臨城縣西牟—膠泥溝一帶耐火粘土礦床地質(zhì)特征及伴生鎵利用的可行性分析

付茂英，張文強

（1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊，河北 保定 071051；2.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 地質(zhì)概況

礦床位于臨城縣城西北345°方向黑城鄉(xiāng)西牟村至膠泥溝村一帶，耐火粘土礦賦存于中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、上二疊統(tǒng)下石盒子組地層中。礦區(qū)大地構(gòu)造位置為山西斷隆太行拱斷束贊皇穹斷束東部邊緣，出露地層主要為中奧陶統(tǒng)峰峰組，中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組，上二疊統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及第四系。巖石組合為花斑狀灰?guī)r—鋁土頁巖、黃綠色頁巖—鋁土頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖和煤層—鋁土頁巖、石英砂巖。礦床為海陸交互相沉積礦床，系賦存在石炭、二疊系煤系地層中的耐火粘土礦床。

2 礦床特征

2.1 礦體規(guī)模

礦體賦存于中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、上二疊統(tǒng)下石盒子組地層中，共分為6個含礦層，相當(dāng)于區(qū)域上的A、B、C、D、E、G層鋁土礦，共15個大礦體，26個分礦體。含礦層編號為AK、BK、CK、DK、EK、GK。礦體由西向東、由南向北編為GK1、EK2……AK15。若大礦體由若干分礦體組成，則在礦體號之后加“-序號”。例如：EK2礦體內(nèi)第二個分礦體編為EK2-2。礦體呈層狀、似層狀，產(chǎn)狀：傾向70～110°，傾角30～42°。礦體走向延伸最長的是GK1-2，長度為1716m，最短的是DK3-1，長度為314m，長度大于1000m的礦體有GK1-2、EK2-2、DK3-3、DK4-3、DK4-5、CK5、BK11、BK13-1、AK15，其余礦體長度在314～649m之間。

礦體平均最大厚度(BK11)5.15m，最小厚度(AK14)0.90m。礦體基本特征見表1。

由表1可知，其中GK1-2、DK3-3、DK4-5、BK11、AK15規(guī)模較大，為主要礦體。

(1) 主要礦體GK1-2規(guī)模、產(chǎn)狀。

礦體呈層狀賦存在本溪組地層中，傾向89～125°，傾角34～42°由SJ0701(豎井)、YJ1101(小圓井)、ZK1101(鉆孔)、TC15(探槽)四工程控制。走向延伸1694m,單工程最大厚度4.05m, 最小厚度1.97m，平均2.73m。礦體厚度變化系數(shù)為36%，說明礦體厚度穩(wěn)定，礦石自然類型為鮞狀水云母質(zhì)高嶺石粘土巖，工業(yè)類型為硬質(zhì)粘土，資源量估算結(jié)果：礦石量182.58萬t，占總資源量的18%。

表1 礦體特征

(2) 主要礦體AK15規(guī)模、產(chǎn)狀。

礦體呈層狀賦存在下石盒子組地層中，傾向92～98°，傾角29～34°。由TC26-2、SJ3002、SJ3402三個工程控制。走向延伸1675m，單工程最大厚度5.68m, 最小厚度0.83m，平均2.50m。礦體厚度變化系數(shù)為110%，說明礦體厚度變化大，且厚度變化規(guī)律不明顯。礦石自然類型為水云母質(zhì)高嶺石粘土巖，工業(yè)類型為軟質(zhì)粘土。資源量估算結(jié)果：礦石量107.82萬t，占總資源量的11%。

2.2 礦石質(zhì)量特征

根據(jù)對礦體內(nèi)109件樣品的基本分析結(jié)果見表2。

表2 耐火粘土礦樣品成分含量分析結(jié)果

由表2可看出，品位變化系數(shù)均小于40%，說明各組分在礦體內(nèi)部的分布是均勻的。

（1）主要礦體GK1-2品位及變化情況見表3。

沿走向，礦體由SJ0701至YJ1101，Al2O3含量略顯升高，至TC15，呈明顯下降趨勢，品位降至23.78%。其他組分含量穩(wěn)定，無明顯波動。沿傾向，礦體由YJ1101至ZK1101，Al2O3含量自41.58%降至32.59%，呈下降趨勢，其他組分變化不明顯。

(2) 主要礦體AK15品位及變化情況見表4。

沿走向，礦體由TC26-2至SJ3002至SJ3402，各組分含量基本平穩(wěn)，僅燒失量(LOI)在SJ3402有較明顯下降。

表3 礦體GK1-2品位及變化情況

表4 礦體AK15品位及變化情況

(3) 礦石其他有益有害組分含量及其變化特征見表5。

表5 化學(xué)全分析結(jié)果

光譜半定量分析結(jié)果，礦體中稀散元素鎵(Ga)的含量為0.00262%～0.00343%，達(dá)到了伴生礦指標(biāo)0.01%～0.002%的要求。

(4) 礦石物性特征見表6。

表6 礦石物性特征結(jié)果

2.3 礦石類型

礦石自然類型有鮞狀水云母質(zhì)高嶺石粘土巖和水云母質(zhì)高嶺石粘土巖兩種。前者礦石工業(yè)類型為硬質(zhì)粘土，后者礦石工業(yè)類型為軟質(zhì)粘土。

2.3.1 硬質(zhì)粘土

包括GK1-1、GK1-2礦體，其余礦體均為軟質(zhì)粘土，礦石呈灰白色、紅褐色，鮞狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物成分主要為高嶺石和水云母。高嶺石70%左右，水云母30%左右。主要礦物多以鮞粒的形式存在，鮞粒大小一般為0.25～0.5mm，多為薄皮鮞，鮞皮由細(xì)小鱗片狀高嶺石和水云母組成，鮞核由相對較粗的同種礦物組成。鮞粒約占80%以上，基質(zhì)為更細(xì)小的鱗片狀高嶺石和水云母。此類粘土質(zhì)地較硬，觸手無滑感。

2.3.2 軟質(zhì)粘土

除GK1-1、GD1-2，其余礦體均為軟質(zhì)粘土，礦石呈灰色、灰黑色、紫黑色、黃色，鱗片結(jié)構(gòu)、氈狀結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀或塊狀構(gòu)造。礦物成分主要有高嶺石(＞60%)、水云母(10%～35%)、石英(5%左右)、水鋁氧石(＜5%)、碳酸鹽顆粒(＜1%)。此外尚有少量的植物屑。高嶺石、水云母、水鋁氧石均呈細(xì)小的鱗片狀，片徑0.008～0.1mm。軟質(zhì)粘土質(zhì)地較軟，觸手有滑感。塊狀粘土地表易風(fēng)化呈貝殼狀。

2.3.3 礦物成分差熱分析

礦差熱分析結(jié)果見表7，分析結(jié)果表明，礦石礦物成分以高嶺石、水云母、石英為主，少量長石、蒙脫石、方解石褐鐵礦。與巖礦鑒定結(jié)果基本吻合。

表7 差熱分析測試出的礦物成分結(jié)果(%)

由下頁的差熱分析曲線看出礦石有三個明顯的的吸熱谷和一個放熱峰。90℃吸熱谷為水云母排除吸附水所致，190℃微弱吸熱谷是由少量褐鐵礦失水所致，551℃寬大的吸熱谷為高嶺石、水云母排除結(jié)構(gòu)水所致，996℃的放熱峰為高嶺石相變而成。

2.4 礦石加工技術(shù)性能

礦區(qū)耐火粘土礦石為含水云母高嶺石粘土巖，礦石在地表多呈松散土狀，深部塊狀礦石含量較多。礦石化學(xué)成分及物理性能滿足中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T0206-2002《高嶺土、膨潤土、耐火粘土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》耐火粘土一般質(zhì)量要求。根據(jù)對當(dāng)?shù)啬突鸩牧蠌S的調(diào)查了解，礦石加工工藝十分簡單，礦石不需選礦，直接烘干、粉磨即可入窯燒制各類耐火產(chǎn)品，工藝簡單。

2.5 礦床成因、找礦標(biāo)志及找礦遠(yuǎn)景

通過對礦體和圍巖的巖性、形態(tài)、產(chǎn)狀、礦物組合以及古生物化石的分析研究，認(rèn)為本礦床為海陸交互相沉積礦床，系賦存于石炭系、二疊系煤系地層中的耐火粘土礦床。中石炭統(tǒng)本溪組為硬質(zhì)粘土賦存層位，相當(dāng)于F、G層鋁土礦，本區(qū)缺失F層鋁土礦。G層鋁土礦下部為山西式鐵礦或鐵質(zhì)頁巖，以此可作為找礦標(biāo)志。上石炭統(tǒng)太原組(D、E層鋁土礦含礦層)，下二疊統(tǒng)山西組(B、C層鋁土礦含礦層)、下石盒子組(A層鋁土礦含礦層)為軟質(zhì)粘土賦存層位，至本區(qū)，礦石品質(zhì)下降，僅可形成耐火粘土礦。本區(qū)南部的祁村一帶，北部贊皇縣的王家洞一帶地層與本區(qū)一致，且有過開采史，可以作為今后的找礦方向。

3 伴生鎵元素利用的可行性分析

本區(qū)耐火粘土礦中普遍含鎵，鎵是一種稀散元素，為銀白色軟金屬，是在人體溫度37℃下能熔化成液體的金屬之一。鎵在常溫中穩(wěn)定，因為表面有一層薄氧化膜，即使燒紅加熱也不再被空氣氧化。鎵的熔點29.78℃，沸點2403℃，是液態(tài)范圍最大的金屬。鎵的用途非常廣泛，將鎵裝入石英溫度計內(nèi)，可用來測量1500℃的高溫。人們常用這種溫度計來測量反應(yīng)爐、原子反應(yīng)堆的溫度。

鎵是一種性能優(yōu)良的電子材料，被譽為“電子工業(yè)的脊梁”，是高新技術(shù)的基礎(chǔ)資源。鎵主要用于制造新型半導(dǎo)體材料、光學(xué)玻璃、真空管、發(fā)光二極管和砷化鎵激光二極管等。

鎵質(zhì)軟、性脆，富延展性，在空氣中表現(xiàn)穩(wěn)定。鎵液體的密度高于固體密度，凝固時體積膨脹，膨脹率為3.1%，由于它的這種“熱縮冷脹”性，鎵具有較好的鑄造特性，被用來制造鉛字合金，使字體清晰。在原子能工業(yè)中，用鎵作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，把反應(yīng)堆中的熱量傳導(dǎo)出來。鎵還具有吸收中子的能力，因此在原子反應(yīng)堆中，鎵可以起到控制中子數(shù)量和反應(yīng)速度的作用。放射性鎵可用來診斷癌癥。

鎵制造的低熔點合金可用作防火信號和熔斷器；鎵能提高某些合金的硬度、強度，提高鎂合金的耐腐蝕能力；鎵在熒光材料、特殊應(yīng)變計、催化劑、焊料鑲牙、補牙方面也有廣泛用途。

本區(qū)耐火粘土礦中伴生鎵的資源量為33767.41t，屬大型礦床，現(xiàn)在本區(qū)綜合回收主要是從煤焦化煙塵中回收，回收率很低(據(jù)初步統(tǒng)計約為礦石中鎵含量的15%～25%)，目前，鎵的提取方法主要有兩種：①以副產(chǎn)品的形式提取鎵：工業(yè)上鎵主要以副產(chǎn)品的形式從處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁時的鋁酸鈉循環(huán)液中以及閃鋅礦濕法煉鋅工藝的粗鋅蒸餾殘渣中提取；②萃取法提取鎵：在一定的酸度下，采用藥劑用一定的反萃取劑可以分別萃取出，并實現(xiàn)鎵的有效分離。因此設(shè)想今后與研究部門合作研究利用萃取法提取鎵試驗研究，即在耐火粘土燒制耐火材料之前，烘干、粉磨之后，利用萃取法提取鎵，則礦床更能有效利用。

4 結(jié)語

臨城縣西牟—膠泥溝一帶耐火粘土礦成礦地質(zhì)條件較好，交通方便，是一處理想的耐火粘土礦產(chǎn)地，尤其是伴生鎵資源量大，若能有效提取利用，能夠產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，礦床利用前景廣闊。

礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊編委會.礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(修訂本)[M].北京:地質(zhì)出版社,2012.