劉立柱

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 沈陽 110004)

膨潤(rùn)土具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于石油、造紙、橡膠、塑料、藥品、化學(xué)、農(nóng)牧業(yè)、鑄造業(yè)、鉆探泥漿、環(huán)保等領(lǐng)域[1]。膨潤(rùn)土礦是遼寧省的優(yōu)勢(shì)礦種，資源儲(chǔ)量豐富，品種齊全，分布集中。既有鈣基膨潤(rùn)土，又有鈉基膨潤(rùn)土。主要礦產(chǎn)地分布于遼西地區(qū)的朝陽、阜新、錦州市。

本文總結(jié)了遼西六家子膨潤(rùn)土礦床區(qū)域地質(zhì)背景、地質(zhì)特征，并與國(guó)內(nèi)外同類礦床進(jìn)行了對(duì)比，通過對(duì)礦床蝕變過程中元素遷移規(guī)律的分析，為礦床成因的探討提供了新的依據(jù)，在此基礎(chǔ)上初步分析總結(jié)了礦床成因。初步認(rèn)為該礦床成因類型屬酸性火山碎屑水解蝕變型膨潤(rùn)土礦床。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遼西地區(qū)位于華北地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶與山海關(guān)隆起的交接部位，分布著大面積中生代火山碎屑巖及火山熔巖。中生代以來，遼西構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，造成區(qū)域內(nèi)火山活動(dòng)具多期次、多旋回特點(diǎn)。遼西地區(qū)中生代火山活動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，從侏羅紀(jì)延續(xù)到白堊紀(jì)，均屬陸相火山巖，有4個(gè)含火山巖層位：即下侏羅統(tǒng)興隆溝組、中侏羅統(tǒng)藍(lán)旗組、下白堊統(tǒng)義縣組、中白堊統(tǒng)張老公屯組。其中義縣組火山巖在區(qū)域內(nèi)分布最為廣泛，且厚度大，可劃分為4個(gè)噴發(fā)旋回。其中第4旋回形成于義縣組火山活動(dòng)的噴發(fā)—沉積期，旋回下部以溢流相的中酸性火山巖為主，局部可見爆發(fā)相火山巖，包括安山巖、安山質(zhì)集塊巖、流紋巖和流紋質(zhì)火山角礫巖等；上部為沉積層，該沉積層底部為砂巖，含大量火山凝灰物質(zhì)，頂部為巨厚層狀的沉火山碎屑巖系，厚度可達(dá)450m[2]。膨潤(rùn)土礦體賦存于義縣組第4噴發(fā)旋回中酸性火山巖建造中，巖性以中酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主，火山碎屑巖對(duì)膨潤(rùn)土的成礦具有重要的控制作用，膨潤(rùn)土礦的形成與火山噴發(fā)沉積相密切相關(guān)。

礦區(qū)大地構(gòu)造單元位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(I)燕山臺(tái)褶帶(II)遼西臺(tái)陷(III)朝陽穹褶斷束(IV)之中部[3]。區(qū)域出露的地層有：古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、中侏羅統(tǒng)藍(lán)旗組(J2l)、中生界下白堊統(tǒng)義縣組(K1y)以及新生界第四系全新統(tǒng)(Q4)等。區(qū)域主要褶皺構(gòu)造為燕山期金嶺寺—羊山向斜、元寶山背斜，主要斷裂構(gòu)造有單家店—八家子斷裂、三家子—包杖子斷裂等。礦床位于金嶺寺—羊山向斜的南東翼，該向斜控制了區(qū)域內(nèi)義縣組地層的分布。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有燕山早期及燕山晚期石英二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖等，次之為閃長(zhǎng)巖類及閃長(zhǎng)玢巖、輝綠巖脈等。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

礦區(qū)賦礦地層為中生界下白堊統(tǒng)義縣組第4火山噴發(fā)旋回頂部的沉火山碎屑巖(圖1)，其中富含玻璃質(zhì)的酸性火山碎屑巖(沉凝灰?guī)r)為膨潤(rùn)土礦的主要成礦原巖。礦區(qū)內(nèi)含礦帶巖石組合為[4]：⑨層灰綠色薄層中?！至Ｄ屹|(zhì)砂巖，控制厚度65.64m；⑧層紫灰色薄層中?！?xì)粒凝灰質(zhì)砂巖夾灰褐色—淺灰色薄層狀泥巖，厚度49.90m；⑦層淺灰色—綠色凝灰質(zhì)砂巖，厚度37.61m；⑥層Ⅲ號(hào)膨潤(rùn)土礦體，厚度2.34m；⑤層紫灰色薄層中?！?xì)粒凝灰質(zhì)砂巖，厚度9.48m；④層Ⅱ號(hào)膨潤(rùn)土礦體，厚度2.88m；③層灰白—綠色薄層狀沉凝灰?guī)r，厚度6.47m，水平層理微發(fā)育，蒙脫石化發(fā)育；②層Ⅰ號(hào)膨潤(rùn)土礦體，厚度3.18m；①層深灰色凝灰質(zhì)膠結(jié)安山巖質(zhì)礫巖，控制厚度23.25m。

圖1 遼西六家子膨潤(rùn)土礦礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

礦區(qū)構(gòu)造總體為近東西走向的緩傾單斜構(gòu)造，傾角一般在8～16°。礦區(qū)內(nèi)未見巖漿巖出露。

3 礦體特征

3.1 礦體特征

自下而上分為三個(gè)礦體，其中I號(hào)礦體為主礦體，II號(hào)、III號(hào)礦體規(guī)模較小(圖2)，均呈層狀、似層狀產(chǎn)出，與圍巖產(chǎn)狀一致，呈近東西向展布，總體傾向NNE，傾角10～15°(表1)。

表1 六家子膨潤(rùn)土礦礦體特征表

圖2 第2-2′地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

I號(hào)礦體出露長(zhǎng)度1 040m，寬度1.20～15.60m，傾向延伸550～900m，平均約700m，呈單斜產(chǎn)出。礦體厚度1.23～5.46m，平均3.18m，蒙脫石含量40.06%～80.56%。礦體埋深0～186.35m。礦體頂板為灰白—綠色薄層狀沉凝灰?guī)r，底板為深灰色凝灰質(zhì)膠結(jié)安山巖質(zhì)礫巖。II號(hào)礦體出露 長(zhǎng) 度600m，寬 度1.10～12.70m，傾 向 延 伸380～760m，平均約560m，呈單斜產(chǎn)出。礦體厚 度1.06～4.68m，平 均2.88m，蒙 脫 石 含 量41.69%～78.36%。礦體埋深0～167.07m。礦體頂板為紫灰色薄層中?！?xì)粒凝灰質(zhì)砂巖，底板為灰白—綠色薄層狀沉凝灰?guī)r。III號(hào)礦體為隱伏礦體，延長(zhǎng)510m，深部?jī)A向延伸200～330m，平均約240m，呈單斜產(chǎn)出。礦體厚度1.02～2.56m，平均2.34m，蒙脫石含量41.24%～77.58%。礦體埋深38.15～134.16m。礦體頂板為淺灰色—綠色凝灰質(zhì)砂巖，底板為紫灰色薄層中?！?xì)粒凝灰質(zhì)砂巖。

3.2 礦石質(zhì)量

3.2.1 礦物成分

膨潤(rùn)土礦石呈綠色，濕時(shí)為淡綠、淡青及淺色色調(diào)，風(fēng)干后為白色，土狀—油脂光澤，手觸有滑潤(rùn)感，礦石呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，土狀及塊狀構(gòu)造。風(fēng)干后極易破碎，土狀構(gòu)造者風(fēng)干后不易裂開，斷口呈似貝殼狀，硬度1.5，比重1.68，平均濕度約21%，侵入水中后即分解成碎粒，并有顯著的膨脹。經(jīng)X-射線衍射分析，礦石主要礦物成分為蒙脫石，其次為方英石，其他礦物見有石英、長(zhǎng)石、白云母、磁鐵礦等，粒度相當(dāng)細(xì)小，呈零散狀分布(表2)。

表2 六家子膨潤(rùn)土礦礦石礦物成分 (單位：%)

3.2.2 化學(xué)成分

化學(xué)分析結(jié)果(表3)表明，總體特征為Al2O3偏 高，K2O、Na2O偏 低，且CaO+MgO＞K2O+Na2O含量。方英石礦物含量較高，但SiO2/Al2O3分子比不高。與國(guó)內(nèi)外主要膨潤(rùn)土礦床(表4)進(jìn)行對(duì)比可以看出，本區(qū)膨潤(rùn)土化學(xué)成分SiO2低于平山、黑山、信陽、鄂城李鐵鋪，與三道溝礦區(qū)相近，Al2O3介于鄂城李鐵鋪及平山、黑山、信陽、三道溝之間，且SiO2/Al2O3分子比大于4.00，大于理論值2.36，當(dāng)MgO、Fe2O3作為八面體中的陽離子而代替Al2O3的不足時(shí)，SiO2/Al2O3+MgO+Fe2O3仍大于理論值4.37，說明膨潤(rùn)土有較多的方英石存在[5]。本地區(qū)膨潤(rùn)土硅與鋁的比值小于平山、黑山、信陽、李鐵鋪等地區(qū)的膨潤(rùn)土，與三道溝膨潤(rùn)土相當(dāng)，表明膨潤(rùn)土的純度(蒙脫石含量)與三道溝膨潤(rùn)土純度相當(dāng)，高于其他地區(qū)膨潤(rùn)土純度。

表3 六家子膨潤(rùn)土礦床化學(xué)成分

表4 國(guó)內(nèi)外主要膨潤(rùn)土礦床化學(xué)成分

3.2.3 物理化學(xué)性能

各礦體陽離子交換性能及可交換陽離子數(shù)目見表5，根據(jù)膨潤(rùn)土礦石屬性劃分的規(guī)定，ECa2+/QCEC×100%≥50%為鈣基膨潤(rùn)土[6]，本區(qū)膨潤(rùn)土礦屬鈣基膨潤(rùn)土，具有良好的陽離子交換性能。

表5 六家子膨潤(rùn)土礦礦石物理化學(xué)性能

4 礦床成因

4.1 礦床蝕變分帶及蝕變過程中元素遷移規(guī)律

礦床蝕變分帶清晰，從圍巖到礦體依次為：沉凝灰?guī)r原巖帶、弱蒙脫石化帶、蒙脫石化帶、強(qiáng)蒙脫石化帶(礦體)。對(duì)應(yīng)巖礦石分別為沉凝灰?guī)r、弱蒙脫石化沉凝灰?guī)r、蒙脫石化沉凝灰?guī)r、膨潤(rùn)土(表6)。在蝕變過程中，K、Na、Si先是大量的帶入，而Ca、H2O+則大量帶出；隨著蒙脫石化程度的加深，則又表現(xiàn)為K、Mg、Fe的大量帶入，Na、Ca、H2O+的大量帶出；強(qiáng)烈蒙脫石化形成礦石后，則K、Na、H2O+大量帶出，Mg、Al大量帶入。因此，該礦床成礦作用地球化學(xué)行為與其他礦床最大的差異是H2O+大量帶出，Si則是先大量帶入，然后少量帶出。沉凝灰?guī)r形成膨潤(rùn)土礦床時(shí)，元素遷移富集的規(guī)律是：K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入。該類礦床成礦作用最顯著的特點(diǎn)是蒙脫石化過程中，不僅不需要介質(zhì)水，反而在元素重新組合成蒙脫石時(shí)，還要帶出一定量的水。

表6 六家子膨潤(rùn)土礦蝕變帶巖礦石化學(xué)分析結(jié)果

4.2 礦床成因探討

4.2.1 成礦地質(zhì)條件

(1)構(gòu)造條件。

遼西地區(qū)膨潤(rùn)土礦床的產(chǎn)出嚴(yán)格受燕山臺(tái)褶帶、遼西臺(tái)陷控制，主要分布于遼西坳陷內(nèi)一系列北東向斷陷盆地中。六家子膨潤(rùn)土礦床位于中燕山期金嶺寺—羊山盆地內(nèi)，礦床的形成與火山活動(dòng)密切相關(guān)，早白堊世義縣期強(qiáng)烈的火山活動(dòng)沿盆緣斷裂帶噴發(fā)，適宜的火山噴發(fā)與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為后期成礦作用提供了充足的物質(zhì)來源與賦礦空間。礦床形成于構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的火山活動(dòng)間歇期。

(2)地層和巖性條件。

遼西地區(qū)膨潤(rùn)土礦床嚴(yán)格受地層和巖性雙重控制，成礦時(shí)代為早白堊世義縣組，成礦原巖以中酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主。六家子膨潤(rùn)土礦床產(chǎn)于白堊系下統(tǒng)義縣組第4火山噴發(fā)旋回頂部富含玻璃質(zhì)的中酸性火山碎屑巖中，原巖為中酸性沉凝灰?guī)r。礦區(qū)內(nèi)第①～⑨巖性段主要巖性為沉凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂礫巖，沉凝灰?guī)r礦化均勻強(qiáng)烈，凝灰質(zhì)砂礫巖內(nèi)凝灰質(zhì)基質(zhì)礦化較為強(qiáng)烈。它們均由大量的玻屑、晶屑等細(xì)火山碎屑物質(zhì)組成，受熱液蝕變作用影響，對(duì)成礦非常有利。

(3)水化學(xué)條件。

水化學(xué)條件在膨潤(rùn)土礦的形成過程中起著重要的作用，從礦區(qū)內(nèi)沉凝灰?guī)r具有明顯的水平微層理來看，幾乎所有的層狀礦體及成礦母巖初始階段均在匯水盆地的水體中沉積。另據(jù)礦石的pH值(表6)表明礦床形成于富水的偏堿性環(huán)境。據(jù)桂林冶金地質(zhì)礦產(chǎn)研究所礦床室(1998)研究，pH值8～10是SiO2、Al2O3等中酸性火山物質(zhì)主要成分溶解度最大的環(huán)境，非常有利于火山玻璃物質(zhì)的水解與蒙脫石等粘土礦物的形成[7]。因此，地表富含堿性水體的水化學(xué)條件是形成膨潤(rùn)土礦的重要的外部條件。

4.2.2 成礦機(jī)理

火山碎屑物通過H+或H3O+(水合氫離子)作用，促使火山玻璃解體，在排水補(bǔ)水較充分的堿性水介質(zhì)中形成蒙脫石(礦體)。其蝕變的簡(jiǎn)化通式為：火山玻璃+水→蒙脫石+SiO2+殘余礦物(方英石、石英、長(zhǎng)石等)[8]。其形成過程為：首先是H+交代火山玻璃，并析出陽離子，其次殘余的無序硅鋁格架分解，然后其分解的格架重建為粘土礦物(蒙脫石)，金屬陽離子K+、Na+和H2O+被析出，最后過剩的二氧化硅遷移，由于盆地內(nèi)水介質(zhì)pH值較高，二氧化硅容易進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移，故該類礦床礦體的頂?shù)装逡话悴痪吖杌F(xiàn)象。沉凝灰?guī)r形成膨潤(rùn)土礦床時(shí)，K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入。此類礦床最大特點(diǎn)是在成礦過程中帶出一定量的水。

礦床系火山噴發(fā)形成的凝灰質(zhì)碎屑物，經(jīng)搬運(yùn)沉積在火山盆地內(nèi)，壓實(shí)、固結(jié)成巖后，在堿性介質(zhì)水的作用下，水解蝕變脫玻而形成。礦床成因類型為酸性火山碎屑巖水解蝕變型礦床[9-11]。

5 結(jié)論

(1)六家子膨潤(rùn)土礦賦存于下白堊統(tǒng)義縣組酸性火山碎屑巖系中，礦體呈層狀、似層狀產(chǎn)出，受地層和巖性雙重控制。

(2)礦石為鈣基膨潤(rùn)土，呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為蒙脫石，含量75%以上?；瘜W(xué)成分具有Al2O3偏高，K2O、Na2O偏低的特性，與國(guó)內(nèi)外主要膨潤(rùn)土礦床相比具有相似性。

(3)礦床蝕變分帶元素遷移規(guī)律為K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入，礦床成礦過程中，有一定量的水帶出。

(4)礦床是由酸性火山碎屑物質(zhì)在堿性介質(zhì)條件下，經(jīng)水解蝕變脫玻化而形成。其成因類型為酸性火山碎屑巖水解蝕變型膨潤(rùn)土礦床。