紫砂矿物资源的发现

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摘要：

为了寻找新的紫砂矿物资源，为荣县陶土的高附加值利用以及紫砂矿物原料研究与应用提供科学依据，采用多种现代岩矿测试分析技术，对比研究了四川荣县陶土与宜兴紫砂泥料的矿物岩石学特征，结果表明：荣县陶土的化学成分平均含量是，w(SiO2)64.29%，w(Al2O3)22.72%，w(Fe2O3)6.51%，w(K2O)3.81%，四者之和达97.33%，而有害成分CaO含量低,w(CaO)0.35%；矿物成分石英35%～40%，高岭石25%～30%，伊利石30%～35%，赤铁矿3%～5%；结构构造主要为块状构造，粉砂泥质结构，石英分布均匀，颗粒大小为10～250μm；热效应特征是，平均热失重为4.99%，脱羟温度515℃左右。荣县陶土这些矿物岩石学特征都与宜兴紫砂矿物原料中的紫泥相同或相似，有可能作为一种优质的紫砂矿物资源。另外，荣县陶土中的淡绿色部分和紫红色部分分别与宜兴绿泥和朱泥有相似之处。

关键词：

紫砂矿物资源；石英；高岭石；伊利石；赤铁矿；紫砂

紫砂陶器，简称紫砂，是具有中国传统特色的一类陶瓷产品，尤以宜兴紫砂最为著名。紫砂集实用性、功能性、观赏性和艺术性为一体[1]，深受人们喜爱。近年来，随着茶文化的不断发展，紫砂使用的不断扩大，以及紫砂收藏的不断提升，紫砂产品尤其是紫砂壶越来越受世人所关注。宜兴紫砂的产生和发展根本原因是拥有得天独厚的矿物资源条件：在紫砂生产集中区丁蜀镇的黄龙山等地，盛产工艺性能十分优异的紫砂矿物原料[1-4]。但是，随着该矿物资源长期规模化开采和宜兴紫砂产品需求不断增长，尤其是当地政府禁采限制[5]，紫砂矿物原料的供给正面临巨大的挑战，寻找新的紫砂矿物原料已成紫砂产业可持续发展的重大问题之一。四川荣县陶土资源丰富，由于缺少研究，目前主要用于生产容量50～1000L的各种规格低附加值酿酒陶罐。笔者通过矿物岩石特征系统测试，并通过与宜兴紫砂矿物原料的对比分析，以及紫砂工艺试验，发现荣县陶土具有紫砂陶器应用的工艺性质和条件，可能作为一种具有高附值开发利用价值的紫砂矿物资源。本工作侧重介绍四川荣县紫砂矿物原料的化学成分、矿物成分、结构构造和热效应等矿物岩石学特征，及其与宜兴紫砂泥料对比分析研究进展，可为荣县陶土的高附加值利用以及紫砂矿物原料研究与应用提供科学依据。

1矿床地质特征简介

荣县紫砂矿床位于该县铁厂镇和度佳镇，距县城中心点南西260°方向约14km处。矿层主要赋存于中生代侏罗系下统珍珠冲组（J1z）地层中，呈层状产出。矿层产状与地层产状基本一致，矿层厚度稳定，连续性较好。产状较为平缓，总体倾向南，倾角一般4°～6°左右，为一缓倾斜矿。矿区构造简单，隶属扬子准地台，早期经历地台隆升，呈背斜产出，倾向160°～210°；晚期以间歇性整体抬升为主，构造运动微弱。矿区岩性孔隙度小，节理裂隙不发育，透水性差，水文地质条件简单，有利于矿石开采。荣县紫砂矿体形态主要为层状，上下有3层，第一层厚1～2m，第二层厚2m左右，第三层厚0.8m，总厚度4m左右，已提交的可采储量150万吨。矿层从下至上，矿石的粒度逐渐变大，岩性为紫红—紫黑色泥质粉砂岩，薄层状或块状构造，质地细腻，局部呈淡绿色，含铁量较高。目前，该矿由自贡华邦陶业有限公司下属企业荣县双益粘土厂露天开采，开采矿点位于铁厂镇大坪村一组，交通方便。

2实验

在荣县紫砂矿自上而下的3层矿中，分别采集具有代表的块状样品，分别编号为：第一层ZHB01，第二层ZHB02，第三层ZHB04。由于各层矿中都存在紫红色和淡绿色混杂现象，采用手工方法将第一层矿中的紫红色部分（ZHB01H）和淡绿色部分（ZHB01L）分开，以进行对比分析。为了便于与宜兴紫砂矿物原料进行对比分析，同时收集了紫砂壶生产使用的3种宜兴紫砂泥料，分别编号为：YZS01、YZS02、YZS2-2。它们采用宜兴紫砂矿物原料中的紫泥加工而成，可直接用于紫砂壶成型加工和产品生产。采用日本岛津XRF-1800型X射线荧光光谱分析仪（XRF）分析矿石的化学成分（粉末压片法）；尼康LV100型偏光显微镜观察薄片中矿石的显微结构和石英矿物颗粒大小；德国蔡司仪器公司生产的Ultra55型场发射扫描电子显微镜微（SEM）观察矿石中粘土矿物形貌特征；德国耐驰仪器公司生产的STA409PCLuxx同步热重差热分析（STA）仪分析矿石热失重等特征；日本理学DMX-ⅢC型X射线粉晶衍射仪（XRD）分析矿石矿物成分，实验条件为：Cu靶Kα射线，Ni片滤光，管电压40kV，管电流20mA，扫描范围5°～80°，扫描速度6(°)/min，步宽0.02°（2θ）。XRD数据通过平滑和寻峰处理后，根据XRD分析软件jade6.0和粉末衍射卡片（PDF）对数据进行深入分析。

3结果与讨论

3.1化学成分表1宜兴紫泥加工的紫砂泥料化学成分的XRF检测结果，可以看出：宜兴紫砂泥料以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O为主，四者之和达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)含量较高（6.05%～9.23%），平均7.82%；w(TiO2)0.93%～1.11%，平均1.01%；w(K2O)含量适中（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是四川荣县三层紫砂矿物原料化学成分的XRF检测结果，可以看出：荣县紫砂矿与宜兴紫砂泥料非常相似，仍然以SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O为主，四者之和达97.33%。其中：w(SiO2)63.51%～65.43%，平均64.29%，在宜兴紫砂泥料变化范围之内；w(Al2O3)21.35%～23.98%，平均22.72%，略低于宜兴紫砂泥料；w(Fe2O3)5.71%～7.16%，平均6.51%，与宜兴紫泥相似[5]；w(TiO2)0.86%～1.09%，平均0.95%；K2O含量适中（3.61%～4.07%），平均3.81%，略高于宜兴紫砂泥料，但与宜兴底槽青、降坡泥等紫泥品种相似[5]；CaO含量低（0.27%～0.45%），平均0.35%，与宜兴紫砂泥料基本相同；此外，与宜兴紫砂泥料一样，MgO、Na2O、P2O5、SO3等含量都很低。笔者的现场考察表明，宜兴紫砂矿物原料主要有紫泥、绿泥、朱泥（红泥）等种类，其中以紫泥用量最大。根据前人的研究，紫砂矿物原料区别于日用瓷原料的最突出特点是Fe2O3含量通常很高[6]。就紫砂矿物原料来说，宜兴紫泥区别于江西和福建原料的最重要标志是Al2O3>22%[5]，而K2O含量适中有利于降低烧成温度，CaO含量低有利于防止烧成起泡和变形。显然，荣县紫砂矿中Al2O3，Fe2O3，K2O，CaO等关键化学成分均与宜兴紫砂矿物原料中的紫泥相同或相似。如表2所示，荣县紫砂矿第一层中淡绿色部分（ZHB01L）的Fe2O3含量明显减少（1.8%），Al2O3则有所增多（27.2%），其化学成分特征与宜兴绿泥基本相似。而该矿层中紫红色部分（ZHB01H）的Fe2O3含量明显增加（21%），Al2O3有所减少（22%），其化学成分特征与宜兴朱泥有相似之处[4]。

3.2矿物成分图1宜兴紫泥加工的紫砂泥料XRD图谱，可以看出，宜兴紫砂泥料出现石英、高岭石、伊利石和赤铁矿等4种矿物的衍射峰，其中：石英的特征峰0.334、0.425、0.181nm等衍射峰强度大，峰型尖锐、对称，表明其含量和结晶度都较高；高岭石的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；赤铁矿的0.27、0.25nm特征衍射峰虽然较弱，但清晰可辨。图2是四川荣县紫砂矿物原料XRD图谱，可以看出，荣县紫砂矿同样出现石英、高岭石、伊利石和赤铁矿等4种矿物的衍射峰，这些矿物的图谱特征与宜兴紫砂泥料相同或非常相似。以上4种矿物在紫砂工艺中都有十分重要的作用：石英提供SiO2，是紫砂的骨架，有助于减少收缩，防止变形；高岭石不仅提供形成莫来石所需要的Al2O3，同时能够提高可塑性，有助于成形加工；伊利石提供K2O，能够明显降低烧成温度；赤铁矿提供Fe2O3，是紫砂丰富多彩颜色的最主要原因，例如，宜兴绿泥Fe2O3含量较低，产品颜色较浅，而朱泥Fe2O3含量较高，产品颜色较深。因此，石英+高岭石+伊利石+赤铁矿的矿物组合是宜兴紫砂矿物原料的另一个重要特征。表3是根据XRD物相鉴定，并结合化学分析计算得到的荣县紫砂矿物原料和宜兴紫砂泥料中矿物含量的半定量分析结果，可以看出：二者的矿物组合特征相同，即石英+高岭石+伊利石+赤铁矿；二者的矿物含量相似，前者Al2O3略低的原因是高岭石含量相对稍低，K2O略高是因为伊利石含量相对稍高，但都在宜兴紫砂矿物原料的波动范围之内。如图2所示，荣县紫砂第一层矿中淡绿色部分（ZHB01L）粘土矿物特征峰强度增大，赤铁矿特征峰基本消失，说明绿色部分粘土矿物含量相对较多，赤铁矿含量相对较少。这正是其Fe2O3含量减少、Al2O3和K2O增多的原因所在。而紫红色部分（ZHB01H）赤铁矿衍射峰明显增多，强度明显增强，伊利石的1.0nm衍射峰很弱，几乎消失，高岭石衍射峰也有所减弱，说明红色部分粘土矿物含量相对较少，赤铁矿含量相对较多。这正是其Fe2O3含量增多、Al2O3和K2O减少的原因所在。

3.3结构构造与形貌笔者的现场考察表明，宜兴紫泥和绿泥都能够单独加工成紫砂泥料，其矿石原料一般具有块状构造，而不是土状，因而能够加工出具有一定粒度配比的紫砂泥料。而荣县紫砂矿的三层矿都具有宜兴紫砂矿物原料的块状构造特征。据前人研究资料，宜兴紫砂矿物原料通常具有粉砂泥质结构，石英颗粒大小25～150μm，并且均匀地分布在粘土矿物之中[4]，因而能够加工制备出细腻而又具有砂感的紫砂产品。图3是四川荣县紫砂矿物原料的岩石薄片偏光显微镜相片，可以看出：同样具有粉砂泥质结构，石英呈粒状，粒径大小10～250μm，主要集中在30～100μm，比较均匀地分布在粘土矿物之中。图4是四川荣县紫砂矿物原料的SEM相片，可以看出：石英颗粒分布于粘土矿物之中（图4a），粘土矿物主要呈不规则片状或花瓣状，粒径大小一般为1～10μm（图4b）。

3.4热效应图5是宜兴紫砂泥料（YZS01）和荣县紫砂矿物原料（ZHB01）的TG-DTG曲线图，可以看出：二者的热分析曲线特征非常相似，TG曲线都为一级阶梯状（图5a）；DTG曲线的脱水峰都出现在515℃左右（图5b）。表4是宜兴紫砂泥料和荣县紫砂矿物原料不同温度区间的热失重分析结果，可以看出：宜兴紫砂泥料从室温至220℃的平均质量损失1.64%，主要由吸附水引起；220～400℃的曲线平直，平均质量损失0.32%，说明矿物比较稳定；400～950℃曲线陡直，平均质量损失4.24%，系由粘土矿物脱羟基引起。由于只有515℃左右的一个脱水峰，说明宜兴紫砂泥料中的两种粘土矿物高岭石和伊利石的脱羟温度范围非常一致，这对于紫砂烧成的稳定性是有利的。

从表4看出，荣县紫砂矿物原料不同温度区间的热失重特征与宜兴紫砂泥料几乎一致，尤其是对紫砂烧成有重要影响的400～950℃高温区间，不仅脱羟温度基本相同，而且平均质量损失也基本相同（4.08%）。所不同的是，二者的平均总质量损失有一定的差别，荣县紫砂矿物原料为4.99%，宜兴紫砂泥料6.21%，其主要原因是在室温至220℃和220～400℃区间，后者分别为1.64%和0.32%，明显大于前者的0.79%和0.12%。需要说明的是，目前已采用荣县紫砂矿物原料开展紫砂陶器工艺试验，证明该矿具有紫砂应用的工艺性质和条件。

4结论

（1）荣县紫砂矿物原料的w(SiO2)64.29%，w(Al2O3)22.72%，w(Fe2O3)6.51%，w(K2O)3.81%，四者之和达97.33%，而有害成分CaO含量低（0.35%），具有与宜兴紫泥相似的化学成分。（2）荣县紫砂矿物原料的石英35%～40%，高岭石25%～30%，伊利石30%～35%，赤铁矿3%～5%，具有与宜兴紫泥相同的矿物组合和相似的矿物含量。（3）荣县紫砂矿物原料主要为块状构造，粉砂泥质结构，石英分布比较均匀，颗粒大小为10～250μm，具有与宜兴紫泥相似的结构构造和石英粒级。（4）荣县紫砂矿物原料的平均热失重为4.99%，脱羟温度515℃左右，具有与宜兴紫泥相似的热失重和脱羟温度。（5）荣县紫砂矿物原料中淡绿色部分的Fe2O3和赤铁矿含量明显减少，Al2O3和粘土矿物则有所增多，而紫红色部分则正好相反，它们分别与宜兴绿泥和朱泥有相似之处。

参考文献：

[1]朱泽伟,沈亚琴.宜兴紫砂矿料[M].北京:地质出版社,2009:269.

[2]徐秀棠.紫砂工艺[M].杭州:浙江人民出版社,2009:224.

[3]韩人杰,叶龙耕,贺盘发,等.宜兴紫砂陶的生产工艺特点和显微结构[J].硅酸盐通报,1981,4:20-26.

[4]贺盘发.宜兴紫砂泥综述[J].江苏陶瓷,1988,1:30-38.

[5]江夏,吴隽,张茂林,等.宜兴紫砂泥料性能研究[J].江苏陶瓷,2011,(3):20-23;25.

[6]马铁成,繆松兰,林绍贤,等.陶瓷工艺学（第二版）[M].北京:中国轻工业出版社,2011:515.

作者：汪灵 杨宜坪 李珊 李虎成 李健 管志荣 王天明 甘甜 周惠 单位：成都理工大学 材料与化学化工学院 成都理工大学 地球科学学