陜西漢中阜川高嶺土礦地質特征與控礦因素

嚴鵬程，壽立永，金 凱，高文彬

(中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊，陜西 西安 714000)

高嶺土礦是一種重要的非金屬礦種，因具有優良的工藝性能，被廣泛應用于造紙、陶瓷、橡膠、塑料、耐火材料、化工、農藥、醫藥、紡織、石油、建材及國防等領域[1]。高嶺土礦床類型可分為風化型高嶺土、熱液蝕變型高嶺土、沉積型高嶺土[2]等。其中，沉積型高嶺土是十分可貴的非金屬礦產資源[3]。漢中阜川高嶺土是陜西省重要的沉積型高嶺土礦產資源地，早在明朝萬歷年間就已經有開采并用作制陶的歷史。本文從地層、礦體特征等方面對阜川高嶺土礦地質特征進行初步總結，并從古構造、古氣候、沉積環境及水介質條件、成巖后生作用等主要因素對阜川高嶺土礦成因進行深入分析，為今后該區高嶺土礦找礦突破提供參考。

1 成礦地質背景

礦區位于揚子地臺北部邊緣，北隔漢中新生代盆地，以略陽—褒城大斷裂為界與秦嶺造山帶相接；西以龍門山大斷裂與松潘—甘孜構造帶為鄰，處于揚子地臺內二級構造單元的龍門—大巴褶皺帶中，即穩定地臺北緣鄰接活動帶地區[4]。

區域上按揚子地臺形成發展過程中的構造活動特征又進一步劃分為震旦紀—中三疊世地臺穩定發展階段、晚三疊世—新生代構造活動期兩個階段[5]。震旦紀—中三疊世地臺穩定發展階段：以非造山的地臺升降運動為特征，相繼沉積了震旦系至二疊系一套巨厚的濱海、淺海相陸源碎屑—碳酸鹽巖建造(圖1)。晚三疊世—新生代構造活動期：相繼經歷了印支、燕山、喜山運動，形成了區域普遍發育的褶皺和斷裂，形成了現今綜合的區域地質構造面貌。

圖1 區域地質圖

由于震旦紀至中三疊世造陸運動頻繁，致使地層中出現好幾次侵蝕間斷，期間在不同時期、不同地區，分別不同程度的缺失了中上寒武統、泥盆系和石炭系地層，但相鄰地層間均以平行不整合關系相接觸。阜川地區因泥盆系和石炭系地層的缺失，在下志留統地層頂部形成了規模較大的古風化剝蝕面，為高嶺土礦的形成創造了良好的條件。阜川地區高嶺土礦賦存在下志留統泥質碎屑巖不整合面上，產出嚴格受早古生代鈣紅土型古風化殼的控制[6]。

2 礦區地質

礦區地層總體呈北東向展布，主要由前震旦紀至三疊紀的碳酸鹽巖—碎屑巖建造組成。高嶺土礦賦礦地層為下二疊統梁山組(P1l)，其呈平行不整合上覆于下志留統羅惹坪組泥質碎屑巖古風化剝蝕面之上，巖性以灰色薄層狀粘土巖、泥巖為主，厚9.39m，其中上部常夾炭質頁巖及不穩定的煤線。上覆地層為中二疊統陽新組(P2y)地層，其與梁山組地層呈整合接觸。陽新組為一套臺地邊緣潮坪相沉積的碳酸鹽巖地層，在縱向上具明顯的二分，下部為厚層含生物碎屑灰巖，上為含燧石團塊或條帶灰巖(圖2)。礦區構造以“侏羅山式”褶皺為主，伴生逆沖小斷層，在一定程度上，逆沖斷裂破壞了礦體的連續性。區內不發育巖漿活動。

圖2 礦區二疊系地層實測剖面圖

3 礦床地質

3.1 礦體特征

阜川地區高嶺土礦主要分布于尖尖山至碗廠溝一帶，共圈定出礦體7條，呈層狀、似層狀產于下二疊統梁山組地層中(圖3)。KⅡ1、KⅢ1、KⅥ1、KⅦ1礦體傾向 北西 —北，產狀315°～355°∠43°～56°；KⅠ1、KⅣ1、KⅤ1傾向南—南東，產狀184°～156°∠6°～60°。礦體長400～3 180m，厚3.96～8.97m，平均厚度6.03m，厚度變化較均勻(表1)。礦體大部分直接裸露，少部分上覆 1～5.0m全新統洪沖積礫石層。

表1 礦區高嶺土礦體規模、礦石質量統計

圖3 礦區地質圖

根據礦石質地、可塑性和砂質的含量，阜川高嶺土礦石分為硬質高嶺土、軟質高嶺土兩種自然類型，軟質高嶺土礦規模稍大于硬質高嶺土礦。硬質高嶺土礦厚1.51～3.66m，平均厚2.48m，軟質高嶺土礦厚1.65～5.93m，平均厚3.54m。

硬質高嶺土礦的直接頂板為梁山組頂部劣質薄煤層，煤層厚度0.2～1m。硬質高嶺土下部即為軟質高嶺土層，下志留統羅惹坪組泥質粉砂巖地層構成高嶺土礦的直接底板，礦體頂底板界線清晰。

3.2 礦石質量

硬質高嶺土礦石一般地表呈黃(圖4a)，黃褐色，深部呈灰白色。質細而純，泥狀、膠狀、隱晶質、顯微鱗片變晶結構(圖4b)，紋層狀、條帶狀、團塊狀構造。高嶺石在礦物中含量約占58%～82%(圖4c)，勃姆石含量13%～38%，另含少量方解石(2%)、銳鈦礦(2%)、金紅石(1%)。不具可塑性。礦石耐火度＞1 770℃。礦石有益組分Al2O3含量占33.83%～42.66%，平均37.80%。礦石有害組分Fe2O3+TiO2含量2.21%～4.40%，平均3.06%。

圖4 硬質高嶺土礦石結構及X衍射

軟質高嶺土一般呈灰色—青灰色，不顯層理(圖5a)。粉砂狀、泥狀、膠狀、隱晶質、鱗片變晶結構(圖5b)，紋層狀、條帶狀、細礫狀構造。高嶺石在礦物中含量約占19%～26%(圖5c)，伊利石+伊蒙混層含量37%～44%，石英含量25%～32%，另含少量黃鉀鐵礬3%～5%，銳鈦礦2%～3%，石膏1%～2%。軟質高嶺土浸水中呈粘糊狀，具可塑性，可塑性指標2.65～2.80。礦石有益組分Al2O3含量占19.77%～29.75%，平均25.52%。礦石有害組分Fe2O3+TiO2含量占3.04%～4.94%，平均3.80%。

圖5 軟質高嶺土礦石結構及X衍射

3.3 應用評價

阜川高嶺土礦硬質和軟質高嶺土礦石均表現出有害組分Fe2O3+TiO2含量偏高的特點，限制了其高端應用。20世紀60～90年代，軟質高嶺土被用作日用陶瓷和建材陶瓷原料，硬質高嶺土被用作耐火材料。經巖礦鑒定、X衍射分析初步認為，有害組分含量高是礦石中銳鈦礦所致。2019年阜川硬質高嶺土進行工業化試驗，通過原礦磨粉-325目粉濕法制漿—超導磁選—壓濾脫水—強力干燥制粉等除鈦工業流程，有效的降低了原礦中Fe2O3和TiO2的含量，獲得了能夠應用于高端的玻纖高嶺土。但是原工業化試驗存在試驗樣品數量少，不具代表性的缺陷，因此今后必須對該礦石進行大量的工業化選礦試驗，論證除鈦工藝技術切實可行，同時對阜川高嶺土礦市場給出準確定位，以期能夠提高應用價值。

4 控礦因素探討

大量研究表明，沉積型高嶺土礦的發育程度、規模大小、產出形態、礦石質量特征及種類等，受古構造、古氣候、沉積環境及水介質條件、成巖后生作用等主要因素的控制[7]。區域大地構造背景決定著高嶺土礦的物質來源，古氣候決定高嶺土成礦物質的產生和搬運，沉積環境及水介質條件決定著高嶺土礦的穩定及形成，成巖后生作用的改造決定了高嶺土礦石物化性能[8]。

4.1 區域構造背景

揚子地臺北緣自中寒武世至石炭紀，受加里東—海西運動的影響，地殼抬升，長期風化剝蝕、夷平，形成準平原地貌景觀，古老風化面上的鐵鋁物質得到富集[9]。至早二疊世，本區開始沉降，古老風化面上的鐵鋁物質受水動力搬運沉積，為梁山組的鐵鋁層準備了物質基礎[10]。

4.2 古氣候

梁山組地層頂部普遍發育薄層劣質煤線，含蜓類、腕足類、瓣鰓類及植物化石[11-12]。根據含礦地層中動植物化石組合特征、煤層發育等情況，區內成礦時期為濕溫—熱濕氣候，該氣候適于植物繁衍，泥炭沼澤發育，為高嶺石沉積成礦提供了適宜場所[13]。同時在濕溫—熱濕氣候條件下，有利于基底碳酸鹽巖和鋁硅酸鹽巖的紅土化作用，使殘留下來的物質轉變為以倍半氧化物(Al2O3、Fe2O3)、水云母、高嶺石為主的粘土礦物，并加快古陸區風化剝蝕，為高嶺石生成提供了充足的物質來源。

4.3 沉積環境及水介質條件

早二疊世棲霞早期，阜川地區遭受海侵，沉積了梁山組的炭質頁巖、粉砂巖及劣質煤。巖性為薄—中層狀，具根土巖，含腕足類、介形蟲、瓣鰓類、腹足類、紡錘蟲及植物化石。根據巖性、構造及所含化石，表明沉積環境為濱岸沼澤環境[14](圖6)。總體來看，沉積環境決定了高嶺土礦充填的規模。

圖6 梁山組濱海沼澤沉積環境示意圖

礦區下志留統羅惹坪組為一套富含黃鐵礦的頁巖、泥質粉砂巖，黃鐵礦能夠為高嶺土形成提供酸性介質的物源供給[15]。當攜帶古陸區風化剝蝕物質—黃鐵礦、粘土質礦物的水流到達濱海后，隨著水動力作用的減弱，粘土礦物類碎屑會漸漸沉積下來，當靜水期水位下降，這些物質暴露于空氣中氧化，粘土礦物轉化為高嶺土，同時富含有機質的植物在沼澤環境下形成劣質煤層。除機械沉積作用外，有相當一部分高嶺土是化學沉積作用形成的[16]。在成煤期，化學風化物SiO2和Al2O3在富含有機酸的水介質攜帶下搬運到海陸交互之間的濱岸地帶(地球化學障)，以膠式凝聚方式沉淀，膠體沉積物在成巖過程中重結晶形成高嶺石。礦區高嶺土均形成于煤層下部，為高嶺土礦層提供了天然的阻隔保護層。煤中的腐植酸為高嶺土礦的穩定保存形成提供了必須的酸性環境。

4.4 成巖后生作用

風化淋濾作用是使高嶺土變白和質量變好的重要原因。風化淋濾的強度不同，表現于礦體中礦石質量的優劣。礦區煤層下部一般為硬質高嶺土，底部為軟質高嶺土夾泥巖，硬質高嶺土顏色較白，Al2O3明顯高于軟質高嶺土層。這是由于硬質高嶺土更靠近地表，遭受風化淋濾作用更強，致使巖石中易溶組分(S、CaO、MgO、K2O、Na2O等)被地表水帶走，巖石中的Al2O3得到進一步富集。

5 結論

(1)阜川高嶺土礦賦存于下志留統泥質碎屑巖不整合面上的下二疊統梁山組地層中，呈層狀、似層狀產出，礦體規模大、形態穩定，覆蓋層較薄。礦石分為硬質高嶺土、軟質高嶺土兩種自然類型，礦體頂底板界線清晰。

(2)阜川高嶺土礦硬質和軟質高嶺土礦石均表現出有害組分Fe2O3+TiO2含量偏高，遠大于一般工業指標要求的特點。軟質高嶺土被當用作日用陶瓷和建材陶瓷原料，硬質高嶺土被用作耐火材料等低端用途，限制了該礦床的開發。建議今后加強礦石深加工選礦試驗研究，以期能夠提高應用價值。

(3)區內高嶺土礦的形成受古構造、古氣候、沉積環境及水介質條件、成巖后生作用等諸多因素的控制，成因類型為古風化殼沉積型。