句容甲山膨润土矿的地质特征和成因探讨

金翠叶，陆志均，2，张雪芬，周金虹，陆现彩

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;2.江苏省国土资源厅，江苏 南京 210029)

句容甲山膨润土矿的地质特征和成因探讨

金翠叶1，陆志均1，2，张雪芬1，周金虹1，陆现彩1

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210093;2.江苏省国土资源厅，江苏 南京 210029)

研究了句容甲山膨润土矿的矿床地质特征，发现地层上覆下白垩统碱性流纹岩，矿石呈黄绿色、粉红色、灰白色和肉红色等多种颜色，局部保留有原岩的角砾结构，并观察到含有风化残余的粗面岩团块和因断层滑移形成的断层角砾。X射线衍射(XRD)分析发现不同颜色矿石的矿物组成差异很大，通过扫描电子显微镜观察到岩石风化现象和伴生的次生矿物类型。研究表明，该矿属于火山熔岩风化残积型膨润土矿床，在开发过程中应进行分类开发或进行深加工处理，可提高开发效益。

膨润土;矿物组成;风化作用;风化残积矿床;江苏句容

0 引言

苏南及沿江地区分布有多处黏土矿床，成为国内最重要的凹凸棒石、高岭石和膨润土的生产基地。凹凸棒石和高岭石作为特色资源类型，已得到广泛而深入的研究(方邺森等，1980;陈天虎等，2004);膨润土虽预测资源量大，钠基、钙基土共存(张永康，1990)，但因分布零散、经济效益低，目前开发已经放缓，部分矿山因环境保护和土地占用问题而停采。笔者研究的句容郭庄镇甲山膨润土为区内重要的膨润土矿。根据句容地方志记载，郭庄镇甲山的蒙脱石矿呈层状，经勘察，发现浅部为钙基土，深部为钠基土，储量约1.4亿 t，矿床稳定(夏嘉生，2001)。钙基占60%，钠基占40%。

黏土矿的形成与火山活动或热液交代有关(方邺森，1980)。江苏沿江地区在中新生代具有多旋回的火山喷发作用。中生代分布有两类火山岩，除了与铁、铜成矿作用有关的火山—次火山岩外，还有一类中性、碱性和酸性3种岩石的次序喷发(李寿寅等，1990;王登红等，2005)。句容甲山膨润土矿的钙基土赋存于下白垩统中—酸性火山岩系中，深部的钠基土赋存于上侏罗统中酸偏碱性火山岩系中(计元龙，1987;许鸿基，1999)。本研究通过野外地质调查、火山岩的风化现象观察和膨润土的矿物成分分析对甲山膨润土矿的地质特征和成因进行了初步探讨。

1 样品采集和分析方法

本次研究在甲山膨润土矿剖面采集了样品21件，包括火山岩3件、各色黏土矿15件、顶部棕色土1件、残留火山岩团块1件和断层面上角砾状黏土样品2件。剖面位置见图1。磨制了火山岩层样品和残留火山岩团块的岩石薄片，并进行了偏光显微镜观察。

为了解膨润土的矿物组成和地质成因，研究采用扫描电子显微镜观察了火山岩和矿石的形貌，采用X射线衍射光谱分析了矿石的矿物组成，并采用X射线荧光光谱测试了火山岩的化学组成。取多件原样小块喷镀金膜后在JSM-6490型扫描电镜上观察，扫描电子显微镜的加速电压为20kV、光斑为50;成分分析由Oxford INCA X射线能谱仪(EDS)测定，WD为10。全岩样品经粉碎，研磨后送X射线衍射分析(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)分析。XRD在日本理学的Dmax III型X射线衍射仪上完成，光管电压37.5kV，光管电流20mA，扫描范围3°～70°，扫描步进角 0.02°，扫描单位计数时间0.3s。2项分析均在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室完成。XRF分析由南京大学现代分析中心完成，取3g～10g粉末样品放入平板模具上的直径为35mm的塑料环中，加30t压力成型;压出厚度为2mm～4mm，表面平整无裂痕的模块;仪器型号X射线荧光光谱仪为ARL-9800。

图1 甲山膨润土矿位置图

2 矿床地质特征

膨润土矿出露于句容郭庄镇甲山南坡，山顶植被发育，黏土矿层被棕色土覆盖(图2A)。由于现已停采，采坑积水严重，但可从开采面见黏土矿的分布状况。从整体看，黏土矿为似层状，北西侧与火山岩层相接，以走滑性质的断层相接，南东侧隐伏于表层棕色土之下。膨润土矿总体上为黄绿色，但可见到黄绿色、粉红色、灰白色和肉红色等多种颜色，除肉红色、灰色土在局部集中外，不同颜色的土并未成层状展布，多为不连续点状分布。

在土体中有以下几种现象：(1)含有不连续的火山熔岩(图2B)，厚度多在20cm以下，可以清晰地识别火山熔岩的内部纹层。(2)在断层面附近可以发现大量蒙脱石质砾石，大小不等，在1cm～25cm之间，多呈次圆形(图2C)。(3)部分矿石保留有火山角砾结构和斑状构造。对于保留火山角砾结构的矿石，角砾呈灰白色，胶结物为浅紫红色，角砾边界轮廓清晰，这种矿石仅局部呈层状出现(图2D);而斑状结构的岩石可以清晰观察到白色柱状斑点和紫红色基质，根据斑点的轮廓可以推测原始矿物应为斜长石或钾长石，原岩可能是安山岩或安山玢岩。(4)土体中残留有大小不等、形态各异的浅绿色火山岩团块，团块边缘与土体呈过渡状态，核心已经松软，多为球形(图2E)。从整体上看，矿体内部构造不清晰，推测有短距离搬运和后期构造局部改造现象发生。

北西侧火山熔岩呈浅灰色，根据偏光显微镜照片(图3A、B)和成分分析结果(表1)，该火山岩为酸性火山岩，其SiO2的含量在70%，K2O+Na2O在8%左右，按化学组成分类应为流纹岩。根据薄片观察，岩石呈斑状结构，斑晶主要为钾长石和少量钠长石，晶体形状为方形板状，未见石英斑晶;基质中可见较多的针状绿泥石及少量赤铁矿、石英、绢云母等(图3A)，玻璃质含量较高，可见粗面结构，副矿物常见磷灰石、锆石。根据薄片观察，该熔岩应为碱性流纹岩。矿体内残留的火山岩团块的偏光显微镜照片见图3C、图3D，该岩石呈粗面结构，富含玻璃质，可见基质中的斜长石和正长石微晶大致呈定向或半定向的排列。据此，可定名为粗面岩，即为表层膨润土的母岩。

3 X射线衍射(XRD)分析结果

6件不同颜色膨润土样品的XRD分析结果见图4。结果显示，不同颜色的膨润土具有相似的矿物组成，并且都含有一定量的非晶态物质。除顶部的棕色土和紫色斑点状膨润土之外，粉色、灰白色、黄绿色和褐色膨润土样品中均含有丰富的蒙脱石矿物。若不考虑矿石中非晶态物质的存在，可初步估算蒙脱石的含量一般在50%左右，这与王新江等(2010)测得的含量(56%)和刘承帅等(2005)的(41%)相似。顶部的棕色土和紫色斑点状膨润土的矿物组合中则相对富含长石、石英，并含有少量的方解石。

膨润土样品的主衍射峰为蒙脱石，其主衍射峰较高且尖锐，这说明蒙脱石结晶较好(邵殿信，1996)。在实验室条件下，d(001)面网间距为1.520 0nm左右，由于d(001)面网间距在1.5nm～1.6nm间的蒙脱石为钙基蒙脱石(侯梅芳等，2002)，所以本次研究的甲山膨润土中的蒙脱石应为钙基蒙脱石。

由于在分析过程中没有对矿石进行黏土矿物分离和加入内标矿物，所以因石英、长石和玻璃质的存在而抑制了低含量矿物的衍射信号，根据显微镜下观察和一般规律，矿石中应该还含有一定数量的针铁矿、绿泥石等次生矿物。而这些低含量的次生矿物可能是影响膨润土矿石颜色的关键。

图2 甲山膨润土矿开发现场和土层特征

表1 北西侧熔岩层岩石的荧光光谱分析结果

图3 与膨润土层有关的火山岩显微照片

图4 膨润土样品的XRD谱图

4 扫描电子显微镜观察

在本次研究中，选取膨润土矿石和残留的火山岩团块进行了扫描电子显微镜观察，以期了解膨润土的成因和火山岩的风化作用。

在扫描电子显微镜下，膨润土矿石中的鳞片团聚堆积现象十分清晰(图5A、5B)。蒙脱石呈片状，颗粒周缘呈卷曲状。一般来讲，在扫描电镜下，钠基蒙脱石常呈半自形晶，解理可见;钙基蒙脱石常为鳞片重叠的粒状，团块状，颗粒周缘常呈卷曲状，集合体有时呈花瓣状。这与XRD解释的钙基蒙脱石为主的认识一致。对紫红色矿石的扫描电子显微镜观察发现，白色斑点和紫红色基质的矿物组成基本相同，均为鳞片状蒙脱石矿物和石英微晶的混合物，基质中相对更富含微细颗粒，可能为铁的氧化物或氢氧化物。

膨润土矿中的火山岩残留团块显示出清晰的风化现象(图5C—图5G)。图5C、图5D显示的是岩石中玻璃质的风化作用，火山玻璃的形态呈球形，风化形成的黏土矿物包围在玻璃质周边。能谱分析(表2)显示，玻璃质(表2中点1、点3)比风化产物(表2中点2、4)更为富 Al、Mg和 Ca，而风化产物中Fe含量更高，尽管能谱分析结果存在一定的误差，但是在风化产物中可以观察到针状矿物，可能为火山玻璃Fe释出形成的针铁矿，另外，风化产物含有少量的纳米级微粒(图5D)，其成分也更为富Si(表2中点4)，推测为硅质沉淀或形成的次生沸石。

图5E显示的是斜长石风化的现象，可以看出风化产物呈羽状，大小约5μm，沿矿物的解理缝分布，结合能谱成分分析(表2中点5)结果，推测风化产物为富铁蒙脱石，铁可能来源于暗色矿物或火山玻璃的风化作用。图5F显示的是角闪石溶蚀的现象，该矿物粒径相对较大，主要表现为沿解理缝发生溶蚀现象，表面相对洁净，成分与富Al角闪石相似(表2中点6)。图5G为火山玻璃表面风化形成的密集排布的石英微晶(表2中点7)，粒径仅在1μm左右，这些石英微晶的柱面不发育，主要表现为2个晶锥，说明硅质沉淀为快速形成，这些沉淀抑制了火山玻璃的进一步风化作用，这种现象在膨润土矿石中没有观察到，这也许是火山岩能够残留在矿石中的原因。从火山岩残留团块样品的微观结构看，岩石中的火山玻璃最易于蒙脱石化，而长石、石英等结晶质矿物则难以风化，暗色矿物的风化则可能与蒙脱石的富铁特征有关。

表2 扫描电镜-能谱分析结果

图5H给出了断层面表面膨润土矿的扫描电子显微镜照片，矿石的结构和矿物的形态均发生了显著的变化，已经演变为表面的微细颗粒层，这一现象与孙岩等(2007)对剪切面表面的观察相似。化学组成也与原岩有一定的差异，总体上表现为Fe、Ca的含量降低，可能也与滑移作用引起的元素分异有一定的联系。

5 讨论与认识

根据甲山膨润土矿的地质特征，笔者认为该矿床属于火山岩风化残积型黏土矿床。主要理由如下：(1)矿体呈似层状，但非火山熔岩原地风化形成，而是经历了较短距离的搬运和再沉积。由于矿体内出现不同颜色的膨润土零散分布，失去了火山熔岩地层的层状特征，并且矿体内含有一些火山熔岩层残块，局部见有图2C所示的砾状结构。(2)膨润土由中酸性火山熔岩经风化作用形成，可以观察到多种岩石风化的微观现象，尤其是火山玻璃的风化相对强烈。(3)前人勘探表明，上部往往是钙基膨润土，下部为钠基膨润土，并常常与沸石、珍珠岩等矿物伴生(中国地质学会非金属矿产地质专业委员会，1982)。(4)矿体内和围岩地层中均没有发现热液活动的现象。

矿化深度一般位于潜水面附近，从几十米至数百米深不等。在流纹岩、粗面岩风化的过程中，火山玻璃最易于蒙脱石化，而结晶质矿物则难以风化。一般认为蒙脱石是在碱性水介质条件下生成的。由于含可溶性阳离子的水由上往下渗透，因此剖面上部风化作用相对较强，矿化程度相对较高。水解过程中最易溶出的是K、Na等碱金属离子，其次是Ca、Mg等碱土金属离子(史良金，1985)。地表附近的矿石属型以钙基膨润土为主，较深部才有钠基膨润土，这与水解过程中先溶出的Na和K、后溶出Ca、Mg离子的顺序有关(陈淑祥等，1998)。国内外的风化残积型膨润土矿基本上都具有这一特征。

图5 膨润土矿与其中残留的火山岩团块的扫描电子显微镜照片

本次研究还发现甲山膨润土矿矿体中蒙脱石的分布有一定的规律性。据此，笔者建议在开发中应制订更精细的开发方案，对不同类型的矿石差异化开发，对矿石进行分类销售或深度加工。不仅对钙基蒙脱石和钠基蒙脱石分别开发，而且对于浅部钙基蒙脱石也应进行分类开发，便于后期的提纯、分离等工艺的筛选(王新江等，2010);不同颜色或不同母岩的矿石具有矿物成分的差异性，这种差别在矿山开发过程中也应得到重视。在此基础上，兼顾规模化开发的同时，实行集约化生产。加强设备和技术更新，延伸精加工产品技术链，将有可能提高该矿的经济效益，以平衡环境和资源成本。

6 致谢

在本研究取样期间，得到句容市国土资源局的协助，谨表谢意。

陈淑祥，陈克荣，曾家湖.1998.南京汤山膨润土矿地质特征、物化性质及矿床成因［J］.高校地质学报，4(3)：279-285.

陈天虎，徐晓春，岳书仓.2004.苏皖凹凸棒石黏土纳米矿物学及地球化学［M］.北京：科学出版社.

方邺森，胡立勋.1980.苏南高岭土［J］.江苏陶瓷，(1)：19-69.

侯梅芳，马北雁，万洪富，等.2002.我国各地膨润土的矿物学性质［J］.岩矿测试，21(3)：190-194.

计元龙.1987.江苏省矿产资源概况［J］.中国地质，(12)：19-21.

李寿寅，屈秀宜.1990.江苏省区域地质特征概述［J］.中国区域地质，(3)：193-205.

刘承帅，万洪富，侯梅芳，等.2005.我国主要产地膨润土颗粒组成和蒙脱石含量研究［J］.非金属矿，28(1)：40-43.

邵殿信.1996.阳原县石人岔沟膨润土矿简介［J］.建材地质，(2)：14-15.

史良金.1985.试论膨润土矿床的成矿模式［J］.建材地质，(2)：41-44.

孙岩，舒良树，陆现彩，等.2007.岩石剪切面纳米粒子层的近期研究进展［J］.自然科学进展，17(10)：1331-1337.

王登红，陈毓川，徐志刚.2005.中国白垩纪大陆成矿体系的初步研究及找矿前景浅析［J］.地学前缘，12(2)：231-239.

王新江，雷建斌.2010.我国膨润土资源概况及开发利用现状［J］.中国非金属矿工业导刊，(3)：13-15.

王新江，马亮，雷建斌，等.2010.我国主要膨润土矿床原矿理化性能测试分析研究［J］.中国非金属矿工业导刊，(5)：26-28.

夏嘉生.2001.苏南及沿江地区矿产资源优势及前景分析［J］.地质学刊(原《江苏地质》)，25(2)：73-77.

许鸿基.1999.苏南地区前第四纪岩石地层主要特征及几点认识［J］.地质学刊(原《江苏地质》)，23(2)：71-79.

张永康.1990.江苏优势矿产［J］.地质学刊(原《江苏地质》)，14(2)：59-62.

中国地质学会非金属矿产地质专业委员会.1982.我国非金属矿产地质工作的主要成就及展望［J］.地质论评，28(6)：276-283.

Discussions on geological characteristics and genesis of bentonite deposit in Jiashan of Jurong

JIN Cui-ye1，LU Zhi-jun1，2，ZHANG Xue-fen1，ZHOU Jin-hong1，LU Xian-cai1

(1.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210093，China;2.Jiangsu Department of Land and Resource，Nanjing 210029，China)

The authors studied the characteristics of the bentonite deposit in Jiashan，Jurong City of Jiangsu Province，and found the overlying layer was alkali-rhyolite in lower Cretaceous series，the ores presented various colors，such as yellowish green，pink，light gray and pinkish color，and partially remained breccias structure or residue lumps and faulted breccias resulted by fault slide could be observed.X-ray diffraction analysis indicated that the mineral composition varied with colors.Scanning electronic microscope presented the weathered phenomenon and primary and secondary minerals in the ores and volcanic rocks.It was concluded that the deposit belonged to weathered residual bentonite deposit.A classification of the ore in the course of development and deep processing could improve the economic benefits.

Bentonite;Mineral composition;Weathering;Weathered residual deposit;Jurong，Jiangsu

P619.25+5

A

1674-3636(2011)03-0251-07

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.03.251

2011-05-20;

2011-06-02;编辑：陆李萍

江苏省自然科学基金(BK2010008)

金翠叶(1987—)，女，硕士研究生，矿物学专业，E-mail：xcljun@nju.edu.cn