海泡石和凹凸棒石矿床地质学
从凹凸棒石在自然界的赋存特征及其与相关矿物的关系分析，它是一种低温矿物，是SiO:与Mg在碱性溶液中结合结晶而成的化学矿床，还是一种固液平衡相变矿物。它能在25 ~ 220℃的浓海水或SiO:饱和盐溶液中优先结晶，分布于各种地质环境中。形成机制可能是火山喷发喷出的陆源岩石的玄武岩、火山碎屑和风化物溶解于水而带入湖中。在干旱或半干旱气候条件下，当水溶液蒸发浓缩到一定浓度时，凹凸棒土直接在弱碱性溶液中沉淀结晶。同时，方解石、白云石、伊利石、蒙脱石、应时、蛋白石等。是在不同的阶段和条件下形成的，构成了不同类型的凹凸棒石粘土矿床。自然界中常见的是蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等层状硅酸盐转化为凹凸棒石，在富含SiO _ 2和Mg的碱性介质中以固-液状态转化。
一般认为，海泡石也是低温化学沉积或固液平衡相变的产物。结晶时水介质的条件是富镁、硅、贫铝的碱性溶液(pH值8.5左右)。水化学类型相当于硫酸盐沉积阶段的碳酸氢盐-硫酸镁亚型水介质。合成海泡石的成功为上述推论提供了依据。实验在PH≥8的碱性溶液中用两种方法进行。试验压力为101325Pa，温度为25℃。
海泡石和凹凸棒土的形成条件基本相似，主要区别在于介质中铝镁含量和pH值的不同。当介质中含有铝时，凹凸棒石形成的可能性高于海泡石。产生海泡石的介质pH值在8.5左右，范围较窄，而凹凸棒石在7 ~ 9左右的pH值范围内都能生成，所以凹凸棒石在自然界的分布比海泡石更广泛。
弗兰克-科梅、内基吉和克洛科娃用海泡石和凹凸棒石做了高压实验。结果表明，当一定量的SiO 2分解时，它由层状链状结构转化为层状滑石和蒙脱石矿物，因此海泡石和凹凸棒石矿物可视为滑石或蒙脱石与SiO 2等层状硅酸盐的过渡组成。同样，这些层状硅酸盐矿物在一定的地质和物理化学条件下，也可以转化为海泡石和凹凸棒石矿物。
二、成矿控制条件
具有重要工业意义的沉积海泡石-凹凸棒石矿床的形成主要受以下条件控制。
1)地质时代普遍较晚，主要集中在晚古生代和中新生代。前者如我国湖南、江西、陕西的浅海型，形成于二叠纪。后者如西班牙、西北非、美国、日本、大西洋、太平洋、地中海、波斯湾和中国东部，集中在古近纪，层位稳定，分布广泛。
2)受构造活动带附近的窄洼和洼地控制。它们常出现在陆地风化侵蚀或海底风化侵蚀的表面，离物源区不远。海泡石-凹凸棒石的岩石成分可以是与火山作用无关的碳酸镁型，也可以是与火山作用有关的大陆火山-沉积型，或者是现代海底的海底沉积物。
3)陆相或海相坳陷或凹陷一般应满足以下条件:①富含镁、硅、铝和超盐度的环境；②低能至中低能沉积环境；③pH = 8 ~ 11的碱性和相对还原性环境；④封闭-半封闭狭窄小盆地。
除深海区外，一般处于干旱-半干旱气候条件，具有蒸发和沉积的一些特征。
4)明显受岩性控制。无论陆相还是海相沉积类型，其岩性大致可分为两类:①无直接联系的碳酸盐岩；②与火山物质直接相关的火山碎屑沉积砂泥质岩。
三、矿床的主要成因类型和地质特征
海泡石或凹凸棒石矿床是以海泡石或凹凸棒石粘土矿物为主要成分的粘土矿。它们可能形成于沉积作用和淋滤-热液成矿作用中，其中沉积作用最容易形成大规模的工业堆积。根据成矿地质背景和成矿方式，大致可分为沉积型和残积热液型。
(1)沉积海泡石和凹凸棒石矿床
矿床产于内陆碱性湖泊、盐湖盆地、碱性玄武岩盆地、浅海碳酸盐台地、潮汐带和其他具有结构稳定的干旱或半干旱气候带的地区。成矿作用可分为三个阶段:同生期、成岩期和表生期。海泡石和凹凸棒石矿物可以直接从溶液中蒸发结晶，也可以由伊利石、绿泥石、蒙脱石、高岭石、海泡石(或凹凸棒石)等转化而来。矿体呈层状、层状、透镜状，产状与围岩一致。矿化范围一般较大，面积从几平方公里到几百平方公里。矿石呈土状、致密块状、碎屑状和球状。矿石的矿物含量一般在50%以上，个别情况下可达90%以上。伴生矿物有蒙脱石、伊利石、方解石、白云石、应时、蛋白石、燧石、高岭石、海泡石(或凹凸棒石)等。矿床规模可达几十万吨至一千万吨。
根据形成时古地理环境的不同，可分为陆相沉积沉积和海相沉积沉积两个亚型。
1.陆相沉积类型
主要产于古代或现代干旱气候区和半封闭至封闭的陆相沉积盆地。该类型可分为蒸发化学沉积型和火山-沉积型。
(1)蒸发化学沉积型
它是通过蒸发-化学沉积形成的。成矿物质主要由盆地周围或相关源区沉积变质岩系的风化产物提供。沉积物是以凹凸棒石还是海泡石为主，还是两者同时出现，往往与碱性介质的pH梯度、镁、硅或铝的相对含量、盆地的大小密切相关。一般凹凸棒石主要产于盆地底部和边缘，皂石和海泡石多形成于盆地中心附近。
矿床1的例子:西班牙Vallecas的海泡石矿床。
产于古近纪和新近纪沉积盆地。沉积物质主要由盆地周围古生代和中生代地层中的大理岩、泥质板岩、云母片岩、石英岩和片麻岩等风化物质提供。矿层呈近东西向透镜体，赋存于古近纪和新近纪以白云岩为主的碳酸盐沉积岩中。海泡石直接结晶于沉积阶段或破碎带的盐溶液中。海泡石或凹凸棒土的单个纤维晶体的长度可以达到几毫米以上，形成毡状复合体。矿层中矿物自下而上的顺序为:海泡石-海泡石+凹凸棒石+伊利石-凹凸棒石+伊利石。海泡石占粘土的95%，其次是凹凸棒石、蒙脱石、伊利石、方解石和应时。化学成分一般为(WB/%): SiO2 (57.83)，Al2O3 (4.36)，Fe2O3 (0.61)，MgO (22.38)，H2O+(10.26)。
实施例2:西班牙卡塞雷斯凹凸棒石矿床。
它位于太浩断陷盆地西部由阿尔卑斯运动引起的构造洼地。凹陷基底由寒武系板岩组成，其上沉积有古近系和新近系，厚度1800m m，凹陷周围剥蚀区分布有板岩、硬砂岩、灰岩、白云岩和火山凝灰岩。盆地边缘为碎屑岩相，主要由应时、白云石、绿泥石、白云母等碎屑矿物组成。向凹陷中心逐渐变为蒙脱石和凹凸棒石粘土层，出现在碎屑矿物带与中央蒸发岩的过渡带，即碳酸盐和硫酸盐相带的外围地带。在凹陷中心附近，过渡带有少量海泡石和方石英。煤层厚约4米。凹凸棒石占矿石的85%，其次是应时、方解石、白云石、皂石、伊利石、绿泥石、高岭土和方石英。凹凸棒石粘土的化学组成(w/b%):二氧化硅(51.5)，氧化铝(10.3)，氧化铁(2.26)，氧化铁(0.52)，H2O+(14.4)，H2O (7.36)。
(2)火山沉积型
以苏皖交界的六合、盱眙、嘉善、来安、天长等县为代表。该区碱性玄武岩大面积广泛发育凹凸棒石粘土层，矿化面积2000km2，已发现数十处矿床，构成凹凸棒石粘土矿带。矿带位于郯庐深大断裂带的东部，扬子准地台和中朝准地台的交界处，即张八岭隆起和金湖坳陷之间的断陷盆地中。含矿的古近纪碱性玄武岩沿西北方山-女山断裂带分布。新近系火山-湖相沉积岩系一般厚100 ~ 300 m，与下伏古近系红色砂页岩呈不整合接触。断陷盆地的基底为元谷峪张八岭群变质岩、上震旦统陡山沱组和灯影组沉积岩以及中生代陆相火山岩。
矿床实例:江苏盱眙凹凸棒石粘土矿床
凹凸棒石粘土产于新元古代和新近纪下草湾组，在桂5组下段也有零星分布，在柳河组偶见。下草湾组由一套中粒橄榄玄武岩、橄榄粗玄武岩及半固结粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、粘土层组成，其中1 ~ 4层玄武岩与沉积岩互层或互层，一般厚度20 ~ 90m。
盱眙地区的凹凸棒石粘土呈层状、透镜状，厚2 ~ 5m，长数百米或千米。如华家岗-永小山V粘土层无明显韵律，沿走向可逐渐变为粉砂质泥岩和砂砾岩。粘土层中有陆生动物化石，中上层常出现厚度约几厘米至几十厘米的蛋白石层，其产状与顶底板围岩一致。粘土矿物包括凹凸棒石粘土、白云石凹凸棒石粘土、硅质凹凸棒石粘土、蒙脱石凹凸棒石粘土、蒙脱石粘土、含海泡石的凹凸棒石粘土等。它们在空间分布上有一定的规律。比如从华家岗到永孝山，顺序是:粉砂质泥岩-蒙脱石粘土-凹凸棒石粘土-含海泡石的凹凸棒石粘土。华家岗含有较多的应时碎屑组分，可能是沉积盆地的边缘，而永小山则靠近盆地中心(图5-3)。
图5-3盱眙花家岗-永小山V粘土层类型变化示意图。
1—粉砂质泥岩；2-蒙脱石粘土，3-白云石凹凸棒石粘土；4-凹凸棒粘土；5-含有海泡石的凹凸棒石粘土；6-玄武岩；7-广西组5；8—下草湾组
粘土灰白色-浅灰色，质纯，相对密度约2。吸水性强，手感滑溜。常见的土状、致密块状和角砾岩矿物。薄片中可见假流结构、微多纤维晶体结构和微沉淀灰晶体结构。矿石以凹凸棒石为主，其次是蒙脱石、应时和水云母，偶尔有海泡石。矿石中可见粘土玄武岩碎屑和矿物晶体碎屑，部分片状和楔形晶体碎屑已被凹凸棒石化。凹凸棒土代替蒙脱石是很常见的。粘土层的母岩物质可能是玄武角砾岩凝灰岩或凝灰岩角砾岩。蒙脱石是凹凸棒石粘土的前身，后者是前者在碱性玄武岩影响下进一步演化的结果。由以上分析可知，凹凸棒石与玄武岩之间存在着密切的成因联系:①凹凸棒石粘土层中存在着大小不一的玄武岩角砾岩；(2)部分玄武岩风化分解成粘土后，玄武岩中仍存在一些独特的管状孔隙和杏仁状结构。③凹凸棒石粘土的化学成分与地板玄武岩相似(除FeO、K2O、Na2O高于粘土，SiO2、Fe2O3、H2O低于粘土)。上述情况表明，盱眙地区凹凸棒石粘土矿床属于火山-沉积型。
2.海洋沉积类型
(1)海相沉积海泡石矿床
这种类型在我国主要见于二叠纪碳酸盐岩地层或煤系地层中，如江西乐平、湖南浏阳、陕西宁强。这些地区都是晚古生代沉积凹陷。含海泡石的镁质粘土岩是一套碳酸盐岩，主要为泥晶灰岩、白云质泥晶灰岩、燧石灰岩、钙质页岩和粘土岩，常伴生硅质岩和燧石透镜体(结核或条带)，属于一套高硅质含量的泥晶灰岩地层。矿体呈层状、似层状或透镜状，产状与围岩层理一致，倾角较缓。矿体长数千米，深数百米，厚几米至十几米。主要矿石类型为泥灰岩型矿石、钙质页岩型矿石和粘土型矿石(由前两者风化而成)。主要矿物为海泡石、凹凸棒石、蒙脱石、方解石和滑石，其次为白云石、高岭石、玉髓、伊利石、黄铁矿、绿泥石、天青石和萤石。
中国二叠纪浅海沉积类型具有以下特征:
1)煤层存在于某一层位，层位稳定。海泡石和“菊花石”关系密切，属于同一层位。
2)容矿岩石为浅海灰岩、泥灰岩和含灰岩透镜体的钙质页岩，为一套典型的碳酸盐岩。
3)在寄主岩石的化学成分中，CaO含量高，MgO含量相对较低，Al2O3较差。湖南浏阳以海泡石为主的样品中，MgO含量多为11.36% ~ 17.62%，平均含量为5% ~ 11%。当MgO含量大于20%时，主要是由海泡石转化而来的滑石。
矿床实例:湖南省浏阳县永和海泡石粘土矿床
矿区位于萍乡-乐平晚古生代沉积坳陷的西南端。谷雨有震旦系，上古生界有泥盆系，中生界有白垩系，新生代有第四系。岩浆岩主要是中酸性岩石。该构造位于浏阳“S”型构造与安化-永和东西向构造带东部的复合部位，近东西向褶皱和断层发育。二叠系主要出露于矿区，在东西轴附近构成向斜构造。轴向地层为上二叠统龙潭组和下二叠统茅口组和栖霞组。北翼为中上石炭统湖田群，南翼被区域性东西向逆冲断层切割(图5-4)。
煤层产于下二叠统栖霞组上部的泥灰岩段(湘潭、湘乡、宁乡、娄底等地将该层划分为茅口组底部)。海泡石和浏阳菊花石都产于该层。含矿层厚40～70m，与坚硬的石灰岩关系密切。底板为2 ~ 8m厚的坚硬灰岩，顶板为茅口灰岩。
矿体呈层状、似层状或透镜状，产状与围岩基本一致。含矿层延伸3000多米(达6000米)，倾斜深度300 ~ 400米，含矿2 ~ 4层，层厚2 ~ 7米，最大厚度16.34米..
矿物组合很简单。90%以上的样品由海泡石、方解石、应时和滑石组成，且前两者占主导地位。次生矿物为白云石、高岭石、蒙脱石、高岭石和绿泥石。微量矿物包括白云母、沸石、凹凸棒石和伊利石。海泡石在地下浅层以上无明显变化，而滑石含量较高，可能与海泡石的风化转化有关。由于风化和流失，地下浅部方解石含量低，深部方解石含量高。
矿区内有两种类型的矿石:粘土型和原岩型。粘土类分布于地表和浅部，由风化泥灰岩和含海泡石的钙质页岩形成。海泡石含量高，多为深灰色、灰白色，土质松软，断面凹凸不平，手感滑溜。吸水后可塑性强，制浆率可达9.54 ~ 16.40m3/t，原岩类型为泥灰岩含海泡石和钙质页岩，深灰色-灰黑色。呈片状、刀片状，硬度相对较小。一般海泡石含量在中等以上，制浆率较差。
图5-4永和海泡石矿区地质示意图
1——第四纪全新统；2-第四纪更新世；上二叠统3-龙潭组；4-下二叠统茅口组:栖霞组第三段5；6—栖霞组二段；7—栖霞组一段；8-石炭系湖田群；9-震旦系；10—冷家溪群三言组二段；11-冷家溪群三言组一段；12—石英斑岩；13-故障及编号；14-矿段详查；15 ——初步勘探段
化学成分以CaO含量高、MgO和Al2O3含量低、SiO2含量变化大为特征。据统计，近地表的Al2O3、SiO2、Fe2O3、MgO含量相对较高，向深处变低，而CaO含量则相反。当MgO的含量超过20%时，它变成主要是滑石。
含矿地层的岩性由浅海灰岩、泥灰岩和含灰岩透镜体的钙质页岩组成。含矿地层中有大量的腕足动物、珊瑚等浅海生物化石。煤层与上部和下部石灰岩和燧石石灰岩呈整体渐变关系。
海泡石和菊花石产于同一层位，同时形成。菊花石是燧石结核周围天青石放射状发育，在海退环境中海水蒸发到一定程度时硫酸锶结晶而成。这种环境海水富含镁和硅，而贫铝。在碱性水中，镁离子与硅胶结合沉淀，形成浅海沉积的碳酸盐岩-钙镁粘土型海泡石矿床。
(2)海相沉积凹凸棒石粘土矿床以西班牙的Libria和乌克兰的Chilkas为代表(与膨润土矿床共生)。
矿床实例:西班牙Libria的凹凸棒石海泡石矿床。
该矿床位于瓜尔斯维尔盆地，靠近瓜尔基维河出口。矿层产于古近纪上新世海退时期的大陆边缘湖相沉积中。上新世地层分为三段:下部海相应时砂岩；中层泥灰岩-钙质层，厚25 ~ 30m上部为凹凸棒石粘土层。中段产燧石、白云石、凹凸棒石-海泡石粘土，呈层状透镜状夹在含燧石的灰岩和泥灰岩中。海泡石在粘土中的含量为20% ~ 60%，凹凸棒石只占百分之几。海泡石含量与应时含量成正比，而与方解石含量成反比。上部凹凸棒石粘土层夹在石灰岩之间，石灰岩顶部有一层厚度约4 ~ 5m的瘤状石灰岩。粘土中凹凸棒石含量为60% ~ 80%，与方解石含量成正比，仅含少量海泡石、蒙脱石和伊利石。矿石层厚十几米到几百米。
(2)残积热液凹凸棒石和海泡石矿床
这种类型的矿床通常出现在蚀变火山凝灰岩、蚀变花岗岩、蛇纹石和大理岩的矿脉中，并经常被菱镁矿、绿泥石、蛋白石和方解石填充在裂缝中。如湖北广济、河南卢氏、内蒙古白云鄂博、四川石棉县、安徽全椒、陕西商县等地，以及俄罗斯外高加索地区(包括坡缕石凝灰岩粘土)。
商县拉林子海泡石矿床产于奥陶系地层中。出露岩石主要为白云石大理岩、透辉石大理岩和黑云母片麻岩，北、东、西与花岗岩接触。海泡石和方解石充填在白云石大理岩裂隙中，呈细脉状，单脉厚度1 ~ 10 cm，延伸不多。矿脉中还有少量的应时，在洞穴中可以看到方解石串。海泡石为白色纤维状集合体，纤维长度不等，老年人可达60mm。海泡石在矿脉中分布不均匀，多出现在方解石颗粒之间的空隙中。受方解石形状的限制，形成时间比方解石稍晚。纤维状海泡石也可见生长在垂直脉壁上。
安徽全椒凹凸棒石矿床位于全椒马场东北4.3km处，淮阳山形构造前弧东翼，郯庐深大断裂以东，玉屏山复式向斜西南端西北翼。震旦系陡山沱组上部和灯影组下部主要出露大理岩，NE向褶皱发育。燕山早期，硅酸铝过饱和的石英二长岩和闪长玢岩侵入。矿脉产于陡山沱组上部闪长岩角砾岩、角砾岩花岗闪长玢岩、大理岩破碎带及内外接触带的千片页岩中，呈北东、北北东向展布，倾向南西或南东，倾角60° ~ 85°。脉是细脉和网状脉。凹凸棒石矿脉纤维长，含量丰富，杂质少。杂质成分因围岩性质而异。闪长岩角砾岩中的含闪长岩碎屑组分和大理岩中的方解石。主要矿脉5条，长25 ~ 100米，厚0.2 ~ 1.2米。矿石类型以纤维束结构为主，含凹凸棒石90%以上。其次是细脉充填交代矿(含凹凸棒石30% ~ 60%)、网脉矿(含凹凸棒石30% ~ 60%)和角砾岩矿(含凹凸棒石30% ~ 80%)。矿石以纤维状构造为主，其次为交代残留构造和交错构造、块状、细脉状和角砾状构造。矿石呈粉白色，吸水后略带玫瑰红色。
残积-热液海泡石粘土矿床主要产于富镁岩石的裂隙中，与热液凹凸棒石矿床的容矿岩石类型基本相同。该类型矿石技术性能优良，但矿体体积矿石含量低，矿床规模小，工业价值不大。
四。矿藏分布
海泡石和凹凸棒石很少形成单一的大堆积。由于它们的矿物结构相似，化学成分相同，所以常常一起产生。除中国外，主要出口国是西班牙、美国和俄罗斯，其次是土耳其、塞内加尔、索马里、肯尼亚、希腊和日本。
西班牙是欧洲最大的海泡石和凹凸棒石生产国，也是目前海泡石资源最丰富的国家。凹凸棒石和海泡石以两种形式产出:一种产于膨润土矿床中，如阿尔梅里亚的膨润土矿床中，强烈蚀变部分含有少量凹凸棒石和海泡石(与蚀变过程中产生过量镁有关)。另一种是由海泡石组成的漂白土沉积物，产于塔古斯盆地。
美国是凹凸棒石的主要生产国。矿床集中在佐治亚州和佛罗里达州之间的地区，其中大部分是沉积成因的。它通常由几种粘土矿物组成。在佐治亚州的凹凸棒石粘土矿床中，有蒙脱石和海泡石粘土，它们在中新世霍桑地层中呈板状晶体或不连续的层状出现。美国的海泡石粘土矿床分布在内华达州的灰草甸地区，与更新世钙质、钠质和镁质膨润土密切相关。
前苏联第一个可开采的凹凸棒石漂白土矿床位于乌克兰的采尔卡塞。* *矿石共五层，单层厚度1.5 ~ 8m，大部分由蒙脱石组成，只有一层主要由凹凸棒石组成(2m厚)。
土耳其的海泡石矿床是由富含镁橄榄石的蛇纹石或其他镁质岩石蚀变而成的。矿石致密块状，海泡石呈散块状，可用于制作烟嘴、管道内衬及各种装饰品。
我国凹凸棒石粘土资源主要分布在江苏盱眙-六合和安徽明光-江西。凹凸棒石粘土在内蒙古、四川、山东、贵州、甘肃、新疆、湖南等地也有发现，主要分布在新近系和古近系火山岩、白垩纪陆相地层、奥陶系和二叠纪灰岩地层、寒武系和震旦系白云岩灰岩等地层中，尤其是新近系和白垩纪玄武岩分布最有利于成矿。除了江苏和安徽，其他地区凹凸棒石粘土的产业发展规模都不大。所以中国的凹凸棒石粘土产业实际上是以江苏、安徽两省的凹凸棒石粘土为代表的。
海泡石矿物在中国分布广泛，而且有许多矿区。热液海泡石矿物除安徽全椒外，主要分布在东秦岭。此外，在贵州、云南武定、河北张家口、湖北广济、四川石棉县等地也发现了海泡石。沉积海泡石矿物主要产于二叠纪碳酸盐岩地层中，少量产于下白垩统。主要分布于江西浏阳、湘潭、宁乡、望城、湘乡、石门、乐平，陕西宁强和河北唐山，其中湖南浏阳的永和、湘潭石潭、宁乡道林为大型矿床。