河北省含鉀頁巖礦資源現狀及應用研究分析

許新成

（河北省地礦局第三地質大隊）

河北省具有豐富的含鉀頁巖礦產資源，且含鉀頁巖礦產資源的開發利用具有良好的社會經濟價值，有著極其廣泛的開發利用前景。根據河北省地礦局第三地質大隊提供的資料，在該地區發現了大量可被開發利用的含鉀頁巖石礦。近年來，由于此類含鉀頁巖礦的科技創新成果更加貼近市場需求，使其成為國人關注的新型產業化經濟增長點。

1 資源概況

1.1 含鉀巖層的賦存層位

從含鉀巖層分布及賦存層位來看，冀西北的張家口市范圍含鉀頁巖層主要賦存于長城系串嶺溝組二、三段，冀東長城系大紅峪組頁巖K2O含量較低，一般3%左右，局部地段為含鉀頁巖層。串嶺溝組局部地段為含鉀頁巖層［1］。冀西南涉縣一帶含鉀頁巖層賦存于長城系大紅峪組，含鉀巖石主要為頁巖、黏土質頁巖及少量細砂巖。

1.2 資源儲存規模

1.2.1賦存層位

礦區只有一層含鉀頁巖礦層，位于“宣龍式”赤鐵礦層之上，與鐵礦層相伴隨，產狀一致。鐵礦已進行詳細勘探，鐵礦層是含鉀頁巖的間接找礦標志。含鉀頁巖賦存于長城系串嶺溝組二段第一、二層黑色頁巖及綠色頁巖中，前者為下礦層，后者為上礦層，二者之間無夾層（夾石）。

1.2.2分布及規模

含鉀頁巖呈南西西—北東東向分布于礦區偏北部，西起花家梁，東至沙子地，長達5 km以上。西端礦層厚度由于受斷層及花崗巖體影響稍薄，為20～24 m，中部及東部較厚，為28～29 m［2］。礦層連續穩定，但中部被第四系覆蓋。

1.2.3礦石結構構造

礦石類型以黑色頁巖（下礦層）及綠色頁巖（上礦層）為主，此外有少量砂質頁巖和泥板巖分布于礦層頂、底部，礦區西端出現黑云鉀長角巖類型。礦石中含鉀礦物主要是伊利石，次為海綠石和鉀長石。伊利石呈細鱗片狀均勻分布，海綠石與其共生，鉀長石呈重結晶或碎屑狀，礦石以泥質和顯微鱗片變晶結構為主，重結晶礦物顆粒約0.05 mm，碎屑礦物粒徑0.10～0.05 mm，呈滾圓、半滾圓狀。黑色頁巖為頁片狀構造，綠色頁巖以頁片狀、薄板狀及塊狀構造為主。

1.2.4礦石成分

礦石礦物成分經差熱分析，主要為伊利石，含極少量針鐵礦和方解石；鏡下觀察含少量石英及鉀長石。礦石化學成分平均含量K2O為10.25%、Si O2為58.21%、Al2O3為18.00%、TiO2為4.48%、MgO為1.41%，其中除Al2O3含量偏高外，其他成分均符合工業要求。

K2O含量為8.11%～13.57%，塊段平均含量為10.65%～11.85%，礦體平均含量為10.25%，綠色頁巖含量比黑色頁巖稍高［3］。

1.3 礦層特點

1.3.1地層

各省各時代地層發育完整，未整合的海相寒武系—上元古界寒武系和奧陶系中—上元—褶皺基底，未整合覆蓋有輕微變質作用的海相寒武系。晚奧陶世開始到中石炭世之前，沉積普遍缺失。在中石炭世和二疊紀，海陸交開始形成向陸相沉積。中上元古界長城系下一層富于淺海—濱海沉積巖（以砂、頁巖為主）的含鉀巖石（主要為砂質、頁巖）沉積，形成了較多的中、新生代盆地型陸相沉積巖系［4］。

1.3.2構造

（1）基底形成階段。遷西旋回—陸核初始期（早—中太古代），阜平旋回—陸核增生期（晚太古代早期），五臺旋回—裂谷發生期（晚太古代晚期），呂梁旋回—裂谷發展（早元古代）。

（2）斷裂構造。山西大陸體的斷裂構造十分發育，自太古代末期至中生代以來，構造活動頻繁，早期活動多集中于近東西向，在北緯40°～42°，有多次長期變化。從呂梁以后，尤其是燕山運動以來，主要表現為北東向、北西向與近南北向次之。

深部斷裂是指在長達幾百公里的空間上，通過切割穿過硅鋁層進入硅鎂層或上地幔而形成的多活動性斷裂。省內有10條深斷裂，主要的有6條：①康保—圍場深斷裂為河北省境內的中朝準地臺與北側內蒙—大興安嶺褶皺系的分界線，大致沿北緯42°線通過河北省北部邊緣；由于行政區界限，區內被分隔成東西2段，總體呈東西向分布。②豐寧—隆化深斷裂帶北支在內蒙地軸南緣斷裂，西段由豐寧向西南折向赤城、尚義—赤城—平泉深斷裂，東至自豐寧城南折向北，經隆化、平泉山延至遼寧境內；平面上呈向北微凸的弧形，近東西向分布，省內延長約210km。③大廟—娘娘廟深斷裂位于豐寧—隆化深斷裂南側，兩者近平行分布相距20 km。④尚義—赤城—平泉深斷裂斷層橫貫河北省北部中部，西起尚義，經赤城、古北口、承德至平泉，全長約450 km，兩端分別向內蒙、遼寧三省，總體走向近東西；它是內蒙地軸與燕山臺褶帶的分界面，是省內最為重要的控礦、成礦深斷裂帶。⑤上黃旗—烏龍溝深斷裂自太行山北段的淶源烏龍溝至承德豐寧上黃旗，省內延長450 km，總體走向北25°東。⑥紫荊關—靈山深斷裂北起淶水縣嶺南臺，經易縣紫荊關至曲陽靈山，延長約280 km，總體走向北20°～30°東。以上⑤、⑥兩深斷裂屬太行山深斷裂的西帶—紫荊關深斷裂帶，前者稱北支，后者稱南支。

1.3.3巖漿巖

河北省巖漿活動十分強烈，分布廣泛，尤其是中生代的巖漿活動更是我國重要的代表地區之一。全省侵入巖和火山巖分布面積分別為17 464 km2和24 000 km2，合計占全省基巖總面積的38%［5］。巖漿活動始于太古代，直至第四紀仍有玄武巖漿活動。含鉀頁巖礦的形成與巖漿活動無關。

2 市場前景

這種非水溶性含鉀巖礦床不能有效開發利用，其主要是由于科技支撐不足，開發利用困難。我國鉀資源匱乏，鉀鹽產品嚴重短缺。鉀是農業中三大基本肥料之一，鉀肥用量過少會影響作物對氮、磷的吸收，使產量下降。然而，我國農業中長期存在嚴重的氮、磷、鉀肥配比失調，利用率不到世界平均水平的一半，嚴重缺鉀已成為我國農業生產向優質、高產、高效發展的關鍵因素之一。因此補鉀是一項長期而緊迫的工作，而我國水溶性鉀鹽資源奇缺，鉀肥和其他鉀礦產品主要依靠進口。據統計，1990—1998年我國鉀肥進口量已達3 300萬t，2010年我國的需求量將達到680萬t，2020年將達到740萬t［6］。

我國水溶性鉀鹽礦床資源奇缺，但非水溶性含鉀巖礦資源十分豐富，以鉀巖礦代替是一條有效解決途徑。鉀元素不含水溶性鉀巖，必須通過物理或化學方法處理，使鉀元素發生活化、轉化才能利用。20世紀50年代以來，國內許多研究單位對細菌分解、二磨一燒等非水溶性鉀礦的開發利用技術進行了探索，但產品成本高，鉀回收率低，雜質多，質量差，氯化鉀含量不到40%，很難大批量工業化生產。

3 含鉀頁巖礦資源應用研究概況

世界范圍內的鉀礦礦產資源分為2類，一類為可溶性礦物，主要由KCL與CAS組成，常見礦物質主要有鹵石、鉀石鹽等，且多為可溶解礦物質，其加工工藝簡單，生產成本低；另一類為含鉀難溶性礦物，該類礦產較為復雜，分布較廣，不易加工且成本高。

目前，我國可溶性鉀鹽資源嚴重不足，每年需求量的90%從國外進口，加重了國家的經濟負擔。但我國非水溶性鉀礦資源豐富，全國資源總量超過200億t。由于缺乏經濟和技術上可行的工藝，這種資源目前不能得到開發。因此，能有效、清潔地利用非水溶性鉀礦資源，對于緩解我國鉀鹽資源短缺的狀況，保障國家經濟發展的戰略安全，建設現代化農業具有重要意義。

3.1 國外非可溶性鉀的應用研究

3.1.1國外研究現狀

國外工業發達國家如加拿大、美國、法國、德國、俄羅斯等，可溶性鉀鹽資源豐富，主要利用可溶性鉀鹽生產鉀肥，不僅生產成本低，加工工藝簡單，而且產量大，質量優，是出口創匯的優勢產品，但這些國家利用非可溶性鉀礦制取鉀肥的研究開展相對較少。發展中國家對于鉀肥的需求較大，主要是因為國家缺少鉀肥，因此這些國家為緩解資源短缺局面，逐漸對含鉀巖石展開了研究探索。

3.1.2國外主要研究成果

美、法、日、前蘇聯等曾試用海綠石作肥料取得了明顯效果。前蘇聯在上世紀60—70年代用海綠石粉展開試驗，其結果可促進谷物生長提升谷物、蔬菜、棉花產量，同時還能提升農作物的抗病能力，自此以后，前蘇聯通過研究海綠石與頁巖結合而改善土壤的方式，取得了良好進展。上世經50年代開始至今，日本利用粗面巖中的鉀長石提鉀，只初步形成了鉀長石生產鉀肥的趨勢。然而到目前為止，未見有工業生產制造鉀肥的成熟工藝報道［7］。蘇聯具有豐富的可溶性鉀資源，但缺乏較好的鋁土礦，因而蘇聯對不溶解性硅酸鹽礦物研究利用的目的在于提鋁，而鉀鹽或鉀肥僅作為副產品回收，主要開發利用本國的霞石正長巖。截止目前，還未見工業生產上用化學法直接用不溶性含鉀巖石制造鉀肥的成熟工藝報道。

3.2 國內非可溶性鉀的應用研究

3.2.1含鉀巖石利用研究現狀

我國從50年代末就開始了應用含鉀巖提鉀的研究，但成果和進展均不明顯。非水溶性鉀鹽資源尚未實現工業化，其主要原因是綜合利用程度低，經濟上不可行，有些工藝存在設備易腐蝕，投資大，設備折舊費及成本高的缺點，雖然工藝上可行，但由于設備等原因不可行。十多年來，人們對非可溶性鉀巖的研究和開發日益受到重視，對含鉀巖浸出鉀的綜合利用研究正在進行或已列入計劃［8-9］。

3.2.2含鉀巖石利用研究方法

目前，國內對非可溶性含鉀巖石的研究利用方法有4種途徑。

（1）煅燒法或燒結法。該方法的相關研究較多，大多數是對含鉀巖石在高溫基礎下進行鍛煉，使相關結構快速被破壞，同時與其他元素相結合，從而實現鉀的冶煉。其中，以堿熔法為主，以堿石灰燒結—堿浸工藝為主，在溫度1 250℃、時間120 min、鈣硅比2.0、堿比1.0、加入一定量CaF2焙燒后，可得到適于作硅肥使用的浸出渣，浸出液浸出率達69.44%，所得到的浸出渣中的有效SiO2含量為28.40%，有效CaO含量為51.09%，達到國家農業部硅肥行業標準（NY/T797—2004）。

（2）水熱化學法。該法主要使用酸堿物質，使含鉀巖石逐漸溶于相關溶液中，并達到鉀離子溶解的目的，通過使含鉀巖石與酸類化學物質產生反應釋放出巖石中的大部分鉀，但堿法工藝研究甚少。根據國外報道，溫度達到200℃時，氫氧化鉀溶液與頁巖發生反應，使鉀離子不會被水溶解，從而制成長期有效的鉀鹽。

（3）揮發法。長期以來我國一直致力于水泥窯灰的利用，其中水泥窯灰制取鉀肥在我國的應用曾處于重要地位，并取得了良好的研究成果。用水泥窯回收鉀是一種比較實用和經濟的方法，其不影響水泥品質且效果顯著。該技術既支撐農業生產，又具有開發利用凈化煙氣，消除和減少環境污染的良好前景。

（4）微生物分解法。一些能夠分解鉀的微生物（例如膠質芽孢桿粉）可以將含鉀巖中的非可溶性鉀轉化為可溶性鉀，植物可以直接吸收和利用。通過核幅射誘變篩選，生物法將膠質芽胞桿菌K-907作為誘變激活劑，含有鉀質巖石的結構鉀轉化為水溶性鉀，將鉀、磷等微量元素分解為營養素、氮素外釋放作物生長激素，促進作物育種。整地施肥能減少氯化鉀的施用，說明活化后的含鉀肥可吸收磷、鉀，提高作物產量。巖漿活化后含鉀巖的特征可以避免作物后期鉀供應不足，并能彌補作物早期鉀供應不足，提高作物抗病性。

3.2.3含鉀砂頁石利用研究進展

上述介紹的含鉀巖石提取鉀方法大都是利用鉀長石提取鉀，而該調查主要針對含鉀頁巖，其主要成分為伊利石。目前國內含鉀砂頁巖資源地開發利用尚未產業化，仍處于試驗或開發性論證階段，利用研究具體如下。

（1）原建工部建材科學研究院采用龐家堡含鉀頁巖加石灰巖、砂巖作原料，生產水泥和鉀肥，鉀肥中K2O含量在20%以上。生產的水泥熟料大約25 t可產鉀肥1 t。

（2）近年來，北京市琉璃河水泥廠用長城系含鉀頁巖作水泥配料，在1 300～1 500℃高溫下，回收窯灰鉀肥。回收的鉀肥主要成分為硫酸鉀、碳酸鉀，其次為硅鋁酸鉀，折成氧化鉀（K2O）含量可達75%。

（3）貴州遠盛鉀業科技有限公司采用山東科技大學低溫催化法生產工藝，利用銅仁地區含鉀頁巖（K2O達8.9%，最高達9.9%）制取鉀肥，預計一期項目建成后，將年產硫酸銨鉀2萬t，白炭黑1.4萬t，氫氧化鋁0.5萬t，年產值達1億元以上。

（4）唐山市化工研究所曾用石膏法進行試驗，用含鉀頁巖加石灰石、石膏，三者比例為1∶1∶0.5，獲得的化肥成品（化學成分為K2SO4）質量較純，含K2O高達45%～50%，折成硫酸鉀為83.25%～93%，工藝操作簡單，雜質不需分離即可作肥料使用，其優點是提取率高，不足之處是殘渣太多，導致成本較高。

4 結語

（1）在完成對河北省區域調查和重點礦區勘查的基礎上，進一步了解了含鉀頁巖礦的賦礦層位，對河北省長城系下部地層中含鉀巖石的遠景資源量進行了預測，為進一步開展地質普查找礦及開發利用提供了參考依據。

（2）對河北省的含鉀頁巖礦劃分出1個A級和2個B級成礦遠景區，即冀西北A級成礦遠景區、冀東平泉B級成礦遠景區、冀西南涉縣B級成礦遠景區。全省預測含鉀頁巖礦334遠景資源量11.01億t，其中冀西北2.29億t，平均品位8.10%；冀東平泉0.32億t，平均品位7.26%；冀西南涉縣8.40億t，平均品位9.40%。