莫桑比克某石灰岩矿床地质特征及矿石加工技术性能研究

王贤茂, 李 东, 郝仁红, 吴娟娟

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

莫桑比克某石灰岩矿床地质特征及矿石加工技术性能研究

王贤茂, 李 东, 郝仁红, 吴娟娟

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

莫桑比克某石灰岩矿床位于Zimbabuwe克拉通和Limpopo活动带东段及莫桑比克褶皱基底南端接触部位、Save/Limpopo和Baixo Zambeze海岸盆地内。矿体赋存于古近系始新统Cheringoma Formation(TeC)上部钙屑灰岩中,呈层状单斜产出,矿体厚度、品位变化均较稳定,矿石质量优良,均为Ⅰ级品。矿石加工技术性能较好,基本满足生产普通硅酸盐水泥熟料的技术要求。矿床受地层、岩相及建造控制,为一典型沉积型矿床。

石灰岩矿床;地质特征;矿石加工技术性能

为研究如何合理利用当地石灰岩资源,生产高品质的水泥熟料,湖北省地质调查院对莫桑比克某石灰岩矿床开展了地质勘查工作,查明了该石灰岩矿床的规模、产状、品位、质量及矿石加工技术性能。

1 区域地质概况

莫桑比克境内2/3为前寒武纪地层覆盖,1/3是显生宙地层。寒武纪地层主要为太古宙—新元古代的火成岩和变质岩;显生宙地层包括卡罗超群(Karoo Supergroup)、侏罗纪、白垩纪、新近纪和第四纪沉积岩和相关火成岩。总体上,老岩层分布于北部和西部,侏罗系和更新世岩层分布在Zambezi峡谷以南和东北部。

石炭纪时期,在冈瓦纳大陆区域内开始产生裂谷作用,并有沉积岩和广泛的火成岩活动。莫桑比克显生宙卡罗超群(石炭纪—早二叠纪)形成了三个主要的沉积盆地:

① Alto Zambezi,Rio Lunho和Rio Lugenda内克拉通盆地,盆地中主要充填陆相沉积物,在Alto Zambezi盆地顶部有火山岩。不同盆地中岩石系列非常相似,这些盆地的顶部有时出现似蜂蜜状的循环冲积系列,而在南部的Alto Zambezi盆地中,玄武质和流纹质火山岩则覆盖了整个系列。

卡罗超群可分为上、下两个岩统,其中上统发育有冰碛岩、砂岩和片岩,下统发育有玄武岩、流纹岩和熔结凝灰岩。

② Rovuma和莫桑比克海岸盆地。

③ Save/Limpopo和Baixo Zambeze海岸盆地。

海岸盆地中,从西到东发育了中新生代的陆相沉积和海洋沉积。卡罗岩系以发育火山岩和叠加在老地层之上的上新世—第四纪盖层为代表。

侏罗系(135—180 Ma)主要由石灰岩、砂岩、砾岩和碳酸岩组成。

白垩系Grudja Formation(CrG)为石灰岩、砂岩和砾岩。Fluvial Thorium sandstoneMember(CrSt)由含钍砂岩层、砾岩状砂岩(高含量钍)组成。在白垩纪沉积物沉积成岩时期,碳酸岩、碱性熔岩和正长岩标志着火山活动的存在[1]。

古近系Cheringoma Formation(TeC)由海绿石砂岩、灰岩(底部)和白云质灰岩以及钙屑灰岩(顶部)组成。块状灰岩层也在多个地方出现,区域上呈连续带状分布于南西端。最大厚度可达70 m。其沉积环境为浅海,包括氧化和温暖海水。该组化石丰富,如Pecten,Nummulites藻.,Nummulites atacicus,Discocyclina,briazoa,腹足类组合以及钙藻类(如Lithothamnium sp.)和蠕虫(Tubulostium cyclaminoides)。形成时代为中—上始新世。该组底部为浅海陆棚相沉积环境,水动力条件以波浪和海流为主,海水温暖,沉积物以砂、粉砂和泥质为主,砾石极少。在还原状态及缓慢的沉积作用之下,形成海绿石砂岩。海绿石被称为深度指示矿物(Depth Indicator),又被称为缓慢沉积作用指示矿物。Inhaminga Formation(TeI)底层为紫色、红色及紫红色砂岩,顶层为粗粒砂岩。Mazamba Formation(TeZ)主要为长石砂岩,偶见砾岩。上覆于区域东南角的Inhaminga Formation(TeI)紫色砂岩之上。

第四系Mazamba Formation terrace sand (Qt),Eluvial floodplain mud(Qpi),Eluvial floodplain clayey sand (Qps),Pebble debris(Mantos de cascalheira)(Qp),Alluvium(Qa)和Coastal dune sand(Qd)主要为冲积物、残积物和台地、湖泊碳酸岩(图1)。

图1 区域地质图Fig.1 Regional geological map

2 矿床基本特征

2.1 成矿地质背景

2.1.1 地层

矿区出露地层主要为Cheringoma Formation(TeC)和Alluvium(Qa)冲积层。其中Cheringoma Formation(TeC)由石灰岩、海绿石砂岩组成,其上部为石灰岩矿层,是区内主要赋矿层位。Alluvium(Qa)为冲积层,为最近的冲积沉积,由泥砂、砂和砾石组成,沿河流及河床分布。

2.1.2 构造

矿床位于Zimbabuwe克拉通和Limpopo活动带东段及莫桑比克褶皱基底南端接触部位、Save/Limpopo和Baixo Zambeze海岸盆地内。强烈的泛非旋回构造运动使区内褶皱基底的褶皱轴呈NEE—SWW和NNE—SSW向,并伴有岩株的侵入。地层呈层状单斜产出,无褶皱构造及大的断裂构造。

2.1.3 岩浆岩

岩浆岩(Rio Nhavúdezi Formation(JrRN))以杏仁状玄武岩为主,为一套灰黑色或绿黑色具细密流纹理的玄武岩,带状分布于矿区北西,为溢流及超浅成侵入产物。

2.2 矿体地质特征

矿体主要赋存于古近系始新统Cheringoma Formation(TeC)上部钙屑灰岩中。出露标高在35～90 m之间,矿体呈层状单斜产出,倾向125°～145°,倾角4°～6°,矿体沿走向延伸>4 000 m,沿倾向出露宽度3 600 m,中间出露宽度略小,为2 000 m左右。矿体出露厚度为13.5～66.6 m。矿层各工程控制出露厚度变化特征详见图2及表1。

图2 莫桑比克某石灰岩矿床地质图Fig.2 Geological map of Mozambique limestone deposit

矿区无论沿走向还是倾向上品位变化均较稳定(表2)。矿石CaO品位51.06%～56.08%,平均54.07%;MgO品位0.09%～1.18%,平均0.24%。主要化学成分CaO、MgO变化系数均不大,CaO、MgO变化系数分别为0.83%和0.10%。CaO、MgO沿走向及倾向变化甚小,CaO沿走向由北西往南东呈略增高趋势,沿倾向由地表往深部呈略升高趋势,升高幅度在0.5%～2%之间;MgO则变化甚微,略有降低。CaO、MgO变化幅度均<0.1%。矿体在纵向上15线CaO含量最高为54.46%,MgO含量在7线最高,平均含量为0.28%,往南北两侧逐渐降低。深部较地表CaO含量略高,而MgO含量略低。主要原因可能与风化流失作用有关,以及地表泥灰质条带易于风化流失所致。

表1 矿体厚度特征一览表

表2 矿体品位特征一览表

2.3 矿石特征

矿石结构主要有生物屑结构、隐晶质结构、亮晶结构、砂屑结构及鲕状结构。构造主要有块状构造、孔洞状构造及脉状构造等。

矿石中主要有用矿物成分较简单,种类不多,主要有隐晶方解石、亮晶方解石(胶结物)和泥晶方解石(胶结物);脉石矿物主要为石英。

根据岩石基本分析及组合分析结果,其矿层岩石平均化学成分CaO 54.07%,MgO 0.24%,SiO21.40%,Al2O30.24%,TFe2O30.16%,SO30.043%,K2O 0.035%,Na2O 0.007%,K2O+Na2O 0.042%,Cl-0.013%,LOI 41.90%。

岩石化学全分析结果中,岩石平均化学成分CaO 53.25%,MgO 0.15%,SiO23.04%,Al2O30.46%,TFe2O30.25%,K2O 0.047%,Na2O 0.08%,K2O+Na2O 0.055%,TiO20.027%,P2O50.09%,LOI 41.95%(表3)。K2O+Na2O走向由北西往南东呈降低趋势,但变化幅度均不大(<0.1%),降低幅度在0.005%左右。矿石杂质如SiO2、SO3、TiO2及P2O5含量甚微,分别为3.04%、0.043%、0.027%、0.09%,均在工业指标要求范围之内,对矿石质量无不良影响。其它杂质含量均符合规范或工业要求。

表3 矿石岩石化学全分析结果表

矿物生成顺序:隐晶方解石+陆源石英→泥晶方解石(胶结物)→自生石英→亮晶方解石(胶结物)。

矿物共生组合主要有:隐晶方解石—亮晶方解石(胶结物)—石英,隐晶方解石—亮晶方解石(胶结物)—泥晶方解石(胶结物)—石英。

矿石中有用组分主要有CaO、MgO。其中CaO主要以方解石碳酸盐形式存在,因岩石发生重结晶作用,分别赋存于亮晶方解石和隐晶方解石中;MgO则以白云石形式赋存。

有害组分主要有SiO2。其中SiO2以石英及燧石氧化物形式存在。由表3可见,矿层中ZK1504石英含量较高,为3.33%;ZK004和ZK708石英含量均为2.89%。表明矿体自西向东石英含量逐步降低,但总体<4%,满足水泥用石灰质原料矿石化学成分一般要求。

矿石自然类型为碳酸盐岩型。分为中层状亮晶(含生物碎屑)砂屑灰岩、泥晶亮晶砂屑(含生物碎屑)灰岩及亮晶(含生物碎屑)鲕状灰岩。矿石工业类型为块状石灰岩型。

矿石质量优良,品位稳定。CaO品位51.06%～56.08%,平均54.07%;MgO品位0.09%～1.18%,平均0.24%。矿石中CaO含量均>48%(个别样品其单样达不到工业指标要求,但经上下连续8 m加权平均后能满足水泥用石灰质原料化学成分一般要求[2]),MgO<3%,组合样品(K2O+Na2O)<0.1%、SO3<0.1%、SiO2<3%,均为Ⅰ级品。能满足水泥用石灰质原料矿石化学成分一般要求,故矿石品级为I级品。

2.4 矿床资源量

根据矿体产状总体稳定、矿体均呈层状产出、矿石类型和物质组分简单等地质特征,资源量估算方法选用地质块段法,由于矿体平均倾角均<45°,选用水平投影法进行资源量计算,求得矿区矿石资源量为:控制的内蕴经济资源量(332)8 886.3万t,推断的内蕴经济资源量(333)5 651.7万t,资源量总计14 538万t。第四系粘土盖层867 076 m,平均剥采比0.019∶1,剥采比≤0.5∶1(m3/m3)。同时在矿区西部、东南部有大量石灰岩矿石分布,均隶属于该公司所持有的矿权范围,依据探矿权范围对其石灰岩出露界线进行了概略划分,并初步估算了其总体资源量可达4.5亿t。

3 矿床成因

矿床为沉积型。矿床成矿主要受地层、岩相及建造控制。

区内控矿地层为古近系始新统Cheringoma Formation(TeC),其沉积相为碳酸盐台地边缘浅滩相。位于台地边缘浅水高能带,水动力条件以波浪、潮汐及岸流为主,水深5～10 m到高出海面,海水循环良好,盐度正常,氧气充分,但由于底质处于移动状态,不适于海洋底栖生物繁殖[3]。岩石类型主要以亮晶颗粒灰岩为主,颗粒磨圆、分选性较好,形成区内的亮晶生物碎屑灰岩。岩石中粒屑主要以内碎屑为主,经波浪、岸流及化学、生物化学就地沉积或经短距离搬运所形成的颗粒碎屑;陆源碎屑一般很少,石英多为自生形成,偶见石英砂混入砂屑灰岩之中;生物碎屑主要为有孔虫、海百合茎及贝壳等腹足类残骸。沉积物以鲕状灰岩、砂屑灰岩夹膏盐沉积为主。

矿石质量的差异主要表现为矿石中CaO、MgO及K2O+Na2O含量的变化,而矿石中CaO、K2O+Na2O含量的变化主要与矿石中陆源碎屑物质含量多少有关,含量高者,CaO低而SiO2、Al2O3、K2O+Na2O相对较高,矿石质量略差,故沉积成岩过程中成矿沉积环境是影响矿石质量之最主要因素。在碳酸盐台地边缘浅滩相沉积环境,粒屑主要以内碎屑为主,基本无陆源成分混入,岩石中陆源碎屑一般很少,石英多为自生形成,形成较纯净的鲕状灰岩、砂屑灰岩沉积,生物碎屑含量高,矿石中CaO含量高,而MgO及K2O+Na2O低,矿石质量较好。

4 矿石加工技术性能

与石灰岩有关的实验室试验包括磨蚀性试验、易磨性试验。

试验用石灰岩样品按河南省豫鹤同力水泥有限公司要求在矿区钻孔中采取(见图2)。采样方法为按同一矿层不同钻孔(ZK1504、ZK1508、ZK704、ZK708、ZK004)中半芯法采取。试样特征具体见表4、表5。

本次试验用石灰岩矿石分别采自不同勘探线上的不同钻孔,试样取自同一含矿层位、同一矿石类型及同一矿石质量,试样具有较强代表性。

4.1 磨蚀性试验

试验方法:按中国水泥发展中心物化检测所“水泥原料磨蚀性试验方法”(TR3.1—92)进行,磨蚀片硬度HRC=51。试验结果见表6。

表4 石灰岩试样采取地点、重量及其它特征一览表

表5 石灰岩试样化学成分表

表6 磨蚀性试验结果表

试验表明石灰岩试样的磨蚀性指数较低,为0.011 9 g(国内石灰岩物料的平均磨蚀性指数为0.021 0 g),试样的制样率达到63.5%。

4.2 易磨性试验

试验方法:将石灰岩破碎后取4～10 mm粒径,2 kg倒入Ф500 mm×500 mm的试验小磨中,粉磨5 min进行甩磨5 min,将样品置入样品桶内,物料易磨性分别以粉磨后物料的0.9 mm、0.2 mm、0.08 mm筛余百分比作为判定物料易磨性的依据。

物料配比见表7。

表7 物料配比表

石灰岩入磨粒度统计见表8。

表8 入磨粒度统计表

注:F80=1 508 μm。

试验磨产量:G=2.23 g/r;

试验结果:粉磨功指数Wi=31.9 MJ/t(8.87 kWh/t,P=80 μm)。

成品粒度统计见表9。

表9 易磨性试验成品粒度统计表

注:P80=59.0 μm。

石灰岩样品入磨物料及成品的粒度分布情况见图3。

对比方案分别以矿区石灰岩样品与河南省豫鹤同力水泥有限公司石灰岩样品进行对比(表10)。

图3 样品入磨物料及成品的粒度分布图Fig.3 Distibution map of partide size of grinding feed material

表10 易磨性试验对比结果表

Table 10 Comparison result of wear-resistance test

物料名称样品重量/kg粉磨时间/min甩料时间/min0．9mm筛余/%0．2mm筛余/%0．08mm筛余/%矿区石灰岩2550．131．78．4豫鹤石灰岩2550．681．612．0

矿区石灰岩样品在0.9 mm和0.08 mm级筛余分别为0.13%和8.4%,比豫鹤石灰岩样品的0.68%和12.0%低;在0.2 mm级筛余为1.7%,与豫鹤石灰岩样品0.2 mm级筛余1.6%基本相似。由此对比可见矿区石灰岩样品的易磨性更好。

4.3 矿石工业利用性能评价

试验所用样品化学成分均达到或超过CaO≥48、MgO≤3、SO3≤1、石英质≤6、燧石质≤4的水泥用石灰质原料化学成分一般要求。试验结果表明,矿区石灰岩样品的磨蚀性指数较低、试样的制样率高、易磨性较好。试验所用样品基本满足生产普通硅酸盐水泥熟料的技术要求。建议工厂投产时生料细度控制范围为P=80 μm。

5 结论

该矿为一大型水泥石灰岩矿床,具有矿体连续、不含非矿夹层、层位稳定、构造简单、矿石质量好、适宜露天开采、内外部建设条件较好等优点,为一理想石灰岩原料基地,可为莫桑比克经济快速发展及基础设施建设提供资源保障。

[1] 应对全球化——全球矿产资源信息系统数据库建设(之七)非洲卷:利比里亚、莫桑比克、纳米比亚[R].北京:中国地质调查局,2007:75;78.

[2] 中华人民共和国国土资源部.冶金、化工石灰岩及白云岩、水泥原料矿产地质勘查规范:DZ/T 0213—2002[S].北京:地质出版社,2002.

[3] 曾允浮,夏文杰.沉积岩石学[M].北京:地质出版社,1984:247.

(责任编辑：于继红)

The Study of Geological Characteristics of Limestone Deposits andOre Performance of Processing Technique in the Republic of Mozambique

WANG Xianmao, LI Dong, HAO Renhong, WU Juanjuan

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430074)

The limestone deposits are in Mozambique Zimbabuwe craton and the east of Limpopo active zone,and the southern part contact zone of Mozambique fold basement,Save/Limpopo & Baixo Zambeze Coastal basin. The orebody occurred Paleogene System Eocene Series Cheringoma Formation(TeC) fragmental limestone of Eocene,the ore bodies are stratiform by a monocline dipping,the ore body thickness and ore grade changes are stable with the high quality. Good mining condition and excellent technological property is to satisfy the requirements of the production of ordinary silicate cement clinker. Deposits are controlled by stratum,lithofacies and the sedimentary formation,In general,this limestone deposit is a representative sedimentation type deposit.

limestone deposits; geological characteristics; ore performance of processing technique

2016-02-24;改回日期:2016-04-02

王贤茂(1969-),男,高级工程师,岩矿鉴定专业,从事地质矿产调查工作。E-mail:1010441523@qq.com

P619.22+5

A

1671-1211(2016)04-0589-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.009

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1135.004.html 数字出版日期:2016-07-07 11:35