湖南高湖地區(qū)高嶺土礦床地質(zhì)特征及成因淺析

田紹松，申錫坤，莫 勇，楊 曉

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊，湖南 株洲 412011)

高嶺土作為一種非金屬礦產(chǎn)，具有許多優(yōu)良的物理性能、化學(xué)性能，主要應(yīng)用于陶瓷、電子、造紙、橡膠、塑料、搪瓷、石油化工、涂料、油墨、光學(xué)玻璃、玻璃纖維、化纖、砂輪、建筑材料、化肥及耐火材料等行業(yè)，發(fā)揮著重要的作用[1]。

本研究在綜合分析高湖地區(qū)高嶺土礦床特征基礎(chǔ)上，運用掃描電鏡觀察、X-射線衍射等測試手段對該高嶺土礦床的礦物學(xué)特征進行了系統(tǒng)的分析，研究了高嶺土礦的地質(zhì)特征及礦床成因，為相鄰地區(qū)類似成礦條件的高嶺土礦找礦勘查提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚子陸塊與華夏陸塊的結(jié)合部位，屬南嶺構(gòu)造—巖漿—成礦帶中西段(圖1)。區(qū)內(nèi)主要經(jīng)歷了武陵運動、加里東運動、印支運動、早燕山運動、晚燕山運動及喜馬拉雅運動等大的構(gòu)造運動，從而形成大量不同時代和期次、不同方向與規(guī)模、不同性質(zhì)的斷裂、褶皺、中生代構(gòu)造盆地等構(gòu)造形跡，呈現(xiàn)出復(fù)雜的構(gòu)造變形圖像[2]。

圖1 礦體分布及地質(zhì)簡圖

區(qū)域出露地層主要有青白口系、震旦系、泥盆系、石炭系、二疊系、白堊系等。構(gòu)造發(fā)育，受北北東向的鷹—安深斷裂帶控制，沿斷裂帶發(fā)育有構(gòu)造破碎帶、硅化蝕變帶及劈理化、片理化帶。褶皺強烈，褶皺軸向以近東西向、北東向為主。巖漿巖較為發(fā)育，主要以晚三疊世的酸性侵入巖為主，有少量的花崗巖脈和玄武巖脈，侵入巖主要分布在川口隆起帶，玄武巖分布在攸縣盆地中，出露面積較小。

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

研究區(qū)出露地層主要為古生代泥盆系錫礦山組(D3x)、歐家沖組(D3o)、孟公坳組(D3m)，石炭系石磴子組(C1sd)、測水組(C1c)。高嶺土礦賦礦層位主要為泥盆系歐家沖組及石炭系測水組，歐家沖組(D3o)以淺黃色泥質(zhì)粉砂巖為主夾少量粉砂質(zhì)泥巖，測水組(C1c)主要由粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖及石英砂巖組成。

2.2 構(gòu)造

研究區(qū)經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造變形作用，形成了不同地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展階段的構(gòu)造形變特征。

規(guī)模較大褶皺有太平寺背斜，為NS-NNE展布。其中太平寺背斜核部出露花崗巖脈，整體地質(zhì)構(gòu)架由主應(yīng)力為南東東—北西西向為主，南北向應(yīng)力為輔，導(dǎo)致地層形態(tài)南北向展布，褶皺總體向北傾伏。靠近礦體位置，產(chǎn)狀相對較陡，一般40°～50°。背斜的傾伏端，應(yīng)力較為集中，巖石受擠壓形變較嚴重，易形成裂隙為成礦提供空間。

斷層較發(fā)育，具有代表性的為爛馬沖斷裂(F20)，斷裂性質(zhì)為傾向西的逆斷裂，其限制礦體向東延伸。該斷裂總體呈SN向延伸，局部彎曲呈“S”型。斷裂切割的地層主要為泥盆系歐家沖組。歐家沖組巖層擠壓強烈，發(fā)育揉皺構(gòu)造；巖石較破碎、硅化強烈；巖層中劈理極為發(fā)育，劈理受擠壓又形成褶劈理；斷裂帶中全風(fēng)化細?；◢弾r脈發(fā)育，呈脈狀、似透鏡狀。

2.3 巖漿巖

研究區(qū)發(fā)育花崗巖脈，分別在南東部的爛馬沖、西部太平寺村一帶，巖性為細?；◢弾r，呈灰白色，花崗質(zhì)結(jié)構(gòu)，土塊狀、塊狀構(gòu)造。原巖長石含量58%～61%，石英含量28%～35%，黑云母和少量的白云母2%～4%。巖脈與區(qū)內(nèi)南北向斷裂發(fā)育及褶皺構(gòu)造密切相關(guān)；產(chǎn)在石炭系、泥盆系地層中，脈寬數(shù)十米至百米，長數(shù)百米至1 000m以上，呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，走向為SN、NNE向。巖脈侵入時代主要為燕山晚期，其空間展布受構(gòu)造裂隙控制。巖脈傾向圍巖，傾角在40°～60°。由于風(fēng)化，淺部及地表巖脈中長石均已高嶺石化。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 礦體特征

研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)2處規(guī)模較大高嶺土礦體，分別為太平寺K1礦體、爛馬沖K3礦體。賦存于NS、NNE向斷裂及背斜核部，產(chǎn)狀基本與斷裂、背斜核部裂隙基本一致，呈脈狀、似透鏡狀，規(guī)模為中、小型。

太平寺K1礦體賦存于太平寺背斜核部附近裂隙中，呈脈狀產(chǎn)出，總體形態(tài)受核部裂隙控制，局部地段發(fā)生變形扭曲現(xiàn)象，產(chǎn)狀總體傾向300°，傾角65°。礦體長1 320m，寬約45～63m，延深10～40m，圍巖為泥盆系、石炭系泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、頁巖等，與圍巖界線清晰，表現(xiàn)為侵入后的構(gòu)造平行化。

爛馬沖K3礦體賦存于南東部爛馬沖斷裂內(nèi)，礦體基本露于地表，呈脈狀、透鏡狀產(chǎn)出，形態(tài)受斷裂控制，走向總體呈南北向，向北發(fā)生扭曲偏轉(zhuǎn)為北北西向，傾角70°。礦體長1 480m，寬約150～385m，延深25～50m，圍巖主要為泥盆系泥質(zhì)粉砂巖，靠近礦體巖石蝕變嚴重，硅化強烈。

3.2 礦石特征

(1)礦物組成。

原巖風(fēng)化后形成高嶺土，主要由高嶺土礦物(含量約85%)及少量原巖礦物(主要為石英，約15%)組成；高嶺土礦石礦物成分主要高嶺石族礦物為主，另含有石英及少量的黏土類礦物、云母類等。高嶺石族礦物有高嶺石、埃洛石等，黏土類礦物有蒙脫石、伊利石等，均屬層狀硅酸鹽礦物。其中以高嶺石和埃洛石為主。外觀呈白色，礦石結(jié)構(gòu)疏松易碎，水解后有一定的崩解性，略具膨脹，且易分散[3]。接近地表淺部風(fēng)化作用強烈，礦石多成土狀、土塊狀，隨著深度增加，風(fēng)化作用逐漸減弱，深部主要以塊狀構(gòu)造礦石為主。高嶺土礦石呈灰白色、土黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、風(fēng)化殘余、殘留花崗結(jié)構(gòu)，土塊狀、塊狀構(gòu)造(圖2)。

(2)化學(xué)成分。

根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果(表1)，礦石中化學(xué)成分SiO2含量70.69%、Al2O3含量14.93%、Fe2O3含量0.88%、TiO2含量0.01%、K2O+Na2O含量4.85%。由分析結(jié)果可見有益組分Al2O3含量平均14.93%；有害組分Fe2O3+ TiO2含量0.89%，低于工業(yè)指標(biāo)要求(＜2.0%)，表明區(qū)內(nèi)高嶺土礦石品質(zhì)良好。

表1 礦石化學(xué)分析結(jié)果 (單位：%)

(3)礦石物理性能。

區(qū)域內(nèi)高嶺土礦石白度平均值為57.80。礦石的不同粒度范圍占比：粒度＞0.075mm的平均占比為12.3%，粒度在0.075～0.043mm范圍的平均占比為18.4%，粒度在0.043～0.01mm范圍的平均占比為40.8%，粒度在0.01～0.005mm范圍的平均占比為22.2%，粒度在0.005～0.002mm范圍的平均占比為5.0%，粒度＜0.002mm的平均占比為1.3%。淘洗率平均為28%。物理性能測試結(jié)果表明區(qū)域內(nèi)高嶺土礦石礦物粒度主要集中在0.005～0.075mm之間，礦物粒度較細；白度品質(zhì)一般，可能受黑云母及圍巖、表土鐵泥質(zhì)浸染有關(guān)。

礦石天然含水率平均為10.60%，液限值平均值為33.62%，塑限值平均值為23.39，塑形指數(shù)平均值為10.23，表明高嶺土礦石工業(yè)類型為軟質(zhì)高嶺土。

區(qū)內(nèi)高嶺土礦物形貌由大小不等顆粒組成，顆粒主要由呈片、薄層狀組成，也有少量管狀存在(圖3)[4]。X射線衍射圖譜顯示(圖4)，脈中高嶺石2θ在19°～25°間具分辨清晰的峰值，峰形狹窄且尖銳對稱，說明其為結(jié)晶度較好的礦物。

圖3 礦石掃描電鏡照片

圖4 礦石X-射線衍射圖

4 成因分析

風(fēng)化殘積型高嶺土礦床成礦需經(jīng)內(nèi)生巖漿作用期和表生風(fēng)化成礦期兩個重要階段。

內(nèi)生巖漿作用期，區(qū)域構(gòu)造運動強烈，尤其是燕山晚期為區(qū)域造山伸展環(huán)境，張性斷裂發(fā)育，深部熱液沿通道上位形成花崗質(zhì)巖漿，巖漿經(jīng)分異自交代等作用形成富鋁花崗質(zhì)巖漿[5]，為成礦提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

表生風(fēng)化成礦作用期，強烈的構(gòu)造活動致使花崗巖體及其圍巖巖石碎裂并使花崗巖體裸露地表。其所處氣候地形條件加強了表生風(fēng)化作用的進行，巖石中等有害組分流失，形成目前發(fā)現(xiàn)的高嶺土礦床[6]。礦床成礦條件分析如下。

(1)物質(zhì)來源：風(fēng)化型高嶺土礦床主要由鋁硅酸鹽礦物組成的巖石經(jīng)過長期風(fēng)化作用所形成的，高湖地區(qū)出露花崗巖屬燕山晚期侵入的細中粒花崗巖脈，為巖漿后期產(chǎn)物，分異作用較為充分，富含鋁硅酸鹽礦物[7]，為礦床的形成提供了物質(zhì)來源。

(2)構(gòu)造條件：區(qū)域NS-NNW向斷裂及褶皺發(fā)育所引發(fā)的巖層虛脫空間及裂隙，成為巖體上升的通道及空間。區(qū)內(nèi)晚期構(gòu)造運動使原已成巖的巖體破碎[8]；同時后期斷裂活動形成的次級裂隙加速了地下水的流動效率，并使巖體接受長期的淋濾，雜質(zhì)礦物流失從而成礦[9]。

(3)風(fēng)化條件：在表生風(fēng)化成礦作用期，巖石風(fēng)化分為早、晚期兩個風(fēng)化階段。早期階段水中的H+離子置換巖石中的離子，難溶解的離子富集，鋁硅酸鹽礦物風(fēng)化成高嶺石等黏土類礦物，由于其溶解性差而原地殘積；晚期階段為高嶺石類黏土礦物在濕潤多雨的氣候條件下，F(xiàn)e2O3、TiO2等不斷從礦物中游離出，最終形成富鋁的高嶺土礦床[10]。

5 結(jié)論

(1)高湖一帶高嶺土礦由花崗巖脈風(fēng)化轉(zhuǎn)變而成。高嶺土礦石自然類型主要被劃分為砂質(zhì)高嶺土、軟質(zhì)高嶺土、硬質(zhì)高嶺土以及其他類型高嶺土[11-12]。根據(jù)工業(yè)類型劃分，該區(qū)高嶺土礦屬軟質(zhì)高嶺土。

(2)區(qū)內(nèi)高嶺土礦床類型為風(fēng)化殘積型，礦體賦存于NS、NNE向構(gòu)造帶內(nèi)，形態(tài)受構(gòu)造影響，深部延伸可達數(shù)十米，礦床規(guī)模以中小型為主，呈脈狀、透鏡狀。礦體與圍巖界線清晰，圍巖為石炭系、泥盆系沉積巖系。其中爛馬沖、太平寺礦床地質(zhì)特征具有代表性，為周邊區(qū)域?qū)ふ彝惛邘X土礦床提供參考。

(3)區(qū)內(nèi)高嶺土礦床控礦因素以斷裂、褶皺核部裂隙為主，燕山晚期花崗巖脈為成礦提供物質(zhì)來源，后期裂隙和氣候地形等因素提供表生風(fēng)化作用，加強了由向高嶺石類礦物轉(zhuǎn)變的成礦作用從而富集成礦。