一種植硅石沉積天然微納米硅碳礦的發(fā)現(xiàn)

王先廣，胡正華，肖玉如，杜高翔，王平

1)江西省礦產(chǎn)資源保障服務(wù)中心，南昌，330025；2)江西省國土空間調(diào)查規(guī)劃研究院，南昌，330025；3)江西省煤田地質(zhì)局一九五大隊，南昌，330008；4)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京，100083；5)江西理工大學(xué)，江西贛州，341099

內(nèi)容提要:全球尚無植硅石成礦的先例，近年在江西省豐城市石爐坑發(fā)現(xiàn)一種植硅石沉積的天然微納米硅碳礦床。賦礦巖石由淺灰色—灰黑色植硅石巖，是由大量植硅體堆積固結(jié)成巖形成的植硅石，不含孢粉也極少見硅藻，形成于始新世中期—中新世早期溫曖湖澤環(huán)境沉積。硅碳礦石主要由微米—納米級石英和固定碳組成，含少量其他雜質(zhì)；SiO2含量65%～85%、固定碳9%～20%，硅和碳礦物具多孔結(jié)構(gòu)。硅碳礦石通過超細(xì)研磨和分選的方式，可獲得微米級石英產(chǎn)率49.7%，SiO2含量99.95%，其中粒度在80～200 nm 的納米級石英產(chǎn)率可達(dá)25%，微米級碳產(chǎn)率30%。植硅石經(jīng)濕法物理分選可直接制備橡膠補強填料、高硬碳化硅、污水處理和導(dǎo)電性材料等；經(jīng)礦石礦物加工分離提純試驗，可得介孔硅、介孔碳、白炭黑、納微硅粉等材料，其工業(yè)價值極高。目前暫定為天然微—納米硅碳礦床，資源儲量規(guī)模為大型。

全球尚無植硅石成礦的先例，2016年江西省煤田地質(zhì)局一九五大隊在施工民用水井中發(fā)現(xiàn)一種黑色巖石，火燒不可燃，質(zhì)輕可浮于水面，經(jīng)分析測試SiO2達(dá)70%以上。經(jīng)報江西省地質(zhì)勘查基金管理中心(現(xiàn)更名為江西省礦產(chǎn)資源保障服務(wù)中心)，王先廣建議在南昌航空大學(xué)電鏡掃描后，以硅藻土項目立項，列入2017年江西省地勘基金項目(項目編號為 20170041)，由江西省煤田地質(zhì)局一九五地質(zhì)隊承擔(dān)勘查工作。目標(biāo)和任務(wù)為采用地質(zhì)測量、鉆探和采樣測試相結(jié)合的方法，初步查明礦床地質(zhì)和礦體特征，礦石礦物成分、化學(xué)成分、物性特征及硅藻種屬、殼體含量等。2019年委托江西理工大學(xué)材料工程學(xué)院進(jìn)行礦石可選性選礦試驗，在礦石礦物學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)礦石無硅藻，礦石主礦物為微納米級石英，這種石英不同于贛西地區(qū)粉石英，其粒度一般小于10 μm、中位粒徑1.6 μm，部分可達(dá)納米級，石英形態(tài)各異，未見或極少見孢子花粉；送樣中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)咸陽有限公司鑒定，僅極個別樣品偶見硅藻殘片，硅藻結(jié)構(gòu)不清晰，種屬不清；經(jīng)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所鑒定未見孢粉。大量電鏡掃描等測試分析，初步認(rèn)為原巖是由大量植硅體堆積固結(jié)成巖形成的植硅石，主要由微米—納米級石英和碳質(zhì)組成，原巖經(jīng)去除粗顆粒雜質(zhì)，可用于橡膠補強填料、硅肥、混凝土補強和碳化硅材料，后又經(jīng)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)材料學(xué)院對礦石工藝礦物學(xué)研究和礦物加工分離提純試驗，可得介孔硅、介孔碳、白炭黑、硅微粉等礦產(chǎn)品，其利用價值極高，遂暫定為一處大型植硅石沉積形成的天然微納米硅碳礦床。本文擬通過對豐城市石爐坑天然微納米硅碳礦的發(fā)現(xiàn)歷程、形成環(huán)境、礦石特征及其用途的闡述，以期促進(jìn)江西省乃至全國天然微納米硅碳礦床的勘查與研究。

1 植硅石概述

植硅體是植物在生長過程中，通過根系從土壤中吸收的水溶性硅，經(jīng)維管束傳送，在細(xì)胞內(nèi)腔或細(xì)胞之間成為淀積的難溶的硅酸，即非晶體二氧化硅，又稱為植硅體(吳乃琴等，1992；Wallis，2003；張新榮等，2004；薄勇，2009；Mercader et al.，2010馬超等，2018；)。在植物死亡之后，凋謝沉落于水土之中形成沉積物，其活性聚合基會結(jié)合有機碳，碳也成為植硅體重要組成部分(吳乃琴等，1992；顧延生等，1997；崔鵬等，2009；馬雪瓏等，2011；Miyabuchi et al.，2012)，由于其耐腐蝕性和穩(wěn)定性，在固結(jié)成巖后形成植硅石沉積層(Hyland et al.，2013)。

豐城石爐坑植硅石的基本特征是沉積巖層呈半固結(jié)狀態(tài)，不含或很少見孢粉，巖石SiO2含量介于65%～85%，且含固定碳9%～20%，石英在電鏡下呈各種形狀，屬于大量植硅體固結(jié)成巖形成的植硅石，其巖性為植硅石巖。植硅石(圖1)體現(xiàn)的主要是單子葉草本植物，這種草本植物是古鄱陽湖溫暖濕地環(huán)境，枯水季節(jié)湖水退縮形成濕地，草本植物生長繁茂，豐水季節(jié)水位抬高，被湖水淹沒，繁茂的植物死亡后原地堆積，年復(fù)更替，植物細(xì)胞內(nèi)腔或細(xì)胞之間淀積的難溶的硅酸以及耐腐蝕性和穩(wěn)定性的碳質(zhì)被保存原地，經(jīng)壓實作用形成半固結(jié)狀態(tài)植硅石沉積地層。該層位局部分布在在石爐坑北東延伸長3000 m，寬約1000 m的范圍(目前地質(zhì)調(diào)查)內(nèi)。

圖1 豐城石爐坑ZK00鉆孔電鏡掃描植硅體形狀Fig.1 Scanning electron microscope of the ZK00 broehole in Shilukeng,Fengcheng,Jiangxi

目前，植硅石在世界發(fā)現(xiàn)最早地層為古近系(顧延生等，1997；薄勇,2009)。植硅石在古環(huán)境研究中還有考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用(王永吉等，1992；顧延生等，1997；薄勇,2009；李孫雄等，2011；Coe，2014；馬超等，2018)。作為礦產(chǎn)資源評價本次屬全球首例。

2 沉積地層及巖性組合

2.1 地質(zhì)背景

石爐坑微納米硅碳礦位于欽—杭結(jié)合帶萍樂凹陷中段(圖2a)，總體為走向北東的沉積盆地，盆地西南昂起，往北東稍傾伏。礦區(qū)出露泥盆系—二疊系華山嶺組(D3—C1h)、梓山組(C1z)、茅口組(P2m)，古近紀(jì)石爐坑組(E2s3)和第四系，石爐坑組為植硅石沉積賦礦地層，不整合于晚古生代地層之上。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層性質(zhì)均為逆沖推覆斷層，地表出露的梓山組(C1z)，為F1推覆殘留在礦區(qū)內(nèi)的“飛來峰”構(gòu)造(圖2b)。礦區(qū)地表無巖漿巖出露，經(jīng)鉆孔揭示存在隱伏玄武巖，呈似層狀產(chǎn)出，厚度多為數(shù)米至十余米，礦物成分以微晶斜長石、輝石為主。

圖2豐城石爐坑礦床構(gòu)造位置圖(a)和天然微納米硅碳礦體厚度等值線圖(b)(據(jù)王先廣等，2020修改)Fig.2 Geotectonic location map of Shilukeng deposit,Fengcheng (a)and thickness contour map of natural micro nano silicon carbon orebody (b)(modified from Wang Xianguang et al.，2020&):

2.2 植硅石沉積層序及巖性組合

石爐坑微納米硅碳礦區(qū)總體被第四系覆蓋，植硅石沉積地層呈隱伏狀產(chǎn)出，地層產(chǎn)狀基本近于水平，走向北東，以5°～10°傾向南東，厚度1.0～80.93 m，分布于1.83 km2范圍內(nèi)(鉆孔控制范圍)，根據(jù)鉆孔ZK12-3剖面沉積層序如下：

上覆地層：第四系中更新統(tǒng)進(jìn)賢組紫紅色夾灰色、棕黃色網(wǎng)紋狀砂質(zhì)黏土

石爐坑組上段(E2s2)

厚度16.16 m

28.淺灰色，底部為紫紅色、土黃色黏土巖

6.63 m

27.淺黃色夾淺灰色、紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖

6.80 m

26.紫紅色、淺黃色含砂黏土巖，局部含紫紅色、淺灰色粉砂巖透鏡體

2.73 m

------------整合------------

石爐坑組下段(E2s1)

厚度64.77 m

25.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾塊狀植硅石巖，局部夾黏土巖

2.08 m

24.深灰色、灰黑色塊狀夾粉末狀植硅石巖，頁理發(fā)育

1.68 m

23.深灰色、灰黑色粉末狀為主局部夾塊狀植硅石巖，局部含黏土巖

0.80 m

22.深灰色黏土巖，間夾塊狀植硅石巖

0.50 m

21.灰色黏土，局部含砂質(zhì)黏土巖

2.66 m

20.深灰色、灰黑色粉末狀、塊狀植硅石巖

1.93 m

19.深灰色、灰黑色塊狀夾少量粉末狀植硅石巖，頁理發(fā)育，局部含黏土巖

1.20 m

18.深灰色黏土巖，局部砂質(zhì)含量較高

0.67 m

17.深灰色、灰黑色塊狀夾少量粉末狀植硅石巖，頁理發(fā)育

2.23 m

16.淺灰色黏土巖

0.20 m

15.深灰色、灰黑色塊狀夾少量粉末狀植硅石巖，局部黏土含量較高

0.40 m

14.銀灰色夾灰綠色黏土巖

3.40 m

13.深灰色、黑色含礫泥巖

0.85 m

12.灰色塊狀含砂泥巖

1.15 m

11.深灰色、灰黑色粉末狀植硅石巖

4.13 m

10.深灰色、灰黑色塊狀局部夾粉末狀植硅石巖，局部黏土含量較高

0.50 m

9.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾頁理狀植硅石巖

13.13 m

8.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾塊狀植硅石巖

0.70 m

7.深灰色、灰黑色粉末狀間夾頁理狀植硅石巖

5.19 m

6.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾塊狀植硅石巖，局部黏土含量較高

0.95 m

5.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾頁理狀植硅石巖

8.87 m

4.深灰色、灰色泥巖，局部夾植硅石巖

1.00 m

3.銀灰色夾灰綠色黏土巖

6.46 m

2.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾塊狀植硅石巖，局部黏土含量較高

2.79 m

1.深灰色、灰黑色粉末狀局部夾頁理狀植硅石巖

1.30 m

下伏地層：中二疊統(tǒng)茅口組南港段深灰色、灰色鈣質(zhì)粉砂巖

2.3 地層時代

石爐坑組下段由一套淺灰色、深灰色、灰黑色植硅石巖組成，與下伏中二疊統(tǒng)茅口組南港段深灰色、灰色鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)砂巖或透鏡狀灰?guī)r不整合接觸，上段紫紅色、土黃色黏土巖頂部與上覆第四系中更新統(tǒng)進(jìn)賢組不整合接觸。地層產(chǎn)狀平緩，未經(jīng)受構(gòu)造變形，巖石呈半固結(jié)狀態(tài)，經(jīng)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所鑒定未見古生物化石、孢粉。在礦區(qū)ZK8-13和ZK14-9 采集石爐坑組灰黑色植硅石巖，經(jīng)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)實驗測試中心Re-Os法測得地層年齡值為20.59 Ma(王先廣等，2020)，屬新近紀(jì)中新世早期。由于樣品數(shù)量少代表性不全面，實驗測試人員建議從豐城石爐坑礦區(qū)的鉆孔剖面從上到下系統(tǒng)采集樣品，2021年在礦區(qū)的ZK8-13、ZK14-9孔采集6組樣品用Re-Os法重新測定石爐坑組下段灰黑色植硅石巖中固定炭的Re-Os等時線年齡為43.1 Ma(王先廣等，未刊)，表明石爐坑組下段歸為古近紀(jì)始新世。結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)特征和與相鄰古近紀(jì)地層對比，石爐坑組時代應(yīng)晚于古近紀(jì)早始新世，歸于始新世中期—中新世早期。上段紫紅色、土黃色黏土巖晚于新近紀(jì)中新世早期。

2.4 沉積環(huán)境

始新世中期—中新世早期石爐坑組巖性下段以深灰色、灰黑色植硅石巖為主、夾淺灰色、灰色等砂質(zhì)黏土巖、含砂泥巖，普遍發(fā)育水平微薄層頁理，呈書頁狀，表明湖水平靜，巖性特征也顯示未經(jīng)搬運的沉積，屬較平靜的湖相沉積環(huán)境。巖石含碳和微納米石英，石英單體在SEM下呈異形(粒狀、片狀等)，無裂痕，帶棱角(圖3a、b)，石英和碳均呈多孔結(jié)構(gòu)特征(圖3c、d)，應(yīng)屬原地堆積。部分巖性含量有較多的黏土類礦物如蒙脫石、高嶺石、伊利石、黃鐵礦等，發(fā)生過渾水沉積，黃鐵礦和碳質(zhì)表明處于還原環(huán)境。新近紀(jì)早中新世以后連續(xù)沉積的石爐坑組上段為紫紅色、土黃色、淺黃色夾淺灰色黏土巖、砂質(zhì)黏土巖、泥巖、含砂泥巖不等厚互層，中新世早期以后轉(zhuǎn)為干熱氣候的氧化沉積環(huán)境。

圖3 豐城石爐坑礦床天然微納米石英形態(tài)、鑲嵌和多孔結(jié)構(gòu):(a)失炭石英鑲嵌和形態(tài)；(b)多孔結(jié)構(gòu)石英；(c)石英鑲嵌；(d)石英多孔結(jié)構(gòu)(規(guī)則排列的細(xì)微孔洞均由碳質(zhì)填充)Fig.3 Morphology，mosaic and porous structure of natural micro nano quartz:(a)mosaic and morphology of decarbonized quartz;(b)porous quartz;(c)quartz inlay;(d)the porous structure of quartz (regularly arranged fine holes are filled with carbonaceous)

在礦區(qū)的西部、北東部鉆孔中，石爐坑組下段以深灰色、灰黑色植硅石巖層間夾多層似層狀玄武巖，表明鄰近古鄱陽湖發(fā)生玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)火山活動，玄武巖噴發(fā)間歇期為植物提供了豐富的可溶性SiO2，古鄱陽湖局部水體二氧化硅處于飽和狀態(tài)，為植物吸收大量二氧化硅提供了硅源。茂盛的植物通過根系從中吸收的水溶性硅，經(jīng)維管束傳送到細(xì)胞內(nèi)腔或細(xì)胞之間，成為淀積的難溶的硅酸(高桂在等，2016；高桂在，2019)，即非晶體二氧化硅，植物死亡后，凋謝沉落于水土并保存于沉積物中，與耐腐蝕性和穩(wěn)定性碳質(zhì)共存，在固結(jié)成巖后形成植硅石。植硅石由植硅體和其他雜質(zhì)(如黏土、黃鐵礦等)組成，而植硅體主要由微納米二氧化硅和固定碳組成。

3 天然微納米硅碳礦體特征

植硅石巖層是天然微納米硅碳礦體，礦體呈似層狀—層狀，產(chǎn)狀與石爐坑組植硅石沉積層基本一致。主礦體1層，走向北東，傾向東南，礦體產(chǎn)狀平緩，一般5°～10°。礦體走向上已控制1400 m，傾向上已控制400～900 m。天然微納米硅碳礦體形態(tài)為似層狀(圖2b)，走向、傾向上較穩(wěn)定。單工程厚度7.58～63.32 m，平均厚度30.53 m(圖4)，變異系數(shù)52.37%，厚度穩(wěn)定。

圖4 石爐坑礦區(qū)0勘探線剖面圖(據(jù)王先廣，2020修改)Fig.4 Exploration profile of line 0 in shilukeng mining area (modified according to Wang Xianguang，2020&)

礦石自然類型以石英—固定碳、石英—固定碳—黏土為主，各類型礦石均呈灰黑色、深灰色，塊狀、粉末狀、微細(xì)層狀，多孔、質(zhì)輕、性脆，參差狀斷口，染手，自然干燥后可浮于水面，吸水性極強。礦石主要有用礦物成分石英(多為α-石英)，次為固定碳；不可利用礦物有微量的蒙脫石、高嶺石、伊利石、水云母、有機質(zhì)、黃鐵礦等。礦石有益化學(xué)成分為SiO2和C。SiO265.01%～85.89%，平均含量77.89%，變異系數(shù)5.14%，固定碳9%～20%，Al2O3平均5.24%，F(xiàn)e2O3平均4.23%，CaO 0.12%～0.50%，微量MgO、K2O、Na2O、P2O5等。

經(jīng)初步估算，天然微納米硅碳礦石控制+推斷資源量32Mt，屬大型礦床。

4 工藝礦物學(xué)特征

聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)(北京)和北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院對江西省豐城市石爐坑的天然微納米硅碳礦的礦物學(xué)進(jìn)行研究，系統(tǒng)采集原礦樣品進(jìn)行物相、成分、粒度、白度、比表面積、微形貌等理化性能分析，對礦物結(jié)構(gòu)、特點及其成因進(jìn)行初步判斷。通過對樣品的系列加工和測試，可以得出以下結(jié)論：

(1)該礦石是一種由植硅體長期沉積后碳化形成的，以二氧化硅(含量介于65%～85%)和固定碳(含量介于9%～20%)為主要成分的新型非金屬礦。主要雜質(zhì)為氧化鋁、硫化鐵和少量氧化鉀、二氧化鈦、氧化鎂和氧化鈣，雜質(zhì)以黃鐵礦和高嶺土為主，含有少量有機物。

(2)在微觀上原礦的粒徑分布在1.5 μm至70 μm之間。

(3)原礦中的二氧化硅和固定碳生長在一起，未經(jīng)過研磨剝離之前用物理法無法將碳和二氧化硅有效分離。經(jīng)過氫氟酸溶解去除可溶性離子只剩固定碳后，固定碳呈多孔狀產(chǎn)出，比表面積為15 m2/g左右，偶爾可見針狀碳產(chǎn)出，針狀碳經(jīng)過超聲波分散即可打碎。經(jīng)過富勒烯分析，確認(rèn)原礦不含有富勒烯；原礦經(jīng)過次氯酸鈉反復(fù)氧化去除碳后，部分石英顆粒也呈孔狀產(chǎn)出，原級粒度在10～200 nm之間，少量石英顆粒大于2 μm(可能為采樣時帶來的雜質(zhì))。將次氯酸鈉氧化后的原礦(主要礦物成分為α石英)經(jīng)過超細(xì)研磨，可見少量針狀石英產(chǎn)出。

(4)礦物學(xué)研究過程發(fā)現(xiàn)該礦中含有棒狀物，目前研究各項分析結(jié)果顯示，棒狀顆粒為二氧化硅在還原、空間受限的情況下結(jié)晶，且表面附著一層碳。由于二氧化硅與碳之間相互作用，使得這部分石英容易被氫氧化鈉或氫氟酸全部反應(yīng)掉，而使用氫氟酸溶解石英時，又與棒狀碳發(fā)生反應(yīng)生成氟化碳。這一現(xiàn)象說明棒狀顆粒上的碳反應(yīng)活性比顆粒中其他部分的碳活性高。是否含有新礦物，因何可以生成氟化碳，還需要進(jìn)一步研究。

5 應(yīng)用研究

5.1 提取微米級石英和納米級石英

由于原礦中的碳和石英結(jié)合緊密，無法直接通過分層或萃取的方式將原礦中的石英和碳分離。采用超細(xì)研磨的方式，將礦物研磨至中粒徑d50=1 μm，原礦的石英和碳會在一定程度上剝離。無定形碳在水介質(zhì)體系中會快速絮凝并下沉，而石英則下沉速度緩慢，可通過分層對上下層進(jìn)行分離得到微米級石英，產(chǎn)率48.81%，二氧化硅99.95%，同時還可以回收到微米級碳，產(chǎn)率30%，固定碳含量50%，再通過對微米級石英進(jìn)行納米化研磨，得到納米級石英樣品，其d10=0.08 μm，d50=0.15 μm，d90=0.22 μm，表明納米級石英粒度分布在80～200 nm之間(圖5)。

圖5 二次球磨后樣品的SEM圖Fig.5 SEM of samples after secondary ball milling

提取微米級石英和納米石英結(jié)果顯示，可通過研磨和分選的方法，有效分離本礦石的石英和碳，并且可制備微米級石英和納米級石英。根據(jù)實驗結(jié)果，微米級石英產(chǎn)率為49.7%，其中納米級石英粉產(chǎn)率可達(dá)25%，粒度在80～200 nm(圖6)。進(jìn)一步優(yōu)化研磨技術(shù)和工藝條件，可以獲得粒度在80 nm以下，甚至20 nm以下的石英粉，石英粉的純度需要進(jìn)一步提純處理，目前還在實驗之中。

圖6 納米化研磨樣品粒度分布Fig.6 Particle size distribution of nano grinding sample

介孔硅的實驗：通過焙燒去除有機物、通過次氯酸鈉去除碳、通過酸洗去除其他無機物，被次氯酸鈉和酸洗去除后的組分原位形成孔道，二氧化硅保持其原有狀態(tài)，整體形成了介孔硅結(jié)構(gòu)，所得的介孔硅孔道大小合適、耐腐蝕性能、比表面積高，生物相容性好。介孔碳的實驗：通過氫氟酸去除二氧化硅等組分，被氫氟酸去除后的組分原位形成孔道，碳保持其原有狀態(tài)，整體形成介孔碳結(jié)構(gòu)，所得介孔碳孔道大小合適，孔道均勻。

5.2 原礦加工分選試驗

橡膠補強實驗：原礦和分選提純出的微米碳作為橡膠填料，分別可以達(dá)到化工炭黑的30%和60%，有明顯的補強效果。相較于現(xiàn)有的碳黑和白炭黑等補強填料，具有原料安全環(huán)保，成本低廉，制備高效，補強效果好等優(yōu)勢。

SiC高硬材料實驗：有效利用碳與硅粉的微納米粒度效應(yīng)，原礦去除雜質(zhì)后采用石墨電爐，在1450～1500℃下燒2～6 h，Ar85%+H215%(高純)，直接用于SiC合成。重點兩個方向：大片單晶SiC和納米SiC。

污水處理試驗：石英和碳都是水凈化的良好材料，對于污水中陰離子活性劑、磷和二氧化氯等有很好的處理效果，也對降低污水濁度有一定效果。本礦精選物質(zhì)正好符合其要求，外觀呈黑色，微孔活性硅其內(nèi)部具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，物化性能穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、機械強度高，平均孔徑為10 nm，比熱0.92 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.4639 W/m·C?？捎糜陲嬘盟幚?，污水處理，特別是可用于飲用水反滲透裝置，其中石英為壓電材料，對水的活化和處理非常有效。

有機復(fù)合硅肥試驗：有效利用炭及硅粉的細(xì)粒度，pH值6.2～6.5，含碳微納石英粉用于有機肥，有利于作物吸收，是很好的有機復(fù)合硅肥原料，是尾礦、低品位礦石資源化利用最佳途徑。將含炭硅微粉與有機肥、秸稈、生活垃圾等按一定比例粉碎、攪拌混合，在發(fā)酵池內(nèi)發(fā)酵2～5 d，再進(jìn)入還原造沼池中生成沼氣，形成綠色能源。沼液就近澆灌植物，沼渣進(jìn)入復(fù)合肥廠，按比例和其他物質(zhì)混合制成農(nóng)用有機復(fù)合硅肥。

導(dǎo)電性測試結(jié)果顯示，原礦和目前提取的微米碳有望成為工業(yè)漆的防靜電功能填料。

6 前景展望

礦物學(xué)研究方面，原礦所含棒狀物既有處于核心的石英，也有緊密包覆在石英表面的碳。而石英顆粒形狀與純石英晶體形狀有所不同，碳則可以在常溫下與氫氟酸反應(yīng)生成氟化碳。說明有可能存在無定形碳化硅、氧碳化硅等礦物。需要進(jìn)一步研究其化學(xué)成分、礦物組成、具體成因等科學(xué)問題，并探究其可行的應(yīng)用方向。這方面可能會有新礦物發(fā)現(xiàn)。

利用豐城所產(chǎn)天然微納米硅碳礦石提純分選和納米化研磨的方法可以得到納米級石英粉，但目前其純度和細(xì)度仍然需要進(jìn)一步提升，擬進(jìn)一步研究其提純方法、納米化研磨工藝技術(shù)、高純納米石英粉的制備技術(shù)以及納米石英粉的高溫球形化處理技術(shù)與設(shè)備，爭取制備出粒徑小于10 nm、二氧化硅含量大于99.99%的高純?nèi)廴谇蛐渭{米石英粉；多孔碳在負(fù)極儲能材料的研究是未來主攻方向。為解決我國高端電子芯片用和新材料的供應(yīng)問題提供新的解決方案。

7 結(jié)論

(1)江西豐城石爐坑天然微納米植硅石層是植硅體沉積成因，形成于古鄱陽湖湖相沉積環(huán)境，地層時代歸于始新世中期—中新世早期。該天然微納米硅碳礦床資源量規(guī)模為大型。

(2)硅碳礦石主要有用礦物成分為天然微—納米石英和固定碳，粒徑多介于1.5～70 μm間，石英和固定碳礦物均具多孔結(jié)構(gòu)。硅碳礦石化成學(xué)成分以二氧化硅(介于65%～85%間)和固定碳(介于12%～21%)為主；含少量雜質(zhì)：氧化鋁、硫化鐵和少量氧化鉀、二氧化鈦、氧化鎂和氧化鈣等。

(3)石爐坑天然微納米硅碳礦石工藝礦物學(xué)研究和閉路選礦試驗結(jié)果，從礦物和原巖兩個方面應(yīng)用性能試驗，一是對礦石礦物加工分離，提取微米介孔硅、介孔碳和微—納米級石英粉，微米級石英粉產(chǎn)率為49.7%，二氧化硅99.95%，其中粒度在80～200 nm的納米級石英粉產(chǎn)率可達(dá)25%；碳產(chǎn)率30%，固定碳50%。二是采用原巖礦石直接簡單加工處理可規(guī)模生產(chǎn)橡膠補強、高硬碳化硅、導(dǎo)電、有機硅肥、污水處理等材料。初步得出該礦是一種獨特有用成分、礦物結(jié)構(gòu)多孔、天然微—納米級和利用價值極高的一種未命名的新型非金屬礦產(chǎn)。

(4)天然微納米硅碳礦物結(jié)構(gòu)的獨特性決定了該礦石具有重要的研究意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價值，應(yīng)用前景十分廣闊，可為我國高端電子芯片和新材料的供應(yīng)問題提供新的解決方案。

致謝：本文在成文過程中得到了楊文采先生的傾心指導(dǎo)，在此深表謝意！