臨城縣西牟—膠泥溝一帶耐火粘土礦床地質(zhì)特征及伴生鎵利用的可行性分析

付茂英，張文強(qiáng)

（1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊(duì)，河北 保定 071051；2.中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 地質(zhì)概況

礦床位于臨城縣城西北345°方向黑城鄉(xiāng)西牟村至膠泥溝村一帶，耐火粘土礦賦存于中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、上二疊統(tǒng)下石盒子組地層中。礦區(qū)大地構(gòu)造位置為山西斷隆太行拱斷束贊皇穹斷束東部邊緣，出露地層主要為中奧陶統(tǒng)峰峰組，中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組，上二疊統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及第四系。巖石組合為花斑狀灰?guī)r—鋁土頁(yè)巖、黃綠色頁(yè)巖—鋁土頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖和煤層—鋁土頁(yè)巖、石英砂巖。礦床為海陸交互相沉積礦床，系賦存在石炭、二疊系煤系地層中的耐火粘土礦床。

2 礦床特征

2.1 礦體規(guī)模

礦體賦存于中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、上二疊統(tǒng)下石盒子組地層中，共分為6個(gè)含礦層，相當(dāng)于區(qū)域上的A、B、C、D、E、G層鋁土礦，共15個(gè)大礦體，26個(gè)分礦體。含礦層編號(hào)為AK、BK、CK、DK、EK、GK。礦體由西向東、由南向北編為GK1、EK2……AK15。若大礦體由若干分礦體組成，則在礦體號(hào)之后加“-序號(hào)”。例如：EK2礦體內(nèi)第二個(gè)分礦體編為EK2-2。礦體呈層狀、似層狀，產(chǎn)狀：傾向70～110°，傾角30～42°。礦體走向延伸最長(zhǎng)的是GK1-2，長(zhǎng)度為1716m，最短的是DK3-1，長(zhǎng)度為314m，長(zhǎng)度大于1000m的礦體有GK1-2、EK2-2、DK3-3、DK4-3、DK4-5、CK5、BK11、BK13-1、AK15，其余礦體長(zhǎng)度在314～649m之間。

礦體平均最大厚度(BK11)5.15m，最小厚度(AK14)0.90m。礦體基本特征見表1。

由表1可知，其中GK1-2、DK3-3、DK4-5、BK11、AK15規(guī)模較大，為主要礦體。

(1) 主要礦體GK1-2規(guī)模、產(chǎn)狀。

礦體呈層狀賦存在本溪組地層中，傾向89～125°，傾角34～42°由SJ0701(豎井)、YJ1101(小圓井)、ZK1101(鉆孔)、TC15(探槽)四工程控制。走向延伸1694m,單工程最大厚度4.05m, 最小厚度1.97m，平均2.73m。礦體厚度變化系數(shù)為36%，說(shuō)明礦體厚度穩(wěn)定，礦石自然類型為鮞狀水云母質(zhì)高嶺石粘土巖，工業(yè)類型為硬質(zhì)粘土，資源量估算結(jié)果：礦石量182.58萬(wàn)t，占總資源量的18%。

表1 礦體特征

(2) 主要礦體AK15規(guī)模、產(chǎn)狀。

礦體呈層狀賦存在下石盒子組地層中，傾向92～98°，傾角29～34°。由TC26-2、SJ3002、SJ3402三個(gè)工程控制。走向延伸1675m，單工程最大厚度5.68m, 最小厚度0.83m，平均2.50m。礦體厚度變化系數(shù)為110%，說(shuō)明礦體厚度變化大，且厚度變化規(guī)律不明顯。礦石自然類型為水云母質(zhì)高嶺石粘土巖，工業(yè)類型為軟質(zhì)粘土。資源量估算結(jié)果：礦石量107.82萬(wàn)t，占總資源量的11%。

2.2 礦石質(zhì)量特征

根據(jù)對(duì)礦體內(nèi)109件樣品的基本分析結(jié)果見表2。

表2 耐火粘土礦樣品成分含量分析結(jié)果

由表2可看出，品位變化系數(shù)均小于40%，說(shuō)明各組分在礦體內(nèi)部的分布是均勻的。

（1）主要礦體GK1-2品位及變化情況見表3。

沿走向，礦體由SJ0701至YJ1101，Al2O3含量略顯升高，至TC15，呈明顯下降趨勢(shì)，品位降至23.78%。其他組分含量穩(wěn)定，無(wú)明顯波動(dòng)。沿傾向，礦體由YJ1101至ZK1101，Al2O3含量自41.58%降至32.59%，呈下降趨勢(shì)，其他組分變化不明顯。

(2) 主要礦體AK15品位及變化情況見表4。

沿走向，礦體由TC26-2至SJ3002至SJ3402，各組分含量基本平穩(wěn)，僅燒失量(LOI)在SJ3402有較明顯下降。

表3 礦體GK1-2品位及變化情況

表4 礦體AK15品位及變化情況

(3) 礦石其他有益有害組分含量及其變化特征見表5。

表5 化學(xué)全分析結(jié)果

光譜半定量分析結(jié)果，礦體中稀散元素鎵(Ga)的含量為0.00262%～0.00343%，達(dá)到了伴生礦指標(biāo)0.01%～0.002%的要求。

(4) 礦石物性特征見表6。

表6 礦石物性特征結(jié)果

2.3 礦石類型

礦石自然類型有鮞狀水云母質(zhì)高嶺石粘土巖和水云母質(zhì)高嶺石粘土巖兩種。前者礦石工業(yè)類型為硬質(zhì)粘土，后者礦石工業(yè)類型為軟質(zhì)粘土。

2.3.1 硬質(zhì)粘土

包括GK1-1、GK1-2礦體，其余礦體均為軟質(zhì)粘土，礦石呈灰白色、紅褐色，鮞狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。礦物成分主要為高嶺石和水云母。高嶺石70%左右，水云母30%左右。主要礦物多以鮞粒的形式存在，鮞粒大小一般為0.25～0.5mm，多為薄皮鮞，鮞皮由細(xì)小鱗片狀高嶺石和水云母組成，鮞核由相對(duì)較粗的同種礦物組成。鮞粒約占80%以上，基質(zhì)為更細(xì)小的鱗片狀高嶺石和水云母。此類粘土質(zhì)地較硬，觸手無(wú)滑感。

2.3.2 軟質(zhì)粘土

除GK1-1、GD1-2，其余礦體均為軟質(zhì)粘土，礦石呈灰色、灰黑色、紫黑色、黃色，鱗片結(jié)構(gòu)、氈狀結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀或塊狀構(gòu)造。礦物成分主要有高嶺石(＞60%)、水云母(10%～35%)、石英(5%左右)、水鋁氧石(＜5%)、碳酸鹽顆粒(＜1%)。此外尚有少量的植物屑。高嶺石、水云母、水鋁氧石均呈細(xì)小的鱗片狀，片徑0.008～0.1mm。軟質(zhì)粘土質(zhì)地較軟，觸手有滑感。塊狀粘土地表易風(fēng)化呈貝殼狀。

2.3.3 礦物成分差熱分析

礦差熱分析結(jié)果見表7，分析結(jié)果表明，礦石礦物成分以高嶺石、水云母、石英為主，少量長(zhǎng)石、蒙脫石、方解石褐鐵礦。與巖礦鑒定結(jié)果基本吻合。

表7 差熱分析測(cè)試出的礦物成分結(jié)果(%)

由下頁(yè)的差熱分析曲線看出礦石有三個(gè)明顯的的吸熱谷和一個(gè)放熱峰。90℃吸熱谷為水云母排除吸附水所致，190℃微弱吸熱谷是由少量褐鐵礦失水所致，551℃寬大的吸熱谷為高嶺石、水云母排除結(jié)構(gòu)水所致，996℃的放熱峰為高嶺石相變而成。

2.4 礦石加工技術(shù)性能

礦區(qū)耐火粘土礦石為含水云母高嶺石粘土巖，礦石在地表多呈松散土狀，深部塊狀礦石含量較多。礦石化學(xué)成分及物理性能滿足中華人民共和國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DZ/T0206-2002《高嶺土、膨潤(rùn)土、耐火粘土礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》耐火粘土一般質(zhì)量要求。根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)啬突鸩牧蠌S的調(diào)查了解，礦石加工工藝十分簡(jiǎn)單，礦石不需選礦，直接烘干、粉磨即可入窯燒制各類耐火產(chǎn)品，工藝簡(jiǎn)單。

2.5 礦床成因、找礦標(biāo)志及找礦遠(yuǎn)景

通過(guò)對(duì)礦體和圍巖的巖性、形態(tài)、產(chǎn)狀、礦物組合以及古生物化石的分析研究，認(rèn)為本礦床為海陸交互相沉積礦床，系賦存于石炭系、二疊系煤系地層中的耐火粘土礦床。中石炭統(tǒng)本溪組為硬質(zhì)粘土賦存層位，相當(dāng)于F、G層鋁土礦，本區(qū)缺失F層鋁土礦。G層鋁土礦下部為山西式鐵礦或鐵質(zhì)頁(yè)巖，以此可作為找礦標(biāo)志。上石炭統(tǒng)太原組(D、E層鋁土礦含礦層)，下二疊統(tǒng)山西組(B、C層鋁土礦含礦層)、下石盒子組(A層鋁土礦含礦層)為軟質(zhì)粘土賦存層位，至本區(qū)，礦石品質(zhì)下降，僅可形成耐火粘土礦。本區(qū)南部的祁村一帶，北部贊皇縣的王家洞一帶地層與本區(qū)一致，且有過(guò)開采史，可以作為今后的找礦方向。

3 伴生鎵元素利用的可行性分析

本區(qū)耐火粘土礦中普遍含鎵，鎵是一種稀散元素，為銀白色軟金屬，是在人體溫度37℃下能熔化成液體的金屬之一。鎵在常溫中穩(wěn)定，因?yàn)楸砻嬗幸粚颖⊙趸?，即使燒紅加熱也不再被空氣氧化。鎵的熔點(diǎn)29.78℃，沸點(diǎn)2403℃，是液態(tài)范圍最大的金屬。鎵的用途非常廣泛，將鎵裝入石英溫度計(jì)內(nèi)，可用來(lái)測(cè)量1500℃的高溫。人們常用這種溫度計(jì)來(lái)測(cè)量反應(yīng)爐、原子反應(yīng)堆的溫度。

鎵是一種性能優(yōu)良的電子材料，被譽(yù)為“電子工業(yè)的脊梁”，是高新技術(shù)的基礎(chǔ)資源。鎵主要用于制造新型半導(dǎo)體材料、光學(xué)玻璃、真空管、發(fā)光二極管和砷化鎵激光二極管等。

鎵質(zhì)軟、性脆，富延展性，在空氣中表現(xiàn)穩(wěn)定。鎵液體的密度高于固體密度，凝固時(shí)體積膨脹，膨脹率為3.1%，由于它的這種“熱縮冷脹”性，鎵具有較好的鑄造特性，被用來(lái)制造鉛字合金，使字體清晰。在原子能工業(yè)中，用鎵作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，把反應(yīng)堆中的熱量傳導(dǎo)出來(lái)。鎵還具有吸收中子的能力，因此在原子反應(yīng)堆中，鎵可以起到控制中子數(shù)量和反應(yīng)速度的作用。放射性鎵可用來(lái)診斷癌癥。

鎵制造的低熔點(diǎn)合金可用作防火信號(hào)和熔斷器；鎵能提高某些合金的硬度、強(qiáng)度，提高鎂合金的耐腐蝕能力；鎵在熒光材料、特殊應(yīng)變計(jì)、催化劑、焊料鑲牙、補(bǔ)牙方面也有廣泛用途。

本區(qū)耐火粘土礦中伴生鎵的資源量為33767.41t，屬大型礦床，現(xiàn)在本區(qū)綜合回收主要是從煤焦化煙塵中回收，回收率很低(據(jù)初步統(tǒng)計(jì)約為礦石中鎵含量的15%～25%)，目前，鎵的提取方法主要有兩種：①以副產(chǎn)品的形式提取鎵：工業(yè)上鎵主要以副產(chǎn)品的形式從處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁時(shí)的鋁酸鈉循環(huán)液中以及閃鋅礦濕法煉鋅工藝的粗鋅蒸餾殘?jiān)刑崛?；②萃取法提取鎵：在一定的酸度下，采用藥劑用一定的反萃取劑可以分別萃取出，并實(shí)現(xiàn)鎵的有效分離。因此設(shè)想今后與研究部門合作研究利用萃取法提取鎵試驗(yàn)研究，即在耐火粘土燒制耐火材料之前，烘干、粉磨之后，利用萃取法提取鎵，則礦床更能有效利用。

4 結(jié)語(yǔ)

臨城縣西牟—膠泥溝一帶耐火粘土礦成礦地質(zhì)條件較好，交通方便，是一處理想的耐火粘土礦產(chǎn)地，尤其是伴生鎵資源量大，若能有效提取利用，能夠產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，礦床利用前景廣闊。

礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)編委會(huì).礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)(修訂本)[M].北京:地質(zhì)出版社,2012.