金屬砂礦礦物品位換算公式優(yōu)化研究

彭 程，周迎春，李國杰，吉榆師

（海南國際資源（集團）股份有限公司，海南 海口 570206）

鋯金屬作為一種稀有金屬具有熔點和沸點高、耐腐蝕、可塑性好等優(yōu)點，被廣泛應用于耐火材料和鑄造等領域[1]，鋯金屬及其產品被稱為“21 世紀最具潛力的產品”和“原子能時代第一號金屬”[2]。近年來，鋯礦、鈦礦等被中國、日本和美國等國家列入關鍵性資源目錄，戰(zhàn)略資源意義突顯[3-4]。海南省鋯鈦砂礦以大中型礦床為特點，鋯礦、鈦礦、獨居石等濱海砂礦礦物儲量位居全國前列[5]。隨著國內環(huán)境保護政策落實，我國鋯鈦資源供需矛盾突出[6]，近三年，我國進口鋯資源量和鈦資源量占國內消費總量的88%和34%以上，是鋯鈦礦的消費大國和進口大國[7]，其中，東非地區(qū)是我國鋯資源進口的主要地區(qū)，而從莫桑比克進口的鈦資源量穩(wěn)居首位。

近期，筆者發(fā)現(xiàn)公開出版的《礦產地質勘查規(guī)范金屬砂礦類》（DZ/T 0208—2020）[8]和部分論文[9]中采用的鋯英石品位換算公式存在一定缺陷，公式中忽略了鋯英石形態(tài)的ZrO2占比，錯用了鋯英石礦物中ZrO2實測質量分數(shù)，導致鋯英石品位換算結果存在誤差。為了提升鋯英石礦物品位換算的準確性，以莫桑比克和馬拉維等地區(qū)鋯鈦礦礦區(qū)的地質勘查成果為基礎，結合海南省濱海沉積砂礦方面的經驗，對鋯英石品位換算公式進行優(yōu)化。在沉積型鈦砂礦和鐵砂礦方面進行對礦物品位換算公式進行類比和驗證，對優(yōu)化后的鋯英石品位換算公式進行推導，推導后的砂礦品位換算公式適用于金屬砂礦礦物品位換算，甚至更廣范圍。優(yōu)化后金屬砂礦品位換算公式可為規(guī)范金屬砂礦類地質礦產勘查和提升礦產資源儲量估算準確性提供參考。

1 鋯英石品位換算公式的優(yōu)化

根據(jù)《礦產地質勘查規(guī)范 金屬砂礦類》（DZ/T 0208—2020）[8]附錄G.1 注1，鋯英石品位公式見式（1）。

以原品位換算公式為基礎，分子增加鋯英石形態(tài)的ZrO2占比，分母中以鋯英石礦物中ZrO2質量分數(shù)取代精礦ZrO2質量分數(shù)，優(yōu)化后的鋯英石品位換算公式見式（2）。

式中：鋯英石品位和礦石體重的單位為kg/m3；樣品或精礦ZrO2質量分數(shù)、鋯英石態(tài)中ZrO2質量分數(shù)和鋯英石形式ZrO2占比的單位為%，下同。

2 鋯英石品位換算公式優(yōu)化的依據(jù)和結果

2.1 鋯英石礦物中ZrO2 質量分數(shù)

鋯英石品位換算中，鋯英石礦物中ZrO2質量分數(shù)是鋯英石礦物中ZrO2實測質量分數(shù)，既非鋯英石精礦ZrO2質量分數(shù)，也非鋯英石礦物中ZrO2的理論含量67.10%。

根據(jù)《中華人民共和國有色金屬行業(yè)標準 鋯精礦》（YS/T 858—2013），鋯英石精礦是以鋯原礦經選礦富集的產品，其中，鋯英石精礦四級品中（Zr，Hf）O2的質量分數(shù)要求不小于60%、五級品中（Zr，Hf）O2的質量分數(shù)僅不小于5%[10]，一般情況下，鋯英石精礦基本采用四級品要求，除了鋯質量分數(shù)有要求外，F(xiàn)e2O3、TiO2、Al2O3和SiO2四種雜質分別要求不大于0.50%、3.00%、3.00%和35.00%。莫桑比克鋯原礦富集形成的鋯英石精礦工藝礦物學研究表明，精礦組分中鋯英石含量為98.73%、金紅石含量為0.32%、獨居石為含量為0.20%、藍晶石含量為0.13%、石英含量為0.12%，另外含有極少量石榴石、鈦鐵礦、斜鋯石、磁鐵礦和磷灰石等礦物，與大多數(shù)鋯英石精礦產品礦物組成基本一致，這表明鋯英石精礦是多種礦物共同組成的混合物，則在滿足鋯英石精礦四級品要求前提下，鋯英石精礦中（Zr，Hf）O2質量分數(shù)存在一定變化幅度。馬拉維鋯礦富集研究[11-12]及莫桑比克鋯礦富集研究的結果（表1）表明，鋯礦富集程度受原礦和選礦工藝影響，且同一原礦經相似選礦工藝形成多種鋯英石精礦產品，不同精礦礦物組成有所差異；馬拉維鋯英石精礦中（Zr，Hf）O2的最高質量分數(shù)高于莫桑比克鋯英石精礦中（Zr，Hf）O2的最高質量分數(shù)，但馬拉維鋯英石精礦產品種類多、變化幅度較大，這種變化可通過延長選礦流程和調整選礦工藝參數(shù)等方式實現(xiàn)。綜上所述，鋯英石精礦是以鋯英石礦物為主的多種礦物混合體，其中（Zr，Hf）O2的質量分數(shù)可通過技術途徑實現(xiàn)主觀調整，而非客觀數(shù)據(jù)，只有鋯英石礦物中ZrO2的質量分數(shù)或理論含量是相對穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

表1 鋯英石精礦產品特征Table 1 Characteristics of zircon concentrate products

由于Zr 和Hf 有十分相似的半徑和電子排布，且化學性質相同，使得鋯英石四方晶系中Zr 經常被Hf類質同象，這種類質同象在沉積型鋯英石中普遍存在，導致鋯英石礦物中ZrO2理論含量實際是（Zr，Hf）O2質量分數(shù)，而實際中基本不存在67.10%的ZrO2含量；而EDTA 等方式化學分析測定鋯英石中ZrO2的質量分數(shù)實際為（Zr，Hf）O2的質量分數(shù)[13]，則鋯英石中ZrO2的質量分數(shù)一定低于化學分析的（Zr，Hf）O2質量分數(shù)。鋯英石單體內常?；烊霗C械雜質和包裹體（圖1），多次試驗對含有機械雜質和包裹體的鋯英石礦物采取磨礦或其他方式進行解離，但效果甚微，馬拉維和莫桑比克的鋯英石單體礦物中的解離度分別達到99.74%和99.50%，絕大多數(shù)鋯英石的解離度測試證實了沉積型重砂礦中鋯英石礦物主要以單體形式存在。綜上所述，沉積型鋯英石砂礦礦物解離度相當高，基本為單體狀態(tài)，但鋯英石礦物中67.10%的質量分數(shù)實際應為（Zr，Hf）O2，受機械混入雜質和包裹體的影響，鋯英石單體中ZrO2理論含量一般偏低，但包裹體或機械雜質為富鋯成分（如斜鋯石）除外。

圖1 鋯英石中鐵鋁石榴石和磷灰石Fig.1 Almandine and apatite in zircon

鋯英石礦物中ZrO2質量分數(shù)一般以鋯英石礦物能譜分析中的ZrO2質量分數(shù)為準，該數(shù)據(jù)具備相對穩(wěn)定性。如在馬拉維和莫桑比克鋯英石能譜分析（表2）中，ZrO2的質量分數(shù)分別為64.77%和65.42%，（Zr，Hf）O2質量分數(shù)分別為66.11%和66.21%，達到鋯英石精礦四級品中（Zr，Hf）O2質量分數(shù)要求，但都低于鋯英石中（Zr，Hf）O2的理論含量，表明三組數(shù)據(jù)之間存在一定差異。

表2 鋯英石能譜分析測定Table 2 Energy spectrum analysis and determination of zircon 單位：%

2.2 鋯英石形態(tài)的ZrO2 占比

鋯英石形態(tài)的ZrO2占比即含ZrO2的礦物中鋯英石礦物的分布率或占比，是鋯英石品位換算中最容易忽略的參數(shù)，較多文獻中默認鋯英石形態(tài)的ZrO2占比為100%[9,13]。實際的濱海沉積鋯礦中，含ZrO2的礦物或機械混入ZrO2的礦物種類較多，馬拉維和莫桑比克重砂樣的ZrO2物相分布特征（表3）揭示了上述兩種因素的影響：富ZrO2的斜鋯石中ZrO2質量分數(shù)在95%以上，雖然莫桑比克斜鋯石礦物含量僅為0.16%，但占比為3.11%，對鋯英石形態(tài)的ZrO2占比有較大影響；重選混合物的石榴石、角閃石、石英或長石等礦物中存在機械混入的ZrO2礦物對鋯英石形態(tài)的ZrO2占比也有影響。因此，忽略鋯英石形態(tài)的ZrO2占比會導致鋯英石品位換算結果偏高。

表3 重砂樣中ZrO2 物相分布特征Table 3 Phase distribution characteristics of ZrO2 in heavy sand samples 單位：%

《礦產地質勘查規(guī)范 金屬砂礦類》（DZ/T 0208—2020）要求獲得的地質樣品為淘洗后的重砂樣品[8]，樣品中測試的ZrO2質量分數(shù)為重砂樣的分析結果，為了保持品位換算過程中數(shù)據(jù)一致性，鋯英石形態(tài)的ZrO2占比取值時同樣應以淘洗后的重砂樣中數(shù)據(jù)。馬拉維項目采用原礦砂中ZrO2物相分析結果（表4）獲得的鋯英石形態(tài)的ZrO2占比為89.47%，而淘洗后的重砂樣中鋯英石形態(tài)的ZrO2占比為98.96%，原礦砂相對淘洗后重砂樣中鋯英石形態(tài)的ZrO2占比減幅較大，若采用原礦砂數(shù)據(jù)會導致鋯英石品位換算偏小。

表4 馬拉維原砂樣中ZrO2 物相分布特征Table 4 Phase distribution characteristics of ZrO2 in original sand samples in Malawi 單位：%

2.3 鋯英石品位公式優(yōu)化的換算結果

利用馬拉維和莫桑比克鋯英石礦區(qū)中數(shù)據(jù)對鋯英石品位換算（表5），由于馬拉維礦區(qū)鋯英石精礦中ZrO2的最高質量分數(shù)比鋯英石礦物中ZrO2質量分數(shù)高，鋯英石形態(tài)的ZrO2占比接近100%，導致優(yōu)化前后的鋯英石換算公式在計算品位時結果沒有變化；但在莫桑比克礦區(qū)鋯英石精礦中ZrO2的最高質量分數(shù)相對鋯英石礦物中ZrO2的質量分數(shù)略低，且少量斜鋯石降低了鋯英石形態(tài)的ZrO2占比，采用優(yōu)化前的鋯英石品位換算公式進行計算的結果比優(yōu)化后的結果增加7.13%。

表5 鋯英石品位換算結果Table 5 Grade conversion results of zircon

3 金屬砂礦品位換算公式的推導

3.1 鈦礦品位換算公式

鈦礦物品位換算公式研究相對較多，在馬拉維濱湖地區(qū)[3]、海南島東南部淺海[9]和海南島東部淺海[14]的鈦礦礦物單體中TiO2質量分數(shù)的能譜分析和物相分析研究（表6）中，都注意了鈦礦物形態(tài)中TiO2占比和鈦礦物中TiO2質量分數(shù)兩個金屬砂礦礦物品位換算的重要參數(shù)。

表6 不同地區(qū)鈦礦能譜分析測定和物相分析結果Table 6 Energy spectrum analysis and phase analysis and determination results of titanium ore in different regions 單位：%

鈦礦物形態(tài)中TiO2占比方面，馬拉維濱湖地區(qū)、海南島東南部淺海和海南島東部淺海的鈦礦物都存在鈦鐵礦、金紅石和白鈦石三種形態(tài)，對礦物形態(tài)的TiO2在TiO2總量中的占比進行了更直觀和定量的表達，馬拉維、海南島東南部和海南島東部的鈦鐵礦、金紅石和白鈦石三種礦物形態(tài)中TiO2占比合計分別為84.60%、63.85%和31.00%，其中海南島周邊三種主要鈦礦物中TiO2總量占比低于馬拉維，可能是海南島周邊鈦礦物相豐富或采用淘洗前原礦砂樣進行物相分析所致。

鈦礦物中TiO2質量分數(shù)方面，馬拉維濱湖地區(qū)、海南島東南部淺海和海南島東部淺海的鈦鐵礦、金紅石和白鈦石等鈦礦物中TiO2質量分數(shù)基本不等于鈦礦物中TiO2的理論含量；馬拉維鈦鐵礦精礦中TiO2質量分數(shù)平均值為49.48%[12,15]，海南島鈦鐵礦精礦中TiO2質量分數(shù)平均值為44.97%[16]，與表6 中的鈦鐵礦礦物中TiO2質量分數(shù)數(shù)據(jù)存在差異。上述鈦鐵礦礦物中TiO2質量分數(shù)變化主要是由鈦與鐵和錳類質同象導致，如馬拉維和莫桑比克[17]的鈦鐵礦存在赤鐵礦化和赤鐵礦化（圖2）的現(xiàn)象，馬拉維、莫桑比克和海南島鈦鐵礦中MnO 質量分數(shù)一般在1.00%～10.00%之間；同時，Al2O3、CaO、MgO、Nb2O5等機械雜質和鋯英石等包裹體也會影響鈦鐵礦礦物中TiO2質量分數(shù)[18]。

圖2 鈦鐵礦中赤鐵礦化和榍石包裹體Fig.2 Hematite and sphene inclusions in ilmenite

上述文章對海南島的鈦礦礦物品位換算過程中，都引入了類似鈦礦礦物中TiO2質量分數(shù)和鈦礦形態(tài)中TiO2占比兩個因素[9,14]，與本文鋯英石礦物品位換算公式中參數(shù)相似，見式（3）。

3.2 鐵礦物品位換算公式

以馬拉維沉積型鋯鈦砂礦中鐵礦物為例，用Fe質量分數(shù)代替金屬氧化物質量分數(shù)換算鐵礦物的品位，其中，鐵礦物中Fe 質量分數(shù)的能譜分析和物相分析結果見表7。由表7 可知，鐵礦物中Fe 一般以磁鐵礦、赤鐵礦和鈦鐵礦形態(tài)為主，少量以石榴石和角閃石形態(tài)存在。

表7 馬拉維鐵礦能譜分析測定和物相分析結果Table 7 Energy spectrum analysis and phase analysis and determination results of Malawi iron ore 單位：%

鐵礦物中Fe 質量分數(shù)方面，磁鐵礦、赤鐵礦和鈦鐵礦中Fe 理論含量均高于對應礦物能譜分析中Fe 質量分數(shù)。一方面，F(xiàn)e3+或Fe2+被Ti4+類質同象形成磁赤鐵礦和鈦赤鐵礦等固溶體出溶（圖3），鈦元素替代鐵元素降低了礦物中Fe 的質量分數(shù)；另一方面，磁鐵礦和赤鐵礦礦物中普遍含有Ti、Al、Si 和V 四個元素（平均化學質量分數(shù)在0.14%～0.80%之間）和極少量的其他元素。

圖3 磁鐵礦中磁赤鐵礦和鈦磁鐵礦Fig.3 Magnetite and titanomagnetite in magnetite

參照鋯英石和鈦礦的礦物品位換算公式，推導鐵礦物品位換算公式，見式（4）。

利用式（4）計算磁鐵礦、磁鐵礦和鈦鐵礦礦物品位（表8），鈦鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦品位分別為42.72 kg/m3、19.68 kg/m3和24.51 kg/m3，利用鈦鐵礦中TiO2的質量分數(shù)和鈦鐵礦形態(tài)的TiO2占比等數(shù)據(jù)換算鈦鐵礦品位為40.19 kg/m3，利用Fe 和TiO2兩種化學組分換算鈦鐵礦的礦物品位結果差異為3.05%。利用Fe 元素質量分數(shù)換算鐵砂礦中鐵礦物品位驗證了鐵礦物品位換算公式的適用性，同時能驗證多金屬元素組成的礦物的品位換算結果。

表8 鐵礦礦物品位換算表Table 8 Table of grade conversion of iron ore minerals

3.3 金屬砂礦品位換算公式

綜合鋯英石、鈦鐵礦（Fe 和TiO2兩種計算方式）、金紅石、白鈦石、磁鐵礦、赤鐵礦等金屬砂礦的礦物品位換算公式，結合獨居石等金屬砂礦礦物品位換算公式的實踐應用，推導金屬砂礦的礦物品位換算公式見式（5）。

4 結論

1）鋯英石品位換算公式中應注意鋯英石形態(tài)ZrO2占比，不能用精礦中ZrO2質量分數(shù)或理論含量代替鋯英石礦物中ZrO2實測質量分數(shù)，正確應用鋯英石品位換算可避免品位換算結果失真，保證地質礦產勘查中儲量估算結果的準確性。

2）鋯英石精礦是經選礦形成以鋯英石為主的礦物混合物，一般要求ZrO2質量分數(shù)不低于60%，但鋯英石精礦中ZrO2質量分數(shù)是可調整的參數(shù)；而鋯英石礦物單體受類質同象、機械雜質和包裹體等客觀因素影響，導致鋯英石實測ZrO2質量分數(shù)不可調整，且多數(shù)情況低于鋯英石中ZrO2理論含量；金屬砂礦礦物中金屬或金屬氧化物的實測質量分數(shù)一般低于其金屬或金屬氧化物的理論含量，但鋯英石包裹斜鋯石、鈦鐵礦的白鈦石或金紅石化及赤鐵礦的磁鐵礦化等少數(shù)情況例外。

3）鋯英石形態(tài)的ZrO2占比是最容易忽略的因素，增加該參數(shù)排除了斜鋯石和其他非鋯類礦物中含ZrO2等因素的影響，避免品位換算結果偏高；金屬砂礦礦物的品位公式換算中，含金屬氧化物或金屬元素的礦物占比參數(shù)在鈦礦類礦物的換算公式中使用較為頻繁，但在其他金屬礦物品位換算中經常忽略；另外，該參數(shù)取值來源于淘洗后重砂樣的物相分析，而非原礦砂的物相分析。

4）經過鋯、鈦和鐵等多元素的金屬砂礦礦物品位換算驗證，基本驗證了金屬砂礦礦物品位換算公式的適用性，且多種金屬或金屬氧化物組成的固定化學式礦物可以從多個固定的金屬或金屬氧化物著手換算礦物品位，該方式起到良好的驗證效果，保證了礦物品位計算和儲量估算的精準性。