山西左权县玄武岩开发利用探讨

陈 勇

(中国建筑材料工业地质勘查中心山西总队，山西 太原 030031)

玄武岩纤维已发展60余年，前苏联乌克兰科学研究院于1959～1961年制备出首例玄武岩纤维(CBF)，随后玄武岩纤维厂的制造产能和性能都逐渐提升。国内最早于1990年涉及玄武岩纤维制造[1]，目前主流采用铂铑合金拉丝漏板，在研工业级金属化陶瓷制造玄武岩拉丝漏板[2]。玄武岩纤维稳定性好，且具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能[3]。我国已把玄武岩连续纤维列为重点发展的四大纤维之一，在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护等领域得到广泛应用[4]。经多年玄武岩纤维制造企业实践，我国制定了GB/T 38111-2019《玄武岩纤维分类分级及代号》标准[5]。

由于玄武岩具有抗压强度大、压碎值低、导电性弱和沥青粘附性强等特点在修筑公路、铁路、港口码头、机场跑道等工程中大量使用。相较于灰岩及白云岩石料，建筑用玄武岩石料更加耐磨、吸水率更低、抗腐蚀性更强，可有效避免钢筋锈蚀等问题，使其在近年的工程中发展成为陆路运输等建筑物良好基石[6]。

左权玄武岩勘查资料较少，1972年对区内的玄武岩进行了形态分布等简单描述[7]，将其定位于喜马拉雅第三期产物。随后徐荣[8]对其进行了地球化学特征描述和岩石学成因分析，认为此期玄武岩的形成与早期的古亚洲洋向南俯冲或者特提斯大洋板块向北俯冲有关。研究区内玄武岩未进行大规模矿产开发，根据野外调查及访问当地居民，仅有少量玄武岩石料用于修筑附近的高速公路。

本文基于山西省左权县一带出露的新近纪致密状玄武岩，对比国际上较成熟的格鲁吉亚玄武岩展开地球化学研讨，同时选定部分样品开展岩石物理性能测试，尝试提供科学、合理的矿产资源综合利用方案。

1 产出特征

研究区所属大地构造位置为“山西中、北部较大型的多字型构造”的东南端。本区Ⅰ级构造为太行隆起、沁水沉降带[9]。Ⅲ级大地构造单元处于太行拱断束上，东面紧邻武安盆地，西临太行山西缘断裂带(在山西部分又称为晋获断裂带)中的松烟—柏官庄断裂[10]。

研究区内玄武岩出露形态较为简单，主要为平缓波状、层状体，下伏为寒武及奥陶系碳酸盐岩地层，上部被新近系及第四系粉细砂岩及黄土不整合覆盖。由东向西逐渐变厚，百草坪附近的玄武岩地层较薄，约10m左右，在羊角乡一带厚度逐渐加深，最大可达近百米。研究区仅有气孔状、杏仁状和致密状三种类型玄武岩，气孔状及杏仁状分布于地层上部，厚度1～5m不等，下部多数为灰黑色致密状玄武岩。

研究区玄武岩下伏主要为寒武系和奥陶系碳酸盐岩，出露厚度最大的中奥陶统碳酸盐岩的沉积厚可达560m，在百草坪至西见沟附近，下伏地层为前寒武系变质结晶基底。中新世末期到早更新世初期喷发产物在原U型盆地中(羊角乡一带)沉积了中—厚层状玄武岩[10](图1)。Tang等[11]对研究区玄武岩进行了年代学研究并指出其喷发于5.6Ma，野外地质调查发现局部玄武岩被新近纪土黄色细粉砂岩呈角度不整合覆盖，故左权一带玄武岩的喷出时代为新近纪。

图1 研究区地质图(据参考文献[10]修改)

2 岩石学特征

2.1 岩石特征

气孔状及杏仁状玄武岩多见于喷发旋回的上部，灰—灰黑色，局部见红褐色，隐晶质结构，气孔状、杏仁状构造。气孔及杏仁含量20%～30%，多者可达40%以上(图2a)。野外可见部分气孔被火山灰等物质充填，气孔大小为0.5mm～10cm(图2b)，多数集中在1～2cm，形态以不均匀椭圆者为主。

致密状玄武岩多为灰黑色，风化面为灰褐色，斑状结构，块状构造，含极少量的气孔。斑晶为橄榄石、辉石和斜长石，斑晶大小1～2mm，板状，基质为长石类的浅色矿物和辉石类的暗色矿物(图2c、d)。

图2 左权玄武岩野外特征

2.2 化学特征

由于气孔状或杏仁状玄武岩在研究区分布较小、层厚较薄，致密状玄武岩为研究区主要岩性，故本次研究仅对30件致密状玄武岩进行了测试及分析。测试结果见表1，左权玄武岩在TAS分类图解中落入玄武岩区域[12]。

表1 左权玄武岩化学成分及拉丝性能评价指标对比表

玄武岩纤维矿产开发最成熟的是格鲁吉亚玄武岩，因此国际上常将原料化学指标同格鲁吉亚玄武岩对比。差异比较明显的为SiO2，左权玄武岩SiO2含量平均48.21%，小于格鲁吉亚玄武岩的51.65%，硅含量的降低可能影响玄武岩纤维拉丝的连续性。其次，我国宁安镜泊湖、浙江石金、山西晋投等玄武岩纤维生产公司根据多年研发、生产经验，认为生产玄武岩纤维所用玄武岩原矿石的化学成分范围为：SiO245%～60%、Al2O312%～19%、Fe2O3+FeO 5%～15%、CaO 6%～12%、MgO 3%～ 7%、Na2O+K2O 2.5%～6%，其 他 杂 质 为2%～ 3.5%[4]，左权致密状玄武岩均落入推荐值内，因此左权致密玄武岩适合作为生产玄武岩纤维的原料矿石。

3 性能评价

3.1 玄武岩纤维可利用性评价

目前国内外并未就连续纤维用玄武岩矿产勘探开发定制具体的行业标准或国家标准，俄罗斯多曼诺夫曾提出生产玄武岩纤维所用矿石化学成分的要求[13]，评价其是否可用作玄武岩纤维用原料矿石，主要参考酸度系数[14]、铁物相比值和粘结度系数3项指标判别玄武岩的拉丝性能[13]，具体计算公式及指标如下：

①酸度系 数：5.8≥[ω(Al2O3)+ω(SiO2)]/[ω(CaO)+ω(MgO)]≥4.3；

②铁物相比值：ω(FeO)/ω(Fe2O3)≥ 0.5；

③粘结度系数：[ω(2Al2O3)+ω(SiO2)]/[ω(FeO)+ω(2Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+ω(K2O)+ω(Na2O)]≥1.5。

研究区样品酸度系数介于4.16～4.69，平均4.30；铁物相比值介于0.88～3.20，平均1.92；粘结度系数介于2.29～2.51，平均2.41，研究区矿石作为玄武岩纤维用原料矿石完全满足要求。

在拉丝过程中，玄武岩熔体有不同程度的析晶倾向，这种析晶倾向称之为析晶性能。在纤维的生产中，析晶是绝对不允许的，它将导致纤维的断裂，强度降低。为避免拉丝时产生析晶现象，成型温度必须要高于玄武岩的析晶温度。一般的拉丝作业中使漏板温度大于析晶上限温度40～50℃为佳，所以，测定析晶上限温度是决定成形温度的关键。赵雪妮等[15]利用热重—差示扫描热量法(TG-DSC)对陕西略阳玄武岩矿石原料进行了完全熔化温度和最高析晶温度进行了量化表征，因此，建议后续需采用TG-DSC法进一步掌握左权玄武岩作为玄武岩纤维原料的关键温度参数。

3.2 建筑用石料评价

在致密状玄武岩中选取了部分副样进行了物性测试(表2)，左权致密状玄武岩放射性为0.1 Bq·kg-1；抗 压 强 度(水 饱 和)平 均107MPa；碱 活 性 为0.023%；坚 固 性9.50～19.0mm为0.3%～0.8%；4.75～9.50mm为0.9%～1.6%；压碎指标为10%～14%；硫酸盐含量0.01%；硫化物含量0.096%～0.21%，根据《矿产地质勘查规范 建筑用石料类》要求[16]，满足建筑用石料玄武岩各项物性指标，已有大量研究证明，玄武岩作为建筑用石料价值极高[17-18]，由于其附加价值极高，只进行简单的破碎用作路基的垫石或混凝土骨料，则会造成矿产资源价值大打折扣，因此需寻求更科学的矿产资源综合利用方案。

表2 左权玄武岩物性测试表

4 结论和建议

(1)符合玄武岩纤维指标。

对左权30个致密状玄武岩进行主量元素测试，经计算酸度系数、铁物相比值和粘结度系数指标，对比玄武岩纤维原料矿石推荐值、格鲁吉亚玄武岩化学成分，研究区致密状玄武岩可以作为玄武岩纤维原料矿石。

(2)符合建筑用石料指标。

对致密状玄武岩进行了物性测试，结果显示满足建筑用石料的各项指标，仍需对气孔状及杏仁状玄武岩进行测试及矿产资源评价。

(3)开发利用建议。

建议用热重—差示扫描热量法(TG-DSC)进一步判断研究区各类型玄武岩析晶温度及完全熔融温度，为后续生产玄武岩纤维提供价值数据。

考虑矿产资源综合利用，采用综合开发方式，将不满足玄武岩纤维原料的夹层及顶板气孔状或杏仁状玄武岩用作建筑石料用玄武岩原料。