紫砂礦物資源的發現范文

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摘要：

為了尋找新的紫砂礦物資源，為榮縣陶土的高附加值利用以及紫砂礦物原料研究與應用提供科學依據，采用多種現代巖礦測試分析技術，對比研究了四川榮縣陶土與宜興紫砂泥料的礦物巖石學特征，結果表明：榮縣陶土的化學成分平均含量是，w(SiO2)64.29%，w(Al2O3)22.72%，w(Fe2O3)6.51%，w(K2O)3.81%，四者之和達97.33%，而有害成分CaO含量低,w(CaO)0.35%；礦物成分石英35%～40%，高嶺石25%～30%，伊利石30%～35%，赤鐵礦3%～5%；結構構造主要為塊狀構造，粉砂泥質結構，石英分布均勻，顆粒大小為10～250μm；熱效應特征是，平均熱失重為4.99%，脫羥溫度515℃左右。榮縣陶土這些礦物巖石學特征都與宜興紫砂礦物原料中的紫泥相同或相似，有可能作為一種優質的紫砂礦物資源。另外，榮縣陶土中的淡綠色部分和紫紅色部分分別與宜興綠泥和朱泥有相似之處。

關鍵詞：

紫砂礦物資源；石英；高嶺石；伊利石；赤鐵礦；紫砂

紫砂陶器，簡稱紫砂，是具有中國傳統特色的一類陶瓷產品，尤以宜興紫砂最為著名。紫砂集實用性、功能性、觀賞性和藝術性為一體[1]，深受人們喜愛。近年來，隨著茶文化的不斷發展，紫砂使用的不斷擴大，以及紫砂收藏的不斷提升，紫砂產品尤其是紫砂壺越來越受世人所關注。宜興紫砂的產生和發展根本原因是擁有得天獨厚的礦物資源條件：在紫砂生產集中區丁蜀鎮的黃龍山等地，盛產工藝性能十分優異的紫砂礦物原料[1-4]。但是，隨著該礦物資源長期規模化開采和宜興紫砂產品需求不斷增長，尤其是當地政府禁采限制[5]，紫砂礦物原料的供給正面臨巨大的挑戰，尋找新的紫砂礦物原料已成紫砂產業可持續發展的重大問題之一。四川榮縣陶土資源豐富，由于缺少研究，目前主要用于生產容量50～1000L的各種規格低附加值釀酒陶罐。筆者通過礦物巖石特征系統測試，并通過與宜興紫砂礦物原料的對比分析，以及紫砂工藝試驗，發現榮縣陶土具有紫砂陶器應用的工藝性質和條件，可能作為一種具有高附值開發利用價值的紫砂礦物資源。本工作側重介紹四川榮縣紫砂礦物原料的化學成分、礦物成分、結構構造和熱效應等礦物巖石學特征，及其與宜興紫砂泥料對比分析研究進展，可為榮縣陶土的高附加值利用以及紫砂礦物原料研究與應用提供科學依據。

1礦床地質特征簡介

榮縣紫砂礦床位于該縣鐵廠鎮和度佳鎮，距縣城中心點南西260°方向約14km處。礦層主要賦存于中生代侏羅系下統珍珠沖組（J1z）地層中，呈層狀產出。礦層產狀與地層產狀基本一致，礦層厚度穩定，連續性較好。產狀較為平緩，總體傾向南，傾角一般4°～6°左右，為一緩傾斜礦。礦區構造簡單，隸屬揚子準地臺，早期經歷地臺隆升，呈背斜產出，傾向160°～210°；晚期以間歇性整體抬升為主，構造運動微弱。礦區巖性孔隙度小，節理裂隙不發育，透水性差，水文地質條件簡單，有利于礦石開采。榮縣紫砂礦體形態主要為層狀，上下有3層，第一層厚1～2m，第二層厚2m左右，第三層厚0.8m，總厚度4m左右，已提交的可采儲量150萬噸。礦層從下至上，礦石的粒度逐漸變大，巖性為紫紅—紫黑色泥質粉砂巖，薄層狀或塊狀構造，質地細膩，局部呈淡綠色，含鐵量較高。目前，該礦由自貢華邦陶業有限公司下屬企業榮縣雙益粘土廠露天開采，開采礦點位于鐵廠鎮大坪村一組，交通方便。

2實驗

在榮縣紫砂礦自上而下的3層礦中，分別采集具有代表的塊狀樣品，分別編號為：第一層ZHB01，第二層ZHB02，第三層ZHB04。由于各層礦中都存在紫紅色和淡綠色混雜現象，采用手工方法將第一層礦中的紫紅色部分（ZHB01H）和淡綠色部分（ZHB01L）分開，以進行對比分析。為了便于與宜興紫砂礦物原料進行對比分析，同時收集了紫砂壺生產使用的3種宜興紫砂泥料，分別編號為：YZS01、YZS02、YZS2-2。它們采用宜興紫砂礦物原料中的紫泥加工而成，可直接用于紫砂壺成型加工和產品生產。采用日本島津XRF-1800型X射線熒光光譜分析儀（XRF）分析礦石的化學成分（粉末壓片法）；尼康LV100型偏光顯微鏡觀察薄片中礦石的顯微結構和石英礦物顆粒大小；德國蔡司儀器公司生產的Ultra55型場發射掃描電子顯微鏡微（SEM）觀察礦石中粘土礦物形貌特征；德國耐馳儀器公司生產的STA409PCLuxx同步熱重差熱分析（STA）儀分析礦石熱失重等特征；日本理學DMX-ⅢC型X射線粉晶衍射儀（XRD）分析礦石礦物成分，實驗條件為：Cu靶Kα射線，Ni片濾光，管電壓40kV，管電流20mA，掃描范圍5°～80°，掃描速度6(°)/min，步寬0.02°（2θ）。XRD數據通過平滑和尋峰處理后，根據XRD分析軟件jade6.0和粉末衍射卡片（PDF）對數據進行深入分析。

3結果與討論

3.1化學成分表1宜興紫泥加工的紫砂泥料化學成分的XRF檢測結果，可以看出：宜興紫砂泥料以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O為主，四者之和達97.66%。其中：w(SiO2)61.48%～64.69%，平均62.82%；w(Al2O3)24.49%～24.77%，平均24.63%；w(Fe2O3)含量較高（6.05%～9.23%），平均7.82%；w(TiO2)0.93%～1.11%，平均1.01%；w(K2O)含量適中（2.09%～2.68%），平均2.39%；w(CaO)含量低（0.22%～0.71%），平均0.40%；此外，MgO、Na2O、P2O5、SO3等含量都很低。表2是四川榮縣三層紫砂礦物原料化學成分的XRF檢測結果，可以看出：榮縣紫砂礦與宜興紫砂泥料非常相似，仍然以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O為主，四者之和達97.33%。其中：w(SiO2)63.51%～65.43%，平均64.29%，在宜興紫砂泥料變化范圍之內；w(Al2O3)21.35%～23.98%，平均22.72%，略低于宜興紫砂泥料；w(Fe2O3)5.71%～7.16%，平均6.51%，與宜興紫泥相似[5]；w(TiO2)0.86%～1.09%，平均0.95%；K2O含量適中（3.61%～4.07%），平均3.81%，略高于宜興紫砂泥料，但與宜興底槽青、降坡泥等紫泥品種相似[5]；CaO含量低（0.27%～0.45%），平均0.35%，與宜興紫砂泥料基本相同；此外，與宜興紫砂泥料一樣，MgO、Na2O、P2O5、SO3等含量都很低。筆者的現場考察表明，宜興紫砂礦物原料主要有紫泥、綠泥、朱泥（紅泥）等種類，其中以紫泥用量最大。根據前人的研究，紫砂礦物原料區別于日用瓷原料的最突出特點是Fe2O3含量通常很高[6]。就紫砂礦物原料來說，宜興紫泥區別于江西和福建原料的最重要標志是Al2O3>22%[5]，而K2O含量適中有利于降低燒成溫度，CaO含量低有利于防止燒成起泡和變形。顯然，榮縣紫砂礦中Al2O3，Fe2O3，K2O，CaO等關鍵化學成分均與宜興紫砂礦物原料中的紫泥相同或相似。如表2所示，榮縣紫砂礦第一層中淡綠色部分（ZHB01L）的Fe2O3含量明顯減少（1.8%），Al2O3則有所增多（27.2%），其化學成分特征與宜興綠泥基本相似。而該礦層中紫紅色部分（ZHB01H）的Fe2O3含量明顯增加（21%），Al2O3有所減少（22%），其化學成分特征與宜興朱泥有相似之處[4]。

3.2礦物成分圖1宜興紫泥加工的紫砂泥料XRD圖譜，可以看出，宜興紫砂泥料出現石英、高嶺石、伊利石和赤鐵礦等4種礦物的衍射峰，其中：石英的特征峰0.334、0.425、0.181nm等衍射峰強度大，峰型尖銳、對稱，表明其含量和結晶度都較高；高嶺石的0.710、0.356nm等衍射峰，以及伊利石的1.0、0.50、0.44nm等衍射峰清晰可辨；赤鐵礦的0.27、0.25nm特征衍射峰雖然較弱，但清晰可辨。圖2是四川榮縣紫砂礦物原料XRD圖譜，可以看出，榮縣紫砂礦同樣出現石英、高嶺石、伊利石和赤鐵礦等4種礦物的衍射峰，這些礦物的圖譜特征與宜興紫砂泥料相同或非常相似。以上4種礦物在紫砂工藝中都有十分重要的作用：石英提供SiO2，是紫砂的骨架，有助于減少收縮，防止變形；高嶺石不僅提供形成莫來石所需要的Al2O3，同時能夠提高可塑性，有助于成形加工；伊利石提供K2O，能夠明顯降低燒成溫度；赤鐵礦提供Fe2O3，是紫砂豐富多彩顏色的最主要原因，例如，宜興綠泥Fe2O3含量較低，產品顏色較淺，而朱泥Fe2O3含量較高，產品顏色較深。因此，石英+高嶺石+伊利石+赤鐵礦的礦物組合是宜興紫砂礦物原料的另一個重要特征。表3是根據XRD物相鑒定，并結合化學分析計算得到的榮縣紫砂礦物原料和宜興紫砂泥料中礦物含量的半定量分析結果，可以看出：二者的礦物組合特征相同，即石英+高嶺石+伊利石+赤鐵礦；二者的礦物含量相似，前者Al2O3略低的原因是高嶺石含量相對稍低，K2O略高是因為伊利石含量相對稍高，但都在宜興紫砂礦物原料的波動范圍之內。如圖2所示，榮縣紫砂第一層礦中淡綠色部分（ZHB01L）粘土礦物特征峰強度增大，赤鐵礦特征峰基本消失，說明綠色部分粘土礦物含量相對較多，赤鐵礦含量相對較少。這正是其Fe2O3含量減少、Al2O3和K2O增多的原因所在。而紫紅色部分（ZHB01H）赤鐵礦衍射峰明顯增多，強度明顯增強，伊利石的1.0nm衍射峰很弱，幾乎消失，高嶺石衍射峰也有所減弱，說明紅色部分粘土礦物含量相對較少，赤鐵礦含量相對較多。這正是其Fe2O3含量增多、Al2O3和K2O減少的原因所在。

3.3結構構造與形貌筆者的現場考察表明，宜興紫泥和綠泥都能夠單獨加工成紫砂泥料，其礦石原料一般具有塊狀構造，而不是土狀，因而能夠加工出具有一定粒度配比的紫砂泥料。而榮縣紫砂礦的三層礦都具有宜興紫砂礦物原料的塊狀構造特征。據前人研究資料，宜興紫砂礦物原料通常具有粉砂泥質結構，石英顆粒大小25～150μm，并且均勻地分布在粘土礦物之中[4]，因而能夠加工制備出細膩而又具有砂感的紫砂產品。圖3是四川榮縣紫砂礦物原料的巖石薄片偏光顯微鏡相片，可以看出：同樣具有粉砂泥質結構，石英呈粒狀，粒徑大小10～250μm，主要集中在30～100μm，比較均勻地分布在粘土礦物之中。圖4是四川榮縣紫砂礦物原料的SEM相片，可以看出：石英顆粒分布于粘土礦物之中（圖4a），粘土礦物主要呈不規則片狀或花瓣狀，粒徑大小一般為1～10μm（圖4b）。

3.4熱效應圖5是宜興紫砂泥料（YZS01）和榮縣紫砂礦物原料（ZHB01）的TG-DTG曲線圖，可以看出：二者的熱分析曲線特征非常相似，TG曲線都為一級階梯狀（圖5a）；DTG曲線的脫水峰都出現在515℃左右（圖5b）。表4是宜興紫砂泥料和榮縣紫砂礦物原料不同溫度區間的熱失重分析結果，可以看出：宜興紫砂泥料從室溫至220℃的平均質量損失1.64%，主要由吸附水引起；220～400℃的曲線平直，平均質量損失0.32%，說明礦物比較穩定；400～950℃曲線陡直，平均質量損失4.24%，系由粘土礦物脫羥基引起。由于只有515℃左右的一個脫水峰，說明宜興紫砂泥料中的兩種粘土礦物高嶺石和伊利石的脫羥溫度范圍非常一致，這對于紫砂燒成的穩定性是有利的。

從表4看出，榮縣紫砂礦物原料不同溫度區間的熱失重特征與宜興紫砂泥料幾乎一致，尤其是對紫砂燒成有重要影響的400～950℃高溫區間，不僅脫羥溫度基本相同，而且平均質量損失也基本相同（4.08%）。所不同的是，二者的平均總質量損失有一定的差別，榮縣紫砂礦物原料為4.99%，宜興紫砂泥料6.21%，其主要原因是在室溫至220℃和220～400℃區間，后者分別為1.64%和0.32%，明顯大于前者的0.79%和0.12%。需要說明的是，目前已采用榮縣紫砂礦物原料開展紫砂陶器工藝試驗，證明該礦具有紫砂應用的工藝性質和條件。

4結論

（1）榮縣紫砂礦物原料的w(SiO2)64.29%，w(Al2O3)22.72%，w(Fe2O3)6.51%，w(K2O)3.81%，四者之和達97.33%，而有害成分CaO含量低（0.35%），具有與宜興紫泥相似的化學成分。（2）榮縣紫砂礦物原料的石英35%～40%，高嶺石25%～30%，伊利石30%～35%，赤鐵礦3%～5%，具有與宜興紫泥相同的礦物組合和相似的礦物含量。（3）榮縣紫砂礦物原料主要為塊狀構造，粉砂泥質結構，石英分布比較均勻，顆粒大小為10～250μm，具有與宜興紫泥相似的結構構造和石英粒級。（4）榮縣紫砂礦物原料的平均熱失重為4.99%，脫羥溫度515℃左右，具有與宜興紫泥相似的熱失重和脫羥溫度。（5）榮縣紫砂礦物原料中淡綠色部分的Fe2O3和赤鐵礦含量明顯減少，Al2O3和粘土礦物則有所增多，而紫紅色部分則正好相反，它們分別與宜興綠泥和朱泥有相似之處。

參考文獻：

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[6]馬鐵成,繆松蘭,林紹賢,等.陶瓷工藝學（第二版）[M].北京:中國輕工業出版社,2011:515.

作者：汪靈 楊宜坪 李珊 李虎成 李健 管志榮 王天明 甘甜 周惠 單位：成都理工大學 材料與化學化工學院 成都理工大學 地球科學學