大氵伏潭耐火粘土礦床地質特征及開發應用

張惠軍，張祝青，梁惠敏

（湖南省有色地質勘查局二四五隊，湖南 吉首 416000）

大洑潭耐火粘土礦位于湖南辰溪縣城東南4km處，是一處交通方便、建設條件好的優質中型耐火粘土礦床。

1 區域地質概況

大地構造位置，位于揚子地臺與華南褶皺系接合部位的江南地軸西南段，江南地軸雪峰迭隆起的次級構造單元辰溪—黔陽鞍部凹陷。在地層分區上，賦礦層位二疊系屬湘西北區雪峰山小區[1]，該巖系沉積建造較為發育，地層出露較齊全。其特點是二疊系與下伏地層之間，上二疊統與下二疊統之間都有明顯的沉積間斷，成假整合甚至不整合接觸，在沉積間斷面上多有很薄的含煤碎屑巖層(即梁山組和辰溪組)相隔，而其余地層則幾乎全為碳酸鹽沉積。大洑潭耐火粘土礦即賦存于梁山組中。該組為一套厚度不大的濱海沼澤相含煤碎屑巖沉積，產植物和腕足類化石，不同于下伏泥盆系海陸交互相碎屑巖，更異于上覆的淺海相碳酸鹽巖。

2 礦區地質特征

2.1 地層

礦區出露地層較為簡單，由老至新分述如下：

(1) 上石炭統船山組(C3ch)：為灰—灰白色塊狀細晶灰巖、結晶灰巖及生物灰巖，夾多層灰色石英細砂巖，紫紅、灰綠色鈣質粉砂巖及泥巖。厚度56m。在灰巖中含大量腕足類、珊瑚及莛科等化石。同上覆二疊系梁山組呈假整合接觸。

(2) 下二疊統梁山組(P1l)：由一套細碎屑巖及粘土巖類組成，厚10.2～49.5m。產耐火粘土礦及煙煤。按沉積韻律，大致可分為上、下兩段：

梁山組下段(P1l1)：該段厚度及巖性變化較大，為2.74～46.9m，明顯受基底地形控制，在沉積基底洼陷處厚度明顯增大。巖性下部為灰白色薄—中層狀石英砂巖夾炭質頁巖，砂巖中偶夾灰黑色硬質粘土，厚0～2m，呈扁豆狀，無工業意義。中部自下而上為灰—灰黑色塊狀硬質粘土(Ⅰ礦層)、煤層、黑色頁巖、黑色石英砂巖及粉砂巖等。粘土礦中含砂質及鱗木根狀莖等植物化石，局部達工業要求，厚0～4.2m，呈扁豆狀，常相變為煤層及炭質頁巖或粘土巖，為礦區次要礦層。上部為灰白—白色，中厚層狀細粒石英砂巖，以波狀水平層理及縞狀層理為主，其頂部有一侵蝕間斷面，微具波狀起伏，有厚0.3～3cm的黃鐵礦結核層。本段含鱗木、鱗木根狀莖及細羊齒等植物化石。

梁山組上段(P1l2)：下部為耐火粘土礦層(Ⅱ礦層)，由底部硬質粘土、上部高鋁粘土組成，在粘土礦層之下偶見黑色砂質頁巖及煙煤，產植物化石。中部為炭質頁巖、粉砂巖及薄層灰黑色含炭石英砂巖，在炭質頁巖中偶夾硬質粘土及雞窩狀劣質煙煤。上部為薄—厚層狀、淺灰—灰黑色含炭石英砂巖夾黑色頁巖、粉砂巖。頂部為厚2m的厚層狀白色細砂巖。本段一般厚10～20m。

(3) 下二疊統棲霞組(P1q)：本組為陸棚開闊淺海相碳酸鹽巖，與下伏濱海沼澤相的梁山組區別明顯，界線清晰。巖性為灰色薄—中厚層狀灰巖、泥質灰巖，含較多燧石團塊及條帶，層間夾炭泥質物及瀝青質?？梢姾?5m。

(4) 上二疊統茅口組(P2m)：本組亦屬開闊臺地碳酸鹽沉積。巖性為青灰色塊狀細晶灰巖，含黑色燧石團塊及角礫，可見厚約166m。

2.2 構造

礦區位于NWW向曹娘坡傾伏倒轉背斜以南，瓦子溪弧形構造北翼向E凸出部位。礦區褶皺構造以碾子石—大洑潭烏鴉山為界，劃分為東西兩部分。西部為向W傾斜的單斜構造，巖層傾角3～25°，自北而南巖層走向由NNW逐漸轉變為NNE；東部則發育一組走向NNE-NE向的平緩開闊型褶皺構造。礦區主要斷裂有F1、F2、F3等3條斷層，F1為向W傾斜的沖斷層，延伸長達數十千米，斷距約15～30m，破壞礦體。F2為NNE向斷層，延長4 000余米，斷距約30m，為高角度沖斷層，將礦區分割為東西兩部分。F3為NNE向沖斷層，傾角為60℃，長500余米，它使船山組向W仰沖于梁山組之上。

3 礦床地質

3.1 含礦巖系巖性組合及沉積特征

區內有兩層粘土礦層，分別賦存于梁山組(P1l)上部和下部，可分為兩個含礦巖系，分述如下：

(1) 第一含礦巖系：位于船山組沉積間斷面上，因基底及古地理位置的差異，不同地段的巖性及厚度差異較大，厚度3.7～46.9m。

第一含礦巖系分布面積達12km2，出露較連續地帶面積為7km2。北自倒頭園，南至劉家人，南北出露3 000m，東西寬1 200～2 000m，含礦層位較穩定，粘土礦為黑色硬質粘土，呈扁豆體零星出露。本巖系沉積位于基底。

(2) 第二含礦巖系：位于下部巖系之石英細砂巖間斷面上，為主要勘探對象。厚2.7～20.4m。

第二含礦巖系分布于楊溪口、何家沖、姚家人及碾子石等地，面積3.7km2。其中以大洑潭至碾子石一帶1.5km2范圍內礦石厚度及質量最好。

3.2 礦體特征

通過詳細勘探工作，第Ⅱ礦層因受沉積基底的影響，有3個無礦地段。由于無礦地段的出現，可劃分為楊溪口、碾子石及何家沖等3個似層狀透鏡體礦體。大部分埋藏標高在120m以上。礦體蓋層厚度一般在20m左右。

(1) 楊溪口礦體：位于沉積基底的凹陷部位，呈NE向展布。礦體走向長600m，傾斜寬550m，傾向NW，傾角0～5°，底板較為完整平直。礦體厚2～6m，一般為4m左右，各品級礦石跳動較大。礦石類型從中心到邊部依次為：高鋁粘土、硬質粘土相變為黑色頁巖，呈環帶狀水平分布。

(2) 碾子石礦體：位于基底起伏不大的平坦地段。礦體走向長850m，傾斜寬400～680m，傾向NW，傾角3～10°，厚度1.6～7m，一般厚度3～4m，變化較大。該礦體以硬質粘土Ⅰ級品為主。

(3) 何家沖礦體：為楊溪口礦體的北西延展部位，處在沉積基底向北揚起的地段。礦體走向長400m，傾斜寬420m，厚1.15～6.4m，一般厚1.9～3.3m，往北東和北西兩個方向變薄。礦石類型有高鋁粘土、硬質粘土。

3.3 礦石類型及礦物組成

根據區內見到的耐火粘土礦按其自然類型可劃分為高鋁粘土礦和硬質粘土礦，以硬質粘土礦為主。

(1) 高鋁粘土礦：巖石學名稱為水鋁石—高嶺石粘土巖，位于硬質粘土礦之上，兩者肉眼難以區別，需以化驗品位圈定，深部呈黑灰、灰色，淺部為白色或灰白色，致密塊狀，堅硬，表面具滑感，斷口粗糙，抗風化力強。礦石具角礫狀和鮞粒狀構造。角礫和鮞粒為一水軟鋁石或—水硬鋁石之集合體被高嶺石所膠結。礦石礦物主要為高嶺石、一水軟鋁石、一水硬鋁石，其次為多水高嶺石、三水鋁石等。在電子顯微鏡下，高嶺石呈較大的六方形鱗片狀，粒徑0.5～2μm，有時向一個方向拉長，呈隱晶質和微晶粒，為礦石的膠結構，其含量為30%～80%。一水軟鋁石呈寬板狀，粒徑1μm左右，含量10%～60%。一水硬鋁石呈細長的小針狀、放射狀和束狀，粒徑0.3～1μm，含量10%～15%。其他礦物還有微量電氣石、鋯英石、金紅石、銳鈦礦及玉髓等。有害礦物黃鐵礦呈細小結核狀和細粒浸染狀等他形粒狀。一般分布于礦層頂部，含量低。

(2) 硬質粘土礦：礦石學名稱為高嶺石型粘土巖。該礦石在各個礦體中都有產出，賦存于高鋁粘土礦之下。白灰、灰色，風化后呈白黃色，表面常有圓形氣化孔洞，其內充填有褐紅色鐵質氧化物。原生礦石致密堅硬，抗風化力強，無粘性和可塑性，體重較大。因垂直節理發育，常有次生白色半透明的高嶺石脈充填。破碎后具貝殼狀和似碧玉狀斷口，臘狀光澤，有滑感。結構主要呈隱晶質和顯微鱗片狀結構，次為角礫狀。其礦物組分經電子顯微鏡查定，以高嶺石為主，呈六角形薄片狀，邊緣清楚，大小不一，粒徑0.5～2μm，含量約85%。其次為多水高嶺石，為長棒狀，粒徑1～3μm，含量約10%，一水硬鋁石為細小針狀、放射狀，粒徑0.5μm左右，含量約3%，以及少量三水鋁石、水云母。另有微量鋯英石、金紅石、銳鈦礦、電氣石和玉髓等。黃鐵礦呈他形粒狀，集合呈結核狀不均勻分布，多分布在高鋁粘土礦接觸處。局部還有少量炭化植物化石碎片。

3.4 礦石的物理化學性質

3.4.1 礦石化學成分

經化學分析，耐火粘土礦化學成分主要由Al2O3、SiO2組成，次要為TiO2、Fe2O3、LOI。其中高鋁粘土礦、硬質粘土礦(熟料)Al2O3含量分別為49.97%～77.55%、39.59%～54.73%，SiO2含量分別為18.85%～49.27%、45.50%～57.43%，TiO2含量分別為1.00%～2.60%、1.00%～2.00%，Fe2O3含量分別為0.41%～1.54%、0.42%～2.28%，LOI分別為14.03%～17.12%、12.79%～15.45%，平均品位分析結果見表1。對礦區礦石樣品的鋁硅比進行測算，結果高鋁粘土礦鋁硅比為1.2～1.7，最高4.7，最低0.96，比高嶺石的硅鋁比理論值略高，介于粘土巖與鋁土巖之間，為過渡巖石類型。硬質粘土礦鋁硅比值為0.85～0.88，屬高嶺石型粘土。

表1 耐火粘土礦平均品位分析結果(%)

硬質粘土礦石以Ⅰ、Ⅱ級品位為主，高鋁粘土次之。

3.4.2 礦石物理性能

(1) 耐火度是評價耐火材料礦產質量的重要技術指標。經對礦區粘土礦石耐火度測定，高鋁粘土礦石耐火度多在1 770℃以上，僅個別為1 750℃，硬質粘土礦石耐火度一般為1 750～1 770℃，最低1 730℃。研究表明，耐火度的高低取決于Al2O3及有害雜質的含量，該礦床高鋁粘土礦、硬質粘土礦的Al2O3含量都較高且Fe2O3、MgO和CaO含量低，因此耐火度較高，制品質量較好。

(2) 粘土礦石脫水試驗及XDR分析。

高鋁粘土礦石經脫水試驗(見圖1)，其結果是450～650℃，特別是500～600℃為明顯脫水溫度，失重率為14%，達到高嶺石或接近一水軟鋁石的脫水理論值，說明礦石以上兩種礦物成分為主。經X-射線衍射儀進行XRD物相分析，顯示礦石礦物成分主要為一水軟鋁石，次為高嶺石及一水硬鋁石，少量金紅石和銳鈦礦，與礦石化學分析結果及鏡下分析顯示出一致性。

硬質粘土礦石經脫水分析，其脫水溫度為550～650℃，失重率為13.4%，為較純的高嶺石脫水理論值。對礦石XRD物相分析，具明顯的高嶺石特征，但有少量一水軟鋁石。

(3) 耐火粘土礦差熱分析。

對本區不同類型的耐火粘土礦石粉進行的差熱分析表明(見圖2)，高鋁粘土礦石粉為高嶺石及一水軟鋁石的混合物，但以高嶺石為主，在560℃有一明顯的吸熱谷，在985℃時有明顯的放熱峰，但線條平直，說明結晶程度較好。

硬質粘土礦石粉經差熱分析，呈明顯的高嶺石特征。其吸熱谷位于600℃，放射峰位于920℃，但有些樣品在600℃之前基線有向下傾向，說明有一水軟鋁石的存在。但其吸熱谷和放射峰面積較窄，說明高嶺石結晶程度較差。

圖1 礦石粉脫水分析

圖2 礦石粉的差熱分析

3.5 礦體圍巖及夾層

礦體底板為上石炭統船山組(C3ch)的石灰巖，與賦礦地層下二疊統梁山組(P1l)碎屑巖呈假整合接觸。礦體共完成鉆孔191個，夾石出現42個層次，厚度0.3～3.64m。夾石種類以硬質粘土為主，次為煤層或粘土質粉砂巖等，多分布于礦層中上部，零星產出，無穩定層位。礦層頂板多以黑色頁巖或黑色泥巖為主，不甚穩定。

4 礦床成因

本區位于雪峰古陸和武陵古陸之間的辰溪—黔陽鞍部凹陷。中、晚石炭世發育臺地碳酸鹽沉積。石炭紀末，古陸抬升，大部分地段海水退出。二疊紀初，大規模海侵開始，雪峰山地已沉淪為孤島。辰溪、懷化一帶為一與湘中南相通的海灣。沉積了濱海沼澤相含煤碎屑沉積的梁山組。該組與下伏地層船山組之間有明顯的沉積間斷面，呈假整合或平行不整合接觸，在間斷面上多有很薄的含煤碎屑巖層相隔?；椎貙咏浡L的風化剝蝕，所形成的風化物質，在沉積分異作用下，與造礦元素Al相伴的Si、Ca、Mg、K、Na雜質元素為粘土礦的生成提供了豐富鋁硅酸鹽碎屑及成礦元素。隨海侵的到來，呈細粒懸浮和粘土吸附狀態搬運至沉積盆地，由于介質條件變化，沉積了粘土礦床。礦石中有少量銳鈦礦、金紅石、鋯英石及電氣石等陸屑，礦層頂底圍巖為明顯的碎屑結構，說明其形成方式以機械沉積為主。此外，礦石中有鮞粒及凝膠結構存在，亦有一定的化學沉積。

根據巖性組合特點，該礦床形成在陸海過渡到湖沼相轉變處，屬海進程序。此時沉積條件穩定，物源豐富，沉積速度緩慢，氣候溫暖、潮濕，是成煤前的沉積環境，礦床產于煤系地層中。由于煤系中還原介質及腐殖酸的作用，生成了質量良好的高嶺石型粘土礦。

綜合上述，大洑潭耐火粘土礦床屬濱海沼澤相含煤巖系中的高嶺土礦床[2]。

5 開發應用

該礦區耐火粘土礦委托湖南冷水灘耐火材料廠進行制磚試驗，采用100t壓磚機成型，在干燥坑上干燥48h，磚坯水分＜2%裝窯燒成(見表2)。試驗結論：大洑潭耐火粘土可生產優質制品和二、三級高鋁制品。

湖南澧陵陶瓷研究所對本區高鋁粘土礦和硬質粘土礦所作燧道匣缽中型試驗報告稱，以區內粘土所做匣缽質量較優，其結論為：①匣缽使用壽命長，可燒14～15次以上不開裂，可節約材料，降低成本；②匣缽熱穩定性好，不易開裂，減少落砂，有利于提高產品質量；③用高鋁粘土熟料做骨架，當爐溫提高至1 380～1 410℃時，在燒瓷生產工藝中可大膽使用，故可用大洑潭耐火粘土取代河南礬土制作匣缽。

根據上述試驗結果及結論，表明大洑潭耐火粘土礦技術加工性能良好，可建設一座中型耐火原料基地，徹底解決湖南生產耐火材料問題。

6 結語

(1) 大洑潭耐火粘土礦產于緩傾斜下二疊統梁山組地層中。礦體呈似層狀透鏡體，主要由高鋁粘土和硬質粘土組成。礦石主要成分為高嶺石，其次為多水高嶺石、一水軟鋁石、一水硬鋁石等。

(2) 礦石吸熱峰溫度為560～600℃，放熱峰溫度920～985℃。高鋁粘土耐火度＞1 770℃，硬質粘土一般在1 760℃。

(3) 本礦床賦存于下二疊統梁山組含煤碎屑巖中，沿襲于上石炭統船山組碳酸鹽巖沉積間斷面分布，自下而上由淺海相碳酸鹽巖到濱海沼澤相含煤碎屑巖，形成了湘西地區含煤巖系，至陸棚開闊淺海碳酸鹽巖。粘土礦層沉積數量、質量及產狀與分布受古巖溶地貌及沉積間斷面地形控制。礦床類型屬濱海沼澤相含煤巖系中的高嶺土礦床。

表2 大洑潭耐火粘土礦制磚試驗結果

(4) 大洑潭耐火粘土礦經制磚和燧道窯匣缽試驗，說明其技術加工性能良好，可建設一座中型規模的耐火原料基地。