譚 均

(中國(guó)建材地質(zhì)勘查中心河北總隊(duì)保定，河北 保定 071051)

研究區(qū)為華北地臺(tái)北緣的內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)、山西渾源、河北阜平一帶，研究對(duì)象是曾大規(guī)模地開采飾面石材用輝綠巖礦遺留下的大量“廢石”。以前主要對(duì)輝綠巖用于飾面石材作了大量研究工作，而輝綠巖飾面石材礦采后廢石的利用被忽視。本文是對(duì)此區(qū)帶輝綠巖已采飾面石材礦廢石利用的研究。主要探討飾面石材礦“廢石”適宜生產(chǎn)的產(chǎn)品及產(chǎn)品市場(chǎng)前景，分析飾面石材礦廢石利用的可行性。

1 輝綠巖地質(zhì)背景及開發(fā)中存在問(wèn)題

1.1 輝綠巖地質(zhì)背景及資源特征

(1)分布特征：在華北陸塊北緣，受繼承性基底斷裂控制，由北西到南東在內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)、山西渾源、大同、河北阜平、靈壽一帶分布著方向穩(wěn)定、平行分布的基性巖墻群，一般傾向北東，傾角70～90°呈斜列式排列，間距十幾米至幾百米，該巖墻(脈)群帶總長(zhǎng)250km，寬約50km，在兩端豐鎮(zhèn)以北和靈壽境內(nèi)有所收窄，露頭時(shí)隱時(shí)現(xiàn)[1](圖1)。單個(gè)巖墻(脈)寬0.5～100m，一般寬度10～30m，長(zhǎng)度數(shù)公里至數(shù)十公里，寬度與長(zhǎng)度大體成正比，與圍巖界面平直。古元古代晚期以輝綠玢巖為主，中元古代早期以輝綠巖為主，兩期疊置，規(guī)模宏大，是呂梁晚期和晉寧早期巖漿事件[2]。

圖1 華北陸塊北緣豐鎮(zhèn)—阜平一帶基性巖脈地質(zhì)分布略圖

(2)巖性特征：輝綠巖呈灰黑色，輝綠結(jié)構(gòu)，輝綠—輝長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要由斜長(zhǎng)石(60%)、普通輝石(30%)及少量角閃石(5%)、石英(＜5%)及磁鐵礦、磷灰石、黑云母、堿性長(zhǎng)石組成。偶見橄欖石斑晶，斜長(zhǎng)石(An=59)，呈自形—半自形板狀，粒徑0.3～2mm，具聚片雙晶和鈉長(zhǎng)石雙晶，可見環(huán)帶構(gòu)造，局部強(qiáng)絹云母化，黝簾石化。普通輝石呈半自形—他形粒狀，粒徑0.2～1mm，具弱多色性，晶體內(nèi)常有他形粒狀磁鐵礦分布。角閃石柱狀，柱徑0.3～0.5mm，多色性明顯，與輝石緊密伴生，發(fā)育次閃石化。輝綠玢巖，呈灰黑色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶是斜長(zhǎng)石(An=71)，呈半自形—自形寬板狀，雙晶發(fā)育，粒徑3～5mm，局部絹云母化，黝簾石化，含量約5%，基質(zhì)由基性斜長(zhǎng)石(57%～60%)、單斜輝石(33%～35%)并含少量石英(1%左右)、鉀長(zhǎng)石(2%左右)、黑云母(2%左右)、角閃石(5%左右)。部分巖石發(fā)生了變質(zhì)，出現(xiàn)了角閃石和斜長(zhǎng)石等變質(zhì)礦物組合。

(3)化學(xué)成分(表1)：據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和輝綠巖專項(xiàng)調(diào)查，在內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)大白溝、山西渾源小單窩和河北阜平砂窩輝綠巖脈上取樣分析結(jié)果看，輝綠巖脈Al＜Alk+C，巖石均屬于正常類型，沿走向由北西的內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)到河北阜平，巖脈基性程度有所增加，總體變化不大，呈漸變式。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖里特曼指數(shù)δ分別為4.61、6.34屬堿性系列。阜平輝綠巖里特曼指數(shù)δ平均為3.61，屬次鈣堿性，A/CNK=0.576，表明巖石具準(zhǔn)鋁質(zhì)特征，m/f=0.78，屬于吳利仁劃分的富鐵質(zhì)基性巖。阜平輝綠玢巖里特曼指數(shù)δ平均為1.21，屬鈣堿性系列，A/CNK=0.651，表明巖石具準(zhǔn)鋁質(zhì)特征，m/f=1.09， 屬于吳利仁劃分的鐵質(zhì)基性巖。阜平的輝綠巖與輝綠玢巖相比，前者TiO2、K2O、P2O5相對(duì)偏高，而Al2O3、MgO、CaO相對(duì)偏低，前者屬高鐵玄武巖系列，后者屬于含鎂較高的拉斑玄武巖系列。后者巖漿受陸殼物質(zhì)的明顯混染，前者巖漿也受到混染，但混染程度弱于后者。由阜平的輝綠巖看，稀土總量高，輕重稀土分餾中等，與大陸堿性玄武巖稀土模式特征相似，形成于早前寒武紀(jì)變質(zhì)基底拉張裂解的非造山構(gòu)造環(huán)境，屬于堿性玄武巖系列，來(lái)源于“富集性”母源，具原始地幔經(jīng)部分熔融的特點(diǎn)；阜平的輝綠玢巖稀土總量低，輕重稀土分餾極弱，與K.康迪的THZ型拉斑玄武巖稀土模式特征相同，形成于造山帶構(gòu)造環(huán)境，屬于亞堿性拉斑玄武系列，來(lái)源于“虧損性”母源，部分熔融程度較高，具大陸殼火山巖特點(diǎn)[3]。

表1 基性巖化學(xué)成分一覽表 (單位：%)

(4)物性特征：經(jīng)對(duì)本區(qū)域河北阜平砂窩、山西渾源小單窩輝綠巖取樣物性測(cè)定，巖石較為堅(jiān)硬，抗壓、抗折、抗剪強(qiáng)度較高，耐酸堿性能好(表2)，放射性測(cè)試結(jié)果與JC518-93《天然石材產(chǎn)品放射性防護(hù)分類控置標(biāo)準(zhǔn)》及(6566—2001)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，其適用范圍不受限制。

表2 主要物理特征一覽表

1.2 輝綠巖開發(fā)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

在20世紀(jì)80年代開始，個(gè)體開礦業(yè)主曾對(duì)輝綠巖資源進(jìn)行過(guò)“瘋搶式”開采，早期只開采飾面石材，采優(yōu)棄次，僅采大規(guī)格和高檔次的石材荒料，其余均作為廢石處理。在內(nèi)蒙豐鎮(zhèn)的白塔溝、山西渾源的小窩單和河北阜平的砂窩等地曾采出過(guò)名貴的飾面石材“中國(guó)黑”[4-6](豐鎮(zhèn)黑、阜平黑)。在本區(qū)帶經(jīng)幾十年的飾面石材礦開采，形成了大量的采坑和廢石堆，僅阜平境內(nèi)采坑就不下50余處。采深一般為100～200m，采坑掌子面70～90°。輝綠巖飾面石材荒料率一般不超20%，80%為廢石(不能成荒的碎石)，根據(jù)最近輝綠巖飾面石材礦核實(shí)報(bào)告，僅阜平境內(nèi)估算廢石量就達(dá)4 500萬(wàn)m3。早期廢石一般是順坡向下傾倒，或運(yùn)至附近地勢(shì)低洼處，后期多是堆放在采坑內(nèi)。

2 廢石利用探討

2.1 輝綠巖國(guó)內(nèi)外綜合利用現(xiàn)狀

主要利用輝綠巖物理性能(美觀、耐磨、抗壓、抗折等)的產(chǎn)品，常見的是飾面石材(墓碑、臺(tái)面、門柱、工藝石料等)，還可用于建筑石料、高速公路鋪路石料、瀝青混凝土碎石、鑄石以及各種設(shè)備(如攪拌機(jī)、傳輸帶)的襯里和各種形式的零件(如接頭、套管、爐柵等)。

主要利用輝綠巖化學(xué)性能(耐酸、耐堿、防腐等)的產(chǎn)品，有化工粘膠用粉料、耐酸堿的涂料、水泥混合材等。

20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)及西歐就有一些用玄武巖生產(chǎn)高質(zhì)量紡織纖維的工廠[7-8]，美國(guó)玄武巖纖維材料已達(dá)1 000～1 500t/a[9]。國(guó)內(nèi)纖維、巖棉、鑄石材料及制品的生產(chǎn)，在21世紀(jì)也取得了較大的發(fā)展，2002年國(guó)家把纖維生產(chǎn)列入“863”計(jì)劃，2010年底我國(guó)巖棉大型生產(chǎn)企業(yè)已達(dá)8家。建筑外墻保溫用巖棉制品、鑄石制品已被廣泛應(yīng)用。與玄武巖地表分布較為廣泛有關(guān)，以前上述產(chǎn)品多以玄武巖為主要原料。

纖維、巖棉、鑄石材料及制品，都是經(jīng)高溫熔融后制成，熔體中化學(xué)成分以氧化物、離子方式對(duì)產(chǎn)品的加工、成型和產(chǎn)品性能發(fā)揮作用，對(duì)巖石塊度沒有要求，使飾面石材礦廢石利用成為可能。

關(guān)于纖維、巖棉和鑄石主要礦石原料我國(guó)有一般參考工業(yè)指標(biāo)[10]、建材工作指南和一些實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)，如中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉建明教授的《建立制造連續(xù)玄武巖纖維的原料篩選方法與數(shù)據(jù)庫(kù)》、東南大學(xué)劉建勛博士的《玄武巖拉絲原料控制技術(shù)與熔化爐優(yōu)化升級(jí)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)與示范》[11-18]、上海俄金等企業(yè)的纖維組分值、四川點(diǎn)石玄武纖維科技有限公司提供的生產(chǎn)合格值指標(biāo)、以及南玻院和一些生產(chǎn)廠家的參考指標(biāo)。綜合國(guó)內(nèi)外十余家生產(chǎn)和研究單位的玄武巖產(chǎn)品的主要化學(xué)成分值合并統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)SiO2、Al2O3、CaO、MgO值域范圍較寬(表3)。生產(chǎn)過(guò)程中允許這些化學(xué)成分含量有較大的波動(dòng)，由于熔化技術(shù)、生產(chǎn)工藝及廠家質(zhì)量要求不同，原料標(biāo)準(zhǔn)要求也不盡一致。但對(duì)配料后的酸度系數(shù)MK、粘結(jié)度系數(shù)Mb和FeO/Fe2O3值有一般要求、原料、配料比例也有一些經(jīng)驗(yàn)值，下面歸納列舉巖棉、纖維、鑄石生產(chǎn)和研究單位的一些參考指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 玄武巖產(chǎn)品主要化學(xué)成分指標(biāo) (單位：%)

(1)巖棉：一般要求，SiO2＜52%，MK以1～ 3.5為宜，配料后的MK＞1.2～1.3，爐料要求MK≥1.5。同時(shí)考慮礦物或巖石機(jī)械性能、快度的機(jī)械強(qiáng)度、溶解溫度及熔融狀態(tài)材料的粘結(jié)性。一般要求Mb＞1.2(在1.2～2之間)，生產(chǎn)巖棉玄武巖為主料，還需配料石灰?guī)r和白云巖，比例為7∶2∶1。巖棉帕沃可標(biāo)準(zhǔn)，要求燒失量≤2%，對(duì)K2O+Na2O沒有要求。四川帕沃可礦物纖維制品有限公司玄武巖巖棉生產(chǎn)試作配方為：玄武巖270kg、白云巖70kg、水渣型球180kg、焦炭98kg，理論MK1.75。

(2)纖維：一般認(rèn)為，最適合拉絲的組分要求是：SiO2為50%～58%，(Fe2O3+TiO2)≤11.5%，燒失量＜3%。依據(jù)吳智深等的專利③“一種連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)方法”(編號(hào)CN10639421A)。，成纖MK≥3(以3.5～5最佳)；Mb≥1.5；FeO/Fe2O3≥0.5。酸度系數(shù)是一個(gè)綜合表達(dá)玄武巖熔體高溫粘度、成纖性能、易熔性和化學(xué)穩(wěn)定性和重要參數(shù)[19]。其值越高，表明熔體粘度越大，纖維拉絲成型工藝要求難度越大。拉絲玄武巖推薦值，專家建議：CaO＞12%會(huì)影響粘度，避免CaO＞12%的原料。一般要求Mb＞1.2～2.0。FeO 8%～14%。

酸度系數(shù)計(jì)算公式為：MK=(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)；

粘結(jié)度系數(shù)計(jì)算公式：Mb=[m(SiO2)+2m(Al2O3)]/ [2m(Fe2O3)+m(FeO)+m(CaO)+m(MgO)+m(K2O)+m(Na2O)]。

式中：m為各氧化物的分子數(shù)。

(3)鑄石，鑄石要求玄武巖原料細(xì)粒、均勻、未風(fēng)化、不含捕虜體和大于2mm的橄欖石和輝石斑晶。

2.2 飾面石材礦廢石可利用性分析

(1)適宜產(chǎn)品。

輝綠巖國(guó)外又稱粒玄巖(Dolerite)，商業(yè)上稱其為暗色巖。輝綠巖屬于基性巖的淺成相，與噴發(fā)相玄武巖、超淺成相輝綠玢巖、深成相輝長(zhǎng)巖化學(xué)成分相似，可以開發(fā)與玄武巖類似的產(chǎn)品。一般輝綠巖化學(xué)成分穩(wěn)定，SiO2含量較玄武巖稍高，K2O、Na2O含量較玄武巖少，含微量TiO2，稍加堿性調(diào)節(jié)輔料，酸度系數(shù)就可達(dá)到成纖要求。因此熔體質(zhì)純，制得的纖維化學(xué)性穩(wěn)定。輝綠巖不含或很少含石英和游離氧化硅，巖石均質(zhì)、細(xì)粒，不含大斑晶和外來(lái)雜質(zhì)，可用于生產(chǎn)鑄石。據(jù)蘇良赫、列別金斯基等研究，我國(guó)大多數(shù)玄武巖、輝綠巖宜作鑄石原料[19]。國(guó)內(nèi)外均有用輝綠巖生產(chǎn)鑄石、巖棉的先例，如捷克生產(chǎn)巖棉也用內(nèi)生成因的基性巖。我國(guó)陜西略陽(yáng)田壩曾以輝綠巖為主要原料生產(chǎn)鑄石，配比為：輝綠巖78%、鉻鐵礦8%、角閃石8%、白云巖4%、螢石2%。

由前述阜平輝綠巖特征看，輝石顆粒僅個(gè)別大于2mm。可用于生產(chǎn)鑄石產(chǎn)品，由輝綠巖物性特征(表1)看，滿足飾面石材和鑄石要求。由表2與表3、表4比較，可見阜平輝綠巖化學(xué)成分值均在纖維、巖棉和鑄石產(chǎn)品要求的幅度內(nèi)，SiO2含量略低于50%，與拉絲最佳值要求下限接近。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖化學(xué)成分值在纖維原料要求值幅內(nèi)，但是SiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O值比巖棉和鑄石原料要求值偏高。

經(jīng)計(jì)算，阜平輝綠巖的MK值為4.68、4.53、4.82、3.71在成纖最佳值域(3.5～5)。阜平輝綠巖的Mb值 均≥1.5，為1.94、1.96、1.70、1.98。FeO/Fe2O3值 為0.45、1.0、0.74；阜平輝綠 玢巖MK值 為5.59，略 高，Mb值 為2.17，F(xiàn)eO/Fe2O3值為0.63。豐鎮(zhèn)和渾源的輝綠巖MK分別為7.24、6.11；Mb分 別為2.47和2.12，F(xiàn)eO/Fe2O3=0.20。

由酸度系數(shù)MK值、粘結(jié)度系數(shù)Mb值看，豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖都適合成纖，除阜平輝綠玢巖外，F(xiàn)eO/Fe2O3值都＜0.5，需通過(guò)配料調(diào)劑達(dá)到要求。阜平輝綠巖大部分不需調(diào)節(jié)，小部分稍加輔料調(diào)節(jié)即可，屬于質(zhì)純?cè)希苌a(chǎn)出化學(xué)性穩(wěn)定的纖維產(chǎn)品。豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖酸度系數(shù)和粘結(jié)度系數(shù)都超出了巖棉原料要求的酸度系數(shù)和粘結(jié)度系數(shù)的要求范圍，主要是酸性較大，需加石灰?guī)r、白云巖等配料向基性方向調(diào)劑。

根據(jù)蘇良赫、列別金斯基等設(shè)計(jì)的鑄石Sal-Cafem、ALK三角圖解(圖2)，阜平輝綠玢巖樣品和部分輝綠巖樣品投點(diǎn)于適宜鑄石的虛線范圍內(nèi)，豐鎮(zhèn)、渾源和阜平部分輝綠巖樣品投在虛線范圍外圍，屬于不適宜作鑄石的范圍。主要是SiO2含量偏高，但是可以通過(guò)添加配料調(diào)劑達(dá)到要求。

圖2 鑄石Sal-Cafem、ALK三角圖解

(2)產(chǎn)品市場(chǎng)前景。

在華北地區(qū)，雄安新區(qū)正在大規(guī)模地進(jìn)行城市建設(shè)，像保定這樣的中等城市也在不斷地?cái)U(kuò)建中，未來(lái)對(duì)環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品需求量巨大。纖維、巖棉、鑄石產(chǎn)品及生產(chǎn)符合低碳節(jié)能減排趨勢(shì)和國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，正面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此纖維、巖棉、鑄石產(chǎn)品市場(chǎng)前景非常光明。

3 結(jié)論與建議

豐鎮(zhèn)、渾源和阜平的輝綠巖、輝綠玢巖均適宜于成纖。阜平輝綠玢巖、輝綠巖適宜于鑄石，但部分輝綠巖需要添加調(diào)劑輔料。豐鎮(zhèn)、渾源、阜平的輝綠巖、輝綠玢巖要生產(chǎn)巖棉，豐鎮(zhèn)、渾源的輝綠巖、輝綠玢巖要生產(chǎn)鑄石，均需不同程度地添加調(diào)劑輔料。

輝綠巖有較獨(dú)特的物理、化學(xué)屬性(如耐酸耐堿防腐蝕、耐磨，其產(chǎn)品具防火、防水、隔聲、隔熱、保溫、輕質(zhì)、節(jié)能、電絕緣等特性)，資源是珍貴的，隨著科技進(jìn)步、生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，其產(chǎn)品領(lǐng)域會(huì)進(jìn)一步拓寬。開采輝綠巖飾面石材礦的“廢石”一定要分類堆放(不要與圍巖混雜)，以備綜合利用，避免過(guò)度分散致資源價(jià)值滅失。礦產(chǎn)資源是不可再生的，要樹立科學(xué)發(fā)展、新發(fā)展、持續(xù)發(fā)展的理念，節(jié)約礦產(chǎn)資源，采礦方式必須由粗放式轉(zhuǎn)變?yōu)榧s式，切實(shí)執(zhí)行礦產(chǎn)資源利用“三率” 最低指標(biāo)[20]要求。要物盡其用，提高礦產(chǎn)資源綜合利用能力。應(yīng)當(dāng)把此作為礦產(chǎn)開發(fā)中政府指導(dǎo)、監(jiān)督和干預(yù)的一項(xiàng)重要責(zé)任。