焦麗香,郭加朋,程偉
(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊,山東 濟南 250010;2.山東省自然資源資料檔案館,山東 濟南 250101;3.山東省地質(zhì)科學研究院,國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室,山東 濟南 250013)
高嶺土是自然界常見的非常重要的一種黏土礦物,是在缺少堿金屬和堿土金屬的酸性介質(zhì)中,由火成巖和變質(zhì)巖中的長石或其他硅酸鹽礦物經(jīng)風化作用形成。高嶺土因其具有分散性、可塑性、黏結(jié)性、燒結(jié)性、耐火性、離子交換性和物理化學上的穩(wěn)定性,應用范圍頗廣[1]。20世紀60年代,山東省地質(zhì)局綜合一隊在魯西地區(qū)含煤盆地中對沉積型高嶺土進行過調(diào)查,1982年又對魯中地區(qū)優(yōu)質(zhì)高嶺土做過調(diào)查,并提交山東省煤系高嶺土研究及開發(fā)利用[2]。風化殘積型高嶺土礦較系統(tǒng)的地質(zhì)工作始于1965年,為文登小觀高嶺土礦[3-4]。為了深化高嶺土礦成礦理論,推動山東省優(yōu)質(zhì)高嶺土礦的普查找礦工作,本文在大量勘查、科研、開發(fā)利用成果資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)探討了山東省2種成因類型高嶺土礦床的成礦地質(zhì)特征、成礦規(guī)律、成礦模式。
截至2018年山東省上表高嶺土礦床9處,查明資源儲量504.46萬t,其中基礎(chǔ)儲量314.08萬t,資源量190.38萬t,占全國查明資源儲量的0.15%,位列全國第21位。已發(fā)現(xiàn)高嶺土礦床18處[5],大型3處,中型5處,小型8處,礦點2處。高嶺土礦床勘查程度大部分達到了詳查及以上程度,多數(shù)處于未開采和停采狀態(tài)。
按照高嶺土礦的成因一般劃分為風化礦床、熱液蝕變礦床和沉積礦床3大類。由于地質(zhì)情況復雜,根據(jù)成礦作用劃分為3種類型、6種亞類型(表1)。
山東省地處濱太平洋成礦域,高嶺土礦床有含煤地層中高嶺石黏土巖型和風化殘積型(表2)。沉積型高嶺土礦廣泛發(fā)育于魯中地區(qū)北部的各煤田中,以新汶、肥城、淄博、萊蕪含煤區(qū)中的優(yōu)質(zhì)高嶺土質(zhì)量為最好。風化殘積型高嶺土礦則以中、小型礦床和礦點的形式零星分布于魯南和魯東各地。
表1 高嶺土礦主要類型及其主要礦物組分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造
表2 山東省高嶺土成礦特征
含煤地層中高嶺石黏土巖型高嶺土礦主要由鋁硅酸鹽陸源碎屑物經(jīng)化學搬運,在海盆地內(nèi)凝聚沉積而成。一般為硬質(zhì)高嶺土類礦石,可塑性較差。按其沉積環(huán)境和礦物組合的差異,又可分為大同土型和高鋁黏土礦型2種。
大同土型高嶺土主要分布于魯中北部各煤田,魯南至今還沒有發(fā)現(xiàn)工業(yè)礦體。具有工業(yè)價值的礦床主要分布在新汶、肥城、淄博和萊蕪煤田中。該類型高嶺土礦主要與煤系地層有關(guān),因其最早發(fā)現(xiàn)于山西大同煤田,故名“大同土”,亦稱“堿石”。賦礦層位主要是石炭—二疊紀[6],礦體主要以煤層夾石或底板的形式出現(xiàn)。礦體呈穩(wěn)定的薄層狀,一般厚度僅十幾到幾十厘米,產(chǎn)狀與煤層一致,煤層穩(wěn)定,其亦穩(wěn)定。礦石特征因地而異,一般礦石呈褐灰色、棕褐色,致密塊狀,性脆、易碎,斷口呈貝殼狀,手觸有滑感,高溫焙燒厚,呈白色。用它制成的瓷器,瓷質(zhì)白色泛青,光澤柔潤,白度達70°以上,屬優(yōu)質(zhì)陶瓷工業(yè)原料。因礦層薄,無法單獨開采。僅有新汶煤田組織煤礦首選回收利用,礦石回收率極低。表面碳質(zhì)污染嚴重,影響制品質(zhì)量。高鋁黏土礦型高嶺土則主要與鋁土巖或鋁土礦關(guān)系密切,三者?;橄L。其主要賦礦層位是二疊紀石盒子群萬山組A層,厚幾米到幾十米,淄博王村東寶山硬質(zhì)黏土礦和棗莊市中區(qū)焦寶石礦皆屬此種類型。高鋁黏土礦型高嶺土主要分布于魯中地區(qū),以淄博地區(qū)為最發(fā)育。
風化殘積型高嶺土礦由中酸性巖體或巖脈風化殘積而成。礦體形態(tài)、分布及礦物組合等因母巖而異。主要見于膠東各地,如文登小觀黏土礦等。礦體覆于燕山期高嶺土化花崗巖之上,呈帶狀或脈狀。礦石呈灰白色,松散狀,主要礦物成分為高嶺石、長石、石英,含鐵略高。白堊紀青山群石前莊組的流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖中也有高嶺土成礦,但具有工業(yè)價值的礦點較少。
沉積型高嶺土礦床分布于魯西隆起淄博斷陷東部、新汶斷陷盆地或萊蕪盆地之中(圖1)。賦存地層為二疊紀石盒子群萬山組A層、石炭—二疊紀月門溝群本溪組、太原組[7]。新汶煤礦中主要為11層煤夾矸,萊蕪煤礦中為15層煤夾矸,淄博、肥城煤礦中為7層煤夾矸[8]。
1—含煤區(qū)及含煤區(qū)編號;2—高嶺土礦床;3—礦床編號;含煤區(qū)名稱:1—淄博含煤區(qū);2—章丘含煤區(qū);3—黃河北含煤區(qū);4—肥城含煤區(qū);5—萊蕪含煤區(qū);6—新汶含煤區(qū);7—汶上-寧陽含煤區(qū);8—兗州-濟寧含煤區(qū);9—巨野-鄆城含煤區(qū);10—曹縣含煤區(qū);11—金鄉(xiāng)-單縣含煤區(qū);12—滕州含煤區(qū);13—棗莊-韓臺含煤區(qū);14—臨沂含煤區(qū);15—墾利含煤區(qū);16—坊子含煤區(qū);17—昌樂-昌邑含煤區(qū);18—龍口含煤區(qū);①—淄博王村含煤沉積型高嶺土礦;②—萊蕪地區(qū)煤系高嶺土礦;③—新汶煤礦沉積型高嶺土礦;④—肥城煤礦沉積型高嶺土礦;⑤—兗州煤礦沉積型高嶺土礦;⑥—陶棗煤礦沉積型高嶺土礦
山東含煤建造沉積型高嶺土礦[6]主要為沉積型硬質(zhì)高嶺土或稱硬質(zhì)高嶺巖,少量為軟質(zhì)高嶺土(1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)隊,山東省魯中地區(qū)優(yōu)質(zhì)高嶺土(大同土)礦初步普查地質(zhì)報告,1984年。。硬質(zhì)高鋁高嶺土礦主要賦存層位為二疊紀石盒子群萬山段,萬山段為中細粒砂巖、雜色頁巖、黏土巖互層沉積層段,總厚度120余米。硬質(zhì)高鋁高嶺土為一層,厚度為0.6~2.60m,礦層頂部為紫色為主的雜色頁巖。優(yōu)質(zhì)大同土以薄層狀煤層夾石的形式產(chǎn)出,礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀,產(chǎn)狀與所賦存的煤層一致,傾角平緩,一般10°~15°,個別達20°以上。礦層厚10~20cm,層位穩(wěn)定。頂、底板為砂巖、粉砂巖(圖2)。
1—礫巖;2—黏土巖;3—頁巖;4—砂質(zhì)頁巖;5—砂巖;6—泥灰?guī)r;7—灰?guī)r;8—鋁土巖;9—鐵礦層;10—煤層;11—高嶺土礦層
硬質(zhì)高嶺土呈含粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造。軟質(zhì)高嶺土具泥質(zhì)結(jié)構(gòu),致密塊狀(層狀)構(gòu)造。礦石具土狀光澤、表面略顯粗糙,滑感不明顯,可塑性略弱。各礦區(qū)煤系高嶺土的礦物組成均較簡單,有害雜質(zhì)含量低。礦物組成以高嶺石為主,新汶、肥城、兗州三礦區(qū)高嶺土中高嶺石含量在80%以上,其中大部分在90%以上,龍口礦區(qū)高嶺土中高嶺石含量在70%以上;高嶺土中雜質(zhì)含量較少,主要雜質(zhì)為石英、云母、長石和有機質(zhì);有害雜質(zhì)為Fe2O3和TiO2,其總量一般<1%[7]。同普通高嶺土相比,煤系高嶺土有機碳質(zhì)含量較高,致使其燒失量相對提高,一般在14%左右。
風化殘積型高嶺土礦床主要分布于魯東隆起的膠萊坳陷區(qū)和蘇魯造山帶威海隆起區(qū)。風化殘積型高嶺土礦主要礦物是高嶺石,晶體呈細微的鱗片或板狀體。礦石中主要礦物為高嶺石、埃洛石、水白云母、石英、少量的鉀長石,斜長石及微量的磁鐵礦、鋯石。文登小觀高嶺土礦由花崗巖風化殘積而成,礦體隨母巖風化面呈雞窩狀成群分布,礦體長一般100~300m,最長600m,寬一般3~10m,最寬80m。礦體厚度主要決定于風化殼的深度,一般10~15m。主要礦物成分為高嶺石、雜質(zhì)少,白度高、硅鋁比接近2.0,是合成新型助洗劑的上乘原料[8]。
2.1.1 臨淄金嶺礦區(qū)高嶺土礦特征
礦床位于臨淄區(qū)西6~12km,隸屬臨淄區(qū)金嶺鎮(zhèn)、路山鎮(zhèn)和孫樓鎮(zhèn)管轄。處于魯西隆起淄博斷陷東部之湖田向斜內(nèi),為相對穩(wěn)定的華北克拉通內(nèi)部(2)山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省臨淄區(qū)金嶺礦區(qū)高嶺土礦普查地質(zhì)報告,1999年。。成礦時代為古生代石炭紀—二疊紀,成礦與海陸交互相、陸相沉積作用有關(guān),礦床賦存于月門溝群本溪組、太原組煤層中。礦區(qū)內(nèi)僅有一個高嶺土礦體,分布于礦區(qū)西部,隱伏于第四系之下,產(chǎn)于太原組底部層位,頂板圍巖為煤10-3,底板為淺灰色—深灰色黏土巖、頁巖、含粉砂黏土巖。礦體呈層狀,產(chǎn)狀平緩穩(wěn)定,厚0.5~0.90m,平均厚0.71m,厚度變化小。礦體埋深35~200m,走向65°~85°,局部90°~95°,傾向NNW,傾角4°~8°,一般5°,控制礦體長1705m,寬(沿傾向)980m,礦體平均厚度0.71m,厚度變化系數(shù)22.49%,礦體平均品位(Al2O3含量)33.38%,品位變化系數(shù)12.98%。礦石呈深灰色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),致密塊狀構(gòu)造、貝殼斷口、易碎、手觸有滑感等。礦物成分以高嶺石為主,另有少量水云母、蒙脫石、伊利石、石英、長石等。礦石有益成分Al2O3平均含量33.38%;有害組分中Fe2O3+TiO2平均含量為1.55%;SO3平均含量0.36%,含量較低。共(伴)生礦產(chǎn)有沉積煤礦、耐火黏土、鋁土礦。
2.1.2 成礦模式
沉積型高嶺土礦是在缺少堿金屬和堿土金屬的酸性介質(zhì)中,溫暖至濕熱的氣候條件下,由火成巖和變質(zhì)巖中的長石或其他硅酸鹽礦物經(jīng)風化作用形成于湖泊、古大陸邊緣的海灣及瀉湖區(qū)域。其成礦機制一般與沉積巖中的細粒粉砂—泥巖形成過程相同。其礦石分為砂質(zhì)、軟質(zhì)、硬質(zhì)3種自然類型,成礦物質(zhì)主要來自陸源區(qū)的高嶺石類礦物碎屑,是以機械搬運為主。在搬運過程中,經(jīng)進一步分選聚集于濱海湖沼、河漫灘等有利地區(qū)成礦;除部分機械搬運的高嶺石類礦物碎屑外,有相當一部分是SiO2和Al2O3膠體物質(zhì),在成煤期,化學風化物SiO2,Al2O3在富含有機酸的水介質(zhì)攜帶下搬運到盆地中,以膠式凝聚方式沉淀,膠體沉積物在成巖過程中重結(jié)晶形成高嶺石(圖3)。臨淄區(qū)金嶺礦區(qū)高嶺土礦產(chǎn)于太原組底部層位煤10-3底板中,嚴格受層位控制。礦床成因?qū)贋I?!U訚赡z體化學沉積,賦存于泥巖(黏土巖)地層中,礦石呈致密塊狀,不具層理。它的形成嚴格受當時的沉積環(huán)境制約,沉積以膠體化學沉積為主時,則形成高嶺土黏土礦,高嶺土層位穩(wěn)定,底板為黏土,頂板為煤10-3。
1—粉砂;2—含炭質(zhì)砂頁巖;3—炭質(zhì)粉砂巖;4—砂巖;5—細砂巖夾炭質(zhì)頁巖;6—炭質(zhì)頁巖;7—太原組灰?guī)r;8—灰?guī)r夾煤;9—高嶺土礦層;10—粉砂巖
2.2.1 萊西市河頭店鎮(zhèn)東大寨高嶺土礦特征
礦床位于萊西市城區(qū)東北約20km,行政區(qū)劃隸屬萊西市河頭店鎮(zhèn)東大寨村,位于村東南約1km處。處于華北板塊(Ⅰ)魯東隆起(Ⅱ)膠萊坳陷區(qū)(Ⅲ)的萊陽凹陷(Ⅴ)(3)山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,山東省萊西市東大寨礦區(qū)高嶺土礦資源儲量核實報告,2013年。。成礦時代為中生代白堊紀,礦床賦存層位為青山群石前莊組的流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖中。礦區(qū)內(nèi)有2個高嶺土礦體,分別編號為Ⅰ和Ⅱ號。Ⅰ號礦體分布于1~10線之間,由7個探槽和5個探井工程控制。礦體呈板狀,總體走向70°,傾向SE,傾角47°~52°。礦體控制長700m,控制礦體垂深43~48m。礦體真厚度28.76~31.90m,平均30.33m,厚度變化系數(shù)3.67%,屬厚度變化穩(wěn)定型。礦體品位(Al2O3)12.73%~15.71%,平均14.60%,品位變化系數(shù)4.30%,屬有用組分分布均勻型。礦石的礦物成分主要由高嶺土礦物和火山巖的晶屑和巖屑組成。其中,高嶺土礦物主要為高嶺石、迪開石、水云母和少量綠泥石、方解石等;砂質(zhì)含量在56%~67%之間,成分為中酸性火山巖的晶屑和巖屑,粒度在0.2~15mm之間,晶屑成分主要是石英、斜長石和鉀微斜長石。礦石有用組分Al2O3平均含量13.96%,品位變化系數(shù)4.69%,屬有用組分分布均勻型。有害組分Fe2O3平均含量1.13%,變化系數(shù)13.6%,屬分布均勻型;TiO2平均含量0.061%,符合TiO2≤0.6%的質(zhì)量要求,變化系數(shù)43.8%,屬分布不均勻型。礦石中個別樣品有害組分Fe2O3+TiO2大于2%。礦石自然類型均為流紋質(zhì)火山角礫巖(照片1a)、火山凝灰?guī)r型,為淺灰—深灰色,主要由火山巖的巖屑和晶屑組成,高嶺土礦物以集合體呈松散狀產(chǎn)于其中。礦石具變余凝灰結(jié)構(gòu)、斑雜狀構(gòu)造(照片1b、1c)。
a—流紋構(gòu)造;b—斑雜狀構(gòu)造;c—高嶺土照片1 流紋質(zhì)火山角礫巖照片
2.2.2 成礦模式
山東省風化殘積型高嶺土礦床均產(chǎn)于凹陷區(qū)或隆起區(qū)內(nèi)的次級構(gòu)造單元—膠萊凹陷(火山盆地)中,坳陷的形成發(fā)展、含礦火山巖系的形成均受區(qū)域深大斷裂活動的控制,深大斷裂往往伴隨有多期的火山活動,而深大斷裂本身往往就是火山噴發(fā)的通道。而由斷裂所控制的火山巖盆地(凹陷)構(gòu)造,又是形成富水環(huán)境的先決條件。此外,弱還原—弱氧化及富堿的水介質(zhì)環(huán)境等,都是火山碎屑物質(zhì)水化、水解、生成高嶺土的基本條件??梢姌?gòu)造及古地理環(huán)境條件對高嶺土生成的重要控制作用。控礦的白堊紀青山期酸性火山活動所形成的火山巖,主要分布在膠萊坳陷周緣,呈斷續(xù)的環(huán)狀分布,構(gòu)成“酸性火山環(huán)”,是高嶺土、沸石巖、膨潤土、珍珠巖等礦產(chǎn)的主要分布區(qū)域[9-10]。青山群為一套酸性—中偏基性火山碎屑巖,主要巖性為安山質(zhì)角礫巖,集塊巖夾部分含角礫凝灰?guī)r、安山巖,潛流紋斑巖及流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖,高嶺土礦即賦存在流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖中。在溫暖潮濕或濕熱的氣候帶而淋濾速度有限的條件下,富鋁基巖風化過程中SiO2的淋出受到限制,長石等含鋁礦物分解形成高嶺石、埃洛石等黏土礦物。植被發(fā)育和有機質(zhì)的存在可造成風化殼下部處于pH和Eh值較低的條件,有利于高嶺石的形成,而且鐵易被還原成易溶的二價狀態(tài)或在有機質(zhì)的作用下遷出風化殼,有利于高嶺土質(zhì)量的提高。風化殘積型高嶺土礦成礦作用以風化作用為主,成礦母巖中長石達到一定含量的各種巖漿巖、火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖都可以形成這類礦床。但形成規(guī)模較大的工業(yè)礦床,成礦母巖為中酸性巖體(花崗巖、花崗斑巖、石英斑巖、細晶巖、霏細巖),部分為酸性火山巖、火山碎屑巖(凝灰質(zhì)千枚巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)斑巖、凝灰質(zhì)長石石英砂巖)。構(gòu)造活動的強烈程度、氣候條件和地形地貌對風化殘積型高嶺土礦具有較強的控制作用(圖4)。
1—花崗片麻巖;2—流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖;3—花崗斑巖;4—礫石帶;5—水云母巖;6—高嶺土礦體
山東省地處我國大陸東緣。以沂沭斷裂帶為界,形成了魯東和魯西截然不同的2個地質(zhì)單元。魯東以丘陵山地為主,太古代—元古代的古老變質(zhì)巖系地層發(fā)育,并以缺失古生代地層為特征。魯西以中低山區(qū)、平原區(qū)為主,廣泛發(fā)育古生代及中、新生代地層。由于高嶺土分布區(qū)域、構(gòu)造單元的差異,沉積建造的不同,決定了高嶺土賦存狀態(tài)以及成因的明顯不同。魯東地區(qū)發(fā)育花崗巖風化成因的文登小觀高嶺土礦床。風化型高嶺土礦成礦作用以風化作用為主,成礦母巖中長石達到一定含量的各種巖漿巖、火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖都可形成這類礦床。魯西地區(qū)高嶺土礦以沉積型礦床為主,發(fā)育有產(chǎn)于二疊紀石盒子群的大型硬質(zhì)黏土礦床(A層硬質(zhì)黏土);廣泛發(fā)育于新汶、肥城、淄博煤田中的優(yōu)質(zhì)高嶺土(大同土)礦床。根據(jù)徐志剛等[11],陳毓川等[12],結(jié)合山東省礦產(chǎn)地質(zhì)志礦床類型劃分方案,山東省高嶺土礦主要成礦單元包括3個Ⅲ級成礦帶、3個Ⅳ級成礦帶。共圈定出了4個Ⅴ級找礦遠景區(qū),詳見表3、圖5。
表3 山東省高嶺土礦主要分布的成礦區(qū)帶
1—高嶺土礦床及編號;2—石炭-二疊紀海陸交互相碎屑含煤建造;3—白堊紀火山巖建造;4—找礦遠景區(qū)及編號;5—全國三級成礦區(qū)帶編號;備注:1—楊家巷第一高嶺土礦(軟質(zhì)高嶺土);2—章丘埠村鎮(zhèn)大冶高嶺土礦;3—章丘埠村鎮(zhèn)大冶第二高嶺土礦;4—章丘埠村楊家巷高嶺土礦(軟質(zhì)和硬質(zhì)高嶺土);5—章丘文通高嶺土礦;6—章丘文祖鎮(zhèn)高嶺土礦;7—章丘埠村鎮(zhèn)月宮第二高嶺土礦;8—青島萊西河頭店鎮(zhèn)東大寨高嶺土礦;9—文登高嶺土礦小觀高嶺土礦;10—乳山馬場地區(qū)高嶺土礦;11—兗州煤田北宿煤礦三、四采區(qū)煤系高嶺土礦;12—淄博臨淄區(qū)金嶺礦區(qū)高嶺土礦;13—新汶煤田高嶺土礦;14—泰安肥城地區(qū)煤田高嶺土礦;15—淄博嶺子煤田高嶺土礦;16—淄博王村鋁土礦東寶山高嶺土礦;17—棲霞東孟家溝礦區(qū)高嶺土(金)礦礦點;18—沂水縣高橋陶瓷廠小段家榮仁黏土高嶺土礦點
山東省高嶺土礦床成礦系列屬于山東中東部與燕山晚期火山、次火山巖、溶濾作用有關(guān)的鉛、鋅、螢石、重晶石、膨潤土、高嶺土等非金屬礦床成礦系列、魯西陸塊與中侏羅世湖相沉積作用有關(guān)的煤、耐火黏土、高嶺土成礦系列和魯西陸塊與石炭—二疊沉積作用有關(guān)的煤、稀散元素、耐火黏土、玻璃石英砂巖、高嶺土礦床成礦系列[14-15]。
(1)山東省高嶺土礦床類型分為沉積型和風化殘積型2種,沉積型優(yōu)質(zhì)高嶺土礦賦存于古生代石炭紀—二疊紀中部煤層中,賦礦層位為月門溝群太原組、本溪組和石盒子群萬山組;含礦建造為古生代海相、海陸交替相沉積建造,構(gòu)造—巖漿期為華力西期。沉積型高嶺土礦床以煤層夾石的形式出現(xiàn),常作為煤炭勘探的標志層。風化殘積型成礦時代為中生代白堊紀、中生代燕山期,賦礦層位為青山群石前莊組的流紋質(zhì)熔結(jié)角礫巖、中生代燕山期中細粒白云母花崗巖、二云母花崗巖。
(2)在山東高嶺土礦成礦區(qū)帶(Ⅳ級)中,主要圈定4個找礦遠景區(qū)。沉積型高嶺土礦主要分布于新汶斷陷盆地、萊蕪盆地;風化殘積型高嶺土礦主要分布于萊陽凹陷、膠萊盆地、威海隆起區(qū)。