四川攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦成礦元素富集過(guò)程模擬與資源潛力評(píng)價(jià)

劉才澤，秦建華，李明雄，張啟明

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，武漢 430074

2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081

3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局物探隊(duì)，成都 610072

0 引言

四川攀枝花－西昌地區(qū)（簡(jiǎn)稱“攀西地區(qū)”）是我國(guó)重要的釩鈦磁鐵礦產(chǎn)地，累計(jì)查明釩鈦磁鐵礦101億t。大部分勘探工作完成于20世紀(jì)60－70年代，限于當(dāng)時(shí)鉆探技術(shù)水平，勘查深度多為500m以內(nèi)，很多已知礦體（層）深部延伸部分缺少鉆孔控制，已知礦床深部仍有潛力。另?yè)?jù)磁測(cè)資料［1］，已知的四大礦區(qū)外圍有大量異常存在，經(jīng)對(duì)比分析，很有可能是含釩鈦磁鐵礦巖體引起。近年來(lái)勘查成果也非常喜人。因此，重新評(píng)估該地區(qū)的礦產(chǎn)資源潛力顯得十分必要。

幾十年以來(lái)，學(xué)者們一直致力于礦床品位與噸位的關(guān)系研究。早在20世紀(jì)50年代，Lasky［2］就提出品位與噸位服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；Cargill等［3－4］、Cargill［5］、Harris［6］則認(rèn)為品位與噸位之間呈冪律關(guān)系（分形分布），在雙對(duì)數(shù)圖上呈線性關(guān)系。Turcotte［7］利用巖漿結(jié)晶分異成礦作用原理，從非線性方程出發(fā)得到了分形品位－噸位模型；該成果被進(jìn)一步推廣為適用于熱液成礦系統(tǒng)的多重分形模型［8］。

與此同時(shí)，De Wijs［9－10］給出了元素富集形成規(guī)模礦床的數(shù)學(xué)模型，后人稱之為“De Wijs模型”。經(jīng)典的De Wijs模型是基于這樣一種假設(shè)：如果塊段中某成礦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為w，等分該塊段，經(jīng)一次富集貧化后所得2個(gè)部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為（1＋d）w和（1－d）w，這樣的過(guò)程可以不斷進(jìn)行（其中d是常量，不隨塊段大小的變化而變化）。經(jīng)n次富集貧化后，其結(jié)果服從二項(xiàng)分布；當(dāng)n足夠大時(shí)，則服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布［11］。Turcotte［11－12］則認(rèn)為元素富集成礦過(guò)程中，已發(fā)生貧化的部分可能不再進(jìn)一步富集貧化，其結(jié)果是品位與噸位之間呈冪律關(guān)系。Allegre和Lewin［13］進(jìn)一步研究認(rèn)為，每一步元素富集并不都是等分已有塊段，富集部分可能相對(duì)較小（富集質(zhì)量比例為0.4），貧化部分則相對(duì)較大（富集質(zhì)量比例為0.6）。從而總結(jié)了3種可能存在的模型：色譜模型（chromatographic model），瑞利分餾模型（Rayleigh distillation），二項(xiàng)分布模型（binomial）。

筆者根據(jù)攀西地區(qū)層狀含釩鈦磁鐵礦巖體的韻律特征及其鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律［1，14－18］，探 索 性 應(yīng)用瑞利分餾模型模擬區(qū)域內(nèi)釩鈦磁鐵礦成礦元素富集過(guò)程，并據(jù)此估算攀西地區(qū)礦產(chǎn)資源總量。

1 數(shù)學(xué)模型

通常可以用二維坐標(biāo)系來(lái)表達(dá)成礦元素在地質(zhì)體中的分布規(guī)律，橫軸為品位，指成礦元素在巖礦石中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）；縱軸為噸位，如礦石量在地質(zhì)體（如巖體）中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（∑M），因此，也稱品位－噸位曲線（grade－tonnage curve）。當(dāng)取值為邊界品位時(shí)，可得出通常意義的礦石資源量（或金屬資源量）。

對(duì)于某些巖漿型礦床而言，其成礦系統(tǒng)（如巖漿房）相對(duì)封閉，成礦元素的富集過(guò)程可以用瑞利分餾模型來(lái)模擬，因瑞利分餾模型與色譜模型的數(shù)學(xué)表達(dá)比較一致，為便于敘述，這里采用色譜模型建模。圖1給出了模型參數(shù)n＝20，w0＝1，k＝1.2，α＝0.5（kr＝0.8）的色譜模型品位－噸位曲線。這里的n為富集貧化的累積次數(shù)，w0為初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，k為富集系數(shù)，α為富集質(zhì)量比例，kr則為貧化系數(shù)：kr＝（1－kα）／（1－α）。從圖1C可知，累計(jì)質(zhì)量分布對(duì)數(shù)值與質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)數(shù)值之間呈線性關(guān)系。

為了進(jìn)一步研究模型隨參數(shù)α、k等變化而變化的情況，繪制了當(dāng)α＝0.5時(shí)，k取不同值時(shí)模型的品位－噸位曲線（圖2A）和當(dāng)k＝1.3時(shí)，α取不同值時(shí)模型的品位－噸位曲線（圖2B），均為log－log圖。

由圖2A可知，當(dāng)α一定時(shí)，直線右傾程度隨k值增大而變緩，直線斜率隨k值增大而變大（斜率絕對(duì)值則變?。Ｒ簿褪钦f(shuō)，雖然富集質(zhì)量比例相同，但當(dāng)富集系數(shù)k較小時(shí)，元素富集過(guò)程相對(duì)緩慢；而當(dāng)富集系數(shù)k較大時(shí)，元素迅速富集，一般來(lái)說(shuō)，有利于規(guī)模礦床形成。

由圖2B可知，當(dāng)k一定時(shí)，直線右傾程度隨α值增大而變緩，直線斜率隨α值增大而變大（斜率絕對(duì)值則變?。?。也就是說(shuō)，雖然每一步富集貧化過(guò)程的富集系數(shù)k相同，但當(dāng)α較?。ㄈ绂粒?.5）時(shí)，元素在較少部分（質(zhì)量比例較?。┲懈患?，在較大部分（質(zhì)量比例較大）中貧化；而當(dāng)α較大（如α≥0.5）時(shí)，元素在較大部分中富集，在較小部分貧化。

2 攀西地區(qū)含釩鈦磁鐵礦巖體韻律特征

攀西地區(qū)位于特提斯－喜馬拉雅與濱太平洋兩大全球巨型構(gòu)造成礦域結(jié)合部位，主體屬于上揚(yáng)子陸塊之攀西大陸裂谷帶。二疊紀(jì)－三疊紀(jì)本區(qū)發(fā)生了介于堿性玄武巖與拉斑玄武巖之間的過(guò)渡型玄武巖漿大規(guī)模侵入和噴發(fā)，其間形成攀枝花、紅格、白馬、太和等層狀基性－超基性堆積雜巖體［17，19－22］，形成了世界上著名的攀枝花式釩鈦磁鐵礦，即攀枝花、紅格、白馬、太和等四大礦田。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)色譜模型中元素的地球化學(xué)分布模式（據(jù)文獻(xiàn)［13］修改）Fig.1 Geochemical distribution for a trace element according to the chromatographic scenarios（modified from reference［13］）

攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦成因上屬巖漿晚期分異型礦床［17，23－24］。含礦層狀巖體可分為輝長(zhǎng)巖型（如攀枝花、白馬、太和等）和輝長(zhǎng)巖－輝石巖－橄輝巖型（如紅格等），兩者的成礦特征均可對(duì)比。以攀枝花為例，其巖體特征簡(jiǎn)述如下。

攀枝花巖體原為一不對(duì)稱的巖盆，因受攀枝花斷裂控制，使其成為長(zhǎng)19km、寬2km、走向北東、傾向北西、傾角40°～50°的“單斜巖床”。其巖漿液態(tài)分異和結(jié)晶分異的韻律層發(fā)育，巖體層狀構(gòu)造清楚，出露厚度712～2 570m。自上而下可劃分為5個(gè)巖相帶（含礦床）、9個(gè)礦帶。可根據(jù)全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TFe）將礦石劃分為4個(gè)工業(yè)品級(jí)：w（TFe）≥45% 為 Fe1，w（TFe）＝［30%，45%）為 Fe2，w（TFe）＝［20%，30%）為 Fe3，w（TFe）＝［15%，20%）為Fe4。從上而下分述如下：

淺色中細(xì)粒角閃輝長(zhǎng)巖帶，厚度500～1 500 m，無(wú)工業(yè)礦體。

上部含礦層，為層狀中細(xì)粒輝長(zhǎng)巖，有Ⅰ、Ⅱ2個(gè)礦帶，厚度10～120m，含礦率為26%，以Fe3為主，夾若干Fe4薄礦層。

中部暗色層狀中粒輝長(zhǎng)巖帶，Ⅲ礦帶產(chǎn)于其中，厚度164～600m，含礦率10%～20%。

下部含礦層為主要勘探及開(kāi)采對(duì)象。暗色流層狀中粗粒輝長(zhǎng)巖，厚度60～498m，有5個(gè)含礦帶。

Ⅳ礦帶：厚度30～240m，含礦率20%，以Fe4為主。

Ⅴ礦帶：厚度2～110m，含礦率30%～63%，以Fe3為主，F(xiàn)e4次之。

Ⅵ礦帶：為主礦體，厚6～60m，含礦率60%，以Fe2為主，F(xiàn)e1及Fe3次之。

Ⅶ礦帶：厚度0～50m，含礦率32%，主要為Fe2及Fe3。

Ⅷ礦帶：為主礦體，厚度0～60m，含礦率78%，以Fe1為主，F(xiàn)e2及Fe3次之。

底部邊緣帶，為暗色細(xì)粒輝長(zhǎng)巖，Ⅸ礦帶產(chǎn)于其中，厚度0～40m，含礦率52%，F(xiàn)e3為主，F(xiàn)e2及Fe4次之。

每個(gè)韻律層自下而上其基性程度降低，含礦層（體）分別賦存在各分異次級(jí)韻律層的下部，礦體也是層狀巖體的組成部分。分異作用愈徹底，含礦組分就愈富集。在Ⅸ－Ⅷ礦帶之間，常有寬度為20～40m的偉晶輝長(zhǎng)巖及貫入的富鐵礦脈分布。

3 成礦元素富集過(guò)程模擬

前人［1，14－18］先后對(duì)攀枝花等巖體的韻律特征及其巖漿侵入成因進(jìn)行了研究，宋謝炎等［25］、歐新功等［26］、吳金平等［27］還進(jìn)行了定量模擬，其研究成果為成礦元素富集過(guò)程模擬提供了依據(jù)。

圖2 不同k、α取值的色譜模型品位－噸位曲線Fig.2 Grade－tonnage curves of the chromatographic models for different korα

圖3 攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦品位－噸位曲線Fig.3 Grade－tonnage curves of the Fe－Ti－V oxide deposits in the Panxi district

攀枝花、紅格、白馬、太和等巖漿分異型礦床，其成礦系統(tǒng)（如巖漿房）相對(duì)封閉，成礦物質(zhì)主要來(lái)源于巖漿，外來(lái)物質(zhì)很少，幾乎可以忽略。宏觀及微觀尺度的韻律可能是巖漿脈動(dòng)式侵入的結(jié)果［1，15－17］，可以滿足De Wijs模型要求。另外，含礦層狀巖體的韻律特征，特別是w（TFe）在各韻律中的變化規(guī)律，與Allegre和Lewin［13］提出的瑞利分餾模型（或色譜模型）非常相似，外在表現(xiàn)為空間尺度的分形分布［18，26］。因此，可采用該模型來(lái)模擬攀枝花、紅格、白馬、太和等巖體中成礦元素的富集過(guò)程。

3.1 基于統(tǒng)計(jì)的過(guò)程模擬

統(tǒng)計(jì)模型是根據(jù)巖礦石的不同品位，統(tǒng)計(jì)大于該品位的礦石總量，即噸位，繪制相應(yīng)的品位－噸位曲線。根據(jù)攀西地區(qū)含釩鈦磁鐵礦巖體的韻律特征及w（TFe）在各韻律中的變化規(guī)律，選擇代表性剖面進(jìn)行分析，繪制了攀枝花巖體的品位－噸位散點(diǎn)圖（圖3A）。從log－log圖上可知，其分布接近一條右傾的直線，可以用最小二乘法擬合噸位與品位之間的冪律關(guān)系（log－log圖上為直線）。同樣地，還繪制了紅格巖體和白馬巖體的品位－噸位散點(diǎn)圖（圖3A）。

從圖3A可知：攀枝花巖體擬合直線位于紅格巖體擬合直線左下方，兩條直線近于平行，其斜率基本一致。根據(jù)模型假設(shè)，攀枝花和紅格兩大巖體的富集系數(shù)k和富集質(zhì)量比例α都應(yīng)相差不大，但是成礦前的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)w0不同，可能是含礦初始巖漿基性不同所致。攀枝花巖體為輝長(zhǎng)巖型，w（TFe）較小，加權(quán)平均值為9.21%；紅格巖體為輝長(zhǎng)巖－輝石巖－橄輝巖型，w（TFe）較大，加權(quán)平均值為11.76%。

雖然白馬巖體擬合直線位于攀枝花巖體擬合直線附近，但兩者斜交，前者斜率較后者?。ㄐ甭式^對(duì)值大）。據(jù)分析，白馬巖體和攀枝花巖體同為輝長(zhǎng)巖型，成礦前初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)w0（TFe）應(yīng)相差不大，但成礦過(guò)程的富集系數(shù)k和富集質(zhì)量比例α均小于攀枝花巖體。研究發(fā)現(xiàn)，雖然兩者同為輝長(zhǎng)巖型，但白馬巖體結(jié)晶分異過(guò)程不是很徹底，含礦性較差：一方面，非含礦淺色輝長(zhǎng)巖分布相對(duì)較廣，剖面上相對(duì)較厚，且未見(jiàn)超基性巖部分產(chǎn)出，母巖基性度相對(duì)較低；另一方面，與區(qū)域內(nèi)主要巖體相比，雖然主要礦石礦物鈦磁鐵礦、鈦鐵礦中w（TFe）均隨礦石w（TFe）增加而下降，但白馬巖體下降速度明顯低于紅格、攀枝花、太和等各巖體［1］。

3.2 理想數(shù)學(xué)模型模擬

根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型特征，需進(jìn)一步探討的是，是否存在可以用來(lái)模擬上述各巖體的更一般化的數(shù)學(xué)模型。據(jù)分析：攀枝花巖體近一半為淺色輝長(zhǎng)巖，各級(jí)韻律旋回中都有類似特點(diǎn)；呈漸變過(guò)渡關(guān)系的各分帶間w（TFe）相對(duì)比值可近似地代表富集系數(shù)k，取平均值1.30（一般為1.02～1.81）。紅格、太和等巖體也具有與攀枝花巖體類似的特點(diǎn)?？梢约僭O(shè)理想的模型參數(shù)分別為：k＝1.3，α＝0.5。再用各巖體w（TFe）加權(quán)平均值代替成礦前初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w0），攀枝花、紅格、太和分別為9.21%、11.76%、10.59%，所建模型如圖3B所示。log－log圖上，攀枝花、紅格、太和等直線相互平行，與統(tǒng)計(jì)模型規(guī)律基本一致，基本能模擬成礦過(guò)程Fe元素富集規(guī)律。四大礦區(qū)外圍也近似采用該模型（k＝1.3，α＝0.5）模擬，成礦前初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w0）則取加權(quán)平均值9.95%。

研究中發(fā)現(xiàn)，上述模型不太適合白馬巖體的情況，可能與白馬巖體結(jié)晶分異過(guò)程不徹底有關(guān)。正如前面所述，白馬巖體中，非含礦淺色輝長(zhǎng)巖分布較廣，剖面上較厚，約占60%；呈漸變過(guò)渡關(guān)系的各巖性分帶間w（TFe）相對(duì)比值也較小，一般為1.01～1.39，平均為1.20。因此，重新構(gòu)置了白馬巖體的理想模型，模型參數(shù)分別為k＝1.2，α＝0.4，w0＝10.75%（圖3B）。

3.3 統(tǒng)計(jì)模型與理想模型對(duì)比

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)理想模型的合理性并類比2種模擬結(jié)果，筆者在同一log－log圖上同時(shí)繪制了攀枝花巖體的統(tǒng)計(jì)模型和理想模型的品位－噸位曲線。從圖4上可知，擬合的2條直線非常接近，都具有一定合理性。

2條直線斜交，并不完全重合，體現(xiàn)出2種模擬結(jié)果仍然有一定差別。兩者均可能存在一定的系統(tǒng)誤差。對(duì)統(tǒng)計(jì)模型而言，可能受采樣偏好等影響，如礦石化學(xué)分析樣品一般采集較多，分析結(jié)果也較多，高品位礦石比重較大，擬合直線傾斜程度相對(duì)較小。理想模型的關(guān)鍵在于模型參數(shù)選取，如果選用的模型參數(shù)能很好地刻畫成礦中的元素富集過(guò)程，則估算誤差相對(duì)較小。研究中，根據(jù)攀枝花巖體近一半為淺色輝長(zhǎng)巖以及各級(jí)韻律旋回中類似的特點(diǎn)，取α＝0.5；同時(shí)根據(jù)呈漸變過(guò)渡關(guān)系的各分帶間w（TFe）相對(duì)比值的平均值，取k＝1.3。所選取的參數(shù)應(yīng)能刻畫攀枝花巖體結(jié)晶分異及礦床形成過(guò)程，即使存在一定誤差，也是可以接受的，在與統(tǒng)計(jì)模型的對(duì)比中證明了這一點(diǎn)。

圖4 攀枝花釩鈦磁鐵礦統(tǒng)計(jì)模型與理想模型對(duì)比Fig.4 Statistical and hypothetical patterns of Panzhihua Fe－Ti－V oxide deposit

4 成礦潛力分析與資源量估算

4.1 成礦物質(zhì)總量估算

根據(jù)模型，只有估算了成礦物質(zhì)總量才能計(jì)算出資源量。對(duì)于攀枝花式釩鈦磁鐵礦，其成礦物質(zhì)來(lái)源于巖漿，同期侵位的層狀基性－超基性巖體的總質(zhì)量即為成礦物質(zhì)總量，也就是說(shuō)，成礦物質(zhì)總量的估算就是層狀巖體總質(zhì)量的估算。

從攀西地區(qū)113個(gè)航磁異常中（對(duì)應(yīng)100多個(gè)基性－超基性巖體）共篩選出17個(gè)航磁異常區(qū)，圈定24處含釩鈦磁鐵礦基性－超基性巖體。其中：攀枝花、紅格、白馬、太和四大礦區(qū)及外圍共15處含礦巖體利用大比例尺（1∶1萬(wàn)～1∶2.5萬(wàn)）地磁資料估算，含礦巖體長(zhǎng)、寬、延深等參數(shù)由具代表性的典型剖面反演確定（2.5D人機(jī)交互擬合計(jì)算）；其余9處利用航磁化極一階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)航磁異常半定量計(jì)算確定含礦巖體長(zhǎng)、寬、延深等參數(shù)。分別推算出攀枝花、紅格、白馬、太和以及四大礦區(qū)外圍含釩鈦磁鐵礦巖體 質(zhì) 量 分 別 為495.00 億、195.23 億、635.25億、245.52 億、787.84 億t，合計(jì)2 358.84億t。

4.2 鐵礦石資源量估算

據(jù)統(tǒng)計(jì)模型，擬合的冪律關(guān)系（圖3A）與實(shí)際情況比較相符，可據(jù)此估算資源量。當(dāng)取邊界品位w（TFe）為15%時(shí)，得出攀枝花、紅格、白馬三大礦區(qū)鐵礦石資源量分別為51.52億、42.10億、58.79億t；另外，通過(guò)攀枝花、紅格、白馬三大巖體的綜合模型估算了太和巖體以及四大礦區(qū)外圍鐵礦石資源量，估算結(jié)果分別為28.43億、91.22億t：從而得出全區(qū)鐵礦石資源總量為272.06億t。

同樣地，應(yīng)用理想模型估算了攀枝花、紅格、白馬、太和及四大礦區(qū)外圍鐵礦石資源量，估算結(jié)果分別為 53.18 億、40.01 億、58.00 億、38.14 億、103.81億t，合計(jì)鐵礦石資源總量為293.14億t?？鄢巡槊?01.00億t，全區(qū)尚有192.14億t鐵礦石資源潛力。

4.3 伴生釩、鈦資源量估算

因不圈定獨(dú)立的釩、鈦礦體，伴生釩、鈦資源量可采用鐵礦石資源量與w（V2O5）（加權(quán)平均為0.21%）、w（TiO2）（加權(quán)平均為8.94%）的乘積求得。根據(jù)理想模型估算結(jié)果，可推算出攀西地區(qū)鈦（V2O5）、釩（TiO2）資源總量分別為6 155.94萬(wàn)t和26.21億t；資源潛力分別為4 034.94萬(wàn)t和17.18億t。

5 討論與結(jié)論

正如以上分析，2種模擬結(jié)果雖有所偏差，但如果礦床勘查程度較高，各種巖礦石采樣及分析比較全面，應(yīng)能滿足建模的要求，所建模型還可推廣到勘查程度相對(duì)較低、成礦過(guò)程比較相似的礦床中。

模擬結(jié)果顯示：攀枝花、紅格、太和等巖體的數(shù)學(xué)模型比較一致，可能與這些巖體巖漿結(jié)晶分異比較徹底、成礦性好有關(guān)；而白馬巖體的模型參數(shù)有一定差異，充分體現(xiàn)了該巖體結(jié)晶分異不徹底、成礦性相對(duì)較差的特點(diǎn)。

對(duì)于攀西地區(qū)這一類巖漿晚期分異型礦床，成礦空間相對(duì)封閉，外來(lái)物質(zhì)較少，可以采用瑞利分餾模型模擬其成礦元素的富集過(guò)程并估算其資源量。而對(duì)一些成礦空間相對(duì)開(kāi)放，如熔漿和含礦流體共同組成的成礦系統(tǒng)［28］，模型應(yīng)用可能受到一定限制。

四川地質(zhì)礦產(chǎn)局肖懿教授級(jí)高級(jí)工程師提供了寶貴資料，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院夏慶霖教授給予了悉心指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝意。

（References）：

［1］四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局攀西地質(zhì)大隊(duì).攀枝花－西昌地區(qū)釩鈦磁鐵礦共生礦成礦規(guī)律與預(yù)測(cè)研究報(bào)告［R］.成都：四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1984.Panxi Geological Party，Sichuan Bureau of Geology and Mineral Exploration.Research Report of Metallogenic Regularity and Forcast for Vanadic Titanomagnetite Deposits in Panzhihua－Xichang district［R］.Chengdu：Sichuan Bureau of Geology and Mineral Exploration，1984.

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