安徽萧县河头耐火粘土矿地质特征及成因浅析

查旭利

(安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽 淮北 235000)

耐火粘土制作的耐火材料具有耐火度高，热稳定性好及抗酸、碱性炉渣的性能，应用范围广泛，几乎涉及所有工业窑炉及热工设备均有利用。我国耐火材料产量中，耐火粘土制品占80%以上。其中硬质粘土主要作为耐火粘土砖骨料，用于钢铁工业各种冶炼炉及盛钢桶的衬砖、流钢砖、浇钢设施及加热炉、均热炉和其它工业窑炉。硬质粘土与工业氧化铝结合可制作合成莫来石；与石墨结合可制作耐火制品石墨-粘土砖和石墨-粘土坩埚等。高铝粘土主要用作高铝耐火材料高铝砖的骨料，用于钢铁工业高炉、平炉、电炉、盛钢桶及加热炉、均热炉等重要部位内衬，及其它工业窑炉重要部位；还可与煅烧镁砂制作铝镁砖；与烧结氧化铝配合制作刚玉砖等。Fe2O3含量高的高铝粘土还作为铁矾土原料，用于炼钢造渣料或水泥工业制作高铝水泥。软质粘土和半软质粘土作为结合粘土，用于制品成型结合剂。

河头耐火粘土矿位于安徽萧县县城南3km。大地构造位置为中朝准地台淮河台坳，淮北陷褶带，宿州凹断褶东[3]。地层以寒武系、奥陶系最为广泛，震旦系少见，石炭系零星。岩浆岩主要分布在萧县、濉溪县、埇桥区等地，规模较小，多以岩床产出，少量为岩株。岩性为花岗岩、石英斑岩、闪长岩和辉绿岩等。总体构造线以北北东为主，自东向西有皇藏峪复背斜、闸河复向斜、萧县复背斜、蒋河向斜等。矿区位于闸河复式向斜中段东翼，闸河煤田北部，矿层赋存于二叠系下石盒子组底部铝土泥岩中，矿体延展面积0.55km2，矿床具中型规模。矿床矿石工业类型为沉积型硬质粘土。

1 矿区地质特征

1.1 地层

矿区出露石炭系上统太原组(C2t)，二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)，二叠系中统上石盒子组(P2s)和第四系(Q)，图1。由老到新特征如下：

(1)石炭系上统太原组(C2t)：主要为石灰岩，其间夹泥岩、粉砂岩和中细粒砂岩及煤层。厚105m～145m。

(2)二叠系下统山西组(P1s)：分三个岩性段，厚110m～150m。其中，上段灰-深灰色粉砂岩、细砂岩、浅灰-灰色泥岩及砂岩交替成层，底部有较稳定发育的灰-灰绿色中细粉砂岩。粉砂岩常带有少量紫斑或绿色，致密均一。泥岩断口光滑，微含铝土质。底部中细粉砂岩具硅质胶结，含少量泥质包体，可见斜层理，层面含煤屑；中段粉砂岩、砂岩互层及薄层泥岩与煤层组成，底部为浅灰-灰色中粒砂岩或细粒砂岩，含炭屑和植物化石碎片，可见不连续斜层理；下段以砂岩、粉砂岩互层为主，夹1～3层薄煤，互层中见波状层理、透镜状层理、云雾状层理，常含炭屑、菱铁矿等。

(3)二叠系下统下石盒子组(P1x)：分三个岩性段，厚140m～260m。其中，上段以砂岩为主夹杂色泥岩与粉砂岩。砂岩颜色浅灰-灰白色，具斜层理；中段由砂岩、粉砂岩、泥岩与煤组成；下段泥岩夹砂岩、粉砂岩及1～2层薄煤。砂岩细粒或中粒，灰白色，成分以石英为主，钙质胶结，分选、滚圆较好，常有炭屑及粉砂质包体，显水平层理。底部耐火粘土矿，呈浅灰、青灰色，块状，具滑腻感，含少量鲕状菱铁矿。

(4)二叠系中统上石盒子组(P2s)：矿区东北部多被风化剥蚀，岩性为一套杂色粉砂岩、泥岩夹灰色、浅灰色中粗粒砂岩、灰色粉砂岩，偶见薄煤层或煤线。厚30m～120m。

(5)第四系(Q)：粘土、粉砂质粘土、粉砂、细砂及粘土夹砂砾等。厚30m～57m。

K1标志层为太原组最顶部第一层灰色，深灰色生物碎屑灰岩，分布稳定，以该层为太原组与山西组分界；K2标志层为耐火粘土矿层位，浅灰-灰白色，有时灰绿、灰黄色铝土泥岩，致密块状，具贝壳状断口，顶底含鲕状菱铁矿，以该层为下石盒子组与山西组分界[3]。

1.2 构造

区域上属闸河煤田。为轴向北北东向斜盆地的一部分，东西两边分别为皇藏峪复背斜和萧县背斜，矿区位于闸河复向斜中段东翼，总体上呈西倾的单斜构造，浅部陡，深部缓。区内断裂构造较发育，发育次级褶曲，西部地层较缓，东部地层倾角>50°，构造复杂程度中等，地层倾角较大。据钻孔揭露矿区内共有断层5条，断层特征见图1、表1。

图1 安徽萧县河头耐火粘土矿区地质简图

表1 断层特征一览表

1.3 岩浆岩

矿区岩浆岩较发育，侵入时期为燕山期。属丁里岩体南端，据二维地震和钻孔揭露西部、南部大部分地区均不同程度受岩浆岩侵蚀。主要岩性为花岗岩，呈浅肉红色，风化后呈浅黄色，致密坚硬，细晶结构，块状构造，主要组成矿物为斜长石、钾长石、石英，暗色矿物为少量黑云母、角闪石等。多呈层状侵入于二叠系下石盒子组煤系中，形成岩床、岩株，破坏了煤层的连续性、完整性。

2 矿体地质

2.1 矿体特征

矿体赋存于下石盒子组底部铝土泥岩中，为“K2”标志层，习惯称高岭岩矿化层。距底部太原组石灰岩(K1)约140m。层状，似层状，倾角45°～50°，南北长600m，东西宽230m，赋存标高-50～-400m。矿层厚度变化大，以2线厚度最大，向北、向南分别变薄。2线09-2孔矿层厚度最大7.70m(图2)。5线26孔厚度最薄为1.00m，平均厚度2.56m。矿层结构简单，均为单层。矿层顶板岩性以砂岩为主，其次为粉砂岩、泥岩，砂岩呈浅灰色细-中粒，多为钙质胶结。底板均为泥岩，致密块状，局部含铝土质。区域上由于部分地段Fe2O3、TiO2含量较高，致使矿体(层)不连续，分成若干个矿体。

图2 萧县河头耐火粘土矿2线地质剖面简图

2.2 矿石质量

(1)矿石的结构、构造、矿物成分

通过显微镜观察鉴定，矿石主要为显微鳞片状高岭石组成，少量结晶为细小蠕虫状；赤铁矿呈微粒状，均匀散布于高岭石中(图3)。矿石构造主要为致密块状、鲕状。矿石主要矿物有水铝石、高岭石、地开石、埃洛石、伊利石及褐铁矿、赤铁矿，其它矿物含量一般不超过3%，化学分析结果显示部分样品Al2O3较高(可达39.99%)，说明含水铝石较高。

图3 耐火粘土矿显微镜下照片

(2)矿石物理性质

矿石颜色主要为浅灰-灰黑色，少量花斑状，暗红黄绿，以暗红为主；矿石结构为显微鳞片状结构；矿石构造为呈凝胶致密块状构造，质地细腻，有滑感；矿石质硬性脆，地表易风化裂解成不规则尖锐棱角状小块；摩氏硬度3～4级；矿石比重2.54g/cm3～2.72g/cm3，平均2.60g/cm3；暗淡油脂光泽，断口呈贝壳状、平坦状、参差状；7个样品测试结果(表2)，矿石未烧结吸水率最低46.11%，最高68.57%，平均57.65%。

表2 矿石未烧结吸水率结果表

(3)矿石化学成分

区内16个采样工程，42个基本分析样矿体平均化学统计结果见表3。矿石化学成份上有以下特征：①有益成份Al2O3含量较高，两极值为30.87ω%～46.30ω%，平均43.46ω% 。控制资源量平均43.43ω%，A/S为0.85；推断资源量平均43.47ω% ，A/S为0.85。Al2O3含量较高说明矿石中含水铝石含量高，耐火度高。②SiO2含量偏高，两极值为43.21%～52.58%，平均51.21% 。控制资源量平均51.22%，推断资源量平均51.20%。③Fe2O3含量较低，两极值为1.40%～3.49%，平均2.46%。控制资源量平均2.48%，推断资源量平均2.31 %。④TiO2含量偏低，两极值为1.03%～1.40%，平均1.12%。控制资源量平均1.11%，推断资源量平均1.12%。⑤Al2O3与Fe2O3成反比关系，即Al2O3偏高时则Fe2O3偏低，反之亦然，主要表现在矿石和顶底板围岩中。⑥CaO含量偏低，两极值为0.034%～0.64%，平均0.14% 。⑦LOI(烧失量)含量为6.38%～13.87%，平均12.86%。基本反映其H2O的含量较高。⑧耐火度最低1730℃，最高1790℃，平均1773℃。

2.3 矿石类型

依据矿区矿石的颜色、结构构造、矿物成分、比重、未烧结吸水率、耐火度等矿石特征和邻近的朔里煤矿区对比，本矿床的矿石工业类型为沉积型硬质粘土。

2.4 矿石品级和工业利用性能评价

参照DZ/T0206-2020《矿产地质勘查规范高岭土、叶腊石、耐火黏土》耐火黏土矿一般工业指标以及结合本区耐火粘土品级分布情况，品级统一按Ⅲ级品，工业指标如下(表4)：

表3 矿体主要元素平均化学成分统计表

表4 萧县河头硬质耐火粘土的工业指标

2.5 矿体围岩和夹石

矿体赋存于二叠系下石盒子组底部高岭岩矿化层中，矿化层直接顶板为深灰色块状泥岩，厚2.12m～4.42m，平均3.58m，直接底板为灰～浅灰色细粒砂岩与砂质泥岩互层，厚度在1.29m～2.29m，平均1.84m。耐火粘土矿化层分布较稳定、结构均匀，矿区内见矿工程均无夹层出现。

矿体位于耐火粘土矿化层中部，与上、下部高岭岩呈渐变关系，有时呈突变关系。岩石特征上，一般矿体中无或很少有鲕状菱铁矿，在垂直矿体厚度向上或向下鲕状菱铁矿呈逐渐增加趋势，变成含鲕状菱铁矿高岭岩。当岩(矿)中鲕状菱铁矿增多使Fe含量达到一定值时，则视作围岩，反之则视作矿体。根据鉴定，高岭土矿与围岩的关系在26孔段表现得较为完全。矿体厚1.00m，为灰-灰白色或深灰色致密块状耐火粘土矿。矿体之上为浅灰-灰色块状含鲕状菱铁矿铝质泥岩，下部为灰-浅灰色含鲕状菱铁矿。

3 矿床成因

河头耐火粘土矿矿床赋存于煤系地层之中，其层位位于二叠系下石盒子组底部与山西组顶部的交界面上。矿层上约40m处有可采煤层，下约65m处有局部可采煤层，因此沉积具有煤系地层的特征。二叠系山西组下部为河流间湾相充填和碎屑潮坪相沉积，上部为受潮汐作用影响的河控三角洲沉积；下石盒子组以河流作用为主的进积型三角洲沉积为主，因此矿床从属于煤系地层沉积的环境，属下三角洲分流间湾型沉积[3]。耐火粘土矿与煤层沉积环境、岩相等方面存在着一定的联系：首先除层序与煤系地层有关外，其分布范围与煤层大致相同，淮北煤田范围内几乎普遍存在高岭土矿化层，过去统称铝土泥岩，并且层位也稳定，厚度变化相对不大，煤田勘查时把它作为K2标志层。相当于华北A层铝土矿层位。其次矿石颜色为浅灰-深灰色，顶底板岩性大多为灰色砂质泥岩、泥岩和细砂岩，期间含有植物根茎化石。

4 结 论

河头耐火粘土矿母岩赋存于二叠系下石盒子组底部，称其为铝土泥岩。该铝土泥岩不但在河头耐火粘土矿矿区，而且在整个淮北煤田都普遍发育。是寻找与煤共生沉积型硬质粘土矿床的重要标志。主要发育于古构造稳定的缓慢沉降阶段的下三角洲分流间湾中。