陕南黑木林纤维水镁石矿地质特征及应用前景浅析

崔义发

中化地质矿山总局陕西地质勘查院，陕西汉中，723000

陕南黑木林纤维水镁石矿地质特征及应用前景浅析

崔义发*

中化地质矿山总局陕西地质勘查院，陕西汉中，723000

黑木林纤维水镁石矿是目前全球范围内已知的最大纤维水镁石矿床，赋存于加里东期侵入的超基性岩——斜方辉石橄榄岩中，该岩体已完全蛇纹岩化。矿体平均厚度约400m，长2400m，平面形态呈一长的透镜状。纤维水镁石平均品位4.322%。纤维水镁石是水镁石的变种矿物。纤维水镁石矿物呈纤维状或片状集合体，成分接近于水镁石理论值。属三方晶系，晶体结构属层状。成分中的Mg2+部分被Fe2+、Mn2+、Zn2+及Ni2+类质同象替代，形成变种矿物富镍水镁石、镍锌水镁石和铁水镁石。目前水镁石主要应用于提取Mg和MgO原料、重烧镁砂、增强和补强材料、造纸填料及阻燃材料等工业领域，尤其是在生产氢氧化镁阻燃剂方面前景广阔，国内研究与国际水平接近。开发具有高附加值的氢氧化镁阻燃剂产品，是本纤维水镁石矿优先发展方向。

陕南 纤维水镁石矿床 地质特征 应用前景

陕西省宁强县黑木林纤维水镁石矿是全球范围内已知的最大的特大型纤维水镁石矿床。2006年笔者有幸主持了该矿山的资源储量核查检测工作。现将矿区的情况介绍于后，与同行交流。

1 矿区地质概况

黑木林纤维水镁石矿位于秦岭褶皱系摩天岭加里东褶皱带陈家山-茶店复背斜中段黑木林倒转向斜北翼。岩浆活动、变质作用剧烈，褶皱、断裂较发育。出露地层为元古界（图1）。矿床赋存于稍晚侵入的斜方辉石橄榄岩（GO）中，斜方辉石橄榄岩经后期蚀变已全部蛇纹岩化。

矿区内总体构造线方向为北东东向至南西西向。

1.1 地层

古元古界东房沟组：主要岩性为绿色片岩夹少量碳酸岩（S-q），分布于矿区北西部。

新元古界震旦系灯影组：为矿区主要出露地层，产状330～350°∠60～80°，倒转。下部为深灰色、灰白色石灰岩（S-l），具细中粒结构，厚层至块层状构造，受火山岩影响，已全部滑石化、白云岩化及硅化；中部为灰色泥钙质硅质板岩（S-T）夹厚层灰岩（S-l）；上部为浅灰色至深灰色硅质及白云质灰岩（S-l）。

1.2 构造

矿区构造为北西倾斜的单斜，为黑木林倒转向斜北翼的组成部分。

成矿前走向逆断层：分布于矿区南部，沿寺基坝河北侧呈北东东-到南西西向展布，在矿区西部断层带中有断层角砾岩出现，并使西部板岩逐渐变簿，断层面产状北北西，倾角30～45°。

成矿后无明显断裂构造，但蛇纹岩体内节理较发育，部分节理在成矿前已形成，给后期酸性热液打开通道，为成矿创造了有利条件，蛇纹岩体内主要节理有如下五组：290～345°∠40～60°；45～85°∠20～48°；20°∠70°；0°∠20°；270°∠75～77°。其中以倾向北、北西向两组最发育，矿脉生成最多。

图1 矿区地质略图Fig.1 Geological scheme of the ore district

1.1 岩浆岩

侵入岩主要为加里东期斜方辉石橄榄岩（GO），位于矿区中部，围岩为滑石碳酸岩、板岩、片岩，呈侵入接触。呈狭长的条带状，沿南西西—北东东向延伸，倾向北北西，倾角60～70°，由于超基性岩本身自变质及后期酸性热液作用，已全部蛇纹石化，形成叶蛇纹石、纤维蛇纹石、绿泥石、绿帘石等次生矿物，在部分蛇纹岩中仍保留有辉石假象——绢石，蛇纹岩中含微量的磁铁矿、黄铁矿、铬铁矿、硅黄铁矿、镍黄铁矿、铜镍矿等。蛇纹岩可分为黄绿色—暗绿色致密块状蛇纹岩和淡黄绿色破碎片状蛇纹岩。前者分布于蛇纹岩体上部，主要成分除叶蛇纹石外尚含大量纤维蛇纹石，石棉脉和纤维水镁石均分布于此种蛇纹岩节理裂隙内；后者零星分布于蛇纹岩体下盘，主要为叶蛇纹石组成，其中石棉及纤维水镁石极为少见。次生蚀变主要有绢云母化、高岭土化、绿帘石化、碳酸盐化。

后期侵入岩主要为黑云煌斑岩（γω），呈岩脉状侵入于超基性岩体内。

火山岩主要为古元古界中酸性凝灰岩，变质后即为绿色片岩。

2 矿床地质特征

2.1 矿床特征

含矿岩系为超基性侵入体斜方辉石橄榄岩，现已完全蛇纹石化，形成蛇纹岩（GO），分布于杏树湾--长梁一带，平均厚度约400m，长2400m，平面形态呈一长的透镜状，与围岩接触不够平直，岩体西端及上盘时有分枝现象，上盘与滑石碳酸盐接触，下盘主要与板岩及滑石碳酸盐接触，在岩体内部时有滑石碳酸盐及板岩捕掳体出现，岩体中部有一条后期侵入的黑云母煌斑岩脉。

矿体在蛇纹岩体内呈一巨大的凸透镜体状，其产状与蛇纹岩一致，矿体平均倾向347°，倾角60～70°。矿体总长度2400m，平均厚度约200m，最大厚度350m，最小厚度20m；矿体地表出露最高标高1453.7m，最低高标高1020m；矿体平均下延深度250m。矿床平均品位（指含矿率，为有用矿物百分含量，后同）4.322%，单矿体最低平均品位2.016%，最高平均品位4.906%。

经估算【1】，纤维水镁石矿物总资源储量为786万t（矿石量19196万t），全矿区纤维水镁石平均品位4.322%。其中经20余年开采消耗矿物资源量约22万t（矿石量733万t），现保有资源储量760余万t（矿石量18463万t）。蛇纹石石棉资源储量占总资源储量的7.4%，混合矿资源储量占总资源储量的12.7%，纤维水镁石矿资源储量占总资源储量的79.9%。

陕南石棉矿最终勘探报告根据矿石化学成分将矿区石棉划分为蛇纹石石棉和纤维纤维水镁石石棉两类【2】，后者经矿山立项研究，其化学成分接近于纤维水镁石矿理论值，故改称为纤维水镁石【3】。蛇纹石石棉分布于矿床中上部，纤维水镁石分布于矿床的中下部，二者无明显的分界，呈渐变过渡关系，在过渡带内蛇纹石石棉和纤维水镁石共生，故按上述规律将矿石分为蛇纹石石棉，混合矿石和纤维水镁石矿石三种类型。

根据空间分布，矿床共圈出3个蛇纹石石棉矿体，2个混合矿体，2个纤维水镁石矿体。各矿体之间大部分直接接触，在杏树湾一带沿北东向有一狭长的后期黑云母煌斑岩脉（γω）侵入，将混合矿体分割成两部分。各矿体多呈似层状及透镜状，并延同一方向平行排列。

2.2 矿体特征

蛇纹石石棉矿体：位于矿床中上部，主要由3个不相连的呈北东向展布的矿体组成，呈透镜体状，倾向327～340°，倾角61～68°。矿体长200～1000m，厚度25～89m；厚度变化系数45.6%；向深部逐渐变薄至尖灭，平均延深深度为64～183m。矿体平均品位为2.686%～3.555%，品位变化系数65%～75%。

混合矿体：位于矿床中上部，呈透镜体状，倾向330～331°，倾角61～65°。为蛇纹石石棉矿体与纤维水镁石矿体之间的过渡类型，中部被后期侵入的黑云母煌斑岩脉分割为两个矿体；矿体长630～800m，厚度41～80m；厚度变化系数47%～50%；向深部逐渐变薄至尖灭，平均延深深度为196～254m。矿体平均品位为3.937%～4.906%，品位变化系数55%～57%。

纤维水镁石矿体：位于矿床下盘，工程控制最大深度450m。为矿床的主体，跨杏树湾矿段和长梁矿段，为一连续的巨大的透镜体，倾向336°，倾角70°。上盘在长梁矿段与滑石碳酸岩和蛇纹岩接触（图2），在杏树湾矿段与混合矿体接触；下盘在杏树湾矿段主要与滑石碳酸岩接触，在长梁矿段与蛇纹岩接触；沿走向延长2400m（东边出图未勘探），平均厚171m，杏树湾矿段平均厚142.63m，长梁矿段平均厚200m；工程控制最大深度至825m标高，但仍未打穿矿体下盘。平均延深深度为280m。矿体平均品位为4.322%，其中长梁矿段平均品位为4.157%，杏树湾矿段平均品位为4.537%，品位变化系数约40%。

图2 黑木林纤维水镁石矿Ⅶ勘探线剖面图Fig.2 Ⅶ exploration line section of nemalite deposit of Hemulin

另在矿床北西部圈出一纤维水镁石矿体，呈小扁豆体状，倾向335°，倾角70°。上盘与蛇纹岩接触，下盘与蛇纹石石棉矿体接触；沿走向延长300m，平均厚23m；平均延深深度为94m。平均品位为3.529%。

混合矿体和纤维水镁石矿体平均风化带深度为15m。蛇纹石石棉矿体无风化带。

3 矿石质量特征

3.1 矿石类型

根据化学成分（表1）、矿物含量、纤维与脉壁的关系将本矿区有用组分划分为纤维水镁石和蛇纹石石棉两类。纤维水镁石矿物顺着裂隙生长，纤维相互平行排列，并与脉壁平行。蛇纹石石棉矿物垂直裂隙生长，纤维相互平行排列，与脉壁成直角。

表1 矿石化学成分表（%）Table 1 Chemical component of the ore

3.2 矿物特征

蛇纹石石棉：为含结晶水的镁硅酸盐，化学分子式：H4Mg3Si2O9，单矿物化学组成:SiO244.1%，MgO 43.0%，H2O 12.9%。纤维相互平行排列，与脉壁成直角，纤维束呈深浅不一的黄绿色，纤维被分离后均呈纯白色。棉脉一般宽1～6mm；纤维一般长0.7～5mm,少数达12mm。矿区内数量很少，约占7.4%。

纤维水镁石：水镁石（Brucite）以美国矿物学家A.布鲁斯（Archibald Bruce）的姓氏作为英文命名，又称“氢氧镁石”，化学分子式：Mg（OH）2，单矿物化学组成: MgO 69.12%, H2O 30.88%。纤维水镁石（Nemalite）是水镁石的纤维状变种。属三方晶系，晶体结构属层状。晶体结构表现为（OH）-成六方最紧密堆积,Mg2+占据相邻二（OH）-层之间的八面体空隙，但一层满一层空地交替分布，从而形成夹心饼干式的（OH）-Mg-（OH）八面体层，即所谓的水镁石层。结构层内属离子键，结构层间以相维系。成分中的Mg2+可部分被Fe2+、Mn2+、Zn2+及Ni2+类质同象替代。

常呈纤维状或片状集合体，含硅极低，成分接近于水镁石理论值。纤维几乎与脉壁平行，纤维之间相互平行构成极紧密的板状；纤维束呈浅绿色，具丝绢光泽和玻璃光泽，纤维被分离后均呈纯白色。脉一般宽2～30mm个别超过100mm；纤维一般长5～300mm,最长可达2000mm以上。为矿区主要矿石类型，约占79.9%。

矿区亦存在少量的水镁石的新成分变种，即富镍水镁石、镍锌水镁石和铁水镁石【4】，其中铁水镁石中总铁含量超过Ford划定的上限，更多的Fe2＋代替Mg2＋进入水镁石晶格，表明Mg（OH）2-Fe（OH）2为连续类质同象系列；高镍水镁石的出现表明Mg（OH）2-Ni（OH）2类质同象系列的存在，且高镍水镁石比一般水镁石稳定性更高。

另外，二者之过渡类型称为“混合矿体”，纤维与脉壁斜交，两种矿物均有，其特点介于上二者之间，矿区内数量较少，约占12.7%。

3.3 物理性能

纤维水镁石抗拉强度一般为892.4～1283.7 MPa，纯度较高的900～905MPa，属中等强度纤维材料。弹性模量13800MPa，有一定脆性。

耐酸碱性：将纤维水镁石放入KOH 20%的碱溶液中，不溶物为97.97%，耐碱性很强；放入HCl 15%的酸溶液中，不溶物为15.6%～59.85%，不溶物越少纯度越高，总体耐酸性弱。纤维状水镁石因溶于酸，人体内可以化解而不致影响健康，故可作石棉的代用品。

耐热性：加热到300℃时，失去吸附水，350℃变化极微，400℃时，高温水开始排出，450～500℃时，高温水大量排出，当大于500℃时，排除残余高温水（结构水），完全丧失纤维的坚固性。纤维水镁石可靠使用温度为400℃，最高耐热温度为450℃，极限稳定温度为500℃。

3.4 伴生有益组分

本矿区的伴生有益组分是蛇纹石，是含镁较高的矿物，其单样化学分析结果（%）为：SiO2：38.35，MgO：42.67，Al2O3：0.32，Fe2O3：5.86，FeO：1.30，CaO：0，Cu：0.027，Ni ：0.17， TiO2：0，H2O-：1.35，H2O+：15.5【2】。组合分析样化学分析结果见表2。从中看出，其化学成分较单纯，波动范围不大，质量稳定。根据制造钙镁磷肥和硅酸镁耐火砖对蛇纹石的技术要求，本矿区蛇纹岩矿石可以作为制造钙镁磷肥及镁橄榄砖的原料，也可以提取金属镁。

表2 蛇纹岩组合化学简分析结果表（%）Table 2 Chemic analysis compounding results of serpentinite

4 矿床成因分析

钭方辉石橄榄岩在岩浆期后自变质作用、热变质作用（煌斑岩侵入）下，热液溶解富镁超基性岩中的镁质，使其蛇纹石化、硅化和水化，进而在裂隙中结晶充填成矿。水镁石呈纵纤维生长，细脉状分布于蛇纹岩脉体中。属超基性岩建造热液交代型纤维状水镁石矿床。

5 应用前景

5.1 国内水镁石应用现状

（1）提取Mg和MgO原料：以水镁石提取Mg和MgO，矿石中的MgO含量高，杂质少；分解温度低；加热时产生的挥发分无毒无害，因而可从水镁石中提取Mg和MgO等产品，对环境影响小。

（2）重烧镁砂：主要用于生产镁质耐火材料。现代钢铁工业大量需用镁碳砖、镁铬砖等。这类MgO用量已超过其产量的一半。由水镁石制得的重烧镁砂具有高密度（＞3.55g/cm3）、高耐火度（＞2800℃）、高化学惰性和高热震稳定性等优点。

（3）增强和补强材料：由于纤维状水镁石较硬，在浆液中容易弥散，针状纤维束遇水浸湿后易松解，不易起团，比其他纤维松解后体积膨胀大，是一种优良的增强和补强材料。纤维状水镁石目前主要用于生产微孔硅酸钙及硅钙板等中档保温材料及硅酸盐水泥混凝土。用本矿山的低等级纤维水镁石制备的水镁石纤维水泥混凝土已经应用到高速公路建设上【5】，其质量经国家非金属矿制品质量监督检验中心检验，符合设计技术要求。

（4）造纸填料：水镁石白度高，剥片性好，粘着力强，吸水性较差。将其与方解石配合用作造纸填料，可使造纸工艺由酸法改为碱法，并减小浆水的污染。

（5）生产氢氧化镁阻燃剂：阻燃剂是指能使聚合物不容易着火或着火后使其燃烧变慢的一种助剂。以氢氧化铝、氢氧化镁为代表的无机阻燃剂在应用时是依靠化学分解吸热以及释放出水而起阻燃作用的，具有无毒性、抑制发烟以及分解产物（氧化铝、氧化镁）化学性质稳定等特点，因此不产生二次危害。

用水镁石为原料制备的阻燃填料兼具填充和阻燃二重作用，具有以下特点：不含卤，属非卤性阻燃剂；加工温度高（起始分解温度比氢氧化铝高得多，达320℃，氢氧化铝为220℃），因此可适用于加工温度较高的树脂；本身无毒、无味，燃烧时也不产生有毒气体，不腐蚀模具，不产生二次污染，阻燃和消烟性能好。但又存在以下缺点：一是阻燃效率比较低，二是其表面性质决定在有机高聚物中难以均匀地分散。为充分利用前述阻燃优点，克服其缺点就必须要求其粒度更细并进行表面改性处理才能达到良好的分散效果。

使用水镁石矿经过超细粉碎、适当的表面改性处理后，可以制备高档的氢氧化镁阻燃剂。目前这方面的研究国内亦取得积极进展：

水镁石超细粉加工：国内目前已能制取d50＜1μm，d97＜2μm的高档超细氢氧化镁阻燃填料【6】，并能工业化生产。

水镁石表面改性处理：用阴离子类表面活性剂在水镁石的改性效果及工艺方面取得了积极进展，阴离子表面活性剂的来源广泛价格低廉，改性工艺简单，因此是水镁石改性的理想改性剂，用羧酸类和磷酸类活性剂具有很好的改性效果【7】；用钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂对纤维级水镁石粉进行表面改性后做阻燃剂与硼酸等阻燃剂配合使用，亦得到了较为理想的结果【8】，用显微镜分析，可知纤维水镁石粉在LDPE中均匀分散。

5.2 矿山纤维水镁石开发建议

本矿山是一座在世界范围内罕见的特大型纤维水镁石矿床，纯度高，储量大，是一种宝贵的资源，根据矿石的品级合理的开发利用非常重要。现在矿山具有年产4500t纤维水镁石的干式（风选）选矿能力，其产品均为自然分级后出售，产品仅停留在初级阶段，附加值低。同时本矿的副产品蛇纹石（甚至可以说是主要组分）储量巨大，仅纤维水镁石矿体中蛇纹岩储量就达9245.7万m3，其质量完全符合制造钙镁磷肥和硅酸镁耐火砖对蛇纹石的技术要求，但目前开采过程中均未加以利用，当作废石抛弃，反而占据了巨大的尾矿库容，甚为可惜！

根据国内外纤维水镁石应用及研究现状，建议矿山或有识投资者对本矿床纤维水镁石进行深入研究并加大投入，适时的提升纤维水镁石产品的深加工能力、合理的开发利用本纤维水镁石资源。

开发具有高附加值的氢氧化镁阻燃剂产品，是本水镁石矿优先发展方向，具有十分重要的意义和经济价值。目前从国外进口的高档氢氧化镁阻燃剂（由水镁石超细研磨、表面改性后制得）的售价已超过2万元/t。以矿山能生产d50＜1.0μm，d97＜2.0μm的超细水镁石粉为目标，建议矿山和相关科研机构联合申请国家基金项目，争取研发资金支持，对本矿及其副产品蛇纹石综合利用进行专项研究，加快开发本水镁石矿，为国民经济建设服务。

1 崔义发. 陕西省宁强县陕南石棉矿资源储量检测说明书[R] .中化地质矿山总局陕西地质勘查院，陕西省资源储量核查检测汇交资料,2006

2 熊润清. 陕西省宁强县大安黑木林石棉矿最终地质勘探报告[R] . 陕西省地质局大安地质队，1960

3 潘兆橹，万朴，周开灿，等. 陕南黑木林纤维水镁石、蛇纹石及其开发利用研究[R]. 四川建筑材料工业学院（四川绵阳）、陕西省陕南石棉矿（陕西宁强县大安镇）和中国地质大学（武汉）完成的科研报告， [92]陕科鉴字23号.1992.03

4 董发勤，潘兆橹，万朴，等. 纤维水镁石新成分变种的发现及其矿物学意义[J] . 矿物学报，1998，（3）

5 杨育生 ，吕文江，刘开平，等. 水镁石纤维水泥混凝土路面在小康高速公路建设上的应用研究[J]. 公路，2009，（12）

6 郑水林，杜高翔，李杨. 水镁石的湿式超细粉碎试验研究[J]. 矿冶，2004，13（2）：47～51。

7 裴宁. 水镁石的表面改性和表面能的测定（硕士学位论文）[D] . 导师：宋锡瑾. 浙江大学. 2008.08.01

8 王丽秋，李青山，刘莉莉，等. 纤维级氢氧化镁阻燃体系研究[J]. 功能高分子学报，1998，11（3）：351～353

GEOLOGICAL CHARACTERISTICS AND ANALYSIS OF APPLICABLE PROSPECT OF NEMALITE DEPOSIT IN HEIMULIN OF SOUTHERN SHAANXI PROVINCE

Cui Yifa

Shaanxi Geological Prospecting Institute of China Chemical Geological and Mine Bureau，Hanzhong，Shaanxi，723000，China

The Heimulin of southern Shaanxi nemalite mine is currently the largest worldwide known nemalite deposit occurring in the intrusive ultrabasic rock—inclined orthopyroxene in peridotite, which is completely serpentinized. The average thickness of ore body is about 400m and its length is 2400m. The plane form shows a long lens. The average grade of ore body is about 4.322%. The nemalite is variant mineral of brucite. It is a fibrous or flaky aggregate，which is close to theoretic brucite value. It is said to be the trigonal crystal system with layered structure. The Mg2+of component is isomorphism substituted to form variant minerals, such as nickel-rich brucite, nickel-zinc brucite and iron-rich brucite by Fe2+,Mn2+,Zn2+and Ni2+. Now, it is mainly used for abstracting Mg and MgO raw materials, dead-burning magnesium, enhancing and reinforcing materials, paper filling and flame retardant materials and other industrial areas, especially being prosperous in the production of Mg（OH）2flame retardant on which the level of study is close to that of the international. The research of Mg（OH）2flame retardant with highly added value comes to the prior development direction for nemalite.

southern Shaanxi，nemalite deposit，geological characteristics，applicable prospect

P619.239

A

1006–5296（2011）03–0155–06

* 第一作者简介：崔义发（1962～），男，地质专业，高级工程师

2011-03-12；改回日期：2011-07-26