金紅石的研究現(xiàn)狀及地質(zhì)學(xué)意義

韋艷玲，郭靜漣

（桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006）

金紅石就是較純的二氧化鈦，一般含二氧化鈦在95%以上，是天然TiO2同質(zhì)三象（其他兩象為銳鈦礦和板鈦礦）中的最穩(wěn)定者，乃自然界最常見的礦物之一，是提煉鈦的重要礦物原料，金紅石分布極為廣泛，不但在地殼中存在（地殼中儲(chǔ)量較少），而且在月巖和隕石中也已發(fā)現(xiàn)（張惠芬等，1988a）。正確認(rèn)識(shí)金紅石的化學(xué)、物理特性、晶體結(jié)構(gòu)特征，以及金紅石作為礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面的有關(guān)知識(shí)，對(duì)研究金紅石在地學(xué)中的應(yīng)用提供了很多參考和依據(jù)[1]。

金紅石礦物學(xué)研究對(duì)于有效開發(fā)和利用中國嚴(yán)重短缺的金紅石資源、開展相關(guān)的地質(zhì)科學(xué)問題的探討等也具有十分重要的科學(xué)意義。其礦物學(xué)研究不但可以為確定找礦標(biāo)志、選擇找礦方法提供礦物學(xué)依據(jù)，還可以為揭示金紅石礦床的成礦規(guī)律和成因、提高礦石的綜合利用水平、選擇合理的選礦和冶煉方法提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。有少量金紅石可用作寶石，還可作半導(dǎo)體和檢波器[2]。不僅如此金紅石在地質(zhì)學(xué)中也有很廣泛的應(yīng)用：金紅石微量元素（Nb和Ta、Cr和Nb）的變化變化對(duì)殼幔作用的指示意義，同時(shí)也可用于原巖、沉積物源區(qū)性質(zhì)的判別；金紅石放射性測(cè)年體系的應(yīng)用；Zr-金紅石溫度計(jì)對(duì)溫度的制約以及其可以是很好的標(biāo)型礦物等。金紅石的以上屬性和功能，都使得金紅石成為繼鋯石之后倍受地質(zhì)學(xué)家的青睞的礦物。

1 金紅石資源分布狀況

全球金紅石資源量分布不均，澳大利亞金紅石儲(chǔ)量位居世界第一，占全球資源量的40%（表1）。我國已發(fā)現(xiàn)金紅石礦床主要分布在湖北、河南、陜兩、江蘇、山西及山東為（占全國總儲(chǔ)量的96%）。我國的鈦資源雖然豐富，位居世界第一，但是金紅石的開發(fā)利用尚處于初級(jí)階段，年產(chǎn)量很低，大約2500t/a左右，且90%來自砂礦，與國外相比，大部分屬原生礦，原礦品位低、嵌布粒度細(xì)，礦石性質(zhì)復(fù)雜，因此不能采用國外普遍應(yīng)用的重選、電選和磁選聯(lián)合工藝流程。致使選礦難以突破，天然金紅石資源得不到有效開發(fā)利用。

表1 全球金紅石儲(chǔ)量

2 金紅石基本特征

金紅石，是含鈦的主要礦物之一。四方晶系，常具完好的四方柱狀或針狀晶形，集合體呈粒狀或致密塊狀。暗紅、褐紅、黃或橘黃色，富鐵者呈黑色；條痕黃色至淺褐色。金剛光澤，鐵金紅石呈半金屬光澤。性脆，硬度6～6.5，密度4.2g/cm3～4.3g/cm3，富含鐵、鈮、鉭者密度增大，高者可達(dá)5.5g/cm3以上，性脆。金紅石常含有Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Sn4+、Cr3+和V3+等混入物，因此類質(zhì)同象置換現(xiàn)象較為復(fù)雜，易形成一系列鈦礦物（或變體），如鈦鐵礦、鈮(Nb5+)鐵金紅石及鉭(Ta5+)鐵金紅石等。

3 金紅石的研究現(xiàn)狀

3.1 放射性測(cè)年體系

金紅石含U，低放射性成因Pb和較高的封閉溫度的屬性，使得其成為U-Pb測(cè)年的良好載體，金紅石微區(qū)原位U-Pb同位素定年研究是一個(gè)新的測(cè)年研究領(lǐng)域和趨勢(shì)。和鋯石一樣，在金紅石生長過程中Hf是幾乎全部進(jìn)入其晶格的，所以說放射性成因的Hf基本可以忽略不計(jì)，因此也可用Lu-Hf同位素體系進(jìn)行研究，目前Lu-Hf體系的主要測(cè)試手段為LA-MC-ICP-MS技術(shù)[3]。

圖1 各顏色的金紅石（d為石英與金紅石）

3.2 金紅石的微量元素研究：Nb和Ta、Cr和Nb

金紅石中Nb和Ta，被廣泛應(yīng)用于如巖漿演化和俯沖區(qū)域變質(zhì)過程的地質(zhì)過程示蹤。研究表明不同類型巖石金紅石中Nb和Ta的含量也大不相同，如：花崗巖及偉晶巖以高含量的Nb和Ta為特征，其比值甚至可＞1；而堿性巖則是富Nb貧Ta；金紅石Cr/Nb比值能夠有效判別地原巖并能夠提供一些有效的源區(qū)信息。Zack et al.(2002，2004b)等通過不同來源金紅石的分析后認(rèn)為，原巖類型不同的金紅石可具有明顯不同的Nb、Cr、Zr、W等微量元素特征，認(rèn)為利用金紅石中Cr/Nb可以有效地判別鐵鎂質(zhì)和泥質(zhì)變質(zhì)巖的原巖。

3.3 金紅石Zr溫度計(jì)

金紅石Zr含量溫度計(jì)是近些年提出的單元素溫度，許多研究者已經(jīng)嘗試將該溫度計(jì)應(yīng)用于各種高級(jí)變質(zhì)巖中（王汝成，2005；Zack et al.2008；陳振宇，2009)，并通過不同變質(zhì)階段生成的金紅石分別測(cè)量其Zr元素含量計(jì)算其形成溫度以反演變質(zhì)巖變質(zhì)演化的P-T-t軌跡[4]。金紅石可以形成于進(jìn)變質(zhì)過程中，或退變質(zhì)過程中，或變質(zhì)峰期時(shí)等，因此關(guān)于Zr-金紅石溫度計(jì)的研究要結(jié)合樣品的巖相學(xué)、礦物包裹體和微量元素、U-Pb體系定年等方面予以綜合考慮，并對(duì)礦物的形成環(huán)境和形成世代加以限定，從而為合理解釋礦物中微量元素的分配及其記錄的溫度信息提供有效制約。

3.4 金紅石多型在高壓-超高壓變質(zhì)作用中的標(biāo)型意義

近年來，對(duì)TiO2的高壓實(shí)驗(yàn)表明，金紅石在超高壓＞4Gpa條件下可以存在4種多型變體，α-PbO2型（4Gpa～7Gpa）、斜鋯石型（16Gpa～20Gpa）、螢石型和氯鉛礦型[5,6]。因而這些金紅石變體的發(fā)現(xiàn)對(duì)于高壓-超高壓變質(zhì)作用物理化學(xué)條件有非常好的制約，是很好的標(biāo)型礦物。此外，還有一些學(xué)者對(duì)金紅石中結(jié)構(gòu)水的研究，發(fā)現(xiàn)金紅石晶格中結(jié)構(gòu)水分布具有不均一性，在不同樣品之間和顆粒內(nèi)部都有明顯表現(xiàn)，指示超高壓變質(zhì)過程中有限的流體活動(dòng)和快速的板塊俯沖一折返過程（盛英明等，2007）。

4 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步及各分析技術(shù)的發(fā)展，金紅石的研究也越來越火熱，目前在許多方面都已經(jīng)取得了突出的進(jìn)展，但是金紅石研究領(lǐng)域也還存在一些亟待解決的問題，是需要進(jìn)一步發(fā)展的方法。