焦作地區粘土礦成礦地質特征研究

段世輕，魏 磊

（河南省地質礦產勘查開發局第二地質礦產調查院，河南鄭州450001）

耐火粘土是我國的優勢資源，是多種礦物的混合物，具有較高的耐火度，在高溫條件下能保持體積的穩定性，并具有抗渣性、對急冷急熱的抵抗性，以及一定的機械強度，經煅燒后異常堅硬。耐火粘土依其理化性質和礦石特征，廣泛應用于冶金、建材、研磨、化工和陶瓷等行業。我單位在焦作地區為企業找尋了大量耐火粘土，保障了當地耐火粘土企業的生產，為國家建設做出了應有的貢獻。借鑒前人工作成果對這一帶粘土礦成礦地質特征進行歸納研究、探討，為該地區粘土礦找礦提供指導意義。

焦作地區位于華北地臺區，太行山臺拱與華北坳陷的接壤地帶，地層沉積具“華北型”地質特征[1]，區域構造屬新華夏系華北坳陷之太行山隆起，區域沉積礦產較為豐富，主要礦種有煤礦、耐火粘土礦、鋁土礦、硫鐵礦、“山西式”鐵礦、石灰巖及白云巖等礦產，其中耐火粘土礦和煤礦為區域內的主要優勢礦產，全國聞名。

1 含礦巖系及成礦性

1.1 含礦巖系

石炭系本溪組為區內耐火粘土礦含礦巖系，下伏于區內中部二疊系和石炭系太原組，平行不整合于奧陶系白云巖之上。本溪組巖層呈單斜形態，總體傾向南東，傾角一般0°～15°，產狀較平緩，層厚6.24～21.81m，平均厚度14.59m。沁陽常平粘土礦層厚大約20m，到焦作西江嶺一帶層厚約14m，至焦作東寺嶺層厚變薄，大約11m左右；含礦巖系由西向東，厚度由厚變薄（見圖1）。

1.2 含礦性

圖1 含礦巖系厚度變化示意圖

本溪組為粘土礦的含礦巖系，分為三個巖性層。

下部粘土巖：底部粘土質頁巖、中部綠泥石巖、上部粘土質綠泥石巖。下礦層位于粘土質頁巖中，單孔見礦，不具工業價值；

中部鋁土質粘土巖：粘土巖或鋁質粘土礦、鐵礬土，中礦層位于粘土巖中，具工業價值；

上部粘土質砂質頁巖：底部為粘土質頁巖、砂質頁巖、炭質頁巖，中部粘土質綠泥石巖，上部粘土質頁巖或雜色粘土巖上。上礦層位于粘土質頁巖中，局部具工業價值。

根據鉆孔揭露，含礦巖系的完整度影響到三個礦層發育齊全的程度；同時，含礦巖系的厚度決定著礦層的總厚度，兩者呈明顯的正比關系[1]（見圖2）。

該含礦巖系厚度與下伏奧陶系古地形關系密切，厚度變化大，一般在古風化面低凹處沉積厚度大，隆起處厚度薄，一般厚15～20m。總的趨勢是沿走向西薄東厚，其間有兩個厚度較大的地段，焦作市及以東的上劉莊一帶，含礦巖系厚22～30m。在傾向上、北薄南厚。一般含礦巖系厚度增大，礦層亦變厚，但含礦巖系厚度太大對成礦亦不利，當含礦巖系的巖性以粘土巖—鐵質粘土巖為主時，礦層較厚，而當鐵礦、黃鐵礦、砂巖、炭質頁巖，煤層發育時，粘土礦薄或尖滅。

圖2 含礦巖系厚度與礦層總厚度曲線圖

2 礦體地質特征

本區粘土礦上、下礦層呈透鏡狀，小而分散，以軟質粘土礦Ⅱ級為主；中層礦沿走向、傾向延伸分布穩定，以高鋁、硬質粘土礦為主，礦體規模簡單，呈層狀分布。

2.1 礦石質量特征

2.1.1 礦石結構構造

礦石結構主要為泥質結構，次為鮞狀結構、豆狀結構、顯微鱗片結構和粒狀結構。礦石構造以塊狀構造為主，部分為層狀構造、土狀構造，少量微層狀構造。

2.1.2 礦石類型

按結構、構造可分為五種礦石自然類型：

致密塊狀礦石：為區內主要礦石類型，質量最佳，硬質粘土礦中最為常見，高鋁粘土礦中亦可見到。

豆鮞狀礦石：僅零星分布，為高鋁粘土礦的主要礦石類型，硬質、軟質粘土礦中少見。

松軟土狀礦石：軟質粘土礦的主要類型之一。

碎屑狀礦石：僅在區內零星分布，多見于高鋁粘土礦中。

頁片狀或薄層狀礦石：軟質粘土礦中較為常見。礦石工業類型按耐火材料工業部門對礦石的利用程度可劃分為：

高鋁粘土礦：Al2O3＞50%，其余指標符合工業要求。

硬質粘土礦：Al2O3在30%～50%之間，其余指標符合工業要求者。

軟質粘土礦：Al2O3在22%～30%之間，其余指標符合工業要求者。

2.2 礦石礦物成分

高鋁粘土礦石:深灰色、灰色，參差狀斷口，堅硬，泥質—顯微晶質結構，豆—鮞狀構造。礦物成分主要由一水硬鋁石、葉臘石組成，雜質礦物為褐鐵礦、黃鐵礦、電氣石、金紅石、鋯英石、高嶺石、石英和方解石等。

硬質粘土礦石：深灰—淺灰色，質硬稍具滑感，部分具貝殼狀斷口，少部分含植物化石，泥質結構，塊狀構造。礦物成分以葉臘石、一水硬鋁石為主，其次為水白云母、方解石、褐鐵礦、石英、金紅石等。

軟質粘土礦石：白色、灰白色，質軟染指具滑感，遇水可呈膠泥狀，泥質結構，塊狀構造。礦物成分主要為高嶺石、白云母，其次為電氣石、金紅石、赤鐵礦、褐鐵礦等[2]。

2.3 礦石化學成份

礦石化學成份主要由Al2O3、TiO2、Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等組成。其中，Al2O3、TiO2為礦石有益組分,Al2O3含量在24%～60%，TiO2含量在1.46%～2.26%之間。Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O等為有害組分。礦石主要組分變化情況如圖3所示。

Al2O3：為礦石最重要的有益組分，其含量高低是劃分礦石類型和品級的主要依據，同時也決定著礦石的物理性能。在空間上，上層礦Al2O3含量一般在23.91%～30.05%之間，故上層礦為軟質粘土礦。下層礦含量在36.03%～60.14%之間，故以硬質粘土礦為主，次為高鋁粘土礦石。在下層礦中部，Al2O3含量高于礦層的頂部和底部，所以中間常夾高鋁粘土礦石，底部和頂部為硬質粘土礦。從整個含礦巖系來看，由下而上Al2O3含量由高變低，其主要賦存于水鋁石、高嶺石、葉臘石、水云母等礦物中。Al2O3與Fe2O3、SiO2、CaO、TiO2、R2O（K2O、Na2O）變化關系見圖4。

TiO2：含量一般在1.46%～2.26%之間，主要賦存于金紅石等礦物中，含量不高，為礦石有益組分。

Fe2O3：含量一般在0.80%～3.38%之間，主要賦存于褐鐵礦、黃鐵礦、赤鐵礦等礦物中。褐鐵礦主要呈薄膜狀集中分布于礦石節理裂隙中，亦有少量呈似鮞粒狀散布于礦石中，為礦石主要有害組分。部分粘土礦石僅因其含量高而被列入鐵礬土。從圖5中可以看出，在Al2O3+TiO2含量基本接近的情況下，Fe2O3含量低者，礦石耐火度高；Fe2O3含量高者，礦石耐火度低。

CaO：含量一般在0.80%～3.38%之間，主要賦存于微粒狀方解石和淋濾在礦石節理裂隙面上的碳酸鹽類礦物中，為高鋁粘土礦石的有害組分之一。在礦區由于其含量低，對礦石的影響不大，僅有極個別樣品因其含量稍高而被劃入鐵礬土中。

K2O:含量在0.26%～2.17%之間，主要賦存于云母類礦物中，其含量會降低礦石耐火度，為礦石的有害雜質。其含量與Al2O3含量成反比關系。故軟質粘土礦中K2O含量高于高鋁粘土礦石中的含量。

Na2O:含量一般在0.06%～0.18%之間。為礦石有害組分，由于含量低，對礦石影響不大。

SiO2：含量一般在24.95%～56.04%之間。賦存于石英和硅酸鹽礦物中。礦石中SiO2與Al2O3在含量上成高低相對負相關關系。SiO2含量高時則Al2O3含量低，反之亦然。

燒失量（L0SS）：軟質粘土礦石含量在8.29%～12.41%之間；硬質粘土礦石含量在10.91%～13.91%之間；高鋁粘土礦石在13.54%～14.43%之間。其與Al2O3含量成同升同降的正相關關系。

Li2O:是粘土礦石中伴生的主要稀有金屬，含量一般在0.1%以上，最高達1.068%。其賦存狀態尚未清楚。在粘土礦層中鋰極為富集。粘土礦有上下兩層含礦層位，以下層礦為主。鋰也分上下兩個含礦層位，亦以下層礦中含鋰最為豐富[2]。

2.4 礦石品級

本區粘土礦石按礦石理化性能可劃分為四類十三級[2]，詳述如下：

（1）高鋁粘土礦石，分三級：高鋁Ⅱ甲級品（GⅡ甲）、高鋁高鋁Ⅱ乙級品（GⅡ乙）、高鋁Ⅲ級品（GⅢ）。

（2）硬質粘土礦石，分四級：硬質特級品（YO）、硬質Ⅰ級品（YⅠ）、硬質Ⅱ級品(YⅡ)、硬質Ⅲ級品（YⅢ）。

（3）軟質粘土礦石，分三級：軟質Ⅰ級品（RⅠ）、軟質Ⅱ級品(RⅡ)、軟質Ⅲ級品(RⅢ)。

（4）鐵礬土礦石，分三級：鐵礬土Ⅰ級品（TⅠ）、鐵礬土Ⅱ級品(TⅡ)、鐵礬土Ⅲ級品(TⅢ)。

3 礦床成因

本區粘土礦位于華北地臺，為古陸邊緣地帶，奧陶系經受漫長的歷史時期的風化剝蝕作用，形成準平原巖溶地形，為沉積粘土礦提供了沉淀場所；礦體賦存層位位于中石炭系地層中下部，由下往上沉積層序：中奧陶系灰巖（侵蝕面）→鐵鋁硅酸鹽→高鋁粘土礦→粘土質巖石→上石炭系石英砂巖或燧石灰巖，為海進沉積層序。礦石為致密塊狀、豆、鮞狀礦石主要為葉蠟石及一水硬鋁石。綜上所述，本區高鋁粘土礦、硬質粘土礦的形成過程為：在中奧陶系以后，由于地殼上升，海水退出地面形成陸地，奧陶系灰巖經受長時期的風化剝蝕作用，是奧陶系石灰巖形成準平原巖溶地形。到中石炭系時期，地殼下降，海水慢慢浸入準平原內，由于海水的浸入，鐵、鋁物質成為膠體進入海水中，經較短距離搬運，在奧陶系侵蝕面上，各種元素按著化學特征先后沉積，其中鐵在氧化電位高，pH值＜2.3時沉淀，鋁在氧化電位較低，pH值=4.1時，使鋁膠體凝結成膠狀水化物（水鋁石）在近海岸線沉淀下來，形成粘土礦層[3]。

4 找礦標志

（1）地層標志：耐火粘土礦賦存在石炭系本溪組地層中，層控明顯，地層是最為明顯的標志。

（2）巖性標志：礦體產出受鐵質粘土巖、粘土巖控制。鐵質粘土巖、粘土巖厚度于粘土礦厚度呈正相關關系，當含碎屑物質多時，則形不成粘土礦；當炭質增加時，粘土礦變薄或無礦，說明沼澤相的沉積環境對粘土礦形成是不利的。

（3）地貌特征：含礦巖系地層主要分布在低山丘陵區，中高山區含礦巖系遭受強烈的風化剝蝕保留不住，而在低山丘陵區風化剝蝕作用相對減弱，加之上石炭統石灰巖的保護，含礦巖系多殘留在平緩的山頂至山底的坡上。山前平原則屬下降沉積區，含礦巖系深埋地下，必須借助其他找礦手段才能找到。

5 結論

本溪組粘土礦、鋁土礦都屬風化殼性沉積礦床，受古風化殼沉積古地理環境影響較大，礦石厚度、品位等質量特征變化較大，硬質粘土礦、軟質粘土礦的界定在地質勘查中一定要嚴格采樣要求、仔細劃分，鋁土礦在本溪組中分布為中下層。總體來說，沉積層控特征明顯，便于開展地質勘查找礦工作。