金红石的研究现状及地质学意义

2020-03-12韦艳玲郭静涟

世界有色金属 2020年24期

韦艳玲，郭静涟

（桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541006）

金红石就是较纯的二氧化钛，一般含二氧化钛在95%以上，是天然TiO2同质三象（其他两象为锐钛矿和板钛矿）中的最稳定者，乃自然界最常见的矿物之一，是提炼钛的重要矿物原料，金红石分布极为广泛，不但在地壳中存在（地壳中储量较少），而且在月岩和陨石中也已发现（张惠芬等，1988a）。正确认识金红石的化学、物理特性、晶体结构特征，以及金红石作为矿产资源的经济价值等方面的有关知识，对研究金红石在地学中的应用提供了很多参考和依据[1]。

金红石矿物学研究对于有效开发和利用中国严重短缺的金红石资源、开展相关的地质科学问题的探讨等也具有十分重要的科学意义。其矿物学研究不但可以为确定找矿标志、选择找矿方法提供矿物学依据，还可以为揭示金红石矿床的成矿规律和成因、提高矿石的综合利用水平、选择合理的选矿和冶炼方法提供必要的基础数据。有少量金红石可用作宝石，还可作半导体和检波器[2]。不仅如此金红石在地质学中也有很广泛的应用：金红石微量元素（Nb和Ta、Cr和Nb）的变化变化对壳幔作用的指示意义，同时也可用于原岩、沉积物源区性质的判别；金红石放射性测年体系的应用；Zr-金红石温度计对温度的制约以及其可以是很好的标型矿物等。金红石的以上属性和功能，都使得金红石成为继锆石之后倍受地质学家的青睐的矿物。

1 金红石资源分布状况

全球金红石资源量分布不均，澳大利亚金红石储量位居世界第一，占全球资源量的40%（表1）。我国已发现金红石矿床主要分布在湖北、河南、陕两、江苏、山西及山东为（占全国总储量的96%）。我国的钛资源虽然丰富，位居世界第一，但是金红石的开发利用尚处于初级阶段，年产量很低，大约2500t/a左右，且90%来自砂矿，与国外相比，大部分属原生矿，原矿品位低、嵌布粒度细，矿石性质复杂，因此不能采用国外普遍应用的重选、电选和磁选联合工艺流程。致使选矿难以突破，天然金红石资源得不到有效开发利用。

表1 全球金红石储量

2 金红石基本特征

金红石，是含钛的主要矿物之一。四方晶系，常具完好的四方柱状或针状晶形，集合体呈粒状或致密块状。暗红、褐红、黄或橘黄色，富铁者呈黑色；条痕黄色至浅褐色。金刚光泽，铁金红石呈半金属光泽。性脆，硬度6～6.5，密度4.2g/cm3～4.3g/cm3，富含铁、铌、钽者密度增大，高者可达5.5g/cm3以上，性脆。金红石常含有Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Sn4+、Cr3+和V3+等混入物，因此类质同象置换现象较为复杂，易形成一系列钛矿物（或变体），如钛铁矿、铌(Nb5+)铁金红石及钽(Ta5+)铁金红石等。

3 金红石的研究现状

3.1 放射性测年体系

金红石含U，低放射性成因Pb和较高的封闭温度的属性，使得其成为U-Pb测年的良好载体，金红石微区原位U-Pb同位素定年研究是一个新的测年研究领域和趋势。和锆石一样，在金红石生长过程中Hf是几乎全部进入其晶格的，所以说放射性成因的Hf基本可以忽略不计，因此也可用Lu-Hf同位素体系进行研究，目前Lu-Hf体系的主要测试手段为LA-MC-ICP-MS技术[3]。

图1 各颜色的金红石（d为石英与金红石）

3.2 金红石的微量元素研究：Nb和Ta、Cr和Nb

金红石中Nb和Ta，被广泛应用于如岩浆演化和俯冲区域变质过程的地质过程示踪。研究表明不同类型岩石金红石中Nb和Ta的含量也大不相同，如：花岗岩及伟晶岩以高含量的Nb和Ta为特征，其比值甚至可＞1；而碱性岩则是富Nb贫Ta；金红石Cr/Nb比值能够有效判别地原岩并能够提供一些有效的源区信息。Zack et al.(2002，2004b)等通过不同来源金红石的分析后认为，原岩类型不同的金红石可具有明显不同的Nb、Cr、Zr、W等微量元素特征，认为利用金红石中Cr/Nb可以有效地判别铁镁质和泥质变质岩的原岩。

3.3 金红石Zr温度计

金红石Zr含量温度计是近些年提出的单元素溫度，许多研究者已经尝试将该温度计应用于各种高级变质岩中（王汝成，2005；Zack et al.2008；陈振宇，2009)，并通过不同变质阶段生成的金红石分别测量其Zr元素含量计算其形成温度以反演变质岩变质演化的P-T-t轨迹[4]。金红石可以形成于进变质过程中，或退变质过程中，或变质峰期时等，因此关于Zr-金红石温度计的研究要结合样品的岩相学、矿物包裹体和微量元素、U-Pb体系定年等方面予以综合考虑，并对矿物的形成环境和形成世代加以限定，从而为合理解释矿物中微量元素的分配及其记录的温度信息提供有效制约。

3.4 金红石多型在高压-超高压变质作用中的标型意义

近年来，对TiO2的高压实验表明，金红石在超高压＞4Gpa条件下可以存在4种多型变体，α-PbO2型（4Gpa～7Gpa）、斜锆石型（16Gpa～20Gpa）、萤石型和氯铅矿型[5,6]。因而这些金红石变体的发现对于高压-超高压变质作用物理化学条件有非常好的制约，是很好的标型矿物。此外，还有一些学者对金红石中结构水的研究，发现金红石晶格中结构水分布具有不均一性，在不同样品之间和颗粒内部都有明显表现，指示超高压变质过程中有限的流体活动和快速的板块俯冲一折返过程（盛英明等，2007）。