河北省含钾页岩矿资源现状及应用研究分析

许新成

（河北省地矿局第三地质大队）

河北省具有丰富的含钾页岩矿产资源，且含钾页岩矿产资源的开发利用具有良好的社会经济价值，有着极其广泛的开发利用前景。根据河北省地矿局第三地质大队提供的资料，在该地区发现了大量可被开发利用的含钾页岩石矿。近年来，由于此类含钾页岩矿的科技创新成果更加贴近市场需求，使其成为国人关注的新型产业化经济增长点。

1 资源概况

1.1 含钾岩层的赋存层位

从含钾岩层分布及赋存层位来看，冀西北的张家口市范围含钾页岩层主要赋存于长城系串岭沟组二、三段，冀东长城系大红峪组页岩K2O含量较低，一般3%左右，局部地段为含钾页岩层。串岭沟组局部地段为含钾页岩层［1］。冀西南涉县一带含钾页岩层赋存于长城系大红峪组，含钾岩石主要为页岩、黏土质页岩及少量细砂岩。

1.2 资源储存规模

1.2.1赋存层位

矿区只有一层含钾页岩矿层，位于“宣龙式”赤铁矿层之上，与铁矿层相伴随，产状一致。铁矿已进行详细勘探，铁矿层是含钾页岩的间接找矿标志。含钾页岩赋存于长城系串岭沟组二段第一、二层黑色页岩及绿色页岩中，前者为下矿层，后者为上矿层，二者之间无夹层（夹石）。

1.2.2分布及规模

含钾页岩呈南西西—北东东向分布于矿区偏北部，西起花家梁，东至沙子地，长达5 km以上。西端矿层厚度由于受断层及花岗岩体影响稍薄，为20～24 m，中部及东部较厚，为28～29 m［2］。矿层连续稳定，但中部被第四系覆盖。

1.2.3矿石结构构造

矿石类型以黑色页岩（下矿层）及绿色页岩（上矿层）为主，此外有少量砂质页岩和泥板岩分布于矿层顶、底部，矿区西端出现黑云钾长角岩类型。矿石中含钾矿物主要是伊利石，次为海绿石和钾长石。伊利石呈细鳞片状均匀分布，海绿石与其共生，钾长石呈重结晶或碎屑状，矿石以泥质和显微鳞片变晶结构为主，重结晶矿物颗粒约0.05 mm，碎屑矿物粒径0.10～0.05 mm，呈滚圆、半滚圆状。黑色页岩为页片状构造，绿色页岩以页片状、薄板状及块状构造为主。

1.2.4矿石成分

矿石矿物成分经差热分析，主要为伊利石，含极少量针铁矿和方解石；镜下观察含少量石英及钾长石。矿石化学成分平均含量K2O为10.25%、Si O2为58.21%、Al2O3为18.00%、TiO2为4.48%、MgO为1.41%，其中除Al2O3含量偏高外，其他成分均符合工业要求。

K2O含量为8.11%～13.57%，块段平均含量为10.65%～11.85%，矿体平均含量为10.25%，绿色页岩含量比黑色页岩稍高［3］。

1.3 矿层特点

1.3.1地层

各省各时代地层发育完整，未整合的海相寒武系—上元古界寒武系和奥陶系中—上元—褶皱基底，未整合覆盖有轻微变质作用的海相寒武系。晚奥陶世开始到中石炭世之前，沉积普遍缺失。在中石炭世和二叠纪，海陆交开始形成向陆相沉积。中上元古界长城系下一层富于浅海—滨海沉积岩（以砂、页岩为主）的含钾岩石（主要为砂质、页岩）沉积，形成了较多的中、新生代盆地型陆相沉积岩系［4］。

1.3.2构造

（1）基底形成阶段。迁西旋回—陆核初始期（早—中太古代），阜平旋回—陆核增生期（晚太古代早期），五台旋回—裂谷发生期（晚太古代晚期），吕梁旋回—裂谷发展（早元古代）。

（2）断裂构造。山西大陆体的断裂构造十分发育，自太古代末期至中生代以来，构造活动频繁，早期活动多集中于近东西向，在北纬40°～42°，有多次长期变化。从吕梁以后，尤其是燕山运动以来，主要表现为北东向、北西向与近南北向次之。

深部断裂是指在长达几百公里的空间上，通过切割穿过硅铝层进入硅镁层或上地幔而形成的多活动性断裂。省内有10条深断裂，主要的有6条：①康保—围场深断裂为河北省境内的中朝准地台与北侧内蒙—大兴安岭褶皱系的分界线，大致沿北纬42°线通过河北省北部边缘；由于行政区界限，区内被分隔成东西2段，总体呈东西向分布。②丰宁—隆化深断裂带北支在内蒙地轴南缘断裂，西段由丰宁向西南折向赤城、尚义—赤城—平泉深断裂，东至自丰宁城南折向北，经隆化、平泉山延至辽宁境内；平面上呈向北微凸的弧形，近东西向分布，省内延长约210km。③大庙—娘娘庙深断裂位于丰宁—隆化深断裂南侧，两者近平行分布相距20 km。④尚义—赤城—平泉深断裂断层横贯河北省北部中部，西起尚义，经赤城、古北口、承德至平泉，全长约450 km，两端分别向内蒙、辽宁三省，总体走向近东西；它是内蒙地轴与燕山台褶带的分界面，是省内最为重要的控矿、成矿深断裂带。⑤上黄旗—乌龙沟深断裂自太行山北段的涞源乌龙沟至承德丰宁上黄旗，省内延长450 km，总体走向北25°东。⑥紫荆关—灵山深断裂北起涞水县岭南台，经易县紫荆关至曲阳灵山，延长约280 km，总体走向北20°～30°东。以上⑤、⑥两深断裂属太行山深断裂的西带—紫荆关深断裂带，前者称北支，后者称南支。

1.3.3岩浆岩

河北省岩浆活动十分强烈，分布广泛，尤其是中生代的岩浆活动更是我国重要的代表地区之一。全省侵入岩和火山岩分布面积分别为17 464 km2和24 000 km2，合计占全省基岩总面积的38%［5］。岩浆活动始于太古代，直至第四纪仍有玄武岩浆活动。含钾页岩矿的形成与岩浆活动无关。

2 市场前景

这种非水溶性含钾岩矿床不能有效开发利用，其主要是由于科技支撑不足，开发利用困难。我国钾资源匮乏，钾盐产品严重短缺。钾是农业中三大基本肥料之一，钾肥用量过少会影响作物对氮、磷的吸收，使产量下降。然而，我国农业中长期存在严重的氮、磷、钾肥配比失调，利用率不到世界平均水平的一半，严重缺钾已成为我国农业生产向优质、高产、高效发展的关键因素之一。因此补钾是一项长期而紧迫的工作，而我国水溶性钾盐资源奇缺，钾肥和其他钾矿产品主要依靠进口。据统计，1990—1998年我国钾肥进口量已达3 300万t，2010年我国的需求量将达到680万t，2020年将达到740万t［6］。

我国水溶性钾盐矿床资源奇缺，但非水溶性含钾岩矿资源十分丰富，以钾岩矿代替是一条有效解决途径。钾元素不含水溶性钾岩，必须通过物理或化学方法处理，使钾元素发生活化、转化才能利用。20世纪50年代以来，国内许多研究单位对细菌分解、二磨一烧等非水溶性钾矿的开发利用技术进行了探索，但产品成本高，钾回收率低，杂质多，质量差，氯化钾含量不到40%，很难大批量工业化生产。

3 含钾页岩矿资源应用研究概况

世界范围内的钾矿矿产资源分为2类，一类为可溶性矿物，主要由KCL与CAS组成，常见矿物质主要有卤石、钾石盐等，且多为可溶解矿物质，其加工工艺简单，生产成本低；另一类为含钾难溶性矿物，该类矿产较为复杂，分布较广，不易加工且成本高。

目前，我国可溶性钾盐资源严重不足，每年需求量的90%从国外进口，加重了国家的经济负担。但我国非水溶性钾矿资源丰富，全国资源总量超过200亿t。由于缺乏经济和技术上可行的工艺，这种资源目前不能得到开发。因此，能有效、清洁地利用非水溶性钾矿资源，对于缓解我国钾盐资源短缺的状况，保障国家经济发展的战略安全，建设现代化农业具有重要意义。

3.1 国外非可溶性钾的应用研究

3.1.1国外研究现状

国外工业发达国家如加拿大、美国、法国、德国、俄罗斯等，可溶性钾盐资源丰富，主要利用可溶性钾盐生产钾肥，不仅生产成本低，加工工艺简单，而且产量大，质量优，是出口创汇的优势产品，但这些国家利用非可溶性钾矿制取钾肥的研究开展相对较少。发展中国家对于钾肥的需求较大，主要是因为国家缺少钾肥，因此这些国家为缓解资源短缺局面，逐渐对含钾岩石展开了研究探索。

3.1.2国外主要研究成果

美、法、日、前苏联等曾试用海绿石作肥料取得了明显效果。前苏联在上世纪60—70年代用海绿石粉展开试验，其结果可促进谷物生长提升谷物、蔬菜、棉花产量，同时还能提升农作物的抗病能力，自此以后，前苏联通过研究海绿石与页岩结合而改善土壤的方式，取得了良好进展。上世经50年代开始至今，日本利用粗面岩中的钾长石提钾，只初步形成了钾长石生产钾肥的趋势。然而到目前为止，未见有工业生产制造钾肥的成熟工艺报道［7］。苏联具有丰富的可溶性钾资源，但缺乏较好的铝土矿，因而苏联对不溶解性硅酸盐矿物研究利用的目的在于提铝，而钾盐或钾肥仅作为副产品回收，主要开发利用本国的霞石正长岩。截止目前，还未见工业生产上用化学法直接用不溶性含钾岩石制造钾肥的成熟工艺报道。

3.2 国内非可溶性钾的应用研究

3.2.1含钾岩石利用研究现状

我国从50年代末就开始了应用含钾岩提钾的研究，但成果和进展均不明显。非水溶性钾盐资源尚未实现工业化，其主要原因是综合利用程度低，经济上不可行，有些工艺存在设备易腐蚀，投资大，设备折旧费及成本高的缺点，虽然工艺上可行，但由于设备等原因不可行。十多年来，人们对非可溶性钾岩的研究和开发日益受到重视，对含钾岩浸出钾的综合利用研究正在进行或已列入计划［8-9］。

3.2.2含钾岩石利用研究方法

目前，国内对非可溶性含钾岩石的研究利用方法有4种途径。

（1）煅烧法或烧结法。该方法的相关研究较多，大多数是对含钾岩石在高温基础下进行锻炼，使相关结构快速被破坏，同时与其他元素相结合，从而实现钾的冶炼。其中，以碱熔法为主，以碱石灰烧结—碱浸工艺为主，在温度1 250℃、时间120 min、钙硅比2.0、碱比1.0、加入一定量CaF2焙烧后，可得到适于作硅肥使用的浸出渣，浸出液浸出率达69.44%，所得到的浸出渣中的有效SiO2含量为28.40%，有效CaO含量为51.09%，达到国家农业部硅肥行业标准（NY/T797—2004）。

（2）水热化学法。该法主要使用酸碱物质，使含钾岩石逐渐溶于相关溶液中，并达到钾离子溶解的目的，通过使含钾岩石与酸类化学物质产生反应释放出岩石中的大部分钾，但碱法工艺研究甚少。根据国外报道，温度达到200℃时，氢氧化钾溶液与页岩发生反应，使钾离子不会被水溶解，从而制成长期有效的钾盐。

（3）挥发法。长期以来我国一直致力于水泥窑灰的利用，其中水泥窑灰制取钾肥在我国的应用曾处于重要地位，并取得了良好的研究成果。用水泥窑回收钾是一种比较实用和经济的方法，其不影响水泥品质且效果显著。该技术既支撑农业生产，又具有开发利用净化烟气，消除和减少环境污染的良好前景。

（4）微生物分解法。一些能够分解钾的微生物（例如胶质芽孢杆粉）可以将含钾岩中的非可溶性钾转化为可溶性钾，植物可以直接吸收和利用。通过核幅射诱变筛选，生物法将胶质芽胞杆菌K-907作为诱变激活剂，含有钾质岩石的结构钾转化为水溶性钾，将钾、磷等微量元素分解为营养素、氮素外释放作物生长激素，促进作物育种。整地施肥能减少氯化钾的施用，说明活化后的含钾肥可吸收磷、钾，提高作物产量。岩浆活化后含钾岩的特征可以避免作物后期钾供应不足，并能弥补作物早期钾供应不足，提高作物抗病性。

3.2.3含钾砂页石利用研究进展

上述介绍的含钾岩石提取钾方法大都是利用钾长石提取钾，而该调查主要针对含钾页岩，其主要成分为伊利石。目前国内含钾砂页岩资源地开发利用尚未产业化，仍处于试验或开发性论证阶段，利用研究具体如下。

（1）原建工部建材科学研究院采用庞家堡含钾页岩加石灰岩、砂岩作原料，生产水泥和钾肥，钾肥中K2O含量在20%以上。生产的水泥熟料大约25 t可产钾肥1 t。

（2）近年来，北京市琉璃河水泥厂用长城系含钾页岩作水泥配料，在1 300～1 500℃高温下，回收窑灰钾肥。回收的钾肥主要成分为硫酸钾、碳酸钾，其次为硅铝酸钾，折成氧化钾（K2O）含量可达75%。

（3）贵州远盛钾业科技有限公司采用山东科技大学低温催化法生产工艺，利用铜仁地区含钾页岩（K2O达8.9%，最高达9.9%）制取钾肥，预计一期项目建成后，将年产硫酸铵钾2万t，白炭黑1.4万t，氢氧化铝0.5万t，年产值达1亿元以上。

（4）唐山市化工研究所曾用石膏法进行试验，用含钾页岩加石灰石、石膏，三者比例为1∶1∶0.5，获得的化肥成品（化学成分为K2SO4）质量较纯，含K2O高达45%～50%，折成硫酸钾为83.25%～93%，工艺操作简单，杂质不需分离即可作肥料使用，其优点是提取率高，不足之处是残渣太多，导致成本较高。

4 结语

（1）在完成对河北省区域调查和重点矿区勘查的基础上，进一步了解了含钾页岩矿的赋矿层位，对河北省长城系下部地层中含钾岩石的远景资源量进行了预测，为进一步开展地质普查找矿及开发利用提供了参考依据。

（2）对河北省的含钾页岩矿划分出1个A级和2个B级成矿远景区，即冀西北A级成矿远景区、冀东平泉B级成矿远景区、冀西南涉县B级成矿远景区。全省预测含钾页岩矿334远景资源量11.01亿t，其中冀西北2.29亿t，平均品位8.10%；冀东平泉0.32亿t，平均品位7.26%；冀西南涉县8.40亿t，平均品位9.40%。