嚴(yán)鵬程，壽立永，金 凱，高文彬

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西 西安 714000)

高嶺土礦是一種重要的非金屬礦種，因具有優(yōu)良的工藝性能，被廣泛應(yīng)用于造紙、陶瓷、橡膠、塑料、耐火材料、化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、紡織、石油、建材及國(guó)防等領(lǐng)域[1]。高嶺土礦床類型可分為風(fēng)化型高嶺土、熱液蝕變型高嶺土、沉積型高嶺土[2]等。其中，沉積型高嶺土是十分可貴的非金屬礦產(chǎn)資源[3]。漢中阜川高嶺土是陜西省重要的沉積型高嶺土礦產(chǎn)資源地，早在明朝萬歷年間就已經(jīng)有開采并用作制陶的歷史。本文從地層、礦體特征等方面對(duì)阜川高嶺土礦地質(zhì)特征進(jìn)行初步總結(jié)，并從古構(gòu)造、古氣候、沉積環(huán)境及水介質(zhì)條件、成巖后生作用等主要因素對(duì)阜川高嶺土礦成因進(jìn)行深入分析，為今后該區(qū)高嶺土礦找礦突破提供參考。

1 成礦地質(zhì)背景

礦區(qū)位于揚(yáng)子地臺(tái)北部邊緣，北隔漢中新生代盆地，以略陽—褒城大斷裂為界與秦嶺造山帶相接；西以龍門山大斷裂與松潘—甘孜構(gòu)造帶為鄰，處于揚(yáng)子地臺(tái)內(nèi)二級(jí)構(gòu)造單元的龍門—大巴褶皺帶中，即穩(wěn)定地臺(tái)北緣鄰接活動(dòng)帶地區(qū)[4]。

區(qū)域上按揚(yáng)子地臺(tái)形成發(fā)展過程中的構(gòu)造活動(dòng)特征又進(jìn)一步劃分為震旦紀(jì)—中三疊世地臺(tái)穩(wěn)定發(fā)展階段、晚三疊世—新生代構(gòu)造活動(dòng)期兩個(gè)階段[5]。震旦紀(jì)—中三疊世地臺(tái)穩(wěn)定發(fā)展階段：以非造山的地臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)為特征，相繼沉積了震旦系至二疊系一套巨厚的濱海、淺海相陸源碎屑—碳酸鹽巖建造(圖1)。晚三疊世—新生代構(gòu)造活動(dòng)期：相繼經(jīng)歷了印支、燕山、喜山運(yùn)動(dòng)，形成了區(qū)域普遍發(fā)育的褶皺和斷裂，形成了現(xiàn)今綜合的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造面貌。

圖1 區(qū)域地質(zhì)圖

由于震旦紀(jì)至中三疊世造陸運(yùn)動(dòng)頻繁，致使地層中出現(xiàn)好幾次侵蝕間斷，期間在不同時(shí)期、不同地區(qū)，分別不同程度的缺失了中上寒武統(tǒng)、泥盆系和石炭系地層，但相鄰地層間均以平行不整合關(guān)系相接觸。阜川地區(qū)因泥盆系和石炭系地層的缺失，在下志留統(tǒng)地層頂部形成了規(guī)模較大的古風(fēng)化剝蝕面，為高嶺土礦的形成創(chuàng)造了良好的條件。阜川地區(qū)高嶺土礦賦存在下志留統(tǒng)泥質(zhì)碎屑巖不整合面上，產(chǎn)出嚴(yán)格受早古生代鈣紅土型古風(fēng)化殼的控制[6]。

2 礦區(qū)地質(zhì)

礦區(qū)地層總體呈北東向展布，主要由前震旦紀(jì)至三疊紀(jì)的碳酸鹽巖—碎屑巖建造組成。高嶺土礦賦礦地層為下二疊統(tǒng)梁山組(P1l)，其呈平行不整合上覆于下志留統(tǒng)羅惹坪組泥質(zhì)碎屑巖古風(fēng)化剝蝕面之上，巖性以灰色薄層狀粘土巖、泥巖為主，厚9.39m，其中上部常夾炭質(zhì)頁巖及不穩(wěn)定的煤線。上覆地層為中二疊統(tǒng)陽新組(P2y)地層，其與梁山組地層呈整合接觸。陽新組為一套臺(tái)地邊緣潮坪相沉積的碳酸鹽巖地層，在縱向上具明顯的二分，下部為厚層含生物碎屑灰?guī)r，上為含燧石團(tuán)塊或條帶灰?guī)r(圖2)。礦區(qū)構(gòu)造以“侏羅山式”褶皺為主，伴生逆沖小斷層，在一定程度上，逆沖斷裂破壞了礦體的連續(xù)性。區(qū)內(nèi)不發(fā)育巖漿活動(dòng)。

圖2 礦區(qū)二疊系地層實(shí)測(cè)剖面圖

3 礦床地質(zhì)

3.1 礦體特征

阜川地區(qū)高嶺土礦主要分布于尖尖山至碗廠溝一帶，共圈定出礦體7條，呈層狀、似層狀產(chǎn)于下二疊統(tǒng)梁山組地層中(圖3)。KⅡ1、KⅢ1、KⅥ1、KⅦ1礦體傾向 北西 —北，產(chǎn)狀315°～355°∠43°～56°；KⅠ1、KⅣ1、KⅤ1傾向南—南東，產(chǎn)狀184°～156°∠6°～60°。礦體長(zhǎng)400～3 180m，厚3.96～8.97m，平均厚度6.03m，厚度變化較均勻(表1)。礦體大部分直接裸露，少部分上覆 1～5.0m全新統(tǒng)洪沖積礫石層。

表1 礦區(qū)高嶺土礦體規(guī)模、礦石質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

圖3 礦區(qū)地質(zhì)圖

根據(jù)礦石質(zhì)地、可塑性和砂質(zhì)的含量，阜川高嶺土礦石分為硬質(zhì)高嶺土、軟質(zhì)高嶺土兩種自然類型，軟質(zhì)高嶺土礦規(guī)模稍大于硬質(zhì)高嶺土礦。硬質(zhì)高嶺土礦厚1.51～3.66m，平均厚2.48m，軟質(zhì)高嶺土礦厚1.65～5.93m，平均厚3.54m。

硬質(zhì)高嶺土礦的直接頂板為梁山組頂部劣質(zhì)薄煤層，煤層厚度0.2～1m。硬質(zhì)高嶺土下部即為軟質(zhì)高嶺土層，下志留統(tǒng)羅惹坪組泥質(zhì)粉砂巖地層構(gòu)成高嶺土礦的直接底板，礦體頂?shù)装褰缇€清晰。

3.2 礦石質(zhì)量

硬質(zhì)高嶺土礦石一般地表呈黃(圖4a)，黃褐色，深部呈灰白色。質(zhì)細(xì)而純，泥狀、膠狀、隱晶質(zhì)、顯微鱗片變晶結(jié)構(gòu)(圖4b)，紋層狀、條帶狀、團(tuán)塊狀構(gòu)造。高嶺石在礦物中含量約占58%～82%(圖4c)，勃姆石含量13%～38%，另含少量方解石(2%)、銳鈦礦(2%)、金紅石(1%)。不具可塑性。礦石耐火度＞1 770℃。礦石有益組分Al2O3含量占33.83%～42.66%，平均37.80%。礦石有害組分Fe2O3+TiO2含量2.21%～4.40%，平均3.06%。

圖4 硬質(zhì)高嶺土礦石結(jié)構(gòu)及X衍射

軟質(zhì)高嶺土一般呈灰色—青灰色，不顯層理(圖5a)。粉砂狀、泥狀、膠狀、隱晶質(zhì)、鱗片變晶結(jié)構(gòu)(圖5b)，紋層狀、條帶狀、細(xì)礫狀構(gòu)造。高嶺石在礦物中含量約占19%～26%(圖5c)，伊利石+伊蒙混層含量37%～44%，石英含量25%～32%，另含少量黃鉀鐵礬3%～5%，銳鈦礦2%～3%，石膏1%～2%。軟質(zhì)高嶺土浸水中呈粘糊狀，具可塑性，可塑性指標(biāo)2.65～2.80。礦石有益組分Al2O3含量占19.77%～29.75%，平均25.52%。礦石有害組分Fe2O3+TiO2含量占3.04%～4.94%，平均3.80%。

圖5 軟質(zhì)高嶺土礦石結(jié)構(gòu)及X衍射

3.3 應(yīng)用評(píng)價(jià)

阜川高嶺土礦硬質(zhì)和軟質(zhì)高嶺土礦石均表現(xiàn)出有害組分Fe2O3+TiO2含量偏高的特點(diǎn)，限制了其高端應(yīng)用。20世紀(jì)60～90年代，軟質(zhì)高嶺土被用作日用陶瓷和建材陶瓷原料，硬質(zhì)高嶺土被用作耐火材料。經(jīng)巖礦鑒定、X衍射分析初步認(rèn)為，有害組分含量高是礦石中銳鈦礦所致。2019年阜川硬質(zhì)高嶺土進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，通過原礦磨粉-325目粉濕法制漿—超導(dǎo)磁選—壓濾脫水—強(qiáng)力干燥制粉等除鈦工業(yè)流程，有效的降低了原礦中Fe2O3和TiO2的含量，獲得了能夠應(yīng)用于高端的玻纖高嶺土。但是原工業(yè)化試驗(yàn)存在試驗(yàn)樣品數(shù)量少，不具代表性的缺陷，因此今后必須對(duì)該礦石進(jìn)行大量的工業(yè)化選礦試驗(yàn)，論證除鈦工藝技術(shù)切實(shí)可行，同時(shí)對(duì)阜川高嶺土礦市場(chǎng)給出準(zhǔn)確定位，以期能夠提高應(yīng)用價(jià)值。

4 控礦因素探討

大量研究表明，沉積型高嶺土礦的發(fā)育程度、規(guī)模大小、產(chǎn)出形態(tài)、礦石質(zhì)量特征及種類等，受古構(gòu)造、古氣候、沉積環(huán)境及水介質(zhì)條件、成巖后生作用等主要因素的控制[7]。區(qū)域大地構(gòu)造背景決定著高嶺土礦的物質(zhì)來源，古氣候決定高嶺土成礦物質(zhì)的產(chǎn)生和搬運(yùn)，沉積環(huán)境及水介質(zhì)條件決定著高嶺土礦的穩(wěn)定及形成，成巖后生作用的改造決定了高嶺土礦石物化性能[8]。

4.1 區(qū)域構(gòu)造背景

揚(yáng)子地臺(tái)北緣自中寒武世至石炭紀(jì)，受加里東—海西運(yùn)動(dòng)的影響，地殼抬升，長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕、夷平，形成準(zhǔn)平原地貌景觀，古老風(fēng)化面上的鐵鋁物質(zhì)得到富集[9]。至早二疊世，本區(qū)開始沉降，古老風(fēng)化面上的鐵鋁物質(zhì)受水動(dòng)力搬運(yùn)沉積，為梁山組的鐵鋁層準(zhǔn)備了物質(zhì)基礎(chǔ)[10]。

4.2 古氣候

梁山組地層頂部普遍發(fā)育薄層劣質(zhì)煤線，含蜓類、腕足類、瓣鰓類及植物化石[11-12]。根據(jù)含礦地層中動(dòng)植物化石組合特征、煤層發(fā)育等情況，區(qū)內(nèi)成礦時(shí)期為濕溫—熱濕氣候，該氣候適于植物繁衍，泥炭沼澤發(fā)育，為高嶺石沉積成礦提供了適宜場(chǎng)所[13]。同時(shí)在濕溫—熱濕氣候條件下，有利于基底碳酸鹽巖和鋁硅酸鹽巖的紅土化作用，使殘留下來的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐员栋胙趸?Al2O3、Fe2O3)、水云母、高嶺石為主的粘土礦物，并加快古陸區(qū)風(fēng)化剝蝕，為高嶺石生成提供了充足的物質(zhì)來源。

4.3 沉積環(huán)境及水介質(zhì)條件

早二疊世棲霞早期，阜川地區(qū)遭受海侵，沉積了梁山組的炭質(zhì)頁巖、粉砂巖及劣質(zhì)煤。巖性為薄—中層狀，具根土巖，含腕足類、介形蟲、瓣鰓類、腹足類、紡錘蟲及植物化石。根據(jù)巖性、構(gòu)造及所含化石，表明沉積環(huán)境為濱岸沼澤環(huán)境[14](圖6)?？傮w來看，沉積環(huán)境決定了高嶺土礦充填的規(guī)模。

圖6 梁山組濱海沼澤沉積環(huán)境示意圖

礦區(qū)下志留統(tǒng)羅惹坪組為一套富含黃鐵礦的頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，黃鐵礦能夠?yàn)楦邘X土形成提供酸性介質(zhì)的物源供給[15]。當(dāng)攜帶古陸區(qū)風(fēng)化剝蝕物質(zhì)—黃鐵礦、粘土質(zhì)礦物的水流到達(dá)濱海后，隨著水動(dòng)力作用的減弱，粘土礦物類碎屑會(huì)漸漸沉積下來，當(dāng)靜水期水位下降，這些物質(zhì)暴露于空氣中氧化，粘土礦物轉(zhuǎn)化為高嶺土，同時(shí)富含有機(jī)質(zhì)的植物在沼澤環(huán)境下形成劣質(zhì)煤層。除機(jī)械沉積作用外，有相當(dāng)一部分高嶺土是化學(xué)沉積作用形成的[16]。在成煤期，化學(xué)風(fēng)化物SiO2和Al2O3在富含有機(jī)酸的水介質(zhì)攜帶下搬運(yùn)到海陸交互之間的濱岸地帶(地球化學(xué)障)，以膠式凝聚方式沉淀，膠體沉積物在成巖過程中重結(jié)晶形成高嶺石。礦區(qū)高嶺土均形成于煤層下部，為高嶺土礦層提供了天然的阻隔保護(hù)層。煤中的腐植酸為高嶺土礦的穩(wěn)定保存形成提供了必須的酸性環(huán)境。

4.4 成巖后生作用

風(fēng)化淋濾作用是使高嶺土變白和質(zhì)量變好的重要原因。風(fēng)化淋濾的強(qiáng)度不同，表現(xiàn)于礦體中礦石質(zhì)量的優(yōu)劣。礦區(qū)煤層下部一般為硬質(zhì)高嶺土，底部為軟質(zhì)高嶺土夾泥巖，硬質(zhì)高嶺土顏色較白，Al2O3明顯高于軟質(zhì)高嶺土層。這是由于硬質(zhì)高嶺土更靠近地表，遭受風(fēng)化淋濾作用更強(qiáng)，致使巖石中易溶組分(S、CaO、MgO、K2O、Na2O等)被地表水帶走，巖石中的Al2O3得到進(jìn)一步富集。

5 結(jié)論

(1)阜川高嶺土礦賦存于下志留統(tǒng)泥質(zhì)碎屑巖不整合面上的下二疊統(tǒng)梁山組地層中，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，礦體規(guī)模大、形態(tài)穩(wěn)定，覆蓋層較薄。礦石分為硬質(zhì)高嶺土、軟質(zhì)高嶺土兩種自然類型，礦體頂?shù)装褰缇€清晰。

(2)阜川高嶺土礦硬質(zhì)和軟質(zhì)高嶺土礦石均表現(xiàn)出有害組分Fe2O3+TiO2含量偏高，遠(yuǎn)大于一般工業(yè)指標(biāo)要求的特點(diǎn)。軟質(zhì)高嶺土被當(dāng)用作日用陶瓷和建材陶瓷原料，硬質(zhì)高嶺土被用作耐火材料等低端用途，限制了該礦床的開發(fā)。建議今后加強(qiáng)礦石深加工選礦試驗(yàn)研究，以期能夠提高應(yīng)用價(jià)值。

(3)區(qū)內(nèi)高嶺土礦的形成受古構(gòu)造、古氣候、沉積環(huán)境及水介質(zhì)條件、成巖后生作用等諸多因素的控制，成因類型為古風(fēng)化殼沉積型。