趙佳佳，張云學，劉明君，鄭建勛，田 璐

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心內蒙古總隊，內蒙古 呼和浩特 010010)

目前，高嶺土用途除涵蓋陶瓷、造紙、涂料、耐火材料等多個領域外，還用于建筑相變儲熱材料、太陽能儲能材料、生物醫(yī)藥、吸附材料、分子篩原料，對支撐戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展具有重要的作用[1-5]。近年來，內蒙古清水河地區(qū)的高嶺土進行不同程度、不同規(guī)模的開發(fā)利用，主要生產煅燒高嶺土產品，用于陶瓷、耐火材料、造紙、涂料及玻釬等工業(yè)生產[6-7]。本文通過在該地區(qū)開展高嶺土礦的地質找礦工作，全面搜集區(qū)內地質資料和研究成果，經過對典型高嶺土礦床的對比研究，進一步梳理并總結地區(qū)高嶺土資源地質特征，分析成礦條件，為今后高嶺土找礦勘查工作提供參考。

1 成礦地質背景

按板塊劃分，區(qū)內一級構造單元為華北陸塊區(qū)(II)，二級構造單元為晉冀陸塊(II-2)，三級構造單元為呂梁碳酸鹽巖臺地臺(II-2-5)。成礦區(qū)帶位于山西(斷隆)Fe-鋁土礦-石膏-煤-煤層氣成礦帶(Ⅲ-61)[9]。出露地層由老到新分別為下古生界下寒武統(tǒng)饅頭組(∈1m)、中寒武統(tǒng)張夏組(∈2z)、上寒武統(tǒng)炒米店組(∈3c)、上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)三山子組(∈3-O1s)、中奧陶統(tǒng)馬家溝組(Ο2m)，上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、上石炭統(tǒng)太原組(C2t)、下二疊統(tǒng)山西組(P1s)，中生界下白堊統(tǒng)左云組(K1z)，新生界新近系上新統(tǒng)寶格達烏拉組(N2b)及第四系(Q)(圖1)。依據沉積旋回及區(qū)域性不整合特征，將太原組劃歸為華力西—印支期構造層，又根據巖相建造、古地理、古氣候及成礦地質特征進一步劃為華力西—印支期構造層中的第一亞層[11]，為一套海陸交互相碳酸鹽巖、鋁土頁巖、石英碎屑巖及煤系地層。區(qū)域構造線走向呈北北東至近于南北向，傾向西，傾角較為平緩，成一單斜構造。構造變動輕微，僅表現(xiàn)為地殼的升降運動，局部見波狀褶皺形成小的背向斜。清水河地區(qū)高嶺土礦均賦存于上石炭統(tǒng)太原組(C2t)的地層中。

圖1 成礦地質背景及礦產地分布圖

2 礦床地質特征

從區(qū)域看，清水河地區(qū)高嶺土礦主要分布在黃河東岸的黑礬溝至酒鋪也一帶，其余地段見有零星出露。截止2020 年底，區(qū)內發(fā)現(xiàn)上表礦產地3 處(礦床規(guī)模中大型2 處，中型1 處)，未上表礦區(qū)3 處(表1)，累計查明的高嶺土資源儲量約占全區(qū)20%以上。通過對已發(fā)現(xiàn)礦床及礦產地成果資料的對比研究，區(qū)內礦床多為中—大型規(guī)模且分布較為集中，主要礦床地質特征、礦體產出形態(tài)、賦礦層位基本類似，以龍泉溝高嶺土礦床、桑林坡高嶺土礦床及新發(fā)現(xiàn)的鐵駝堰高嶺土礦產地為典型。

表1 已發(fā)現(xiàn)高嶺土礦產地一覽表

2.1 高嶺土含礦層位

高嶺土礦均賦存于上石炭統(tǒng)太原組(C2t)的地層中。太原組上覆新生界新近系上新統(tǒng)寶格達烏拉組(N2b)紫紅色泥巖及第四系(Q)黃土，局部地段覆蓋有中生界下白堊統(tǒng)左云組(K1z)淺紫灰色礫巖夾泥巖；下伏上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)三山子組(∈3-O1s)，局部地段與上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)整合接觸。太原組在遺留的采坑和沖溝內出露良好，底部與下伏地層接觸界線清晰，頂部地層在區(qū)內零星出露或缺失，多受溝谷切割，地層整體不連續(xù)且上部覆蓋較厚。巖層空間展布穩(wěn)定，總體近似水平，呈舒緩波狀，走向270°～340°，傾角2°～8°，厚度5.84 ～155.50m。根據該組地層巖性組合特征，將其自下而上分為三個巖性段。

上石炭統(tǒng)太原組第一巖性段(C2t1)，區(qū)內發(fā)育完全，巖性主要為紅褐色、灰白色含鐵質結核中粗粒石英砂巖、粉細砂巖、泥質粉砂巖夾雜色泥巖(局部夾鐵質泥巖、窩狀褐鐵礦)、含粉砂泥巖；工程揭露厚度2.40 ～60.74m,與下伏地層呈平行不整合，個別地段與上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)整合接觸。第二巖性段(C2t2)，區(qū)內發(fā)育較完全，下部巖性為灰白色粉砂巖局部見黑色炭質泥巖(頁巖)、硬質高嶺土、中細粒砂巖，中部為中粗粒石英砂巖、局部見煤線及軟質高嶺土夾薄層硬質高嶺土、細砂巖、含粉砂泥巖，上部為含礫中粗粒石英砂巖；工程揭露厚度1.04 ～40.93m，與下伏地層呈整合接觸，該段賦存具有工業(yè)價值的高嶺土礦。第三巖性段(C2t3)，區(qū)內發(fā)育完全，巖性主要為：灰白色中細粒砂巖、深灰—灰色硬質高嶺土、中粗粒砂巖、含礫砂巖、含粉砂泥巖、含泥質粉砂巖。工程揭露厚度0.30 ～64.56m，與下伏地層呈整合接觸，該段賦存具有工業(yè)價值的高嶺土礦。

2.2 礦層(體)特征

區(qū)內圈定具有工業(yè)價值的高嶺土礦四層，自上而下依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦層(圖2)。其中Ⅰ、Ⅱ號礦層(體)為深灰、灰褐色硬質高嶺土礦，Ⅰ號礦層(體)之下2 ～5m 為Ⅱ號礦層(體)，Ⅱ號礦層(體)之下0 ～10m 為Ⅲ號礦層(體)；Ⅲ號礦層(體)為紫褐、土灰色軟質高嶺土夾灰褐色薄層硬質高嶺土礦，Ⅲ號礦層(體)之下2 ～12m 為Ⅳ號礦層(體)；Ⅳ號礦層(體)為灰白色硬質高嶺土。在個別地段中Ⅱ號與Ⅲ號礦層(體)直接接觸。礦層(體)產狀與地層產狀協(xié)調一致，傾角緩傾斜或近于水平，礦層(體)形態(tài)為層狀、似層狀、透鏡狀，各礦層特征及延展規(guī)模見表2。

表2 各礦層特征及延展規(guī)模一覽表

圖2 高嶺土礦典型地質剖面圖

Ⅰ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第三巖性段(C2t3)的上部，在區(qū)內由多個相對獨立的區(qū)塊斷續(xù)分布，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度1 865m，沿傾向最大延伸2 880m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質高嶺土；厚度0.75～4.44m,平均厚度1.90m；礦層內部結構簡單，底板為中粗粒砂巖，頂板為細粒砂巖或直接被黃土覆蓋。

Ⅱ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第三巖性段(C2t3)的下部，在區(qū)內由多個相對獨立的區(qū)塊斷續(xù)分布，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度3 610m，沿傾向最大延伸4 890；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質高嶺土；礦層厚度0.70 ～8.21m,平均厚度2.47m；礦層內部結構簡單，頂、底板均為中粗粒砂巖。

Ⅲ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第二巖性段(C2t2)中部，在區(qū)內空間分布有一定規(guī)模，較連續(xù)，厚度變化大且不穩(wěn)定，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度2 557m，沿傾向最大延伸3 590m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為軟質高嶺土；礦層厚度0.88 ～14.55m,平均厚度3.04m；礦層內部結構簡單，頂板為中粗粒砂巖，個別見礦工程中與Ⅱ礦層直接接觸，底板為雜色泥巖，炭質泥巖等。

Ⅳ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第二巖性段(C2t2)下部，在區(qū)內空間分布范圍最廣、規(guī)模最大且較連續(xù)，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度450m，沿傾向最大延伸2 370m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質高嶺土；厚度1.00 ～4.15m,平均厚度2.18m；礦層內部結構簡單，頂板為中粗粒砂巖，底板為雜色泥巖，炭質泥巖等。

2.3 礦石特征

礦石自然類型根據其質地、可塑性、砂質的質量分數分為硬質高嶺土和軟質高嶺土兩種類型[8]。

(1)硬質高嶺土：礦石細膩、性脆、瓷狀或貝殼狀斷口，牙咬無砂感，質硬，無可塑性，粉碎、細磨后具可塑性；礦石多呈灰—深灰色，具隱晶質、(含粉砂)泥質結構，塊狀構造。礦石主要由斑狀粘土礦物和隱晶質粘土礦物組成。斑狀粘土礦物由蠕蟲狀、氈狀、鱗片狀、放射狀集合體的高嶺石和碎屑狀泥巖組成。隱晶質粘土基質，紋理清晰，分布于斑狀粘土礦物顆粒之間。經X 光衍射、掃描電鏡分析，硬質高嶺土礦石基本由高嶺石組成，高嶺石含量為93%～100%，含少量石英、一水軟鋁石。

經物理性能測試，礦石塑性指數6.0 ～13.1，干燥收縮率-0.2% ～-0.3%，耐火度1 740 ～1 800℃，自然白度51.3 ～69.1，煅燒白度在950℃時為79.1 ～82.6，在1 000℃時為78.9 ～93.2。礦石小體積質量(體重)平均值為2.28g/cm3，濕度平均為1.44%。

(2)軟質高嶺土：俗稱“木節(jié)土”[12]，礦石呈疏松土狀、弱固結狀，質軟，可塑性一般較強，砂質含量較少，一般小于50%；礦石主要為紫褐色，其次見白色、灰白色，一般有機質含量越高，顏色越深。礦石具泥質結構，塊狀構造。礦石主要由斑狀粘土礦物和隱晶質粘土基質組成，含少量砂屑。斑狀粘土礦物由蠕蟲狀，鱗片狀、席狀高嶺石集合體或由泥巖碎屑組成。泥巖碎屑主要由高嶺石、少量伊利水云母等組成，大小多在0.3mm 以下，呈中晶斑狀雜亂分布于隱晶質粘土基質之中。隱晶質粘土粒度＜0.004mm，分布于斑狀碎屑之間，砂屑主要由云母類礦物、粘土化巖屑組成，以＜0.5mm 的細粉砂為主。經X 光衍射、掃描電鏡分析，礦石主要由高嶺石組成，其含量為88.8%～99.4%，其次含少量的石英、水云母、一水軟鋁石、方解石和鐵質。

經物理性能測試，礦石可塑性指數4.2 ～7.5，干燥收縮率-0.3%，耐火度1 740 ～1 790℃，自然白度21.2 ～29.9，煅燒白度在950℃時為74.6，在1 000℃時為75.7。礦石小體積質量平均值為1.97g/cm3，濕度平均4.39%。

按礦體分別對礦石化學全分析測試結果進行統(tǒng)計(表3)，本區(qū)硬質高嶺土礦石主要化學有益組分Al2O3的平均質量分數為36.98%，主要有害化學組分為Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均質量分數為0.56%，TiO2平均質量分數0.65%；本區(qū)軟質高嶺土礦石主要化學有益組分Al2O3的平均質量分數為37.21%，主要有害化學組分為Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均質量分數為0.72%，TiO2平均質量分數1.05%；與現(xiàn)行行業(yè)標準中高嶺土礦一般工業(yè)指標相比，兩類礦石中TiO2平均質量分數較一般工業(yè)指標要求偏高。

表3 礦石化學全分析測試結果統(tǒng)計表 (單位：%)

3 成礦條件分析

區(qū)域地質背景對高嶺土礦床的形成起到了控制作用，而高嶺土成礦還受古地理類型、古構造、古氣候、水介質條件、物質來源、風化作用以及成巖作用等諸多因素控制。其中，理想的沉積環(huán)境和必要的物質來源及大地構造的演化均是高嶺土成礦重要條件。

3.1 地層控礦

高嶺土賦存在上石炭統(tǒng)太原組的地層中，有較穩(wěn)定的含礦層位，嚴格受地層控制,常位于沉積旋回上部，有明顯的沉積韻律[9-11]。礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀，圍巖主要為各粒級砂巖和泥巖或未圈為礦體的高嶺土(也有稱其為高嶺石粘土巖)，礦體與圍巖界線清晰，產狀一致，隨含礦地層起伏而呈波狀展布，傾角平緩或近水平，受沉積環(huán)境影響，局部礦體形態(tài)、厚度有大的變化。

3.2 成礦要素

古地理是控制成礦的基本場所和物質基礎[11]，伴隨著盆地的不同發(fā)展階段，形成較完整的沉積體系，受區(qū)域地質構造作用的控制，形成本區(qū)域含礦地層及沉積特征，表現(xiàn)為僅見有少量煤線的煤系高嶺土礦床。經典型礦床對比分析，高嶺土礦分布有穩(wěn)定的賦礦層位，礦床成因類型為含煤地層中之高嶺石粘土巖型，成礦時代為晚石炭世，礦石類型為硬質高嶺土、軟質高嶺土，礦物組合以高嶺石為主，其次含少量的石英、水云母和鐵質。所處大地構造位置控制沉積體系格局，次級構造控制成礦區(qū)域空間展布，地層及巖性組合特征能指示成礦有利部位及空間分布。

3.3 成礦物質來源

本區(qū)高嶺土的成礦物質主要來源于盆地周圍太古代古陸內廣泛分布的前寒武紀變質巖及華力西期以前的中酸性巖漿巖中穩(wěn)定性差的硅鋁酸鹽礦物及其風化產物，其中富硅鋁酸鹽礦物經長距離的自然力搬運，在石炭紀至早二疊世早期形成了大量的以高嶺石為主要成分的粘土，后經沖刷，搬運或以鋁、硅質溶膠形成在腐植酸的保護下被攜帶到復水泥炭沼澤環(huán)境中沉積富集，在泥炭沼澤形成后期，當水介質條件發(fā)生變化(如pH 值、礦化度等)，鋁、硅質溶膠逐漸凝聚脫水、成巖作用，形成高嶺土礦，同時在搬運和沉積過程中又混入有機質及各種雜質，在自然礦石上直接表現(xiàn)為顏色多變。

4 結論

通過對已發(fā)現(xiàn)礦床及礦產地成果資料的對比研究，系統(tǒng)總結該區(qū)高嶺土礦礦體特征及礦石質量，并分析了該區(qū)高嶺土的重要成礦條件，得出如下結論。

(1)高嶺土礦嚴格受上石炭統(tǒng)太原組地層控制，含礦層位穩(wěn)定，礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀，礦體分布范圍廣、厚度較穩(wěn)定。礦石類型主要為硬質高嶺土，其次為軟質高嶺土，礦石質量指標、物理性能滿足工業(yè)要求。

(2)高嶺土屬沉積型礦床，由前寒武紀變質巖、華力西期以前的中酸性巖漿巖中穩(wěn)定性差的硅鋁酸鹽為主的礦物為成礦提供物質來源。

(3)清水河地區(qū)高嶺土資源分布集中且規(guī)模大，占據一定區(qū)域資源優(yōu)勢，有好的找礦前景。