張航飛,竹合林,鐘強(qiáng)生,梁成,郭文彥

1)四川省第七地質(zhì)大隊(duì),四川樂山,614000;2) 張金元?jiǎng)谀?chuàng)新工作室,四川樂山,614000

連續(xù)玄武巖纖維被國家作為應(yīng)用示范的關(guān)鍵戰(zhàn)略新材料(梁成等,2023),玄武巖纖維大型規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化和高性能化技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用將是玄武巖的材料重點(diǎn)發(fā)展方向,同時(shí)其也是四川省新材料產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)攻關(guān)方向。玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)受到樂山市的高度重視,《樂山市人民政府研究玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作會(huì)議紀(jì)要》(樂府議[2020]51號(hào))提出,要把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì),將我市具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的玄武巖資源轉(zhuǎn)化為有效資本、有效產(chǎn)業(yè),加快形成新的產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)。在“十四五”礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃中,要求在玄武巖礦產(chǎn)規(guī)劃上以連續(xù)纖維為主和建材骨料為鋪。目前,國內(nèi)外并未制定有關(guān)連續(xù)纖維用玄武巖礦產(chǎn)的地質(zhì)勘查規(guī)范和評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)針對(duì)作為支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的纖維用玄武巖原礦的相關(guān)研究工作開展較少,礦源保障與產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成矛盾(張劍等,2019)。

2022年,四川省第七地質(zhì)大隊(duì)在四川沐川地區(qū)率先實(shí)施了纖維用玄武巖礦權(quán)地質(zhì)勘查項(xiàng)目,該項(xiàng)目采取野外露頭調(diào)查、鉆探工程及采樣測(cè)試分析等手段,并從玄武巖的化學(xué)成分、礦石組構(gòu)和拉絲工藝3個(gè)方面開展了纖維用玄武巖的評(píng)價(jià)工作,并在峨眉山玄武巖組(P2-3e)中—上部發(fā)現(xiàn)了至少3個(gè)纖維用玄武巖礦體。

1 礦體地質(zhì)

施工的10個(gè)鉆孔揭示研究區(qū)內(nèi)峨眉山玄武巖組(P2-3e)中—上部主要為一套以似熔巖為主的陸相噴發(fā)的玄武巖,屬陸相裂谷裂隙噴溢的產(chǎn)物,自下而上的常見巖石類型排列順序?yàn)榛鹕浇堑[巖→致密狀(斑狀)玄武巖→(含)杏仁狀玄武巖→(玄武質(zhì))凝灰?guī)r。玄武巖礦層走向延伸大于1000 m,產(chǎn)狀與上覆地層宣威組(P3x)基本一致,傾向204°～210°,傾角21°～24°,呈層狀、似層狀產(chǎn)出。礦體形態(tài)、產(chǎn)狀受層位控制,且連續(xù)性較好。在玄武巖層中可圈定纖維用玄武巖礦體至少3層(鉆孔未揭露完峨眉山玄武巖組,部分鉆孔揭露到第4層礦體),礦層露頭線長(zhǎng)度為約1500～1800 m,單層真厚度為38.6～45.8 m。

2 研究結(jié)果

在研究區(qū)鉆孔巖芯中采集11件玄武巖樣品,均為全段組合樣,巖石類型包括致密塊狀玄武巖和(含)杏仁狀玄武巖(圖1a—圖1c)。拉絲試驗(yàn)結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)6件致密塊狀玄武巖樣均可連續(xù)拉絲成功,5件(含)杏仁狀玄武巖有1件拉絲失敗(圖1d—圖1f)。

圖1 沐川地區(qū)峨眉山組玄武巖(P2-3e)拉絲試樣礦石顆粒和玄武巖纖維

對(duì)比相關(guān)學(xué)者的研究成果中提供的纖維用玄武巖生產(chǎn)合格值指標(biāo)(表1),研究區(qū)連續(xù)拉絲成功玄武巖樣品的各項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)符合制備纖維用玄武巖礦石的標(biāo)準(zhǔn),除樣品的TiO2含量略高(一般>4%),但與貴州赫章地區(qū)成功連續(xù)拉絲的峨眉山高鈦玄武巖樣品的TiO2含量(蘇之良等,2021)接近(表1);連續(xù)拉絲成功玄武巖樣品的酸度系數(shù)(Ma)為4.93～6.31、黏度系數(shù)(Mv)為2.07～2.43、鐵物相比值w(FeO/Fe2O3)為0.81～3.83和(SiO2+Al2O3)含量為61.59%～63.75%,均符合酸度系數(shù)(Ma)最佳值4.2～6.5、黏度系數(shù)(Mv)最佳值2～3、適宜的鐵物相比值w(FeO/Fe2O3)≥0.5和適宜的(SiO2+ Al2O3)含量60%～80%的要求(霍泳霖等,2022);研究區(qū)連續(xù)拉絲失敗的杏仁狀玄武巖樣品的CaO含量(4.2%)明顯低于和酸度系數(shù)(Ma為7.25)明顯高于連續(xù)拉絲成功樣品,同時(shí)也超出表1中CaO含量的范圍值和酸度系數(shù)(Ma)最佳值范圍值。

表1 纖維用玄武巖原料化學(xué)成分匯總表

礦石組構(gòu)上,區(qū)內(nèi)致密塊狀玄武巖(杏仁體含量<2%)主要為拉斑玄武結(jié)構(gòu)或粗玄結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,適用于連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn);(含)杏仁狀玄武巖主要為間隱結(jié)構(gòu)或拉斑玄武結(jié)構(gòu),杏仁狀構(gòu)造或含杏仁狀構(gòu)造,其杏仁體(含量7%～36%)中含有不利于玄武巖纖維生產(chǎn)的成分(石英、方解石和火山玻璃等),直接不利于拉絲作業(yè)和玄武巖纖維質(zhì)量。拉絲試驗(yàn)樣品的CIPW標(biāo)準(zhǔn)礦物結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)玄武巖的斜長(zhǎng)石含量26.89%～42.64%、輝石含量17.56%～28.32%。對(duì)比連續(xù)纖維用玄武巖的礦物組分標(biāo)準(zhǔn)(斜長(zhǎng)石30%～50%、輝石15%～30%)(吳智深等,2016),研究區(qū)玄武巖中長(zhǎng)石和輝石的含量基本滿足連續(xù)纖維用玄武巖礦物組分要求。另外,研究區(qū)連續(xù)拉絲失敗樣品與成功樣品對(duì)比,連續(xù)拉絲失敗樣品出現(xiàn)少量剛玉(含量0.44%)和缺少透輝石,代表其Al過飽和,與其CaO含量較低(4.2%)有關(guān),當(dāng)其Al2O3分別與等量K2O、Na2O、CaO形成正長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石后,其Al2O3仍有剩余,形成剛玉。

拉絲工藝上,4件致密塊狀玄武巖試樣的析晶上限溫度均為1270 ℃,致密塊狀玄武巖樣品無論是在成型溫度低于析晶上限溫度還是成型溫度高于析晶上限溫度(-30～30 ℃)條件下均能成功連續(xù)拉絲;5件(含)杏仁狀玄武試驗(yàn)巖的析晶上限溫度為1300～1320 ℃,其中1件杏仁狀玄武巖樣品在成型溫度(1360 ℃)高于其析晶上限溫度(1310 ℃)條件下仍連續(xù)拉絲失敗(圖1f)。實(shí)際連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)過程中,典型玄武巖纖維生產(chǎn)工藝流程中鉑銠合金漏板的工作溫度一般為1350 ℃,而成型溫度一般要高于析晶上限溫度(40～50 ℃),因此要求玄武巖熔體的最高析晶溫度小于1300 ℃,研究區(qū)只有致密塊狀玄武巖滿足連續(xù)玄武巖纖維的實(shí)際生產(chǎn)要求,析晶上限溫度可作為研究區(qū)連續(xù)纖維用玄武巖原礦石評(píng)價(jià)的參考指標(biāo)之一。

3 結(jié)論

四川沐川地區(qū)鉆孔系統(tǒng)的基本化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)致密塊狀玄武巖的各項(xiàng)化學(xué)成分比較穩(wěn)定,部分(含)杏仁狀玄武巖的CaO含量較低(<5%)、酸度系數(shù)(Ma)過高(>7)和Al過飽和導(dǎo)致其連續(xù)拉絲失敗,同時(shí)其析晶溫度較高,一般>1300 ℃。根據(jù)上述研究成果,建議區(qū)內(nèi)纖維用玄武巖原礦的初步工業(yè)指標(biāo)為:巖石類型為致密塊狀玄武巖、CaO含量5%～12%、酸度系數(shù)(Ma)4.0～6.5和析晶上限溫度≤1300 ℃。

區(qū)內(nèi)峨眉山玄武巖分布廣泛,連續(xù)性強(qiáng),厚度大(>200 m),玄武巖具多個(gè)噴發(fā)旋回、多韻律層的特征也使區(qū)內(nèi)存在多層化學(xué)性質(zhì)相對(duì)較穩(wěn)定的纖維用致密塊狀玄武巖礦層。另外,玄武巖纖維屬綠色高載能產(chǎn)業(yè),其能源成本占綜合成本1/3以上,以生產(chǎn)9～25 μm原絲為例,能源成本超過3000元/t。研究區(qū)致密塊狀玄武巖的析晶溫度較低,其成型溫度可設(shè)計(jì)為高于1300 ℃,同時(shí)樂山市水電資源豐富、載能負(fù)荷集中和能源優(yōu)勢(shì)突出,培育發(fā)展玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)具有相對(duì)能耗優(yōu)勢(shì)。

本次工作的研究成果有利于拓展區(qū)內(nèi)玄武巖礦資源的綜合利用和纖維用玄武巖的評(píng)價(jià)工作。下一步區(qū)內(nèi)可針對(duì)優(yōu)質(zhì)的致密塊狀峨眉山玄武巖開展選礦試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等工作。

注釋/References

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