辉绿岩饰面石材矿废石利用探讨

谭 均

(中国建材地质勘查中心河北总队保定，河北 保定 071051)

研究区为华北地台北缘的内蒙丰镇、山西浑源、河北阜平一带，研究对象是曾大规模地开采饰面石材用辉绿岩矿遗留下的大量“废石”。以前主要对辉绿岩用于饰面石材作了大量研究工作，而辉绿岩饰面石材矿采后废石的利用被忽视。本文是对此区带辉绿岩已采饰面石材矿废石利用的研究。主要探讨饰面石材矿“废石”适宜生产的产品及产品市场前景，分析饰面石材矿废石利用的可行性。

1 辉绿岩地质背景及开发中存在问题

1.1 辉绿岩地质背景及资源特征

(1)分布特征：在华北陆块北缘，受继承性基底断裂控制，由北西到南东在内蒙丰镇、山西浑源、大同、河北阜平、灵寿一带分布着方向稳定、平行分布的基性岩墙群，一般倾向北东，倾角70～90°呈斜列式排列，间距十几米至几百米，该岩墙(脉)群带总长250km，宽约50km，在两端丰镇以北和灵寿境内有所收窄，露头时隐时现[1](图1)。单个岩墙(脉)宽0.5～100m，一般宽度10～30m，长度数公里至数十公里，宽度与长度大体成正比，与围岩界面平直。古元古代晚期以辉绿玢岩为主，中元古代早期以辉绿岩为主，两期叠置，规模宏大，是吕梁晚期和晋宁早期岩浆事件[2]。

图1 华北陆块北缘丰镇—阜平一带基性岩脉地质分布略图

(2)岩性特征：辉绿岩呈灰黑色，辉绿结构，辉绿—辉长结构，块状构造。主要由斜长石(60%)、普通辉石(30%)及少量角闪石(5%)、石英(＜5%)及磁铁矿、磷灰石、黑云母、碱性长石组成。偶见橄榄石斑晶，斜长石(An=59)，呈自形—半自形板状，粒径0.3～2mm，具聚片双晶和钠长石双晶，可见环带构造，局部强绢云母化，黝帘石化。普通辉石呈半自形—他形粒状，粒径0.2～1mm，具弱多色性，晶体内常有他形粒状磁铁矿分布。角闪石柱状，柱径0.3～0.5mm，多色性明显，与辉石紧密伴生，发育次闪石化。辉绿玢岩，呈灰黑色，斑状结构，基质为辉绿结构，块状构造。斑晶是斜长石(An=71)，呈半自形—自形宽板状，双晶发育，粒径3～5mm，局部绢云母化，黝帘石化，含量约5%，基质由基性斜长石(57%～60%)、单斜辉石(33%～35%)并含少量石英(1%左右)、钾长石(2%左右)、黑云母(2%左右)、角闪石(5%左右)。部分岩石发生了变质，出现了角闪石和斜长石等变质矿物组合。

(3)化学成分(表1)：据区域地质调查和辉绿岩专项调查，在内蒙丰镇大白沟、山西浑源小单窝和河北阜平砂窝辉绿岩脉上取样分析结果看，辉绿岩脉Al＜Alk+C，岩石均属于正常类型，沿走向由北西的内蒙丰镇到河北阜平，岩脉基性程度有所增加，总体变化不大，呈渐变式。丰镇和浑源的辉绿岩里特曼指数δ分别为4.61、6.34属碱性系列。阜平辉绿岩里特曼指数δ平均为3.61，属次钙碱性，A/CNK=0.576，表明岩石具准铝质特征，m/f=0.78，属于吴利仁划分的富铁质基性岩。阜平辉绿玢岩里特曼指数δ平均为1.21，属钙碱性系列，A/CNK=0.651，表明岩石具准铝质特征，m/f=1.09， 属于吴利仁划分的铁质基性岩。阜平的辉绿岩与辉绿玢岩相比，前者TiO2、K2O、P2O5相对偏高，而Al2O3、MgO、CaO相对偏低，前者属高铁玄武岩系列，后者属于含镁较高的拉斑玄武岩系列。后者岩浆受陆壳物质的明显混染，前者岩浆也受到混染，但混染程度弱于后者。由阜平的辉绿岩看，稀土总量高，轻重稀土分馏中等，与大陆碱性玄武岩稀土模式特征相似，形成于早前寒武纪变质基底拉张裂解的非造山构造环境，属于碱性玄武岩系列，来源于“富集性”母源，具原始地幔经部分熔融的特点；阜平的辉绿玢岩稀土总量低，轻重稀土分馏极弱，与K.康迪的THZ型拉斑玄武岩稀土模式特征相同，形成于造山带构造环境，属于亚碱性拉斑玄武系列，来源于“亏损性”母源，部分熔融程度较高，具大陆壳火山岩特点[3]。

表1 基性岩化学成分一览表 (单位：%)

(4)物性特征：经对本区域河北阜平砂窝、山西浑源小单窝辉绿岩取样物性测定，岩石较为坚硬，抗压、抗折、抗剪强度较高，耐酸碱性能好(表2)，放射性测试结果与JC518-93《天然石材产品放射性防护分类控置标准》及(6566—2001)国家标准对比，其适用范围不受限制。

表2 主要物理特征一览表

1.2 辉绿岩开发现状及存在的问题

在20世纪80年代开始，个体开矿业主曾对辉绿岩资源进行过“疯抢式”开采，早期只开采饰面石材，采优弃次，仅采大规格和高档次的石材荒料，其余均作为废石处理。在内蒙丰镇的白塔沟、山西浑源的小窝单和河北阜平的砂窝等地曾采出过名贵的饰面石材“中国黑”[4-6](丰镇黑、阜平黑)。在本区带经几十年的饰面石材矿开采，形成了大量的采坑和废石堆，仅阜平境内采坑就不下50余处。采深一般为100～200m，采坑掌子面70～90°。辉绿岩饰面石材荒料率一般不超20%，80%为废石(不能成荒的碎石)，根据最近辉绿岩饰面石材矿核实报告，仅阜平境内估算废石量就达4 500万m3。早期废石一般是顺坡向下倾倒，或运至附近地势低洼处，后期多是堆放在采坑内。

2 废石利用探讨

2.1 辉绿岩国内外综合利用现状

主要利用辉绿岩物理性能(美观、耐磨、抗压、抗折等)的产品，常见的是饰面石材(墓碑、台面、门柱、工艺石料等)，还可用于建筑石料、高速公路铺路石料、沥青混凝土碎石、铸石以及各种设备(如搅拌机、传输带)的衬里和各种形式的零件(如接头、套管、炉栅等)。

主要利用辉绿岩化学性能(耐酸、耐碱、防腐等)的产品，有化工粘胶用粉料、耐酸碱的涂料、水泥混合材等。

20世纪80年代前苏联及西欧就有一些用玄武岩生产高质量纺织纤维的工厂[7-8]，美国玄武岩纤维材料已达1 000～1 500t/a[9]。国内纤维、岩棉、铸石材料及制品的生产，在21世纪也取得了较大的发展，2002年国家把纤维生产列入“863”计划，2010年底我国岩棉大型生产企业已达8家。建筑外墙保温用岩棉制品、铸石制品已被广泛应用。与玄武岩地表分布较为广泛有关，以前上述产品多以玄武岩为主要原料。

纤维、岩棉、铸石材料及制品，都是经高温熔融后制成，熔体中化学成分以氧化物、离子方式对产品的加工、成型和产品性能发挥作用，对岩石块度没有要求，使饰面石材矿废石利用成为可能。

关于纤维、岩棉和铸石主要矿石原料我国有一般参考工业指标[10]、建材工作指南和一些实验参考数据，如中国科学院矿产资源研究重点实验室刘建明教授的《建立制造连续玄武岩纤维的原料筛选方法与数据库》、东南大学刘建勋博士的《玄武岩拉丝原料控制技术与熔化炉优化升级关键技术开发与示范》[11-18]、上海俄金等企业的纤维组分值、四川点石玄武纤维科技有限公司提供的生产合格值指标、以及南玻院和一些生产厂家的参考指标。综合国内外十余家生产和研究单位的玄武岩产品的主要化学成分值合并统计，发现SiO2、Al2O3、CaO、MgO值域范围较宽(表3)。生产过程中允许这些化学成分含量有较大的波动，由于熔化技术、生产工艺及厂家质量要求不同，原料标准要求也不尽一致。但对配料后的酸度系数MK、粘结度系数Mb和FeO/Fe2O3值有一般要求、原料、配料比例也有一些经验值，下面归纳列举岩棉、纤维、铸石生产和研究单位的一些参考指标和经验数据。

表3 玄武岩产品主要化学成分指标 (单位：%)

(1)岩棉：一般要求，SiO2＜52%，MK以1～ 3.5为宜，配料后的MK＞1.2～1.3，炉料要求MK≥1.5。同时考虑矿物或岩石机械性能、快度的机械强度、溶解温度及熔融状态材料的粘结性。一般要求Mb＞1.2(在1.2～2之间)，生产岩棉玄武岩为主料，还需配料石灰岩和白云岩，比例为7∶2∶1。岩棉帕沃可标准，要求烧失量≤2%，对K2O+Na2O没有要求。四川帕沃可矿物纤维制品有限公司玄武岩岩棉生产试作配方为：玄武岩270kg、白云岩70kg、水渣型球180kg、焦炭98kg，理论MK1.75。

(2)纤维：一般认为，最适合拉丝的组分要求是：SiO2为50%～58%，(Fe2O3+TiO2)≤11.5%，烧失量＜3%。依据吴智深等的专利③“一种连续玄武岩纤维的生产方法”(编号CN10639421A)。，成纤MK≥3(以3.5～5最佳)；Mb≥1.5；FeO/Fe2O3≥0.5。酸度系数是一个综合表达玄武岩熔体高温粘度、成纤性能、易熔性和化学稳定性和重要参数[19]。其值越高，表明熔体粘度越大，纤维拉丝成型工艺要求难度越大。拉丝玄武岩推荐值，专家建议：CaO＞12%会影响粘度，避免CaO＞12%的原料。一般要求Mb＞1.2～2.0。FeO 8%～14%。

酸度系数计算公式为：MK=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)；

粘结度系数计算公式：Mb=[m(SiO2)+2m(Al2O3)]/ [2m(Fe2O3)+m(FeO)+m(CaO)+m(MgO)+m(K2O)+m(Na2O)]。

式中：m为各氧化物的分子数。

(3)铸石，铸石要求玄武岩原料细粒、均匀、未风化、不含捕虏体和大于2mm的橄榄石和辉石斑晶。

2.2 饰面石材矿废石可利用性分析

(1)适宜产品。

辉绿岩国外又称粒玄岩(Dolerite)，商业上称其为暗色岩。辉绿岩属于基性岩的浅成相，与喷发相玄武岩、超浅成相辉绿玢岩、深成相辉长岩化学成分相似，可以开发与玄武岩类似的产品。一般辉绿岩化学成分稳定，SiO2含量较玄武岩稍高，K2O、Na2O含量较玄武岩少，含微量TiO2，稍加碱性调节辅料，酸度系数就可达到成纤要求。因此熔体质纯，制得的纤维化学性稳定。辉绿岩不含或很少含石英和游离氧化硅，岩石均质、细粒，不含大斑晶和外来杂质，可用于生产铸石。据苏良赫、列别金斯基等研究，我国大多数玄武岩、辉绿岩宜作铸石原料[19]。国内外均有用辉绿岩生产铸石、岩棉的先例，如捷克生产岩棉也用内生成因的基性岩。我国陕西略阳田坝曾以辉绿岩为主要原料生产铸石，配比为：辉绿岩78%、铬铁矿8%、角闪石8%、白云岩4%、萤石2%。

由前述阜平辉绿岩特征看，辉石颗粒仅个别大于2mm。可用于生产铸石产品，由辉绿岩物性特征(表1)看，满足饰面石材和铸石要求。由表2与表3、表4比较，可见阜平辉绿岩化学成分值均在纤维、岩棉和铸石产品要求的幅度内，SiO2含量略低于50%，与拉丝最佳值要求下限接近。丰镇和浑源的辉绿岩化学成分值在纤维原料要求值幅内，但是SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O值比岩棉和铸石原料要求值偏高。

经计算，阜平辉绿岩的MK值为4.68、4.53、4.82、3.71在成纤最佳值域(3.5～5)。阜平辉绿岩的Mb值 均≥1.5，为1.94、1.96、1.70、1.98。FeO/Fe2O3值 为0.45、1.0、0.74；阜平辉绿 玢岩MK值 为5.59，略 高，Mb值 为2.17，FeO/Fe2O3值为0.63。丰镇和浑源的辉绿岩MK分别为7.24、6.11；Mb分 别为2.47和2.12，FeO/Fe2O3=0.20。

由酸度系数MK值、粘结度系数Mb值看，丰镇、浑源和阜平的辉绿岩都适合成纤，除阜平辉绿玢岩外，FeO/Fe2O3值都＜0.5，需通过配料调剂达到要求。阜平辉绿岩大部分不需调节，小部分稍加辅料调节即可，属于质纯原料，能生产出化学性稳定的纤维产品。丰镇、浑源和阜平的辉绿岩酸度系数和粘结度系数都超出了岩棉原料要求的酸度系数和粘结度系数的要求范围，主要是酸性较大，需加石灰岩、白云岩等配料向基性方向调剂。

根据苏良赫、列别金斯基等设计的铸石Sal-Cafem、ALK三角图解(图2)，阜平辉绿玢岩样品和部分辉绿岩样品投点于适宜铸石的虚线范围内，丰镇、浑源和阜平部分辉绿岩样品投在虚线范围外围，属于不适宜作铸石的范围。主要是SiO2含量偏高，但是可以通过添加配料调剂达到要求。

图2 铸石Sal-Cafem、ALK三角图解

(2)产品市场前景。

在华北地区，雄安新区正在大规模地进行城市建设，像保定这样的中等城市也在不断地扩建中，未来对环保、节能产品需求量巨大。纤维、岩棉、铸石产品及生产符合低碳节能减排趋势和国家的产业政策，正面临前所未有的发展机遇和挑战。因此纤维、岩棉、铸石产品市场前景非常光明。

3 结论与建议

丰镇、浑源和阜平的辉绿岩、辉绿玢岩均适宜于成纤。阜平辉绿玢岩、辉绿岩适宜于铸石，但部分辉绿岩需要添加调剂辅料。丰镇、浑源、阜平的辉绿岩、辉绿玢岩要生产岩棉，丰镇、浑源的辉绿岩、辉绿玢岩要生产铸石，均需不同程度地添加调剂辅料。

辉绿岩有较独特的物理、化学属性(如耐酸耐碱防腐蚀、耐磨，其产品具防火、防水、隔声、隔热、保温、轻质、节能、电绝缘等特性)，资源是珍贵的，随着科技进步、生产技术水平的不断提高，其产品领域会进一步拓宽。开采辉绿岩饰面石材矿的“废石”一定要分类堆放(不要与围岩混杂)，以备综合利用，避免过度分散致资源价值灭失。矿产资源是不可再生的，要树立科学发展、新发展、持续发展的理念，节约矿产资源，采矿方式必须由粗放式转变为集约式，切实执行矿产资源利用“三率” 最低指标[20]要求。要物尽其用，提高矿产资源综合利用能力。应当把此作为矿产开发中政府指导、监督和干预的一项重要责任。