5个矿区石煤钒矿石特征分析与应用*

田宗平 陈 昊 张佑云 曹 健 梁兴霞 邓 斌

(湖南省地质测试研究院)

石煤钒矿是我国主要的钒矿资源之一[1-2]，自20世纪50年代被发现以来，极大地刺激了石煤钒矿资源的勘探、开发和利用[3-10]。现代检测设备的快速更新和检测能力的提升，为石煤钒矿矿物特征的研究提供了诸多手段。为给石煤钒矿的开发利用提供基础，针对5处石煤钒矿区开展矿物特征分析和其中4个标准物质候选物样品的制备。

1 分析方法与设备

为满足标准物质对候选物的适用性、代表性、易复制性和基体及使用的要求相一致或尽可能接近[11]等原则，试验主要进行矿石化学成分、矿石钒价态和钒物相的测定[12]，查明矿石构造特征和主要矿物类别[13]，为石煤钒矿标准物质候选物的制备提供科学依据。

主要仪器设备：①德国徕卡(Leica) DM 2500P偏光显微镜；②日本理学ZSX Primus Ⅱ X射线荧光光谱仪；③荷兰帕纳科(PANalytical B.V.)X'Pert PRO MPD多功能粉末衍射仪。

2 样品采集

通过收集和研究湖南、湖北和贵州等省10处石煤钒矿地质资料，拟定在湖北省崇阳县小源冲钒矿(矿区代码HB-XYC)、湖南省芷江县牛牯坪钒矿(矿区代码HN-NGP)、湖南省古丈县岩头寨钒矿(矿区代码HN-YTZ)、湖南省凤凰县黑冲钒矿(矿区代码HN-HC)和贵州省三穗县八弓钒矿(矿区代码GZ-BG)等5处典型石煤钒矿区采集岩石进行矿物特征试验，在其中4处采集原矿进行标准物质候选物制备试验。样品采集情况见表1。

表1 样品采集情况

3 分析结果与讨论

3.1 岩矿鉴定

3.1.1 HB-XYC矿区岩矿鉴定

(1)浅色板岩(XYC-J1)岩矿鉴定结果。该岩石主要由具定向排列的约81%的显微叶片状、鳞片状绿泥石，约含9%单射、三射、四射骨针等形态生物屑，约含5%次圆、次棱角状石英粉砂屑，约5%的自形—半自形粒状、粉尘状、凝粒状等形态褐铁矿组成；构成含生物屑泥质显微鳞片变晶结构，板状构造。岩矿鉴定薄片见图1。

图1 XYC-J1鉴定薄片

(2)黑色板岩(XYC-J2)岩矿鉴定结果。岩石主要由约90%的具定向排列的显微鳞片状炭泥质，约10%的他形变晶粒状、粒状集合体状或呈次圆、次棱角状石英和绢云母等互混而成，构成泥质显微鳞片变晶结构，板状构造。岩矿鉴定薄片见图2。

3.1.2 HN-NGP矿区岩矿鉴定

(1)炭质岩(NGP-J1)岩矿鉴定结果。岩石主要由约50%的具定向排列显微鳞片状绢云母和部分过渡为黄褐色雏晶状黑云母或绿泥石，约45%的隐晶状、超细鳞片状黏土矿物和约5%的不透明粒状、尘点状矿物等组成，构成变余泥质显微鳞片变晶结构，定向构造。岩矿鉴定薄片见图3。

图2 XYC-J2鉴定薄片

图3 NGP-J1鉴定薄片

(2)硅质岩(NGP-J2)岩矿鉴定结果。岩石主要由约82%的隐晶至显微粒状硅质和少量石英，约18%的炭质和铁质不透明矿物等互混组成，岩石微裂隙发育，裂隙被微晶石英微脉充填，构成隐晶-显微粒状结构，块状构造。岩矿鉴定薄片见图4。

(3)炭质页岩(NGP-J3)岩矿鉴定结果。岩石主要由约72%的显微定向分布的隐晶至显微粒状、条带状硅质石英，约25%以炭质为主的不透明矿物和约3%的细鳞片状绢云母、黏土质，铁质矿物等互混组成，构成显微鳞片状、显微粒状结构，板状构造。

岩矿鉴定薄片见图5。

图4 NGP-J2鉴定薄片

图5 NGP-J3薄片

3.1.3 HN-YTZ矿区岩矿鉴定

(1)硅质页岩(YTZ-J1)岩矿鉴定结果。岩石由约90%的呈隐晶质至微晶粒状的硅质和少量微晶石英集合体，约7%的炭质、铁质和磷灰石，约2%的方解石，约1%的呈鳞片状、细条片状的(水)白云母等矿物组成，呈显微晶质粒状结构、块状构造。

(2)硅质岩(YTZ-J2)岩矿鉴定结果。岩石由约89%的以隐晶质为主、时有微量呈球颗状、少量重结晶成微晶石英或集合体的硅质，约5%的呈凝块状、条带状、絮状渲染岩石的炭质铁质混生，约3%的后期方解石，约2%的呈隐晶质泥质和约1%的呈鳞片状、细条片状水云母等矿物组成，显微晶质粒状结构，块状构造。

(3)黑色页岩(YTZ-J3)岩矿鉴定结果。岩石由约88%的呈显微粒状、聚集团块状、条带状，显方向性分布、少数呈自形柱粒状的石英，约8%的呈条带状分布，显方向性的炭质、铁质和约4%的呈显微鳞片状绢云母和少许变晶成细条片状白云母等组成，显微晶质粒状结构，块状构造。

3.1.4 HN-HC矿区岩矿鉴定

(1)硅质岩(HC-J1)岩矿鉴定结果。岩石主要由约92%的隐晶状、微晶状，互相紧密镶嵌的硅质，约8%的非晶质炭铁质与隐晶状、显微鳞片状黏土矿物互混组成，混染岩石不透明，呈黑色，隐晶-微晶结构，块状构造。岩矿鉴定薄片见图6。

(2)互层页岩(HC-J2)岩矿鉴定结果。岩石主要由约含80%不透明、稍染手、非晶质炭铁质与隐晶状、显微鳞片状黏土矿，约20%次圆、次棱角状，较均匀分散分布的石英粉砂屑等炭铁泥质物互混组成，粉砂质泥质结构，页理状构造。岩矿鉴定薄片见图7。

图6 HC-J1鉴定薄片

图7 HC-J2鉴定薄片

3.1.5 GZ-BG矿区岩矿鉴定

(1)砂岩(BG-J1)岩矿鉴定结果。岩石主要由约80%的次圆、次棱角状等不规则状石英,约13%的隐晶状、显微鳞片状的黏土矿物和水云母，约4%的不透明、半透明、尘点状、凝粒状、浸染状、不规则状分布的钛铁质，约1%的碎板状、星散状和聚片双晶斜长石，约1%的细条片状、星散分布的白云母，约1%的柱粒状、粒状、强多色性、吸收性和分散分布的电气石等互混组成，细砂状结构，块状构造。

(2)炭质黏土岩(BG-J2)岩矿鉴定结果。岩石主要由约78%的呈次圆、次棱角状粒石英，约16%的点状、分散状、隐晶状、显微鳞片状水云母炭铁质黏土矿物，约5%的半自形—自形菱面体状碳酸盐和约1%的细长条片状、具鲜艳干涉色、星散分布、显定向性白云母等矿物组成，粉砂状结构，块状构造。

(3)粉砂黏土岩(BG-J3)岩矿鉴定结果。岩石主要由约77%的呈次圆、次棱角状石英，约16%的呈尘点状、分散状、隐晶状、显微鳞片状水云母和黏土矿物，约4%的细长条片状，略显定向的白云母，约3%的半自形—自形菱面体状碳酸盐等矿物组成，粉砂状结构，块状构造。

从5个矿区所采集的13块石煤钒矿样品岩矿鉴定结果可以看出，样品中均未见钒的独立矿物，矿石主要由硅(石英)质、炭(有机)质、黏土(铁)质和云母类矿物组成，岩石矿物结构、构造特征明显且近似。

3.2 分析测试

3.2.1 X射线荧光光谱测定

将5个分析测试样制备样品，然后X射线荧光光谱测定，结果见表2。

从表2可知，5个矿区分析测试样品中二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钾、氧化镁和钡、钛、钒、磷等主要组分含量合计超过91%，各矿区岩石具有化学成分相近的特征。矿样中钒的含量约0.33%～2.13%，能满足黑色岩系(石煤)钒矿系列标准物质制备要求。

表2 分析测试样品X荧光光谱仪测定结果

3.2.2 X射线衍射测定

XYC-C1矿区样品X射线衍射图谱见图8。

图8 XYC-C1矿区样品X射线衍射图谱

由图8可知，矿区矿石主要矿物组分为石英(SiO2)、云母[KAlSi3AlO10(OH)]、赤铁矿(Fe2O3)和钒氧化物(V4O9)等。NGP-C1矿区、YTZ-C1矿区、HC-C1矿区、BG-C1矿区矿石与XYC-C1矿区矿石具有X射线衍射图谱近似、序列分布相同的特点，即主要矿物组分也为石英(SiO2)、云母[KAlSi3AlO10(OH)]、赤铁矿(Fe2O3)和钒氧化物(V4O9)等，同时在HC-C1矿区样品中检测到二氧化钒(VO2)的存在，主要是由该样品中钒含量较高所致。

3.2.3 钒价态的测定

各矿区钒价态测定结果(含量以V2O5计)见表3，钒物相分析结果见表4。

从表3、表4可知，各矿区矿石钒主要以低价态的V3+、V4+的形式产出，占总钒的65%以上，高价态的V5+相对较少；钒主要赋存在云母类矿物中，占总钒的70%以上，其次赋存于氧化铁矿物和高岭土矿物中，占总钒的14%以上，合计占总钒的91%以上。

表3各矿区矿石钒价态测定结果%

钒价态XYC⁃C1含量分布率NGP⁃C1含量分布率YTZ⁃C1含量分布率HC⁃C1含量分布率BG⁃C1含量分布率V5+0．08113．430．26331．500．43129．481．39234．660．26934．36V4+、V3+0．52286．570．57268．501．03170．522．62465．340．51465．64合计0．603100．000．835100．001．462100．004．016100．000．783100．00

表4 矿石钒物相分析结果 %

综上可知， 5个典型石煤钒矿区矿石的化学组成、结构构造、钒的价态与物相等具有相似的特征，具有一定的共性和代表性。

4 标准物质候选物样品制备

为满足石煤钒矿成分分析系列化标准物质研制的需要，确保特性量值分布梯度和足量需要，对采集的8个标准物质候选物原矿样品按照下列步骤进行样品制备。

4.1 原矿破碎与分析

(1)对HXW1-1、HXW1-2、HXW2-1、HXW2-2、HXW3-1、HXW3-2、HXW3-3、HXW48个原矿样品分别进行粗碎、中碎至-1 mm后，分别混匀成8个样品。

(2)分别缩分、取样，并将分析样品细碎至-0.097 mm，进行8个候选物原矿样品中V2O5含量的测定。

4.2 候选物初级样品配制

(1)根据3.1分析结果采用样品质量加权法计算每个标准物质候选物初级样品的配制质量，单位均为kg。

(2)混匀、缩分、取样，并将分析样品分别细碎至-0.097 mm，最后进行4个标准物质候选物初级样品中V2O5含量的测定。

标准物质候选物原矿样品破碎、分析与初级样品配制结果见表5。

表5 原矿样品破碎、分析与初级样品配制结果

4.3 标准物质候选物样品制备

①标准物质候选物初级样品用盘磨机粉碎至-0.097 mm；②用双锥混料机混合72 h；③在60 ℃烘箱中烘干48 h；④再次用双锥混料机混合48 h；⑤均匀性初检，合格后装瓶、装箱和编号。

制备的4个标准物质候选物样品符合《一级标准物质》技术规范和《黑色岩系(石煤)钒矿标准物质研制》任务书的要求。

5 结 论

(1)对5个典型石煤钒矿区矿石进行岩矿鉴定和X射线衍射分析，均未发现钒的独立矿物，矿石主要以硅(石英)质、炭(有机)质、黏土(铁)质和云母类矿物组成，各矿区矿石矿物结构、构造特征明显且近似。

(2)5个矿区分析测试样品中二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钾、氧化镁和钡、钛、钒、磷等主要组分含量合计超过91%，且具有化学成分相近的共同特征，满足黑色岩系(石煤)钒矿系列标准物质制备要求。

(3)各矿区矿石中钒主要以低价态的V3+、V4+的形式产出，占总钒的65%以上，高价态的V5+相对较少。钒主要赋存于云母类矿物中，占总钒的70%以上，其次赋存于氧化铁矿物和高岭土矿物中。

(4)制备的4个石煤钒矿成分分析标准物质候选物样品符合《一级标准物质》技术规范和《黑色岩系(石煤)钒矿标准物质研制》任务书要求，可供后续矿石的研究、利用提供基础。

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