烏蘭茶晶石礦物資源工程研究

陳小平 王玉臣

（內(nèi)蒙古華宸再生資源科技有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013350）

烏蘭茶晶名稱是以礦床坐落于內(nèi)蒙古烏蘭察布市化德縣境內(nèi)，礦物主體有斜長石、微斜長石透明結(jié)晶體茶色水晶片狀黑云母，以地域名稱和礦物中的茶色水晶相結(jié)合，因此取名為烏蘭茶晶石。

目前為止，我國的花崗巖種類中還沒有一個能用于高檔精品日用瓷、衛(wèi)生瓷、建筑瓷、土壤調(diào)理礦肥。由于該礦富集了稀土元素，稀有輕金屬元素，硒元素等多種用途的礦床。經(jīng)廣東省科學技術(shù)情報研究所，2020年6月8日國內(nèi)查新，國際查新一百年尚未有“烏蘭茶晶石”新材料的有關文獻報導。

據(jù)我國有關資料報導，中國已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)173種，已探明有一定儲量的礦產(chǎn)159種，其中非金屬礦產(chǎn)91種。

21世紀20年代，也是我國高新技術(shù)發(fā)展的年代，在偉晶花崗巖家族中，烏蘭茶晶石元素成分組合，不僅有常規(guī)Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti元素，而且富含15種微量稀土元素、稀有輕金屬元素，以及其他微量元素，共計六十余種，推動我國的非金屬礦材料學科應用。

1 烏蘭茶晶石礦成因及特征

烏蘭茶晶石礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市化德縣長順鎮(zhèn)境內(nèi)，其地理坐標為（2000 國家大地坐標系）東經(jīng)：113°56′ 45″ -113°57′ 23″，北緯：41°52′ 36″ -41°52′ 56″。

1.1 烏蘭茶晶石礦區(qū)地質(zhì)背景及成礦分析

烏蘭茶晶石巖漿類型有3種：1）侵入巖。區(qū)內(nèi)侵入巖比較發(fā)育，成巖時代為二疊紀、三疊紀、白堊紀，以二疊紀、三疊紀巖體分布最廣泛。巖石類型多樣復雜，有中性巖、酸性巖，以酸性巖類為主。2）脈巖。區(qū)域內(nèi)脈巖鉀發(fā)育，從基性巖、中性到酸性均有出露，以酸性脈巖最發(fā)育。區(qū)域性脈巖分布方向受區(qū)域性構(gòu)造裂隙控制，其方向以北東、北西向為主，少數(shù)呈近東西向或南北向；以花崗巖脈為主和少量淺成侵入巖脈成份有關，分布上不僅局限于深成巖體，時間上稍晚于主巖漿期。3）火山巖。區(qū)域內(nèi)火山巖不太發(fā)育，分屬于下二疊紀額里圖組、上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組，區(qū)域內(nèi)少量出露下二疊紀額里圖組。呈北東向帶狀分布。

1.2 烏蘭茶晶石成礦種類條件分析

烏蘭茶晶石成礦種類條件如下：1）區(qū)域?qū)儆谌A北地臺北緣金、銀、銅、鉛、鋅、鉑、鉬、硼、石墨、滑石成礦帶。2）白云鄂博-寶昌元古代燕山期金、銅、鐵、稀土、鎢、銅、鎳、鉑、螢石成礦帶。3）老楊壕-白頭山洼鐵，金，鎢，銅，鎳成礦帶與三合明-伊胡賽鐵，金，鎢成礦帶交匯處。

區(qū)域出露的礦產(chǎn)種類較多，其中金屬礦有鐵、銅、鉛、鋅、金、鎢等，非金屬礦：水晶、螢石、硅藻土、白云母、石灰?guī)r、硅石等。

1.3 烏蘭茶晶石地質(zhì)成礦特征

烏蘭茶晶石地質(zhì)成礦特征如下：1）地層。礦區(qū)內(nèi)地層較為簡單，僅在礦區(qū)南北低谷出露第四系沖洪積砂礫層。2）構(gòu)造。礦區(qū)總體地勢起伏不大，中高南北低，核心區(qū)外圍只有三條 F20、F21、F22 不同方向的斷裂帶，是富集多元素成礦通道。3）侵入巖。區(qū)內(nèi)少量第四紀外，均為三疊紀肉紅色粗粒似斑晶（茶色水晶體和斜長石、微斜長石）磷狀黑云母所形成。

1.4 烏蘭茶晶石礦形成與有益元素成份富集綱要

該礦床屬燕山早期偉晶型花崗巖礦床，礦床的成礦時巖漿作用過程中，由于揮發(fā)性的大量集中，在該組分作用下，使巖漿流行性增大，并具有強大內(nèi)應力的物理化學系統(tǒng)；在地質(zhì)構(gòu)造條件下，形成礦物結(jié)晶粗大的斜長石、微斜長石、石英晶體礦物；礦床巖漿期與巖漿期后礦床中間的過渡產(chǎn)物，富集了稀土元素、稀有輕金屬氧化物，這些微量稀土元素、稀土輕金屬氧化物的產(chǎn)生；由于氣體滲入圍巖，與溶巖液發(fā)生分餾作用，溶液成份則發(fā)生改變，與先生成的礦物發(fā)生交替作用，這時云母、鉀鈉微斜長石、非晶體則由封閉系統(tǒng)改變?yōu)殚_張系統(tǒng)，在交替礦物階段形成的稀土元素、稀有輕金屬氧化物以及其他元素礦物進入氣態(tài)溶液開張系統(tǒng)內(nèi)，國內(nèi)其他地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)有此種礦床的生成條件。

2 烏蘭茶晶石礦礦物理化分析

2.1 烏蘭茶晶石原礦掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope SEM）顯微分析和 X射線衍射（X-ray diffraction XRD）分析

根據(jù)SEM分析和 XRD分析，結(jié)合能量色散光譜儀（Energy Dispersive Spectrometer EDS）元素分析，判定主體礦物由石英、斜長石、微斜長石、鉀長石、云母、非晶態(tài)、少量硬水鋁石和變質(zhì)高嶺巖等礦物組成，與探礦階段我們的初步分析基本吻合，如圖1所示。

圖1 花崗巖的SEM分析

2.2 烏蘭茶晶石原礦理化指標分析

原礦常規(guī)八大元素全分析，見表1；原礦十五種稀土元素分析，見表2；原礦植物營養(yǎng)元素分析，見表3；原礦其他微量元素，見表4；原礦重金屬元素分析，見表5；原礦放射性內(nèi)外照射指數(shù)分析，見表6。

表1 原礦常規(guī)八大元素全分析（單位：%）

表2 原礦15種稀土元素分析（單位：mg/kg）

表3 原礦植物營養(yǎng)元素分析（單位：mg/kg ）

表4 原礦其他微量元素（單位：mg/kg ）

表5 原礦重金屬元素分析

表6 原礦放射性內(nèi)外照射指數(shù)分析

由上述化學成份分析可見，烏蘭茶晶石總體元素已知近60余種，目前為止，還未見任何報道偉晶型花崗巖有如此豐富的元素所存在，所以在今后的研發(fā)過程中應采用不同的科技手段來保護礦體中最具有價值的元素能夠充分利用。

烏蘭茶晶石在骨瓷中的應用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥90%，大腸埃希氏菌≥90%。

烏蘭茶晶石在長石質(zhì)瓷中的應用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥96%，大腸埃希氏菌≥95%。

烏蘭茶晶石在建筑瓷中的應用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥99%，大腸埃希氏菌≥99.99%。

烏蘭茶晶石在衛(wèi)生瓷中的應用、抗菌效果：金黃色葡萄球菌≥92%，大腸埃希氏菌≥99.1%。

3 烏蘭茶晶石礦穩(wěn)定性

原礦烏蘭茶晶石的穩(wěn)定性直接關系到深加工后烏蘭茶晶石的穩(wěn)定性，因此我們在前期探礦的基礎上又重新做了150 m的鉆探分析。黑云母鉀長石花崗巖，孔深39.10m～89.62m，采取率為100%，巖石呈肉紅色，粗粒花崗巖結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分由石英、鉀長石、斜長石、黑云母等組成，黑云母呈鱗片狀，片徑0.3cm左右，含量約5%，鉀長石肉紅色，板狀或粒狀，粒徑1cm～3cm，含量約45%，斜長石呈灰白色板狀，直徑0.5cm～1.5cm，含量約25%；石英，半透明呈不規(guī)則粒狀分布于長石之間，含量約25%。該層在31.6m處，見有長0.4m的中細粒黑云母花崗巖，中細粒花崗巖結(jié)構(gòu)，巖石呈灰白色，較為完整。

黑云母鉀長石花崗巖，孔深150.4m，采取率為98.10%，巖石呈肉紅色，粗粒花崗巖結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分由石英、鉀長石、斜長石、黑云母等組成，黑云母呈鱗片狀，片徑0.3cm左右，含量約5%，鉀長石肉紅色，板狀或粒狀，粒徑1cm～3cm，含量約45%：斜長石呈灰白色板狀，直徑0.5cm～1.5cm，含量約25%；石英，半透明呈不規(guī)則粒狀分布于長石之間，含量約25%。

4 烏蘭茶晶石礦儲量評估

烏蘭茶晶石礦分布16.8km2，經(jīng)地質(zhì)部門在16.8km2范圍內(nèi)分段鉆探取樣深度150m，150m以下未作鉆探取樣，150m×16.8km=25億m，密度為2.677t/m3，此礦儲量為67億t的一個獨立品質(zhì)穩(wěn)定的超大型礦床。

5 烏蘭茶晶石礦現(xiàn)階段研究成果

經(jīng)過專家組評審結(jié)果，這一新材料用于陶瓷工業(yè)，整體達到國際領先水平。

5.1 強度提升的分析結(jié)果

在該項目實施過程中，首先發(fā)現(xiàn)的是烏蘭茶晶石可顯著提高陶瓷材料的強度，對日用瓷而言，強度注重于抗沖擊。根據(jù)測試結(jié)果，中心部位抗沖擊強度在25%比例時提高了一倍以上，邊緣抗沖擊強度提高了兩倍以上。對磚類，抗折強度是關注的重點，提高了 10%以上。筆者認為這是由于烏蘭茶晶石中含有的多種類稀土微量元素所致，尤其是 LaO，SmO，YO，是優(yōu)良的表面活性物質(zhì)，可善材料中多組分的潤濕性，降低燒結(jié)點，可促進 AlO和 SiO之間的反應，形成低熔點液相，可通過顆粒之間的毛細管作用，促進顆粒間的物質(zhì)向孔隙填充，使材料孔隙率降低，致密度提高。在該項目中多種產(chǎn)品表現(xiàn)出吸水率極低，驗證了此分析。同時由于這些微量的稀土氧化物離子半徑相對我們研究的陶瓷材料而言要大得多，除一小部分參與固熔外，絕大部分主要存在于晶相與晶相、玻璃與晶相的相界上，這些相界上大的離子像是在玻璃網(wǎng)絡上釘上了一個個釘子。一方面阻礙了因晶體的異常長大而導致結(jié)構(gòu)不均勻，另一方面使晶界上非晶態(tài)物質(zhì)向晶體的遷移、結(jié)晶受到限制，降低了晶界的遷移速率。還有一部分稀土氧化物熔入玻璃相中，使玻璃強度得到提高，因此提高了材料的整體力學性能。針對所研制的陶瓷材料進行了微觀結(jié)構(gòu)分析，見表7和表8。

表7 晶相（區(qū)域 1）EDS 元素分析結(jié)果

表8 非晶相（區(qū)域 2）EDS 元素分析結(jié)果

根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)分析，可以得出使用烏蘭茶晶石為主要原料的陶瓷材料之所以能在強度方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，同時非晶態(tài)玻璃相比例占比很高的情況下還能保持相對較高的抗高溫蠕變性，是因為高硅玻璃與晶相特殊的微觀結(jié)構(gòu)所致，可簡單概括為晶界增強、玻璃增強增韌協(xié)同效應的結(jié)果。

5.2 抗菌性、遠紅外、負離子機理形成

該項目所研制的所有產(chǎn)品不需要添加任何抗菌劑。在坯、釉成分中常規(guī)化學分析、X 熒光光譜分析檢測也不存在Ag 離子，因此，該項目不屬于第一種類型的接觸參與反應式抗菌機理，但由于烏蘭茶晶石中種類豐富的稀土元素的存在，以及陶瓷坯釉中氧化鎂、氧化鋅、氧化鈦、氧化鈣、氧化鋯、氧化鐵以及一些原子量相對較大的微量氧化物的存在，在稀土元素的激發(fā)下，表面能級會提高，也可產(chǎn)生第二類抗菌劑相同的作用和機理。由于所含稀土元素種類繁多，加上這些元素特殊的電子層結(jié)構(gòu)，進入硅鋁酸鹽結(jié)構(gòu)中，軌道間的雜化、相互之間電負性的糾纏、相互激活作用等協(xié)同效應下，使材料在光、電方面表現(xiàn)出一定的特殊性，這種復雜的系統(tǒng)作用會在表面反映出來，如產(chǎn)生遠紅外、表面自由基增多、負離子產(chǎn)生等。筆者認為這是主要的抗菌機理。

5.3 變色功能的表現(xiàn)機理

烏蘭茶晶石原料中含有的釔和鑭系中除钷之外所有的元素，這些稀土元素原子結(jié)構(gòu)相似，離子半徑相近，都處于第六周期（釔除外），原子結(jié)構(gòu)比較復雜，但共同的特點是最外層都是S2結(jié)構(gòu)，這決定了所有稀土元素都是活潑金屬。當稀土參與到陶瓷材料的合成（燒成）過程中，會與硅鋁酸鹽發(fā)生不同的反應，可以存在于陶瓷材料的晶相中、晶界上，也可以熔入非晶態(tài)中，這個過程稀土元素除有不同價態(tài)外，外圍的電子軌道也會發(fā)生非常復雜的雜化，形成不同的能級，當外界可見光照射在材料上時，稀土原子中的電子可以由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，不同的激發(fā)態(tài)選擇性吸收不同能量的光子，所以不同頻率的光照射時會表現(xiàn)出不同的顏色，就形成了變色瓷現(xiàn)象。

5.4 產(chǎn)品會產(chǎn)生易潔效果的原因

產(chǎn)品會產(chǎn)生易潔效果的原因如下：1）土壤調(diào)理改良。在我國大部分地區(qū)的土壤，由于施用大量的化肥、農(nóng)藥以及工業(yè)污染所導致的原因，使其土壤板結(jié)酸化，重金屬污染嚴重，農(nóng)業(yè)是定國之本，土地是農(nóng)業(yè)之本，土壤的污染將會阻礙農(nóng)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展帶來難以估量的影響。而烏蘭茶晶石B料是一種天然的礦物類土壤調(diào)理劑、改良劑。烏蘭茶晶石的B料是在生產(chǎn)用于陶瓷原料A料的過程所產(chǎn)生的B料產(chǎn)品，B料產(chǎn)品中大量的富集了植物所需的大量、中量、微量有效元素，和15種微量稀土元素，稀有輕金屬元素、硒元素。烏蘭茶晶石B料經(jīng)過超細研磨至600目以細時，礦體中所有元素就會達到充分暴露，這些有益元素就會達到釋放的效果，由于物料中有銳化、降解、遷移、重金屬的某些元素的存在，我們在農(nóng)田鎘超標重災區(qū)作了示范推廣施用，收到了良好的效果。2）烏蘭茶晶石C料。按烏蘭茶晶石總儲量67億t計算，黑云母占總量的5%，可得到純凈的黑云母3.3億t，銣元素按0.15%平均品位計算，氧化銣儲量可達到50萬t，按現(xiàn)有年生產(chǎn)陶瓷A料35萬t計算，每年可得到純凈的黑云母17500t。氧化銣可得到26.25t。年生產(chǎn)KO 2800t，年生產(chǎn)稀土總量805t。烏蘭茶晶石黑云母中的氧化銣元素將會為我國國防工業(yè)提供一個稀有輕金屬銣元素的可靠原材料基地。

6 結(jié)論

烏蘭茶晶用于航空、軍工的外表涂層，用于化工、航空、軍工的結(jié)構(gòu)陶瓷，利用現(xiàn)代的科技研發(fā)手段都有可能實現(xiàn)，雖然研究人員做了大量的工作，采用烏蘭茶晶石所生產(chǎn)的產(chǎn)品，包括多個品種的日用瓷、建筑瓷、衛(wèi)生瓷、土壤調(diào)理劑等，但還有很多深度研發(fā)的內(nèi)容值得探討。