我国皂土矿床地质特征

2022-05-09张小林

中国非金属矿工业导刊 2022年2期

颜开，杨刚，赵青，张小林

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心(中国非金属矿工业有限公司)，北京 100035；2.中国科学技术信息研究所，北京 100038；3.中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队，新疆乌鲁木齐 830000)

皂土理化性能优异，被广泛应用于日化、医药等领域。世界皂土年产量约55.5 万t[1]，绝大部分产于美国，其汉克托锂皂土矿床已开采80 余年，年产能1 400t；阿马戈萨锂皂土矿年产膨润土和锂皂土4 000t[2-3]。我国皂土矿勘查工作可上溯到20 世纪50 年代，截至目前仅新疆和辽宁有探明储量的皂土矿产地，且新疆唯一一处皂土矿—托克逊县榆树沟皂土矿年产量仅50t[2-3]，目前已停产[4]。我国皂土矿资源稀缺，皂土矿的勘查和研究工作尚处于起始阶段，加强皂土资源找矿意义重大。本文通过对我国皂土矿床地质特征和矿床成因类型归纳总结，期望对皂土矿找矿勘查提供参考。

1 概述

皂土矿是以皂石为主的土状矿石，英文名saponite 源于拉丁文sapone，肥皂之意。皂石发现于18 世纪，早期被称为smectite(蒙皂石)，19 世纪在法国Montmorillon(蒙脱莫里隆)发现蒙脱石，20世纪又发现了多种与蒙脱石性质相似的矿物。1980年国际粘土研究协会将皂石和与皂石性质相似的蒙脱石合称为smectite(蒙—皂石族矿物)，包括蒙脱石亚族和皂石亚族，其中以蒙脱石为主的粘土矿为膨润土。关于膨润土矿的研究比较深入，但对皂土矿的研究相对较少。文献中常说的蒙皂石，一般指以皂石亚族矿物为主的粘土矿，即皂土矿[5]。

皂石是一种“2 ∶1 型”典型三八面体矿物，具有粘土矿物的层状结构，层间有水分子和交换性阳离子充填而有别于滑石—叶蜡石族矿物。两个硅(铝)氧四面体层和一个铝(钙、镁、锌)氧八面体层组成的基本结构层，层间被水分子和可交换阳离子充填。皂石亚族结构层中八面体中主要阳离子为Mg2+，而蒙脱石亚族结构层中二八面体主要阳离子为铝( 图1)。以往学者对皂石化学分子式[1,2,3,6,7]进行了描述，本文引用的是:E+0.33Mg3(Si3.67Al0.33)O10(OH)2nH2O)[6]。

图1 皂石晶体结构

皂(石)土质地细腻，油脂光泽，硬度小而具滑感，摩氏硬度为1，密度2.24 ～2.30g/cm3，常与蒙脱石、滑石、绿泥石、高岭土、伊利石等多种粘土矿物共生。皂土矿石多呈土状集合体或块状，少数呈皮壳状或毛发状，其颜色因矿物中阳离子成分而变化，可呈灰白色、灰绿、浅红、浅蓝等颜色。皂土矿分散于水或有机溶剂中，可呈现出高膨胀性、触变性、悬浮性、分散性、增稠性、稳定性和吸附性，主要用于牙膏、发乳、洗面乳、粉霜等化妆品及制药、橡胶和纺织业等[1,8]。

《矿产资源工业要求手册》(2010 年版)将皂土矿列入岩石类非金属矿产。我国现已发现滑(间)皂石和锂皂石矿。皂土矿一般工业指标见表1[1]。

表1 皂土矿工业指标要求

皂土矿常用胶体率衡量皂土水化分散程度及其悬浮状态稳定性。如新疆托克逊榆树沟皂石矿工业指标(企业标准)Ⅰ级品胶体率≥25%、Ⅱ≥15%、Ⅲ≥10%[6]。

2 皂土矿资源概况

国外皂土资源主要分布在美国加利福尼亚州汉克托、阿马戈萨等数处[2-3]，日本有铁皂石矿、意大利有富铝皂石矿[9]。美国汉克托锂皂土矿床产于上新统湖相—火山灰相地层中，由深水热泉活动蚀变形成。矿层沿湖岸呈带状分布，长12km，厚1.2 ～2.5m，矿石呈白色块状。阿马戈萨锂皂土矿矿体长3km，宽200m，平均厚1.5m，最厚12m，矿层含锂皂石高达25%，由温泉蚀变形成的方解石和锂皂石不断沉积形成。

我国皂土矿查明资源储量约60 万t，主要分布于新疆、辽宁两省(区)。其他省(区)地质工作程度很低，多为矿点或矿化点(表2)。

表2 我国皂土矿产地一览表

3 我国典型皂土矿床

我国已知皂土矿床形成于海西期晚期、燕山期，矿床成因与富镁岩(矿)石热液蚀变关系密切，富镁岩(矿)石类型主要有辉石橄榄岩、镁质矽卡岩(透辉石岩)、菱镁矿、滑石、白云岩等，热液类型有岩浆期后热液或地表水通过裂隙下渗形成的中低温热液，也可两者兼有。皂土矿与裂隙构造关系密切，裂隙构造为成矿热液提供运移通道和赋存空间，如层间破碎带、断裂带、岩体接触带、层间裂隙等。按成矿作用可将皂土矿成因归入热液蚀变型；根据成矿物质来源，结合成矿热液类型及矿化蚀变等特征，可将皂土矿细分为4 个亚类：镁质超基性岩热液蚀变型(1处)、矽卡岩热液蚀变型(2处)、滑石矿(含镁质粘土)热液蚀变型(4 处)、镁质碳酸盐岩热液蚀变型(3 处)。下面按矿床成因类型选取典型矿床进行介绍。

3.1 镁质超基性岩热液蚀变型

(1)矿区地质特征。

镁质超基性岩蚀变型仅有新疆托克逊县榆树沟蒙皂石矿床1 处。该矿床位于新疆托克逊县西南135km，大地构造位于晚古生代晚期天山造山带。皂土矿分布于中泥盆统阿拉塔格组条纹状大理岩、条带状硅质大理岩中。矿区断裂较发育，在断层裂隙部位有皂石富集现象，F2断层两侧皂石矿化较好。张性节理是皂石富集场所，常见皂石矿脉沿裂隙分布。区内岩浆岩发育，皂土矿分布于镁质超基性岩与花岗岩接触带中。斜辉橄榄岩分布在矿区中部和北部，岩体呈带状或不规则状侵入于中泥盆统，均有不同程度的蛇纹石化和皂石矿化。细晶花岗岩侵入于斜辉橄榄岩和中泥盆统阿拉塔格组中，分布于矿区中部，呈条带状、不规则岩脉延展，部分受后期构造影响，裂隙发育，矿化明显(图2)。

图2 新疆托克逊县榆树沟蒙皂石矿地质图

(2)矿床特征。

皂土矿赋存于中泥盆统阿拉塔格组第一亚组第四段第二亚段(D2a14-2)地层中。与钾长花岗岩(Xγ43)、斜辉橄榄岩(σ41a)岩体关系密切，常被后期岩体切割成不连续块体。矿区圈定3 个矿体，Ⅲ矿体质量最好，规模最大，Ⅱ矿体次之，Ⅰ矿体规模较小(图3)。

图3 新疆托克逊县榆树沟蒙皂石矿剖面图

主矿体Ⅲ矿体位于矿区中部，矿体长约300m，平均厚度47.44m，矿体连续性好，厚度较稳定。矿体呈似层状，北西向展布，倾向北东，倾角56°～70°。矿体平均胶体率为15.10%，属于二级矿石，矿化不均匀，靠近矿体顶板斜辉橄榄岩体，品位较高。有害组分Fe2O3平均含量1.22%。Ⅲ矿体底板为钾长花岗岩或条带状硅化灰岩。

(3)矿石特征。

矿石自然类型主要有条纹状皂土矿、条带状皂土矿和松散状皂土矿。松散状皂土矿仅现于Ⅲ矿体局部。条纹状皂土矿呈灰白色，纹层状及块状构造，粒状变晶结构，皂石含量10%～20%，透辉石局部含量可达50%。条带状皂土矿与条纹状皂土矿类似，但其石英及透辉石含量有所增加，皂石含量10%～20%。松散状皂土矿呈白色、黄白色或稍带锈红色，土状、壳状、饼状松散块体。主要产于较宽大裂隙、节理和破碎带中，由纹层和条带矿石经后期富集形成，皂石含量明显增加，胶体率可达30%。

皂石矿在野外不易和其他岩石(土)区分，风化后，雨水将皂石矿物浸出，干燥后碎裂成爆米花状，用手触之成粉沫状。

3 种矿石的矿物组成基本相同，矿石矿物主要为皂石、锂皂石、蒙脱石，一般含量约5%～10%，沿节理、断层、层面含量为15%～25%；脉石矿物有方解石(20%～80%)、透辉石(10%～30%)、石英(3%～35%)、葡萄石(个别25%)、铁铝柘榴石(3%～10%)、沸石(微—少量)、榍石(0.1%)等。矿石中砷、铅、汞等有害元素均在允许范围内。

(4)矿床成因。

榆树沟皂土矿形成于海西期晚期，矿体赋存于条带状硅质灰岩地层中，靠近或者直接与钾长花岗岩、斜辉橄榄岩体接触。接触带岩石变质作用较发育，有大理岩化、蒙脱石—皂石化、矽卡岩化等。矿石中含有热液交代成因矿物；矿化程度较高的硅质灰岩主量元素呈富镁、铁元素特征；斜辉橄榄岩与碳酸盐岩地层接触带的镁皂石矿具有相似的稀土元素配分模式；钾长花岗岩富锂(Li 含量56.70×10-6)，矿化硅质灰岩Li 含量是未矿化碳酸盐的4 ～5 倍；与镁铁质热液蚀变有关的碳酸盐流体的δ13C( 平均值为-0.55‰ ) 具有深部岩浆源特征，矿化碳酸盐岩δ18O 值降低，基性和酸性岩浆岩δ18O 值升高，以上特征表明，地层与斜辉橄榄岩、钾长花岗岩之间发生了双向交代作用。硅质灰岩中皂石的形成与斜辉橄榄岩密切相关，富镁超基性岩(斜辉橄榄岩)为皂石形成提供镁质来源，早期形成镁皂石。构造裂隙为含矿热液淀积提供场所，在中泥盆统阿拉塔格组第一亚组(D2a1)地层构造裂隙中形成皂石矿，矿床成因类型为接触交代热液变质型[9]。根据成矿物质来源，认为该矿床属于镁质超基性岩热液蚀变型。

3.2 滑石矿(含镁质粘土)热液蚀变型

该类型皂土矿主要分布于辽宁辽阳吉洞峪乡，在江苏苏州、重庆南川、湖南湘中等地亦有矿(化)点分布。矿床形成于海西晚期至燕山晚期。辽阳县吉洞峪乡有多个皂土(滑石)矿，含矿地层相同，矿石性质相近，皂石与滑石共伴生。该类型皂土矿以规模最大的辽宁辽阳吉洞峪乡大安沟皂土矿为例进行介绍。

(1)矿区地质特征。

大安沟皂土矿含矿地层为古元古界辽河群大石桥组三段(Pt1LHd3)，为一套区域变质的碳酸盐岩，菱镁大理岩、透闪石白云大理岩等(图4)。菱镁大理岩(MMb)分布在矿区中、南部，层间裂隙普遍滑石矿化或皂石矿化，矿化发育地段常形成滑石或皂石矿体。透闪石白云大理岩(TDMb)分布在矿区南部，层间裂隙偶见滑石(皂石)矿化。在矿区南部菱镁大理岩中夹数层厚1 ～4m 灰白色白云大理岩，层间裂隙局部有滑石矿脉。矿区断层以走向断层为主，有滑石( 皂石) 矿体赋存。次为横向断层，呈北东向和北西向延伸，多切割矿体，破坏矿体完整性。

图4 辽宁省辽阳县大安滑石—皂石矿床地质图及剖面

(2)矿床特征。

矿体产于辽河群大石桥组三段中部菱镁大理岩或透辉石白云大理岩层间裂隙，共有4 条皂石矿化带(T-1、T-2、T-3、T-5)和2 条滑石矿化带(Tc-4、Tc-5)。其中T-1 规模最大；T-5 矿带中的皂石与滑石并存。

T-1 矿化带位于矿区南部，东西向横贯矿区，被F5、F6、F7、F14横向断裂切割成5 段。矿体呈透镜状，在走向和倾向上常尖灭再现。矿体长约500m，厚2 ～5m，最厚达12.33m，垂深约180m。矿体分东、西两矿段，东段下部见厚 0.8～3m滑石矿体。东矿段T-1E 皂石矿残存矿体长144m，真厚度0.89 ～7.17m，产状180°∠47°。矿体的围岩为蚀变硅质岩或菱镁大理岩、白云大理岩。西段矿体T-1W 皂石矿残存矿体长131m，真厚度3.38 ～5.53m，产状71°∠58°。矿体的围岩为蚀变硅质岩或菱镁大理岩。

(3)矿石特征。

矿石按结构构造分为块状矿石和少量片状矿石。皂土矿和滑石矿共生，皂土矿呈淡灰色、浅黄灰色或浅绿灰色，交代残余结构，致密块状或条带状构造，新鲜面呈蜡状光泽，具滑感，质较软，摩氏硬度1 ～2。皂石多为Ⅰ级品，主要矿物为皂石(含量大于75%)，少量绿泥石、滑石及其他硅酸镁类矿物等。粉沫白度一般85 ～95。皂石有益组分平均含量SiO230.93%、Al2O320.08%、Fe2O30.28%，白度91.76，烧失量15.02%。

(4)矿床成因。

矿区位于大石桥—海城—丹东沉积变质型菱镁矿带的北部，皂石(滑石)矿赋存于古元古界辽河群大石桥组三段的透辉石白云大理岩、菱镁大理岩夹云母片岩中。富镁地层经燕山期黑云母花岗岩热液作用形成富镁热液，沿构造裂隙运移，热液与围岩发生接触交代，在有利空间沉淀形成皂土矿。皂土矿多沿菱镁矿或菱镁大理岩的顺层裂隙或层间破碎带分布，属于滑石矿(含镁质黏土)热液蚀变型矿床。

3.3 矽卡岩热液蚀变型

矽卡岩热液蚀变型皂土矿分布于福建漳平、浙江德清等地，矿床成因与燕山期花岗岩浆热液的矽卡岩化有关。该类型矿床以福建漳平南家畲锂皂石矿床为例进行介绍。

(1)矿床特征。

南家畲锂皂石矿赋存于下二叠统栖霞组(P1q)，岩性主要为灰白色、灰黑色中厚层状含燧石条带(团块)灰岩，局部夹薄层状泥岩、粉砂岩(图5)。地层呈南北向展布，倾向东，厚度＞80m。与花岗岩的接触带多矽卡岩化，可分为3 个带，分别为皂石—硅灰石(外)带、石榴石—透辉石矽卡岩带、方铅矿—闪锌矿—萤石—透辉石(内)带。皂石赋存于皂石—硅灰石带，沿F1 断裂两侧分布，矿带长530 ～580m，宽25 ～50m，矿带延长方向与断裂一致(北西向320°)。岩性组合主要为锂皂石、(硅灰石、萤石、透辉石)矽卡岩等，主要由镁质矽卡岩(透辉石组合)热液蚀变形成，不排除动力变质作用对皂石化的影响。

图5 福建漳平南家畲锂皂土矿地质图

(2)矿体特征。

矿区圈定2 个锂皂石矿体(Ⅰ、Ⅱ)，分布于南家畲村南的北西向冲沟中(图6)，由F1 断裂带控制。矿体呈脉状，产状220°～225°∠35°。Ⅰ矿体长约50m，厚4.96m，倾向延伸约15m；Ⅱ矿体长约60m，厚2.37m，倾向延伸约15m。

图6 福建漳平南家畲锂皂土矿剖面图

矿体顶板为下二叠统文笔山组(P1w)地层，底板为下二叠统栖霞组(P1q)含燧石条带(团块)灰岩蚀变形成的矽卡岩。

(3)矿石特征。

矿石呈白色、浅红色、肉红色，柔软，具滑感，稍具塑性。矿石矿物大部分为锂皂石(50%～90%)，脉石矿物为石英(10%～50%)，多呈团块状(角砾状)，部分呈土(微粒)状(粒径＜0.1mm)。平均化学成分CaO 12.24%、SiO254.78%、MgO 20.66%、A12O30.97%。

(4)矿床成因。

锂皂石矿的形成经历了矽卡岩化和热液蚀变作用两个阶段。燕山早期黑云母花岗岩(γ52(3)c)沿北西向F1断裂侵入，与栖霞组(P1q)镁质碳酸盐岩接触交代形成(含透辉石)富镁矽卡岩，后期热液沿F1断裂活动，使透辉石滑石化，最后由滑石向锂皂石转变，矿床成因属于矽卡岩热液蚀变型。

3.4 镁质碳酸盐岩热液蚀变型

该类型皂土矿分布在广西柳州，在宁夏固原、贵州宅吉有矿化点分布。矿床形成于海西晚期，矿床成因与白云岩经中低温热液蚀变相关。该类型皂土矿以广西柳州九头山白云岩伴生皂石矿床为例。

(1)矿床特征。

矿体赋存于石炭系大埔组(C2d)。大埔组分2 层，下分层(C2d1)为白云岩，厚约200m。上分层(C2d2)为纯质白云岩夹少量灰岩或白云质灰岩，厚约40m(图7)。白云岩裸露地表，在平面上呈南北向延伸，单斜层状产出，走向90°～100°，倾角8°～15°，沿走向自北向南变薄。皂石作为白云岩上分层夹层，呈透镜状、条带状分布，产状与白云岩产状基本一致，皂石夹层长30 ～165m，厚0.6 ～3.0m。