乌兰茶晶石矿物资源工程研究

2022-08-05陈小平王玉臣

中国新技术新产品 2022年8期

陈小平王玉臣

（内蒙古华宸再生资源科技有限公司，内蒙古乌兰察布 013350）

乌兰茶晶名称是以矿床坐落于内蒙古乌兰察布市化德县境内，矿物主体有斜长石、微斜长石透明结晶体茶色水晶片状黑云母，以地域名称和矿物中的茶色水晶相结合，因此取名为乌兰茶晶石。

目前为止，我国的花岗岩种类中还没有一个能用于高档精品日用瓷、卫生瓷、建筑瓷、土壤调理矿肥。由于该矿富集了稀土元素，稀有轻金属元素，硒元素等多种用途的矿床。经广东省科学技术情报研究所，2020年6月8日国内查新，国际查新一百年尚未有“乌兰茶晶石”新材料的有关文献报导。

据我国有关资料报导，中国已发现矿产173种，已探明有一定储量的矿产159种，其中非金属矿产91种。

21世纪20年代，也是我国高新技术发展的年代，在伟晶花岗岩家族中，乌兰茶晶石元素成分组合，不仅有常规Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti元素，而且富含15种微量稀土元素、稀有轻金属元素，以及其他微量元素，共计六十余种，推动我国的非金属矿材料学科应用。

1 乌兰茶晶石矿成因及特征

乌兰茶晶石矿位于内蒙古自治区乌兰察布市化德县长顺镇境内，其地理坐标为（2000 国家大地坐标系）东经：113°56′ 45″ -113°57′ 23″，北纬：41°52′ 36″ -41°52′ 56″。

1.1 乌兰茶晶石矿区地质背景及成矿分析

乌兰茶晶石岩浆类型有3种：1）侵入岩。区内侵入岩比较发育，成岩时代为二叠纪、三叠纪、白垩纪，以二叠纪、三叠纪岩体分布最广泛。岩石类型多样复杂，有中性岩、酸性岩，以酸性岩类为主。2）脉岩。区域内脉岩钾发育，从基性岩、中性到酸性均有出露，以酸性脉岩最发育。区域性脉岩分布方向受区域性构造裂隙控制，其方向以北东、北西向为主，少数呈近东西向或南北向；以花岗岩脉为主和少量浅成侵入岩脉成份有关，分布上不仅局限于深成岩体，时间上稍晚于主岩浆期。3）火山岩。区域内火山岩不太发育，分属于下二叠纪额里图组、上侏罗统满克头鄂博组，区域内少量出露下二叠纪额里图组。呈北东向带状分布。

1.2 乌兰茶晶石成矿种类条件分析

乌兰茶晶石成矿种类条件如下：1）区域属于华北地台北缘金、银、铜、铅、锌、铂、钼、硼、石墨、滑石成矿带。2）白云鄂博-宝昌元古代燕山期金、铜、铁、稀土、钨、铜、镍、铂、萤石成矿带。3）老杨壕-白头山洼铁，金，钨，铜，镍成矿带与三合明-伊胡赛铁，金，钨成矿带交汇处。

区域出露的矿产种类较多，其中金属矿有铁、铜、铅、锌、金、钨等，非金属矿：水晶、萤石、硅藻土、白云母、石灰岩、硅石等。

1.3 乌兰茶晶石地质成矿特征

乌兰茶晶石地质成矿特征如下：1）地层。矿区内地层较为简单，仅在矿区南北低谷出露第四系冲洪积砂砾层。2）构造。矿区总体地势起伏不大，中高南北低，核心区外围只有三条 F20、F21、F22 不同方向的断裂带，是富集多元素成矿通道。3）侵入岩。区内少量第四纪外，均为三叠纪肉红色粗粒似斑晶（茶色水晶体和斜长石、微斜长石）磷状黑云母所形成。

1.4 乌兰茶晶石矿形成与有益元素成份富集纲要

该矿床属燕山早期伟晶型花岗岩矿床，矿床的成矿时岩浆作用过程中，由于挥发性的大量集中，在该组分作用下，使岩浆流行性增大，并具有强大内应力的物理化学系统；在地质构造条件下，形成矿物结晶粗大的斜长石、微斜长石、石英晶体矿物；矿床岩浆期与岩浆期后矿床中间的过渡产物，富集了稀土元素、稀有轻金属氧化物，这些微量稀土元素、稀土轻金属氧化物的产生；由于气体渗入围岩，与溶岩液发生分馏作用，溶液成份则发生改变，与先生成的矿物发生交替作用，这时云母、钾钠微斜长石、非晶体则由封闭系统改变为开张系统，在交替矿物阶段形成的稀土元素、稀有轻金属氧化物以及其他元素矿物进入气态溶液开张系统内，国内其他地区尚未发现有此种矿床的生成条件。

2 乌兰茶晶石矿矿物理化分析

2.1 乌兰茶晶石原矿扫描电子显微镜（scanning electron microscope SEM）显微分析和 X射线衍射（X-ray diffraction XRD）分析

根据SEM分析和 XRD分析，结合能量色散光谱仪（Energy Dispersive Spectrometer EDS）元素分析，判定主体矿物由石英、斜长石、微斜长石、钾长石、云母、非晶态、少量硬水铝石和变质高岭岩等矿物组成，与探矿阶段我们的初步分析基本吻合，如图1所示。

图1 花岗岩的SEM分析

2.2 乌兰茶晶石原矿理化指标分析

原矿常规八大元素全分析，见表1；原矿十五种稀土元素分析，见表2；原矿植物营养元素分析，见表3；原矿其他微量元素，见表4；原矿重金属元素分析，见表5；原矿放射性内外照射指数分析，见表6。

表1 原矿常规八大元素全分析（单位：%）

表2 原矿15种稀土元素分析（单位：mg/kg）

表3 原矿植物营养元素分析（单位：mg/kg ）

表4 原矿其他微量元素（单位：mg/kg ）

表5 原矿重金属元素分析

表6 原矿放射性内外照射指数分析

由上述化学成份分析可见，乌兰茶晶石总体元素已知近60余种，目前为止，还未见任何报道伟晶型花岗岩有如此丰富的元素所存在，所以在今后的研发过程中应采用不同的科技手段来保护矿体中最具有价值的元素能够充分利用。

乌兰茶晶石在骨瓷中的应用、抗菌效果：金黄色葡萄球菌≥90%，大肠埃希氏菌≥90%。

乌兰茶晶石在长石质瓷中的应用、抗菌效果：金黄色葡萄球菌≥96%，大肠埃希氏菌≥95%。

乌兰茶晶石在建筑瓷中的应用、抗菌效果：金黄色葡萄球菌≥99%，大肠埃希氏菌≥99.99%。

乌兰茶晶石在卫生瓷中的应用、抗菌效果：金黄色葡萄球菌≥92%，大肠埃希氏菌≥99.1%。

3 乌兰茶晶石矿稳定性

原矿乌兰茶晶石的稳定性直接关系到深加工后乌兰茶晶石的稳定性，因此我们在前期探矿的基础上又重新做了150 m的钻探分析。黑云母钾长石花岗岩，孔深39.10m～89.62m，采取率为100%，岩石呈肉红色，粗粒花岗岩结构，块状构造。主要矿物成分由石英、钾长石、斜长石、黑云母等组成，黑云母呈鳞片状，片径0.3cm左右，含量约5%，钾长石肉红色，板状或粒状，粒径1cm～3cm，含量约45%，斜长石呈灰白色板状，直径0.5cm～1.5cm，含量约25%；石英，半透明呈不规则粒状分布于长石之间，含量约25%。该层在31.6m处，见有长0.4m的中细粒黑云母花岗岩，中细粒花岗岩结构，岩石呈灰白色，较为完整。

黑云母钾长石花岗岩，孔深150.4m，采取率为98.10%，岩石呈肉红色，粗粒花岗岩结构，块状构造。主要矿物成分由石英、钾长石、斜长石、黑云母等组成，黑云母呈鳞片状，片径0.3cm左右，含量约5%，钾长石肉红色，板状或粒状，粒径1cm～3cm，含量约45%：斜长石呈灰白色板状，直径0.5cm～1.5cm，含量约25%；石英，半透明呈不规则粒状分布于长石之间，含量约25%。

4 乌兰茶晶石矿储量评估

乌兰茶晶石矿分布16.8km²，经地质部门在16.8km²范围内分段钻探取样深度150m，150m以下未作钻探取样，150m×16.8km=25亿m，密度为2.677t/m³，此矿储量为67亿t的一个独立品质稳定的超大型矿床。

5 乌兰茶晶石矿现阶段研究成果

经过专家组评审结果，这一新材料用于陶瓷工业，整体达到国际领先水平。

5.1 强度提升的分析结果

在该项目实施过程中，首先发现的是乌兰茶晶石可显著提高陶瓷材料的强度，对日用瓷而言，强度注重于抗冲击。根据测试结果，中心部位抗冲击强度在25%比例时提高了一倍以上，边缘抗冲击强度提高了两倍以上。对砖类，抗折强度是关注的重点，提高了 10%以上。笔者认为这是由于乌兰茶晶石中含有的多种类稀土微量元素所致，尤其是 LaO，SmO，YO，是优良的表面活性物质，可善材料中多组分的润湿性，降低烧结点，可促进 AlO和 SiO之间的反应，形成低熔点液相，可通过颗粒之间的毛细管作用，促进颗粒间的物质向孔隙填充，使材料孔隙率降低，致密度提高。在该项目中多种产品表现出吸水率极低，验证了此分析。同时由于这些微量的稀土氧化物离子半径相对我们研究的陶瓷材料而言要大得多，除一小部分参与固熔外，绝大部分主要存在于晶相与晶相、玻璃与晶相的相界上，这些相界上大的离子像是在玻璃网络上钉上了一个个钉子。一方面阻碍了因晶体的异常长大而导致结构不均匀，另一方面使晶界上非晶态物质向晶体的迁移、结晶受到限制，降低了晶界的迁移速率。还有一部分稀土氧化物熔入玻璃相中，使玻璃强度得到提高，因此提高了材料的整体力学性能。针对所研制的陶瓷材料进行了微观结构分析，见表7和表8。

表7 晶相（区域 1）EDS 元素分析结果

表8 非晶相（区域 2）EDS 元素分析结果

根据微观结构分析，可以得出使用乌兰茶晶石为主要原料的陶瓷材料之所以能在强度方面表现出优异的性能，同时非晶态玻璃相比例占比很高的情况下还能保持相对较高的抗高温蠕变性，是因为高硅玻璃与晶相特殊的微观结构所致，可简单概括为晶界增强、玻璃增强增韧协同效应的结果。

5.2 抗菌性、远红外、负离子机理形成

该项目所研制的所有产品不需要添加任何抗菌剂。在坯、釉成分中常规化学分析、X 荧光光谱分析检测也不存在Ag 离子，因此，该项目不属于第一种类型的接触参与反应式抗菌机理，但由于乌兰茶晶石中种类丰富的稀土元素的存在，以及陶瓷坯釉中氧化镁、氧化锌、氧化钛、氧化钙、氧化锆、氧化铁以及一些原子量相对较大的微量氧化物的存在，在稀土元素的激发下，表面能级会提高，也可产生第二类抗菌剂相同的作用和机理。由于所含稀土元素种类繁多，加上这些元素特殊的电子层结构，进入硅铝酸盐结构中，轨道间的杂化、相互之间电负性的纠缠、相互激活作用等协同效应下，使材料在光、电方面表现出一定的特殊性，这种复杂的系统作用会在表面反映出来，如产生远红外、表面自由基增多、负离子产生等。笔者认为这是主要的抗菌机理。

5.3 变色功能的表现机理

乌兰茶晶石原料中含有的钇和镧系中除钷之外所有的元素，这些稀土元素原子结构相似，离子半径相近，都处于第六周期（钇除外），原子结构比较复杂，但共同的特点是最外层都是S2结构，这决定了所有稀土元素都是活泼金属。当稀土参与到陶瓷材料的合成（烧成）过程中，会与硅铝酸盐发生不同的反应，可以存在于陶瓷材料的晶相中、晶界上，也可以熔入非晶态中，这个过程稀土元素除有不同价态外，外围的电子轨道也会发生非常复杂的杂化，形成不同的能级，当外界可见光照射在材料上时，稀土原子中的电子可以由基态向激发态跃迁，不同的激发态选择性吸收不同能量的光子，所以不同频率的光照射时会表现出不同的颜色，就形成了变色瓷现象。

5.4 产品会产生易洁效果的原因

产品会产生易洁效果的原因如下：1）土壤调理改良。在我国大部分地区的土壤，由于施用大量的化肥、农药以及工业污染所导致的原因，使其土壤板结酸化，重金属污染严重，农业是定国之本，土地是农业之本，土壤的污染将会阻碍农业长期可持续发展带来难以估量的影响。而乌兰茶晶石B料是一种天然的矿物类土壤调理剂、改良剂。乌兰茶晶石的B料是在生产用于陶瓷原料A料的过程所产生的B料产品，B料产品中大量的富集了植物所需的大量、中量、微量有效元素，和15种微量稀土元素，稀有轻金属元素、硒元素。乌兰茶晶石B料经过超细研磨至600目以细时，矿体中所有元素就会达到充分暴露，这些有益元素就会达到释放的效果，由于物料中有锐化、降解、迁移、重金属的某些元素的存在，我们在农田镉超标重灾区作了示范推广施用，收到了良好的效果。2）乌兰茶晶石C料。按乌兰茶晶石总储量67亿t计算，黑云母占总量的5%，可得到纯净的黑云母3.3亿t，铷元素按0.15%平均品位计算，氧化铷储量可达到50万t，按现有年生产陶瓷A料35万t计算，每年可得到纯净的黑云母17500t。氧化铷可得到26.25t。年生产KO 2800t，年生产稀土总量805t。乌兰茶晶石黑云母中的氧化铷元素将会为我国国防工业提供一个稀有轻金属铷元素的可靠原材料基地。