趙佳佳，張云學，劉明君，鄭建勛，田 璐

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心內(nèi)蒙古總隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

目前，高嶺土用途除涵蓋陶瓷、造紙、涂料、耐火材料等多個領域外，還用于建筑相變儲熱材料、太陽能儲能材料、生物醫(yī)藥、吸附材料、分子篩原料，對支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的作用[1-5]。近年來，內(nèi)蒙古清水河地區(qū)的高嶺土進行不同程度、不同規(guī)模的開發(fā)利用，主要生產(chǎn)煅燒高嶺土產(chǎn)品，用于陶瓷、耐火材料、造紙、涂料及玻釬等工業(yè)生產(chǎn)[6-7]。本文通過在該地區(qū)開展高嶺土礦的地質(zhì)找礦工作，全面搜集區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料和研究成果，經(jīng)過對典型高嶺土礦床的對比研究，進一步梳理并總結地區(qū)高嶺土資源地質(zhì)特征，分析成礦條件，為今后高嶺土找礦勘查工作提供參考。

1 成礦地質(zhì)背景

按板塊劃分，區(qū)內(nèi)一級構造單元為華北陸塊區(qū)(II)，二級構造單元為晉冀陸塊(II-2)，三級構造單元為呂梁碳酸鹽巖臺地臺(II-2-5)。成礦區(qū)帶位于山西(斷隆)Fe-鋁土礦-石膏-煤-煤層氣成礦帶(Ⅲ-61)[9]。出露地層由老到新分別為下古生界下寒武統(tǒng)饅頭組(∈1m)、中寒武統(tǒng)張夏組(∈2z)、上寒武統(tǒng)炒米店組(∈3c)、上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)三山子組(∈3-O1s)、中奧陶統(tǒng)馬家溝組(Ο2m)，上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、上石炭統(tǒng)太原組(C2t)、下二疊統(tǒng)山西組(P1s)，中生界下白堊統(tǒng)左云組(K1z)，新生界新近系上新統(tǒng)寶格達烏拉組(N2b)及第四系(Q)(圖1)。依據(jù)沉積旋回及區(qū)域性不整合特征，將太原組劃歸為華力西—印支期構造層，又根據(jù)巖相建造、古地理、古氣候及成礦地質(zhì)特征進一步劃為華力西—印支期構造層中的第一亞層[11]，為一套海陸交互相碳酸鹽巖、鋁土頁巖、石英碎屑巖及煤系地層。區(qū)域構造線走向呈北北東至近于南北向，傾向西，傾角較為平緩，成一單斜構造。構造變動輕微，僅表現(xiàn)為地殼的升降運動，局部見波狀褶皺形成小的背向斜。清水河地區(qū)高嶺土礦均賦存于上石炭統(tǒng)太原組(C2t)的地層中。

圖1 成礦地質(zhì)背景及礦產(chǎn)地分布圖

2 礦床地質(zhì)特征

從區(qū)域看，清水河地區(qū)高嶺土礦主要分布在黃河東岸的黑礬溝至酒鋪也一帶，其余地段見有零星出露。截止2020 年底，區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)上表礦產(chǎn)地3 處(礦床規(guī)模中大型2 處，中型1 處)，未上表礦區(qū)3 處(表1)，累計查明的高嶺土資源儲量約占全區(qū)20%以上。通過對已發(fā)現(xiàn)礦床及礦產(chǎn)地成果資料的對比研究，區(qū)內(nèi)礦床多為中—大型規(guī)模且分布較為集中，主要礦床地質(zhì)特征、礦體產(chǎn)出形態(tài)、賦礦層位基本類似，以龍泉溝高嶺土礦床、桑林坡高嶺土礦床及新發(fā)現(xiàn)的鐵駝堰高嶺土礦產(chǎn)地為典型。

表1 已發(fā)現(xiàn)高嶺土礦產(chǎn)地一覽表

2.1 高嶺土含礦層位

高嶺土礦均賦存于上石炭統(tǒng)太原組(C2t)的地層中。太原組上覆新生界新近系上新統(tǒng)寶格達烏拉組(N2b)紫紅色泥巖及第四系(Q)黃土，局部地段覆蓋有中生界下白堊統(tǒng)左云組(K1z)淺紫灰色礫巖夾泥巖；下伏上寒武統(tǒng)—下奧陶統(tǒng)三山子組(∈3-O1s)，局部地段與上古生界上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)整合接觸。太原組在遺留的采坑和沖溝內(nèi)出露良好，底部與下伏地層接觸界線清晰，頂部地層在區(qū)內(nèi)零星出露或缺失，多受溝谷切割，地層整體不連續(xù)且上部覆蓋較厚。巖層空間展布穩(wěn)定，總體近似水平，呈舒緩波狀，走向270°～340°，傾角2°～8°，厚度5.84 ～155.50m。根據(jù)該組地層巖性組合特征，將其自下而上分為三個巖性段。

上石炭統(tǒng)太原組第一巖性段(C2t1)，區(qū)內(nèi)發(fā)育完全，巖性主要為紅褐色、灰白色含鐵質(zhì)結核中粗粒石英砂巖、粉細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾雜色泥巖(局部夾鐵質(zhì)泥巖、窩狀褐鐵礦)、含粉砂泥巖；工程揭露厚度2.40 ～60.74m,與下伏地層呈平行不整合，個別地段與上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)整合接觸。第二巖性段(C2t2)，區(qū)內(nèi)發(fā)育較完全，下部巖性為灰白色粉砂巖局部見黑色炭質(zhì)泥巖(頁巖)、硬質(zhì)高嶺土、中細粒砂巖，中部為中粗粒石英砂巖、局部見煤線及軟質(zhì)高嶺土夾薄層硬質(zhì)高嶺土、細砂巖、含粉砂泥巖，上部為含礫中粗粒石英砂巖；工程揭露厚度1.04 ～40.93m，與下伏地層呈整合接觸，該段賦存具有工業(yè)價值的高嶺土礦。第三巖性段(C2t3)，區(qū)內(nèi)發(fā)育完全，巖性主要為：灰白色中細粒砂巖、深灰—灰色硬質(zhì)高嶺土、中粗粒砂巖、含礫砂巖、含粉砂泥巖、含泥質(zhì)粉砂巖。工程揭露厚度0.30 ～64.56m，與下伏地層呈整合接觸，該段賦存具有工業(yè)價值的高嶺土礦。

2.2 礦層(體)特征

區(qū)內(nèi)圈定具有工業(yè)價值的高嶺土礦四層，自上而下依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ礦層(圖2)。其中Ⅰ、Ⅱ號礦層(體)為深灰、灰褐色硬質(zhì)高嶺土礦，Ⅰ號礦層(體)之下2 ～5m 為Ⅱ號礦層(體)，Ⅱ號礦層(體)之下0 ～10m 為Ⅲ號礦層(體)；Ⅲ號礦層(體)為紫褐、土灰色軟質(zhì)高嶺土夾灰褐色薄層硬質(zhì)高嶺土礦，Ⅲ號礦層(體)之下2 ～12m 為Ⅳ號礦層(體)；Ⅳ號礦層(體)為灰白色硬質(zhì)高嶺土。在個別地段中Ⅱ號與Ⅲ號礦層(體)直接接觸。礦層(體)產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀協(xié)調(diào)一致，傾角緩傾斜或近于水平，礦層(體)形態(tài)為層狀、似層狀、透鏡狀，各礦層特征及延展規(guī)模見表2。

表2 各礦層特征及延展規(guī)模一覽表

圖2 高嶺土礦典型地質(zhì)剖面圖

Ⅰ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第三巖性段(C2t3)的上部，在區(qū)內(nèi)由多個相對獨立的區(qū)塊斷續(xù)分布，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度1 865m，沿傾向最大延伸2 880m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質(zhì)高嶺土；厚度0.75～4.44m,平均厚度1.90m；礦層內(nèi)部結構簡單，底板為中粗粒砂巖，頂板為細粒砂巖或直接被黃土覆蓋。

Ⅱ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第三巖性段(C2t3)的下部，在區(qū)內(nèi)由多個相對獨立的區(qū)塊斷續(xù)分布，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度3 610m，沿傾向最大延伸4 890；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質(zhì)高嶺土；礦層厚度0.70 ～8.21m,平均厚度2.47m；礦層內(nèi)部結構簡單，頂、底板均為中粗粒砂巖。

Ⅲ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第二巖性段(C2t2)中部，在區(qū)內(nèi)空間分布有一定規(guī)模，較連續(xù)，厚度變化大且不穩(wěn)定，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度2 557m，沿傾向最大延伸3 590m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為軟質(zhì)高嶺土；礦層厚度0.88 ～14.55m,平均厚度3.04m；礦層內(nèi)部結構簡單，頂板為中粗粒砂巖，個別見礦工程中與Ⅱ礦層直接接觸，底板為雜色泥巖，炭質(zhì)泥巖等。

Ⅳ號礦層(體)：賦存于上石炭統(tǒng)太原組第二巖性段(C2t2)下部，在區(qū)內(nèi)空間分布范圍最廣、規(guī)模最大且較連續(xù)，總體呈北西—南東向條狀延展，沿走向最大長度450m，沿傾向最大延伸2 370m；礦層形態(tài)為似層狀、透鏡狀，礦石類型為硬質(zhì)高嶺土；厚度1.00 ～4.15m,平均厚度2.18m；礦層內(nèi)部結構簡單，頂板為中粗粒砂巖，底板為雜色泥巖，炭質(zhì)泥巖等。

2.3 礦石特征

礦石自然類型根據(jù)其質(zhì)地、可塑性、砂質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)分為硬質(zhì)高嶺土和軟質(zhì)高嶺土兩種類型[8]。

(1)硬質(zhì)高嶺土：礦石細膩、性脆、瓷狀或貝殼狀斷口，牙咬無砂感，質(zhì)硬，無可塑性，粉碎、細磨后具可塑性；礦石多呈灰—深灰色，具隱晶質(zhì)、(含粉砂)泥質(zhì)結構，塊狀構造。礦石主要由斑狀粘土礦物和隱晶質(zhì)粘土礦物組成。斑狀粘土礦物由蠕蟲狀、氈狀、鱗片狀、放射狀集合體的高嶺石和碎屑狀泥巖組成。隱晶質(zhì)粘土基質(zhì)，紋理清晰，分布于斑狀粘土礦物顆粒之間。經(jīng)X 光衍射、掃描電鏡分析，硬質(zhì)高嶺土礦石基本由高嶺石組成，高嶺石含量為93%～100%，含少量石英、一水軟鋁石。

經(jīng)物理性能測試，礦石塑性指數(shù)6.0 ～13.1，干燥收縮率-0.2% ～-0.3%，耐火度1 740 ～1 800℃，自然白度51.3 ～69.1，煅燒白度在950℃時為79.1 ～82.6，在1 000℃時為78.9 ～93.2。礦石小體積質(zhì)量(體重)平均值為2.28g/cm3，濕度平均為1.44%。

(2)軟質(zhì)高嶺土：俗稱“木節(jié)土”[12]，礦石呈疏松土狀、弱固結狀，質(zhì)軟，可塑性一般較強，砂質(zhì)含量較少，一般小于50%；礦石主要為紫褐色，其次見白色、灰白色，一般有機質(zhì)含量越高，顏色越深。礦石具泥質(zhì)結構，塊狀構造。礦石主要由斑狀粘土礦物和隱晶質(zhì)粘土基質(zhì)組成，含少量砂屑。斑狀粘土礦物由蠕蟲狀，鱗片狀、席狀高嶺石集合體或由泥巖碎屑組成。泥巖碎屑主要由高嶺石、少量伊利水云母等組成，大小多在0.3mm 以下，呈中晶斑狀雜亂分布于隱晶質(zhì)粘土基質(zhì)之中。隱晶質(zhì)粘土粒度＜0.004mm，分布于斑狀碎屑之間，砂屑主要由云母類礦物、粘土化巖屑組成，以＜0.5mm 的細粉砂為主。經(jīng)X 光衍射、掃描電鏡分析，礦石主要由高嶺石組成，其含量為88.8%～99.4%，其次含少量的石英、水云母、一水軟鋁石、方解石和鐵質(zhì)。

經(jīng)物理性能測試，礦石可塑性指數(shù)4.2 ～7.5，干燥收縮率-0.3%，耐火度1 740 ～1 790℃，自然白度21.2 ～29.9，煅燒白度在950℃時為74.6，在1 000℃時為75.7。礦石小體積質(zhì)量平均值為1.97g/cm3，濕度平均4.39%。

按礦體分別對礦石化學全分析測試結果進行統(tǒng)計(表3)，本區(qū)硬質(zhì)高嶺土礦石主要化學有益組分Al2O3的平均質(zhì)量分數(shù)為36.98%，主要有害化學組分為Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均質(zhì)量分數(shù)為0.56%，TiO2平均質(zhì)量分數(shù)0.65%；本區(qū)軟質(zhì)高嶺土礦石主要化學有益組分Al2O3的平均質(zhì)量分數(shù)為37.21%，主要有害化學組分為Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均質(zhì)量分數(shù)為0.72%，TiO2平均質(zhì)量分數(shù)1.05%；與現(xiàn)行行業(yè)標準中高嶺土礦一般工業(yè)指標相比，兩類礦石中TiO2平均質(zhì)量分數(shù)較一般工業(yè)指標要求偏高。

表3 礦石化學全分析測試結果統(tǒng)計表 (單位：%)

3 成礦條件分析

區(qū)域地質(zhì)背景對高嶺土礦床的形成起到了控制作用，而高嶺土成礦還受古地理類型、古構造、古氣候、水介質(zhì)條件、物質(zhì)來源、風化作用以及成巖作用等諸多因素控制。其中，理想的沉積環(huán)境和必要的物質(zhì)來源及大地構造的演化均是高嶺土成礦重要條件。

3.1 地層控礦

高嶺土賦存在上石炭統(tǒng)太原組的地層中，有較穩(wěn)定的含礦層位，嚴格受地層控制,常位于沉積旋回上部，有明顯的沉積韻律[9-11]。礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀，圍巖主要為各粒級砂巖和泥巖或未圈為礦體的高嶺土(也有稱其為高嶺石粘土巖)，礦體與圍巖界線清晰，產(chǎn)狀一致，隨含礦地層起伏而呈波狀展布，傾角平緩或近水平，受沉積環(huán)境影響，局部礦體形態(tài)、厚度有大的變化。

3.2 成礦要素

古地理是控制成礦的基本場所和物質(zhì)基礎[11]，伴隨著盆地的不同發(fā)展階段，形成較完整的沉積體系，受區(qū)域地質(zhì)構造作用的控制，形成本區(qū)域含礦地層及沉積特征，表現(xiàn)為僅見有少量煤線的煤系高嶺土礦床。經(jīng)典型礦床對比分析，高嶺土礦分布有穩(wěn)定的賦礦層位，礦床成因類型為含煤地層中之高嶺石粘土巖型，成礦時代為晚石炭世，礦石類型為硬質(zhì)高嶺土、軟質(zhì)高嶺土，礦物組合以高嶺石為主，其次含少量的石英、水云母和鐵質(zhì)。所處大地構造位置控制沉積體系格局，次級構造控制成礦區(qū)域空間展布，地層及巖性組合特征能指示成礦有利部位及空間分布。

3.3 成礦物質(zhì)來源

本區(qū)高嶺土的成礦物質(zhì)主要來源于盆地周圍太古代古陸內(nèi)廣泛分布的前寒武紀變質(zhì)巖及華力西期以前的中酸性巖漿巖中穩(wěn)定性差的硅鋁酸鹽礦物及其風化產(chǎn)物，其中富硅鋁酸鹽礦物經(jīng)長距離的自然力搬運，在石炭紀至早二疊世早期形成了大量的以高嶺石為主要成分的粘土，后經(jīng)沖刷，搬運或以鋁、硅質(zhì)溶膠形成在腐植酸的保護下被攜帶到復水泥炭沼澤環(huán)境中沉積富集，在泥炭沼澤形成后期，當水介質(zhì)條件發(fā)生變化(如pH 值、礦化度等)，鋁、硅質(zhì)溶膠逐漸凝聚脫水、成巖作用，形成高嶺土礦，同時在搬運和沉積過程中又混入有機質(zhì)及各種雜質(zhì)，在自然礦石上直接表現(xiàn)為顏色多變。

4 結論

通過對已發(fā)現(xiàn)礦床及礦產(chǎn)地成果資料的對比研究，系統(tǒng)總結該區(qū)高嶺土礦礦體特征及礦石質(zhì)量，并分析了該區(qū)高嶺土的重要成礦條件，得出如下結論。

(1)高嶺土礦嚴格受上石炭統(tǒng)太原組地層控制，含礦層位穩(wěn)定，礦體多呈層狀、似層狀、透鏡狀，礦體分布范圍廣、厚度較穩(wěn)定。礦石類型主要為硬質(zhì)高嶺土，其次為軟質(zhì)高嶺土，礦石質(zhì)量指標、物理性能滿足工業(yè)要求。

(2)高嶺土屬沉積型礦床，由前寒武紀變質(zhì)巖、華力西期以前的中酸性巖漿巖中穩(wěn)定性差的硅鋁酸鹽為主的礦物為成礦提供物質(zhì)來源。

(3)清水河地區(qū)高嶺土資源分布集中且規(guī)模大，占據(jù)一定區(qū)域資源優(yōu)勢，有好的找礦前景。