焦作地区粘土矿成矿地质特征研究

2021-05-24段世轻

西部探矿工程 2021年6期

段世轻，魏磊

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，河南郑州450001）

耐火粘土是我国的优势资源，是多种矿物的混合物，具有较高的耐火度，在高温条件下能保持体积的稳定性，并具有抗渣性、对急冷急热的抵抗性，以及一定的机械强度，经煅烧后异常坚硬。耐火粘土依其理化性质和矿石特征，广泛应用于冶金、建材、研磨、化工和陶瓷等行业。我单位在焦作地区为企业找寻了大量耐火粘土，保障了当地耐火粘土企业的生产，为国家建设做出了应有的贡献。借鉴前人工作成果对这一带粘土矿成矿地质特征进行归纳研究、探讨，为该地区粘土矿找矿提供指导意义。

焦作地区位于华北地台区，太行山台拱与华北坳陷的接壤地带，地层沉积具“华北型”地质特征[1]，区域构造属新华夏系华北坳陷之太行山隆起，区域沉积矿产较为丰富，主要矿种有煤矿、耐火粘土矿、铝土矿、硫铁矿、“山西式”铁矿、石灰岩及白云岩等矿产，其中耐火粘土矿和煤矿为区域内的主要优势矿产，全国闻名。

1 含矿岩系及成矿性

1.1 含矿岩系

石炭系本溪组为区内耐火粘土矿含矿岩系，下伏于区内中部二叠系和石炭系太原组，平行不整合于奥陶系白云岩之上。本溪组岩层呈单斜形态，总体倾向南东，倾角一般0°～15°，产状较平缓，层厚6.24～21.81m，平均厚度14.59m。沁阳常平粘土矿层厚大约20m，到焦作西江岭一带层厚约14m，至焦作东寺岭层厚变薄，大约11m左右；含矿岩系由西向东，厚度由厚变薄（见图1）。

1.2 含矿性

图1 含矿岩系厚度变化示意图

本溪组为粘土矿的含矿岩系，分为三个岩性层。

下部粘土岩：底部粘土质页岩、中部绿泥石岩、上部粘土质绿泥石岩。下矿层位于粘土质页岩中，单孔见矿，不具工业价值；

中部铝土质粘土岩：粘土岩或铝质粘土矿、铁矾土，中矿层位于粘土岩中，具工业价值；

上部粘土质砂质页岩：底部为粘土质页岩、砂质页岩、炭质页岩，中部粘土质绿泥石岩，上部粘土质页岩或杂色粘土岩上。上矿层位于粘土质页岩中，局部具工业价值。

根据钻孔揭露，含矿岩系的完整度影响到三个矿层发育齐全的程度；同时，含矿岩系的厚度决定着矿层的总厚度，两者呈明显的正比关系[1]（见图2）。

该含矿岩系厚度与下伏奥陶系古地形关系密切，厚度变化大，一般在古风化面低凹处沉积厚度大，隆起处厚度薄，一般厚15～20m。总的趋势是沿走向西薄东厚，其间有两个厚度较大的地段，焦作市及以东的上刘庄一带，含矿岩系厚22～30m。在倾向上、北薄南厚。一般含矿岩系厚度增大，矿层亦变厚，但含矿岩系厚度太大对成矿亦不利，当含矿岩系的岩性以粘土岩—铁质粘土岩为主时，矿层较厚，而当铁矿、黄铁矿、砂岩、炭质页岩，煤层发育时，粘土矿薄或尖灭。

图2 含矿岩系厚度与矿层总厚度曲线图

2 矿体地质特征

本区粘土矿上、下矿层呈透镜状，小而分散，以软质粘土矿Ⅱ级为主；中层矿沿走向、倾向延伸分布稳定，以高铝、硬质粘土矿为主，矿体规模简单，呈层状分布。

2.1 矿石质量特征

2.1.1 矿石结构构造

矿石结构主要为泥质结构，次为鲕状结构、豆状结构、显微鳞片结构和粒状结构。矿石构造以块状构造为主，部分为层状构造、土状构造，少量微层状构造。

2.1.2 矿石类型

按结构、构造可分为五种矿石自然类型：

致密块状矿石：为区内主要矿石类型，质量最佳，硬质粘土矿中最为常见，高铝粘土矿中亦可见到。

豆鲕状矿石：仅零星分布，为高铝粘土矿的主要矿石类型，硬质、软质粘土矿中少见。

松软土状矿石：软质粘土矿的主要类型之一。

碎屑状矿石：仅在区内零星分布，多见于高铝粘土矿中。

页片状或薄层状矿石：软质粘土矿中较为常见。矿石工业类型按耐火材料工业部门对矿石的利用程度可划分为：

高铝粘土矿：Al2O3＞50%，其余指标符合工业要求。

硬质粘土矿：Al2O3在30%～50%之间，其余指标符合工业要求者。

软质粘土矿：Al2O3在22%～30%之间，其余指标符合工业要求者。

2.2 矿石矿物成分

高铝粘土矿石:深灰色、灰色，参差状断口，坚硬，泥质—显微晶质结构，豆—鲕状构造。矿物成分主要由一水硬铝石、叶腊石组成，杂质矿物为褐铁矿、黄铁矿、电气石、金红石、锆英石、高岭石、石英和方解石等。

硬质粘土矿石：深灰—浅灰色，质硬稍具滑感，部分具贝壳状断口，少部分含植物化石，泥质结构，块状构造。矿物成分以叶腊石、一水硬铝石为主，其次为水白云母、方解石、褐铁矿、石英、金红石等。

软质粘土矿石：白色、灰白色，质软染指具滑感，遇水可呈胶泥状，泥质结构，块状构造。矿物成分主要为高岭石、白云母，其次为电气石、金红石、赤铁矿、褐铁矿等[2]。

2.3 矿石化学成份

矿石化学成份主要由Al2O3、TiO2、Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等组成。其中，Al2O3、TiO2为矿石有益组分,Al2O3含量在24%～60%，TiO2含量在1.46%～2.26%之间。Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等为有害组分。矿石主要组分变化情况如图3所示。

Al2O3：为矿石最重要的有益组分，其含量高低是划分矿石类型和品级的主要依据，同时也决定着矿石的物理性能。在空间上，上层矿Al2O3含量一般在23.91%～30.05%之间，故上层矿为软质粘土矿。下层矿含量在36.03%～60.14%之间，故以硬质粘土矿为主，次为高铝粘土矿石。在下层矿中部，Al2O3含量高于矿层的顶部和底部，所以中间常夹高铝粘土矿石，底部和顶部为硬质粘土矿。从整个含矿岩系来看，由下而上Al2O3含量由高变低，其主要赋存于水铝石、高岭石、叶腊石、水云母等矿物中。Al2O3与Fe2O3、SiO2、CaO、TiO2、R2O（K2O、Na2O）变化关系见图4。

TiO2：含量一般在1.46%～2.26%之间，主要赋存于金红石等矿物中，含量不高，为矿石有益组分。

Fe2O3：含量一般在0.80%～3.38%之间，主要赋存于褐铁矿、黄铁矿、赤铁矿等矿物中。褐铁矿主要呈薄膜状集中分布于矿石节理裂隙中，亦有少量呈似鲕粒状散布于矿石中，为矿石主要有害组分。部分粘土矿石仅因其含量高而被列入铁矾土。从图5中可以看出，在Al2O3+TiO2含量基本接近的情况下，Fe2O3含量低者，矿石耐火度高；Fe2O3含量高者，矿石耐火度低。

CaO：含量一般在0.80%～3.38%之间，主要赋存于微粒状方解石和淋滤在矿石节理裂隙面上的碳酸盐类矿物中，为高铝粘土矿石的有害组分之一。在矿区由于其含量低，对矿石的影响不大，仅有极个别样品因其含量稍高而被划入铁矾土中。

K2O:含量在0.26%～2.17%之间，主要赋存于云母类矿物中，其含量会降低矿石耐火度，为矿石的有害杂质。其含量与Al2O3含量成反比关系。故软质粘土矿中K2O含量高于高铝粘土矿石中的含量。

Na2O:含量一般在0.06%～0.18%之间。为矿石有害组分，由于含量低，对矿石影响不大。

SiO2：含量一般在24.95%～56.04%之间。赋存于石英和硅酸盐矿物中。矿石中SiO2与Al2O3在含量上成高低相对负相关关系。SiO2含量高时则Al2O3含量低，反之亦然。

烧失量（L0SS）：软质粘土矿石含量在8.29%～12.41%之间；硬质粘土矿石含量在10.91%～13.91%之间；高铝粘土矿石在13.54%～14.43%之间。其与Al2O3含量成同升同降的正相关关系。

Li2O:是粘土矿石中伴生的主要稀有金属，含量一般在0.1%以上，最高达1.068%。其赋存状态尚未清楚。在粘土矿层中锂极为富集。粘土矿有上下两层含矿层位，以下层矿为主。锂也分上下两个含矿层位，亦以下层矿中含锂最为丰富[2]。

2.4 矿石品级

本区粘土矿石按矿石理化性能可划分为四类十三级[2]，详述如下：

（1）高铝粘土矿石，分三级：高铝Ⅱ甲级品（GⅡ甲）、高铝高铝Ⅱ乙级品（GⅡ乙）、高铝Ⅲ级品（GⅢ）。

（2）硬质粘土矿石，分四级：硬质特级品（YO）、硬质Ⅰ级品（YⅠ）、硬质Ⅱ级品(YⅡ)、硬质Ⅲ级品（YⅢ）。

（3）软质粘土矿石，分三级：软质Ⅰ级品（RⅠ）、软质Ⅱ级品(RⅡ)、软质Ⅲ级品(RⅢ)。

（4）铁矾土矿石，分三级：铁矾土Ⅰ级品（TⅠ）、铁矾土Ⅱ级品(TⅡ)、铁矾土Ⅲ级品(TⅢ)。

3 矿床成因

本区粘土矿位于华北地台，为古陆边缘地带，奥陶系经受漫长的历史时期的风化剥蚀作用，形成准平原岩溶地形，为沉积粘土矿提供了沉淀场所；矿体赋存层位位于中石炭系地层中下部，由下往上沉积层序：中奥陶系灰岩（侵蚀面）→铁铝硅酸盐→高铝粘土矿→粘土质岩石→上石炭系石英砂岩或燧石灰岩，为海进沉积层序。矿石为致密块状、豆、鲕状矿石主要为叶蜡石及一水硬铝石。综上所述，本区高铝粘土矿、硬质粘土矿的形成过程为：在中奥陶系以后，由于地壳上升，海水退出地面形成陆地，奥陶系灰岩经受长时期的风化剥蚀作用，是奥陶系石灰岩形成准平原岩溶地形。到中石炭系时期，地壳下降，海水慢慢浸入准平原内，由于海水的浸入，铁、铝物质成为胶体进入海水中，经较短距离搬运，在奥陶系侵蚀面上，各种元素按着化学特征先后沉积，其中铁在氧化电位高，pH值＜2.3时沉淀，铝在氧化电位较低，pH值=4.1时，使铝胶体凝结成胶状水化物（水铝石）在近海岸线沉淀下来，形成粘土矿层[3]。