海泡石、凹凸棒石礦床地質
壹、礦床成因概述
從凹凸棒石在自然界的產出特征及其與有關礦物的相互關系分析，它是壹種低溫礦物，是堿性溶液中SiO2和Mg結合結晶出的化學沈積物，或固－液的均衡相變礦物。它在濃縮的海水中或SiO2飽和的鹽水溶液中，在25～220℃條件下可以優先晶出，在各種地質環境中都有分布。形成機理可能是火山噴發和噴發的玄武巖、火山碎屑及陸源巖石風化物質，被水溶解後帶入湖泊，在幹旱或半幹旱的氣候條件下，為水溶液蒸發濃縮達到壹定濃度時，在弱堿性溶液中直接沈澱結晶出凹凸棒石。同時在不同階段及條件下形成方解石、白雲石、伊利石、蒙脫石、石英、蛋白石等，組成了不同類型的凹凸棒石粘土礦床。在自然界，蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石等層狀矽酸鹽轉變為凹凸棒石的現象間普遍存在，它們是在富含SiO2，Mg的堿性介質條件下呈固－液相狀轉變的。
壹般認為，海泡石也是低溫化學沈積或固－液均衡相變產物。晶出時的水介質條件是富鎂、矽，貧鋁的堿性溶液(pH值約為8.5)。水化學類型相當於硫酸鹽沈積階段的重碳酸鹽型—硫酸鎂亞型水介質。人工合成海泡石的成功為上述推論提供了依據。試驗是在pH≥8的堿性溶液中用兩種方法進行的，試驗壓力為101325Pa，溫度為25℃。
海泡石和凹凸棒石生成條件基本相似，主要差別在於介質中鋁、鎂含量和pH值的不同。介質中含鋁時，生成凹凸棒石的可能性高於海泡石。生成海泡石的介質pH值約為8.5，範圍狹窄，而凹凸棒石可以在pH值約為7～9的範圍內生成，因此自然界凹凸棒石比海泡石分布廣。
Frank－Kome，Neckiji和Klokova用海泡石和凹凸棒石作高壓試驗表明:當SiO2被解析出壹定量後，從層鏈狀結構轉化為層狀結構的滑石和蒙脫石礦物，所以海泡石和凹凸棒石礦物又被看做是滑石或蒙脫石等層狀矽酸鹽與SiO2的過渡性合成物。同樣，這些層狀矽酸鹽礦物在壹定的地質條件和物理化學條件下，也可以轉變為海泡石和凹凸棒石礦物。
二、成礦控制條件
具有重要工業意義的沈積型海泡石－凹凸棒石礦床的形成，主要受以下條件控制。
1)形成地質時代壹般較晚，主要集中在晚古生代及中、新生代。前者如我國的湖南、江西、陜西的淺海型，形成於二疊紀。後者如西班牙、西北非洲、美國、日本及大西洋、太平洋、地中海海底、波斯灣和我國東部地區，尤以古、新近紀較為集中，層位穩定，分布廣泛。
2)受構造活動帶附近的狹窄坳陷和窪地控制。它們常出現在陸源風化剝蝕面或海底風化剝蝕面之上，距物源補給區不遠。賦存海泡石－凹凸棒石的巖石組成，可以是與火山作用無聯系的鎂質碳酸鹽類型，也可以是與火山作用有聯系的陸相火山－沈積型，或現代大洋底的海底沈積物。
3)陸相或海相的坳陷或窪地壹般還應具備以下條件:①富鎂、富矽、貧鋁和超鹽度的環境;②低能至中低能的沈積環境;③pH=8～11的堿性且相對還原的環境;④封閉—半封閉的狹窄的小型盆地。
除深海區外，壹般還處於幹旱—半幹旱的氣候條件下，具有蒸發沈積作用的某些特點。
4)受巖性控制明顯。無論陸相或海相沈積型，其巖性大致可分為兩大類:①無直接聯系的碳酸鹽類巖石;②與火山物質有直接聯系的火山碎屑－沈積砂泥質類巖石。
三、主要成因類型及礦床地質特征
海泡石或凹凸棒石礦床是以海泡石或凹凸棒石粘土礦物為主要成分的粘土礦。它們在沈積和淋濾－熱液成礦作用中都可能形成，其中以沈積作用最有可能形成較大規模的工業堆積。按照成礦地質背景和成礦作用方式，大致可分為沈積型和淋積－熱液型兩大類。
(壹)沈積型海泡石和凹凸棒石礦床
礦床產於構造穩定的幹旱或半幹旱氣候帶的內陸堿湖、鹽湖盆地、堿性玄武巖盆、淺海碳酸鹽臺地、潮汐帶等地區。礦化作用可出現在同生、成巖和表生三個階段。海泡石、凹凸棒石礦物既可以由蒸發作用直接從溶液中晶出，也可由先生成的伊利石、綠泥石、蒙脫石、高嶺石、海泡石(或凹凸棒石)等轉化而來。礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀產出，產狀與圍巖壹致。礦化範圍壹般較大，面積可達數平方千米至數百平方千米。礦石呈土狀、致密塊狀、碎屑狀、結核狀等。礦石礦物含量壹般大於50%，個別可達90%以上。伴生礦物有蒙脫石、伊利石、方解石、白雲石、石英、蛋白石、燧石、高嶺石、海泡石(或凹凸棒石)等。礦床規模可達數十萬噸至千萬噸。
按照形成時古地理環境的差異，可分為陸相沈積礦床和海相沈積礦床兩個亞類。
1.陸相沈積型
主要出現在古老或現代的幹旱氣候區，半封閉至封閉的大陸沈積盆地中。本類型又可分為蒸發化學沈積型和火山－沈積型。
(1)蒸發化學沈積型
由蒸發－化學沈積作用形成。成礦物質主要由盆地周邊或相關源區的沈積－變質巖系的風化產物提供。沈積物以凹凸棒石為主還是以海泡石為主，或者二者***同產出，常與堿性介質的pH值梯度，鎂、矽或鋁的相對含量，以及盆地的大小等密切相關。壹般情況下凹凸棒石主要產於盆地的底部和邊部，接近盆地中心部位多形成皂石和海泡石。
礦床實例1:西班牙巴列卡斯海泡石礦床
產於古、新近紀沈積盆地中。沈積物質主要由盆地周邊的古生代和中生代地層中的大理巖、泥質板巖、雲母片巖、石英巖、片麻巖等的風化物供給。礦層呈近東西走向的透鏡體，賦存在古、新近系以白雲巖為主的碳酸鹽類沈積巖中。海泡石直接在沈積階段晶出，或在裂隙帶的鹽水溶液中晶出。海泡石或凹凸棒石的單個纖維晶體長度可達幾毫米以上，組成氈狀復合體。礦層中自下而上出現礦物順序是:海泡石—海泡石+凹凸棒石+伊利石—凹凸棒石+伊利石。粘土中以海泡石為主，含量達95%，其次為凹凸棒石、蒙脫石、伊利石、方解石、石英等。化學組成壹般為(wB/%):SiO2(57.83)，Al2O3(4.36)，Fe2O3(0.61)，MgO(22.38)，H2O+(10.26)。
礦床實例2:西班牙卡塞雷斯凹凸棒石礦床
位於由阿爾卑斯運動造成的塔霍河斷陷盆地西部的構造凹陷中。凹陷基底由寒武系板巖等組成，其上沈積了古、新近系，厚度達1800m。凹陷周圍剝蝕區分布有板巖、硬砂巖、灰巖、白雲巖和火山凝灰巖等。盆地邊部為碎屑巖相，主要由石英、白雲石、綠泥石、白雲母等碎屑礦物組成。向凹陷中心逐漸變為蒙脫石、凹凸棒石粘土層，該層賦存於碎屑礦物帶與中心蒸發巖之間的過渡帶上，即碳酸鹽、硫酸鹽相帶的外帶。接近凹陷中心，過渡帶的內帶有少量海泡石及方英石等。礦層厚約4m。礦石中凹凸棒石占85%，其次是石英、方解石、白雲石、皂石、伊利石、綠泥石、高嶺土、方英石等。凹凸棒石粘土化學成分(wB/%):SiO2(51.5)，Al2O3(10.3)，Fe2O3(2.26)，FeO(0.52)，H2O+(14.4)，H2O－(7.36)。
(2)火山－沈積型
以我國蘇皖接壤地區的六合、盱眙和嘉山、來安、天長等縣為代表。該區大片堿性玄武巖層中廣泛發育著凹凸棒石粘土層，礦化面積達2000km2，發現礦床數十處，組成凹凸棒石粘土礦帶。礦帶地處郯廬深大斷裂帶以東，揚子準地臺和中朝準地臺的接壤部位，即張八嶺隆起與金湖凹陷之間的斷陷盆地中。含礦的古、新近系上統堿性玄武巖，沿北西的方山－女山斷裂帶展布。新近紀的火山－湖泊相沈積巖系，厚度壹般為100～300m，與下伏古近系紅色砂頁巖不整合接觸。斷陷盆地基底為元古宇張八嶺群變質巖、震旦系上統陡山沱組、燈影組沈積巖和中生界陸相火山巖。
礦床實例:江蘇盱眙凹凸棒石粘土礦床
凹凸棒石粘土賦存於新古、新近系下草灣組內，在桂五組下段也有零星分布，六合組中偶見。下草灣組由壹套中粒橄欖玄武巖、橄欖粗玄武巖和半固結的粉砂質泥巖、粉砂巖、砂巖及粘土層組成，其中玄武巖有1～4層與沈積巖呈互層或夾層出現，壹般厚度20～90m。
盱眙地區凹凸棒石粘土呈層狀、透鏡狀產出，壹般厚2～5m，長數百米或千米以上，規模較大。例如，花家崗—雍小山的V號粘土層，該層具有不明顯的韻律，沿走向可漸變為粉砂質泥巖和砂礫巖。粘土層中產有陸相動物化石，中上部層位常出現厚約數厘米至數十厘米的蛋白石層，其產狀與頂底板圍巖壹致。粘土礦石類型有凹凸棒石粘土、白雲石凹凸棒石粘土、矽質凹凸棒石粘土、蒙脫石凹凸棒石粘土、蒙脫石粘土、含海泡石凹凸棒石粘土等。它們在空間分布上有壹定規律。如自花家崗至雍小山依次為:粉砂質泥巖—蒙脫石粘土—凹凸棒石粘土—含海泡石凹凸棒石粘土。花家崗含較多的石英碎屑成分，可能是沈積盆地邊部，而雍小山接近盆地中心(圖5－3)。
圖 5-3 盱眙花家崗—雍小山Ⅴ號粘土層類型變化示意圖
粘土為灰白色—淺灰色，質較純，相對密度為2左右。吸水性強，有滑感。常見土狀、致密塊狀、角礫狀礦石。薄片中見假流紋構造，顯微聚纖維變晶結構和顯微沈凝灰變晶結構。礦石中以凹凸棒石為主，其次為蒙脫石、石英、水雲母，偶見海泡石。礦石中可見已粘土化的玄武巖屑和礦物晶屑，部分板狀、楔狀晶屑已凹凸棒石化。普遍存在蒙脫石被凹凸棒石交代的現象。粘土層的母巖物質可能是玄武質角礫凝灰巖或沈凝灰角礫巖。蒙脫石是凹凸棒石粘土的前身，後者是前者受到堿性玄武巖物質的影響進壹步演化的結果。從以上情況分析，說明凹凸棒石與玄武巖有密切的成因關系:①凹凸棒石粘土層中存在大小不等的玄武巖角礫;②壹些玄武巖風化分解成粘土後，至今還局部殘留玄武巖特有的管狀氣孔和杏仁構造;③凹凸棒石粘土的化學成分與底板玄武巖相比，主要氧化物含量接近(除FeO，K2O，Na2O高於粘土，SiO2，Fe2O3，H2O低於粘土外)。上述情況表明，盱眙地區凹凸棒石粘土礦床屬於火山－沈積型。
2.海相沈積型
(1)海相沈積型海泡石礦床
本類型主要見於我國的二疊紀碳酸鹽巖地層或煤系地層中，例如，江西樂平、湖南瀏陽、陜西寧強等地。這些地區均為晚古生代沈積坳陷區。賦存海泡石的鎂質粘土巖是壹套碳酸鹽巖，主要是泥晶灰巖、白雲質泥晶灰巖、燧石灰巖、鈣鎂質頁巖和粘土巖，並常和矽質巖、燧石透鏡體(結核或條帶)伴生，屬於壹套含矽質高的泥晶灰巖地層。礦體呈層狀、似層狀，或透鏡狀產出，產狀與圍巖層理壹致，傾角較緩。礦體長數千米，斜深數百米，厚數米至十余米。礦石類型主要有泥灰巖型礦石、鈣鎂質頁巖礦石、粘土型礦石(系前二者風化而)。主要礦物有海泡石、凹凸棒石、蒙脫石、方解石、滑石，其次為白雲石、高嶺石、玉髓、伊利石、黃鐵礦、綠泥石、天青石、螢石等。
中國二疊紀淺海相沈積類型具有以下特點:
1)礦層賦存在壹定的層位中，層位穩定。海泡石與“菊花石”密切***生，同屬於壹個層位中。
2)容礦巖石為淺海相燧石灰巖、泥灰巖、鈣鎂質頁巖夾灰巖透鏡體，是壹套較為典型的碳酸鹽巖。
3)在容礦巖石化學成分中，CaO含量高，MgO含量相對較低，而貧Al2O3。湖南瀏陽以海泡石為主的樣品中，MgO含量多為11.36%～17.62%，中等壹般為5%～11%，當MgO含量＞20%時，則以由海泡石轉變的滑石為主。
礦床實例:湖南瀏陽縣永和海泡石粘土礦床
礦區位於萍鄉－樂平晚古生代沈積坳陷區的西南端。區域內出露有元古宇震旦系、上古生界泥盆系、中生界白堊系、及新生界第四系等地層。巖漿巖以中酸性巖為主。構造位置處於瀏陽“S”形構造與安化－永和東西走向構造帶東段復合交接處，近東西向的褶皺和斷裂發育。礦區範圍內主要出露二疊系，組成近東西軸向的向斜構造。軸部地層為上二疊統龍潭組及下二疊統茅口組、棲霞組。北翼為中上石炭壺天群，南翼被區域性東西向逆沖斷層所切割(圖5－4)。
礦層產於二疊系下統棲霞組上部泥灰巖段(湘潭、湘鄉、寧鄉、婁底等地將此層劃為茅口組底部)。海泡石與瀏陽菊花石都產於該層中。含礦層厚40～70m，與燧石灰巖關系密切。該層底板為2～8m厚的燧石灰巖，頂板為茅口灰巖。
礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀產出，產狀與圍巖基本壹致。含礦層延長3000余米(最長達6000m)，斜深300～400m，含2～4層礦，層厚2～7m，最大厚度達16.34m。
礦物組合簡單，90%以上的樣品由海泡石、方解石、石英、滑石四種礦物組成，以前兩種為主。次要礦物有白雲石、高嶺石、蒙脫石、多水高嶺石、綠泥石等。微量礦物有白雲母、沸石、凹凸棒石、伊利石等。海泡石在地下淺部以上無明顯變化，滑石則含量較高，可能與海泡石風化轉變有關。由於風化流失，地下淺部方解石含量少，深部含量高。
礦區有兩種礦石類型:粘土型和原巖型。粘土型分布於地表及淺部，由含海泡石的泥灰巖、鈣鎂質頁巖風化而成。海泡石含量高，多為深灰色、灰白色、土狀、質軟，斷面顯參差狀，具有滑感，吸水後有較強的可塑性，造漿率可達9.54～16.40m3/t。原巖型為含海泡石的泥灰巖、鈣鎂質頁巖，呈深灰色—灰黑色。呈薄片狀、葉片狀，硬度較小，壹般含海泡石量為中等以上，造漿率差。
圖 5-4 永和海泡石礦區地質簡圖
化學組成特點是:CaO含量高，MgO，Al2O3含量偏低，SiO2含量變化大。據統計，地表附近Al2O3，SiO2，Fe2O3，MgO等含量較高，向深部變低，而含CaO卻相反。當MgO含量＞20%時，則變成以滑石為主。
含礦層巖性由淺海相燧石灰巖、泥灰巖、鈣鎂質頁巖夾灰巖透鏡體組成。含礦層產有大量的類、腕足、珊瑚等淺海相化石。礦層與上下灰巖、燧石灰巖呈整合漸變關系。
海泡石與菊花石產於同壹層位中，大致同時形成。菊花石是天青石圍繞燧石結核呈放射狀發育，是在海退環境中當海水蒸發到壹定程度時由硫酸鍶晶出所致。這種環境海水富鎂、矽而貧鋁，在堿性水體中鎂離子與膠體二氧化矽結合沈澱，形成淺海相沈積的碳酸鹽巖－鈣鎂質粘土型海泡石礦床。
(2)海相沈積型凹凸棒石粘土礦床以西班牙的利布利亞和烏克蘭的契爾卡斯(與膨潤土礦床***生)為代表。
礦床實例:西班牙利布利亞凹凸棒石－海泡石礦床
該礦床分布於瓜爾斯維爾盆地，靠近瓜爾基維河的出口處。礦層賦存於古、新近系上新統海退時期大陸邊緣的湖泊相沈積物中。上新統地層分三段:下段海相石英砂巖;中段泥灰質－鈣質層，厚25～30m;上段為凹凸棒石粘土層。中段產出燧石、白雲石、凹凸棒石－海泡石粘土，呈層狀透鏡狀夾在含燧石石灰巖和泥灰巖中。粘土中海泡石含量達20%～60%，凹凸棒石僅占百分之幾。海泡石含量與石英含量成正比，而與方解石含量成反比。上段凹凸棒石粘土層夾於灰巖中，灰巖頂部有層厚約4～5m的結核狀灰巖，粘土中凹凸棒石含量達60%～80%，與方解石含量成正比，僅含少量海泡石、蒙脫石和伊利石，礦層厚十余米至數百米。
(二)淋積－熱液型凹凸棒石、海泡石礦床
該類型礦床壹般呈脈狀產於蝕變火山凝灰巖、蝕變花崗巖、蛇紋巖、大理巖中，常與菱鎂礦、綠泥石、蛋白石、方解石等***同充填在裂隙內。如湖北廣濟、河南盧氏、內蒙古白雲鄂博、四川石棉縣、安徽全椒、陜西商縣等地，以及俄羅斯外高加索(含坡縷石凝灰巖粘土)。
商縣拉林子海泡石礦床產於奧陶紀地層中。出露巖石主要有白雲質大理巖、透輝石大理巖及黑雲母片麻巖，北、東、西三面與花崗巖接觸。海泡石與方解石充填在白雲質大理巖裂隙中，呈細脈群出現，單脈厚1～10cm，延長不大。脈內還有少量石英，晶洞中可見方解石晶簇。海泡石呈白色纖維狀集合體，纖維長短不壹，長者達60mm。海泡石在脈內分布不均勻，多出現在方解石顆粒間的空隙中，受方解石形狀的制約，生成時間略晚於方解石。也可見到纖維狀海泡石垂直脈壁生長。
安徽全椒凹凸棒石礦床位於全椒馬廠北東4.3km，淮陽山字形構造前弧東翼，郯廬深斷裂東側，縣玉屏山復式向斜西南端北西翼。主要出露震旦系陡山沱組上段和燈影組下段的大理巖，北東向褶皺發育。燕山早期有矽酸鋁過飽和的石英二長巖、閃長玢巖等雜巖體侵入。礦脈產於內外接觸帶的閃長質角礫巖、角礫狀花崗閃長玢巖、陡山沱組上段大理巖、千枚狀頁巖的破碎帶中，呈北東和北北東向分布，傾向南西或南東，傾角60°～85°。礦脈呈細脈狀、網脈狀產出。脈中凹凸棒石纖維長、含量較富，雜質少。雜質成分隨圍巖性質不同而有變化。賦存在閃長質角礫巖中的含閃長質碎屑成分，大理巖中的含方解石。有五條主要礦脈，延長25～100m，脈厚0.2～1.2m。礦石類型以纖維束狀結構為主，含凹凸棒石90%以上。其次有細脈充填交代型礦石(含凹凸棒石30%～60%)、網脈狀礦石(含凹凸棒石30%～60%)、角礫狀礦石(含凹凸棒石30%～80%)。礦石以纖維狀結構為主，其次為交代殘余結構和交切結構，塊狀、細脈狀、角礫狀構造。礦石為粉白色，吸水後微帶玫瑰紅色。
淋積－熱液型海泡石粘土礦床主要產於富鎂巖石的裂隙中，與熱液型凹凸棒石礦床的容礦巖石類型基本相同。本類型礦石工藝技術性能極佳，但礦體的體積含礦率低，礦床規模小，工業價值不大。
四、礦床分布
海泡石和凹凸棒石很少形成單獨的大量堆積。由於它們的礦物結構相似，化學成分相同，因而常在壹起產出。主要產出國家除中國外還有西班牙、美國、俄羅斯，其次有土耳其、塞內加爾、索馬裏、肯尼亞、希臘、日本等國。
西班牙是歐洲最大的海泡石和凹凸棒石生產國，也是目前海泡石資源最豐富的國家。凹凸棒石和海泡石有兩種產出形式:壹種產於膨潤土礦床中，例如，在阿爾梅裏亞的膨潤土礦床中，強烈蝕變部分含少量凹凸棒石和海泡石(與蝕變期間產出過量的鎂有關)。另壹種是由海泡石組成的漂白土礦床，產於塔古斯盆地內。
美國是凹凸棒石的主要生產國。礦床集中在佐治亞州和佛羅裏達州之間的地區，多屬沈積成因。常由幾種粘土礦物混合組成。在佐治亞州的凹凸棒石粘土礦床中，還有蒙脫石和海泡石粘土，在中新世霍索恩地層中呈板狀晶體或不連續層出現。美國的海泡石粘土礦床分布在內華達州的阿什－密多斯地區，與更新世的鈣質、鈉質和鎂質膨潤土緊密***生。
原蘇聯第壹個可供開采的凹凸棒石漂白土礦床位於烏克蘭的切爾卡塞，***有五層礦，單層厚1.5～8m，多數由蒙脫石組成，只有壹層主要由凹凸棒石組成(2m厚)。
土耳其的海泡石礦床，是由富鎂橄欖石的蛇紋巖或其他鎂質巖石蝕變而成。礦石呈致密塊狀，海泡石以零散的結核出現，可用於制作煙嘴、煙鬥的襯裏和各種裝飾品。
我國凹凸棒石粘土資源大部分分布在江蘇盱眙—六和、金壇和安徽明光—澗溪壹帶。在內蒙古、四川、山東、貴州、甘肅、新疆、湖南等地也相繼發現了凹凸棒石粘土，主要產於新近系和古近系火山巖系，白堊系陸相地層，奧陶系、二疊系灰巖地層，寒武系、震旦系白雲質灰巖等地層中，尤以新近系、白堊系玄武巖分布對成礦最為有利。除了蘇皖地區外，其他地區凹凸棒石粘土工業開發規模不大。因此，我國凹凸棒石粘土工業實際上是以蘇皖地區凹凸棒石粘土為代表。
我國海泡石礦產分布較廣，礦產地多。熱液型海泡石礦產分布除安徽全椒外，主要集中分布在東秦嶺地區。此外貴州、雲南武定、河北張家口、湖北廣濟、四川石棉縣等地也發現有海泡石。沈積型海泡石礦產主要產於二疊系碳酸鹽巖地層中，少量賦存於下白堊系中。主要分布在湖南瀏陽、湘潭、寧鄉、望城、湘鄉、石門，江西樂平，陜西寧強，河北唐山等地，其中湖南瀏陽永和、湘潭石潭、寧鄉道林為大型礦床。