紫金山金铜矿明矾石的化学成分特征及其综合开发利用

王翠芝，祁进平，兰荣贵

（1.福州大学紫金矿业学院，福建 福州350108；2.福建省矿产资源重点实验室，福建 福州350108；3.紫金矿业集团股份有限公司，福建上杭364200）

紫金山金铜矿属高硫化浅成低温热液型金铜矿床。矿床上金下铜，金矿主要赋存于潜水面以上氧化带中，与强硅化有关；铜矿床则赋存于潜水面以下，与强烈明矾石化有关。区域地质已有系统研究［1－4］，但赋矿围岩中的硫酸盐矿物研究很少，自然对可作为钾资源的明矾石没有合理开发。本文重点通过分析明矾石化学成分特征，为明矾石的综合开发利用提供地质依据。

1 矿床地质背景

紫金山金铜矿位于华南褶皱系东部，东南沿海火山活动带的西部亚带，闽西南上古生代拗陷之西南，北西向云霄－上杭深断裂带北西段与北东向宣和复背斜南西倾伏端交汇部位，上杭北西向白垩纪陆相火山－沉积盆地东缘。燕山早期酸性岩沿复背斜轴部侵入，形成紫金山复式花岗岩体，成为主要的矿化围岩；燕山晚期中性、中酸性火山－岩浆侵入活动受北西向断裂构造及其与北东向构造结点控制，成为紫金山地区铜多金属成矿的主要控矿因素。金铜矿床处于紫金山复式岩体中部，与紫金山火山机构大致吻合。矿区岩石蚀变强烈，依蚀变矿物组合类型，分为硅化带、石英＋明矾石蚀变带、石英＋地开石＋明矾石＋绢云母蚀变带、石英＋绢云母蚀变带等4个蚀变带，其中石英＋明矾石带控制了铜矿体的分布（图1）。

图1 紫金山铜金矿床3线矿化蚀变分带示意图

2 明矾石产出状态

紫金山金铜矿中，脉石矿物明矾石的产出状态目前发现有四类：①蚀变岩型，即明矾石化的花岗岩中的明矾石，多呈鳞片状，多具溶蚀现象，粒径0.005～0.1mm，呈他形至半自形；②与铜硫化物共生的明矾石，多呈柱状，粒径0.01～0.2mm，部分边缘被熔蚀，可见其穿插交代铜兰、蓝辉铜矿；③脉状的明矾石，多呈页片状、板状，粒径0.02～0.1mm；④粉末状明矾石，呈微晶鳞片状，纯度高，近地表、浅部分布（古潜水面附近）。

3 明矾石的化学成分特征

3.1 主量元素特征

本区明矾石的主要化学成分为K2O 9.18%、A12O339.57%、SO333.64%、H2O 6.88%。相对理论值［5］，富 Al，而贫 K、SO3，含有较高的 Na，Na2O 0.63%。化学成分变化与距火山口的远近有关。靠近火山口，K2O、Al2O3含量较低，K／Na较小；远离火山口，K2O、Al2O3含量较高，K／Na较大；SO3变化不明显。垂向上，K／Na值在1200～200m标高，从浅往深呈增大趋势；200～－400m标高，K／Na值趋稳定。不同晶形的明矾石，K2O、Al2O3、K／Na值明显不同，鳞片状（粒状）、柱状、板状到致密块状明矾石的K2O、Al2O3、K／Na值有逐渐增加的趋势，而SO3变化也不明显（表1）。

3.2 微量元素特征

本区明矾石含较高的 Na、Ca、Ba、Ti、Cu微量元素，有益元素Ga含量也较高（平均58ug／g），比与国内著明的浙江平阳矾山明矾石还高（平阳矾山明矾石25ug／g）［6］。Ga的含量不均一，其含量与 K2O呈正相关关系。中部北向矿带浅部钻孔中，随离火山口的距离由远而近，Ga（K2O）由高到低逐渐减小的趋势；浅部与深部相比，深部Ga（K2O）含量较高。从晶体形态上看，从鳞片状（粒状）、柱状、板状到致密块状明矾石的Ga也有逐渐增加的趋势（表1）。

表1 不同部位、不同形态明矾石化学成分特征元素对比

4 明矾石的综合利用

明矾石是一种具有综合利用价值的多元素矿产资源，以其作原料可生产40多种化工产品。在工业上，明矾石主要用于提炼明矾、生产硫酸钾、硫酸和氧化铝等产品［7］。2001年，经国土资源部评审紫金山金铜矿中明矾石储量达大型，目前是紫金矿业集团的选冶研究的“973”项目主攻的方向［8］。

4.1 明矾石的主量元素利用方向

紫金山明矾石主量元素具有富Al、贫K、SO3的特征，且随矿体的部位不同，有明显的含量变化。由此，紫金山明矾石的利用开发，可采用分采分选工艺，依据矿物化学成分中的主量元素的含量差别，分别进行不同的选矿工艺来提出相关有用元素及相应的产品。

1）制取明矾及其系列产品：炼制明矾是明矾石利用的主要途径。水浸法选矿工艺可以生产明矾，同时排放矾烟、矾浆和矾渣等副产品［9］。炼制明矾工艺对矿石的品位、结构有较严格的要求，以细粒状结构为佳。这方面的应用，可以选择紫金山金铜矿中铜矿床中的浅部的粉末状的明矾石，这部分矿石主要分布于古潜水面附近（另文详述），呈带状、宽脉状分布，很容易采取分选。

2）硫酸钾及其系列产品：硫酸钾是一种最重要的无氯优质钾肥。还原热解法工艺可生产硫酸钾、氢氧化铝及硫酸；同时排放矾烟、矾渣和赤泥等副产品［10］。紫金山明矾石这方面的应用，可选取紫金山金铜矿西北矿段远离火山口较深部的明矾石，这部分明矾石含钾量较高，而火山口附近的明矾石含钠及其他杂质均较高，对制作硫酸钾是不利的。

3）氢氧化铝、氧化铝及其系列产品：对富铝明矾石可利用还原热解法工艺生产硫酸钾、氢氧化铝及硫酸；同时排放矾烟、矾渣和赤泥。酸氨法工艺生产β三水氧化铝和钾氨混肥，同时排放矾烟和酸浸渣。碱熔法也可提取氧化铝［11］（朱继存，1999）。紫金山的明矾石具有高铝的特性，可利用紫金山金铜矿西北矿段远离火山口的明矾石。对本矿明矾石的开发利用，要充分考虑这一特性，以最大限度地提高紫金山的明矾石利用价值。

4）利用低品位明矾石生产水泥：生产膨胀水泥所用的明矾石品位一般要求较高，SO3≥16%，Al2O3≥18%，资源的利用率不高。为此，国内对利用低品位明矾石生产普通硅酸盐水泥进行了大量的研究［12］（王祥，2001），在水泥熟料中掺加适量的明矾石，既能改善水泥的泌水性、安定性和调节凝结时间，又能提高水泥的强度。紫金山金铜矿中赋矿围岩主要是明矾石化的花岗岩，铜矿化不好的花岗岩中明矾石含量相对较低，均可作为低品位的明矾石。

5）明矾石利用中的副产品处理：明矾石矿加工生产中排出大量的矾泥（浆）、废渣（赤泥）、氨浸渣、矾烟和炉灰、矾水等，若不治理，既污染环境，又自流失大量有用成分。其实，这些副产品是开发铝盐、多种硅系等产品的极好原料。经试验生产投放市场的产品有硫酸铝、铵明矾、水泥速凝剂等十多种。

4.2 明矾石中伴生稀有元素Ga的综合利用

本区明矾石中Ga含量较高，已达伴生元素工业利用标准［13］，比国内著名的浙江矾山明矾石中Ga含量还高。另外，除明矾石外，本矿中地开石、粉红色石英中也有很高的Ga含量［14］。因此，对于紫金山明矾石的开发利用，可以充分可考虑Ga的综合利用价值，以增加紫金山金铜矿的附加值。对明矾石中Ga的综合利用，目前一般是对明矾石矿石、废石和加工生产明矾后的废弃物中萃取工艺［15］。

4.3 低品位Cu的回收

从前面分析可知，本区明矾石中Cu含量相对其他地区的明矾石较高，从矿床地质特征上是可以理解的，因为它是铜矿石的脉石矿物。如果单从明矾石本身的一般综合开发利用工艺来看，增加回收铜工艺就显得效益不是太理想。但从紫金山金铜矿目前的浸铜工艺中，是将明矾石的综合开发利用作为铜的副产品来开发利用的，冶炼过程中的废渣、废水可以循环利用。如果将明矾石的综合开发利用作为重点，按其不同的化学成分，分采分选，按不同系列的产品进行开发利用，明矾石中的铜将可成为明矾石综合利用的副产品来回收。

4.4 伴生有害组分

紫金山铜矿石中主要有害元素为As。本次工作，由于仪器谱道限制，没有对明矾石中的As进行分析。从矿相学研究可知，As主要赋存于硫砷铜矿中，占As总量的90%以上，砷化物（毒砂及砷华）极为少量。本矿硫砷铜矿主要分布在以11～4线，标高400～750m区间含量较高，各矿体中As的含量一般为0.024～0.063×10－2，As在矿床中平均含量为0.037～0.046×10－2（紫金矿业集团公司，2006）。所以，利用与铜硫化物共生的明矾石时，必须对其中的As进行特殊工艺处理。其实，对铜矿选矿过程中，已采用粗磨粗选丢尾、粗精矿再磨、适当增加精选作业次数、选择适宜的捕收剂及抑制剂等措施，能大大降低铜精矿产品中砷含量［16］，这样势必造成矿渣、废液中有更高的As含量，因而，在利用铜矿的矿渣、废液利用明矾石中，必须注意除As工艺的实施过程。

5 结论

1）紫金山金铜矿明矾石具多种形态。浅部明矾石颗粒小，矿物结晶差，多呈粉末状；深部明矾石颗粒大，晶型较完整，多呈被溶蚀的粒状、鳞片状、柱状、板状、致密块状。

2）紫金山明矾石化学成分相对理论值具有富Al，相对贫K、SO3，富 Na、Ca、Ba、Ti等微量元素的特征，伴生稀有金属Ga具有综合利用前景。

3）明矾石的K／Na值与火山口的距离有关，离火山口愈近，其K／Na值愈小。不同晶态的明矾石K／Na值大小顺序为粒状鳞片状＜柱状＜板状＜致密块状，可采用分采分选工艺对明矾石的主量有用组分进行开发利用。

4）Ga的含量与K2O呈正相关，随离火山口的距离由远而近，Ga（K2O）含量有由高到低逐渐减小的趋势。浅部与深部相比，深部Ga（K2O）含量较高。可在对明矾石进行分采分选的同时，考虑Ga的萃取的工艺。

5）明矾石矿物中含有较高的铜，综合开发明矾石时，可对其中的铜进行回收。

6）明矾石矿物含有一定的砷，综合开发明矾石时，也要对其进行必要的处理。

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