大氵伏潭耐火粘土矿床地质特征及开发应用

张惠军，张祝青，梁惠敏

（湖南省有色地质勘查局二四五队，湖南 吉首 416000）

大洑潭耐火粘土矿位于湖南辰溪县城东南4km处，是一处交通方便、建设条件好的优质中型耐火粘土矿床。

1 区域地质概况

大地构造位置，位于扬子地台与华南褶皱系接合部位的江南地轴西南段，江南地轴雪峰迭隆起的次级构造单元辰溪—黔阳鞍部凹陷。在地层分区上，赋矿层位二叠系属湘西北区雪峰山小区[1]，该岩系沉积建造较为发育，地层出露较齐全。其特点是二叠系与下伏地层之间，上二叠统与下二叠统之间都有明显的沉积间断，成假整合甚至不整合接触，在沉积间断面上多有很薄的含煤碎屑岩层(即梁山组和辰溪组)相隔，而其余地层则几乎全为碳酸盐沉积。大洑潭耐火粘土矿即赋存于梁山组中。该组为一套厚度不大的滨海沼泽相含煤碎屑岩沉积，产植物和腕足类化石，不同于下伏泥盆系海陆交互相碎屑岩，更异于上覆的浅海相碳酸盐岩。

2 矿区地质特征

2.1 地层

矿区出露地层较为简单，由老至新分述如下：

(1) 上石炭统船山组(C3ch)：为灰—灰白色块状细晶灰岩、结晶灰岩及生物灰岩，夹多层灰色石英细砂岩，紫红、灰绿色钙质粉砂岩及泥岩。厚度56m。在灰岩中含大量腕足类、珊瑚及莛科等化石。同上覆二叠系梁山组呈假整合接触。

(2) 下二叠统梁山组(P1l)：由一套细碎屑岩及粘土岩类组成，厚10.2～49.5m。产耐火粘土矿及烟煤。按沉积韵律，大致可分为上、下两段：

梁山组下段(P1l1)：该段厚度及岩性变化较大，为2.74～46.9m，明显受基底地形控制，在沉积基底洼陷处厚度明显增大。岩性下部为灰白色薄—中层状石英砂岩夹炭质页岩，砂岩中偶夹灰黑色硬质粘土，厚0～2m，呈扁豆状，无工业意义。中部自下而上为灰—灰黑色块状硬质粘土(Ⅰ矿层)、煤层、黑色页岩、黑色石英砂岩及粉砂岩等。粘土矿中含砂质及鳞木根状茎等植物化石，局部达工业要求，厚0～4.2m，呈扁豆状，常相变为煤层及炭质页岩或粘土岩，为矿区次要矿层。上部为灰白—白色，中厚层状细粒石英砂岩，以波状水平层理及缟状层理为主，其顶部有一侵蚀间断面，微具波状起伏，有厚0.3～3cm的黄铁矿结核层。本段含鳞木、鳞木根状茎及细羊齿等植物化石。

梁山组上段(P1l2)：下部为耐火粘土矿层(Ⅱ矿层)，由底部硬质粘土、上部高铝粘土组成，在粘土矿层之下偶见黑色砂质页岩及烟煤，产植物化石。中部为炭质页岩、粉砂岩及薄层灰黑色含炭石英砂岩，在炭质页岩中偶夹硬质粘土及鸡窝状劣质烟煤。上部为薄—厚层状、浅灰—灰黑色含炭石英砂岩夹黑色页岩、粉砂岩。顶部为厚2m的厚层状白色细砂岩。本段一般厚10～20m。

(3) 下二叠统栖霞组(P1q)：本组为陆棚开阔浅海相碳酸盐岩，与下伏滨海沼泽相的梁山组区别明显，界线清晰。岩性为灰色薄—中厚层状灰岩、泥质灰岩，含较多燧石团块及条带，层间夹炭泥质物及沥青质。可见厚25m。

(4) 上二叠统茅口组(P2m)：本组亦属开阔台地碳酸盐沉积。岩性为青灰色块状细晶灰岩，含黑色燧石团块及角砾，可见厚约166m。

2.2 构造

矿区位于NWW向曹娘坡倾伏倒转背斜以南，瓦子溪弧形构造北翼向E凸出部位。矿区褶皱构造以碾子石—大洑潭乌鸦山为界，划分为东西两部分。西部为向W倾斜的单斜构造，岩层倾角3～25°，自北而南岩层走向由NNW逐渐转变为NNE；东部则发育一组走向NNE-NE向的平缓开阔型褶皱构造。矿区主要断裂有F1、F2、F3等3条断层，F1为向W倾斜的冲断层，延伸长达数十千米，断距约15～30m，破坏矿体。F2为NNE向断层，延长4 000余米，断距约30m，为高角度冲断层，将矿区分割为东西两部分。F3为NNE向冲断层，倾角为60℃，长500余米，它使船山组向W仰冲于梁山组之上。

3 矿床地质

3.1 含矿岩系岩性组合及沉积特征

区内有两层粘土矿层，分别赋存于梁山组(P1l)上部和下部，可分为两个含矿岩系，分述如下：

(1) 第一含矿岩系：位于船山组沉积间断面上，因基底及古地理位置的差异，不同地段的岩性及厚度差异较大，厚度3.7～46.9m。

第一含矿岩系分布面积达12km2，出露较连续地带面积为7km2。北自倒头园，南至刘家人，南北出露3 000m，东西宽1 200～2 000m，含矿层位较稳定，粘土矿为黑色硬质粘土，呈扁豆体零星出露。本岩系沉积位于基底。

(2) 第二含矿岩系：位于下部岩系之石英细砂岩间断面上，为主要勘探对象。厚2.7～20.4m。

第二含矿岩系分布于杨溪口、何家冲、姚家人及碾子石等地，面积3.7km2。其中以大洑潭至碾子石一带1.5km2范围内矿石厚度及质量最好。

3.2 矿体特征

通过详细勘探工作，第Ⅱ矿层因受沉积基底的影响，有3个无矿地段。由于无矿地段的出现，可划分为杨溪口、碾子石及何家冲等3个似层状透镜体矿体。大部分埋藏标高在120m以上。矿体盖层厚度一般在20m左右。

(1) 杨溪口矿体：位于沉积基底的凹陷部位，呈NE向展布。矿体走向长600m，倾斜宽550m，倾向NW，倾角0～5°，底板较为完整平直。矿体厚2～6m，一般为4m左右，各品级矿石跳动较大。矿石类型从中心到边部依次为：高铝粘土、硬质粘土相变为黑色页岩，呈环带状水平分布。

(2) 碾子石矿体：位于基底起伏不大的平坦地段。矿体走向长850m，倾斜宽400～680m，倾向NW，倾角3～10°，厚度1.6～7m，一般厚度3～4m，变化较大。该矿体以硬质粘土Ⅰ级品为主。

(3) 何家冲矿体：为杨溪口矿体的北西延展部位，处在沉积基底向北扬起的地段。矿体走向长400m，倾斜宽420m，厚1.15～6.4m，一般厚1.9～3.3m，往北东和北西两个方向变薄。矿石类型有高铝粘土、硬质粘土。

3.3 矿石类型及矿物组成

根据区内见到的耐火粘土矿按其自然类型可划分为高铝粘土矿和硬质粘土矿，以硬质粘土矿为主。

(1) 高铝粘土矿：岩石学名称为水铝石—高岭石粘土岩，位于硬质粘土矿之上，两者肉眼难以区别，需以化验品位圈定，深部呈黑灰、灰色，浅部为白色或灰白色，致密块状，坚硬，表面具滑感，断口粗糙，抗风化力强。矿石具角砾状和鲕粒状构造。角砾和鲕粒为一水软铝石或—水硬铝石之集合体被高岭石所胶结。矿石矿物主要为高岭石、一水软铝石、一水硬铝石，其次为多水高岭石、三水铝石等。在电子显微镜下，高岭石呈较大的六方形鳞片状，粒径0.5～2μm，有时向一个方向拉长，呈隐晶质和微晶粒，为矿石的胶结构，其含量为30%～80%。一水软铝石呈宽板状，粒径1μm左右，含量10%～60%。一水硬铝石呈细长的小针状、放射状和束状，粒径0.3～1μm，含量10%～15%。其他矿物还有微量电气石、锆英石、金红石、锐钛矿及玉髓等。有害矿物黄铁矿呈细小结核状和细粒浸染状等他形粒状。一般分布于矿层顶部，含量低。

(2) 硬质粘土矿：矿石学名称为高岭石型粘土岩。该矿石在各个矿体中都有产出，赋存于高铝粘土矿之下。白灰、灰色，风化后呈白黄色，表面常有圆形气化孔洞，其内充填有褐红色铁质氧化物。原生矿石致密坚硬，抗风化力强，无粘性和可塑性，体重较大。因垂直节理发育，常有次生白色半透明的高岭石脉充填。破碎后具贝壳状和似碧玉状断口，腊状光泽，有滑感。结构主要呈隐晶质和显微鳞片状结构，次为角砾状。其矿物组分经电子显微镜查定，以高岭石为主，呈六角形薄片状，边缘清楚，大小不一，粒径0.5～2μm，含量约85%。其次为多水高岭石，为长棒状，粒径1～3μm，含量约10%，一水硬铝石为细小针状、放射状，粒径0.5μm左右，含量约3%，以及少量三水铝石、水云母。另有微量锆英石、金红石、锐钛矿、电气石和玉髓等。黄铁矿呈他形粒状，集合呈结核状不均匀分布，多分布在高铝粘土矿接触处。局部还有少量炭化植物化石碎片。

3.4 矿石的物理化学性质

3.4.1 矿石化学成分

经化学分析，耐火粘土矿化学成分主要由Al2O3、SiO2组成，次要为TiO2、Fe2O3、LOI。其中高铝粘土矿、硬质粘土矿(熟料)Al2O3含量分别为49.97%～77.55%、39.59%～54.73%，SiO2含量分别为18.85%～49.27%、45.50%～57.43%，TiO2含量分别为1.00%～2.60%、1.00%～2.00%，Fe2O3含量分别为0.41%～1.54%、0.42%～2.28%，LOI分别为14.03%～17.12%、12.79%～15.45%，平均品位分析结果见表1。对矿区矿石样品的铝硅比进行测算，结果高铝粘土矿铝硅比为1.2～1.7，最高4.7，最低0.96，比高岭石的硅铝比理论值略高，介于粘土岩与铝土岩之间，为过渡岩石类型。硬质粘土矿铝硅比值为0.85～0.88，属高岭石型粘土。

表1 耐火粘土矿平均品位分析结果(%)

硬质粘土矿石以Ⅰ、Ⅱ级品位为主，高铝粘土次之。

3.4.2 矿石物理性能

(1) 耐火度是评价耐火材料矿产质量的重要技术指标。经对矿区粘土矿石耐火度测定，高铝粘土矿石耐火度多在1 770℃以上，仅个别为1 750℃，硬质粘土矿石耐火度一般为1 750～1 770℃，最低1 730℃。研究表明，耐火度的高低取决于Al2O3及有害杂质的含量，该矿床高铝粘土矿、硬质粘土矿的Al2O3含量都较高且Fe2O3、MgO和CaO含量低，因此耐火度较高，制品质量较好。

(2) 粘土矿石脱水试验及XDR分析。

高铝粘土矿石经脱水试验(见图1)，其结果是450～650℃，特别是500～600℃为明显脱水温度，失重率为14%，达到高岭石或接近一水软铝石的脱水理论值，说明矿石以上两种矿物成分为主。经X-射线衍射仪进行XRD物相分析，显示矿石矿物成分主要为一水软铝石，次为高岭石及一水硬铝石，少量金红石和锐钛矿，与矿石化学分析结果及镜下分析显示出一致性。

硬质粘土矿石经脱水分析，其脱水温度为550～650℃，失重率为13.4%，为较纯的高岭石脱水理论值。对矿石XRD物相分析，具明显的高岭石特征，但有少量一水软铝石。

(3) 耐火粘土矿差热分析。

对本区不同类型的耐火粘土矿石粉进行的差热分析表明(见图2)，高铝粘土矿石粉为高岭石及一水软铝石的混合物，但以高岭石为主，在560℃有一明显的吸热谷，在985℃时有明显的放热峰，但线条平直，说明结晶程度较好。

硬质粘土矿石粉经差热分析，呈明显的高岭石特征。其吸热谷位于600℃，放射峰位于920℃，但有些样品在600℃之前基线有向下倾向，说明有一水软铝石的存在。但其吸热谷和放射峰面积较窄，说明高岭石结晶程度较差。

图1 矿石粉脱水分析

图2 矿石粉的差热分析

3.5 矿体围岩及夹层

矿体底板为上石炭统船山组(C3ch)的石灰岩，与赋矿地层下二叠统梁山组(P1l)碎屑岩呈假整合接触。矿体共完成钻孔191个，夹石出现42个层次，厚度0.3～3.64m。夹石种类以硬质粘土为主，次为煤层或粘土质粉砂岩等，多分布于矿层中上部，零星产出，无稳定层位。矿层顶板多以黑色页岩或黑色泥岩为主，不甚稳定。

4 矿床成因

本区位于雪峰古陆和武陵古陆之间的辰溪—黔阳鞍部凹陷。中、晚石炭世发育台地碳酸盐沉积。石炭纪末，古陆抬升，大部分地段海水退出。二叠纪初，大规模海侵开始，雪峰山地已沉沦为孤岛。辰溪、怀化一带为一与湘中南相通的海湾。沉积了滨海沼泽相含煤碎屑沉积的梁山组。该组与下伏地层船山组之间有明显的沉积间断面，呈假整合或平行不整合接触，在间断面上多有很薄的含煤碎屑岩层相隔。基底地层经漫长的风化剥蚀，所形成的风化物质，在沉积分异作用下，与造矿元素Al相伴的Si、Ca、Mg、K、Na杂质元素为粘土矿的生成提供了丰富铝硅酸盐碎屑及成矿元素。随海侵的到来，呈细粒悬浮和粘土吸附状态搬运至沉积盆地，由于介质条件变化，沉积了粘土矿床。矿石中有少量锐钛矿、金红石、锆英石及电气石等陆屑，矿层顶底围岩为明显的碎屑结构，说明其形成方式以机械沉积为主。此外，矿石中有鲕粒及凝胶结构存在，亦有一定的化学沉积。

根据岩性组合特点，该矿床形成在陆海过渡到湖沼相转变处，属海进程序。此时沉积条件稳定，物源丰富，沉积速度缓慢，气候温暖、潮湿，是成煤前的沉积环境，矿床产于煤系地层中。由于煤系中还原介质及腐殖酸的作用，生成了质量良好的高岭石型粘土矿。

综合上述，大洑潭耐火粘土矿床属滨海沼泽相含煤岩系中的高岭土矿床[2]。

5 开发应用

该矿区耐火粘土矿委托湖南冷水滩耐火材料厂进行制砖试验，采用100t压砖机成型，在干燥坑上干燥48h，砖坯水分＜2%装窑烧成(见表2)。试验结论：大洑潭耐火粘土可生产优质制品和二、三级高铝制品。

湖南澧陵陶瓷研究所对本区高铝粘土矿和硬质粘土矿所作燧道匣钵中型试验报告称，以区内粘土所做匣钵质量较优，其结论为：①匣钵使用寿命长，可烧14～15次以上不开裂，可节约材料，降低成本；②匣钵热稳定性好，不易开裂，减少落砂，有利于提高产品质量；③用高铝粘土熟料做骨架，当炉温提高至1 380～1 410℃时，在烧瓷生产工艺中可大胆使用，故可用大洑潭耐火粘土取代河南矾土制作匣钵。

根据上述试验结果及结论，表明大洑潭耐火粘土矿技术加工性能良好，可建设一座中型耐火原料基地，彻底解决湖南生产耐火材料问题。

6 结语

(1) 大洑潭耐火粘土矿产于缓倾斜下二叠统梁山组地层中。矿体呈似层状透镜体，主要由高铝粘土和硬质粘土组成。矿石主要成分为高岭石，其次为多水高岭石、一水软铝石、一水硬铝石等。

(2) 矿石吸热峰温度为560～600℃，放热峰温度920～985℃。高铝粘土耐火度＞1 770℃，硬质粘土一般在1 760℃。

(3) 本矿床赋存于下二叠统梁山组含煤碎屑岩中，沿袭于上石炭统船山组碳酸盐岩沉积间断面分布，自下而上由浅海相碳酸盐岩到滨海沼泽相含煤碎屑岩，形成了湘西地区含煤岩系，至陆棚开阔浅海碳酸盐岩。粘土矿层沉积数量、质量及产状与分布受古岩溶地貌及沉积间断面地形控制。矿床类型属滨海沼泽相含煤岩系中的高岭土矿床。

表2 大洑潭耐火粘土矿制砖试验结果

(4) 大洑潭耐火粘土矿经制砖和燧道窑匣钵试验，说明其技术加工性能良好，可建设一座中型规模的耐火原料基地。