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(shí)意義[1-2]。我國(guó)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(diǎn)[3]。根據(jù)礦床成因、成礦時(shí)代及成礦地質(zhì)特征，可將我國(guó)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(fēng)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(gòu)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(cè)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(dá)65.31萬t，為達(dá)到大型規(guī)模的金紅石礦床[6-11]。本研究在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究付金川金紅石礦床地質(zhì)特征，并綜合評(píng)價(jià)其開發(fā)利用遠(yuǎn)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(guó)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)稱“研究區(qū)”)位于華北地臺(tái)和秦嶺褶皺帶的銜接部位，橫貫區(qū)內(nèi)羊(冊(cè))—明(港)斷裂，該斷裂為華北地層區(qū)和秦嶺地層區(qū)兩大復(fù)合地質(zhì)體的聚合邊界。

區(qū)域構(gòu)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(gòu)成了區(qū)域基本構(gòu)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(cè)金紅石礦帶，目前礦帶內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)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(zhǎng)片巖及石英片巖，是金紅石的主要含礦巖石。

圖1 留山—羊冊(cè)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(dòng)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(gè)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(zhǎng)片巖、白云斜長(zhǎng)片巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、黑云斜長(zhǎng)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(zhǎng)角閃片巖褪變?yōu)楹谠菩遍L(zhǎng)片巖。該巖段為金紅石的主要賦存層位，分布穩(wěn)定，斜長(zhǎng)角閃片巖、黑(二)云斜長(zhǎng)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(zhǎng)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(gòu) 造

研究區(qū)構(gòu)造主要為控制區(qū)域地層展布及構(gòu)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(shí)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(guān)系不大。

2.3 巖漿巖

區(qū)域巖漿活動(dòng)頻繁，在各個(gè)地質(zhì)時(shí)期幾乎均見有不同程度的巖漿侵入或噴發(fā)活動(dòng)，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(zhǎng)花崗巖，與左老莊巖組呈斷層接觸，對(duì)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(guān)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(zhǎng)角閃片巖及云母斜長(zhǎng)片巖(表1)。其中Ti-1#礦體為主礦體，其余礦體規(guī)模小，長(zhǎng)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(zhǎng)約1 400 m，礦體平均厚度為45.02 m，達(dá)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(zhǎng)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(shì)。由于中間第四系覆蓋較厚，探槽施工未達(dá)到預(yù)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(jí)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(fēng)化程度和分布狀態(tài)，可將付金川金紅石礦劃分為風(fēng)化礦石和原生礦石2種自然類型。

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

(2)原生礦石。含礦巖石主要為斜長(zhǎng)角閃片巖，巖石為深綠色、塊狀、致密堅(jiān)硬，巖石多碳酸鹽化，影響礦石品位，該類礦石分布于風(fēng)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(zhǎng)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?fàn)钪寥踟悮?。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(dá)95%以上，從晶體邊緣向中心含量增高，中心可達(dá)99.65%；有害成分SiO2、P2O5、Fe2O3、Cr等分布于晶體邊緣。礦物顆粒細(xì)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(gè)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(yīng)邊形式出現(xiàn)，顆粒細(xì)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(duì)礦物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)礦石中礦物分布、嵌布不均勻，且礦物相對(duì)含量變化較大(表2)，與留山—羊冊(cè)金紅石礦帶上的礦石礦物特征基本吻合[14]。

表2 留山—羊冊(cè)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(xì)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(biāo)本上肉眼直接可見或借助放大鏡可見。對(duì)應(yīng)的礦石自然類型多為斜長(zhǎng)角閃片巖型，偶爾在黑云斜長(zhǎng)片巖型中也可見到。該類型礦石約占礦石總量的72%。

(2)細(xì)粒型金紅石礦石。金紅石粒度較細(xì)，粒徑多小于0.1 mm，肉眼很難直接看到金紅石晶體，對(duì)應(yīng)的礦石自然類型主要為黑云斜長(zhǎng)片巖型、云母斜長(zhǎng)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(yàn)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(zhǎng)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(dá)工業(yè)品位構(gòu)成礦石，而斜長(zhǎng)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(yīng)依據(jù)樣品分析結(jié)果進(jìn)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(zhǎng)角閃片巖型金紅石礦石和黑(二)云斜長(zhǎng)片巖型金紅石礦石2種。

(1)斜長(zhǎng)角閃片巖型金紅石礦石。該類礦石呈深綠色，風(fēng)化后為褐綠色，柱狀變晶結(jié)構(gòu)，平行或片狀構(gòu)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。金紅石呈細(xì)粒狀、小柱狀、長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)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(jì)算10件巖石化學(xué)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(guān)圖解(圖3)分析可知，其中4個(gè)樣品點(diǎn)分布于巖漿巖區(qū)，3個(gè)樣品點(diǎn)分布于緊靠火成巖區(qū)的過渡區(qū)，3個(gè)樣品點(diǎn)分布于沉積巖區(qū)[15]。含礦巖石為斜長(zhǎng)角閃片巖、黑云斜長(zhǎng)片巖及二云斜長(zhǎng)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(gòu)造、蝕變、巖漿和熱液活動(dòng)無明顯關(guān)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(dāng)溫度大于950 ℃時(shí)，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(yīng)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(biāo)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(zhǎng)角閃片巖為主要含礦巖性，次為二云斜長(zhǎng)片巖。斜長(zhǎng)角閃片巖易退化變質(zhì)，風(fēng)化強(qiáng)烈時(shí)可變?yōu)楹?二)云斜長(zhǎng)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(biāo)志。

6 遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)

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(gè)較大的金紅石成礦帶，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(chǎng)所[16]，已控制資源量達(dá)1×107t，預(yù)測(cè)整個(gè)區(qū)域資源總量達(dá)到5×107t[17]。研究區(qū)位于河南省金紅石礦帶留山—羊冊(cè)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(chǔ)量達(dá)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(gòu)造規(guī)模不大，且構(gòu)造對(duì)礦體展布影響不大，適宜進(jìn)行大型機(jī)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(dá)到大型規(guī)模。其中僅Ti-1#礦體估算的(333)+(334)？級(jí)RTiO2資源量便達(dá)到63.33萬t，礦體分布穩(wěn)定，沿走向和沿傾向延伸較遠(yuǎn)，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(kuò)大資源量的前景；對(duì)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(jìn)一步工作有望擴(kuò)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?？傮w上，研究區(qū)具有較好的成礦賦礦潛力，開發(fā)利用價(jià)值較高。

6.2 礦石加工技術(shù)

目前，金紅石礦的選礦試驗(yàn)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(cè)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(yīng)用，且對(duì)細(xì)粒級(jí)金紅石也有較好的選礦突破(表4)。

表4 金紅石選礦試驗(yàn)結(jié)果[11,14,18]

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

6.3 礦床開采技術(shù)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(fēng)化及構(gòu)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(fēng)化作用影響，巖石力學(xué)強(qiáng)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(dǎo)水性各向異性強(qiáng)烈，且賦水性差，因而未來采坑排水不會(huì)對(duì)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(jiǎn)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(jì)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(guó)占比為50%。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大及環(huán)保政策實(shí)施，鈦白粉價(jià)格不斷上漲，截止到2018年5月份，鈦白粉價(jià)格達(dá)到17 611.11元/t，增幅高達(dá)50%，預(yù)計(jì)我國(guó)未來對(duì)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(dá)到4.1%。通過與方城五間房金紅石礦床進(jìn)行類比分析，認(rèn)為付金川金紅石礦屬于經(jīng)濟(jì)礦床，開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益較好。綜上分析，本研究認(rèn)為付金川金紅石礦床具有較好的開發(fā)利用前景。

7 結(jié) 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(cè)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(zhǎng)角閃片巖、黑(二)云斜長(zhǎng)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(guān)系不大。

(3)付金川金紅石礦的有利找礦標(biāo)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(shù)性能較好、開發(fā)地質(zhì)條件優(yōu)越、礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益較好，開發(fā)利用前景十分樂觀。