演變?yōu)楸砻娴奈⒓氼w粒層，這一現(xiàn)象與孫巖等(2007)對剪切面表面的觀察相似。化學組成也與原巖有一定的差異，總體上表現(xiàn)為Fe、Ca的含量降低，可能也與滑移作用引起的元素分異有一定的聯(lián)系。

5 討論與認識

根據(jù)甲山膨潤土礦的地質(zhì)特征，筆者認為該礦床屬于火山巖風化殘積型黏土礦床。主要理由如下：(1)礦體呈似層狀，但非火山熔巖原地風化形成，而是經(jīng)歷了較短距離的搬運和再沉積。由于礦體內(nèi)出現(xiàn)不同顏色的膨潤土零散分布，失去了火山熔巖地層的層狀特征，并且礦體內(nèi)含有一些火山熔巖層殘塊，局部見有圖2C所示的礫狀結構。(2)膨潤土由中酸性火山熔巖經(jīng)風化作用形成，可以觀察到多種巖石風化的微觀現(xiàn)象，尤其是火山玻璃的風化相對強烈。(3)前人勘探表明，上部往往是鈣基膨潤土，下部為鈉基膨潤土，并常常與沸石、珍珠巖等礦物伴生(中國地質(zhì)學會非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)專業(yè)委員會，1982)。(4)礦體內(nèi)和圍巖地層中均沒有發(fā)現(xiàn)熱液活動的現(xiàn)象。

礦化深度一般位于潛水面附近，從幾十米至數(shù)百米深不等。在流紋巖、粗面巖風化的過程中，火山玻璃最易于蒙脫石化，而結晶質(zhì)礦物則難以風化。一般認為蒙脫石是在堿性水介質(zhì)條件下生成的。由于含可溶性陽離子的水由上往下滲透，因此剖面上部風化作用相對較強，礦化程度相對較高。水解過程中最易溶出的是K、Na等堿金屬離子，其次是Ca、Mg等堿土金屬離子(史良金，1985)。地表附近的礦石屬型以鈣基膨潤土為主，較深部才有鈉基膨潤土，這與水解過程中先溶出的Na和K、后溶出Ca、Mg離子的順序有關(陳淑祥等，1998)。國內(nèi)外的風化殘積型膨潤土礦基本上都具有這一特征。

圖5 膨潤土礦與其中殘留的火山巖團塊的掃描電子顯微鏡照片

本次研究還發(fā)現(xiàn)甲山膨潤土礦礦體中蒙脫石的分布有一定的規(guī)律性。據(jù)此，筆者建議在開發(fā)中應制訂更精細的開發(fā)方案，對不同類型的礦石差異化開發(fā)，對礦石進行分類銷售或深度加工。不僅對鈣基蒙脫石和鈉基蒙脫石分別開發(fā)，而且對于淺部鈣基蒙脫石也應進行分類開發(fā)，便于后期的提純、分離等工藝的篩選(王新江等，2010);不同顏色或不同母巖的礦石具有礦物成分的差異性，這種差別在礦山開發(fā)過程中也應得到重視。在此基礎上，兼顧規(guī)?；_發(fā)的同時，實行集約化生產(chǎn)。加強設備和技術更新，延伸精加工產(chǎn)品技術鏈，將有可能提高該礦的經(jīng)濟效益，以平衡環(huán)境和資源成本。

6 致謝

在本研究取樣期間，得到句容市國土資源局的協(xié)助，謹表謝意。

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Discussions on geological characteristics and genesis of bentonite deposit in Jiashan of Jurong

JIN Cui-ye1，LU Zhi-jun1，2，ZHANG Xue-fen1，ZHOU Jin-hong1，LU Xian-cai1

(1.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2.Jiangsu Department of Land and Resource，Nanjing 210029，China)

The authors studied the characteristics of the bentonite deposit in Jiashan，Jurong City of Jiangsu Province，and found the overlying layer was alkali-rhyolite in lower Cretaceous series，the ores presented various colors，such as yellowish green，pink，light gray and pinkish color，and partially remained breccias structure or residue lumps and faulted breccias resulted by fault slide could be observed.X-ray diffraction analysis indicated that the mineral composition varied with colors.Scanning electronic microscope presented the weathered phenomenon and primary and secondary minerals in the ores and volcanic rocks.It was concluded that the deposit belonged to weathered residual bentonite deposit.A classification of the ore in the course of development and deep processing could improve the economic benefits.

Bentonite;Mineral composition;Weathering;Weathered residual deposit;Jurong，Jiangsu

P619.25+5

A

1674-3636(2011)03-0251-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.03.251

2011-05-20;

2011-06-02;編輯：陸李萍

江蘇省自然科學基金(BK2010008)

金翠葉(1987—)，女，碩士研究生，礦物學專業(yè)，E-mail：xcljun@nju.edu.cn