内蒙古清水河地区高岭土矿床地质特征及成矿条件分析

赵佳佳，张云学，刘明君，郑建勋，田 璐

(中国建筑材料工业地质勘查中心内蒙古总队，内蒙古 呼和浩特 010010)

目前，高岭土用途除涵盖陶瓷、造纸、涂料、耐火材料等多个领域外，还用于建筑相变储热材料、太阳能储能材料、生物医药、吸附材料、分子筛原料，对支撑战略性新兴产业发展具有重要的作用[1-5]。近年来，内蒙古清水河地区的高岭土进行不同程度、不同规模的开发利用，主要生产煅烧高岭土产品，用于陶瓷、耐火材料、造纸、涂料及玻钎等工业生产[6-7]。本文通过在该地区开展高岭土矿的地质找矿工作，全面搜集区内地质资料和研究成果，经过对典型高岭土矿床的对比研究，进一步梳理并总结地区高岭土资源地质特征，分析成矿条件，为今后高岭土找矿勘查工作提供参考。

1 成矿地质背景

按板块划分，区内一级构造单元为华北陆块区(II)，二级构造单元为晋冀陆块(II-2)，三级构造单元为吕梁碳酸盐岩台地台(II-2-5)。成矿区带位于山西(断隆)Fe-铝土矿-石膏-煤-煤层气成矿带(Ⅲ-61)[9]。出露地层由老到新分别为下古生界下寒武统馒头组(∈1m)、中寒武统张夏组(∈2z)、上寒武统炒米店组(∈3c)、上寒武统—下奥陶统三山子组(∈3-O1s)、中奥陶统马家沟组(Ο2m)，上古生界上石炭统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C2t)、下二叠统山西组(P1s)，中生界下白垩统左云组(K1z)，新生界新近系上新统宝格达乌拉组(N2b)及第四系(Q)(图1)。依据沉积旋回及区域性不整合特征，将太原组划归为华力西—印支期构造层，又根据岩相建造、古地理、古气候及成矿地质特征进一步划为华力西—印支期构造层中的第一亚层[11]，为一套海陆交互相碳酸盐岩、铝土页岩、石英碎屑岩及煤系地层。区域构造线走向呈北北东至近于南北向，倾向西，倾角较为平缓，成一单斜构造。构造变动轻微，仅表现为地壳的升降运动，局部见波状褶皱形成小的背向斜。清水河地区高岭土矿均赋存于上石炭统太原组(C2t)的地层中。

图1 成矿地质背景及矿产地分布图

2 矿床地质特征

从区域看，清水河地区高岭土矿主要分布在黄河东岸的黑矾沟至酒铺也一带，其余地段见有零星出露。截止2020 年底，区内发现上表矿产地3 处(矿床规模中大型2 处，中型1 处)，未上表矿区3 处(表1)，累计查明的高岭土资源储量约占全区20%以上。通过对已发现矿床及矿产地成果资料的对比研究，区内矿床多为中—大型规模且分布较为集中，主要矿床地质特征、矿体产出形态、赋矿层位基本类似，以龙泉沟高岭土矿床、桑林坡高岭土矿床及新发现的铁驼堰高岭土矿产地为典型。

表1 已发现高岭土矿产地一览表

2.1 高岭土含矿层位

高岭土矿均赋存于上石炭统太原组(C2t)的地层中。太原组上覆新生界新近系上新统宝格达乌拉组(N2b)紫红色泥岩及第四系(Q)黄土，局部地段覆盖有中生界下白垩统左云组(K1z)浅紫灰色砾岩夹泥岩；下伏上寒武统—下奥陶统三山子组(∈3-O1s)，局部地段与上古生界上石炭统本溪组(C2b)整合接触。太原组在遗留的采坑和冲沟内出露良好，底部与下伏地层接触界线清晰，顶部地层在区内零星出露或缺失，多受沟谷切割，地层整体不连续且上部覆盖较厚。岩层空间展布稳定，总体近似水平，呈舒缓波状，走向270°～340°，倾角2°～8°，厚度5.84 ～155.50m。根据该组地层岩性组合特征，将其自下而上分为三个岩性段。

上石炭统太原组第一岩性段(C2t1)，区内发育完全，岩性主要为红褐色、灰白色含铁质结核中粗粒石英砂岩、粉细砂岩、泥质粉砂岩夹杂色泥岩(局部夹铁质泥岩、窝状褐铁矿)、含粉砂泥岩；工程揭露厚度2.40 ～60.74m,与下伏地层呈平行不整合，个别地段与上石炭统本溪组(C2b)整合接触。第二岩性段(C2t2)，区内发育较完全，下部岩性为灰白色粉砂岩局部见黑色炭质泥岩(页岩)、硬质高岭土、中细粒砂岩，中部为中粗粒石英砂岩、局部见煤线及软质高岭土夹薄层硬质高岭土、细砂岩、含粉砂泥岩，上部为含砾中粗粒石英砂岩；工程揭露厚度1.04 ～40.93m，与下伏地层呈整合接触，该段赋存具有工业价值的高岭土矿。第三岩性段(C2t3)，区内发育完全，岩性主要为：灰白色中细粒砂岩、深灰—灰色硬质高岭土、中粗粒砂岩、含砾砂岩、含粉砂泥岩、含泥质粉砂岩。工程揭露厚度0.30 ～64.56m，与下伏地层呈整合接触，该段赋存具有工业价值的高岭土矿。

2.2 矿层(体)特征

区内圈定具有工业价值的高岭土矿四层，自上而下依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ矿层(图2)。其中Ⅰ、Ⅱ号矿层(体)为深灰、灰褐色硬质高岭土矿，Ⅰ号矿层(体)之下2 ～5m 为Ⅱ号矿层(体)，Ⅱ号矿层(体)之下0 ～10m 为Ⅲ号矿层(体)；Ⅲ号矿层(体)为紫褐、土灰色软质高岭土夹灰褐色薄层硬质高岭土矿，Ⅲ号矿层(体)之下2 ～12m 为Ⅳ号矿层(体)；Ⅳ号矿层(体)为灰白色硬质高岭土。在个别地段中Ⅱ号与Ⅲ号矿层(体)直接接触。矿层(体)产状与地层产状协调一致，倾角缓倾斜或近于水平，矿层(体)形态为层状、似层状、透镜状，各矿层特征及延展规模见表2。

表2 各矿层特征及延展规模一览表

图2 高岭土矿典型地质剖面图

Ⅰ号矿层(体)：赋存于上石炭统太原组第三岩性段(C2t3)的上部，在区内由多个相对独立的区块断续分布，总体呈北西—南东向条状延展，沿走向最大长度1 865m，沿倾向最大延伸2 880m；矿层形态为似层状、透镜状，矿石类型为硬质高岭土；厚度0.75～4.44m,平均厚度1.90m；矿层内部结构简单，底板为中粗粒砂岩，顶板为细粒砂岩或直接被黄土覆盖。

Ⅱ号矿层(体)：赋存于上石炭统太原组第三岩性段(C2t3)的下部，在区内由多个相对独立的区块断续分布，总体呈北西—南东向条状延展，沿走向最大长度3 610m，沿倾向最大延伸4 890；矿层形态为似层状、透镜状，矿石类型为硬质高岭土；矿层厚度0.70 ～8.21m,平均厚度2.47m；矿层内部结构简单，顶、底板均为中粗粒砂岩。

Ⅲ号矿层(体)：赋存于上石炭统太原组第二岩性段(C2t2)中部，在区内空间分布有一定规模，较连续，厚度变化大且不稳定，总体呈北西—南东向条状延展，沿走向最大长度2 557m，沿倾向最大延伸3 590m；矿层形态为似层状、透镜状，矿石类型为软质高岭土；矿层厚度0.88 ～14.55m,平均厚度3.04m；矿层内部结构简单，顶板为中粗粒砂岩，个别见矿工程中与Ⅱ矿层直接接触，底板为杂色泥岩，炭质泥岩等。

Ⅳ号矿层(体)：赋存于上石炭统太原组第二岩性段(C2t2)下部，在区内空间分布范围最广、规模最大且较连续，总体呈北西—南东向条状延展，沿走向最大长度450m，沿倾向最大延伸2 370m；矿层形态为似层状、透镜状，矿石类型为硬质高岭土；厚度1.00 ～4.15m,平均厚度2.18m；矿层内部结构简单，顶板为中粗粒砂岩，底板为杂色泥岩，炭质泥岩等。

2.3 矿石特征

矿石自然类型根据其质地、可塑性、砂质的质量分数分为硬质高岭土和软质高岭土两种类型[8]。

(1)硬质高岭土：矿石细腻、性脆、瓷状或贝壳状断口，牙咬无砂感，质硬，无可塑性，粉碎、细磨后具可塑性；矿石多呈灰—深灰色，具隐晶质、(含粉砂)泥质结构，块状构造。矿石主要由斑状粘土矿物和隐晶质粘土矿物组成。斑状粘土矿物由蠕虫状、毡状、鳞片状、放射状集合体的高岭石和碎屑状泥岩组成。隐晶质粘土基质，纹理清晰，分布于斑状粘土矿物颗粒之间。经X 光衍射、扫描电镜分析，硬质高岭土矿石基本由高岭石组成，高岭石含量为93%～100%，含少量石英、一水软铝石。

经物理性能测试，矿石塑性指数6.0 ～13.1，干燥收缩率-0.2% ～-0.3%，耐火度1 740 ～1 800℃，自然白度51.3 ～69.1，煅烧白度在950℃时为79.1 ～82.6，在1 000℃时为78.9 ～93.2。矿石小体积质量(体重)平均值为2.28g/cm3，湿度平均为1.44%。

(2)软质高岭土：俗称“木节土”[12]，矿石呈疏松土状、弱固结状，质软，可塑性一般较强，砂质含量较少，一般小于50%；矿石主要为紫褐色，其次见白色、灰白色，一般有机质含量越高，颜色越深。矿石具泥质结构，块状构造。矿石主要由斑状粘土矿物和隐晶质粘土基质组成，含少量砂屑。斑状粘土矿物由蠕虫状，鳞片状、席状高岭石集合体或由泥岩碎屑组成。泥岩碎屑主要由高岭石、少量伊利水云母等组成，大小多在0.3mm 以下，呈中晶斑状杂乱分布于隐晶质粘土基质之中。隐晶质粘土粒度＜0.004mm，分布于斑状碎屑之间，砂屑主要由云母类矿物、粘土化岩屑组成，以＜0.5mm 的细粉砂为主。经X 光衍射、扫描电镜分析，矿石主要由高岭石组成，其含量为88.8%～99.4%，其次含少量的石英、水云母、一水软铝石、方解石和铁质。

经物理性能测试，矿石可塑性指数4.2 ～7.5，干燥收缩率-0.3%，耐火度1 740 ～1 790℃，自然白度21.2 ～29.9，煅烧白度在950℃时为74.6，在1 000℃时为75.7。矿石小体积质量平均值为1.97g/cm3，湿度平均4.39%。

按矿体分别对矿石化学全分析测试结果进行统计(表3)，本区硬质高岭土矿石主要化学有益组分Al2O3的平均质量分数为36.98%，主要有害化学组分为Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均质量分数为0.56%，TiO2平均质量分数0.65%；本区软质高岭土矿石主要化学有益组分Al2O3的平均质量分数为37.21%，主要有害化学组分为Fe2O3和TiO2，其Fe2O3平均质量分数为0.72%，TiO2平均质量分数1.05%；与现行行业标准中高岭土矿一般工业指标相比，两类矿石中TiO2平均质量分数较一般工业指标要求偏高。

表3 矿石化学全分析测试结果统计表 (单位：%)

3 成矿条件分析

区域地质背景对高岭土矿床的形成起到了控制作用，而高岭土成矿还受古地理类型、古构造、古气候、水介质条件、物质来源、风化作用以及成岩作用等诸多因素控制。其中，理想的沉积环境和必要的物质来源及大地构造的演化均是高岭土成矿重要条件。

3.1 地层控矿

高岭土赋存在上石炭统太原组的地层中，有较稳定的含矿层位，严格受地层控制,常位于沉积旋回上部，有明显的沉积韵律[9-11]。矿体多呈层状、似层状、透镜状，围岩主要为各粒级砂岩和泥岩或未圈为矿体的高岭土(也有称其为高岭石粘土岩)，矿体与围岩界线清晰，产状一致，随含矿地层起伏而呈波状展布，倾角平缓或近水平，受沉积环境影响，局部矿体形态、厚度有大的变化。

3.2 成矿要素

古地理是控制成矿的基本场所和物质基础[11]，伴随着盆地的不同发展阶段，形成较完整的沉积体系，受区域地质构造作用的控制，形成本区域含矿地层及沉积特征，表现为仅见有少量煤线的煤系高岭土矿床。经典型矿床对比分析，高岭土矿分布有稳定的赋矿层位，矿床成因类型为含煤地层中之高岭石粘土岩型，成矿时代为晚石炭世，矿石类型为硬质高岭土、软质高岭土，矿物组合以高岭石为主，其次含少量的石英、水云母和铁质。所处大地构造位置控制沉积体系格局，次级构造控制成矿区域空间展布，地层及岩性组合特征能指示成矿有利部位及空间分布。

3.3 成矿物质来源

本区高岭土的成矿物质主要来源于盆地周围太古代古陆内广泛分布的前寒武纪变质岩及华力西期以前的中酸性岩浆岩中稳定性差的硅铝酸盐矿物及其风化产物，其中富硅铝酸盐矿物经长距离的自然力搬运，在石炭纪至早二叠世早期形成了大量的以高岭石为主要成分的粘土，后经冲刷，搬运或以铝、硅质溶胶形成在腐植酸的保护下被携带到复水泥炭沼泽环境中沉积富集，在泥炭沼泽形成后期，当水介质条件发生变化(如pH 值、矿化度等)，铝、硅质溶胶逐渐凝聚脱水、成岩作用，形成高岭土矿，同时在搬运和沉积过程中又混入有机质及各种杂质，在自然矿石上直接表现为颜色多变。

4 结论

通过对已发现矿床及矿产地成果资料的对比研究，系统总结该区高岭土矿矿体特征及矿石质量，并分析了该区高岭土的重要成矿条件，得出如下结论。

(1)高岭土矿严格受上石炭统太原组地层控制，含矿层位稳定，矿体多呈层状、似层状、透镜状，矿体分布范围广、厚度较稳定。矿石类型主要为硬质高岭土，其次为软质高岭土，矿石质量指标、物理性能满足工业要求。

(2)高岭土属沉积型矿床，由前寒武纪变质岩、华力西期以前的中酸性岩浆岩中稳定性差的硅铝酸盐为主的矿物为成矿提供物质来源。

(3)清水河地区高岭土资源分布集中且规模大，占据一定区域资源优势，有好的找矿前景。