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 木士春(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 , 以作为凝灰岩开发应用的理论依据 , 然后报导了当前的一些开发应用实例 , 指出凝灰岩 可进一步开发应用的方向 。关键词 凝灰岩 非金属矿物材料 物理化学特性P HYSICAL A ND C HEM ICAL FEATURES OF TUFF A NDITS D EVELOPM ENT A ND APPL ICATIO NMu Shichun( Changsha Instiute of Geotecto nics , Academia Sinica)Abstract : The t uff is a kind of p redictable and new2t ype no nmetallic minerals resource. So me important p hysical and chemical feat ures are st udied and discussed in t his paper , as t heoretical bases for develop ment and applicatio n of t uff . Af ter t hat , so me examples of t he develop ment and applicatio n of t he t uff are reported , o nt he basis of which , it s applied t rends are pointed out too .Key words : Tuff , No nmetallic mineral materials ,Physical and chemical feat ures凝灰岩是一种分布最广泛 、最常见的细粒火山岩 。碎屑主要表现为岩屑 、晶屑 、玻屑和火山 其碎屑粒径一般小于 210 mm 。它是由火山爆 抛入空中的火山物质经长距离的搬运 , 散落于, 再经压结和水化学胶结固结成岩 。目前 , 凝 的研究还比较薄弱 , 凝灰岩的开发应用在我国引起重视 , 迄今还未形成产业 。丰富的凝灰岩 如能得到开发应用 , 它将成为一种新型和重要 金属矿产资源 , 不但在国民经济中发挥重要的, 而且还大大有利于非金属矿产资源的可持续 与利用 。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1, 我国东南沿海 含 叶 蜡石凝灰岩建造的 C IPW 标准矿物含量 , 主要由石 英 ( Q) 、钾 长 石 (o r ) 和 钠 长 石 ( ab) 等 矿 物 组 成 , 其 含 量 ( %) 分 别 为 38155 、27139 、22163 , 三者之和一般大于 90 % , 另外还含有少量钙长石 , 平均 3156 % ; 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 、伊利石或高岭石 、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地质简况我国凝灰岩主要分布于中国东部 ,尤其是东南地区的中生代火山岩带中 , 为环太平洋火山带部分 , 主要产于上侏罗统南园组 、磨石山群 ,垩统帽石山群 ; 华北板块北缘中生代凝灰岩分 较为广泛 , 岩层主要产于上侏罗统后城组 、张组和下白垩统义县组 ; 新生代酸性凝灰岩在我SiO2 、Al2 O3 、K2 O 和 Na2 O 等 , 次要成分为 CaO 、基金来源 : 湖南省 “95”科技发展计划项目 ( 湘计科研成果 1998 - 750 - 14) 资助别 > 017 %和 > 019 % , 且 FeO 通常 > Fe2 O3 , 二者之和一般 < 3180 % ; 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 。MgO 、SiO2 、FeO 和 Fe2 O3 等 。酸性凝灰岩 SiO2 、Al2 O3 一般分别 > 70 %和 > 13 % ; K2 O + Na2 O 通常> 5 % ,且 K2 O 一般 > Na2 O ;Fe2 O3 、FeO 一般分表 1 我国部分酸性凝灰岩的化学成分 ( %)SiO2Al2O3Fe2O3TiO2Na2OK2O产地地层岩性FeOMnOMgOCaOP浙东271129701027111571188731357118769149751447614614172141541511314173141081415713189111651410411491138118911731114112501790196016211512124114311941175118001921178010360135014501360133013501400117013201140107010701080107010601070107018901880177016101720171015601040170114021231111018201441173011701560170315531663183217021623101111941150197416841334196511141404142410831852160磨石山群凝灰岩晶屑熔结凝灰岩 熔结凝灰岩 凝灰岩 晶屑凝灰岩 晶屑熔结凝灰岩 玻屑凝灰岩 含砾凝灰岩熔结凝灰岩 ( 已硅化)0000000西山头组闽西2南元组湘北2第四系下更新统凌源热水汤4 建品组宁城二龙401011义县组03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 。原生火山气孔形态较为规则 , 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 46114 % 67149 % , 平均为 55146 % , 干容重略小于 1100g/ cm3 , 粒内孔隙多以淋滤孔为主 , 孔径一般为 0102115 ×10 - 6 m 平均为 0138 ×10 - 6 m 。这说明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 。参考珍珠岩实通过近期专题研究和综合前人的研究成果 ,国凝灰岩可具有下列的一些物理化学特性 : (1) 化学成分特性认为我如前 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 < 318 %) 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5, 矿 物 饲 料 添 加 剂 的 有 益 元 素Mg 、Zn 等6。(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 化 , 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孔隙组Cu 、验研究 结 果7, 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 - 4 目到 + 100 为宜 , 笔者对湘(5) 复矿性在自然界中 , 由于凝灰岩的不稳定性 , 使其容 生蚀变 , 在水介质中 , 经水 解 脱 玻 , 向 沸 石蒙脱石类矿物或高岭土 、埃洛石类矿物转化而 矿化 。部分蚀变的凝灰岩往往包含有一种或几 类蚀变矿物 ; 如果岩层发生整体蚀变则会形成 业意义的矿产 , 如我国东南沿海的含叶蜡石凝其离子交换量 ( ECa 9168 ml/ 100g , EMg 2121 ml/100g , E K 0108 ml/ 100g , ENa 0110 ml/ 100g , C EC17127 ml/ 100g) ,胶 质 价 ( 37 ml/ 15g ) , 膨 胀 容( 215 ml/ g ) , 膨 润 质 ( 6 ml/ 3g ) , 悬 浮 性 能(950 ml) , 液 限 ( 3411 ) , 吸 蓝 量 ( 5158g/ 100 ml ) 等都要大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建造2 ,8,华北板块北缘及东南沿海的含膨润灰岩建造4等 ; 一些凝灰岩在沉积成岩过程生一些外来矿物质 ( 包括有机质) , 如炭质凝 等 。这就决定了凝灰岩是一种天然的矿物复合 料 。凝灰岩的这种性质赋予其自身不具有的一 殊性质 。如含蒙脱石水化流纹质玻屑凝灰岩 ,减 ; 由 于 凝