彭 程，周迎春，李國杰，吉榆師

（海南國際資源（集團(tuán)）股份有限公司，海南 ?？?570206）

鋯金屬作為一種稀有金屬具有熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高、耐腐蝕、可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于耐火材料和鑄造等領(lǐng)域[1]，鋯金屬及其產(chǎn)品被稱為“21 世紀(jì)最具潛力的產(chǎn)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(guān)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(diǎn)，鋯礦、鈦礦、獨(dú)居石等濱海砂礦礦物儲量位居全國前列[5]。隨著國內(nèi)環(huán)境保護(hù)政策落實(shí)，我國鋯鈦資源供需矛盾突出[6]，近三年，我國進(jìn)口鋯資源量和鈦資源量占國內(nèi)消費(fèi)總量的88%和34%以上，是鋯鈦礦的消費(fèi)大國和進(jìn)口大國[7]，其中，東非地區(qū)是我國鋯資源進(jìn)口的主要地區(qū)，而從莫桑比克進(jìn)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(chǎn)地質(zhì)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(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致鋯英石品位換算結(jié)果存在誤差。為了提升鋯英石礦物品位換算的準(zhǔn)確性，以莫桑比克和馬拉維等地區(qū)鋯鈦礦礦區(qū)的地質(zhì)勘查成果為基礎(chǔ)，結(jié)合海南省濱海沉積砂礦方面的經(jīng)驗(yàn)，對鋯英石品位換算公式進(jìn)行優(yōu)化。在沉積型鈦砂礦和鐵砂礦方面進(jìn)行對礦物品位換算公式進(jìn)行類比和驗(yàn)證，對優(yōu)化后的鋯英石品位換算公式進(jìn)行推導(dǎo)，推導(dǎo)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(zhì)礦產(chǎn)勘查和提升礦產(chǎn)資源儲量估算準(zhǔn)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(chǎn)地質(zhì)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(chǔ)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)取代精礦ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋯英石態(tài)中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)果

2.1 鋯英石礦物中ZrO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鋯英石品位換算中，鋯英石礦物中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)是鋯英石礦物中ZrO2實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)，既非鋯英石精礦ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn) 鋯精礦》（YS/T 858—2013），鋯英石精礦是以鋯原礦經(jīng)選礦富集的產(chǎn)品，其中，鋯英石精礦四級品中（Zr，Hf）O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不小于60%、五級品中（Zr，Hf）O2的質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)有要求外，F(xiàn)e2O3、TiO2、Al2O3和SiO2四種雜質(zhì)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(xué)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(dú)居石為含量為0.20%、藍(lán)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(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(jīng)相似選礦工藝形成多種鋯英石精礦產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)高于莫桑比克鋯英石精礦中（Zr，Hf）O2的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但馬拉維鋯英石精礦產(chǎn)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(diào)整選礦工藝參數(shù)等方式實(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)可通過技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)主觀調(diào)整，而非客觀數(shù)據(jù)，只有鋯英石礦物中ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或理論含量是相對穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

表1 鋯英石精礦產(chǎn)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(xué)性質(zhì)相同，使得鋯英石四方晶系中Zr 經(jīng)常被Hf類質(zhì)同象，這種類質(zhì)同象在沉積型鋯英石中普遍存在，導(dǎo)致鋯英石礦物中ZrO2理論含量實(shí)際是（Zr，Hf）O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而實(shí)際中基本不存在67.10%的ZrO2含量；而EDTA 等方式化學(xué)分析測定鋯英石中ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)際為（Zr，Hf）O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]，則鋯英石中ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定低于化學(xué)分析的（Zr，Hf）O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鋯英石單體內(nèi)常常混入機(jī)械雜質(zhì)和包裹體（圖1），多次試驗(yàn)對含有機(jī)械雜質(zhì)和包裹體的鋯英石礦物采取磨礦或其他方式進(jìn)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(dá)到99.74%和99.50%，絕大多數(shù)鋯英石的解離度測試證實(shí)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(dāng)高，基本為單體狀態(tài)，但鋯英石礦物中67.10%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)際應(yīng)為（Zr，Hf）O2，受機(jī)械混入雜質(zhì)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(jī)械雜質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般以鋯英石礦物能譜分析中的ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為準(zhǔn)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為64.77%和65.42%，（Zr，Hf）O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66.11%和66.21%，達(dá)到鋯英石精礦四級品中（Zr，Hf）O2質(zhì)量分?jǐn)?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(xiàn)中默認(rèn)鋯英石形態(tài)的ZrO2占比為100%[9,13]。實(shí)際的濱海沉積鋯礦中，含ZrO2的礦物或機(jī)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(zhì)量分?jǐn)?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(jī)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(dǎo)致鋯英石品位換算結(jié)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(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范 金屬砂礦類》（DZ/T 0208—2020）要求獲得的地質(zhì)樣品為淘洗后的重砂樣品[8]，樣品中測試的ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為重砂樣的分析結(jié)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(yīng)以淘洗后的重砂樣中數(shù)據(jù)。馬拉維項(xiàng)目采用原礦砂中ZrO2物相分析結(jié)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(dǎo)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(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)比鋯英石礦物中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，鋯英石形態(tài)的ZrO2占比接近100%，導(dǎo)致優(yōu)化前后的鋯英石換算公式在計算品位時結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)相對鋯英石礦物中ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行計算的結(jié)果比優(yōu)化后的結(jié)果增加7.13%。

表5 鋯英石品位換算結(jié)果Table 5 Grade conversion results of zircon

3 金屬砂礦品位換算公式的推導(dǎo)

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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(jìn)行了更直觀和定量的表達(dá)，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(jìn)行物相分析所致。

鈦礦物中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為49.48%[12,15]，海南島鈦鐵礦精礦中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為44.97%[16]，與表6 中的鈦鐵礦礦物中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)存在差異。上述鈦鐵礦礦物中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化主要是由鈦與鐵和錳類質(zhì)同象導(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1.00%～10.00%之間；同時，Al2O3、CaO、MgO、Nb2O5等機(jī)械雜質(zhì)和鋯英石等包裹體也會影響鈦鐵礦礦物中TiO2質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)代替金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算鐵礦物的品位，其中，鐵礦物中Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的能譜分析和物相分析結(jié)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(jié)果Table 7 Energy spectrum analysis and phase analysis and determination results of Malawi iron ore 單位：%

鐵礦物中Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面，磁鐵礦、赤鐵礦和鈦鐵礦中Fe 理論含量均高于對應(yīng)礦物能譜分析中Fe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)。一方面，F(xiàn)e3+或Fe2+被Ti4+類質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?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(xué)質(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?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(xué)組分換算鈦鐵礦的礦物品位結(jié)果差異為3.05%。利用Fe 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算鐵砂礦中鐵礦物品位驗(yàn)證了鐵礦物品位換算公式的適用性，同時能驗(yàn)證多金屬元素組成的礦物的品位換算結(jié)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(jié)合獨(dú)居石等金屬砂礦礦物品位換算公式的實(shí)踐應(yīng)用，推導(dǎo)金屬砂礦的礦物品位換算公式見式（5）。

4 結(jié)論

1）鋯英石品位換算公式中應(yīng)注意鋯英石形態(tài)ZrO2占比，不能用精礦中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)或理論含量代替鋯英石礦物中ZrO2實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?shù)，正確應(yīng)用鋯英石品位換算可避免品位換算結(jié)果失真，保證地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中儲量估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）鋯英石精礦是經(jīng)選礦形成以鋯英石為主的礦物混合物，一般要求ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于60%，但鋯英石精礦中ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)是可調(diào)整的參數(shù)；而鋯英石礦物單體受類質(zhì)同象、機(jī)械雜質(zhì)和包裹體等客觀因素影響，導(dǎo)致鋯英石實(shí)測ZrO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不可調(diào)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(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(jīng)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(jīng)過鋯、鈦和鐵等多元素的金屬砂礦礦物品位換算驗(yàn)證，基本驗(yàn)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(xué)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(yàn)證效果，保證了礦物品位計算和儲量估算的精準(zhǔn)性。