凝灰岩的物理化学性质及其开发利用

1、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 hi

2、s 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

3、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

4、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 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2711297010271115711887313571187691497514476146141721415415113141731410814157131891116514104

5、11491138118911731114112501790196016211512124114311941175118001921178010360135014501360133013501400117013201140107010701080107010601070107018901880177016101720171015601040170114021231111018201441173011701560170315531663183217021623101111941150197416841334196511141404142410831852160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

6、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

7、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

8、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

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