西南印度洋海底多金属硫化矿工艺矿物学研究

侯晓川，钟 彪

(1.浙江申联环保集团有限公司，浙江 杭州 311400) (2.长沙矿冶研究院，湖南 长沙 410012)

0 引 言

有色金属是现代工业不可缺少的战略金属，经过几十年的开采，其资源储量大幅降低，并日渐枯竭。因此，积极寻求、开发新的有色金属矿产资源，从资源发展战略看，开发海底矿产资源意义重大。海底多金属硫化矿是一种新的矿产资源[1]，其远景储量极其丰富，潜在价值巨大[2-5]。为了充分利用海底硫化矿资源、降低投资风险，为未来合理开发该资源提供科学依据。本课题在对不同区域、不同类型海底多金属硫化物的工艺矿物学研究的基础上，对海底多金属硫化物可选冶加工性进行概略评价，为勘探区选择与评价提供支撑；开发出经济、合理适合不同区域海底多金属硫化物特点的清洁、高效的选冶原则流程，解决选冶实验研究中关键技术难题，为西南印度洋合同区多金属硫化物资源概略评价提供理论依据和技术支撑。

1978年前，人类对海底热液活动的研究与考察，主要局限于热液喷口及黑烟囱的调查、热液喷口的探测与监测、热液喷口取样、热液成矿机理研究、热液活动的地球化学特征研究等方面[6-8]；与此同时，对海底多金属硫化物资源特征、性质、分布及评价也有一定的研究[9-10]。由此可见，人类对海底多金属硫化物的研究，主要局限于世界范围内深海勘探、资源圈定、资源类型、有价元素种类等方面，对深海采矿的研究，也只限于样品级别的开采。有关其工艺矿物学、选矿和冶金提取工艺的研究，目前尚未有报道。

该课题研究，目的通过对海底不同区域、不同类型多金属硫化物的工艺矿物学研究，揭示合同区域矿石的性质特征、资源分布状况；对大洋多金属硫化矿资源矿区的申请、合同区资源概略评价及合同区区域的放弃提供决策依据，为将来合理开发海底硫化物资源提供理论和实践依据。因此，西南印度洋海底多金属硫化矿工艺矿物学研究是一个全新的研究课题，也是一个极其具有深远意义的研究课题。

1 矿石的来源及其化学组成

研究原料来源于西南印度洋某区域海底多金属硫化矿，其主要化学成分见表1。

表1 原矿化学成分分析 %(质量分数)

*Au、Ag单位为g/t.。

由表1可知，Cu、Zn、Ag元素质量分数分别为5.12%、3.50%、22.79 g/t,含量相对较高，为原矿中目标回收元素。

为了探索矿石中主要元素赋存形态，进行了该矿物中铜、锌、铁、硫的化学物相分析，物相分析结果分别见表2～表5。

表2 原矿中铜的化学物相分析 %

表3 原矿中锌的化学物相分析 %

表4 原矿中铁的化学物相分析 %

表5 原矿中硫的化学物相分析 %

由表2～表5可知，矿石中铜主要以硫化铜和氧化铜的形式存在，锌主要以硫化锌、碳酸锌和锌铁尖晶石的形式存在，铁主要以赤褐铁矿、硫化铁、碳酸铁和硅酸铁的形式存在，硫主要以硫化物的形式存在。

2 矿石的矿物组成

大洋海底多金属硫化物的 X 射线衍射分析见图 1， 矿石中主要矿物组成见表6。 根据图1和表6分析可知，矿石中主要矿物组成为：矿样中铜矿物主要为黄铜矿，其次为氯铜矿、斑铜矿、铜蓝及少量孔雀石；锌矿物主要为菱锌矿，其次为闪锌矿。主要硫化物为黄铁矿，其次是黄铜矿。铁矿物主要为泥质褐铁矿和含铁泥质物。脉石矿物为石英、粘土质硅酸盐、方解石及钙质生物化石、石膏等。

图1 矿样的XRD分析图谱

3 矿石中主要矿物产出形式及矿物嵌布特征

3.1 铜矿物

矿石中铜矿物种类较多，其中以黄铜矿居多，其次是氯铜矿，此外有黄铜矿次生变化产生的斑铜矿、铜蓝、孔雀石等多种铜矿物。

3.1.1 黄铜矿(CuFeS2)

样品中铜的主要硫化矿，形态多为不规则粒状，矿物边缘多为弯曲状、锯齿状，常与黄铁矿和褐铁矿紧密嵌布，少量呈单体和富连生体出现。沿矿物颗粒或裂隙边缘常有铜蓝、斑铜矿、氯铜矿等次生硫化铜矿物嵌布。铜矿物的嵌布特征见图2(a)、2(b)、2(c)，黄铜矿的X射线能谱图见图2(d)。

表6 矿样中主要矿物组成 %(质量分数)

图2铜矿物的嵌布特征图(a、b、c)及黄铜矿的X射线能谱图(d)(Ch-黄铜矿，含Cu、Fe、S；Cv-铜蓝，含Cu、S，Cu密集；Py-黄铁矿，含Fe、S，S；At-氯铜矿，含Cu、Cl、O；L-泥质褐铁矿等混杂物，含Fe、Si、Al、O等成分)

3.1.2 斑铜矿(Cu5FeS4)

斑铜矿呈不规则粒状、环带状等，粒度一般较黄铜矿细，多沿黄铜矿边缘交代，有时中部含有黄铜矿残余，斑铜矿X射线能谱图见图3。

图3 斑铜矿的X射线能谱图

3.1.3 铜蓝Cu3S3

铜蓝为黄铜矿蚀变形成的矿物，常分布在黄铜矿或斑铜矿边缘，部分呈颗粒状，常包裹蚀变残余的黄铜矿。在嵌布关系上，多与不同铜矿物及黄铁矿、褐铁矿混杂分布，其结构见图2(a)、2(c)所示。铜蓝的X射线能谱见图4。

图4 铜蓝的X射线能谱图

3.1.4 氯铜矿Cu2(OH)3Cl

氯铜矿含量仅次于黄铜矿，粒度一般在0.01～0.3mm之间，矿物形态多为不规则粒状、碎裂状，部分沿黄铜矿边缘分布，呈环带状。在嵌布关系上，部分与黄铜矿、斑铜矿紧密交生，部分与褐铁矿交生产出，少量为单体状态，其结构见图2(b)、2(c)、图5(a)所示，其X射线能谱见图5(b)。

图5 氯铜矿的嵌布特征图(a)及氯铜矿的X射线能谱图(b)(At-氯铜矿，粒状，含Cu、Cl、O；L-泥质褐铁矿等混杂物，含Fe、Si、Al、O等成分)

3.2 锌矿物

锌矿物主要为菱锌矿，少量闪锌矿。

3.2.1 菱锌矿(ZnCO3)

菱锌矿为矿样中的主要锌矿物，矿物呈粒状，晶粒微细，大部分聚集为不同形态的集合体，大部分菱锌矿间隙中充填细小的硅质泥质物和铁质物，有时还包裹有生物化石，部分菱锌矿与黄铁矿镶嵌，其组成结构见图6(a)、6(b)，其X射线能谱见图6(c)。

图6 菱锌矿的嵌布特征图(a)、(b)及菱锌矿的X射线能谱图(c)(Sm-菱锌矿，含Zn、Fe、Mn、O；Py-黄铁矿，含Fe、S)

3.2.2 闪锌矿(ZnS)

闪锌矿ZnS多呈不规则粒状、多孔粒状，常与黄铁矿、黄铜矿嵌布产出，较粗粒的矿物中常嵌布、包裹有细粒黄铜矿。其组成结构见图7(a)、7(b)，其X射线能谱见图7(c)。

图7 闪锌矿的嵌布特征图(a)、(b)及闪锌矿的X射线能谱图(c)(Sp-闪锌矿，含Zn、S及少量Fe；Py-黄铁矿，含Fe、S，SCh-黄铜矿,含Cu、Fe、S)

3.3 其他矿物

3.3.1 黄铁矿

黄铁矿为含量最多的硫化物，在矿样中分布广泛，呈粒状、多孔状、胶状。在样品中的嵌布关系较为复杂，与铜矿物、锌矿物、褐铁矿均有紧密镶嵌，部分黄铁矿间隙中分布有无定型状铜、铁矿物，少量黄铁矿为单体。其组成结构见图2(a)、2(b)、2(c)、6(a)、8(a)。

图8 黄铁矿的嵌布特征图(a)(Py-黄铁矿，含Fe、S； Cv-铜蓝等不同种类硫化铜，含Cu、Fe、S)

3.3.2 褐铁矿

褐铁矿是矿样中含量最多的矿物，结晶度差，多与硅、铝泥质物混杂形成泥质褐铁矿及含铁泥质物混合体。多呈多孔松散状、胶状、结核状、胶状、泥质物状。部分与铜矿物和黄铁矿紧密嵌布，部分褐铁矿中，还含有氧化残留的铜矿物，其组成结构见图9(a)、9(b)，其X射线能谱见图9(c)。

3.3.3 脉石矿物

脉石矿物主要有石英、方解石、石膏、粘土质硅酸盐等，这些脉石矿约有半数左右以松散颗粒产出，其中主要为方解石、钙质生物化石碎片、石英、石膏等浅色矿物。其余脉石多与褐铁矿和铜锌矿物紧密交生，其组成结构见图10。

4 主要有用矿物粒度分布

研究中，对主要矿物铜矿物、黄铁矿和菱锌矿的嵌布粒度进行了统计,粒度分布见表7。

图9 褐铁矿的嵌布特征图(a)、(b)及褐铁矿的X射线能谱图(c)(L-泥质褐铁矿等混杂物；Ch-黄铜矿,含Cu、Fe、S)

图10 脉石矿物的嵌布特征图

从粒度对比分析，在适合铜矿物解离选矿的条件下，黄铁矿解离度与之相当，而菱锌矿有较多-0.074 mm的细粒不能解离,铜矿物、黄铁矿和菱锌矿的粒度总体上均属于中细粒嵌布范畴。根据铜矿物的粒度分布和产出特点，建议在-200目占85%～90%的磨矿细度进行选矿较为适宜。

表7 矿样中主要矿物粒度分布

5 结 论

(1)矿样中，最重要的回收成分为铜，其次是锌。金和银含量甚少，只能综合回收。

(2)铜的分布较为复杂，在原生硫化铜、次生硫化铜和和自由氧化铜中均有较多的分布。锌主要以碳酸锌形式存在，其余部分主要分布在硫化锌中。铁主要以赤、褐铁矿形式存在，其次分布在硫化物中。硫主要以硫化物形式存在。

(3)矿样中铜矿物主要为黄铜矿，其次为氯铜矿、斑铜矿、铜蓝及少量孔雀石等。锌矿物主要为菱锌矿，其次为闪锌矿。主要硫化物为黄铁矿，其次为硫化铜矿物。脉石矿物为石英、粘土质硅酸盐、石膏、方解石及钙质生物化石碎片等。

(4)矿样中的黄铁矿可作为综合回收硫和金的的副产品，但其粒度较为细小，与铜、锌矿物及褐铁矿有较紧密的嵌布，并常呈含泥质物的多孔状，预计难以得到高品位的硫精矿。

(5)矿样中虽有较高的铁含量，但铁矿物主要以褐铁矿形式存在，且与微细粒泥质物混杂成含泥褐铁矿或含铁泥质物，不具选矿回收价值。

(6)铜矿物、黄铁矿和菱锌矿的粒度总体上均属于中细粒嵌布范畴。根据铜矿物的粒度分布和产出特点，建议在-200目占85%～90%的磨矿细度进行选矿较为适宜。