代县碾子沟金红石矿床金红石特征

徐少康，邓小林

（中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072754）

代县碾子沟金红石矿床金红石特征

徐少康，邓小林

（中化地质矿山总局地质研究院，河北 涿州 072754）

碾子沟金红石成矿期可分为7个，第1、2期为变质成因、第3～7期为蚀变成因，构成工业矿体的主要为第5、6期、呈不规则团块状集合产出的蚀变型粗粒金红石。金红石中杂质出现的概率与平均含量呈明显的正相关性，含量特高的杂质为铁。蚀变型金红石，红外图谱特征与标准金红石的一致，杂质总量明显低于中低压变质型金红石、略高于高—超高压变质型金红石，是制造高档钛白粉和提炼钛金属的优质原料，稀土总量为2 113×10-6，Y明显高于其他稀土元素，稀土元素分布模式呈凹型，是一种新的分布模式。

金红石；成矿期；化学成分；稀土元素新型分布模式；代县

金红石(TiO2)主要用于提炼钛金属和制造高档钛白粉，广泛应用于航天、航空、航海、冶金、化工、建材、造纸等领域[1]。

山西代县碾子沟金红石矿床是目前世界上唯一已知的大型变质蚀变型金红石矿床，该类型矿床金红石粒度较粗、品位较高、经济价值较大，但对其的研究工作相对较少。自1997年迄今，笔者等对该矿床金红石自然颗粒粒度、矿石类型、变质作用特征及其与成矿的关系、蚀变作用特征及其与成矿的关系、地球化学特征、蚀变温度等进行了研究。本文在此基础上，进一步研究矿床金红石特征，对深化矿床成因和成矿规律的认识、指导找矿等具有重要意义。

1 矿床概况

1.1 矿区地质特征

碾子沟金红石矿床位于山西省代县县城北北东方向约26km处，大地构造位置处于华北地台山西台背斜恒山重褶带内。矿区地质概况见图1。

矿区出露地层为新太古界碾子沟组(Ar3n)和冰淋沟组(Ar3b)。碾子沟组主要由基性变质岩(角闪片岩和榴闪岩)和变粒岩组成，据岩性组合分为3段：1段(Ar3n1)，厚85～260m，主要为基性变质岩(斜长角闪岩、榴辉岩)；2段(Ar3n2)，厚30～168m，为基性变质岩与变粒岩互层；3段(Ar3n3)，厚190～450m，主要为变粒岩局部夹角闪片岩等。冰淋沟组，矿区出露的为该组底部的黑云斜长片麻岩，厚40～500m。

矿区构造主要为单斜构造和断裂。单斜构造表现为：地层总体走向北西—南东向，总体倾向南西，倾角45～60°。断裂分为三期：成矿前断裂F1，总体走向呈北西—南东向，倾向南西，倾角30～55°，性质为压扭性；成矿期断裂为F2和F3，均为张性，倾向南西，倾角一般＞50°；其他断裂为成矿后断裂。

矿区出露岩浆岩主要为五台期变碱性岩(原岩为正长岩，已变质为角闪钾长片麻岩)、晋宁期基性脉岩(厚度10～40m，受F1控制)及喜山期基性脉岩，均与碾子沟组呈侵入接触关系。此外，矿区局部可见规模较小的钾长石脉岩和石英脉岩。

据文献[16]、[17]，蚀变岩的原岩为晋宁期基性岩和碾子沟组基性变质岩。蚀变岩形成的先后顺序为：细晶直闪(片)岩→粗晶直闪(片)岩→F型绿泥片岩→T型绿泥片岩→滑石(片)岩。据此确定的蚀变过程为：原岩→细晶直闪石化→粗晶直闪石化→F型绿泥石化→T型绿泥石化→滑石化→斜长石化。前“5化”分别在不同部位形成了相应的岩石，斜长石化仅在滑石(片)岩等中形成了细脉。T型绿泥石化和滑石化，虽然形成的岩石量较少，但却普遍地叠加在细晶直闪(片)岩和粗晶直闪(片)岩上，这对成矿有重要意义。金红石开始少量形成于细晶直闪石化和粗晶直闪石化阶段，大量形成于T型绿泥石化阶段和滑石化早中期，斜长石化阶段形成量微。

5类蚀变岩密切共生形成3条蚀变岩带，分别受断裂F1、F2、F3控制。其中，Ⅰ号蚀变带是最重要的含矿带，规模大，岩性分带明显，从两侧到中部，依次为F型绿泥片岩或绿泥化直闪(片)岩、细晶直闪(片)岩、粗晶直闪(片)岩、T型绿泥片岩和滑石(片)岩，带内可见碾子沟组基性变质岩和晋宁期基性岩残留体(图2)。

1.2 矿区蚀变岩

矿区蚀变岩发育，分为5大类型：

细晶直闪(片)岩：以细晶直闪石为主，常见角闪石残晶和呈细脉状分布并对细晶直闪石有交代现象的绿泥石、滑石、磁铁矿等，金红石少数与细晶直闪石共生、多数与绿泥石和滑石共生。

粗晶直闪(片)岩：以粗晶直闪石为主，常见角闪石残晶和呈细脉状分布并对粗晶直闪石有交代现象的绿泥石、滑石、磁铁矿等，金红石少数与粗晶直闪石为共生、多数与绿泥石和滑石共生。

F型绿泥片岩：以绿泥石为主，次为磁铁矿、滑石、直闪石，少量钛铁矿等(铁质矿物含量6%～15%)，均为共生关系，此外，可见呈细脉状分布的滑石等。

T型绿泥片岩：以绿泥石为主，次为金红石，少量钛铁矿等，金红石含量最高可达8%左右，均为共生关系。

滑石(片)岩：以滑石为主，次为绿泥石、金红石，少量钛铁矿、石英等，均为共生关系，局部可见呈细脉状分布的斜长石、石英、金红石。

金红石含量高的为细晶直闪(片)岩、粗晶直闪(片)岩、T型绿泥片岩及滑石(片)岩。F型绿泥片岩普遍不含金红石或含量极少。

1.3 矿体规模及矿石类型

矿体呈似纺锤状、似板状、透镜状等，规模较大的有4个，其中品位高的3个产于Ⅰ号蚀变带内、品位低的1个产于Ⅱ号蚀变带西北端(图3)。

矿石类型有6种：①浅褐灰色细晶直闪石型片状矿石；②灰白色粗晶直闪石型块状矿石；③灰绿色中细晶绿泥石型片状矿石；④灰白色中细晶滑石型块状矿石；⑤黑色中细晶角闪石型片状矿石；⑥灰绿色巨晶直闪石型块状矿石。其中：①～④类矿石为蚀变岩，⑤为碾子沟组基性变质岩，⑥为晋宁期基性岩。①、②类矿石分布最广，③、④品位最高，⑤、⑥仅局部见到。一般情况，同一矿体中有多种矿石类型。矿石品位(金红石TiO2)一般2%～15%。矿床规模属大型。

1.4 矿床成因

据文献[14-18]，矿床为变质蚀变成因，形成过程为：新太古代时期，本区为板块缝合带，随着板块运动，形成了深断裂，上地幔富钛基性岩浆和地壳酸性岩浆沿断裂阶段性上升溢出，形成了一套玄武岩和流纹岩互层的火山岩地层(碾子沟组原岩)；吕梁运动时期，碾子沟组等岩石被推入深部、发生变质，其中的富钛玄武岩变质形成含金红石角闪岩和榴闪岩(第一次变质成矿作用)。晋宁运动早期，上地幔富钛基性岩浆沿断裂侵入，形成晋宁期基性岩；晋宁运动后期，碾子沟组和晋宁期基性岩又被快速带至地壳浅部，在此过程中，晋宁期基性岩中的巨晶直闪石部分变质为石英和十字石等，钛铁矿部分变质为金红石等(第二次变质成矿作用)，同时，碾子沟组基性变质岩也有轻度退变，主要表现为其中的石榴子石晶体边缘常有一圈由石英等组成的退变边。中生代，由于太平洋板块的运动，导致华北地台活化，使本区的深断裂重新活动，同时形成一些新断裂,地下高温气液沿断裂破碎带上升，使碾子沟组和晋宁期基性岩等发生蚀变，导致金红石进一步富集形成矿床(第3次蚀变成矿作用)。

2 金红石成矿期及地质产状

本矿床金红石形成可分为7个期次，不同期次形成的金红石呈现不同的地质产状特征。

第1期次金红石：由第一次变质成矿作用形成，产于碾子沟组基性变质岩中，一般呈棕黄色，自形、半自形短柱状，粒度0.1～0.3mm，单晶星点状产出，与岩石主要矿物角闪石等共生、呈镶嵌接触关系，是高钛玄武岩(碾子沟组基性变质岩的原岩)在变质过程中形成的。

第2期次金红石：由第二次变质作用形成，产于晋宁期基性岩中，一般呈棕黄色、不规则粒状，粒度0.02～0.5mm，与钛铁矿连生、“交代”钛铁矿呈不规则港湾状，是晋宁期基性岩变质过程中由钛铁矿变质形成。

第3期次金红石：由细晶直闪石化作用形成，产于细晶直闪(片)岩中，一般呈棕红色，半自形短柱状，粒度0.1～0.7mm，与细晶直闪石共生、呈镶嵌接触关系，是细晶直闪石化作用过程中从蚀变介质中析出的。

第4期次金红石：由粗晶直闪石化作用形成，产于粗晶直闪(片)岩中，一般呈棕红色，以半自形短柱状为主、次为半自形粒状，呈单晶产出或集合体产出，单晶一般粒度0.10～0.73mm(长轴)，集合体大小2～80mm，与粗晶直闪石和角闪石共生、呈镶嵌接触关系，是粗晶直闪石化作用过程中从蚀变介质中析出的。

第5期次金红石：由T型绿泥石化作用形成，一般呈棕红色，以半自形粒状为主、次为半自形短柱状，呈单晶或不规则团块集合体产出，单晶粒度一般0.1～0.5mm，集合体大小一般0.1～2mm，与绿泥石共生、呈镶嵌接触关系，是T型绿泥石化作用过程中从蚀变介质中析出的。产出岩石包括：①呈单晶或不规则团块集合体产于T型绿泥片岩中，岩石中所有矿物为共生关系；②呈单晶或不规则团块状充填于细晶直闪(片)石、粗晶直闪(片)岩中、碾子沟组基性变质岩及晋宁期基性岩中。

第6期次金红石：由滑石化作用形成，一般呈棕红色，半自形短柱状为主，次为半自形粒状，呈单晶或集合体产出，单晶粒度一般0.2～1.7mm(长轴)，集合体大小一般0.5～12mm，与滑石共生、呈镶嵌接触关系，是滑石化作用过程中从蚀变介质中析出的。产出岩石包括：①产于滑石片岩中，岩石中所有矿物为共生关系；②充填于碾子沟组基性变质岩、晋宁期基性岩、细晶直闪(片)岩及粗晶直闪(片)岩中矿物解理、裂隙及晶间孔隙中。

第7期次金红石：由斜长石化作用形成，一般呈棕黄色，半自形短柱状，呈单晶或不规则团块状集合体产出，单晶粒度一般不超过0.5mm，集合体大小一般不超过2～10mm，与斜长石共生，产于滑石片岩中，斜长石对滑石有明显的交代现象。

从成因方面看，上述7个期次的金红石可分为两大类：第1、2期次为变质成因，第3～7期次为蚀变成因。从量的方面看，第5、6期次呈不规则团块状集合产出的金红石量最大。

构成工业矿体且目前正在开发利用的为第3～7期次形成的蚀变型金红石。

3 金红石红外分析

鉴于蚀变型金红石的重要性，选取此类金红石进行红外分析。测试样品取自选矿精矿样，并在双目镜下进行了人工剔纯。测试结果见图4，图谱特征与标准金红石图谱一致[19]。

4 金红石化学成分特征

4.1 一般特征

蚀变型金红石(表1中3～5号点)主要化学成分TiO2含量高，变化范围97.92%～99.15%，平均98.71%，说明其他阳离子代换Ti4+的程度是有限的、不超过3%。杂质FeO含量最高变化范围0.19%～0.45%、平均0.34%，其次为SiO2，变化范围0～0.19%、平均0.13%，其他杂质含量不超过0.07%。4.2 变化规律及主要控制因素分析

表1 碾子沟金红石矿床金红石化学成分(%)

杂质出现概率与平均含量呈明显的正相关性(图5)，说明二者受相同因素控制。

杂质出现概率、平均含量与杂质阳离子半径均呈明显的负相关性(图6、图7)，显示离子半径是主控因素之一，半径越小的阳离子越易进入金红石晶格。

研究表明，金红石中杂质含量也受母岩化学成分的明显影响，二者大致呈正相关性[20-21]。一般金红石矿床由基性岩变质或蚀变形成，基性岩主要化学成分特征为富钛高铁[22]，所以，金红石中铁常见且含量相对较高。

本矿床蚀变过程中，由于钛与铁的反向迁移富集(铁质向蚀变带边部迁移，钛向蚀变带中部富集)，使细晶直闪(片)岩、粗晶直闪(片)岩、T型绿泥片岩及滑石(片)岩中铁含量较低。这是蚀变型金红石中铁含量较低的主要因素之一。

基性岩中的钛矿物主要是钛铁矿，含钛矿物主要是含铁矿物(辉石、角闪石、黑云母等)，斜长石等不含铁的矿物中不含钛。研究表明，变质型金红石是由原岩中的钛铁矿并非由含钛的铁质矿物变质形成的(因此，称钛铁矿为金红石的源矿物)[23]。钛铁矿中钛原子与铁原子的“共存性”也是金红石中铁含量较高的原因之一。

5 金红石稀土元素特征

选取蚀变型金红石作为分析对象。分析样品从蚀变型矿石选矿精矿样中人工在双目镜下挑选剔纯，质量1g左右；分析方法：质谱仪定量分析；分析单位：国家地质实验测试中心。分析结果见表2。

表2 金红石稀土元素含量(×10-6)

稀土总量较高，为2 113×10-6，Y含量为557×10-6、明显高于其他稀土元素。分布模式呈凹型(图8，陨石为12个球粒陨石的平均值)，与矿区其他岩石的明显不同(图9)，说明其并非由岩石本身的稀土元素特征引起。

笔者曾研究过八庙—青山金红石矿床金红石的稀土元素特征。该矿床位于河南省西峡县与陕西商南县交界处，是高钛玄武岩经中低压变质作用形成，矿石岩性为角闪片岩，其金红石稀土元素含量和分布模式与本矿床蚀变型金红石的非常接近。

本矿床与八庙—青山金红石矿床空间距离遥远，位于不同的大地构造单元，成因完全不同，但金红石稀土原素含量和分布模式却高度接近，分布模式均与各自矿区有关岩矿石的完全不同。这不是偶然的巧合，说明金红石稀土元素含量和凹型分布模式与母岩稀土元素特征和金红石的成因无关，而是由金红石本身的矿物学特性决定的。

一般而言，岩石、矿物稀土元素分布模式可分为3大类型：①轻稀土富集型：分布曲线向右倾斜；②轻稀土亏损型：分布曲线向左倾斜；③平坦型(球粒陨石型)：分布曲线水平或近水平[24]。本矿床及八庙—青山金红石矿床金红石稀土元素的凹型分布模式与上述不同，为一种新型的分布模式。

6 结论与讨论

(1) 本矿床由新太古界碾子沟组玄武岩和晋宁期基性岩经两次变质和一次蚀变成矿作用形成。

(2) 金红石成矿期有7个，第1、2期为变质作用，第3～7期为蚀变作用；粒度较粗、构成工业矿体的主要为蚀变型金红石；第5、6期、呈不规则团块状集合产出的蚀变型金红石量最大。

(3) 蚀变型金红石与标准金红石红外图谱特征一致。

(4) 金红石中杂质出现概率与平均含量呈明显正相关性，最高的为FeO，次为SiO2。

(5) 决定杂质出现概率和含量的主要因素有4个：①杂质阳离子半径；②杂质元素在母岩中的含量；③形成条件；④源矿物的特征。

(6) 蚀变型金红石稀土总量2 113×10-6较高，Y含量557×10-6，明显高于其他稀土元素。不同成因的金红石稀土元素含量接近，分布模式均呈凹型。

(7) 金红石稀土元素的凹型分布模式，是新发现的一种分布模式。

(8) 蚀变型金红石杂质含量较低，是制造高档钛白粉和提炼钛金属的优质原料。找矿工作中，如果在水系重砂中发现杂质含量较低的金红石，则可推断在基岩区可能存在原生蚀变型金红石矿床。

[1]STANLEY J L. Industrial minerals and rocks[M]. New York:Society of Mining Engineers of the American Institute of Mining,Metallurgical, and Petroleum Engineers, Inc., 1983:1313-1336.

[2]徐少康.我国金红石矿床成因类型及成矿区带[J].化工矿产地质,2001,23(1):11-18.

[3]FORCE E. Geology of titanium-mineral deposits[J]. Geol Soc Am Spec Paper, 1991,259:1-112.

[4]MANCINI A, Mancini R,Martinotti G. Valorization of new titanium resource; titaniferous eclogites[J]. Mineral Economics,1979(4):1-19.

[5]MCLIMANS R K, ROGERS W T, KORNELIUSSEN, et al. Norwegian eclogite: an ore of titanium[A].//Stanley C J. Mineral Deposits: Processes to processing[C]. Balkema: Rotterdam,1999:1125-1127.

[6]PAGE C V, JUDITH A C. Fine-grained rutile in the gulf of Mainediagenetic origin,source rock,and sedimentary environment of deposition[J]. Economic Geology,1990,85:862-876.

[7]SMIRNOV V I, GINZBURG A I, GRIGORIEV V M, et al. Studies of mineral deposits[M].Moscow: Mir Publishers, 1983.

[8]黄建平,马东升,刘聪,等.苏北超高压变质带榴辉岩型金红石矿床及其成因[J].南京大学学报(自然科学版),2002,38(4):514-524.

[9]黄建平,马东升,刘聪,等.江苏省新沂市小焦榴辉岩型金红石矿床的特征及成因初探[J].现代地质,2003,17(4):435-443.

[10]李博昀,钱自强,周建敏,等.秦岭东段金红石矿床成矿构造环境分析[J].化工矿产地质,1998,20(1):17-24.

[11]中国地质矿产信息院.国外矿产资源[M].北京:地震出版社,1996.

[12]赵一鸣,李大新,陈文明,等.内蒙古羊蹄子山沉积变质型钛矿床——一个新的钛矿床类型的发现[J].矿床地质,2006,25(2):113-122.

[13]徐少康,苏茵,刘力生,等.碾子沟金红石矿床金红石自然颗粒粒度分析[J].矿产与地质,1997,11(6):423-427.

[14]徐少康,刘力生,云连涛,等.碾子沟金红石矿床基本地质特征[J].化工矿产地质,2000,22(3):139-148.

[15]徐少康,刘力生,云连涛,等.碾子沟金红石矿床变质作用特征及其与成矿的关系[J].化工矿产地质,2002,24(1):48-58.

[16]徐少康,刘力生,云连涛,等.碾子沟金红石矿床蚀变作用的基本特征及其与成矿的关系[J].化工矿产地质,2004,26(2):83-91.

[17]徐少康,邓小林,刘力生,等.山西代县碾子沟金红石矿床地球化学特征[J].矿床地质,2008,27(4):502-519.

[18]徐少康.山西代县碾子沟金红石矿床蚀变温度[J].化工矿产地质,2010,32(3):129-141.

[19]彭文世,刘高魁.矿物红外光图谱集[M].北京:科学出版社,1982.

[20]徐少康,苏茵,周希贤,等.八庙—青山金红石矿床金红石特征及成因[J].河南地质,1997,15(4):252-259.

[21]徐少康,李博昀.柏树岗金红石矿床矿石类型及金红石特征[J].化工矿产地质,2002,24(2):85-95.

[22]武汉地质学院岩石教研室.岩浆岩岩石学(上册)[M].北京:地质出版社,1980:89-102.

[23]徐少康.大阜山金红石矿床含矿岩体的形成变化及其与成矿的关系[J].化工矿产地质,2006,28(2):72-82.

[24]王中刚,于学元,赵振华,等.稀土元素地球化学[M].北京:科学出版社,1989.

Rutile Characteristics of Nianzigou Rutile Deposit in Daixian

XU Shao-kang, DENG Xiao-lin
(Geological Institute of Bureau of Geology and Mining of China Chemical Industry, Zhuozhou 072754, China)

There are 7 stages of rutile-formation that first and second are metamorphogenetic and that other are alteration-genetic.Most of rutiles consisting of industrial orebodies are formed by alteration in 5th and 6th stages,which appears in form-unregular block and their size are coarse. There is remarkable positive correlationg between appearing probability and average content of rutile impurity. Fe-content is highest among all impurities.Infra-red spectrum of the alteration-genetic rutile is same from standard one. The alteration-genetic rutile is high-quality materials for supper titanium pigment and Ti-metal, because sum of its impurities is remarkably lower than middil-low-pressure metamorphic rutile,although it is slightly higher than high-super-high-pressure metamorphogenetic rutile.∑REE of the alteration-genetic rutile is 2 113×10-6, Y content is remarkable higher than other REE. The hollow form distribution model of REE of alteration-genetic rutile is a new pattern of rock and mineral.

rutile; formation stages; chemical composition; new distribution model of REE; Daixian

P619.219

A

1007-9386(2011)05-0045-06

2011-06-20