苏皖凹凸棒石黏土成矿带西北区成矿特征分析

郑瑜，姜芹芹，钱峰，李小明，吴进飞，沈培友

(1淮安市地质矿产勘查院， 江苏淮安 223001；2盱眙县国土资源局， 江苏淮安 211700；3 江苏圣一纳米科技有限公司， 江苏淮安 211700）

0 引言

苏皖地区凹凸棒石黏土矿勘查开发始于1979年，累计查明凹凸棒石黏土矿资源储量近5×108t，其中优质矿资源储量达6700×104t[5]。长期以来，该地区以往的凹凸棒石黏土勘查研究工作主要集中于江苏盱眙的东南部，地质勘探程度达详查的矿床有7处，分布于雍小山、白虎山、黄泥山、牛头山、高家洼-梁家洼、猪咀山、龙王山矿床（图1），查明的矿石资源储量2247.45×104t，占全国资源储量的70%以上[2]。

苏皖凹凸棒石黏土成矿带西北区资源勘查研究较为薄弱，江苏省地质调查研究院于2012年首次在该成矿带西北区（裂山矿区、花果山矿区）开展了地质预查工作，并初步评价凹凸棒石黏土的成矿有利区。在随后的地质普查工作中，在研究区共施工4口勘查孔，均钻穿矿层，采集各类样品41件，探求333类型混合黏土矿资源量511.58×104t，研究区仅探得少量凹凸棒石黏土[1]。本文对该地区凹凸棒石黏土成矿环境进行了研究，以期能为苏皖凹凸棒石黏土成矿带西北区的进一步勘查与开发工作提供有效的依据。

1 地质背景

研究区位于苏皖凹凸棒石黏土成矿带的西北边缘，地层划属于扬子地层区，跨下扬子地层分区盱眙—滁县地层小区与苏北地层分区高邮地层小区[1，3～4]。出露的地层有中元古代、新元古代、新生代地层[1，3-4]（表1）。

图1 凹凸棒石黏土成矿带区域地质略图Fig.1 Regional geology sketch of attapulgite clay mineralization belt

表1 地层简表[1,3～4]Table1 Stratigraphic chart

区内构造位于中国东部新华夏系第二隆起带与秦岭纬向构造带复合形成的苏北凹陷西部边缘；郯庐断裂带位于本区之西约20km；苏皖北西向基性岩喷发带斜贯全区[1，3～4]。区内构造是由北北东向的基底断裂及其所控制的隆起和凹陷带构成[1，3～4]。

本区断裂构造发育，主要有北北东向、北西向和近东西向三组断裂[1，3～4]（图2）。

1.1 北北东向断裂

图2 区域构造图Fig.2 Regional structures

形成于印支期—燕山早期[1，3～4]，总体呈10°～20°走向，其规模大、延伸长。包括盱眙县城—大孙郢断裂、王相庄—桂五断裂、龙王山—古城断裂、穆店—王店断裂。

1.2 近东西向断裂

形成于印支期—燕山早期[1，3-4]，磨盘山—官田、天明化工厂—穆店断裂带在航片上东西向线状及纹形发育，并有近东西向重力梯度带，都反映了近东西向断裂的存在。

1.3 北西向断裂

根据物探资料推测[1，3-4]，老军山—莲塘、天明化工厂—史营等断裂切割北东向断裂，是控制基性岩喷发带的构造。在航磁平面图上玄武岩分布区为北西向杂乱异常带，遥感资料也证实这两条深大断裂存在。

综上所述，区内北北东向、近东西向断裂形成于印支期—燕山早期，北西向断裂形成时代较晚，切割区内其他构造，控制新近纪以来沉积和岩浆活动。

2 矿床地质特征

2.1 矿体特征

研究区矿层赋存于新近纪中新世下草湾组中，呈层状-似层状，局部透镜状，产状与地层基本一致[1，3～4]。该矿层南北长约800m，东西宽约600m。赋存标高为33.35～60.30m，单矿层厚1.0～6.38m。Ⅴ2矿体为混合黏土矿，ZK301、ZK001、ZK003、ZK203均见矿，赋存标高为44.97～60.30m，厚度3.50～5.31m，平均厚4.51m；Ⅴ1矿体为混合黏土矿， ZK301、ZK003、ZK203见矿，ZK001缺失，赋存标高为35.31～45.37m，厚度1.72～6.38m，平均厚3.98m（图3）。

图3 研究区地质剖面示意图Fig.3 Geological profile of the study area

2.2 矿石类型及成分

凹凸棒石一般呈灰—灰白色、淡灰绿色或微带暗红色，油脂光泽，比重1.06～1.38，摩氏硬度3级。潮湿时不易分散，黏性大，具可塑性，一般为可塑—硬塑。干燥时收缩小，不易产生龟裂。比表面积496～694，吸水性强。凹凸棒石是含水的链层状富镁的硅酸盐黏土矿物，其理论化学式为：Mg5（H2O）4[Si4O10]2（OH）2，化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主。该矿区凹凸棒石黏土经X衍射分析，主要矿物含量有石英20%～25%，凹凸棒石50%～55%，蒙脱石25%～30%（图4）。

图4 凹凸棒石X衍射图像Fig.4 X-ray diffraction image of attapulgite

混合黏土为灰—灰白色、青灰色，呈致密土块状、松散土状，肥皂状光泽，比重一般1.3～2.08。主要矿物为蒙脱石，次要矿物有凹凸棒石、白云石、方解石、石英、长石等，少量矿物为水云母、绿泥石、高岭石、伊利石等。该矿区混合黏土经X衍射分析，主要矿物含量有石英20%～25%，凹凸棒石15%～20%，白云石＜10%，水云母5%～10%，蒙脱石40%～45%（图5）。

图5 混合黏土X衍射图像Fig.5 X-ray diffraction image of mixed clay

3 矿床成因

3.1 古地理环境特征

区域地质资料表明[1，3～4，7]，苏皖凹凸棒石成矿带地区中-上新世曾发生过两次规模较大的火山喷发活动，形成了两套以火成岩为主的岩系，在火山喷发间隙期，区内形成了许多以火成岩为基地的湖泊盆地，中新世下草湾期除了佛窝隆起带外，几乎全是沉积区，并形成了河桥—兴隆（西侧）和穆店—莲塘（东侧）两个中心区沉积。参照目前各处凹凸棒石黏土矿床分布特点，可以推测当时分布一群封闭性湖泊盆地，如：雍小山盆地、花果山盆地、高家洼盆地、黄泥山-猪咀山盆地等[1，3-4]。裂山矿区属河桥—兴隆沉积区，推测位于花果山盆地内（图6）。

图6 苏皖地区新生代中新世下草湾期古地理略图Fig.6 Paleogeographic map of the area across Jiangsu and Anhui Provinces during the lower Caowan period of the Miocene of the Cenozoic

3.2 沉积环境特征

研究区内黏土矿物是湖盆沉积物演变而成的[7～8]，沉积岩以黏土岩为主，其次为粉砂岩，岩石中粉砂含量约40%，黏土矿物约60%，粉砂次棱角状-次圆状，颗粒直径小于0.06mm，粒级为粗-细粉砂，以粗粉砂为主，碎屑成分为石英。研究区形成2个含矿层，Ⅴ1矿厚度1.72～6.38m，平均厚3.98m；Ⅴ2矿层厚度3.50～5.31m，平均厚4.51m，中间夹层为4m左右的蒙脱石黏土（泥岩）。从颗粒的磨圆度及沉积形成的微层理反映出当时的沉积过程：在火山活动的间歇期，玄武岩遭受风化而崩解或黏土化，其间歇期较长，发育成较厚的风化壳[8]。这些风化产物被流水搬运至湖盆地中残积起来，形成了泥岩，与下一次火山活动初期的火山碎屑沉积在一起，构成了泥岩沉积夹层（图7，8）。

图7 黏土矿物薄片鉴定图像Fig.7 Identification image of thin section of clay minerals

研究区内对黏土矿物进行pH值进行了测定，凹凸棒石黏土pH值为8.3～9.2，平均8.65；混合黏土pH值为8.4～8.7，平均8.53；蒙脱石黏土（夹层）pH值为7.2～8.1，平均7.56。由上述分析可以看出，凹土棒石黏土、混合黏土pH值较高，而蒙脱石黏土（夹层）pH值较低。由此看出，凹凸棒石黏土是在碱性的介质条件下所形成的，当时湖盆地内水介质酸碱度（pH）值的高低直接影响到矿物组合及转化，pH值增高更有利于形成凹凸棒石。

研究区内黏土矿物的微量元素Sr/Ba值可以得出当时形成凹凸棒石的水环境为淡水，属内陆湖盆沉积（表2）。

3.3 成因机制分析

根据前人的研究成果与本次工作的实验结论系统分析可推断[10，16～17]，中-上新世火山喷发间隙期，区内形成以玄武岩为基地的湖泊盆地，大量的玄武岩风化产物形成于湖盆地，湖水pH值提升至8～10[11]，在碱性水体中，火山碎屑或玄武岩化学成份（Si、Mg、Al）在水体中被分解出来，溶解于湖盆中[12]。当水体中阳离子（Mg2+、Al3+）含量增加，SiO2溶解度降低，产生氧化硅和氧化铝溶胶[9]，在与Mg2+参与下，当SiO2、Al2O3分子比达4～5时，开始形成蒙脱石，水体中Al3+浓度逐渐降低，随着介质中Mg2+不断增加，不稳定蒙脱石矿物从而转化为凹凸棒石[10，16～17]。

表2 黏土矿物Sr/Ba值换算盐度对比表Table 2 Comparison of Sr/Ba equivalent salinity of clay minerals

本次工作实验成果分析（表3），研究区硅酸盐结果显示凹凸棒石、玄武岩均含有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO等，玄武岩化学成分SiO2、Al2O3、MgO含量丰富，是形成凹凸棒石的主要物质来源。

4 矿物物性差异

研究区矿石的物理性质为：凹凸棒石吸蓝量32.5mmol/100g土，原土脱色力74.3，4%HCl活化后脱色力202.0，造浆率6.9m3/t，pH值为8.3。混合黏土吸蓝量26.39～55.0mmol/100g，平均44.97 mmol/100g；原土脱色力37.06～44.08，平均41.79；4%HCl活化后脱色力150.0～204.0，平均169.12（表4）。

凹凸棒石黏土主要矿物含量有石英20%～25%，凹凸棒石50%～55%，蒙脱石25%～30%。混合黏土主要矿物含量有石英20%～25%，凹凸棒石15%～20%，白云石＜10%，水云母5%～10%，蒙脱石40%～45%。通过对比发现，混合黏土含凹凸棒石矿物较少，蒙脱石矿物含量较多，其脱色力也较低（图8）。

5 结论

表3 硅酸盐分析结果表Table 3 Results of silicate analysis

表4 物理性质测试结果表Table 4 Analysis of physical properties

通过以上分析研究可以得出以下几点认识：

（1）苏皖凹凸棒石成矿带西北区属河桥—兴隆沉积区，推测应在花果山盆地内，该矿床属内陆湖盆沉积矿床，矿层赋存于新近纪中新世下草湾组中，呈层状-似层状，局部透镜状，产状与地层基本一致。矿层南北长约800m，东西宽约600m，赋存标高为33.35～60.30m，单矿层厚1.0～6.38m。

（2）凹凸棒石黏土是在碱性的介质条件下所形成的，pH值增高有利于蒙脱石向凹凸棒石转化。研究区内黏土矿物的微量元素Sr/Ba值可以得出当时形成凹凸棒石的水环境为淡水，属内陆湖盆沉积。据硅酸盐分析结果显示，玄武岩化学成分SiO2、Al2O3、MgO含量丰富，是形成凹凸棒石的主要物质来源。

（3）根据X衍射分析，凹凸棒石黏土其凹凸棒石含量大于50%；混合黏土含凹凸棒石矿物较少，蒙脱石矿物较多。在中新世下草湾期，湖盆地内混合黏土中只有少量的蒙脱石矿物转化为凹凸棒石矿物，从而造成了研究区内凹凸棒石黏土矿较少。