鄂西煤系高岭土矿石特征及其在药用橡胶中的应用研究

§1．3　煤系高岭土矿石特征

1．3．1　矿石类型

鄂西煤系高岭土矿石主要为硬质高岭土，次为软质—半软质高岭土和含粉砂质高岭土。硬质高岭土多为灰、灰白、浅灰及灰黑色，致密块状，坚硬，硬度为3．5±，遇水不软化、不崩解、不吸水、不膨胀，矿石容重为2．25～2．41t/m³；软质矿石呈灰黄色、土黄色，块状，多夹有煤线或碳质（最高碳质含量可达8%），硬度极低，可塑性强，遇水膨胀，容重为1．52～2．2t/m³。含粉砂质高岭土矿石特征类似硬质高岭土矿石，仅砂质含量高。

1．3．2　矿石结构构造

1．3．2．1　软质高岭土矿

软质高岭土矿矿石多呈灰褐色—灰黑色，为泥质结构，普遍见含有机质多的暗色条带与含有机质少的浅色条带相间形成的条带（纹）状构造［图1‐3（a）］，越接近煤层条带状构造越明显，远离煤层则向条纹状构造转化。矿物成分主要是高岭石，其次是有机质，具有极强的吸水性，遇水迅速软化，黏性强，可塑性大，质地软，断口不光滑。

软质高岭土矿常与薄煤层（或碳质页岩）共生，两者既有上下关系，也有相变关系。在剖面上有下列5种组合方式：

①顶板—煤层—黏土矿层—底板；

②顶板—黏土矿层—煤层—黏土矿层—底板；

③顶板—煤层—黏土矿层—煤层—底板；

④顶板—黏土矿层—底板；

⑤顶板—黏土矿层—煤层—底板。

常见的是顶板—煤层—黏土矿层—底板与顶板—黏土矿层—底板两种组合方式。

软质高岭土矿石，仅发育于第二旋回，发育程度差别较大，在宜都捉乌咀最发育，其厚度变化于1．08～2．81m。1．3．2．2　硬质高岭土矿

硬质高岭土矿为深灰、灰、灰白色致密块状构造，断口光滑或具贝壳状［图1‐3（b）］，有胶状感，长时间浸泡不软化、不吸水、不崩解、不膨胀，具有均匀细腻的泥质结构，普遍见植物根茎化石发育。根据颜色可分为3种。

（1）深灰色硬质高岭土矿：一般见于矿层上部，含碳质及有机质较多，颜色较深，有时见少量星散状黄铁矿；泥质结构、块状构造。

（2）灰色硬质高岭土矿：多见于矿层中下部，含较多植物根茎化石；泥质结构、块状构造，偶见不均匀斑点状构造；贝壳状断口光滑；一般质地很纯。

（3）灰白色硬质高岭土矿：多见于矿层下部，风化面上有时呈米黄色；泥质结构、块状构造，断口平整光滑，含有一定的植物根茎化石。

1．3．2．3　含粉砂硬质高岭土矿

含粉砂硬质高岭土矿［图1‐3（c）］一般处在矿层底部，呈似层状或透镜状产出，实际上是底板粉砂岩与高岭土矿层之间的过渡产物，一般呈粉砂泥质结构、块状构造，普遍含植物根茎化石、断口粗糙。这类矿石所占比例小于5%，其主要物性特点与前述两类矿石无大的差异，其差异主要是粉砂质含量较高。镜下鉴定发现矿物成分中含有较多石英（5%～10%），石英颗粒一般为0．02～0．05mm，呈次棱角状散布于黏土矿物之中。化学成分显示其质量较差，SiO₂含量高于硬质高岭土矿，最高可达50%，Al₂O₃及灼失量均较低。

图1‐3　煤系高岭土矿石宏微观特征

1．3．3　矿石矿物成分

1．3．3．1　主要矿物

鄂西煤系高岭土矿的主要矿物成分为高岭石。高岭石在软质高岭土矿及硬质高岭土矿中的含量均在95%以上，在含粉砂质硬质高岭土矿中则在90%左右。

高岭石呈隐晶—微晶质鳞片状、蠕虫状集合体，局部地方见粗鳞片状（粒径0．02～0．06mm）。颗粒状集合体大小在0．005～0．015mm之间。粗鳞片状高岭土常形成手风琴状连晶体产出，连晶体长度可达0．1mm，在电子显微镜下能够见到边缘清晰、衬度高的鳞片状晶体和假六方鳞片状晶体［图1‐3（d）］。

差热分析发现本区高岭石差热曲线与国内外几个典型矿区高岭土差热曲线基本一致（图1‐4）。从图1‐4中可以看出本区高岭土差热曲线在100℃左右有一个平缓的凹槽，在590℃左右呈深的吸热谷，在1000℃左右则为尖而高的放热峰。其峰形及峰值强度同温州、苏州、日本关白高岭土标准曲线基本相似，这种特征表明本区高岭土矿质地很纯，其中唯有夏家湾两个样品差热曲线在310℃处有一个小的放热峰，可能是其间混有少许绢云母所致。

图1‐4　高岭石的差热曲线比较

红外线吸收光谱分析显示本区高岭石在高频区（4398～1200cm－1）出现3697cm－1和3619cm－1处两个强的吸收峰，在中低频区（1200～400cm－1）出现几组分裂清晰的强吸热峰。无论高频区还是中低频区都表现出谱带数目多、形态尖锐、强度高、分辨清晰的特点，并同国内江苏苏州、河北宣化等结晶完好的优质高岭石红外吸收光谱特征相似（表1‐2，图1‐5），这表明本区高岭土结晶程度好，有序度高。

表1‐2　鄂西高岭石及结晶高岭石红外谱带的波数位置

图1‐5　高岭石红外光谱分析的比较

15件样品X‐衍射分析表明：高岭石均为1T型高岭石，含粉砂质高岭土矿石中含有较高的石英；软质高岭土矿石中含有较多的高岭石和绿泥石；硬质高岭土矿石几乎为纯的高岭石。图1‐6为3类高岭土矿石的X射线图谱，硬质高岭土矿石（SPDH2）显示为典型的高岭石衍射图谱，从衍射峰（001）至（060）间出现三斜高岭石所有的峰，峰形尖锐、对称；（001）和（002）间出现5～6个衍射峰，（111）衍射峰分裂清晰或为一个肩。Hinckley（HL）结晶指数为1．32～1．64，X‐衍射分析亦表明高岭土矿石中的高岭石属结晶程度高、有序度高的高岭石。

图1‐6　鄂西地区高岭岩的X射线图谱（样品采自松滋桃树）

1．3．3．2　次要矿物

次要矿物在不同的矿石类型中的组合及含量具有一定的差异，经过偏光、反光显微镜鉴定及X射线粉晶衍射法，不同类型矿石物相分析见表1‐3。

表1‐3　鄂西部分主要高岭土矿石矿床的物相组成

石英：粉砂状，呈棱角状到次棱角状，粒径为0．005～0．07mm，多数小于0．02mm；一般呈均匀星散状分布，在粉砂质黏土矿中可见局部集中成小透镜状、线理状分布；其含量在质量较好的软、硬质高岭土矿则降为微量矿物。

绢云母：细鳞片状，片径为0．03～0．06mm，主要见于夏家湾到捉乌咀一带软质高岭土中，分布均匀。

伊利石：细鳞片状，片径为0．03～0．06mm，广泛分布在各种类型的矿石之中。

碳质：主要呈胶状结构及植物根茎结构，较多混杂在深色高岭土矿石之中；其含量直接与矿石颜色深浅相关。

1．3．3．3　微量矿物成分

鄂西煤系高岭土微量矿物主要为铁、钛矿物。

1．铁矿物

主要为赤铁矿，重砂鉴定结果表明，赤铁矿呈钢灰、棕红色、铁黑色，块状、板块状。颗粒大小明显分成大小两群，大者粒度为0．01～0．5mm，其棱角完整，可能是化学沉积产物；小者粒度为0．02～0．08mm，呈圆球状、次棱角状，多属碎屑沉积物。

为了进一步确定矿石中主要铁的赋存形态，对经电磁选后的样品分别进行了X‐衍射分析及电镜扫描后发现，矿石中的带色矿物主要为赤铁矿，这反映出赤铁矿为矿石中主要的含铁矿物［图1‐7、图1‐8，表1‐4］。

图1‐7　高岭土磁选后非磁性杂质X‐衍射图

(www.chuimin.cn)

图1‐8　高岭土磁选后磁性杂质X‐衍射图

表1‐4　高岭土磁选后带色矿物电子探针分析结果（单位%）

注：测试单位为中国地质大学测试中心。

除赤铁矿外，光薄片及重砂鉴定还发现有磁铁矿、黄铁矿、褐铁矿存在。

磁铁矿：黑色，圆球状，粒径小于0．01mm，为陆源碎屑沉积。

黄铁矿：细分散状，粒径为0．001～0．004mm，少量粒度略大；圆粒状、草莓状，少量可见立方体晶形。

褐铁矿：呈胶状，显微圆粒状，风化后呈紫红色，粒径为0．05～0．005mm，为表生环境下氧化产物。

2．钛矿物

对矿石重砂鉴定以及对矿石的重选、电磁选样品的X‐衍射分析及电镜扫描，结果反映出锐钛矿为矿石中的主要含钛矿物（图1‐9、图1‐10，表1‐5）。在电子探针上进行Ti的面扫描，发现有Ti的独立矿物锐钛矿存在，其呈板状，粒径一般为0．5～1．5μm。在钛的X射线散点图上亦显示出钛矿物的晶体形态（图1‐11）。

图1‐9　高岭土电磁选弱电磁性杂质X‐衍射图

图1‐10　高岭土电磁选强电磁性杂质X‐衍射图

表1‐5　钛矿物电子探针分析结果（单位%）

注：测试单位为中国地质大学测试中心。

图1‐11　高岭土矿石电磁选后杂质背散射电子图和钛的X‐衍射散点图

除锐钛矿外还发现矿石中存在极其微量的白钛石、板钛矿及金红石等含钛矿物。

3．其他矿物

电气石：黑色，次棱角—半圆柱状，粒径为0．03～0．1mm。

锆英石：黄褐色，呈次棱角—次圆短柱状，粒径为0．03～0．1mm，具有陆源碎屑搬运磨蚀的外貌特征。

1．3．4　矿石化学成分及其变化

1．3．4．1　一般特征

从区域上代表性高岭土矿区部分样品的全分析及各组合样分析结果（表1‐6）可以看出鄂西地区高岭土矿化学成分有如下特征。

表1‐6　宜昌高岭土矿石化学成分及微量元素分析结果

注：样品由宜昌地质矿产研究所化学测试室测定，括号内数字为采集样品数。

（1）Al₂O₃含量较高，SiO₂含量比较低。Al₂O₃最高含量为38．49%，最低含量为33．63%，平均含量为37．41%；SiO₂含量最高为49．38%，最低含量为39．48%，平均含量为44．34%。Al₂O₃/SiO₂比值为0．68～0．88，平均比值为0．84，接近高岭土的理论值（0．85）。

（2）钛、铁含量较高。TiO₂含量变化于0．65%～1．72%之间，平均含量为1．21%，反映本区高岭土矿具有钛高的特征；TFe含量大多小于1%，少数样品大于1%，最高达到1．41%，平均含铁量为0．63%。

（3）碱金属及碱土金属含量低。K₂O＋Na₂O最高含量为0．85%，最低含量为0．05%，平均含量为0．304%；CaO＋MgO最高含量为1．17%，最低含量为0．126%，平均含量为0．38%。

（4）MnO含量极低，大多小于20×10－6，少数大于40×10^－6，最高为119×10^－6，最低为2．71×10^－6，平均为15．55×10^－6，显示出本区高岭土矿具有明显的低锰特点。

（5）亲硫元素Cu、Pb、Zn含量低。其中Cu最高含量为75×10^－6，最低含量为2．0×10^－6，平均含量为22．13×10^－6；Pb含量变化于0．5×10－6～48．2×10^－6，平均为17．94×10－6；Zn的含量最高为53．2×10－6，最低为2．75×10^－6，平均仅为12．39×10^－6。Cu、Pb、Zn三元素平均值之和仅为52．46×10^－6，表现出矿石重金属元素含量低的特点。

（6）有毒有害元素As、Cd的含量极低。Cd最高含量仅0．34×10^－6，最低含量为0．01×10^－6，平均含量仅0．05×10^－6；As含量最高为5．78×10－6，最低含量为0．22×10^－6，平均含量仅1．83×10^－6。

1．3．4．2　不同矿石类型化学成分的差异

鄂西地区煤系高岭土不同矿石类型化学成分及微量元素存在一定的差异（表1‐6）。

（1）硬质高岭土矿石Al₂O₃、SiO₂含量稳定，Al₂O₃变化范围为37．72%～38．42%，SiO₂变化范围为43．68%～46．78%；Fe₂O₃含量变化较大，含量在0．23%～0．92%之间；TiO₂含量较高，为0．98%～1．49%；K₂O＋Na₂O含量较低，为0．05%～0．58%；CaO和MgO含量低，均小于0．25%；MnO含量极低，为2．71×10^－6～32．7×10^－6；微量元素Cu（＜30×10－6）、Pb（＜25×10^－6）、Zn（＜20×10^－6）、Cd（＜0．1×10^－6）、Tl（＜0．3×10^－6）等含量极低，As元素一般低于1．5×10^－6，个别样品大于3×10^－6；灼失量较为稳定，一般小于16%。

（2）粉砂质高岭土矿石成分与硬质高岭土矿石成分差异不大，由于含有较多的砂质，SiO₂略高，为44．94%～49．38%，Al₂O₃具有降低的特征，最低仅为33．63%；灼失量明显较低，低于15%；K₂O＋Na₂O含量低于0．2%；其他重金属含量不高。

（3）软质高岭土矿石与其他两类矿石的成分相比具有明显的差异。Al₂O₃、SiO₂含量差异不大，Al₂O₃为34．9%～38．4%，SiO₂为39．48%～44．58%；TFe多大于0．5%，且含量变化大（0．34%～1．41%）；TiO₂含量为0．91%～1．72%；K₂O＋Na₂O含量明显较高，为0．32%～0．85%，平均值大于0．5%；CaO和MgO含量亦较高，CaO为0．09%～0．86%，MgO为0．14%～0．47%；MnO较硬质矿石高，最高达119×10－6；微量元素Cu（12．5×10^－6～75×10^－6）、Pb（15．5×10－6～48．2×10^－6）、Zn（2．8×10^－6～53．2×10^－6）、As（1．53×10^－6～5．78×10^－6）等均较硬质高岭土矿石含量高；由于矿石中一般含有较高的碳质和水分，灼失量偏高，最高达19%。

此外，含粉砂质高岭土矿石具有较低的Al₂O₃/SiO₂比值，说明矿石中存在较多游离态的SiO₂，反映矿物组成中含较高石英；软质高岭土矿石与硬质高岭土矿石的Al₂O₃/SiO₂比值接近高岭土的理论值（0．85），质地较纯。

1．3．5　矿石物性特征

1．3．5．1　白度

鄂西高岭土矿因含较多的碳质（有机质），宏观上呈灰黑色、灰色和灰白色，原矿自然白度不高，一般为18．9%～31．3%，最低仅为7．4%，最高为59．4%。对在仁和坪地区采集的部分高岭土矿石经过超细高温焙烧去掉有机质后，不仅有益组分含量大幅提高，而且煅烧后产品的白度可提高80%以上，最高白度可达84．5%（表1‐7）。

表1‐7　矿石‐1200目煅烧超细高岭土矿石化学分析及白度测试结果

1．3．5．2　耐火度

鄂西地区高岭土矿长期以来都作为耐火黏土评价，其中专门性评价最为系统的要属夏家湾黏土矿区和梯子口矿区，其耐火度测定结果见表1‐8。

表1‐8　高岭土矿耐火度测量结果表

从表1‐8中可以看出本区高岭土黏土矿最低耐火度为1710℃，多数样品耐火度在1730℃之上，属于优质耐火材料。