句容甲山膨潤(rùn)土礦的地質(zhì)特征和成因探討

金翠葉，陸志均，2，張雪芬，周金虹，陸現(xiàn)彩

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093;2.江蘇省國(guó)土資源廳，江蘇 南京 210029)

句容甲山膨潤(rùn)土礦的地質(zhì)特征和成因探討

金翠葉1，陸志均1，2，張雪芬1，周金虹1，陸現(xiàn)彩1

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210093;2.江蘇省國(guó)土資源廳，江蘇 南京 210029)

研究了句容甲山膨潤(rùn)土礦的礦床地質(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)地層上覆下白堊統(tǒng)堿性流紋巖，礦石呈黃綠色、粉紅色、灰白色和肉紅色等多種顏色，局部保留有原巖的角礫結(jié)構(gòu)，并觀察到含有風(fēng)化殘余的粗面巖團(tuán)塊和因斷層滑移形成的斷層角礫。X射線衍射(XRD)分析發(fā)現(xiàn)不同顏色礦石的礦物組成差異很大，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到巖石風(fēng)化現(xiàn)象和伴生的次生礦物類(lèi)型。研究表明，該礦屬于火山熔巖風(fēng)化殘積型膨潤(rùn)土礦床，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行分類(lèi)開(kāi)發(fā)或進(jìn)行深加工處理，可提高開(kāi)發(fā)效益。

膨潤(rùn)土;礦物組成;風(fēng)化作用;風(fēng)化殘積礦床;江蘇句容

0 引言

蘇南及沿江地區(qū)分布有多處黏土礦床，成為國(guó)內(nèi)最重要的凹凸棒石、高嶺石和膨潤(rùn)土的生產(chǎn)基地。凹凸棒石和高嶺石作為特色資源類(lèi)型，已得到廣泛而深入的研究(方鄴森等，1980;陳天虎等，2004);膨潤(rùn)土雖預(yù)測(cè)資源量大，鈉基、鈣基土共存(張永康，1990)，但因分布零散、經(jīng)濟(jì)效益低，目前開(kāi)發(fā)已經(jīng)放緩，部分礦山因環(huán)境保護(hù)和土地占用問(wèn)題而停采。筆者研究的句容郭莊鎮(zhèn)甲山膨潤(rùn)土為區(qū)內(nèi)重要的膨潤(rùn)土礦。根據(jù)句容地方志記載，郭莊鎮(zhèn)甲山的蒙脫石礦呈層狀，經(jīng)勘察，發(fā)現(xiàn)淺部為鈣基土，深部為鈉基土，儲(chǔ)量約1.4億 t，礦床穩(wěn)定(夏嘉生，2001)。鈣基占60%，鈉基占40%。

黏土礦的形成與火山活動(dòng)或熱液交代有關(guān)(方鄴森，1980)。江蘇沿江地區(qū)在中新生代具有多旋回的火山噴發(fā)作用。中生代分布有兩類(lèi)火山巖，除了與鐵、銅成礦作用有關(guān)的火山—次火山巖外，還有一類(lèi)中性、堿性和酸性3種巖石的次序噴發(fā)(李壽寅等，1990;王登紅等，2005)。句容甲山膨潤(rùn)土礦的鈣基土賦存于下白堊統(tǒng)中—酸性火山巖系中，深部的鈉基土賦存于上侏羅統(tǒng)中酸偏堿性火山巖系中(計(jì)元龍，1987;許鴻基，1999)。本研究通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查、火山巖的風(fēng)化現(xiàn)象觀察和膨潤(rùn)土的礦物成分分析對(duì)甲山膨潤(rùn)土礦的地質(zhì)特征和成因進(jìn)行了初步探討。

1 樣品采集和分析方法

本次研究在甲山膨潤(rùn)土礦剖面采集了樣品21件，包括火山巖3件、各色黏土礦15件、頂部棕色土1件、殘留火山巖團(tuán)塊1件和斷層面上角礫狀黏土樣品2件。剖面位置見(jiàn)圖1。磨制了火山巖層樣品和殘留火山巖團(tuán)塊的巖石薄片，并進(jìn)行了偏光顯微鏡觀察。

為了解膨潤(rùn)土的礦物組成和地質(zhì)成因，研究采用掃描電子顯微鏡觀察了火山巖和礦石的形貌，采用X射線衍射光譜分析了礦石的礦物組成，并采用X射線熒光光譜測(cè)試了火山巖的化學(xué)組成。取多件原樣小塊噴鍍金膜后在JSM-6490型掃描電鏡上觀察，掃描電子顯微鏡的加速電壓為20kV、光斑為50;成分分析由Oxford INCA X射線能譜儀(EDS)測(cè)定，WD為10。全巖樣品經(jīng)粉碎，研磨后送X射線衍射分析(XRD)和X射線熒光光譜(XRF)分析。XRD在日本理學(xué)的Dmax III型X射線衍射儀上完成，光管電壓37.5kV，光管電流20mA，掃描范圍3°～70°，掃描步進(jìn)角 0.02°，掃描單位計(jì)數(shù)時(shí)間0.3s。2項(xiàng)分析均在南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。XRF分析由南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心完成，取3g～10g粉末樣品放入平板模具上的直徑為35mm的塑料環(huán)中，加30t壓力成型;壓出厚度為2mm～4mm，表面平整無(wú)裂痕的模塊;儀器型號(hào)X射線熒光光譜儀為ARL-9800。

圖1 甲山膨潤(rùn)土礦位置圖

2 礦床地質(zhì)特征

膨潤(rùn)土礦出露于句容郭莊鎮(zhèn)甲山南坡，山頂植被發(fā)育，黏土礦層被棕色土覆蓋(圖2A)。由于現(xiàn)已停采，采坑積水嚴(yán)重，但可從開(kāi)采面見(jiàn)黏土礦的分布狀況。從整體看，黏土礦為似層狀，北西側(cè)與火山巖層相接，以走滑性質(zhì)的斷層相接，南東側(cè)隱伏于表層棕色土之下。膨潤(rùn)土礦總體上為黃綠色，但可見(jiàn)到黃綠色、粉紅色、灰白色和肉紅色等多種顏色，除肉紅色、灰色土在局部集中外，不同顏色的土并未成層狀展布，多為不連續(xù)點(diǎn)狀分布。

在土體中有以下幾種現(xiàn)象：(1)含有不連續(xù)的火山熔巖(圖2B)，厚度多在20cm以下，可以清晰地識(shí)別火山熔巖的內(nèi)部紋層。(2)在斷層面附近可以發(fā)現(xiàn)大量蒙脫石質(zhì)礫石，大小不等，在1cm～25cm之間，多呈次圓形(圖2C)。(3)部分礦石保留有火山角礫結(jié)構(gòu)和斑狀構(gòu)造。對(duì)于保留火山角礫結(jié)構(gòu)的礦石，角礫呈灰白色，膠結(jié)物為淺紫紅色，角礫邊界輪廓清晰，這種礦石僅局部呈層狀出現(xiàn)(圖2D);而斑狀結(jié)構(gòu)的巖石可以清晰觀察到白色柱狀斑點(diǎn)和紫紅色基質(zhì)，根據(jù)斑點(diǎn)的輪廓可以推測(cè)原始礦物應(yīng)為斜長(zhǎng)石或鉀長(zhǎng)石，原巖可能是安山巖或安山玢巖。(4)土體中殘留有大小不等、形態(tài)各異的淺綠色火山巖團(tuán)塊，團(tuán)塊邊緣與土體呈過(guò)渡狀態(tài)，核心已經(jīng)松軟，多為球形(圖2E)。從整體上看，礦體內(nèi)部構(gòu)造不清晰，推測(cè)有短距離搬運(yùn)和后期構(gòu)造局部改造現(xiàn)象發(fā)生。

北西側(cè)火山熔巖呈淺灰色，根據(jù)偏光顯微鏡照片(圖3A、B)和成分分析結(jié)果(表1)，該火山巖為酸性火山巖，其SiO2的含量在70%，K2O+Na2O在8%左右，按化學(xué)組成分類(lèi)應(yīng)為流紋巖。根據(jù)薄片觀察，巖石呈斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為鉀長(zhǎng)石和少量鈉長(zhǎng)石，晶體形狀為方形板狀，未見(jiàn)石英斑晶;基質(zhì)中可見(jiàn)較多的針狀綠泥石及少量赤鐵礦、石英、絹云母等(圖3A)，玻璃質(zhì)含量較高，可見(jiàn)粗面結(jié)構(gòu)，副礦物常見(jiàn)磷灰石、鋯石。根據(jù)薄片觀察，該熔巖應(yīng)為堿性流紋巖。礦體內(nèi)殘留的火山巖團(tuán)塊的偏光顯微鏡照片見(jiàn)圖3C、圖3D，該巖石呈粗面結(jié)構(gòu)，富含玻璃質(zhì)，可見(jiàn)基質(zhì)中的斜長(zhǎng)石和正長(zhǎng)石微晶大致呈定向或半定向的排列。據(jù)此，可定名為粗面巖，即為表層膨潤(rùn)土的母巖。

3 X射線衍射(XRD)分析結(jié)果

6件不同顏色膨潤(rùn)土樣品的XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示，不同顏色的膨潤(rùn)土具有相似的礦物組成，并且都含有一定量的非晶態(tài)物質(zhì)。除頂部的棕色土和紫色斑點(diǎn)狀膨潤(rùn)土之外，粉色、灰白色、黃綠色和褐色膨潤(rùn)土樣品中均含有豐富的蒙脫石礦物。若不考慮礦石中非晶態(tài)物質(zhì)的存在，可初步估算蒙脫石的含量一般在50%左右，這與王新江等(2010)測(cè)得的含量(56%)和劉承帥等(2005)的(41%)相似。頂部的棕色土和紫色斑點(diǎn)狀膨潤(rùn)土的礦物組合中則相對(duì)富含長(zhǎng)石、石英，并含有少量的方解石。

膨潤(rùn)土樣品的主衍射峰為蒙脫石，其主衍射峰較高且尖銳，這說(shuō)明蒙脫石結(jié)晶較好(邵殿信，1996)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，d(001)面網(wǎng)間距為1.520 0nm左右，由于d(001)面網(wǎng)間距在1.5nm～1.6nm間的蒙脫石為鈣基蒙脫石(侯梅芳等，2002)，所以本次研究的甲山膨潤(rùn)土中的蒙脫石應(yīng)為鈣基蒙脫石。

由于在分析過(guò)程中沒(méi)有對(duì)礦石進(jìn)行黏土礦物分離和加入內(nèi)標(biāo)礦物，所以因石英、長(zhǎng)石和玻璃質(zhì)的存在而抑制了低含量礦物的衍射信號(hào)，根據(jù)顯微鏡下觀察和一般規(guī)律，礦石中應(yīng)該還含有一定數(shù)量的針鐵礦、綠泥石等次生礦物。而這些低含量的次生礦物可能是影響膨潤(rùn)土礦石顏色的關(guān)鍵。

圖2 甲山膨潤(rùn)土礦開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)和土層特征

表1 北西側(cè)熔巖層巖石的熒光光譜分析結(jié)果

圖3 與膨潤(rùn)土層有關(guān)的火山巖顯微照片

圖4 膨潤(rùn)土樣品的XRD譜圖

4 掃描電子顯微鏡觀察

在本次研究中，選取膨潤(rùn)土礦石和殘留的火山巖團(tuán)塊進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀察，以期了解膨潤(rùn)土的成因和火山巖的風(fēng)化作用。

在掃描電子顯微鏡下，膨潤(rùn)土礦石中的鱗片團(tuán)聚堆積現(xiàn)象十分清晰(圖5A、5B)。蒙脫石呈片狀，顆粒周緣呈卷曲狀。一般來(lái)講，在掃描電鏡下，鈉基蒙脫石常呈半自形晶，解理可見(jiàn);鈣基蒙脫石常為鱗片重疊的粒狀，團(tuán)塊狀，顆粒周緣常呈卷曲狀，集合體有時(shí)呈花瓣?duì)?。這與XRD解釋的鈣基蒙脫石為主的認(rèn)識(shí)一致。對(duì)紫紅色礦石的掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，白色斑點(diǎn)和紫紅色基質(zhì)的礦物組成基本相同，均為鱗片狀蒙脫石礦物和石英微晶的混合物，基質(zhì)中相對(duì)更富含微細(xì)顆粒，可能為鐵的氧化物或氫氧化物。

膨潤(rùn)土礦中的火山巖殘留團(tuán)塊顯示出清晰的風(fēng)化現(xiàn)象(圖5C—圖5G)。圖5C、圖5D顯示的是巖石中玻璃質(zhì)的風(fēng)化作用，火山玻璃的形態(tài)呈球形，風(fēng)化形成的黏土礦物包圍在玻璃質(zhì)周邊。能譜分析(表2)顯示，玻璃質(zhì)(表2中點(diǎn)1、點(diǎn)3)比風(fēng)化產(chǎn)物(表2中點(diǎn)2、4)更為富 Al、Mg和 Ca，而風(fēng)化產(chǎn)物中Fe含量更高，盡管能譜分析結(jié)果存在一定的誤差，但是在風(fēng)化產(chǎn)物中可以觀察到針狀礦物，可能為火山玻璃Fe釋出形成的針鐵礦，另外，風(fēng)化產(chǎn)物含有少量的納米級(jí)微粒(圖5D)，其成分也更為富Si(表2中點(diǎn)4)，推測(cè)為硅質(zhì)沉淀或形成的次生沸石。

圖5E顯示的是斜長(zhǎng)石風(fēng)化的現(xiàn)象，可以看出風(fēng)化產(chǎn)物呈羽狀，大小約5μm，沿礦物的解理縫分布，結(jié)合能譜成分分析(表2中點(diǎn)5)結(jié)果，推測(cè)風(fēng)化產(chǎn)物為富鐵蒙脫石，鐵可能來(lái)源于暗色礦物或火山玻璃的風(fēng)化作用。圖5F顯示的是角閃石溶蝕的現(xiàn)象，該礦物粒徑相對(duì)較大，主要表現(xiàn)為沿解理縫發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，表面相對(duì)潔凈，成分與富Al角閃石相似(表2中點(diǎn)6)。圖5G為火山玻璃表面風(fēng)化形成的密集排布的石英微晶(表2中點(diǎn)7)，粒徑僅在1μm左右，這些石英微晶的柱面不發(fā)育，主要表現(xiàn)為2個(gè)晶錐，說(shuō)明硅質(zhì)沉淀為快速形成，這些沉淀抑制了火山玻璃的進(jìn)一步風(fēng)化作用，這種現(xiàn)象在膨潤(rùn)土礦石中沒(méi)有觀察到，這也許是火山巖能夠殘留在礦石中的原因。從火山巖殘留團(tuán)塊樣品的微觀結(jié)構(gòu)看，巖石中的火山玻璃最易于蒙脫石化，而長(zhǎng)石、石英等結(jié)晶質(zhì)礦物則難以風(fēng)化，暗色礦物的風(fēng)化則可能與蒙脫石的富鐵特征有關(guān)。

表2 掃描電鏡-能譜分析結(jié)果

圖5H給出了斷層面表面膨潤(rùn)土礦的掃描電子顯微鏡照片，礦石的結(jié)構(gòu)和礦物的形態(tài)均發(fā)生了顯著的變化，已經(jīng)演變?yōu)楸砻娴奈⒓?xì)顆粒層，這一現(xiàn)象與孫巖等(2007)對(duì)剪切面表面的觀察相似?；瘜W(xué)組成也與原巖有一定的差異，總體上表現(xiàn)為Fe、Ca的含量降低，可能也與滑移作用引起的元素分異有一定的聯(lián)系。

5 討論與認(rèn)識(shí)

根據(jù)甲山膨潤(rùn)土礦的地質(zhì)特征，筆者認(rèn)為該礦床屬于火山巖風(fēng)化殘積型黏土礦床。主要理由如下：(1)礦體呈似層狀，但非火山熔巖原地風(fēng)化形成，而是經(jīng)歷了較短距離的搬運(yùn)和再沉積。由于礦體內(nèi)出現(xiàn)不同顏色的膨潤(rùn)土零散分布，失去了火山熔巖地層的層狀特征，并且礦體內(nèi)含有一些火山熔巖層殘塊，局部見(jiàn)有圖2C所示的礫狀結(jié)構(gòu)。(2)膨潤(rùn)土由中酸性火山熔巖經(jīng)風(fēng)化作用形成，可以觀察到多種巖石風(fēng)化的微觀現(xiàn)象，尤其是火山玻璃的風(fēng)化相對(duì)強(qiáng)烈。(3)前人勘探表明，上部往往是鈣基膨潤(rùn)土，下部為鈉基膨潤(rùn)土，并常常與沸石、珍珠巖等礦物伴生(中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，1982)。(4)礦體內(nèi)和圍巖地層中均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熱液活動(dòng)的現(xiàn)象。

礦化深度一般位于潛水面附近，從幾十米至數(shù)百米深不等。在流紋巖、粗面巖風(fēng)化的過(guò)程中，火山玻璃最易于蒙脫石化，而結(jié)晶質(zhì)礦物則難以風(fēng)化。一般認(rèn)為蒙脫石是在堿性水介質(zhì)條件下生成的。由于含可溶性陽(yáng)離子的水由上往下滲透，因此剖面上部風(fēng)化作用相對(duì)較強(qiáng)，礦化程度相對(duì)較高。水解過(guò)程中最易溶出的是K、Na等堿金屬離子，其次是Ca、Mg等堿土金屬離子(史良金，1985)。地表附近的礦石屬型以鈣基膨潤(rùn)土為主，較深部才有鈉基膨潤(rùn)土，這與水解過(guò)程中先溶出的Na和K、后溶出Ca、Mg離子的順序有關(guān)(陳淑祥等，1998)。國(guó)內(nèi)外的風(fēng)化殘積型膨潤(rùn)土礦基本上都具有這一特征。

圖5 膨潤(rùn)土礦與其中殘留的火山巖團(tuán)塊的掃描電子顯微鏡照片

本次研究還發(fā)現(xiàn)甲山膨潤(rùn)土礦礦體中蒙脫石的分布有一定的規(guī)律性。據(jù)此，筆者建議在開(kāi)發(fā)中應(yīng)制訂更精細(xì)的開(kāi)發(fā)方案，對(duì)不同類(lèi)型的礦石差異化開(kāi)發(fā)，對(duì)礦石進(jìn)行分類(lèi)銷(xiāo)售或深度加工。不僅對(duì)鈣基蒙脫石和鈉基蒙脫石分別開(kāi)發(fā)，而且對(duì)于淺部鈣基蒙脫石也應(yīng)進(jìn)行分類(lèi)開(kāi)發(fā)，便于后期的提純、分離等工藝的篩選(王新江等，2010);不同顏色或不同母巖的礦石具有礦物成分的差異性，這種差別在礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中也應(yīng)得到重視。在此基礎(chǔ)上，兼顧規(guī)?；_(kāi)發(fā)的同時(shí)，實(shí)行集約化生產(chǎn)。加強(qiáng)設(shè)備和技術(shù)更新，延伸精加工產(chǎn)品技術(shù)鏈，將有可能提高該礦的經(jīng)濟(jì)效益，以平衡環(huán)境和資源成本。

6 致謝

在本研究取樣期間，得到句容市國(guó)土資源局的協(xié)助，謹(jǐn)表謝意。

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Discussions on geological characteristics and genesis of bentonite deposit in Jiashan of Jurong

JIN Cui-ye1，LU Zhi-jun1，2，ZHANG Xue-fen1，ZHOU Jin-hong1，LU Xian-cai1

(1.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2.Jiangsu Department of Land and Resource，Nanjing 210029，China)

The authors studied the characteristics of the bentonite deposit in Jiashan，Jurong City of Jiangsu Province，and found the overlying layer was alkali-rhyolite in lower Cretaceous series，the ores presented various colors，such as yellowish green，pink，light gray and pinkish color，and partially remained breccias structure or residue lumps and faulted breccias resulted by fault slide could be observed.X-ray diffraction analysis indicated that the mineral composition varied with colors.Scanning electronic microscope presented the weathered phenomenon and primary and secondary minerals in the ores and volcanic rocks.It was concluded that the deposit belonged to weathered residual bentonite deposit.A classification of the ore in the course of development and deep processing could improve the economic benefits.

Bentonite;Mineral composition;Weathering;Weathered residual deposit;Jurong，Jiangsu

P619.25+5

A

1674-3636(2011)03-0251-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.03.251

2011-05-20;

2011-06-02;編輯：陸李萍

江蘇省自然科學(xué)基金(BK2010008)

金翠葉(1987—)，女，碩士研究生，礦物學(xué)專(zhuān)業(yè)，E-mail：xcljun@nju.edu.cn