山西左權縣玄武巖開發利用探討

陳 勇

(中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊，山西 太原 030031)

玄武巖纖維已發展60余年，前蘇聯烏克蘭科學研究院于1959～1961年制備出首例玄武巖纖維(CBF)，隨后玄武巖纖維廠的制造產能和性能都逐漸提升。國內最早于1990年涉及玄武巖纖維制造[1]，目前主流采用鉑銠合金拉絲漏板，在研工業級金屬化陶瓷制造玄武巖拉絲漏板[2]。玄武巖纖維穩定性好，且具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優異性能[3]。我國已把玄武巖連續纖維列為重點發展的四大纖維之一，在纖維增強復合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業、高溫過濾織物以及防護等領域得到廣泛應用[4]。經多年玄武巖纖維制造企業實踐，我國制定了GB/T 38111-2019《玄武巖纖維分類分級及代號》標準[5]。

由于玄武巖具有抗壓強度大、壓碎值低、導電性弱和瀝青粘附性強等特點在修筑公路、鐵路、港口碼頭、機場跑道等工程中大量使用。相較于灰巖及白云巖石料，建筑用玄武巖石料更加耐磨、吸水率更低、抗腐蝕性更強，可有效避免鋼筋銹蝕等問題，使其在近年的工程中發展成為陸路運輸等建筑物良好基石[6]。

左權玄武巖勘查資料較少，1972年對區內的玄武巖進行了形態分布等簡單描述[7]，將其定位于喜馬拉雅第三期產物。隨后徐榮[8]對其進行了地球化學特征描述和巖石學成因分析，認為此期玄武巖的形成與早期的古亞洲洋向南俯沖或者特提斯大洋板塊向北俯沖有關。研究區內玄武巖未進行大規模礦產開發，根據野外調查及訪問當地居民，僅有少量玄武巖石料用于修筑附近的高速公路。

本文基于山西省左權縣一帶出露的新近紀致密狀玄武巖，對比國際上較成熟的格魯吉亞玄武巖展開地球化學研討，同時選定部分樣品開展巖石物理性能測試，嘗試提供科學、合理的礦產資源綜合利用方案。

1 產出特征

研究區所屬大地構造位置為“山西中、北部較大型的多字型構造”的東南端。本區Ⅰ級構造為太行隆起、沁水沉降帶[9]。Ⅲ級大地構造單元處于太行拱斷束上，東面緊鄰武安盆地，西臨太行山西緣斷裂帶(在山西部分又稱為晉獲斷裂帶)中的松煙—柏官莊斷裂[10]。

研究區內玄武巖出露形態較為簡單，主要為平緩波狀、層狀體，下伏為寒武及奧陶系碳酸鹽巖地層，上部被新近系及第四系粉細砂巖及黃土不整合覆蓋。由東向西逐漸變厚，百草坪附近的玄武巖地層較薄，約10m左右，在羊角鄉一帶厚度逐漸加深，最大可達近百米。研究區僅有氣孔狀、杏仁狀和致密狀三種類型玄武巖，氣孔狀及杏仁狀分布于地層上部，厚度1～5m不等，下部多數為灰黑色致密狀玄武巖。

研究區玄武巖下伏主要為寒武系和奧陶系碳酸鹽巖，出露厚度最大的中奧陶統碳酸鹽巖的沉積厚可達560m，在百草坪至西見溝附近，下伏地層為前寒武系變質結晶基底。中新世末期到早更新世初期噴發產物在原U型盆地中(羊角鄉一帶)沉積了中—厚層狀玄武巖[10](圖1)。Tang等[11]對研究區玄武巖進行了年代學研究并指出其噴發于5.6Ma，野外地質調查發現局部玄武巖被新近紀土黃色細粉砂巖呈角度不整合覆蓋，故左權一帶玄武巖的噴出時代為新近紀。

圖1 研究區地質圖(據參考文獻[10]修改)

2 巖石學特征

2.1 巖石特征

氣孔狀及杏仁狀玄武巖多見于噴發旋回的上部，灰—灰黑色，局部見紅褐色，隱晶質結構，氣孔狀、杏仁狀構造。氣孔及杏仁含量20%～30%，多者可達40%以上(圖2a)。野外可見部分氣孔被火山灰等物質充填，氣孔大小為0.5mm～10cm(圖2b)，多數集中在1～2cm，形態以不均勻橢圓者為主。

致密狀玄武巖多為灰黑色，風化面為灰褐色，斑狀結構，塊狀構造，含極少量的氣孔。斑晶為橄欖石、輝石和斜長石，斑晶大小1～2mm，板狀，基質為長石類的淺色礦物和輝石類的暗色礦物(圖2c、d)。

圖2 左權玄武巖野外特征

2.2 化學特征

由于氣孔狀或杏仁狀玄武巖在研究區分布較小、層厚較薄，致密狀玄武巖為研究區主要巖性，故本次研究僅對30件致密狀玄武巖進行了測試及分析。測試結果見表1，左權玄武巖在TAS分類圖解中落入玄武巖區域[12]。

表1 左權玄武巖化學成分及拉絲性能評價指標對比表

玄武巖纖維礦產開發最成熟的是格魯吉亞玄武巖，因此國際上常將原料化學指標同格魯吉亞玄武巖對比。差異比較明顯的為SiO2，左權玄武巖SiO2含量平均48.21%，小于格魯吉亞玄武巖的51.65%，硅含量的降低可能影響玄武巖纖維拉絲的連續性。其次，我國寧安鏡泊湖、浙江石金、山西晉投等玄武巖纖維生產公司根據多年研發、生產經驗，認為生產玄武巖纖維所用玄武巖原礦石的化學成分范圍為：SiO245%～60%、Al2O312%～19%、Fe2O3+FeO 5%～15%、CaO 6%～12%、MgO 3%～ 7%、Na2O+K2O 2.5%～6%，其 他 雜 質 為2%～ 3.5%[4]，左權致密狀玄武巖均落入推薦值內，因此左權致密玄武巖適合作為生產玄武巖纖維的原料礦石。

3 性能評價

3.1 玄武巖纖維可利用性評價

目前國內外并未就連續纖維用玄武巖礦產勘探開發定制具體的行業標準或國家標準，俄羅斯多曼諾夫曾提出生產玄武巖纖維所用礦石化學成分的要求[13]，評價其是否可用作玄武巖纖維用原料礦石，主要參考酸度系數[14]、鐵物相比值和粘結度系數3項指標判別玄武巖的拉絲性能[13]，具體計算公式及指標如下：

①酸度系 數：5.8≥[ω(Al2O3)+ω(SiO2)]/[ω(CaO)+ω(MgO)]≥4.3；

②鐵物相比值：ω(FeO)/ω(Fe2O3)≥ 0.5；

③粘結度系數：[ω(2Al2O3)+ω(SiO2)]/[ω(FeO)+ω(2Fe2O3)+ω(CaO)+ω(MgO)+ω(K2O)+ω(Na2O)]≥1.5。

研究區樣品酸度系數介于4.16～4.69，平均4.30；鐵物相比值介于0.88～3.20，平均1.92；粘結度系數介于2.29～2.51，平均2.41，研究區礦石作為玄武巖纖維用原料礦石完全滿足要求。

在拉絲過程中，玄武巖熔體有不同程度的析晶傾向，這種析晶傾向稱之為析晶性能。在纖維的生產中，析晶是絕對不允許的，它將導致纖維的斷裂，強度降低。為避免拉絲時產生析晶現象，成型溫度必須要高于玄武巖的析晶溫度。一般的拉絲作業中使漏板溫度大于析晶上限溫度40～50℃為佳，所以，測定析晶上限溫度是決定成形溫度的關鍵。趙雪妮等[15]利用熱重—差示掃描熱量法(TG-DSC)對陜西略陽玄武巖礦石原料進行了完全熔化溫度和最高析晶溫度進行了量化表征，因此，建議后續需采用TG-DSC法進一步掌握左權玄武巖作為玄武巖纖維原料的關鍵溫度參數。

3.2 建筑用石料評價

在致密狀玄武巖中選取了部分副樣進行了物性測試(表2)，左權致密狀玄武巖放射性為0.1 Bq·kg-1；抗 壓 強 度(水 飽 和)平 均107MPa；堿 活 性 為0.023%；堅 固 性9.50～19.0mm為0.3%～0.8%；4.75～9.50mm為0.9%～1.6%；壓碎指標為10%～14%；硫酸鹽含量0.01%；硫化物含量0.096%～0.21%，根據《礦產地質勘查規范 建筑用石料類》要求[16]，滿足建筑用石料玄武巖各項物性指標，已有大量研究證明，玄武巖作為建筑用石料價值極高[17-18]，由于其附加價值極高，只進行簡單的破碎用作路基的墊石或混凝土骨料，則會造成礦產資源價值大打折扣，因此需尋求更科學的礦產資源綜合利用方案。

表2 左權玄武巖物性測試表

4 結論和建議

(1)符合玄武巖纖維指標。

對左權30個致密狀玄武巖進行主量元素測試，經計算酸度系數、鐵物相比值和粘結度系數指標，對比玄武巖纖維原料礦石推薦值、格魯吉亞玄武巖化學成分，研究區致密狀玄武巖可以作為玄武巖纖維原料礦石。

(2)符合建筑用石料指標。

對致密狀玄武巖進行了物性測試，結果顯示滿足建筑用石料的各項指標，仍需對氣孔狀及杏仁狀玄武巖進行測試及礦產資源評價。

(3)開發利用建議。

建議用熱重—差示掃描熱量法(TG-DSC)進一步判斷研究區各類型玄武巖析晶溫度及完全熔融溫度，為后續生產玄武巖纖維提供價值數據。

考慮礦產資源綜合利用，采用綜合開發方式，將不滿足玄武巖纖維原料的夾層及頂板氣孔狀或杏仁狀玄武巖用作建筑石料用玄武巖原料。