云南富寧良子老寨鈦鐵礦成礦規(guī)律和礦床成因

章鑫，羅依珍，周元濤，謝燕霄

（廣東省有色礦山地質(zhì)災(zāi)害防治中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

鈦及其氧化物、合金產(chǎn)品是重要的涂料、新型結(jié)構(gòu)材料、防腐材料，被譽為繼鐵、鋁之后，處于發(fā)展中的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”，也是“很有希望的金屬材料”，在航空、航天、艦船、軍工、冶金、化工、機械、電力、海水淡化、交通運輸、環(huán)境保護、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

我國是鈦資源大國，鈦儲量位居世界前列，但多為共伴生礦，品位不高。目前鈦礦進口量呈逐年上升趨勢，對外依存度超過了60%（李政等，2020）。我國鈦礦資源豐富但品位低、礦物組成復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)水平不高，鈦資源綜合利用水平低，資源浪費較大，難以滿足我國相關(guān)工業(yè)的需求（吳賢和張健，2006；吳景榮等，2014；丁健華等，2020）。截至2019年底，我國已將鈦礦列為非油氣固體礦產(chǎn)資源潛力評價的四種礦產(chǎn)種之一（中國礦產(chǎn)資源報告，2020）。

全球鈦礦床類型根據(jù)巖體類型又可分為巖漿型、變質(zhì)型和沉積型（姜雪薇，2017）。我國鈦鐵礦一般伴生于基性巖有關(guān)的釩鈦磁鐵礦礦床中。桂西-滇東南一帶與輝綠巖有關(guān)的殘坡積風(fēng)化殼型鈦礦床分布很廣，鈦鐵礦資源豐富，含礦品位高，礦體埋藏淺，多出露于地表，易采選，這類礦產(chǎn)可作為一種潛在的資源加強開發(fā)利用研究。

良子老寨礦床位于云南省富寧縣里達鄉(xiāng)—板侖鄉(xiāng)一帶，礦區(qū)范圍的地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°38′15″～105°42′00″，北緯23°51′30″～23°52′39″（沈強華和張宗華，2003）。通過對礦區(qū)4.66 km2進行專項地質(zhì)測量、物探、淺井、樣品地球化學(xué)分析、重砂鑒定等研究，總結(jié)了該礦床的成礦規(guī)律，厘定了礦床成因，在此基礎(chǔ)上共圈定了工業(yè)礦體1個，探獲控制及推斷鈦鐵礦資源量19.63萬t，平均含TiO2：37.17%，TFe：27.09%，mFe：4.07%。

1 礦區(qū)地質(zhì)

1.1 地層

區(qū)域上地層發(fā)育寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及第四系。礦區(qū)內(nèi)僅出露二疊系吳家坪組（P2w）和茅口組（P1m）地層（圖1）。

圖1 良子老寨礦區(qū)地質(zhì)圖

（1）二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P2w）：地層為灰?guī)r-碎屑巖相沉積，巖性主要為灰黑色薄層狀、頁片狀炭質(zhì)泥巖、淺灰色厚層狀純灰?guī)r、褐黃色薄層狀泥灰?guī)r及薄層狀鋁土質(zhì)泥巖，局部相變?yōu)楣栀|(zhì)巖夾泥灰?guī)r，偶夾凝灰?guī)r或硅質(zhì)巖與粉砂質(zhì)頁巖。

（2）二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）：由灰白色中厚層狀致密灰?guī)r、灰—深灰色中厚層狀同生角礫灰?guī)r，夾致密灰?guī)r，生物灰?guī)r組成。

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的斷裂構(gòu)造，在基性巖與吳家坪組（P2w）冷侵入接觸的地區(qū)，沉積巖發(fā)生褶皺變形和破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

1.3 巖漿巖

富寧地區(qū)堿性基性巖類活動時期為海西-印支期，以噴出、侵入形式呈層狀、巖墻、巖盆、巖床、巖脈產(chǎn)出。巖性主要有玄武巖、凝灰?guī)r、火山碎屑巖、輝綠巖、安山巖、蘇長巖、閃長巖。前人曾將該區(qū)劃分三個巖漿活動期（吳利仁等，1959）。第一巖漿活動期為偏堿性輝長輝綠巖類侵入體（曾命名為“半瓦型”巖體）；第二巖漿活動期為蘇長輝長巖類侵入體（曾命名為“安定型”巖體）；第三巖漿活動期為安山玄武省-凝灰?guī)r等噴出巖及少部分淺成相（曾命名為“龍康型”噴出巖）。各期巖漿活動特征見表1。

表1 富寧地區(qū)巖漿活動特征表

續(xù)表

礦區(qū)內(nèi)巖漿巖以海西期偏堿性輝長輝綠巖類侵入巖為主，較發(fā)育，呈面狀分布于礦區(qū)中部，主要有鈦輝輝長輝綠巖（ν-βμa）和鈦輝輝綠巖（βμa）兩類。

（1）鈦輝輝長輝綠巖（ν-βμa）：由深灰色，細(xì)—中粒，鈦輝輝長輝綠巖組成，具嵌晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有鈦輝石、鈦鐵閃石、斜長石、鈦鐵礦、少量云母，富鈦、氧化鈉和氧化鉀。鈦鐵礦呈細(xì)粒狀，含量1.94%～2.07%?？拷乇碓瓗r已風(fēng)化蝕變?yōu)橥翣?、砂狀、碎屑狀，礦區(qū)內(nèi)的鈦鐵砂礦產(chǎn)于其風(fēng)化層內(nèi)。

（2）鈦輝輝綠巖（βμa）：分布于鈦輝輝長巖之中。由深灰色，細(xì)—中粒，鈦輝輝綠巖組成，具輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物有鈦輝石、斜長石、鈦鐵礦、少量云母、富鈦、氧化鈉和氧化鉀，鈦鐵礦呈細(xì)粒狀，含量1.72%～2.16%。

斜長石和輝石呈半自形-他形粒狀，斜長石的結(jié)晶粒度為0.1～0.3 mm，輝石的結(jié)晶粒度為0.5～1 mm。鈦鐵礦呈自形晶板狀結(jié)構(gòu)、半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)嵌布于斜長石與輝石之間（圖2a），也見微細(xì)粒他形鈦鐵礦嵌布于長石中（圖2b）。鈦鐵礦粒度0.05～0.3 mm。此外，常見鈦鐵礦與鈦磁鐵礦呈共結(jié)邊結(jié)構(gòu)，兩者相互連生，鈦磁鐵礦嚴(yán)重氧化蝕變，呈殘晶狀（圖2c）。經(jīng)掃描電鏡分析，蝕變鈦磁鐵礦由殘余的鈦磁鐵礦、鈦鐵礦和榍石組成（圖2d），呈交代殘余結(jié)構(gòu)。

圖2 良子老寨礦區(qū)鈦輝輝綠巖中礦物共生關(guān)系

（3）礦物組成及含量

通過對礦體中采集的輝長輝綠巖巖石樣，采用MLA礦物自動定量檢測系統(tǒng)測定樣品的礦物組成及含量，測試結(jié)果（表2）。

表2 良子老寨礦區(qū)輝長輝綠巖樣品礦物定量檢測結(jié)果

結(jié)果表明，樣品中含鈦礦物主要為鈦鐵礦、鈦磁鐵礦、榍石和微量的鈣鈦鋯石、白鈦石；鐵礦物主要是鈦磁鐵礦和褐鐵礦；金屬硫化礦物主要是少量的黃鐵礦、黃銅礦和閃鋅礦，個別為硬錳礦和少量鈣鈦礦；脈石礦物以斜長石為主，其次是粘土礦物、鈦輝石、綠泥石，及少量角閃石、絹云母、葡萄石、磷灰石等。

（4）巖石化學(xué)成分

表3、表4測試結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)輝長輝綠巖化學(xué)成分組成均呈現(xiàn)出SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O富集的特征。而微量元素特征表現(xiàn)為：Ti、Fe、V含量一般均大于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值；Ni、Cu部分大于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值；小于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值的元素為Pb、Mn、Cr、Mo、Co、Zr。總體上，輝長輝綠巖中主要有價元素為鈦和鐵，伴生釩。

表3 良子老寨礦區(qū)輝長輝綠巖X熒光半定量分析結(jié)果/%

表4 良子老寨礦區(qū)輝長輝綠巖主要有價元素化學(xué)分析結(jié)果/%

2 礦體地質(zhì)

2.1 礦體特征

礦體主要賦存于鈦輝輝長輝綠巖、鈦輝輝綠巖巖體風(fēng)化殼內(nèi)，在地表呈面狀分布，平緩鋪覆于基巖之上，其平面分布形態(tài)與巖體分布形態(tài)相同（楊加慶等，2013）。礦區(qū)內(nèi)礦體可分為殘坡積型和沖積型，以殘坡積型鈦鐵砂礦為主，呈“席狀”分布，總體呈東西走向，長度大于3 km，寬度約1 km。

（1）殘坡積型鈦鐵礦

主要由鈦輝輝長輝綠巖經(jīng)過風(fēng)化蝕變在原地堆積、或少量短距離搬運形成的礦體，此類礦體在垂直分帶上可分為三層，其特征如下。

地表強風(fēng)化淋濾層為淺黃褐色、淺黃綠色粘土或砂泥巖碎塊組成，偶含0.1～0.5 cm小粒徑的褐鐵礦，最大厚度1.30 m。礦石中含TiO2含量為3.5%～5.27%，含全鐵（TFe）含量為5.67%～12.4%，磁性鐵（mFe）含量為0.1%～2.3%。重砂分析結(jié)果顯示礦石中含鈦鐵礦1～62.7 kg/m3，重砂含量不均勻，這是由于部分鈦鐵礦在地表部分殘留而引起品位變化較大。

風(fēng)化淋濾含鈦鐵礦層為淺黃色、黃褐色、淺黃綠色含輝綠巖碎塊礦土層，最厚11.90 m，平均3.20 m。礦石中含TiO2含量為2.57%～5.87%，含全鐵（TFe）含量為9.68%～15.74%，磁性鐵（mFe）含量為0.1%～2.3%。重砂分析結(jié)果顯示礦石中含鈦鐵礦9.8～128.27 kg/m3，重砂含量不均勻，有逐漸向下變低的趨勢，這主要與原巖的風(fēng)化程度有關(guān)。

半（弱）風(fēng)化含鈦輝長輝綠巖層為半風(fēng)化的鈦輝輝長輝綠巖，最大厚度5 m，局部大于10 m。礦石中含TiO2含量為2.73%～5.12%，含全鐵（TFe）含量為8.97%～13.23%，磁性鐵（mFe）含量為0.1%～2.3%。重砂分析結(jié)果顯示礦石中含鈦鐵礦0～9.8 kg/m3，沒有工業(yè)價值。

（2）沖積型鈦鐵礦

礦體沿河谷、河漫灘、階梯分布，呈不規(guī)則狀、扇狀，分布不均勻。礦體厚度變化較大，普遍1～3.2 m，在河流的轉(zhuǎn)彎處較厚。礦石中含TiO2含量為3.5%～11.2%，含全鐵（TFe）含量為5.07%～10.68%，磁性鐵（mFe）含量為0.1%～2.3%，重砂分析結(jié)果顯示礦石中含鈦鐵礦18.1～98.1 kg/m3，相對較富。

2.2 礦石礦物成分

本礦區(qū)礦石主要金屬礦物為鈦鐵礦、磁鐵礦，可見少量的金紅石、白鈦礦、方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦等；脈石礦物主要為粘土、石英、磷灰石、鋯石等。

鈦鐵礦，呈半自形和他形的棱角狀晶形，少數(shù)見棱面體或厚板狀。顏色為黑色、鐵黑色，粉末為褐黑色。因受風(fēng)化，顆粒表面粗糙多小孔且覆有少量黃褐色氧化鐵巖屑。金屬光澤及半金屬光澤，斷口強瀝青光澤，不透明，無解理（圖3a）。硬度5.5～6，礦物具強電磁性。

磁鐵礦，晶形不完整，呈不規(guī)則的他形粒狀、圓粒狀或致密塊狀，極個別見菱形十二面體的部分晶面，鐵黑色，粉末黑色。因風(fēng)化作用，大部分礦物表面覆有褐鐵礦的褐色薄膜。半金屬光澤，無解理，斷口不平坦或貝狀。硬度5.5～6.5，粒徑大小0.09～0.32 mm（圖3b）。礦物具強磁性，其余礦物含量較少。

圖3 良子老寨礦區(qū)顯微鏡下鈦鐵礦和磁鐵礦顆粒照片

2.3 礦石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造

礦石結(jié)構(gòu)：輝長結(jié)構(gòu)、不等粒砂狀結(jié)構(gòu)、半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)。

礦石構(gòu)造：土狀構(gòu)造、砂狀構(gòu)造、碎塊狀構(gòu)造。

變余輝長結(jié)構(gòu)：斜長石已部分氧化蝕變?yōu)楦邘X土或發(fā)生不同程度的高嶺石化現(xiàn)象，輝石少部分氧化蝕變?yōu)榫G泥石，大部分輝石未蝕變。鈦鐵礦有一定溶蝕現(xiàn)象，呈半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)嵌布于蝕變長石與輝石之間（圖4a），部分鈦鐵礦被榍石和綠泥石交代（圖4b，圖4c），大部分鈦鐵礦未被氧化，仍保持良好晶形特征。常見鈦鐵礦與鈦磁鐵礦或蝕變鈦磁鐵礦呈共結(jié)邊結(jié)構(gòu)（圖4d、圖4e），有些鈦磁鐵礦已蝕變?yōu)榘租伿▓D4f）。

圖4 良子老寨礦區(qū)礦石BSE照片

2.4 礦石化學(xué)成分

礦石中賦礦礦物主要為鈦鐵礦，礦石主要有用組分為TiO2、全鐵（TFe）和磁性鐵（mFe）。礦石中鈦品位為0.78%～5.71%，平均品位為3.23%。

選擇鈦輝輝長輝綠巖（ν-βμa）、鈦輝輝綠巖（βμa）礦石樣品，進行礦石光譜全分析，分析結(jié)果見表5。

表5 良子老寨礦區(qū)礦石樣品光譜分析結(jié)果/%

礦石化學(xué)成分SiO2為41.28%～42.40%、Al2O3為16.11%～17.67%、Fe2O3為20.89%～23.36%、K2O為0.748%～0.978%、Na2O 為2.126%～2.201%，以上各組分富集，與堿性輝長巖的組成成分特征相似。而微量元素特征表現(xiàn)為：Ti含量為1.71%～2.16%，含量一般均大于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值；Ni、Cu元素部分大于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值；而小于標(biāo)準(zhǔn)克拉克值的元素為Pb、Mn、Cr、Mo、V、Co、Zr。

3 成礦規(guī)律

良子老寨礦區(qū)礦體賦存于鈦輝輝長輝綠巖強風(fēng)化殼及第四系殘坡積層中，表現(xiàn)為順地形，呈“席狀”面狀分布，在巖體附近的溝谷及山洼地帶堆積，部分河岸沉積的鈦鐵礦與匯水面積、所處的地段及上游基巖的成分有關(guān)。礦石的品級與原巖中鈦鐵礦、金紅石的含量和巖石的風(fēng)化程度正相關(guān)。礦體厚度、品位與鈦輝輝長輝綠巖風(fēng)化殼的風(fēng)化程度、厚度及地形坡度的大小關(guān)系極為密切。陡坡、臨近河流區(qū)域礦體厚度薄，風(fēng)化作用弱部位品位低。山脊緩坡、河谷階地、地形低凹地段礦體厚度較大、品位高。

成礦母巖是成礦的物質(zhì)基礎(chǔ)；氣候條件是形成風(fēng)化殼鈦鐵砂礦的必要條件；地貌條件是風(fēng)化殼鈦鐵砂礦堆積的重要條件，三者缺一不可（趙思傳等，2020）。

物質(zhì)來源：在富寧地區(qū)里達斷裂以東，董堡-那桑圩斷裂西南測，中三疊世海西-印支期第一期第四亞期侵入形成的“半瓦型”偏堿性輝長輝綠巖體，巖體內(nèi)TiO2含量較高（邵新宏，2013；羅坤和付義琴，2014；高儒東，2018），礦區(qū)侵入的鈦輝輝長輝綠巖體TiO2平均含量達3.76%，高于中國基性巖平均含量值2.08%，且主要含鈦礦物為鈦鐵礦、蝕變鈦磁鐵礦，從而為該區(qū)風(fēng)化殼型鈦鐵礦的形成提供了物質(zhì)來源。

地貌條件：鈦鐵砂礦主要賦存于鈦輝輝長輝綠巖巖體的風(fēng)化殼以及不同類型的近代堆積層中（李付兵，2014；范禮剛等，2018；張文娟和楊永富，2018）。在含鈦鐵礦的鈦輝輝長輝綠巖分布區(qū)及附近地區(qū)的地形坡度較緩，風(fēng)化殼及巖體風(fēng)化堆積物容易保存，不易受剝蝕（張旭林等，2018）。礦區(qū)內(nèi)山高谷深，地勢東南、西北高，東北低，最高高程1310.20 m，最低高程841.30 m，相對高差約500 m，山地、丘陵占96%。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，山勢陡峭，地形切割較深。通過揭露，礦體厚度最厚處12.3 m，最薄處0.5 m，平均值2.98 m。受地形地貌影響，本區(qū)形成風(fēng)化殼厚度較薄，相對不利于鈦鐵礦堆積保存。

氣候條件：冷熱交替、溫暖潮濕的氣候和充沛的雨量有利于機械風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化不斷向深處的推進（應(yīng)璽等，2019）。富寧地區(qū)位于北回歸線以北，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，春溫高于秋溫，雨熱同季，因地形和海拔差異，立體氣候明顯，年內(nèi)有四季之分。境內(nèi)積溫高，年總積溫為27 ℃，年平均氣溫為19.8 ℃，最高溫為39.5 ℃，最低溫為-3.7 ℃。全年日照時數(shù)1641小時，年均無霜期338天，最長無霜期364天，最短無霜期258天。境內(nèi)雨量充沛，年平均降雨量1103.5 mm，最高降雨量為1457.6 mm，最低降雨量為763 mm。部分區(qū)域年平均風(fēng)速在6～8 m/s，最大風(fēng)速高達14 m/s。潮濕高溫氣候促使巖石強烈分解和風(fēng)化殼強烈淋濾。

4 礦床成因

對比研究區(qū)內(nèi)不同工程四件樣品，TiO2含量分別為3.86%、2.80%、3.41%和2.11%（表6），賦存于鈦鐵礦中能夠有效回收鈦的含量分別為1.95%、1.65%、2.53%和1.35%，分別占原礦總鈦量的50.52%、58.93%、74.19%和63.38%。上述結(jié)果表明礦石中鈦以鈦鐵礦、鈦磁鐵礦、榍石、白鈦石等礦物形式存在，并有鈦以類質(zhì)同象的方式賦存于輝石、角閃石等脈石礦物中及粘土；其中鈦鐵礦中TiO2占有率最高，為TiO2主要賦存載體。

表6 良子老寨礦區(qū)各樣品中鈦（TiO2）在鈦礦物相中的平衡分配/%

礦區(qū)內(nèi)鈦輝石在巖石中的含量約45%～60%，鈦輝石中含TiO2可達3%～5%，高的可達8.97%，經(jīng)過風(fēng)化后形成白鈦石，粒度均小于0.074 mm，為風(fēng)化殼型鈦鐵礦的形成提供了物質(zhì)來源。加之富寧地區(qū)地貌及氣候作用為成礦提供有利條件，鈦鐵輝長輝綠巖體出露地表后，經(jīng)過漫長的地表風(fēng)化、淋濾、水解、氧化作用，鈦鐵輝長輝綠巖體中易溶于水的Ca、Mg、K、Na等密度較小物質(zhì)隨地下水淋濾帶走（張新松，2013），使鈦鐵輝長輝綠巖中的TiO2形成白鈦石（粒度小于0.074 mm），由于其物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，從而殘留并富集于風(fēng)化殼中。同時，隨著風(fēng)化作用的增強，鈦鐵輝長輝綠巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)生破壞，巖石中的主要造巖礦物輝石、斜長石發(fā)生高嶺土化及綠泥石化，從而使堅硬的基性巖變得松散，也使緊密鑲嵌于鈦鐵輝長輝綠巖礦物顆粒間物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的鈦鐵礦、鈦磁鐵礦、金紅石等金屬礦物多呈星散狀及浸染狀分布于風(fēng)化殼巖石中，最終富集形成了鈦鐵輝長輝綠巖風(fēng)化殼型鈦鐵礦床（羅坤和付義琴，2014；常鴻等，2017；高儒東，2018）。

5 結(jié)論

（1）海西—印支期偏堿性輝長輝綠巖體為該區(qū)鈦鐵礦的形成提供了物質(zhì)來源，富寧地區(qū)溫?zé)岢睗穸嘤隁夂蛴欣陲L(fēng)化作用，巖體出露地表后，巖體中的鈦礦物經(jīng)風(fēng)化剝離、水解作用、次生富集、原地殘留或近距離搬運遷移順地形呈“席狀”面型形成殘坡積風(fēng)化殼型鈦鐵砂礦床，云南富寧良子老寨鈦鐵礦床屬殘坡積風(fēng)化殼型礦床。

（2）礦床分布范圍廣、礦體埋藏淺。陡坡、臨近河流區(qū)域礦體厚度薄，風(fēng)化作用弱部位品位低；山脊緩坡、河谷階地、地形低凹地段礦體厚度較大、品位高。

致謝文章完成過程中得到了羅依珍副主任、周元濤、謝燕霄等同事的幫助，林錦富教授以及本文的審稿人等均對文章提出了寶貴的修改意見，筆者在此表示衷心的感謝。