大氵伏潭耐火粘土礦床地質(zhì)特征及開發(fā)應(yīng)用

張惠軍，張祝青，梁惠敏

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四五隊(duì)，湖南 吉首 416000）

大洑潭耐火粘土礦位于湖南辰溪縣城東南4km處，是一處交通方便、建設(shè)條件好的優(yōu)質(zhì)中型耐火粘土礦床。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大地構(gòu)造位置，位于揚(yáng)子地臺(tái)與華南褶皺系接合部位的江南地軸西南段，江南地軸雪峰迭隆起的次級(jí)構(gòu)造單元辰溪—黔陽鞍部凹陷。在地層分區(qū)上，賦礦層位二疊系屬湘西北區(qū)雪峰山小區(qū)[1]，該巖系沉積建造較為發(fā)育，地層出露較齊全。其特點(diǎn)是二疊系與下伏地層之間，上二疊統(tǒng)與下二疊統(tǒng)之間都有明顯的沉積間斷，成假整合甚至不整合接觸，在沉積間斷面上多有很薄的含煤碎屑巖層(即梁山組和辰溪組)相隔，而其余地層則幾乎全為碳酸鹽沉積。大洑潭耐火粘土礦即賦存于梁山組中。該組為一套厚度不大的濱海沼澤相含煤碎屑巖沉積，產(chǎn)植物和腕足類化石，不同于下伏泥盆系海陸交互相碎屑巖，更異于上覆的淺海相碳酸鹽巖。

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

礦區(qū)出露地層較為簡(jiǎn)單，由老至新分述如下：

(1) 上石炭統(tǒng)船山組(C3ch)：為灰—灰白色塊狀細(xì)晶灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r及生物灰?guī)r，夾多層灰色石英細(xì)砂巖，紫紅、灰綠色鈣質(zhì)粉砂巖及泥巖。厚度56m。在灰?guī)r中含大量腕足類、珊瑚及莛科等化石。同上覆二疊系梁山組呈假整合接觸。

(2) 下二疊統(tǒng)梁山組(P1l)：由一套細(xì)碎屑巖及粘土巖類組成，厚10.2～49.5m。產(chǎn)耐火粘土礦及煙煤。按沉積韻律，大致可分為上、下兩段：

梁山組下段(P1l1)：該段厚度及巖性變化較大，為2.74～46.9m，明顯受基底地形控制，在沉積基底洼陷處厚度明顯增大。巖性下部為灰白色薄—中層狀石英砂巖夾炭質(zhì)頁巖，砂巖中偶夾灰黑色硬質(zhì)粘土，厚0～2m，呈扁豆?fàn)?，無工業(yè)意義。中部自下而上為灰—灰黑色塊狀硬質(zhì)粘土(Ⅰ礦層)、煤層、黑色頁巖、黑色石英砂巖及粉砂巖等。粘土礦中含砂質(zhì)及鱗木根狀莖等植物化石，局部達(dá)工業(yè)要求，厚0～4.2m，呈扁豆?fàn)睿Ｏ嘧優(yōu)槊簩蛹疤抠|(zhì)頁巖或粘土巖，為礦區(qū)次要礦層。上部為灰白—白色，中厚層狀細(xì)粒石英砂巖，以波狀水平層理及縞狀層理為主，其頂部有一侵蝕間斷面，微具波狀起伏，有厚0.3～3cm的黃鐵礦結(jié)核層。本段含鱗木、鱗木根狀莖及細(xì)羊齒等植物化石。

梁山組上段(P1l2)：下部為耐火粘土礦層(Ⅱ礦層)，由底部硬質(zhì)粘土、上部高鋁粘土組成，在粘土礦層之下偶見黑色砂質(zhì)頁巖及煙煤，產(chǎn)植物化石。中部為炭質(zhì)頁巖、粉砂巖及薄層灰黑色含炭石英砂巖，在炭質(zhì)頁巖中偶夾硬質(zhì)粘土及雞窩狀劣質(zhì)煙煤。上部為薄—厚層狀、淺灰—灰黑色含炭石英砂巖夾黑色頁巖、粉砂巖。頂部為厚2m的厚層狀白色細(xì)砂巖。本段一般厚10～20m。

(3) 下二疊統(tǒng)棲霞組(P1q)：本組為陸棚開闊淺海相碳酸鹽巖，與下伏濱海沼澤相的梁山組區(qū)別明顯，界線清晰。巖性為灰色薄—中厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，含較多燧石團(tuán)塊及條帶，層間夾炭泥質(zhì)物及瀝青質(zhì)?？梢姾?5m。

(4) 上二疊統(tǒng)茅口組(P2m)：本組亦屬開闊臺(tái)地碳酸鹽沉積。巖性為青灰色塊狀細(xì)晶灰?guī)r，含黑色燧石團(tuán)塊及角礫，可見厚約166m。

2.2 構(gòu)造

礦區(qū)位于NWW向曹娘坡傾伏倒轉(zhuǎn)背斜以南，瓦子溪弧形構(gòu)造北翼向E凸出部位。礦區(qū)褶皺構(gòu)造以碾子石—大洑潭烏鴉山為界，劃分為東西兩部分。西部為向W傾斜的單斜構(gòu)造，巖層傾角3～25°，自北而南巖層走向由NNW逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE；東部則發(fā)育一組走向NNE-NE向的平緩開闊型褶皺構(gòu)造。礦區(qū)主要斷裂有F1、F2、F3等3條斷層，F(xiàn)1為向W傾斜的沖斷層，延伸長(zhǎng)達(dá)數(shù)十千米，斷距約15～30m，破壞礦體。F2為NNE向斷層，延長(zhǎng)4 000余米，斷距約30m，為高角度沖斷層，將礦區(qū)分割為東西兩部分。F3為NNE向沖斷層，傾角為60℃，長(zhǎng)500余米，它使船山組向W仰沖于梁山組之上。

3 礦床地質(zhì)

3.1 含礦巖系巖性組合及沉積特征

區(qū)內(nèi)有兩層粘土礦層，分別賦存于梁山組(P1l)上部和下部，可分為兩個(gè)含礦巖系，分述如下：

(1) 第一含礦巖系：位于船山組沉積間斷面上，因基底及古地理位置的差異，不同地段的巖性及厚度差異較大，厚度3.7～46.9m。

第一含礦巖系分布面積達(dá)12km2，出露較連續(xù)地帶面積為7km2。北自倒頭園，南至劉家人，南北出露3 000m，東西寬1 200～2 000m，含礦層位較穩(wěn)定，粘土礦為黑色硬質(zhì)粘土，呈扁豆體零星出露。本巖系沉積位于基底。

(2) 第二含礦巖系：位于下部巖系之石英細(xì)砂巖間斷面上，為主要勘探對(duì)象。厚2.7～20.4m。

第二含礦巖系分布于楊溪口、何家沖、姚家人及碾子石等地，面積3.7km2。其中以大洑潭至碾子石一帶1.5km2范圍內(nèi)礦石厚度及質(zhì)量最好。

3.2 礦體特征

通過詳細(xì)勘探工作，第Ⅱ礦層因受沉積基底的影響，有3個(gè)無礦地段。由于無礦地段的出現(xiàn)，可劃分為楊溪口、碾子石及何家沖等3個(gè)似層狀透鏡體礦體。大部分埋藏標(biāo)高在120m以上。礦體蓋層厚度一般在20m左右。

(1) 楊溪口礦體：位于沉積基底的凹陷部位，呈NE向展布。礦體走向長(zhǎng)600m，傾斜寬550m，傾向NW，傾角0～5°，底板較為完整平直。礦體厚2～6m，一般為4m左右，各品級(jí)礦石跳動(dòng)較大。礦石類型從中心到邊部依次為：高鋁粘土、硬質(zhì)粘土相變?yōu)楹谏搸r，呈環(huán)帶狀水平分布。

(2) 碾子石礦體：位于基底起伏不大的平坦地段。礦體走向長(zhǎng)850m，傾斜寬400～680m，傾向NW，傾角3～10°，厚度1.6～7m，一般厚度3～4m，變化較大。該礦體以硬質(zhì)粘土Ⅰ級(jí)品為主。

(3) 何家沖礦體：為楊溪口礦體的北西延展部位，處在沉積基底向北揚(yáng)起的地段。礦體走向長(zhǎng)400m，傾斜寬420m，厚1.15～6.4m，一般厚1.9～3.3m，往北東和北西兩個(gè)方向變薄。礦石類型有高鋁粘土、硬質(zhì)粘土。

3.3 礦石類型及礦物組成

根據(jù)區(qū)內(nèi)見到的耐火粘土礦按其自然類型可劃分為高鋁粘土礦和硬質(zhì)粘土礦，以硬質(zhì)粘土礦為主。

(1) 高鋁粘土礦：巖石學(xué)名稱為水鋁石—高嶺石粘土巖，位于硬質(zhì)粘土礦之上，兩者肉眼難以區(qū)別，需以化驗(yàn)品位圈定，深部呈黑灰、灰色，淺部為白色或灰白色，致密塊狀，堅(jiān)硬，表面具滑感，斷口粗糙，抗風(fēng)化力強(qiáng)。礦石具角礫狀和鮞粒狀構(gòu)造。角礫和鮞粒為一水軟鋁石或—水硬鋁石之集合體被高嶺石所膠結(jié)。礦石礦物主要為高嶺石、一水軟鋁石、一水硬鋁石，其次為多水高嶺石、三水鋁石等。在電子顯微鏡下，高嶺石呈較大的六方形鱗片狀，粒徑0.5～2μm，有時(shí)向一個(gè)方向拉長(zhǎng)，呈隱晶質(zhì)和微晶粒，為礦石的膠結(jié)構(gòu)，其含量為30%～80%。一水軟鋁石呈寬板狀，粒徑1μm左右，含量10%～60%。一水硬鋁石呈細(xì)長(zhǎng)的小針狀、放射狀和束狀，粒徑0.3～1μm，含量10%～15%。其他礦物還有微量電氣石、鋯英石、金紅石、銳鈦礦及玉髓等。有害礦物黃鐵礦呈細(xì)小結(jié)核狀和細(xì)粒浸染狀等他形粒狀。一般分布于礦層頂部，含量低。

(2) 硬質(zhì)粘土礦：礦石學(xué)名稱為高嶺石型粘土巖。該礦石在各個(gè)礦體中都有產(chǎn)出，賦存于高鋁粘土礦之下。白灰、灰色，風(fēng)化后呈白黃色，表面常有圓形氣化孔洞，其內(nèi)充填有褐紅色鐵質(zhì)氧化物。原生礦石致密堅(jiān)硬，抗風(fēng)化力強(qiáng)，無粘性和可塑性，體重較大。因垂直節(jié)理發(fā)育，常有次生白色半透明的高嶺石脈充填。破碎后具貝殼狀和似碧玉狀斷口，臘狀光澤，有滑感。結(jié)構(gòu)主要呈隱晶質(zhì)和顯微鱗片狀結(jié)構(gòu)，次為角礫狀。其礦物組分經(jīng)電子顯微鏡查定，以高嶺石為主，呈六角形薄片狀，邊緣清楚，大小不一，粒徑0.5～2μm，含量約85%。其次為多水高嶺石，為長(zhǎng)棒狀，粒徑1～3μm，含量約10%，一水硬鋁石為細(xì)小針狀、放射狀，粒徑0.5μm左右，含量約3%，以及少量三水鋁石、水云母。另有微量鋯英石、金紅石、銳鈦礦、電氣石和玉髓等。黃鐵礦呈他形粒狀，集合呈結(jié)核狀不均勻分布，多分布在高鋁粘土礦接觸處。局部還有少量炭化植物化石碎片。

3.4 礦石的物理化學(xué)性質(zhì)

3.4.1 礦石化學(xué)成分

經(jīng)化學(xué)分析，耐火粘土礦化學(xué)成分主要由Al2O3、SiO2組成，次要為TiO2、Fe2O3、LOI。其中高鋁粘土礦、硬質(zhì)粘土礦(熟料)Al2O3含量分別為49.97%～77.55%、39.59%～54.73%，SiO2含量分別為18.85%～49.27%、45.50%～57.43%，TiO2含量分別為1.00%～2.60%、1.00%～2.00%，F(xiàn)e2O3含量分別為0.41%～1.54%、0.42%～2.28%，LOI分別為14.03%～17.12%、12.79%～15.45%，平均品位分析結(jié)果見表1。對(duì)礦區(qū)礦石樣品的鋁硅比進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果高鋁粘土礦鋁硅比為1.2～1.7，最高4.7，最低0.96，比高嶺石的硅鋁比理論值略高，介于粘土巖與鋁土巖之間，為過渡巖石類型。硬質(zhì)粘土礦鋁硅比值為0.85～0.88，屬高嶺石型粘土。

表1 耐火粘土礦平均品位分析結(jié)果(%)

硬質(zhì)粘土礦石以Ⅰ、Ⅱ級(jí)品位為主，高鋁粘土次之。

3.4.2 礦石物理性能

(1) 耐火度是評(píng)價(jià)耐火材料礦產(chǎn)質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)對(duì)礦區(qū)粘土礦石耐火度測(cè)定，高鋁粘土礦石耐火度多在1 770℃以上，僅個(gè)別為1 750℃，硬質(zhì)粘土礦石耐火度一般為1 750～1 770℃，最低1 730℃。研究表明，耐火度的高低取決于Al2O3及有害雜質(zhì)的含量，該礦床高鋁粘土礦、硬質(zhì)粘土礦的Al2O3含量都較高且Fe2O3、MgO和CaO含量低，因此耐火度較高，制品質(zhì)量較好。

(2) 粘土礦石脫水試驗(yàn)及XDR分析。

高鋁粘土礦石經(jīng)脫水試驗(yàn)(見圖1)，其結(jié)果是450～650℃，特別是500～600℃為明顯脫水溫度，失重率為14%，達(dá)到高嶺石或接近一水軟鋁石的脫水理論值，說明礦石以上兩種礦物成分為主。經(jīng)X-射線衍射儀進(jìn)行XRD物相分析，顯示礦石礦物成分主要為一水軟鋁石，次為高嶺石及一水硬鋁石，少量金紅石和銳鈦礦，與礦石化學(xué)分析結(jié)果及鏡下分析顯示出一致性。

硬質(zhì)粘土礦石經(jīng)脫水分析，其脫水溫度為550～650℃，失重率為13.4%，為較純的高嶺石脫水理論值。對(duì)礦石XRD物相分析，具明顯的高嶺石特征，但有少量一水軟鋁石。

(3) 耐火粘土礦差熱分析。

對(duì)本區(qū)不同類型的耐火粘土礦石粉進(jìn)行的差熱分析表明(見圖2)，高鋁粘土礦石粉為高嶺石及一水軟鋁石的混合物，但以高嶺石為主，在560℃有一明顯的吸熱谷，在985℃時(shí)有明顯的放熱峰，但線條平直，說明結(jié)晶程度較好。

硬質(zhì)粘土礦石粉經(jīng)差熱分析，呈明顯的高嶺石特征。其吸熱谷位于600℃，放射峰位于920℃，但有些樣品在600℃之前基線有向下傾向，說明有一水軟鋁石的存在。但其吸熱谷和放射峰面積較窄，說明高嶺石結(jié)晶程度較差。

圖1 礦石粉脫水分析

圖2 礦石粉的差熱分析

3.5 礦體圍巖及夾層

礦體底板為上石炭統(tǒng)船山組(C3ch)的石灰?guī)r，與賦礦地層下二疊統(tǒng)梁山組(P1l)碎屑巖呈假整合接觸。礦體共完成鉆孔191個(gè)，夾石出現(xiàn)42個(gè)層次，厚度0.3～3.64m。夾石種類以硬質(zhì)粘土為主，次為煤層或粘土質(zhì)粉砂巖等，多分布于礦層中上部，零星產(chǎn)出，無穩(wěn)定層位。礦層頂板多以黑色頁巖或黑色泥巖為主，不甚穩(wěn)定。

4 礦床成因

本區(qū)位于雪峰古陸和武陵古陸之間的辰溪—黔陽鞍部凹陷。中、晚石炭世發(fā)育臺(tái)地碳酸鹽沉積。石炭紀(jì)末，古陸抬升，大部分地段海水退出。二疊紀(jì)初，大規(guī)模海侵開始，雪峰山地已沉淪為孤島。辰溪、懷化一帶為一與湘中南相通的海灣。沉積了濱海沼澤相含煤碎屑沉積的梁山組。該組與下伏地層船山組之間有明顯的沉積間斷面，呈假整合或平行不整合接觸，在間斷面上多有很薄的含煤碎屑巖層相隔?；椎貙咏?jīng)漫長(zhǎng)的風(fēng)化剝蝕，所形成的風(fēng)化物質(zhì)，在沉積分異作用下，與造礦元素Al相伴的Si、Ca、Mg、K、Na雜質(zhì)元素為粘土礦的生成提供了豐富鋁硅酸鹽碎屑及成礦元素。隨海侵的到來，呈細(xì)粒懸浮和粘土吸附狀態(tài)搬運(yùn)至沉積盆地，由于介質(zhì)條件變化，沉積了粘土礦床。礦石中有少量銳鈦礦、金紅石、鋯英石及電氣石等陸屑，礦層頂?shù)讎鷰r為明顯的碎屑結(jié)構(gòu)，說明其形成方式以機(jī)械沉積為主。此外，礦石中有鮞粒及凝膠結(jié)構(gòu)存在，亦有一定的化學(xué)沉積。

根據(jù)巖性組合特點(diǎn)，該礦床形成在陸海過渡到湖沼相轉(zhuǎn)變處，屬海進(jìn)程序。此時(shí)沉積條件穩(wěn)定，物源豐富，沉積速度緩慢，氣候溫暖、潮濕，是成煤前的沉積環(huán)境，礦床產(chǎn)于煤系地層中。由于煤系中還原介質(zhì)及腐殖酸的作用，生成了質(zhì)量良好的高嶺石型粘土礦。

綜合上述，大洑潭耐火粘土礦床屬濱海沼澤相含煤巖系中的高嶺土礦床[2]。

5 開發(fā)應(yīng)用

該礦區(qū)耐火粘土礦委托湖南冷水灘耐火材料廠進(jìn)行制磚試驗(yàn)，采用100t壓磚機(jī)成型，在干燥坑上干燥48h，磚坯水分＜2%裝窯燒成(見表2)。試驗(yàn)結(jié)論：大洑潭耐火粘土可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)制品和二、三級(jí)高鋁制品。

湖南澧陵陶瓷研究所對(duì)本區(qū)高鋁粘土礦和硬質(zhì)粘土礦所作燧道匣缽中型試驗(yàn)報(bào)告稱，以區(qū)內(nèi)粘土所做匣缽質(zhì)量較優(yōu)，其結(jié)論為：①匣缽使用壽命長(zhǎng)，可燒14～15次以上不開裂，可節(jié)約材料，降低成本；②匣缽熱穩(wěn)定性好，不易開裂，減少落砂，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；③用高鋁粘土熟料做骨架，當(dāng)爐溫提高至1 380～1 410℃時(shí)，在燒瓷生產(chǎn)工藝中可大膽使用，故可用大洑潭耐火粘土取代河南礬土制作匣缽。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論，表明大洑潭耐火粘土礦技術(shù)加工性能良好，可建設(shè)一座中型耐火原料基地，徹底解決湖南生產(chǎn)耐火材料問題。

6 結(jié)語

(1) 大洑潭耐火粘土礦產(chǎn)于緩傾斜下二疊統(tǒng)梁山組地層中。礦體呈似層狀透鏡體，主要由高鋁粘土和硬質(zhì)粘土組成。礦石主要成分為高嶺石，其次為多水高嶺石、一水軟鋁石、一水硬鋁石等。

(2) 礦石吸熱峰溫度為560～600℃，放熱峰溫度920～985℃。高鋁粘土耐火度＞1 770℃，硬質(zhì)粘土一般在1 760℃。

(3) 本礦床賦存于下二疊統(tǒng)梁山組含煤碎屑巖中，沿襲于上石炭統(tǒng)船山組碳酸鹽巖沉積間斷面分布，自下而上由淺海相碳酸鹽巖到濱海沼澤相含煤碎屑巖，形成了湘西地區(qū)含煤巖系，至陸棚開闊淺海碳酸鹽巖。粘土礦層沉積數(shù)量、質(zhì)量及產(chǎn)狀與分布受古巖溶地貌及沉積間斷面地形控制。礦床類型屬濱海沼澤相含煤巖系中的高嶺土礦床。

表2 大洑潭耐火粘土礦制磚試驗(yàn)結(jié)果

(4) 大洑潭耐火粘土礦經(jīng)制磚和燧道窯匣缽試驗(yàn)，說明其技術(shù)加工性能良好，可建設(shè)一座中型規(guī)模的耐火原料基地。