河南付金川金紅石礦床地質(zhì)特征及遠景評價

張 洋 王 勇 包峻帆 景斐媛 劉 浩 胡玉峰

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院)

鈦是現(xiàn)代工業(yè)的重要金屬原料，金紅石作為生產(chǎn)鈦金屬及其化合物的重要原料，其開采及回收具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。我國金紅石礦床分布廣泛，類型多，目前在鄂、豫、陜、蘇、晉、魯?shù)仁【寻l(fā)現(xiàn)了金紅石礦床及礦化點[3]。根據(jù)礦床成因、成礦時代及成礦地質(zhì)特征，可將我國金紅石礦床劃分為區(qū)域沉積變質(zhì)型、榴輝巖型、熱液蝕變型、變質(zhì)蝕變型、風化—沉積型5種類型[4]。河南省境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的金紅石礦床主要為變質(zhì)型金紅石礦床，集中分布于南陽和信陽地區(qū)，位于北秦嶺—大別構造帶，賦存于元古界變質(zhì)巖系中[5]。其中，駐馬店市泌陽縣郭集鄉(xiāng)付金川金紅石礦床便位于變質(zhì)型金紅石礦帶留山—羊冊亞帶上，該礦床自1964—1966年首次圈出金紅石重砂異常至今，已經(jīng)開展了多輪礦調(diào)、勘探、物化探等工作，查明金紅石資源量達65.31萬t，為達到大型規(guī)模的金紅石礦床[6-11]。本研究在總結前人工作的基礎上，詳細研究付金川金紅石礦床地質(zhì)特征，并綜合評價其開發(fā)利用遠景，為類似變質(zhì)型金紅石礦床找礦勘探及開發(fā)利用工作提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)域成礦地質(zhì)背景

我國元古宙金紅石礦床主要分布于秦嶺造山帶東段、南秦嶺皺褶系大巴山加里東褶皺帶及北秦嶺褶皺帶，該區(qū)經(jīng)歷了多期構造運動和變質(zhì)作用，為金紅石礦床的形成提供了良好的地質(zhì)背景。其中，付金川金紅石礦區(qū)(以下簡稱“研究區(qū)”)位于華北地臺和秦嶺褶皺帶的銜接部位，橫貫區(qū)內(nèi)羊(冊)—明(港)斷裂，該斷裂為華北地層區(qū)和秦嶺地層區(qū)兩大復合地質(zhì)體的聚合邊界。

區(qū)域構造總體呈NW—SE向展布，主要表現(xiàn)為以羊明斷裂為代表的多條走向290°～320°的深大斷裂的分布。該類深大斷裂早期以韌性剪切變形為主，后期疊加了脆性斷裂，構成了區(qū)域基本構造格架。

研究區(qū)毗鄰姚莊大型規(guī)模金紅石礦床，分屬留山—羊冊金紅石礦帶，目前礦帶內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個大、中、小型金紅石礦床(圖1)。區(qū)內(nèi)發(fā)育有一套中高等變質(zhì)程度的角閃片巖、斜長片巖及石英片巖，是金紅石的主要含礦巖石。

圖1 留山—羊冊金紅石礦帶地質(zhì)特征

2 礦區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地 層

研究區(qū)出露的地層主要為秦嶺地層區(qū)中元古界毛集巖群左老莊巖組(Pt2z)和第四系，地層走向NW290°～320°，總體傾向SW，傾角50°～80°，局部受羊明斷裂影響，地層發(fā)生扭動并傾向NE。

左老莊巖組為金紅石的主要賦礦地層，在區(qū)域上可劃分為3個巖性段，區(qū)內(nèi)僅出露第二巖性段和第三巖性段。第二巖性段主要分布于礦區(qū)中南部，出露范圍較大，出露寬度約1 500 m，巖性主要為厚層二云斜長片巖、白云斜長片巖、斜長角閃片巖、黑云斜長片巖、白云石英片巖、含碳質(zhì)石英片巖、碳質(zhì)片巖和薄層石英巖，局部斜長角閃片巖褪變?yōu)楹谠菩遍L片巖。該巖段為金紅石的主要賦存層位，分布穩(wěn)定，斜長角閃片巖、黑(二)云斜長片巖為主要含礦巖石，且?guī)r層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。

第三巖性段出露寬度約260 m，主要分布于礦區(qū)北東部與第二巖性段諧合接觸，巖性主要為白云石英片巖、斜長角閃片巖，局部夾薄層石英巖，該巖段不含金紅石。

第四系主要分布于現(xiàn)代河流和溝谷中，巖性主要包括更新統(tǒng)沖洪積砂礫及粉砂質(zhì)黏土層、河谷中分布的全新統(tǒng)砂礫層和丘陵崗地上分布的殘坡積層。

2.2 構 造

研究區(qū)構造主要為控制區(qū)域地層展布及構造格架的羊明斷裂，呈NW—SE向。區(qū)內(nèi)僅有規(guī)模較小的NE向和NNW向斷層分布，但斷距不大，出露規(guī)模也不大，一般為數(shù)百米至數(shù)千米，且形成時代較晚，以脆性變形為主。褶皺僅表現(xiàn)為小規(guī)模的緊閉同斜褶皺、尖棱小褶皺及小褶曲的發(fā)育，它們均與金紅石礦體關系不大。

2.3 巖漿巖

區(qū)域巖漿活動頻繁，在各個地質(zhì)時期幾乎均見有不同程度的巖漿侵入或噴發(fā)活動，產(chǎn)出有超基性—基性—中性—酸性—堿性巖類[12-13]。但僅在礦區(qū)北部出露有小規(guī)模的新元古代李仙橋二長花崗巖，與左老莊巖組呈斷層接觸，對金紅石礦體展布影響不大。本研究通過野外踏勘、填圖及探槽施工，發(fā)現(xiàn)含礦巖系受地層控制，區(qū)內(nèi)斷層、褶皺及巖漿巖與礦體成因關系不大。

3 礦床地質(zhì)特征

3.1 主礦體特征

研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)了Ti-1#、Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#4條金紅石礦體，賦礦巖石主要為斜長角閃片巖及云母斜長片巖(表1)。其中Ti-1#礦體為主礦體，其余礦體規(guī)模小，長度一般不大于600 m，厚度一般小于20 m，為次要礦體。

表1 付金川金紅石礦區(qū)礦體基本特征參數(shù)

Ti-1#礦體(主礦體)位于礦區(qū)北部，礦體賦存于左老莊巖組第二巖性段地層中，呈似層狀產(chǎn)出，總體傾向約233°，傾角60°～80°，與地層產(chǎn)狀基本一致，研究區(qū)內(nèi)出露長約1 400 m，礦體平均厚度為45.02 m，達到大型礦體規(guī)模(圖2)。礦體平均品位RTiO2為1.93%，礦石類型以斜長角閃片巖型金紅石礦石為主，厚度變化系數(shù)為35%，屬厚度穩(wěn)定型礦體。

由圖2可知：Ti-1#礦體呈現(xiàn)南北端厚度大、中間厚度變薄的趨勢。由于中間第四系覆蓋較厚，探槽施工未達到預期效果，故礦體深部連接程度不詳。依據(jù)鉆孔巖芯分析得出Ti-1#礦體以粗粒級金紅石為主，呈褐紅色，粒狀。Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#礦體位于研究區(qū)南部，規(guī)模較小。

圖2 付金川金紅石礦區(qū)礦體分布特征

3.2 礦石特征

3.2.1 礦石自然類型

根據(jù)礦石的風化程度和分布狀態(tài)，可將付金川金紅石礦劃分為風化礦石和原生礦石2種自然類型。

(1)風化礦石。含礦巖石主要為黑(二)云斜長角閃片巖、風化斜長角閃片巖，巖石呈褐黃色、黃綠色，松軟多孔，在退變質(zhì)和風化綜合作用下，巖石中的角閃石多已綠泥化、黑云母化，斜長石多已泥化、黏土巖化、高嶺土化和黝簾石化。黑(二)云斜長角閃片巖為斜長角閃片巖褪變的產(chǎn)物。該類礦石主要分布于地表及其風化邊界線以上地段。

(2)原生礦石。含礦巖石主要為斜長角閃片巖，巖石為深綠色、塊狀、致密堅硬，巖石多碳酸鹽化，影響礦石品位，該類礦石分布于風化邊界線以下。

3.2.2 礦石礦物成分

礦石的主要有用礦物為金紅石，其余含鈦礦物有鈦鐵礦、榍石、白鈦礦，脈石礦物為角閃石、斜長石、白云母、黑云母、石英，偶見綠簾石，副礦物有磷灰石、鋯石、電氣石等。鉆孔中金紅石顏色主要為紅色、金黃色、褐紅色、黃褐色，條痕為黃褐色，具有金剛光澤。礦物呈柱狀、粒狀、針狀、水滴狀，柱狀晶體柱面上有縱紋，斷口為不平坦狀至弱貝殼狀。礦物含量多為1.50%～2.50%，粒徑多為0.08～0.5 mm。

通過鉆孔取樣分析，得出金紅石單體TiO2含量達95%以上，從晶體邊緣向中心含量增高，中心可達99.65%；有害成分SiO2、P2O5、Fe2O3、Cr等分布于晶體邊緣。礦物顆粒細小者純度高，單體多，連生體少，表面光潔；顆粒粗大者礦物單體少，連生體多，有暗化邊，表面附著有葡萄狀、疤痕狀蒙脫石、褐鐵礦、白鈦礦等礦物，個別晶體裂隙中有褐鐵礦、綠簾石微脈充填。

含鈦礦物主要以金紅石反應邊形式出現(xiàn)，顆粒細小，含量較低；脈石礦物分布廣但不均勻，含量變化大，多有蝕變；副礦物多呈他形或半自形粒狀零星分布于其余礦物之間，粒徑約0.1 mm，肉眼很少能見到。

通過在顯微鏡下對礦物進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)礦石中礦物分布、嵌布不均勻，且礦物相對含量變化較大(表2)，與留山—羊冊金紅石礦帶上的礦石礦物特征基本吻合[14]。

表2 留山—羊冊礦帶金紅石礦床礦石特征參數(shù)[11,14]

3.2.3 礦石的工業(yè)類型

依據(jù)礦石中金紅石粒度大小及選礦性能，可以劃分為粗粒和細粒2種工業(yè)類型礦石。

(1)粗粒型金紅石礦石。粒徑大于0.1 mm者約占80%，金紅石標本上肉眼直接可見或借助放大鏡可見。對應的礦石自然類型多為斜長角閃片巖型，偶爾在黑云斜長片巖型中也可見到。該類型礦石約占礦石總量的72%。

(2)細粒型金紅石礦石。金紅石粒度較細，粒徑多小于0.1 mm，肉眼很難直接看到金紅石晶體，對應的礦石自然類型主要為黑云斜長片巖型、云母斜長片巖型及黑云石英片巖型。該類型礦石約占礦石總量的18%。

通過探槽、鉆探施工驗證，研究區(qū)內(nèi)的礦石總體以粗粒型金紅石為主。

3.3 圍巖特征

礦體圍巖主要為云母質(zhì)片巖類，次為石英巖、斜長角閃片巖及大理巖。石英巖、云母質(zhì)片巖類巖石與礦體界線較清晰，但由于云母質(zhì)片巖RTiO2含量較高，多為0.30%～0.90%，局部可達工業(yè)品位構成礦石，而斜長角閃片巖與含礦巖石同為一種巖性，因此，圍巖與礦體的界線應依據(jù)樣品分析結果進行圈定。

4 金紅石賦存狀態(tài)

根據(jù)礦石的含礦巖石類型，可以劃分為斜長角閃片巖型金紅石礦石和黑(二)云斜長片巖型金紅石礦石2種。

(1)斜長角閃片巖型金紅石礦石。該類礦石呈深綠色，風化后為褐綠色，柱狀變晶結構，平行或片狀構造。金紅石單粒粒徑為0.05～0.15 mm，集合體粒徑為0.1～0.25 mm，主要呈小柱狀、水滴狀分布于角閃石之間或其晶面上，局部呈定向排列，礦石品位RTiO2(巖、礦石中金紅石TiO2)為1.03%～2.68%，平均為1.79%。礦石礦物成分為角閃石(含量40%～65%)、斜長石(含量25%～40%)、石英(含量10%～15%)，少量方解石、黑云母。

(2)黑(二)云斜長片巖型金紅石礦石。該類礦石呈灰色、黃褐色，鱗片粒狀變晶結構，片狀構造。金紅石呈細粒狀、小柱狀、長水滴狀，粒徑為0.01～0.23 mm，稀疏平行分布，部分金紅石被白鈦礦交代，長軸大致定向排列，較大顆粒多與黑云母接觸緊密，部分包裹于黑云母晶體中。礦石RTiO2品位為1.00%～3.43%，平均為1.96%。礦石礦物成分為斜長石(含量30%～60%)，黑云母、白云母(兩者含量為15%～40%)，石英(含量10%～20%)，局部含少量綠簾石。

5 礦床成因及找礦標志

5.1 礦床成因

由于礦體為穩(wěn)定的變質(zhì)巖層，本研究按周世泰方法計算10件巖石化學全分析樣品的K值(w(K2O)/w(K2O+Na2O))與A值(w(Al2O3)/w(Al2O3+K2O+Na2O))投入相關圖解(圖3)分析可知，其中4個樣品點分布于巖漿巖區(qū)，3個樣品點分布于緊靠火成巖區(qū)的過渡區(qū)，3個樣品點分布于沉積巖區(qū)[15]。含礦巖石為斜長角閃片巖、黑云斜長片巖及二云斜長片巖，TiO2含量約1.89%；礦石中沒有明顯的物質(zhì)帶出和帶入現(xiàn)象，成礦作用與構造、蝕變、巖漿和熱液活動無明顯關系，說明原巖為一套高鈦中基性火山巖及火山碎屑巖，在區(qū)域變質(zhì)作用過程中，火山巖及火山碎屑巖變質(zhì)成為片巖；當溫度大于950 ℃時，巖石中的鈦鐵礦變成固溶體，隨著溫度下降，固溶體的溶解度降低，發(fā)生離溶，分解出金紅石和其他類質(zhì)同象的礦物。因此該礦床應屬層狀變質(zhì)火山巖成因類型礦床。

圖3 K值與A值圖解

5.2 找礦標志

(1)地層。中元古界左老莊巖組第二巖性段為主要含礦段，特別是第二巖性段上部為工業(yè)礦體賦存部位，左老莊巖組第三巖性段具有較好的找礦前景。

(2)巖性。斜長角閃片巖為主要含礦巖性，次為二云斜長片巖。斜長角閃片巖易退化變質(zhì)，風化強烈時可變?yōu)楹?二)云斜長片巖，巖石松軟，且黏土巖化，顏色變?yōu)辄S褐色或綠褐色。

(3)磁法異常。物探磁法顯示有中等條帶狀異常存在，為重要找礦標志。

6 遠景評價

6.1 成礦潛力

河南省金紅石礦床自北向南可以劃分為方城、西峽、新縣3個較大的金紅石成礦帶，經(jīng)歷了多期構造運動及變質(zhì)作用，中高等變質(zhì)程度片巖發(fā)育，為鈦元素富集提供了場所[16]，已控制資源量達1×107t，預測整個區(qū)域資源總量達到5×107t[17]。研究區(qū)位于河南省金紅石礦帶留山—羊冊金紅石礦亞帶上，金紅石賦存于中元古界毛集巖群地層中，地層展布穩(wěn)定。通過開展工作，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了留山、五間房、姚莊等大中型金紅石礦床，已詳查的RTiO2儲量達到3.97×106t，成礦潛力較大。

研究區(qū)礦床受地層控制，由層狀礦體組成，礦層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。礦區(qū)構造規(guī)模不大，且構造對礦體展布影響不大，適宜進行大型機械化開采。通過本研究勘探，查明金紅石資源量為65.31萬t，達到大型規(guī)模。其中僅Ti-1#礦體估算的(333)+(334)？級RTiO2資源量便達到63.33萬t，礦體分布穩(wěn)定，沿走向和沿傾向延伸較遠，礦石中RTiO2品位平均為1.93%，礦體有用組分分布均勻(表3)。

表3 金紅石礦體品位及資源量

受限于研究區(qū)范圍及第四系覆蓋層較厚，本研究勘探工作未圈定Ti-1#礦體邊界，因而該礦體仍有較好的擴大資源量的前景；對Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#礦體走向和傾向控制程度不高，且Ti-2#、Ti-4#礦體西南部邊界尚未明確圈定，通過進一步工作有望擴大金紅石資源量。本研究通過在礦區(qū)北部施工探槽并采樣，在左老莊第三巖性段新發(fā)現(xiàn)了新的工業(yè)礦體，展布穩(wěn)定，有較好的找礦前景。總體上，研究區(qū)具有較好的成礦賦礦潛力，開發(fā)利用價值較高。

6.2 礦石加工技術

目前，金紅石礦的選礦試驗方法有“原礦—擦洗—重選—浮選—磁選—酸洗”(方法1)和“原礦—擦洗—重選—磁選—重選—微生物提純”(方法2)2種[15,18]，2種礦石加工方法在留山—羊冊金紅石礦帶上的五間房礦區(qū)和劉崗礦區(qū)均得到了成功應用，且對細粒級金紅石也有較好的選礦突破(表4)。

表4 金紅石選礦試驗結果[11,14,18]

由表4及相關分析可知：付金川金紅石礦在已有選礦試驗方法的基礎上可大幅提高礦石加工技術性能，降低開發(fā)利用成本。

6.3 礦床開采技術條件

研究區(qū)東部有1條近SN向常年性河流，在小河流上游有一華山水庫，庫容量為5 700萬m3，未來開礦用水方便。礦區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，且地下水露頭極少。區(qū)內(nèi)石英巖、大理巖等未經(jīng)風化及構造破壞的巖石大部分較完整，為可靠的隔水巖石。巖石以片巖類巖石為主，受風化作用影響，巖石力學強度較低，有利于金紅石礦開采。研究區(qū)礦床屬裂隙充水型礦床，含水層導水性各向異性強烈，且賦水性差，因而未來采坑排水不會對農(nóng)業(yè)用水、生活用水造成明顯影響，更不可能引起地面沉降、塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題。研究區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件屬簡單類型，環(huán)境地質(zhì)條件良好，有利于礦床開發(fā)。

6.4 礦產(chǎn)經(jīng)濟效益

金紅石性能良好，廣泛用于航空、艦船、化工、電力、輕工等行業(yè)。2017年亞洲鈦白粉新增需求量約占全球鈦白粉新增需求量的80%，亞洲鈦白粉新增需求量中，我國占比為50%。隨著國內(nèi)市場不斷擴大及環(huán)保政策實施，鈦白粉價格不斷上漲，截止到2018年5月份，鈦白粉價格達到17 611.11元/t，增幅高達50%，預計我國未來對鈦白粉的需求將保持10%～15%的增幅。未來數(shù)年全球鈦白粉需求年均增速有望達到4.1%。通過與方城五間房金紅石礦床進行類比分析，認為付金川金紅石礦屬于經(jīng)濟礦床，開發(fā)經(jīng)濟效益較好。綜上分析，本研究認為付金川金紅石礦床具有較好的開發(fā)利用前景。

7 結 論

(1)付金川金紅石礦床為大型規(guī)模的層狀變質(zhì)火山巖型礦床，分屬留山—羊冊金紅石礦帶，具有較好的成礦地質(zhì)背景。

(2)左老莊巖組第二巖性段為主要賦礦巖層，含礦巖性主要為斜長角閃片巖、黑(二)云斜長片巖，且含礦巖系受地層控制，區(qū)內(nèi)斷層、褶皺及巖漿巖與礦體成因關系不大。

(3)付金川金紅石礦的有利找礦標志為地層、含礦巖性以及磁法異常。

(4)付金川金紅石礦成礦賦礦潛力大、礦層穩(wěn)定、礦石加工技術性能較好、開發(fā)地質(zhì)條件優(yōu)越、礦產(chǎn)經(jīng)濟效益較好，開發(fā)利用前景十分樂觀。