凝灰岩的物理化学性质及其开发利用

凝灰岩的物理化学性质及其开发利用 一 凝灰岩的物理化学性质及其开发利用 圭盍————一 (中国科学院长沙大地构造研究所?长沙410013) 摘要凝灰岩是一种可预见的新型非金属矿产资源.本文首先研究和探讨了凝灰岩的一些重要的 物理化学特性,以作为凝袄岩开发应用的理论依据,然后报导了当前的一些开发应甩实倒,指出凝灰岩 可进一步开发应用的方向. 关t词凝灰岩非盘属矿物材料物理化学特性 ——一,刁/}3 PHYSICALANDCHEMICALFEATURES0FTUFFAND ITSDEVEL0PMENTANDAPPLICAT10N MuShichun (ChnngshnlnstiuteofGeoteetonics,AcademiaSiniea) bstr?ct{Thetuff暑akindofpredictableandnew—typenonmetallicminerals哪urce.Someimlx)rlant phymealandchemicalfeaturesER’estudiedanddiscussedinthispaper.asthe oreticalbasesf0rdevelopmentand application0ftuff.Afterthat,~K)meexamples0fthedevelopmentandapplic ationofthetuffarereported.oft the.b8sis0fwhich.itsappliedtrendsarepointed0uttoo Keywords:Tuff,Nonmetallicmineralmatedaks,Physicalandchemical~eat ures 凝灰岩是一种分布最广泛,最常见的细粒火山 碎屑岩.碎屑主要现为岩屑,晶屑,玻屑和火山 灰,其碎屑粒径一般小于2.0trtm.它是由火山爆 发而抛人空中的火山物质经长距离的搬运,散落于 盆地,再经压结和水化学胶结固结成岩.目前.凝 灰岩的研究还比较薄弱,凝灰岩的开发应用在我国 尚未引起重视,迄今还未形成产业.丰富的凝灰岩 资源如能得到开发应用,它将成为一种新型和重要 的非金属矿产资源,不但在国民经济中发挥重要的 作用,而且还太大有利于非金属矿产资源的可持续 开发与利用. 1地质简况 我国凝灰岩主要分布于中国东部,尤其是东南 沿海地区的中生代火山岩带中,为环太平洋火山带 的一部分,主要产于上侏罗统南园组,磨石山群, 中白垩统帽石山群;华北板块北缘中生代凝灰岩分 布也较为广泛,岩层主要产于上侏罗统后城组,张 家口组和下自垩统义县组;新生代酸性凝灰岩在我 国仅有零星分布,如湘北凝灰岩,产于第四系下更 新统.我国凝灰岩以酸性凝灰岩最为典型,多以流 纹质和流纹英安质为主,属钙碱性系列火山岩. 2凝炭岩物相及化学成分特征 凝灰岩具有凝灰或沉凝灰等结构.岩石主要由 晶屑,玻屑,岩屑,角砾和火山灰等火山物质组 成,晶玻屑常具多种形态,如火焰状,鸡骨状,撕 裂状和弧面状等.据计算…,我国东南沿海含叶 蜡石凝灰岩建造的CIPW标准矿物含量,主要由石 英(Q),钾长石(or)和钠长石(ab)等矿物组 成,其含量(%)’分别为38.55,27.39,22.63, 三者之和一般大于90%,另外还含有少量钙长石, 平均3.56%;其它矿物,尤其是铁镁矿物含量很 少.此外,凝灰岩常不同程度地伴生有沸石,蒙脱 石,伊刺石或高岭石,埃洛石等蚀变矿物. 由表1可知我国酸性凝灰岩化学成分主要为 siO2,Ab,K2O和Na20等,次要成分为CaO, -基金来弹:胡南省95科技发展计捌项目(相计科研成果1998—750 一I4)资助 麓灰岩的自理化学性质殛其开发科用17 MgO AI2u1 >5% 别>0 SiO2,FeO和Fc2O3等.酸性凝灰岩SiO2, 一 般分别>70%和>13%;K2O+Na2O通常 且K2O一般>Na20;Fe03,FeO一般分 7%和>0.9%,且FeO通常>Fe103,二者 之和一般<3培0%;其它成分均很低由此可知酸 性凝灰岩化学成分具有高硅,富铝,丰碱和贫铁等 特征,属钙碱系列,铝过饱和岩石 表1我国部分酸性凝莰岩的化学成分{% 3凝灰岩物理化学性质 充分认识凝灰岩的物理化学性质是开发利用凝 灰岩的前提条件,由于对其开发利用价值认识不 够,我国在这方面的研究成果还比较少.笔者等人 通过近期专题研究和综合前人的研究成果,认为我 国凝灰岩可具有下列的一些物理化学特性: (1)化学成分特性 如前所述,凝灰岩具有高硅(一般>70%), 富铝(>13%),丰碱(钾,钠一般>5%)和低铁 (全铁一般<3.8%)等,此外它还具有多种有益的 微量元素和稀土元素,如对水稻增产有利的Mo, Zn,B等J,矿物饲料添加剂的有益元素cu, Mg,Zn等J. (2)化学活性 与火山灰质材料,粉煤灰等的化学活性相类 似将凝灰岩磨细成粉,与石灰或石灰与石膏混合 后,在常温下发生化学作用,生成具有凝胶性的水 化物.具化学活性的混合材料,往往是在低温和压 力骤然释放条件下形成的固体非晶态物质.在常温 下这些非晶态物质不稳定,极易向熵增加的方向转 比,而显示出化学活性.凝灰岩正是在这种条件下 形成的,其物相包括了大量的非晶态的火山玻璃, 从而显示出异常高的化学活性. (3)多孔性 凝灰岩的孔隙度主要由粒内和粒间两类L隙组 成.前者主要取决于火山碎屑自身的性质,颗粒形 状,大小及其堆积方式,粒径均一度,岩石的压结 和蚀变程度等因素,在承受一定压力的自然状态 下,颗粒的刚性程度越高,形状越复杂,粒度宽度 】8 越窄,粒径越均一,堆积越松散,压结程度越低, 粒间孔隙度就越大;而后者主要有两种成因,一种 为火山气孔,属原生孔隙,而另一种为淋滤孔,属 后生孔隙.原生火山气L形态较为,多呈空心 球状,椭球状,弧面状,盘状及圆窝状等结构形 态;而受淋滤作用形成的孔隙,以不规则柱状和颗 粒表面的蜂窝状,网格状孔隙居多部分为侵蚀凹 坑.凝灰岩孔隙的大小,分布特征,比表面积以及 其孔隙率,吸水率,导热系数是当前亟待研究的问 题.笔者等人对湘北玻屑凝灰岩的孔隙研究表明, 其孔隙度为46.14%,67.49%,平均为55.46%, 干容重略小于1.00g/era,粒内孔隙多以淋滤孔为 主,孔径一般为0.02,1.5x10111平均为0.38x 10ITI.这在原生孔隙较为缺乏的情况下,后 期地质改造作用(如淋滤,水化作用等)对凝灰岩 的成孔是非常重要的. (4)膨胀性 与珍珠岩相似,酸性的凝灰岩玻璃质在高温瞬 时灼烧下体积膨胀数倍至几十倍.其膨胀主要是由 于玻璃质中的结合水,在高温时汽化,使玻璃质膨 胀所致.决定膨胀倍数K(v2/v1)的因素主要是 “有效含水量”和适宜的加工粒度.参考珍珠岩实 验研究结果7J,最佳膨胀效果的”有效含水量” 一 般为2%,4%,加工粒度待工业用途所需膨胀 倍数而定,一般为一4目到+100为宜,笔者对湘 北凝灰岩膨化工艺的研究结果也证明了这点.由于 不同酸性凝灰岩具有不同的结合水和玻璃质含量. 故开发应用其膨胀特性时,应选择好适宜的原料, 方能获得最佳效果. 中国矿业2000年第9卷第3期 (5)复矿性 在自然界中,由于凝灰岩的不稳定性,使其容 易发生蚀变,在水介质中,经水解脱玻,向沸石 类,蒙脱石类矿物或高岭土,埃洛石类矿物转化而 发生矿化.部分蚀变的凝灰岩往往包含有一种或几 种这类蚀变矿物;如果岩层发生整体蚀变则会形成 具工业意义的矿产,如我国东南沿海的含叶蜡石凝 灰岩建造-,华北板块北缘及东南沿海的含膨润 土凝灰岩建造H等;一些凝灰岩在沉积成岩过程 中伴生一些外来矿物质(包括有机质),如炭质凝 灰岩等.这就决定了凝灰岩是一种天然的矿物复合 质原料.凝灰岩的这种性质赋予其自身不具有的一 些特殊性质.如含蒙脱石水化流纹质玻屑凝灰岩, 其离子交换量(ECa9.68mi/100g,EMg2.21m[/ 100g,EK0.08ml/100g,ENa0.10ml/100g,CEC 17.27ml/100g),胶质价(37ml/15g),膨胀容 (2.5ml/g),膨润质(6ml/3g),悬浮性能 (950m1),液限(34.1),吸蓝量(5.58g/100m[) 等都要太于正常的凝灰岩而小于膨润土,而且随着 凝灰岩层层位的变化和蒙脱石含量的增减,凝灰岩 的这种离子交换性能和膨润性能也显示出相应的增 减;由于凝灰岩熔剂总量(即Fe2O3,TiO2, MgO,CaO,Na20,K2O等”熔剂”组分之和) 一 般为6%,13%,平均为9.5%,决定了其具有 高的烧成收缩率和低的耐火度和娆结温度等特征, 对于含蒙脱石水化统纹质玻屑凝灰岩,由于具有高 衰2凝衰岩开发研究殛应用方向荷衰 物理化学特性应用开发宴倒开发利用方向 实例l*:橡胶和塑料的填充桶.以玻屑凝藏岩为原料.将该岩粉碎加工后用作橡胶和塑表面改性,高档工 料的填料,其加工性锥,拉伸强度,忡长率均与轻质碳酸钙相当,可部 分代着碳酸钙和白炭业填料.黍性磨料. 黑,对降低成本有利,主要利用高硅等特性.人工台成硅藏岩. 实倒2-9】:多元素复古肥以中碱性凝藏岩作为提供多种微量元素和稀土元素的载体.白炭黑.括性白土. 经磨碎筛选,配以相应比例的氟碑钾肥,棍台均匀加水拌台,造粒,烘干印为成品.工艺复台肥,混肥填料 简单,成本低,适于酸性土壤中种植农作物使用.主要利用多微量元素和稀土元素.丰碱等或器加剂,矿物饲 特为颗粒状,橐渣成块,无粉尘,不粘包,不挂渣,盖于馈包表面时长时 同也不会收缩,抟却后成有臆性的玻璃体易以清脒. 实例5”:火山凝藏岩散晶玻璃.呆用高硅富碱的火山凝蕨岩为主要原料研制成了以日. 硅灰石为主晶相的散晶玻璃.高CaO古量玻璃核化晶化后整体均匀结晶成为乳白色或拽黄 色散晶化制品;低CaO古玻璃烧结,晶化后成为花垃清晰的馓晶玻璃大理石.高CaO古量玻 璃由于CaO古量高,热扯理对严重分相.分相有利于玻璃整体均匀析晶;低C.aO古量玻璃在 大量折晶之前基本烧结,由于表面效应在玻璃颗粒表面诱发Br硅藏石晶体,并由表及里长大 为针状晶体 化学于盂性 实例1人工台成微孔硅酸钙.以玻屑凝藏岩为原料.产品具有容重轻,强度高线收污水澄清剂和净化 缩卓小,保韫性能好等特点.主要技术指标选到国家标准,产品成本低,附加值高,比以往荆,水泥活性混台 用硅藻土为原料的产品成车要低1/’4,l/3.还利用高硅等特性.材.高强砼活性外 宴饲2】:一种砷和重金属废水净化耐,提取利用炭质凝灰岩的括性炭.产品由镁铝叶掺料,发热桶材料. 绿矾和无定形炭以l:1,4的重量比配音组成产品中古一定量的活性s10,(2%,8%)和 无定形炭,无定形撮为天拣活性炭.为无定形炭和少量岩屑所组成,是由该岩经水解作用形 成.主要利用游离s活性及复矿性. 宴倒3J:凝灰岩膨胀揭,凝藏岩.是一种水泥,混凝土膨胀剂.在制备混凝土或砂浆 对撂 0%,l2%,可制备补偿收缩棍箍土或砂浆获得0.03%,008%的限缶i膨胀率.提 高抗裂踌巷能力.凝灰岩膨胀剂是由46%,56%的经600,900?煅烧的箍藏岩和44%,54% 的二术石膏,共同粉磨而成的粉末. 多孔性 宴倒l*:蒲辩填l}.玻屑凝灰岩,可全部代替滑石粉和部分代替硪酸钙,诎内墙潦料填通用助滤剂.污水 使用,可大幅度降低生产成本,主要利用轻质疏松.表观(色白)等特性.趾理剂.催化剂载 实例2”:食品助滤剂,以玻屑箍藏以岩为主要原料.较好地解决了原辩般烧膨化,孔体,吸收剂,干燥 径优化,强度改善和粒级搭配等技术难题,研制出各种技术指标均符音国家标准的不同型号剂,农药,化肥载 的凝藏岩肋滤ifl系列产品,与现有技术相比,具有性能优良.过滤效果好;资源丰富,原辩体或哑着剂,硝酸 价梧便宜;工艺简单,生产成本低廉;质量稳定,能有敬实现产品的系列化等优点.具有较氨球粒的防结块剂, 好的开发应用前景瓷盘,轻骨料,保 凝灰岩的糟理化学性质殛其开发利用. 的熔剂总量(平均为7%),其线收缩率最高可达 到24%,体积收缩率最高可达56%,而耐火度低 于14013?,烧结温度范围较窄为1160,1180?. 再如含伊利石凝灰岩,其钾来源于伊利石和凝灰 岩,故钾的含量颇为可观,可用于工业提钾或作为 混肥的有效组分之,. 凝灰岩其它的一些物化性质如力学性能,粒度 效应等尚待研究.所选择的凝灰岩以哪些物理化学 性质为主,则取决于其所属凝灰岩的种类,成岩条 件及后期的地质改造等多种因素. 4我国凝灰岩的开发利用殛前景 我国对于凝灰岩的开发利用研究尚还处在初级 阶段,这方面的成果报导尚不多见.由表2可知, 当前凝灰岩的开发研究主要集中在利用其化学成分 特性,化学活性,多孔性等物理化学特性方面,而 膨胀性和复矿性等物化特性则鲜见开发研究和报 导.从凝灰岩的一些有待开发应用方向来看,今后 凝灰岩将会在建材,农业,精细化工,食品,环保 等行业和领域太有作为.可以预料,随着凝灰岩开 发利用研究的深入,其应用领域将会不断地被拓 展,其潜在的资源优势最终将得以发挥;再者,我 国凝灰岩层常和与其有成因关系的沸石,膨润土, 高岭土等蚀变矿床呈层状,互层状或夹层状产出, 在开采这些蚀变矿产的同时如能回收或开采与其相 伴生的凝灰岩,则无论是从经济还是从资源可持续 利用的角度考虑,都具有非常重要的意义.l 参考立 [1)狂灵,柳东升.中国东南沿悔叶蜡石古矿火山岩建造厦其成 矿作用,(建毒f地质’1996(4):14—18 [2]翁世动,孙庆涛等,中生代晚期火山地质北京:地质出 版杜.1987 [3]木士春汪灵,湖南监澧水化流纹质玻屑凝灰岩物岩石学特 征,见:戴塔根主编.湖南矿物岩石地球化学论论丛.中南 2O 工业大学出版社,1999 姚道坤,史隶端等编着.中国膨润土矿床及其开发应用.北 京:跑质出版社1994 顾金秋,微量元素提高水稻产量应用试验研究.《浙江地 质》.】998.14(1):81,89 郏是云,邱基洪.奶牛饲料使用天然矿物添加剂的研究. 《浙江地质》.1995.11(2):71,75 严荣荫.珍珠岩.见:陶维屏主编,中国工业矿物和岩石, 北京:地质出版社.】987,166—179 陶维屏,高锡芽,孙祁等,中国非金属矿床戚矿系列矿床. 古矿建造成矿系列形成模式,北京:地质出版社,】994. 166,179 沈权,多元索高效复合肥,国家拉明专利.申请号: 93120256,公开号CN1089592 蒋旭,李广等.玻璃制造工艺及产品.国家拉明专利. 申请号:89109381.公开号:CN1052467 李新合.合成集诸剂.国家发明专利.申请号92】05897. 公开号:CN1081138 泉海弼,火山凝灰岩微晶玻璃,(武设工业大》,1997, 19(4):36,40 张明鉴,一种砷和重金属废水净化劫,国家发明专利.申 请号:89109581.公开号:CN104392】 张弄兰,凝毂岩嘭胀{}5国家发明专利,申请号: 91108533,公开号:CN1069956 汪是,木士春.通用助罅剂及其开发研究现状.见:彭明 生等主编,矿物物理与矿物材辩新工艺1999(待出版) S.J.幕方蒋(茧),工业矿物和岩石,中国建筑工出版社, 1984 李兆鼐,火山岩和火山作用与资源环境关系研究的若干同 题,见:欧阳自远主编,世纪之交矿暂岩石学地球化学的 回顾与展望,北京:原子能出版杜,1998 戋铁麟,浮石和火山藏,觅:陶堆屏主编,中国工业矿!由 和岩石北京:地质出版社.1987,90—106 (收稿日期:1999年1O月18日) [作者简介)木士春在读博士研究生研 究方向:非金属成矿学度矿物材料学 西北五省矿产资源开发潜力巨大 多,主要分布在鄂尔多斯盆地和塔里术盆地;另外,甘肃 省还集中了全国近62%的镍和57%的铂储量.我国的钾 盐储量则有97%集中在青海省. 国土资源部有关专家经论证认为,西北地区可建 设七太主要矿产资源开发区,包括陕甘宁盆地油气区,陕 南甘南有色金属贵金属区,黄河上游干流能源有色盘属 区,柴选术盆地油气盐湖化工区,北疆能源有色金属区, 东疆及河西走廊西段能源钢铁化工区和南疆油气区.; ……………,…一一.J 中国矿业2000年第9卷第3期 ??…m