湘西北白羊紫砂陶土矿床地质特征及开发利用前景

摘  要  文章阐述了湖南省龙山县白羊紫砂陶土矿赋存层位、矿体形态、产状、规模、矿石类型、矿物成分和化学成分，以及加工工艺性能和在制陶中的应用。其产品采用快速烧成，冷热急变性好，传热缓慢，成色多样，具有显著社会经济效益。

关键词  紫砂;陶土矿;地质特征;开发利用;湖南

中图分类号：P169 文献标识码：A

Geological Characteristics of Purple Sand Syderolite Deposit and Its Developement Application in Baiyang  Northwest Hunan

Zhang Shaoyan

（Brigade 405 Of Hunan Provincial Geological Institute， Jishou Hunan 416000）

Abstract： Baiyang purple sand syderolite deposit located in Longshan county Hunan. The ore-bearing horion，shape， attitue scale，ore-type，mimeral and chemical， component，technical processability， application in production are narrated.Production makes use of fast firing，froze-hot quick charge are good，slow heat-tranfer，as multiformed，special local product，which is socio-ecomonic benefit.

Keywords： purple sand;syderolite deposit; geological feature;quality ore;development application; Hunan

白羊紫砂陶土礦位于湖南省龙山县境内，是我队经多年地质勘查并初步探明的1处资源量为785万t、工艺性能指标与江苏宜兴紫砂陶土矿相似的陶土矿床，填补了本省紫砂陶土的空白，使过去只有陶、瓷驰名的湖南省变成了具有瓷、陶、紫砂兼备的名副其实的陶瓷之省，也缓解了内地对紫砂陶产品的需求。

1  区域地质概况

区域构造位于扬子地台区东南缘八面山褶皱带东山峰—咸丰复背料之次级来凤向斜内，是一个在扬子旋回基地上发展起来的长期沉降单元[1]。自震旦纪以来到三叠纪除缺失泥盆系下统和石炭系外，其他各地层发育较全。志留系、泥盆系、二叠系及三叠系地层依次分布于来凤向斜的两翼及核部，白垩-第三系地层分布于向斜核部中段的“龙凤盆地”内。在构造景观上，以褶皱构造为主，而且保存较好，在褶皱组合形态上，一般背斜紧密（紧闭型），向斜开阔，为典型的隔挡式褶曲。走向断层发育，无岩浆活动。

区域矿产有普通陶土、紫砂陶土、煤、石膏、灰岩、钙镁黏土及硅石等7种非金属矿产。

2  矿区地质

2.1 地层

出露地层有志留系、二叠系、三叠系、白垩—第三系等。其中二叠系是矿区的赋矿地层，在区域出露层序完整。梁山组下统（P1l）分栖霞组（P1q）和茅口组（P1m），上统含吴家坪组（P2w）和大隆组（P2d）。与下伏地层呈假整合接触。厚度为361.26-1065.93m，呈NE向带状延伸（图1）。

（1）下二叠统茅口组（P1m）

该组在区域可划分为8个岩性段，矿区仅出露该组的第6、7和8段。第6段为深灰色厚层状含结晶云质团块灰岩。第7段为灰-深灰色中厚一厚层状燧石结核灰岩，底部见云质团硅质岩，顶部为灰白一乳白色硅质岩。第8段为灰白色厚层状生物碎屑灰岩（下部含燧石结核）。厚度大于109.27m。

（2）上二叠统吴家坪组（P2w）

分上、下两个岩性段。下段为含矿段，即紫砂陶土矿段，由紫红色硬质紫砂、陶土和红白相间的红白土组成，顶部为黄褐色页岩（该页岩在西南段相变为炭质页岩夹煤扁豆体）。厚度15.16m。上段为灰岩段。灰一灰白色中厚层一厚层状燧石结核灰岩，底部为深灰一灰黑色厚度层硅质灰岩、硅泥质灰岩，厚度82.3m。

（3）上二叠统大隆组（P2d）

下部为灰黑色含炭质硅质页岩夹薄层状含炭质灰岩，上部为灰黑色薄层状含炭质灰岩和含炭质硅质页岩。厚度为6.82m。

（4）三叠系

在矿区仅有大冶组（T1dy）出露分两段。第1段深灰色薄层状含泥质灰岩、泥质灰岩与黄褐色钙质页岩互层或互为夹层。第2段浅灰色、肉红色薄层状灰岩夹条带状灰岩和钙质页岩，下部见2层不稳定的砾屑灰岩。出露厚度大于190.69m。

（5）白垩—第三系

矿区内只见中、下组。下组（K-R1）为棕红色厚层状砾岩夹薄层砂砾岩;中组（K-R2）为砖红色厚层状钙质细砂岩和钙质粉砂岩。厚度大于191.94m。与下伏地层为角度不整合。

2.2 构造

矿区位于来凤向斜东南翼，区内地层呈单斜产出（图2）。向斜基底由志留系—三叠系组成，总体走向50～230°，倾角NW，倾角35～70°。断裂构造极不发育，地表尚未发现

对矿体和地层有较为明显影响的断裂构造。此外，在矿区内见到多处角砾岩，顺层分布者为层间滑动角砾岩，成分复杂者为底砾岩或溶洞角砾岩。矿区内崩塌坡构造较发育，分布于长安岭北坡山麓的曾家湾、宋家老屋等处。

2.3 矿床特征

2.3.1  矿体特征

紫砂陶土矿赋存于二叠系上统吴家坪组下段（P2W1），矿体呈层状产出[2]。吴家坪组的紫砂陶土矿本身是组成沉积岩的一部分，产状与上覆岩层近似，矿体底板为茅口组第8段灰岩，顶板为吴家坪组第1段顶部的黄褐色页岩。地表始露于曾家湾，以230°方向延伸，经宋家老屋后，向西南横穿龙嘴河，进入湖北来凤县境内。区内矿体总长2645m。矿体总体倾向为320°，倾角一般为35～46°，在地表北东段较缓，南西段较陡;向深部有所变化，其变化趋势是：1～11线之间深部矿体倾角变缓，在30～45°间变化，13线以西深部矿体倾角变陡，至19线始，倾角急剧变陡至60～70°。矿体向深部延伸较稳定。ZK11-6控制斜深300余米，见矿厚达5.52m（图3）。矿体厚度一般为4～7m，最大厚度达14.73m，最小厚度為2.86m，地表平均厚度6.26m，深部钻孔控制矿体平均厚度5.70m，全矿区总平均厚度6.04m。矿体厚度变化系数为47.32%，属厚度变化较稳定的矿体。

此外，在8-13勘探线之间，在茅口组与吴家坪组的假整合接触面之下，ZK9-0、ZK11-4、ZK7-4等钻孔中于茅口组灰岩内见到1-2层矿，这类矿体的形成早于主成矿期，规模不大，分枝复合，产状形态十分复杂。

2.3.2 矿石特征

依据矿石的自然特征和工艺性能，将本区矿石划分为硬质紫砂陶土和红白土两种矿石类型。所谓硬质紫砂是因为这类矿石硬度较大，轻难风化，应用于制陶中陈腐期较长而得名;而红白土，即红白土紫砂，以红白两种颜色相间、质软、陈腐期短为其特征。

硬质紫砂陶土：由氧化铁质的黏土岩组成，紫红色、深红色，致密块状，泥质结构、砂状碎屑结构，斑点状构造、块状构造。矿石质地细腻，具滑感，节理特别发育，曝晒风化易成碎块，硬度2.5-3，含铁质高者硬度偏大。体重2.65。

红白土：即紫红色、灰白色、米黄色混杂的含氧化铁质黏土岩。矿石具泥质结构，亦见有鲕状，假鲕状结构，页片状，块状构造。矿石质地细腻，具滑感。经短期曝晒易风化成土状，水渗合成泥状，黏性强。硬度小于2.5，体重2.49。

2.3.3 矿石化学成分及在制陶中的作用

（1）矿石化学成分

经化学分析，硬质紫砂陶土Al2O324%-32%，Fe2O315%-26%，SiO2 31%-40%，TiO22.5%-5%，波动范围较小。红白土Al2O318%-34%，Fe2O37%-28%，SiO233%-44%，TiO22-4.5%，波动范围较大，

有时发生突变，尤其是Fe2O3，低至1.5%-5%，高者达28%以上。但组合分析二者差别不大（表1）。

矿石化学分析表明：①SiO2和Al2O3比值在硬质紫砂陶土中较低，为1.30，红白土中较高，为1.33;②Al2O3、SiO2同消长，Fe2O3 和Al2O3、Fe2O3和SiO2反消长（图4）;③TiO2含量普遍较高，为2%～5%;④K20>Na20，Ca0>Mg0。

此外，为了查明矿种微量元素的含量及变化，特别是要查明矿石中对人体有害的U、Hg、Pb等含量及变化，利用矿区14件组合分析样的副样作的光谱半定量全分析表明，主要微量元素是Ti，高达1500×10-6～2200×10-6，其次是Ba、Mn和Zn、Cu、Cr、Pb、B、V、Ni、Co、Ga和Mo，其含量甚微。其他微量元素均未出现谱线。矿石中不含对人体有害的Hg、U，Pb的含量仅5×10-6～7×10-6，十分微弱，在允许值之内。

（2）矿石化学成分在制陶中的作用

矿石的主要有益组分为Al2O3和SiO2。Fe2O3含量在一定范围内是有益组分，其含量过低（<8%）起不到染色作用，不能成为紫砂，含量过高（>28%）则使产品脆性加大。一定含量的Fe2O3可以降低烧成温度，节约燃料，使产品具特有的颜色紫红色。Al2O3和SiO2在一定范围内含量越高越好，Al2O3越高，烧结范围宽，易于烧成;SiO2在产品中起构造骨架的作用，保护产品的稳定性。有害组分TiO2含量高（>4%）时会降低产品耐火度，产生暗色斑点，影响产品质量。

2.3.4 矿石的矿物特征

（1）岩矿鉴定。硬质紫砂陶土为含氧化铁质黏土岩，泥质结构，砂状碎屑结构，块状、斑点状构造。岩石由黏土矿物、铁泥质和少量褐铁矿组成。黏土矿物+铁泥质=90%±，褐铁矿氧化铁质=9%±，石英1%±。黏土矿物结晶非常细小，与铁泥质、氧化铁质混合分布，多数呈大小不等（从粉至粗砂级）、形态不一的碎屑状产出。红白土为褐铁矿黏土岩，含氧化铁质黏土岩，具泥质结构和碎屑状结构，碎屑形态多样，大小不一。岩石主要由黏土矿物、褐铁矿、氧化铁质组成。黏土矿物85%～95%，褐铁矿+泥质物=5%～15%，隐晶石英<1%，少量褐铁矿中见假象黄铁矿。

（2）电子探针分析。主要矿物为高岭石，次为伊利石、石英。高岭石呈浑圆形的假六方片状，伊利石呈细小的鳞片状、眼球状和板片状等，石英多为不规则粒状。

（3）矿石XRD分析。本次采用X一射线衍射仪对所采矿石标本进行XRD物相分析，显示硬质紫砂陶土矿石砂物主要由高岭石、赤铁砂组成，深部见有埃洛石（TA）。常见褐铁矿、磁铁矿，偶见多水高岭石、伊利石、锐钛砂，微量石英。红白土主要由高岭石组成，常含多水高岭石、磁铁矿、赤铁砂、锐钛矿，偶含菱铁砂、绿泥石。这与矿石化学分析结果及镜下分析显示出一致性。

（4）紫砂陶土矿差热分析。从图3热重曲线可看出，高岭石在100℃内脱去吸附水及层间水近15%;在400-600℃急剧脱羟基，失重约10%;在1000℃失重约12%。曲线上另一个明星的特点是，在同一个温度下，红白土相对硬质紫砂陶土失重率较大，这反映在其所矿物有序程度和含水状态上存着一定的差异。从图4中DTA曲线可知，硬质紫砂陶土在600℃、红白土在650℃左右有1个强型的吸热谷，为高岭石脱羟所致;在950℃左右存在1个尖锐的相变放热峰。红白土相对硬质紫砂陶土吸热谷较大。

3  矿床成因分析

白羊紫砂陶土矿赋矿地层为吴家坪组，其层位相当于区域下部含煤段，系沿袭于早二叠世以来形成的古陆风化壳，在古陆边缘产出的一套由铁、铝质氧化物和泥、灰质组成的碳酸盐台地相，其成矿作用最主要的特点是与沉积地层（上段），有着不可分割的联系。组成矿体的矿石为紫红色硬质紫砂陶土和红白相间的红白土，是属于沉积岩类的含氧化铁质的铝土质黏土岩，其本身就是组成沉积岩的一部分。在矿体与底板茅口组灰岩的接触面上，有厚10cm左右的黄褐色风化泥，说明矿体是在上、下二叠统沉积间断面上沉积而成，其分布严格受上、下二叠统间的假整合控制，故白羊紫砂陶土矿成因为含煤建造沉积型紫砂陶土矿床。

基于上述认识，从地质历史分析，本区在石炭纪末，古陆抬升，海水先后退出本区，使之隆起成陆并遭受剥蚀。二叠纪初，大规模的海侵开始，栖霞早期上扬子海向南到達本区，沉积了以陆源碎屑组合分为主的梁山组，属滨海沼泽含煤碎屑岩沉积相。栖霞晚期，上扬子海侵范围扩大，形成了陆棚开阔浅海碳酸盐沉积的栖霞组。早二叠世晚期（即茅口期）本区属于开阔台地碳酸盐沉积，至茅口期末受东吴运动影响，茅口组分布区大多隆起成陆，经受溶蚀、剥蚀，地形崎岖。茅口期末的海退后，晚二叠世海侵继之而来，早期在接受短期极薄的潮坪黏土含煤沉积之后，即进入台地碳酸盐阶段，沉积了吴家坪组碳酸盐岩。随之继续进入三叠纪发展阶段。

以上地史分析表明，区内二叠系上统与下统之间有明显的沉积间断，成假整合甚至不整合接触，在间断面以上多有很薄的含煤碎屑岩层相隔，矿区赋矿地层上二叠统吴家坪组假整合于开阔台地相碳酸盐沉积的下二叠统茅口组之上，两者之间存在明显的沉积间断，下伏地层碳酸盐岩及其古岩溶风化面为本区铝土质黏土岩的形成提供了矿质来源和聚集场所。

至于产在上、下二叠统假整合面之下的、形态复杂多变的小矿体，主要是顺着古岩溶或裂隙充填形成的。初步建立的成矿模型如图5：第一阶段（I），茅口组灰岩水平上升，经长期风化和地下水溶蚀的共同作用，形成了古岩溶地形，有落水洞、水平溶洞等，形态复杂多变。第二阶段（Ⅱ），茅口组灰岩水平下降，其表面和岩溶内同时接受紫砂陶土堆积，矿体底面形态随茅口组灰岩表面形态岩溶的形态的多变而变。第三阶段（Ⅲ）经印支运动，水平岩层褶皱上升后，遭受强烈的风化剥蚀。当风化剥蚀刚好切割矿体弯曲部位时，在地表就出现了分枝复合的假象;若钻孔的钻进位置正好处在有岩溶内矿体或矿体底面的弯曲部位时，就出现了2层或3层的现象。该类矿体成因属古岩溶剥蚀面洞穴充填型陶土矿。

4  矿石工艺性能及开发利用前景

龙山白羊紫砂陶土主要颜色为紫红色和红白色，主要矿物成分为高岭石、赤铁砂，含少量石英。AL2O3、SiO有益化学成分含量高，有害组分TiO2、P2O5含量低，染色元素Fe2O3含量适中。矿石质地细腻，具强～较强可塑性（塑性指数13.44-15.43），结合能力强，烧结温度为123℃-129℃，烧结范围较宽，热膨胀率小，耐酸碱性能好（分别为97%、86.85%），成品的气孔率、吸水率等指标均符合产品要求。抗折、抗压强度高（分别为668kgf/cm2、2831 kgf/cm2），热稳定性能好（热稳定温度18℃-20℃全通过）。这些工艺性能与江苏宜兴陶工艺性能相近[3]，经龙山县民族陶瓷工艺厂多年的生产实践证明，白羊紫砂陶土用于制陶，成色多样，配方简单;矿石陈腐期分别达6-12个月时可单独成型，并具有较高的耐火度，烧结过程中不易变形，窑炉容易控制;三氧化二铁适量，烧成温度适中，烧成成本低。由此可见，白羊紫砂陶土是一种较理想的紫砂陶土原料。

龙山县紫砂陶产品具有一些独特的性能：①产品内外面均有不上釉，具有0.37%的吸水率和1.05%的气孔率。因此，泡茶不失原味，香、色、味皆好，有“注茶越宿，暑月不馊”之特性，花盆有良好的透气性和排水性，栽花不烂根。②冷热急变性好。数九寒冬，沸水注入紫砂陶茶具内不炸裂，还可以放置在文火上煮炖而不炸裂。③紫砂陶传热缓慢，使用时不灸手。若经常揩拭，表面自然发光。④产品成色多样，集书法、绘画、纂刻诸装饰艺术于一体，适应当前旅游事业发展的需要。故龙山紫砂陶在上世纪80年代首批试制产品参加“秋季广交会”，就受到外商的好评。鼎盛时期生产的花钵、文具、盆景、酒具、美术陈设、炊具、茶具等7大类100多个品种，产品远销美国、德国、加拿大、马来西亚、新加坡、香港等19个国家和地区，出口量约20多万件。同时，在国内销量往北京、云南等19个省、市，为湖南经济发展做出了积极贡献。

5  结语

（1）白羊紫砂陶土矿主要赋存于二又叠系上统吴家坪组地层中，矿体呈层状，由紫红色硬质紫砂陶土和红白相间的红白土组成，矿石主要成分为高岭石、赤铁矿，含少量石英。Al2O3、SiO2有益组分含量高，有害组分TiO2、P2O5含量低，染色元素Fe2O3含量适中。矿石吸热峰温度约600℃～650°，放热峰温度约950℃。

（2）矿石具强一较强可塑性，结合能力强，烧结范围较宽，热膨胀率小，耐酸碱性能好，成品的气孔率、吸水率等指标均符合产品要求，抗折、抗压强度高，热稳定性能好，是一种较理想的紫砂陶原料。

（3）分析认为赋矿地层吴家坪组地层沿袭于自早二叠世以来形成的沉积间断面（古陆风化壳），自下而上由风化壳褐黄色泥质物到上面的滨海沼泽相沉积，形成了含氧化铁质的铝土质黏土岩即紫红色硬质紫砂陶土和红白土，矿体产状、形态及分布主要受岩溶地貌及风化壳地形控制。矿床成因为沉积型。

（4）白羊紫砂陶土矿具有一些独特的性能，具有广泛的应用领域。随着生产技术日渐完善，作为陶瓷工业重要原料的紫砂陶土必然会拓展更广泛的市场经济领域。

参考文献/References

[1]湖南省地质矿产局  湖南省区域地质志[M].北京：地质出版社，1988：169-197.

[2]罗大清，陈永明，周则荣，等.湖南省龙山县白羊矿区紫砂陶土矿详细普查地质报告[R].湖南吉首：湖南省地质矿产勘查开发局四○五队，1986.

[3]江夏，吴隽，张茂林，等.宜兴紫砂泥料性能研究[J].江苏陶瓷，2011，44（3）：20-23+25.

*第一作者简介：张绍燕，女，1971年生，主要从事地质矿产勘查工作。E-mail： 112270161qq.com。

收稿日期：2020-08-28; 改回日期：2020-11-02。