辽西六家子膨润土矿床地质特征及矿床成因探讨

刘立柱

(中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 沈阳 110004)

膨润土具有特殊的物理化学性质，广泛应用于石油、造纸、橡胶、塑料、药品、化学、农牧业、铸造业、钻探泥浆、环保等领域[1]。膨润土矿是辽宁省的优势矿种，资源储量丰富，品种齐全，分布集中。既有钙基膨润土，又有钠基膨润土。主要矿产地分布于辽西地区的朝阳、阜新、锦州市。

本文总结了辽西六家子膨润土矿床区域地质背景、地质特征，并与国内外同类矿床进行了对比，通过对矿床蚀变过程中元素迁移规律的分析，为矿床成因的探讨提供了新的依据，在此基础上初步分析总结了矿床成因。初步认为该矿床成因类型属酸性火山碎屑水解蚀变型膨润土矿床。

1 区域地质背景

辽西地区位于华北地台燕山台褶带与山海关隆起的交接部位，分布着大面积中生代火山碎屑岩及火山熔岩。中生代以来，辽西构造活动强烈，造成区域内火山活动具多期次、多旋回特点。辽西地区中生代火山活动时间较长，从侏罗纪延续到白垩纪，均属陆相火山岩，有4个含火山岩层位：即下侏罗统兴隆沟组、中侏罗统蓝旗组、下白垩统义县组、中白垩统张老公屯组。其中义县组火山岩在区域内分布最为广泛，且厚度大，可划分为4个喷发旋回。其中第4旋回形成于义县组火山活动的喷发—沉积期，旋回下部以溢流相的中酸性火山岩为主，局部可见爆发相火山岩，包括安山岩、安山质集块岩、流纹岩和流纹质火山角砾岩等；上部为沉积层，该沉积层底部为砂岩，含大量火山凝灰物质，顶部为巨厚层状的沉火山碎屑岩系，厚度可达450m[2]。膨润土矿体赋存于义县组第4喷发旋回中酸性火山岩建造中，岩性以中酸性火山熔岩及火山碎屑岩为主，火山碎屑岩对膨润土的成矿具有重要的控制作用，膨润土矿的形成与火山喷发沉积相密切相关。

矿区大地构造单元位于中朝准地台(I)燕山台褶带(II)辽西台陷(III)朝阳穹褶断束(IV)之中部[3]。区域出露的地层有：古生界寒武系(∈)、奥陶系(O)、中侏罗统蓝旗组(J2l)、中生界下白垩统义县组(K1y)以及新生界第四系全新统(Q4)等。区域主要褶皱构造为燕山期金岭寺—羊山向斜、元宝山背斜，主要断裂构造有单家店—八家子断裂、三家子—包杖子断裂等。矿床位于金岭寺—羊山向斜的南东翼，该向斜控制了区域内义县组地层的分布。区域内主要发育有燕山早期及燕山晚期石英二长岩、花岗闪长岩等，次之为闪长岩类及闪长玢岩、辉绿岩脉等。

2 矿区地质特征

矿区赋矿地层为中生界下白垩统义县组第4火山喷发旋回顶部的沉火山碎屑岩(图1)，其中富含玻璃质的酸性火山碎屑岩(沉凝灰岩)为膨润土矿的主要成矿原岩。矿区内含矿带岩石组合为[4]：⑨层灰绿色薄层中粒—粗粒凝灰质砂岩，控制厚度65.64m；⑧层紫灰色薄层中粒—细粒凝灰质砂岩夹灰褐色—浅灰色薄层状泥岩，厚度49.90m；⑦层浅灰色—绿色凝灰质砂岩，厚度37.61m；⑥层Ⅲ号膨润土矿体，厚度2.34m；⑤层紫灰色薄层中粒—细粒凝灰质砂岩，厚度9.48m；④层Ⅱ号膨润土矿体，厚度2.88m；③层灰白—绿色薄层状沉凝灰岩，厚度6.47m，水平层理微发育，蒙脱石化发育；②层Ⅰ号膨润土矿体，厚度3.18m；①层深灰色凝灰质胶结安山岩质砾岩，控制厚度23.25m。

图1 辽西六家子膨润土矿矿区地质简图

矿区构造总体为近东西走向的缓倾单斜构造，倾角一般在8～16°。矿区内未见岩浆岩出露。

3 矿体特征

3.1 矿体特征

自下而上分为三个矿体，其中I号矿体为主矿体，II号、III号矿体规模较小(图2)，均呈层状、似层状产出，与围岩产状一致，呈近东西向展布，总体倾向NNE，倾角10～15°(表1)。

表1 六家子膨润土矿矿体特征表

图2 第2-2′地质剖面简图

I号矿体出露长度1 040m，宽度1.20～15.60m，倾向延伸550～900m，平均约700m，呈单斜产出。矿体厚度1.23～5.46m，平均3.18m，蒙脱石含量40.06%～80.56%。矿体埋深0～186.35m。矿体顶板为灰白—绿色薄层状沉凝灰岩，底板为深灰色凝灰质胶结安山岩质砾岩。II号矿体出露 长 度600m，宽 度1.10～12.70m，倾 向 延 伸380～760m，平均约560m，呈单斜产出。矿体厚 度1.06～4.68m，平 均2.88m，蒙 脱 石 含 量41.69%～78.36%。矿体埋深0～167.07m。矿体顶板为紫灰色薄层中粒—细粒凝灰质砂岩，底板为灰白—绿色薄层状沉凝灰岩。III号矿体为隐伏矿体，延长510m，深部倾向延伸200～330m，平均约240m，呈单斜产出。矿体厚度1.02～2.56m，平均2.34m，蒙脱石含量41.24%～77.58%。矿体埋深38.15～134.16m。矿体顶板为浅灰色—绿色凝灰质砂岩，底板为紫灰色薄层中粒—细粒凝灰质砂岩。

3.2 矿石质量

3.2.1 矿物成分

膨润土矿石呈绿色，湿时为淡绿、淡青及浅色色调，风干后为白色，土状—油脂光泽，手触有滑润感，矿石呈泥质结构，土状及块状构造。风干后极易破碎，土状构造者风干后不易裂开，断口呈似贝壳状，硬度1.5，比重1.68，平均湿度约21%，侵入水中后即分解成碎粒，并有显著的膨胀。经X-射线衍射分析，矿石主要矿物成分为蒙脱石，其次为方英石，其他矿物见有石英、长石、白云母、磁铁矿等，粒度相当细小，呈零散状分布(表2)。

表2 六家子膨润土矿矿石矿物成分 (单位：%)

3.2.2 化学成分

化学分析结果(表3)表明，总体特征为Al2O3偏 高，K2O、Na2O偏 低，且CaO+MgO＞K2O+Na2O含量。方英石矿物含量较高，但SiO2/Al2O3分子比不高。与国内外主要膨润土矿床(表4)进行对比可以看出，本区膨润土化学成分SiO2低于平山、黑山、信阳、鄂城李铁铺，与三道沟矿区相近，Al2O3介于鄂城李铁铺及平山、黑山、信阳、三道沟之间，且SiO2/Al2O3分子比大于4.00，大于理论值2.36，当MgO、Fe2O3作为八面体中的阳离子而代替Al2O3的不足时，SiO2/Al2O3+MgO+Fe2O3仍大于理论值4.37，说明膨润土有较多的方英石存在[5]。本地区膨润土硅与铝的比值小于平山、黑山、信阳、李铁铺等地区的膨润土，与三道沟膨润土相当，表明膨润土的纯度(蒙脱石含量)与三道沟膨润土纯度相当，高于其他地区膨润土纯度。

表3 六家子膨润土矿床化学成分

表4 国内外主要膨润土矿床化学成分

3.2.3 物理化学性能

各矿体阳离子交换性能及可交换阳离子数目见表5，根据膨润土矿石属性划分的规定，ECa2+/QCEC×100%≥50%为钙基膨润土[6]，本区膨润土矿属钙基膨润土，具有良好的阳离子交换性能。

表5 六家子膨润土矿矿石物理化学性能

4 矿床成因

4.1 矿床蚀变分带及蚀变过程中元素迁移规律

矿床蚀变分带清晰，从围岩到矿体依次为：沉凝灰岩原岩带、弱蒙脱石化带、蒙脱石化带、强蒙脱石化带(矿体)。对应岩矿石分别为沉凝灰岩、弱蒙脱石化沉凝灰岩、蒙脱石化沉凝灰岩、膨润土(表6)。在蚀变过程中，K、Na、Si先是大量的带入，而Ca、H2O+则大量带出；随着蒙脱石化程度的加深，则又表现为K、Mg、Fe的大量带入，Na、Ca、H2O+的大量带出；强烈蒙脱石化形成矿石后，则K、Na、H2O+大量带出，Mg、Al大量带入。因此，该矿床成矿作用地球化学行为与其他矿床最大的差异是H2O+大量带出，Si则是先大量带入，然后少量带出。沉凝灰岩形成膨润土矿床时，元素迁移富集的规律是：K、Na、H2O+显著带出，而Mg、Fe、Al则显著带入。该类矿床成矿作用最显著的特点是蒙脱石化过程中，不仅不需要介质水，反而在元素重新组合成蒙脱石时，还要带出一定量的水。

表6 六家子膨润土矿蚀变带岩矿石化学分析结果

4.2 矿床成因探讨

4.2.1 成矿地质条件

(1)构造条件。

辽西地区膨润土矿床的产出严格受燕山台褶带、辽西台陷控制，主要分布于辽西坳陷内一系列北东向断陷盆地中。六家子膨润土矿床位于中燕山期金岭寺—羊山盆地内，矿床的形成与火山活动密切相关，早白垩世义县期强烈的火山活动沿盆缘断裂带喷发，适宜的火山喷发与构造运动为后期成矿作用提供了充足的物质来源与赋矿空间。矿床形成于构造相对稳定的火山活动间歇期。

(2)地层和岩性条件。

辽西地区膨润土矿床严格受地层和岩性双重控制，成矿时代为早白垩世义县组，成矿原岩以中酸性火山熔岩及火山碎屑岩为主。六家子膨润土矿床产于白垩系下统义县组第4火山喷发旋回顶部富含玻璃质的中酸性火山碎屑岩中，原岩为中酸性沉凝灰岩。矿区内第①～⑨岩性段主要岩性为沉凝灰岩夹凝灰质砂砾岩，沉凝灰岩矿化均匀强烈，凝灰质砂砾岩内凝灰质基质矿化较为强烈。它们均由大量的玻屑、晶屑等细火山碎屑物质组成，受热液蚀变作用影响，对成矿非常有利。

(3)水化学条件。

水化学条件在膨润土矿的形成过程中起着重要的作用，从矿区内沉凝灰岩具有明显的水平微层理来看，几乎所有的层状矿体及成矿母岩初始阶段均在汇水盆地的水体中沉积。另据矿石的pH值(表6)表明矿床形成于富水的偏碱性环境。据桂林冶金地质矿产研究所矿床室(1998)研究，pH值8～10是SiO2、Al2O3等中酸性火山物质主要成分溶解度最大的环境，非常有利于火山玻璃物质的水解与蒙脱石等粘土矿物的形成[7]。因此，地表富含碱性水体的水化学条件是形成膨润土矿的重要的外部条件。

4.2.2 成矿机理

火山碎屑物通过H+或H3O+(水合氢离子)作用，促使火山玻璃解体，在排水补水较充分的碱性水介质中形成蒙脱石(矿体)。其蚀变的简化通式为：火山玻璃+水→蒙脱石+SiO2+残余矿物(方英石、石英、长石等)[8]。其形成过程为：首先是H+交代火山玻璃，并析出阳离子，其次残余的无序硅铝格架分解，然后其分解的格架重建为粘土矿物(蒙脱石)，金属阳离子K+、Na+和H2O+被析出，最后过剩的二氧化硅迁移，由于盆地内水介质pH值较高，二氧化硅容易进行远距离迁移，故该类矿床矿体的顶底板一般不具硅化现象。沉凝灰岩形成膨润土矿床时，K、Na、H2O+显著带出，而Mg、Fe、Al则显著带入。此类矿床最大特点是在成矿过程中带出一定量的水。

矿床系火山喷发形成的凝灰质碎屑物，经搬运沉积在火山盆地内，压实、固结成岩后，在碱性介质水的作用下，水解蚀变脱玻而形成。矿床成因类型为酸性火山碎屑岩水解蚀变型矿床[9-11]。

5 结论

(1)六家子膨润土矿赋存于下白垩统义县组酸性火山碎屑岩系中，矿体呈层状、似层状产出，受地层和岩性双重控制。

(2)矿石为钙基膨润土，呈泥质结构，块状构造。主要矿物成分为蒙脱石，含量75%以上。化学成分具有Al2O3偏高，K2O、Na2O偏低的特性，与国内外主要膨润土矿床相比具有相似性。

(3)矿床蚀变分带元素迁移规律为K、Na、H2O+显著带出，而Mg、Fe、Al则显著带入，矿床成矿过程中，有一定量的水带出。

(4)矿床是由酸性火山碎屑物质在碱性介质条件下，经水解蚀变脱玻化而形成。其成因类型为酸性火山碎屑岩水解蚀变型膨润土矿床。