我國皂土礦床地質(zhì)特征

顏 開，楊 剛，趙 青，張小林

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心(中國非金屬礦工業(yè)有限公司)，北京 100035；2.中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830000)

皂土理化性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于日化、醫(yī)藥等領(lǐng)域。世界皂土年產(chǎn)量約55.5 萬t[1]，絕大部分產(chǎn)于美國，其漢克托鋰皂土礦床已開采80 余年，年產(chǎn)能1 400t；阿馬戈薩鋰皂土礦年產(chǎn)膨潤土和鋰皂土4 000t[2-3]。我國皂土礦勘查工作可上溯到20 世紀(jì)50 年代，截至目前僅新疆和遼寧有探明儲量的皂土礦產(chǎn)地，且新疆唯一一處皂土礦—托克遜縣榆樹溝皂土礦年產(chǎn)量僅50t[2-3]，目前已停產(chǎn)[4]。我國皂土礦資源稀缺，皂土礦的勘查和研究工作尚處于起始階段，加強(qiáng)皂土資源找礦意義重大。本文通過對我國皂土礦床地質(zhì)特征和礦床成因類型歸納總結(jié)，期望對皂土礦找礦勘查提供參考。

1 概述

皂土礦是以皂石為主的土狀礦石，英文名saponite 源于拉丁文sapone，肥皂之意。皂石發(fā)現(xiàn)于18 世紀(jì)，早期被稱為smectite(蒙皂石)，19 世紀(jì)在法國Montmorillon(蒙脫莫里隆)發(fā)現(xiàn)蒙脫石，20世紀(jì)又發(fā)現(xiàn)了多種與蒙脫石性質(zhì)相似的礦物。1980年國際粘土研究協(xié)會將皂石和與皂石性質(zhì)相似的蒙脫石合稱為smectite(蒙—皂石族礦物)，包括蒙脫石亞族和皂石亞族，其中以蒙脫石為主的粘土礦為膨潤土。關(guān)于膨潤土礦的研究比較深入，但對皂土礦的研究相對較少。文獻(xiàn)中常說的蒙皂石，一般指以皂石亞族礦物為主的粘土礦，即皂土礦[5]。

皂石是一種“2 ∶1 型”典型三八面體礦物，具有粘土礦物的層狀結(jié)構(gòu)，層間有水分子和交換性陽離子充填而有別于滑石—葉蠟石族礦物。兩個硅(鋁)氧四面體層和一個鋁(鈣、鎂、鋅)氧八面體層組成的基本結(jié)構(gòu)層，層間被水分子和可交換陽離子充填。皂石亞族結(jié)構(gòu)層中八面體中主要陽離子為Mg2+，而蒙脫石亞族結(jié)構(gòu)層中二八面體主要陽離子為鋁( 圖1)。以往學(xué)者對皂石化學(xué)分子式[1,2,3,6,7]進(jìn)行了描述，本文引用的是:E+0.33Mg3(Si3.67Al0.33)O10(OH)2nH2O)[6]。

圖1 皂石晶體結(jié)構(gòu)

皂(石)土質(zhì)地細(xì)膩，油脂光澤，硬度小而具滑感，摩氏硬度為1，密度2.24 ～2.30g/cm3，常與蒙脫石、滑石、綠泥石、高嶺土、伊利石等多種粘土礦物共生。皂土礦石多呈土狀集合體或塊狀，少數(shù)呈皮殼狀或毛發(fā)狀，其顏色因礦物中陽離子成分而變化，可呈灰白色、灰綠、淺紅、淺藍(lán)等顏色。皂土礦分散于水或有機(jī)溶劑中，可呈現(xiàn)出高膨脹性、觸變性、懸浮性、分散性、增稠性、穩(wěn)定性和吸附性，主要用于牙膏、發(fā)乳、洗面乳、粉霜等化妝品及制藥、橡膠和紡織業(yè)等[1,8]。

《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊》(2010 年版)將皂土礦列入巖石類非金屬礦產(chǎn)。我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)滑(間)皂石和鋰皂石礦。皂土礦一般工業(yè)指標(biāo)見表1[1]。

表1 皂土礦工業(yè)指標(biāo)要求

皂土礦常用膠體率衡量皂土水化分散程度及其懸浮狀態(tài)穩(wěn)定性。如新疆托克遜榆樹溝皂石礦工業(yè)指標(biāo)(企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))Ⅰ級品膠體率≥25%、Ⅱ≥15%、Ⅲ≥10%[6]。

2 皂土礦資源概況

國外皂土資源主要分布在美國加利福尼亞州漢克托、阿馬戈薩等數(shù)處[2-3]，日本有鐵皂石礦、意大利有富鋁皂石礦[9]。美國漢克托鋰皂土礦床產(chǎn)于上新統(tǒng)湖相—火山灰相地層中，由深水熱泉活動蝕變形成。礦層沿湖岸呈帶狀分布，長12km，厚1.2 ～2.5m，礦石呈白色塊狀。阿馬戈薩鋰皂土礦礦體長3km，寬200m，平均厚1.5m，最厚12m，礦層含鋰皂石高達(dá)25%，由溫泉蝕變形成的方解石和鋰皂石不斷沉積形成。

我國皂土礦查明資源儲量約60 萬t，主要分布于新疆、遼寧兩省(區(qū))。其他省(區(qū))地質(zhì)工作程度很低，多為礦點(diǎn)或礦化點(diǎn)(表2)。

表2 我國皂土礦產(chǎn)地一覽表

3 我國典型皂土礦床

我國已知皂土礦床形成于海西期晚期、燕山期，礦床成因與富鎂巖(礦)石熱液蝕變關(guān)系密切，富鎂巖(礦)石類型主要有輝石橄欖巖、鎂質(zhì)矽卡巖(透輝石巖)、菱鎂礦、滑石、白云巖等，熱液類型有巖漿期后熱液或地表水通過裂隙下滲形成的中低溫?zé)嵋?，也可兩者兼有。皂土礦與裂隙構(gòu)造關(guān)系密切，裂隙構(gòu)造為成礦熱液提供運(yùn)移通道和賦存空間，如層間破碎帶、斷裂帶、巖體接觸帶、層間裂隙等。按成礦作用可將皂土礦成因歸入熱液蝕變型；根據(jù)成礦物質(zhì)來源，結(jié)合成礦熱液類型及礦化蝕變等特征，可將皂土礦細(xì)分為4 個亞類：鎂質(zhì)超基性巖熱液蝕變型(1處)、矽卡巖熱液蝕變型(2處)、滑石礦(含鎂質(zhì)粘土)熱液蝕變型(4 處)、鎂質(zhì)碳酸鹽巖熱液蝕變型(3 處)。下面按礦床成因類型選取典型礦床進(jìn)行介紹。

3.1 鎂質(zhì)超基性巖熱液蝕變型

(1)礦區(qū)地質(zhì)特征。

鎂質(zhì)超基性巖蝕變型僅有新疆托克遜縣榆樹溝蒙皂石礦床1 處。該礦床位于新疆托克遜縣西南135km，大地構(gòu)造位于晚古生代晚期天山造山帶。皂土礦分布于中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組條紋狀大理巖、條帶狀硅質(zhì)大理巖中。礦區(qū)斷裂較發(fā)育，在斷層裂隙部位有皂石富集現(xiàn)象，F(xiàn)2斷層兩側(cè)皂石礦化較好。張性節(jié)理是皂石富集場所，常見皂石礦脈沿裂隙分布。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，皂土礦分布于鎂質(zhì)超基性巖與花崗巖接觸帶中。斜輝橄欖巖分布在礦區(qū)中部和北部，巖體呈帶狀或不規(guī)則狀侵入于中泥盆統(tǒng)，均有不同程度的蛇紋石化和皂石礦化。細(xì)晶花崗巖侵入于斜輝橄欖巖和中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組中，分布于礦區(qū)中部，呈條帶狀、不規(guī)則巖脈延展，部分受后期構(gòu)造影響，裂隙發(fā)育，礦化明顯(圖2)。

圖2 新疆托克遜縣榆樹溝蒙皂石礦地質(zhì)圖

(2)礦床特征。

皂土礦賦存于中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組第一亞組第四段第二亞段(D2a14-2)地層中。與鉀長花崗巖(Xγ43)、斜輝橄欖巖(σ41a)巖體關(guān)系密切，常被后期巖體切割成不連續(xù)塊體。礦區(qū)圈定3 個礦體，Ⅲ礦體質(zhì)量最好，規(guī)模最大，Ⅱ礦體次之，Ⅰ礦體規(guī)模較小(圖3)。

圖3 新疆托克遜縣榆樹溝蒙皂石礦剖面圖

主礦體Ⅲ礦體位于礦區(qū)中部，礦體長約300m，平均厚度47.44m，礦體連續(xù)性好，厚度較穩(wěn)定。礦體呈似層狀，北西向展布，傾向北東，傾角56°～70°。礦體平均膠體率為15.10%，屬于二級礦石，礦化不均勻，靠近礦體頂板斜輝橄欖巖體，品位較高。有害組分Fe2O3平均含量1.22%。Ⅲ礦體底板為鉀長花崗巖或條帶狀硅化灰?guī)r。

(3)礦石特征。

礦石自然類型主要有條紋狀皂土礦、條帶狀皂土礦和松散狀皂土礦。松散狀皂土礦僅現(xiàn)于Ⅲ礦體局部。條紋狀皂土礦呈灰白色，紋層狀及塊狀構(gòu)造，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，皂石含量10%～20%，透輝石局部含量可達(dá)50%。條帶狀皂土礦與條紋狀皂土礦類似，但其石英及透輝石含量有所增加，皂石含量10%～20%。松散狀皂土礦呈白色、黃白色或稍帶銹紅色，土狀、殼狀、餅狀松散塊體。主要產(chǎn)于較寬大裂隙、節(jié)理和破碎帶中，由紋層和條帶礦石經(jīng)后期富集形成，皂石含量明顯增加，膠體率可達(dá)30%。

皂石礦在野外不易和其他巖石(土)區(qū)分，風(fēng)化后，雨水將皂石礦物浸出，干燥后碎裂成爆米花狀，用手觸之成粉沫狀。

3 種礦石的礦物組成基本相同，礦石礦物主要為皂石、鋰皂石、蒙脫石，一般含量約5%～10%，沿節(jié)理、斷層、層面含量為15%～25%；脈石礦物有方解石(20%～80%)、透輝石(10%～30%)、石英(3%～35%)、葡萄石(個別25%)、鐵鋁柘榴石(3%～10%)、沸石(微—少量)、榍石(0.1%)等。礦石中砷、鉛、汞等有害元素均在允許范圍內(nèi)。

(4)礦床成因。

榆樹溝皂土礦形成于海西期晚期，礦體賦存于條帶狀硅質(zhì)灰?guī)r地層中，靠近或者直接與鉀長花崗巖、斜輝橄欖巖體接觸。接觸帶巖石變質(zhì)作用較發(fā)育，有大理巖化、蒙脫石—皂石化、矽卡巖化等。礦石中含有熱液交代成因礦物；礦化程度較高的硅質(zhì)灰?guī)r主量元素呈富鎂、鐵元素特征；斜輝橄欖巖與碳酸鹽巖地層接觸帶的鎂皂石礦具有相似的稀土元素配分模式；鉀長花崗巖富鋰(Li 含量56.70×10-6)，礦化硅質(zhì)灰?guī)rLi 含量是未礦化碳酸鹽的4 ～5 倍；與鎂鐵質(zhì)熱液蝕變有關(guān)的碳酸鹽流體的δ13C( 平均值為-0.55‰ ) 具有深部巖漿源特征，礦化碳酸鹽巖δ18O 值降低，基性和酸性巖漿巖δ18O 值升高，以上特征表明，地層與斜輝橄欖巖、鉀長花崗巖之間發(fā)生了雙向交代作用。硅質(zhì)灰?guī)r中皂石的形成與斜輝橄欖巖密切相關(guān)，富鎂超基性巖(斜輝橄欖巖)為皂石形成提供鎂質(zhì)來源，早期形成鎂皂石。構(gòu)造裂隙為含礦熱液淀積提供場所，在中泥盆統(tǒng)阿拉塔格組第一亞組(D2a1)地層構(gòu)造裂隙中形成皂石礦，礦床成因類型為接觸交代熱液變質(zhì)型[9]。根據(jù)成礦物質(zhì)來源，認(rèn)為該礦床屬于鎂質(zhì)超基性巖熱液蝕變型。

3.2 滑石礦(含鎂質(zhì)粘土)熱液蝕變型

該類型皂土礦主要分布于遼寧遼陽吉洞峪鄉(xiāng)，在江蘇蘇州、重慶南川、湖南湘中等地亦有礦(化)點(diǎn)分布。礦床形成于海西晚期至燕山晚期。遼陽縣吉洞峪鄉(xiāng)有多個皂土(滑石)礦，含礦地層相同，礦石性質(zhì)相近，皂石與滑石共伴生。該類型皂土礦以規(guī)模最大的遼寧遼陽吉洞峪鄉(xiāng)大安溝皂土礦為例進(jìn)行介紹。

(1)礦區(qū)地質(zhì)特征。

大安溝皂土礦含礦地層為古元古界遼河群大石橋組三段(Pt1LHd3)，為一套區(qū)域變質(zhì)的碳酸鹽巖，菱鎂大理巖、透閃石白云大理巖等(圖4)。菱鎂大理巖(MMb)分布在礦區(qū)中、南部，層間裂隙普遍滑石礦化或皂石礦化，礦化發(fā)育地段常形成滑石或皂石礦體。透閃石白云大理巖(TDMb)分布在礦區(qū)南部，層間裂隙偶見滑石(皂石)礦化。在礦區(qū)南部菱鎂大理巖中夾數(shù)層厚1 ～4m 灰白色白云大理巖，層間裂隙局部有滑石礦脈。礦區(qū)斷層以走向斷層為主，有滑石( 皂石) 礦體賦存。次為橫向斷層，呈北東向和北西向延伸，多切割礦體，破壞礦體完整性。

圖4 遼寧省遼陽縣大安滑石—皂石礦床地質(zhì)圖及剖面

(2)礦床特征。

礦體產(chǎn)于遼河群大石橋組三段中部菱鎂大理巖或透輝石白云大理巖層間裂隙，共有4 條皂石礦化帶(T-1、T-2、T-3、T-5)和2 條滑石礦化帶(Tc-4、Tc-5)。其中T-1 規(guī)模最大；T-5 礦帶中的皂石與滑石并存。

T-1 礦化帶位于礦區(qū)南部，東西向橫貫礦區(qū)，被F5、F6、F7、F14橫向斷裂切割成5 段。礦體呈透鏡狀，在走向和傾向上常尖滅再現(xiàn)。礦體長約500m，厚2 ～5m，最厚達(dá)12.33m，垂深約180m。礦體分東、西兩礦段，東段下部見厚 0.8～3m滑石礦體。東礦段T-1E 皂石礦殘存礦體長144m，真厚度0.89 ～7.17m，產(chǎn)狀180°∠47°。礦體的圍巖為蝕變硅質(zhì)巖或菱鎂大理巖、白云大理巖。西段礦體T-1W 皂石礦殘存礦體長131m，真厚度3.38 ～5.53m，產(chǎn)狀71°∠58°。礦體的圍巖為蝕變硅質(zhì)巖或菱鎂大理巖。

(3)礦石特征。

礦石按結(jié)構(gòu)構(gòu)造分為塊狀礦石和少量片狀礦石。皂土礦和滑石礦共生，皂土礦呈淡灰色、淺黃灰色或淺綠灰色，交代殘余結(jié)構(gòu)，致密塊狀或條帶狀構(gòu)造，新鮮面呈蠟狀光澤，具滑感，質(zhì)較軟，摩氏硬度1 ～2。皂石多為Ⅰ級品，主要礦物為皂石(含量大于75%)，少量綠泥石、滑石及其他硅酸鎂類礦物等。粉沫白度一般85 ～95。皂石有益組分平均含量SiO230.93%、Al2O320.08%、Fe2O30.28%， 白 度91.76，燒失量15.02%。

(4)礦床成因。

礦區(qū)位于大石橋—海城—丹東沉積變質(zhì)型菱鎂礦帶的北部，皂石(滑石)礦賦存于古元古界遼河群大石橋組三段的透輝石白云大理巖、菱鎂大理巖夾云母片巖中。富鎂地層經(jīng)燕山期黑云母花崗巖熱液作用形成富鎂熱液，沿構(gòu)造裂隙運(yùn)移，熱液與圍巖發(fā)生接觸交代，在有利空間沉淀形成皂土礦。皂土礦多沿菱鎂礦或菱鎂大理巖的順層裂隙或?qū)娱g破碎帶分布，屬于滑石礦(含鎂質(zhì)黏土)熱液蝕變型礦床。

3.3 矽卡巖熱液蝕變型

矽卡巖熱液蝕變型皂土礦分布于福建漳平、浙江德清等地，礦床成因與燕山期花崗巖漿熱液的矽卡巖化有關(guān)。該類型礦床以福建漳平南家畬鋰皂石礦床為例進(jìn)行介紹。

(1)礦床特征。

南家畬鋰皂石礦賦存于下二疊統(tǒng)棲霞組(P1q)，巖性主要為灰白色、灰黑色中厚層狀含燧石條帶(團(tuán)塊)灰?guī)r，局部夾薄層狀泥巖、粉砂巖(圖5)。地層呈南北向展布，傾向東，厚度＞80m。與花崗巖的接觸帶多矽卡巖化，可分為3 個帶，分別為皂石—硅灰石(外)帶、石榴石—透輝石矽卡巖帶、方鉛礦—閃鋅礦—螢石—透輝石(內(nèi))帶。皂石賦存于皂石—硅灰石帶，沿F1 斷裂兩側(cè)分布，礦帶長530 ～580m，寬25 ～50m，礦帶延長方向與斷裂一致(北西向320°)。巖性組合主要為鋰皂石、(硅灰石、螢石、透輝石)矽卡巖等，主要由鎂質(zhì)矽卡巖(透輝石組合)熱液蝕變形成，不排除動力變質(zhì)作用對皂石化的影響。

圖5 福建漳平南家畬鋰皂土礦地質(zhì)圖

(2)礦體特征。

礦區(qū)圈定2 個鋰皂石礦體(Ⅰ、Ⅱ)，分布于南家畬村南的北西向沖溝中(圖6)，由F1 斷裂帶控制。礦體呈脈狀，產(chǎn)狀220°～225°∠35°。Ⅰ礦體長約50m，厚4.96m，傾向延伸約15m；Ⅱ礦體長約60m，厚2.37m，傾向延伸約15m。

圖6 福建漳平南家畬鋰皂土礦剖面圖

礦體頂板為下二疊統(tǒng)文筆山組(P1w)地層，底板為下二疊統(tǒng)棲霞組(P1q)含燧石條帶(團(tuán)塊)灰?guī)r蝕變形成的矽卡巖。

(3)礦石特征。

礦石呈白色、淺紅色、肉紅色，柔軟，具滑感，稍具塑性。礦石礦物大部分為鋰皂石(50%～90%)，脈石礦物為石英(10%～50%)，多呈團(tuán)塊狀(角礫狀)，部分呈土(微粒)狀(粒徑＜0.1mm)。平均化學(xué)成 分CaO 12.24%、SiO254.78%、MgO 20.66%、A12O30.97%。

(4)礦床成因。

鋰皂石礦的形成經(jīng)歷了矽卡巖化和熱液蝕變作用兩個階段。燕山早期黑云母花崗巖(γ52(3)c)沿北西向F1斷裂侵入，與棲霞組(P1q)鎂質(zhì)碳酸鹽巖接觸交代形成(含透輝石)富鎂矽卡巖，后期熱液沿F1斷裂活動，使透輝石滑石化，最后由滑石向鋰皂石轉(zhuǎn)變，礦床成因?qū)儆谖◣r熱液蝕變型。

3.4 鎂質(zhì)碳酸鹽巖熱液蝕變型

該類型皂土礦分布在廣西柳州，在寧夏固原、貴州宅吉有礦化點(diǎn)分布。礦床形成于海西晚期，礦床成因與白云巖經(jīng)中低溫?zé)嵋何g變相關(guān)。該類型皂土礦以廣西柳州九頭山白云巖伴生皂石礦床為例。

(1)礦床特征。

礦體賦存于石炭系大埔組(C2d)。大埔組分2 層，下分層(C2d1)為白云巖，厚約200m。上分層(C2d2)為純質(zhì)白云巖夾少量灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r，厚約40m(圖7)。白云巖裸露地表，在平面上呈南北向延伸，單斜層狀產(chǎn)出，走向90°～100°，傾角8°～15°，沿走向自北向南變薄。皂石作為白云巖上分層夾層，呈透鏡狀、條帶狀分布，產(chǎn)狀與白云巖產(chǎn)狀基本一致，皂石夾層長30 ～165m，厚0.6 ～3.0m。

圖7 廣西柳州九頭山白云巖礦伴生皂石礦地質(zhì)圖

(2)礦體特征。

皂石礦化層在九頭山附近有2 層，分布在白云巖上部，距頂界約30m(圖8、表3)。

圖8 廣西省柳州市九頭山白云巖礦伴生皂石礦剖面圖

(3)礦石特征。

皂石呈紅色、豬肝色，致密塊狀。皂石含量10%～20%，局部被方解石替代，與圍巖(白云巖)界限明顯?；瘜W(xué)成分主要為SiO260%～62%，MgO 30%～32%，CaO、Fe2O3、Al2O3、MnO之和不超過1%。

(4)礦床成因。

礦(化)層賦存于白云巖上分層靠近上部的層間裂隙中，皂石礦化疑由含硅質(zhì)的中—低溫?zé)嵋貉貥?gòu)造裂隙運(yùn)移，使富鎂質(zhì)巖石發(fā)生熱液蝕變，在構(gòu)造有利部位充填形成的。礦床成因?qū)冁V質(zhì)碳酸鹽巖熱液蝕變型。

4 結(jié)論及建議

(1)皂石理化性能優(yōu)異，用途廣泛，但我國可供開發(fā)利用的皂土礦資源稀缺，主要分布于新疆、遼寧兩省(區(qū))，查明資源儲量約60 萬t。建議加強(qiáng)皂土資源地質(zhì)找礦。

(2)礦床成因類型分為一大類4 亞類：即熱液蝕變型(鎂質(zhì)超基性巖熱液蝕變型、矽卡巖熱液蝕變型、滑石礦(含鎂質(zhì)粘土)熱液蝕變型、鎂質(zhì)碳酸鹽巖熱液蝕變型4 亞類)。與成礦有關(guān)的富鎂巖(礦)石類型有輝石橄欖巖、鎂質(zhì)矽卡巖(透輝石巖)、菱鎂礦、滑石、白云巖等。

(3)皂土礦成礦年代主要有2 期，包括海西期晚期、燕山期。皂土礦成因與熱液蝕變和裂隙構(gòu)造關(guān)系密切，蝕變熱液類型有巖漿期后熱液或地表水通過裂隙下滲形成的中低溫?zé)嵋海部蓛烧呒嬗?；裂隙?gòu)造為成礦熱液提供運(yùn)移通道和賦存空間，如層間破碎帶、斷裂帶、巖體接觸帶、層間裂隙等。