遼西六家子膨潤土礦床地質特征及礦床成因探討

劉立柱

(中國建筑材料工業地質勘查中心遼寧總隊，遼寧 沈陽 110004)

膨潤土具有特殊的物理化學性質，廣泛應用于石油、造紙、橡膠、塑料、藥品、化學、農牧業、鑄造業、鉆探泥漿、環保等領域[1]。膨潤土礦是遼寧省的優勢礦種，資源儲量豐富，品種齊全，分布集中。既有鈣基膨潤土，又有鈉基膨潤土。主要礦產地分布于遼西地區的朝陽、阜新、錦州市。

本文總結了遼西六家子膨潤土礦床區域地質背景、地質特征，并與國內外同類礦床進行了對比，通過對礦床蝕變過程中元素遷移規律的分析，為礦床成因的探討提供了新的依據，在此基礎上初步分析總結了礦床成因。初步認為該礦床成因類型屬酸性火山碎屑水解蝕變型膨潤土礦床。

1 區域地質背景

遼西地區位于華北地臺燕山臺褶帶與山海關隆起的交接部位，分布著大面積中生代火山碎屑巖及火山熔巖。中生代以來，遼西構造活動強烈，造成區域內火山活動具多期次、多旋回特點。遼西地區中生代火山活動時間較長，從侏羅紀延續到白堊紀，均屬陸相火山巖，有4個含火山巖層位：即下侏羅統興隆溝組、中侏羅統藍旗組、下白堊統義縣組、中白堊統張老公屯組。其中義縣組火山巖在區域內分布最為廣泛，且厚度大，可劃分為4個噴發旋回。其中第4旋回形成于義縣組火山活動的噴發—沉積期，旋回下部以溢流相的中酸性火山巖為主，局部可見爆發相火山巖，包括安山巖、安山質集塊巖、流紋巖和流紋質火山角礫巖等；上部為沉積層，該沉積層底部為砂巖，含大量火山凝灰物質，頂部為巨厚層狀的沉火山碎屑巖系，厚度可達450m[2]。膨潤土礦體賦存于義縣組第4噴發旋回中酸性火山巖建造中，巖性以中酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主，火山碎屑巖對膨潤土的成礦具有重要的控制作用，膨潤土礦的形成與火山噴發沉積相密切相關。

礦區大地構造單元位于中朝準地臺(I)燕山臺褶帶(II)遼西臺陷(III)朝陽穹褶斷束(IV)之中部[3]。區域出露的地層有：古生界寒武系(∈)、奧陶系(O)、中侏羅統藍旗組(J2l)、中生界下白堊統義縣組(K1y)以及新生界第四系全新統(Q4)等。區域主要褶皺構造為燕山期金嶺寺—羊山向斜、元寶山背斜，主要斷裂構造有單家店—八家子斷裂、三家子—包杖子斷裂等。礦床位于金嶺寺—羊山向斜的南東翼，該向斜控制了區域內義縣組地層的分布。區域內主要發育有燕山早期及燕山晚期石英二長巖、花崗閃長巖等，次之為閃長巖類及閃長玢巖、輝綠巖脈等。

2 礦區地質特征

礦區賦礦地層為中生界下白堊統義縣組第4火山噴發旋回頂部的沉火山碎屑巖(圖1)，其中富含玻璃質的酸性火山碎屑巖(沉凝灰巖)為膨潤土礦的主要成礦原巖。礦區內含礦帶巖石組合為[4]：⑨層灰綠色薄層中粒—粗粒凝灰質砂巖，控制厚度65.64m；⑧層紫灰色薄層中粒—細粒凝灰質砂巖夾灰褐色—淺灰色薄層狀泥巖，厚度49.90m；⑦層淺灰色—綠色凝灰質砂巖，厚度37.61m；⑥層Ⅲ號膨潤土礦體，厚度2.34m；⑤層紫灰色薄層中粒—細粒凝灰質砂巖，厚度9.48m；④層Ⅱ號膨潤土礦體，厚度2.88m；③層灰白—綠色薄層狀沉凝灰巖，厚度6.47m，水平層理微發育，蒙脫石化發育；②層Ⅰ號膨潤土礦體，厚度3.18m；①層深灰色凝灰質膠結安山巖質礫巖，控制厚度23.25m。

圖1 遼西六家子膨潤土礦礦區地質簡圖

礦區構造總體為近東西走向的緩傾單斜構造，傾角一般在8～16°。礦區內未見巖漿巖出露。

3 礦體特征

3.1 礦體特征

自下而上分為三個礦體，其中I號礦體為主礦體，II號、III號礦體規模較小(圖2)，均呈層狀、似層狀產出，與圍巖產狀一致，呈近東西向展布，總體傾向NNE，傾角10～15°(表1)。

表1 六家子膨潤土礦礦體特征表

圖2 第2-2′地質剖面簡圖

I號礦體出露長度1 040m，寬度1.20～15.60m，傾向延伸550～900m，平均約700m，呈單斜產出。礦體厚度1.23～5.46m，平均3.18m，蒙脫石含量40.06%～80.56%。礦體埋深0～186.35m。礦體頂板為灰白—綠色薄層狀沉凝灰巖，底板為深灰色凝灰質膠結安山巖質礫巖。II號礦體出露 長 度600m，寬 度1.10～12.70m，傾 向 延 伸380～760m，平均約560m，呈單斜產出。礦體厚 度1.06～4.68m，平 均2.88m，蒙 脫 石 含 量41.69%～78.36%。礦體埋深0～167.07m。礦體頂板為紫灰色薄層中粒—細粒凝灰質砂巖，底板為灰白—綠色薄層狀沉凝灰巖。III號礦體為隱伏礦體，延長510m，深部傾向延伸200～330m，平均約240m，呈單斜產出。礦體厚度1.02～2.56m，平均2.34m，蒙脫石含量41.24%～77.58%。礦體埋深38.15～134.16m。礦體頂板為淺灰色—綠色凝灰質砂巖，底板為紫灰色薄層中粒—細粒凝灰質砂巖。

3.2 礦石質量

3.2.1 礦物成分

膨潤土礦石呈綠色，濕時為淡綠、淡青及淺色色調，風干后為白色，土狀—油脂光澤，手觸有滑潤感，礦石呈泥質結構，土狀及塊狀構造。風干后極易破碎，土狀構造者風干后不易裂開，斷口呈似貝殼狀，硬度1.5，比重1.68，平均濕度約21%，侵入水中后即分解成碎粒，并有顯著的膨脹。經X-射線衍射分析，礦石主要礦物成分為蒙脫石，其次為方英石，其他礦物見有石英、長石、白云母、磁鐵礦等，粒度相當細小，呈零散狀分布(表2)。

表2 六家子膨潤土礦礦石礦物成分 (單位：%)

3.2.2 化學成分

化學分析結果(表3)表明，總體特征為Al2O3偏 高，K2O、Na2O偏 低，且CaO+MgO＞K2O+Na2O含量。方英石礦物含量較高，但SiO2/Al2O3分子比不高。與國內外主要膨潤土礦床(表4)進行對比可以看出，本區膨潤土化學成分SiO2低于平山、黑山、信陽、鄂城李鐵鋪，與三道溝礦區相近，Al2O3介于鄂城李鐵鋪及平山、黑山、信陽、三道溝之間，且SiO2/Al2O3分子比大于4.00，大于理論值2.36，當MgO、Fe2O3作為八面體中的陽離子而代替Al2O3的不足時，SiO2/Al2O3+MgO+Fe2O3仍大于理論值4.37，說明膨潤土有較多的方英石存在[5]。本地區膨潤土硅與鋁的比值小于平山、黑山、信陽、李鐵鋪等地區的膨潤土，與三道溝膨潤土相當，表明膨潤土的純度(蒙脫石含量)與三道溝膨潤土純度相當，高于其他地區膨潤土純度。

表3 六家子膨潤土礦床化學成分

表4 國內外主要膨潤土礦床化學成分

3.2.3 物理化學性能

各礦體陽離子交換性能及可交換陽離子數目見表5，根據膨潤土礦石屬性劃分的規定，ECa2+/QCEC×100%≥50%為鈣基膨潤土[6]，本區膨潤土礦屬鈣基膨潤土，具有良好的陽離子交換性能。

表5 六家子膨潤土礦礦石物理化學性能

4 礦床成因

4.1 礦床蝕變分帶及蝕變過程中元素遷移規律

礦床蝕變分帶清晰，從圍巖到礦體依次為：沉凝灰巖原巖帶、弱蒙脫石化帶、蒙脫石化帶、強蒙脫石化帶(礦體)。對應巖礦石分別為沉凝灰巖、弱蒙脫石化沉凝灰巖、蒙脫石化沉凝灰巖、膨潤土(表6)。在蝕變過程中，K、Na、Si先是大量的帶入，而Ca、H2O+則大量帶出；隨著蒙脫石化程度的加深，則又表現為K、Mg、Fe的大量帶入，Na、Ca、H2O+的大量帶出；強烈蒙脫石化形成礦石后，則K、Na、H2O+大量帶出，Mg、Al大量帶入。因此，該礦床成礦作用地球化學行為與其他礦床最大的差異是H2O+大量帶出，Si則是先大量帶入，然后少量帶出。沉凝灰巖形成膨潤土礦床時，元素遷移富集的規律是：K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入。該類礦床成礦作用最顯著的特點是蒙脫石化過程中，不僅不需要介質水，反而在元素重新組合成蒙脫石時，還要帶出一定量的水。

表6 六家子膨潤土礦蝕變帶巖礦石化學分析結果

4.2 礦床成因探討

4.2.1 成礦地質條件

(1)構造條件。

遼西地區膨潤土礦床的產出嚴格受燕山臺褶帶、遼西臺陷控制，主要分布于遼西坳陷內一系列北東向斷陷盆地中。六家子膨潤土礦床位于中燕山期金嶺寺—羊山盆地內，礦床的形成與火山活動密切相關，早白堊世義縣期強烈的火山活動沿盆緣斷裂帶噴發，適宜的火山噴發與構造運動為后期成礦作用提供了充足的物質來源與賦礦空間。礦床形成于構造相對穩定的火山活動間歇期。

(2)地層和巖性條件。

遼西地區膨潤土礦床嚴格受地層和巖性雙重控制，成礦時代為早白堊世義縣組，成礦原巖以中酸性火山熔巖及火山碎屑巖為主。六家子膨潤土礦床產于白堊系下統義縣組第4火山噴發旋回頂部富含玻璃質的中酸性火山碎屑巖中，原巖為中酸性沉凝灰巖。礦區內第①～⑨巖性段主要巖性為沉凝灰巖夾凝灰質砂礫巖，沉凝灰巖礦化均勻強烈，凝灰質砂礫巖內凝灰質基質礦化較為強烈。它們均由大量的玻屑、晶屑等細火山碎屑物質組成，受熱液蝕變作用影響，對成礦非常有利。

(3)水化學條件。

水化學條件在膨潤土礦的形成過程中起著重要的作用，從礦區內沉凝灰巖具有明顯的水平微層理來看，幾乎所有的層狀礦體及成礦母巖初始階段均在匯水盆地的水體中沉積。另據礦石的pH值(表6)表明礦床形成于富水的偏堿性環境。據桂林冶金地質礦產研究所礦床室(1998)研究，pH值8～10是SiO2、Al2O3等中酸性火山物質主要成分溶解度最大的環境，非常有利于火山玻璃物質的水解與蒙脫石等粘土礦物的形成[7]。因此，地表富含堿性水體的水化學條件是形成膨潤土礦的重要的外部條件。

4.2.2 成礦機理

火山碎屑物通過H+或H3O+(水合氫離子)作用，促使火山玻璃解體，在排水補水較充分的堿性水介質中形成蒙脫石(礦體)。其蝕變的簡化通式為：火山玻璃+水→蒙脫石+SiO2+殘余礦物(方英石、石英、長石等)[8]。其形成過程為：首先是H+交代火山玻璃，并析出陽離子，其次殘余的無序硅鋁格架分解，然后其分解的格架重建為粘土礦物(蒙脫石)，金屬陽離子K+、Na+和H2O+被析出，最后過剩的二氧化硅遷移，由于盆地內水介質pH值較高，二氧化硅容易進行遠距離遷移，故該類礦床礦體的頂底板一般不具硅化現象。沉凝灰巖形成膨潤土礦床時，K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入。此類礦床最大特點是在成礦過程中帶出一定量的水。

礦床系火山噴發形成的凝灰質碎屑物，經搬運沉積在火山盆地內，壓實、固結成巖后，在堿性介質水的作用下，水解蝕變脫玻而形成。礦床成因類型為酸性火山碎屑巖水解蝕變型礦床[9-11]。

5 結論

(1)六家子膨潤土礦賦存于下白堊統義縣組酸性火山碎屑巖系中，礦體呈層狀、似層狀產出，受地層和巖性雙重控制。

(2)礦石為鈣基膨潤土，呈泥質結構，塊狀構造。主要礦物成分為蒙脫石，含量75%以上。化學成分具有Al2O3偏高，K2O、Na2O偏低的特性，與國內外主要膨潤土礦床相比具有相似性。

(3)礦床蝕變分帶元素遷移規律為K、Na、H2O+顯著帶出，而Mg、Fe、Al則顯著帶入，礦床成礦過程中，有一定量的水帶出。

(4)礦床是由酸性火山碎屑物質在堿性介質條件下，經水解蝕變脫玻化而形成。其成因類型為酸性火山碎屑巖水解蝕變型膨潤土礦床。