编号：CYYJ00263

篇名：我国微米级无机多孔非金属矿及其应用

作者： 木士春

关键词： 无机多孔非金属矿;非金属矿物材料 硅藻土 轻质蛋白石 多孔凝灰岩

机构： (中国科学院长沙大地构造研究所,湖南长沙410013)

摘要： 无机多孔非金属矿,按孔径及其应用特点可划分为纳米级(1～100ｎｍ)、微米级(0.1～100μｍ)及毫米级(0.1～1ｍｍ)等三种类型。微米级多孔非金属矿主要有硅藻土、轻质蛋白石、多孔凝灰岩、多孔硅质岩等,大都分布于地台活化区内,为后地台稳定条件下形成。它们的物相主要为蛋白石、微晶石英或流纹质玻屑等;化学成分上具有高硅、低铝铁等特征;孔隙结构除具有孔径相似、孔形态丰富、孔隙率大、堆密度小及多开孔等相似性外,在微米级孔径范围内(0.1～100μｍ),孔隙的大小、形状及抗压强度等方面也具有相异性。因此它们具有与纳米级和毫米级多孔非金属矿不同的应用领域。

原文： 我国已知无机多孔非金属矿种有沸石、硅藻土、硅藻岩、轻质蛋白石、多孔硅质岩、多孔凝灰岩、浮石、火山渣、烧变岩等。其中,孔径在0.1～100μｍ范围内的微米级多孔非金属矿主要有硅藻土、轻质蛋白石、多孔硅质岩、多孔凝灰岩等,具有广泛的用途,是当今无机多孔非金属矿开发应用的热点之一。 1　地质概况 我国已发现的微米级无机多孔非金属矿大都分布于地台活化区内,在后地台稳定条件下形成。硅藻土:灰白至白色,疏松土状,为湖相或浅海相硅藻无定形硅质遗骸的堆积体。我国目前发现的硅藻土都为湖相沉积型,成矿期为第三纪和第四纪,主要分布于吉林、云南和浙江等省。按ＳｉＯ2的来源,可将硅藻土矿床划分为火山沉积型(如吉林长白硅藻矿床等)和陆源沉积型两种类型[1]。其中陆源沉积型又有两种亚类型,即聚煤盆地型(如云南先锋硅藻土矿床等)和非火山沉积、非聚煤盆地型(如四川米易硅藻土矿床等)[2]。经笔者研究,我国硅藻土矿石质量与矿床成因类型存在如下关系:火山沉积型硅藻土矿床的矿石质量高于陆源沉积型硅藻土矿床的,而后者的聚煤盆地型的又高于非聚煤盆地、非火山盆地型硅藻土矿床的矿石质量[3]。这是因为硅藻土矿石质量除了与地台活化强度,即与盆地为基准面的构造 地貌反差强度呈消长关系外①,还与硅藻生长所需的游离ＳｉＯ2来源及其生长环境等因素有关。火山喷发产生的火山灰、火山碎屑不仅带来大量的游离ＳｉＯ2,而且喷发还为硅藻提供了光合作用所需的大量ＣＯ2,因此火山沉积型硅藻土矿床的矿石质量较高。而对于陆源沉积型硅藻土矿床,硅藻生长所需的游离ＳｉＯ2主要来源于较老的围岩,不仅量少,而且来源极不稳定,从而决定了此类矿床具有较低的矿石质量[2]。 轻质(多孔)蛋白石:灰色 黑色,较坚硬。仅见于黑龙江省嫩江下白垩统,是目前多孔非金属矿中被误称最广的一种矿种,曾分别被称作轻质页岩、硅质页岩、方英石页岩、板状硅藻岩、蛋白土、蛋白石以及火山灰质硅藻岩等。经笔者研究,大部分矿段岩石的物相主要以蛋白石为主,仅含少量的蒙脱石、石英、水针铁矿及硅藻遗骸,故将岩石定名为蛋白石是可取的。由ＸＲＤ分析可知,物相中的蛋白石与硅藻土中的三种蛋白石之一的蛋白石 ＣＴ[4]相似,主要由低温方石英和鳞石英的无序混层构成。从ＳＥＭ可观察到蛋白石 ＣＴ呈微小球体,直径25μｍ[5]。由于此类蛋白石易与致密、容重大的蛋白石相混,故笔者建议将此类矿种定名轻质蛋白石或多孔蛋白石较为适宜。 多孔凝灰岩:灰白至白色,呈疏松土状。又名水化流纹质玻屑凝灰岩,是新近才发现并予以命名的一种新型非金属矿[6]①,为流纹质玻屑凝灰岩经水化和脱玻化而成。该类矿床仅见于湖南临澧盆地,是湘北地区目前唯一发现的第四纪火山岩。矿体为单一层状,近水平产出,与上层伴生的膨润土矿层一起赋存于第四系下更新统。矿石具有典型的玻屑凝灰结构。经ＤＴＡ、ＴＥＭ、ＳＥＭ及硅酸盐成分等分析表明,火山玻屑已发生明显的水化作用,其表面已被水溶液淋滤和溶蚀成为孔洞或孔道,原生气孔亦遭破坏,使原岩变得疏松多孔,而得以成为矿床。 多孔硅质岩:灰色、灰褐色,坚硬。它和硅氧土[7]和浮石状燧石[8,9]实为同一矿种,是由硅质岩、硅质白云岩或白云质灰岩等原岩经风化淋滤或交代作用而成。矿层厚,延伸长。此类矿床长期以来一直被误认为硅藻土或硅藻岩矿床,近年来,随着对硅藻土认识水平的提高,该矿种才被重新认识。目前全国各地几乎都发现或重新定名了此类矿床,如湖北义和(茅口组),江西乐平、萍乡(上二叠统),江苏南京湖山(孤峰组),安徽巢湖平顶山、庵门口(孤峰组)等地的多孔硅质岩矿床。上述多孔硅质岩都赋存于海相的二叠系地台构造层,原岩大都经历了后地台期的外生淋滤、溶蚀或交代成矿作用。 微米级无机多孔非金属矿的形成和矿石质量取决于成矿阶段的大地构造条件、古地理环境及成矿物质来源等因素。成矿原岩可形成于地壳相对稳定阶段,如原岩为湖相或浅海相沉积物的硅藻土,原岩为白云质灰岩或灰岩的多孔硅质岩等;也可形成于地壳剧烈活动阶段,如原岩为火山喷发物的轻质蛋白石和多孔凝灰岩等。但成矿期及成矿期后地壳运动应相对比较稳定,才能有利于孔隙的保存,反之则不利于孔隙的保存,不利于成矿。如硅藻土,在地壳相对稳定、湖相或浅海相条件下,才有利于硅藻遗骸沉积成矿;如果后期叠加了强烈的构造运动,则硅藻土将转变为硅藻岩,甚至燧石,从而降低了它的使用价值。 2　物相及化学成分特征 不同种类的微米级多孔非金属矿具有不同的物相及组成。硅藻土以蛋白石为主,常伴生有粘土、碎屑物、火山灰和有机质等成份。轻质蛋白石:主要由蛋白石 ＣＴ(方石英和鳞石英的无序混层)组成,含少量蒙脱石、石英、水针铁矿及硅藻遗骸。多孔凝灰岩:主要由火山玻屑组成,含有少量或微量石英、长石和粘土等矿物。多孔硅质岩:以微晶石英为主,仅含少量的微晶碳酸盐矿物和粘土矿物等。 　　由此可知,微米级多孔非金属矿的物相主要为蛋白石、微晶石英或流纹质玻屑等。多孔硅质岩主要由微晶石英组成,具有较高的硬度和抗风化能力,在自然界中最为稳定。而作为硅藻土和轻质蛋白石的主要物相蛋白石及多孔凝灰的岩主要物相火山玻屑则较不稳定,容易发生质变和晶化。这就是多孔硅质岩得以在二叠系中赋存,而硅藻土、多孔凝灰岩等仅赋存于新生代地层中的主要原因之一。从化学成分看(表1),我国微米级多孔非金属矿都具有高硅、低铁和低铝等特征。多孔硅质岩的ＳｉＯ2含量最高达92%以上,硅藻土和轻质蛋白石的次之,多孔凝灰岩的最低,一般≤70%,利用这种特征可有效地区分多孔硅质岩和硅藻土。 3　孔隙特征 微米级多孔非金属矿的孔隙特征既有相似性,又有相异性(表2)。相似之处在于它们都具有孔隙率大、堆密度小、多开孔等特点,相异之处则在于孔径的具体大小、形状及抗压强度等不同的特点。生物成因的硅藻土的孔径最小,孔径分布最窄为0.05～0.80μｍ,溶蚀或交代成因的多孔硅质岩的孔径最大,孔径分布最宽为0.5～500μｍ,而具有复杂成因的多孔凝灰岩和轻质蛋白石的孔径及孔径分布范围居中,分别为0.04～5.0μｍ和0.1～3.0μｍ。多孔硅质岩和轻质蛋白石硬度大,抗压强度高,而硅藻土凝灰岩则较为疏松,抗压强度低。硅藻土的孔隙最为规则,呈圆形;多孔凝灰岩的孔隙为柱状、多孔圆窝状及不规则状等;多孔硅质岩的孔隙为圆窝形(湖北义和)和菱形(南京湖山)等;而轻质蛋白石的孔隙则为生长于蛋白石表面毛刺之间的空隙和粒间呈不规则状的微孔。 4　微米级多孔非金属矿的开发应用 笔者将无机多孔非金属矿的孔隙孔径大小划分为3级,即纳米级(分子级)、微米级、毫米级,其范围分别为1.0～100ｎｍ、0.1～100μｍ、0.1～1ｍｍ。据此,多孔非金属矿可按孔径相应划分为三大类:纳米级(分子级)、微米级和毫米级多孔非金属矿。不同类型的多孔非金属矿对应着不同的孔隙特征及物理化学性质,从而对应着不同的应用领域。微米级多孔非金属矿吸附性强,具有较好的保温隔热性能,可作吸附剂、催化剂、载体、保温隔热材料等,但由于其去除微细固体悬浮物的能力较为突出,故主要用作助滤剂,是制取助滤剂的极佳用品,如硅藻土等。纳米级多孔非金属矿离子交换能力和吸附性极强,可作分子筛、吸附剂或离子交换剂,如沸石等。毫米级多孔非金属矿是制取轻质骨料、隔热和隔音、载体以及填料等材料的较好用品,如浮石等。因此,针对多孔非金属矿的以上应用特点,对其进行选择性开发是非常必要的。从笔者和前人的开发研究成果中可以看出(表3),微米级多孔非金属矿已在建材、化工、农业、食品、环保等行业和领域逐步得到应用,是一种极有开发潜力的非金属矿产资源。