陕西汉中阜川高岭土矿地质特征与控矿因素

2022-09-06严鹏程寿立永高文彬

中国非金属矿工业导刊 2022年4期

严鹏程，寿立永，金凯，高文彬

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西西安 714000)

高岭土矿是一种重要的非金属矿种，因具有优良的工艺性能，被广泛应用于造纸、陶瓷、橡胶、塑料、耐火材料、化工、农药、医药、纺织、石油、建材及国防等领域[1]。高岭土矿床类型可分为风化型高岭土、热液蚀变型高岭土、沉积型高岭土[2]等。其中，沉积型高岭土是十分可贵的非金属矿产资源[3]。汉中阜川高岭土是陕西省重要的沉积型高岭土矿产资源地，早在明朝万历年间就已经有开采并用作制陶的历史。本文从地层、矿体特征等方面对阜川高岭土矿地质特征进行初步总结，并从古构造、古气候、沉积环境及水介质条件、成岩后生作用等主要因素对阜川高岭土矿成因进行深入分析，为今后该区高岭土矿找矿突破提供参考。

1 成矿地质背景

矿区位于扬子地台北部边缘，北隔汉中新生代盆地，以略阳—褒城大断裂为界与秦岭造山带相接；西以龙门山大断裂与松潘—甘孜构造带为邻，处于扬子地台内二级构造单元的龙门—大巴褶皱带中，即稳定地台北缘邻接活动带地区[4]。

区域上按扬子地台形成发展过程中的构造活动特征又进一步划分为震旦纪—中三叠世地台稳定发展阶段、晚三叠世—新生代构造活动期两个阶段[5]。震旦纪—中三叠世地台稳定发展阶段：以非造山的地台升降运动为特征，相继沉积了震旦系至二叠系一套巨厚的滨海、浅海相陆源碎屑—碳酸盐岩建造(图1)。晚三叠世—新生代构造活动期：相继经历了印支、燕山、喜山运动，形成了区域普遍发育的褶皱和断裂，形成了现今综合的区域地质构造面貌。

图1 区域地质图

由于震旦纪至中三叠世造陆运动频繁，致使地层中出现好几次侵蚀间断，期间在不同时期、不同地区，分别不同程度的缺失了中上寒武统、泥盆系和石炭系地层，但相邻地层间均以平行不整合关系相接触。阜川地区因泥盆系和石炭系地层的缺失，在下志留统地层顶部形成了规模较大的古风化剥蚀面，为高岭土矿的形成创造了良好的条件。阜川地区高岭土矿赋存在下志留统泥质碎屑岩不整合面上，产出严格受早古生代钙红土型古风化壳的控制[6]。

2 矿区地质

矿区地层总体呈北东向展布，主要由前震旦纪至三叠纪的碳酸盐岩—碎屑岩建造组成。高岭土矿赋矿地层为下二叠统梁山组(P1l)，其呈平行不整合上覆于下志留统罗惹坪组泥质碎屑岩古风化剥蚀面之上，岩性以灰色薄层状粘土岩、泥岩为主，厚9.39m，其中上部常夹炭质页岩及不稳定的煤线。上覆地层为中二叠统阳新组(P2y)地层，其与梁山组地层呈整合接触。阳新组为一套台地边缘潮坪相沉积的碳酸盐岩地层，在纵向上具明显的二分，下部为厚层含生物碎屑灰岩，上为含燧石团块或条带灰岩(图2)。矿区构造以“侏罗山式”褶皱为主，伴生逆冲小断层，在一定程度上，逆冲断裂破坏了矿体的连续性。区内不发育岩浆活动。

图2 矿区二叠系地层实测剖面图

3 矿床地质

3.1 矿体特征

阜川地区高岭土矿主要分布于尖尖山至碗厂沟一带，共圈定出矿体7条，呈层状、似层状产于下二叠统梁山组地层中(图3)。KⅡ1、KⅢ1、KⅥ1、KⅦ1矿体倾向北西 —北，产状315°～355°∠43°～56°；KⅠ1、KⅣ1、KⅤ1倾向南—南东，产状184°～156°∠6°～60°。矿体长400～3 180m，厚3.96～8.97m，平均厚度6.03m，厚度变化较均匀(表1)。矿体大部分直接裸露，少部分上覆 1～5.0m全新统洪冲积砾石层。

表1 矿区高岭土矿体规模、矿石质量统计

图3 矿区地质图

根据矿石质地、可塑性和砂质的含量，阜川高岭土矿石分为硬质高岭土、软质高岭土两种自然类型，软质高岭土矿规模稍大于硬质高岭土矿。硬质高岭土矿厚1.51～3.66m，平均厚2.48m，软质高岭土矿厚1.65～5.93m，平均厚3.54m。

硬质高岭土矿的直接顶板为梁山组顶部劣质薄煤层，煤层厚度0.2～1m。硬质高岭土下部即为软质高岭土层，下志留统罗惹坪组泥质粉砂岩地层构成高岭土矿的直接底板，矿体顶底板界线清晰。

3.2 矿石质量

硬质高岭土矿石一般地表呈黄(图4a)，黄褐色，深部呈灰白色。质细而纯，泥状、胶状、隐晶质、显微鳞片变晶结构(图4b)，纹层状、条带状、团块状构造。高岭石在矿物中含量约占58%～82%(图4c)，勃姆石含量13%～38%，另含少量方解石(2%)、锐钛矿(2%)、金红石(1%)。不具可塑性。矿石耐火度＞1 770℃。矿石有益组分Al2O3含量占33.83%～42.66%，平均37.80%。矿石有害组分Fe2O3+TiO2含量2.21%～4.40%，平均3.06%。

图4 硬质高岭土矿石结构及X衍射

软质高岭土一般呈灰色—青灰色，不显层理(图5a)。粉砂状、泥状、胶状、隐晶质、鳞片变晶结构(图5b)，纹层状、条带状、细砾状构造。高岭石在矿物中含量约占19%～26%(图5c)，伊利石+伊蒙混层含量37%～44%，石英含量25%～32%，另含少量黄钾铁矾3%～5%，锐钛矿2%～3%，石膏1%～2%。软质高岭土浸水中呈粘糊状，具可塑性，可塑性指标2.65～2.80。矿石有益组分Al2O3含量占19.77%～29.75%，平均25.52%。矿石有害组分Fe2O3+TiO2含量占3.04%～4.94%，平均3.80%。

图5 软质高岭土矿石结构及X衍射

3.3 应用评价

阜川高岭土矿硬质和软质高岭土矿石均表现出有害组分Fe2O3+TiO2含量偏高的特点，限制了其高端应用。20世纪60～90年代，软质高岭土被用作日用陶瓷和建材陶瓷原料，硬质高岭土被用作耐火材料。经岩矿鉴定、X衍射分析初步认为，有害组分含量高是矿石中锐钛矿所致。2019年阜川硬质高岭土进行工业化试验，通过原矿磨粉-325目粉湿法制浆—超导磁选—压滤脱水—强力干燥制粉等除钛工业流程，有效的降低了原矿中Fe2O3和TiO2的含量，获得了能够应用于高端的玻纤高岭土。但是原工业化试验存在试验样品数量少，不具代表性的缺陷，因此今后必须对该矿石进行大量的工业化选矿试验，论证除钛工艺技术切实可行，同时对阜川高岭土矿市场给出准确定位，以期能够提高应用价值。

4 控矿因素探讨

大量研究表明，沉积型高岭土矿的发育程度、规模大小、产出形态、矿石质量特征及种类等，受古构造、古气候、沉积环境及水介质条件、成岩后生作用等主要因素的控制[7]。区域大地构造背景决定着高岭土矿的物质来源，古气候决定高岭土成矿物质的产生和搬运，沉积环境及水介质条件决定着高岭土矿的稳定及形成，成岩后生作用的改造决定了高岭土矿石物化性能[8]。

4.1 区域构造背景

扬子地台北缘自中寒武世至石炭纪，受加里东—海西运动的影响，地壳抬升，长期风化剥蚀、夷平，形成准平原地貌景观，古老风化面上的铁铝物质得到富集[9]。至早二叠世，本区开始沉降，古老风化面上的铁铝物质受水动力搬运沉积，为梁山组的铁铝层准备了物质基础[10]。

4.2 古气候

梁山组地层顶部普遍发育薄层劣质煤线，含蜓类、腕足类、瓣鳃类及植物化石[11-12]。根据含矿地层中动植物化石组合特征、煤层发育等情况，区内成矿时期为湿温—热湿气候，该气候适于植物繁衍，泥炭沼泽发育，为高岭石沉积成矿提供了适宜场所[13]。同时在湿温—热湿气候条件下，有利于基底碳酸盐岩和铝硅酸盐岩的红土化作用，使残留下来的物质转变为以倍半氧化物(Al2O3、Fe2O3)、水云母、高岭石为主的粘土矿物，并加快古陆区风化剥蚀，为高岭石生成提供了充足的物质来源。

4.3 沉积环境及水介质条件

早二叠世栖霞早期，阜川地区遭受海侵，沉积了梁山组的炭质页岩、粉砂岩及劣质煤。岩性为薄—中层状，具根土岩，含腕足类、介形虫、瓣鳃类、腹足类、纺锤虫及植物化石。根据岩性、构造及所含化石，表明沉积环境为滨岸沼泽环境[14](图6)。总体来看，沉积环境决定了高岭土矿充填的规模。

图6 梁山组滨海沼泽沉积环境示意图

矿区下志留统罗惹坪组为一套富含黄铁矿的页岩、泥质粉砂岩，黄铁矿能够为高岭土形成提供酸性介质的物源供给[15]。当携带古陆区风化剥蚀物质—黄铁矿、粘土质矿物的水流到达滨海后，随着水动力作用的减弱，粘土矿物类碎屑会渐渐沉积下来，当静水期水位下降，这些物质暴露于空气中氧化，粘土矿物转化为高岭土，同时富含有机质的植物在沼泽环境下形成劣质煤层。除机械沉积作用外，有相当一部分高岭土是化学沉积作用形成的[16]。在成煤期，化学风化物SiO2和Al2O3在富含有机酸的水介质携带下搬运到海陆交互之间的滨岸地带(地球化学障)，以胶式凝聚方式沉淀，胶体沉积物在成岩过程中重结晶形成高岭石。矿区高岭土均形成于煤层下部，为高岭土矿层提供了天然的阻隔保护层。煤中的腐植酸为高岭土矿的稳定保存形成提供了必须的酸性环境。

4.4 成岩后生作用

风化淋滤作用是使高岭土变白和质量变好的重要原因。风化淋滤的强度不同，表现于矿体中矿石质量的优劣。矿区煤层下部一般为硬质高岭土，底部为软质高岭土夹泥岩，硬质高岭土颜色较白，Al2O3明显高于软质高岭土层。这是由于硬质高岭土更靠近地表，遭受风化淋滤作用更强，致使岩石中易溶组分(S、CaO、MgO、K2O、Na2O等)被地表水带走，岩石中的Al2O3得到进一步富集。