四川省鹽源縣纖維用玄武巖開發(fā)利用前景

張明勝，許家斌，費(fèi)光春，曾 鑫，胡 毅

（1.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○六地質(zhì)隊(duì)，四川 溫江 611130；2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院自然資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

連續(xù)玄武巖纖維（Continuous Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱CBF），是以玄武巖類巖石（包括玄武巖、輝綠巖和輝長(zhǎng)巖等）為原料，在超高溫條件下（1 450～1 500℃）熔融，通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制成絲[1-2]。CBF是一種新型環(huán)保材料，具有非人工合成的純天然性，加之生產(chǎn)過(guò)程無(wú)害，且產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，是一種成本低、性能高、潔凈程度理想的新型綠色環(huán)保材料。CBF廣泛應(yīng)用于消防、環(huán)保、航空航天、軍工、車船制造、工程塑料、建筑材料等軍工和民用領(lǐng)域，CBF被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料[3-4]。

四川省攀西地區(qū)（指攀枝花市和西昌市）雖擁有豐富的玄武巖資源，但目前能夠滿足企業(yè)用于玄武巖纖維生產(chǎn)的玄武巖資源量極少。2017年，四川省實(shí)施了《四川省纖維用玄武巖礦調(diào)查與評(píng)價(jià)》地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目，在四川峨眉山玄武巖中發(fā)現(xiàn)了4條連續(xù)纖維用玄武巖礦體[5]。四川省涼山彝族自治州鹽源縣玄武巖分布廣泛，尚未開展纖維用玄武巖的評(píng)價(jià)工作。開展纖維用優(yōu)質(zhì)玄武巖開發(fā)利用前景評(píng)價(jià)，可以為攀西地區(qū)纖維用玄武巖找礦勘查提供理論依據(jù)，并對(duì)攀西地區(qū)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)集群和攀西戰(zhàn)略資源創(chuàng)新開發(fā)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)工作提供參考。

1 鹽源峨眉山玄武巖地質(zhì)背景

鹽源縣的玄武巖呈弧形，發(fā)育在峨眉山玄武巖組（P3e）中。它在騾馬鋪巖層的厚度約為2 000 m；騾馬鋪西側(cè)的平川附近斷層發(fā)育，玄武巖被錯(cuò)斷。白靈山以及公母山附近厚度最大，達(dá)到3 200 m。玄武巖組（P3e）分為兩段。一段（P3e1）巖性主要為灰綠色塊狀微晶玄武巖、斑狀玄武巖夾少量凝灰質(zhì)玄武巖；二段（P3e2）巖性主要為灰綠色塊狀微晶玄武巖、柱狀玄武巖、氣孔杏仁狀玄武巖、斑狀玄武巖夾凝灰質(zhì)砂巖。前人將峨眉山玄武巖分為西巖區(qū)（鹽源-麗江巖區(qū)）、中巖區(qū)（攀西巖區(qū)）和東巖區(qū)（貴州高原巖區(qū)）三部分[6]。鹽源縣的峨眉山玄武巖位于西巖區(qū)，如圖1所示。

圖1 四川省鹽源縣玄武巖分布

2 鹽源縣玄武巖的化學(xué)成分

本次研究的玄武巖樣品采集自鹽源縣騾馬鋪（HX1）、平川（HX2）、青天堡（HX3）和百靈山（冒水潭（HX4）和香房鄉(xiāng)（HX5））等地。巖石類型包括灰綠色微晶玄武巖、斑狀玄武巖和氣孔杏仁狀玄武巖等三種類型。西南冶金測(cè)試研究院用PHILLIPSPW-2404型X熒光光譜儀對(duì)樣品主量元素進(jìn)行化學(xué)分析，分析精度優(yōu)于2%，分析流程參考了費(fèi)光春等人的研究成果[7]。

玄武巖化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。其中，SiO2含量為43.9%～71.26%，平均值為50.88%；A12O3含量為9.56%～15.99%，平均值為13.77%；FeO含量為1.36%～10.61%，平均值為6%；Fe2O3含量為1.49%～9.26%，平均值為4.06%；（FeO+Fe2O3）含量為2.85%～19.87%，平均值為10.05%；K2O含量為0.05%～2.08%，平均值為0.88%；Na2O含量為0.55%～5.38%，平均值為2.86%；CaO含量為0.19%～14.12%，平均值為8.9%；MgO含量為0.34%～13.48%，平均值為5.98%；TiO2含量為0.86%～3.07%，平均值為1.74%。

表1 鹽源縣玄武巖樣品主量元素分析及相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果（ω（B）/10-2）

3 纖維用玄武巖評(píng)價(jià)及開發(fā)利用前景

前人的研究表明，微晶玄武巖、斑狀玄武巖和輝綠巖等都可以作為玄武巖拉絲的巖石類型[2]。要求樣品新鮮，顏色均勻，外觀呈細(xì)密緊致，風(fēng)化蝕變?nèi)?，結(jié)晶程度較低（隱晶質(zhì)或者微晶質(zhì)），裂隙少。選料時(shí)，選取層厚且成分穩(wěn)定的玄武巖層[8]。因此，柱狀節(jié)理發(fā)育的玄武巖以及氣孔杏仁狀玄武巖不太適合拉絲。另外，玄武巖要成功拉絲，需要滿足一定的化學(xué)成分要求。評(píng)價(jià)連續(xù)用拉絲玄武原材料成分時(shí)主要考慮7個(gè)參數(shù)。

一是酸度系數(shù)（Ma），它是最重要的參數(shù)，計(jì)算公式為：

如果Ma＜1.2，纖維稱之為渣棉，很脆，表現(xiàn)出很差的耐化學(xué)性。如果Ma=1.2～1.5，稱為礦物棉，易碎，但具有可接受的絕緣性能。如果Ma＞1.5，稱為巖棉或玄武巖纖維。連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)的最佳酸度系數(shù)Ma保持在3～6[9]。

二為黏度系數(shù)（Mv），它是描述玄武巖熔體黏度的重要參數(shù)，對(duì)篩選合適的玄武巖纖維原材料有重要的意義。計(jì)算公式為：

式中，X表示氧化物的摩爾分?jǐn)?shù)。連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)的最佳黏度系數(shù)Mv保持在2～3[10]。

三是SiO2含量。SiO2在玄武巖熔體中起到增加聚合度、提高熔點(diǎn)和析晶溫度、增加黏度的作用。如果原巖中的SiO2含量為50%～58%，其較為適宜作為玄武巖纖維原材料[11]。

四是ω（Fe2O3+TiO2）值，根據(jù)成都拓鑫、上海俄金等公司提供的參考值，得出最適合制作玄武巖纖維的原巖中Fe2O3+TiO2的含量應(yīng)小于或等于11.5%[8]。

五是ω（FeO）/ω（Fe2O3）值。Fe2+/Fe3+的比值對(duì)于玄武巖纖維生產(chǎn)有著重要的意義，其適用參數(shù)為ω（FeO）/ω（Fe2O3）≥ 0.5[12]。

六是CaO含量，不同CaO的含量會(huì)使得玄武巖熔體的黏度產(chǎn)生變化，從而影響纖維的成型。一般情況下，玄武巖原材料中CaO的含量不得大于12%[11]。

七為SiO2+Al2O3的含量，玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度隨SiO2+Al2O3含量的增加而增加，熱膨脹系數(shù)減小，熱穩(wěn)定性提高。SiO2+Al2O3含量一般不應(yīng)超過(guò)78%[13]。

統(tǒng)計(jì)以上參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，有HX1-11、HX2-13、HX2-5三件樣品分析結(jié)果，計(jì)算后符合所有7個(gè)參數(shù)，樣品全部位于鹽源縣的騾馬鋪和平川地區(qū)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)20件樣品，共有17件符合酸度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，4件符合黏度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，6件符合SiO2含量標(biāo)準(zhǔn)，17件符合ω（FeO）/ω（Fe2O3）比值標(biāo)準(zhǔn)，19件符合Fe2O3+TiO2含量標(biāo)準(zhǔn)，19件符合SiO2+Al2O3含量標(biāo)準(zhǔn)，15件符合CaO含量標(biāo)準(zhǔn)。比對(duì)發(fā)現(xiàn)，鹽源縣玄武巖各元素含量與國(guó)內(nèi)外推薦值或成功拉絲數(shù)據(jù)區(qū)間基本吻合。但是，青天堡玄武巖CaO含量全部超過(guò)12%，酸度系數(shù)整體較低。理想的拉絲玄武巖酸度系數(shù)Ma主要介于3～6，鹽源縣的玄武巖Ma主要集中于3～7，平均值為4.18，與推薦值及成功值很相近。綜合分析表明，青天堡玄武巖拉絲前景較差；騾馬鋪和平川玄武巖最適合拉絲，其次是百靈山香房鄉(xiāng)和冒水潭玄武巖，具有較好的拉絲玄武巖制備潛力，應(yīng)安排部署下一步采樣分析及拉絲試驗(yàn)工作。

4 結(jié)論

根據(jù)鹽源縣玄武巖的分布特征、巖石類型和化學(xué)成分，本文得出以下結(jié)論。巖石類型方面，鹽源縣的斑狀玄武巖和隱晶玄武巖滿足連續(xù)拉絲要求，氣孔狀玄武巖和柱狀玄武巖不滿足。原材料化學(xué)成分方面，從化學(xué)成分氧化物含量、酸度系數(shù)、黏度系數(shù)等參數(shù)的分析對(duì)比來(lái)看，鹽源縣騾馬鋪和平川玄武巖最適合連續(xù)拉絲，其次是百靈山香房鄉(xiāng)和冒水潭玄武巖。