临城县西牟—胶泥沟一带耐火粘土矿床地质特征及伴生镓利用的可行性分析

付茂英，张文强

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北 保定 071051；2.中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 地质概况

矿床位于临城县城西北345°方向黑城乡西牟村至胶泥沟村一带，耐火粘土矿赋存于中石炭统本溪组、上石炭统太原组，下二叠统山西组、上二叠统下石盒子组地层中。矿区大地构造位置为山西断隆太行拱断束赞皇穹断束东部边缘，出露地层主要为中奥陶统峰峰组，中石炭统本溪组、上石炭统太原组，下二叠统山西组、下石盒子组，上二叠统上石盒子组、石千峰组及第四系。岩石组合为花斑状灰岩—铝土页岩、黄绿色页岩—铝土页岩、砂质页岩、砂岩和煤层—铝土页岩、石英砂岩。矿床为海陆交互相沉积矿床，系赋存在石炭、二叠系煤系地层中的耐火粘土矿床。

2 矿床特征

2.1 矿体规模

矿体赋存于中石炭统本溪组、上石炭统太原组，下二叠统山西组、上二叠统下石盒子组地层中，共分为6个含矿层，相当于区域上的A、B、C、D、E、G层铝土矿，共15个大矿体，26个分矿体。含矿层编号为AK、BK、CK、DK、EK、GK。矿体由西向东、由南向北编为GK1、EK2……AK15。若大矿体由若干分矿体组成，则在矿体号之后加“-序号”。例如：EK2矿体内第二个分矿体编为EK2-2。矿体呈层状、似层状，产状：倾向70～110°，倾角30～42°。矿体走向延伸最长的是GK1-2，长度为1716m，最短的是DK3-1，长度为314m，长度大于1000m的矿体有GK1-2、EK2-2、DK3-3、DK4-3、DK4-5、CK5、BK11、BK13-1、AK15，其余矿体长度在314～649m之间。

矿体平均最大厚度(BK11)5.15m，最小厚度(AK14)0.90m。矿体基本特征见表1。

由表1可知，其中GK1-2、DK3-3、DK4-5、BK11、AK15规模较大，为主要矿体。

(1) 主要矿体GK1-2规模、产状。

矿体呈层状赋存在本溪组地层中，倾向89～125°，倾角34～42°由SJ0701(竖井)、YJ1101(小圆井)、ZK1101(钻孔)、TC15(探槽)四工程控制。走向延伸1694m,单工程最大厚度4.05m, 最小厚度1.97m，平均2.73m。矿体厚度变化系数为36%，说明矿体厚度稳定，矿石自然类型为鲕状水云母质高岭石粘土岩，工业类型为硬质粘土，资源量估算结果：矿石量182.58万t，占总资源量的18%。

表1 矿体特征

(2) 主要矿体AK15规模、产状。

矿体呈层状赋存在下石盒子组地层中，倾向92～98°，倾角29～34°。由TC26-2、SJ3002、SJ3402三个工程控制。走向延伸1675m，单工程最大厚度5.68m, 最小厚度0.83m，平均2.50m。矿体厚度变化系数为110%，说明矿体厚度变化大，且厚度变化规律不明显。矿石自然类型为水云母质高岭石粘土岩，工业类型为软质粘土。资源量估算结果：矿石量107.82万t，占总资源量的11%。

2.2 矿石质量特征

根据对矿体内109件样品的基本分析结果见表2。

表2 耐火粘土矿样品成分含量分析结果

由表2可看出，品位变化系数均小于40%，说明各组分在矿体内部的分布是均匀的。

（1）主要矿体GK1-2品位及变化情况见表3。

沿走向，矿体由SJ0701至YJ1101，Al2O3含量略显升高，至TC15，呈明显下降趋势，品位降至23.78%。其他组分含量稳定，无明显波动。沿倾向，矿体由YJ1101至ZK1101，Al2O3含量自41.58%降至32.59%，呈下降趋势，其他组分变化不明显。

(2) 主要矿体AK15品位及变化情况见表4。

沿走向，矿体由TC26-2至SJ3002至SJ3402，各组分含量基本平稳，仅烧失量(LOI)在SJ3402有较明显下降。

表3 矿体GK1-2品位及变化情况

表4 矿体AK15品位及变化情况

(3) 矿石其他有益有害组分含量及其变化特征见表5。

表5 化学全分析结果

光谱半定量分析结果，矿体中稀散元素镓(Ga)的含量为0.00262%～0.00343%，达到了伴生矿指标0.01%～0.002%的要求。

(4) 矿石物性特征见表6。

表6 矿石物性特征结果

2.3 矿石类型

矿石自然类型有鲕状水云母质高岭石粘土岩和水云母质高岭石粘土岩两种。前者矿石工业类型为硬质粘土，后者矿石工业类型为软质粘土。

2.3.1 硬质粘土

包括GK1-1、GK1-2矿体，其余矿体均为软质粘土，矿石呈灰白色、红褐色，鲕状结构，块状构造。矿物成分主要为高岭石和水云母。高岭石70%左右，水云母30%左右。主要矿物多以鲕粒的形式存在，鲕粒大小一般为0.25～0.5mm，多为薄皮鲕，鲕皮由细小鳞片状高岭石和水云母组成，鲕核由相对较粗的同种矿物组成。鲕粒约占80%以上，基质为更细小的鳞片状高岭石和水云母。此类粘土质地较硬，触手无滑感。

2.3.2 软质粘土

除GK1-1、GD1-2，其余矿体均为软质粘土，矿石呈灰色、灰黑色、紫黑色、黄色，鳞片结构、毡状结构、泥质结构，层状或块状构造。矿物成分主要有高岭石(＞60%)、水云母(10%～35%)、石英(5%左右)、水铝氧石(＜5%)、碳酸盐颗粒(＜1%)。此外尚有少量的植物屑。高岭石、水云母、水铝氧石均呈细小的鳞片状，片径0.008～0.1mm。软质粘土质地较软，触手有滑感。块状粘土地表易风化呈贝壳状。

2.3.3 矿物成分差热分析

矿差热分析结果见表7，分析结果表明，矿石矿物成分以高岭石、水云母、石英为主，少量长石、蒙脱石、方解石褐铁矿。与岩矿鉴定结果基本吻合。

表7 差热分析测试出的矿物成分结果(%)

由下页的差热分析曲线看出矿石有三个明显的的吸热谷和一个放热峰。90℃吸热谷为水云母排除吸附水所致，190℃微弱吸热谷是由少量褐铁矿失水所致，551℃宽大的吸热谷为高岭石、水云母排除结构水所致，996℃的放热峰为高岭石相变而成。

2.4 矿石加工技术性能

矿区耐火粘土矿石为含水云母高岭石粘土岩，矿石在地表多呈松散土状，深部块状矿石含量较多。矿石化学成分及物理性能满足中华人民共和国地质矿产行业标准DZ/T0206-2002《高岭土、膨润土、耐火粘土矿产地质勘查规范》耐火粘土一般质量要求。根据对当地耐火材料厂的调查了解，矿石加工工艺十分简单，矿石不需选矿，直接烘干、粉磨即可入窑烧制各类耐火产品，工艺简单。

2.5 矿床成因、找矿标志及找矿远景

通过对矿体和围岩的岩性、形态、产状、矿物组合以及古生物化石的分析研究，认为本矿床为海陆交互相沉积矿床，系赋存于石炭系、二叠系煤系地层中的耐火粘土矿床。中石炭统本溪组为硬质粘土赋存层位，相当于F、G层铝土矿，本区缺失F层铝土矿。G层铝土矿下部为山西式铁矿或铁质页岩，以此可作为找矿标志。上石炭统太原组(D、E层铝土矿含矿层)，下二叠统山西组(B、C层铝土矿含矿层)、下石盒子组(A层铝土矿含矿层)为软质粘土赋存层位，至本区，矿石品质下降，仅可形成耐火粘土矿。本区南部的祁村一带，北部赞皇县的王家洞一带地层与本区一致，且有过开采史，可以作为今后的找矿方向。

3 伴生镓元素利用的可行性分析

本区耐火粘土矿中普遍含镓，镓是一种稀散元素，为银白色软金属，是在人体温度37℃下能熔化成液体的金属之一。镓在常温中稳定，因为表面有一层薄氧化膜，即使烧红加热也不再被空气氧化。镓的熔点29.78℃，沸点2403℃，是液态范围最大的金属。镓的用途非常广泛，将镓装入石英温度计内，可用来测量1500℃的高温。人们常用这种温度计来测量反应炉、原子反应堆的温度。

镓是一种性能优良的电子材料，被誉为“电子工业的脊梁”，是高新技术的基础资源。镓主要用于制造新型半导体材料、光学玻璃、真空管、发光二极管和砷化镓激光二极管等。

镓质软、性脆，富延展性，在空气中表现稳定。镓液体的密度高于固体密度，凝固时体积膨胀，膨胀率为3.1%，由于它的这种“热缩冷胀”性，镓具有较好的铸造特性，被用来制造铅字合金，使字体清晰。在原子能工业中，用镓作为热传导介质，把反应堆中的热量传导出来。镓还具有吸收中子的能力，因此在原子反应堆中，镓可以起到控制中子数量和反应速度的作用。放射性镓可用来诊断癌症。

镓制造的低熔点合金可用作防火信号和熔断器；镓能提高某些合金的硬度、强度，提高镁合金的耐腐蚀能力；镓在荧光材料、特殊应变计、催化剂、焊料镶牙、补牙方面也有广泛用途。

本区耐火粘土矿中伴生镓的资源量为33767.41t，属大型矿床，现在本区综合回收主要是从煤焦化烟尘中回收，回收率很低(据初步统计约为矿石中镓含量的15%～25%)，目前，镓的提取方法主要有两种：①以副产品的形式提取镓：工业上镓主要以副产品的形式从处理铝土矿生产氧化铝时的铝酸钠循环液中以及闪锌矿湿法炼锌工艺的粗锌蒸馏残渣中提取；②萃取法提取镓：在一定的酸度下，采用药剂用一定的反萃取剂可以分别萃取出，并实现镓的有效分离。因此设想今后与研究部门合作研究利用萃取法提取镓试验研究，即在耐火粘土烧制耐火材料之前，烘干、粉磨之后，利用萃取法提取镓，则矿床更能有效利用。

4 结语

临城县西牟—胶泥沟一带耐火粘土矿成矿地质条件较好，交通方便，是一处理想的耐火粘土矿产地，尤其是伴生镓资源量大，若能有效提取利用，能够产生巨大的社会效益和经济效益，矿床利用前景广阔。

矿产资源工业要求手册编委会.矿产资源工业要求手册(修订本)[M].北京:地质出版社,2012.