云南富宁良子老寨钛铁矿成矿规律和矿床成因

2021-12-11章鑫罗依珍周元涛谢燕霄

矿产勘查 2021年10期

章鑫，罗依珍，周元涛，谢燕霄

（广东省有色矿山地质灾害防治中心，广东广州 510000）

0 引言

钛及其氧化物、合金产品是重要的涂料、新型结构材料、防腐材料，被誉为继铁、铝之后，处于发展中的“第三金属”和“战略金属”，也是“很有希望的金属材料”，在航空、航天、舰船、军工、冶金、化工、机械、电力、海水淡化、交通运输、环境保护、医疗器械等多个领域有着广泛的应用。

我国是钛资源大国，钛储量位居世界前列，但多为共伴生矿，品位不高。目前钛矿进口量呈逐年上升趋势，对外依存度超过了60%（李政等，2020）。我国钛矿资源丰富但品位低、矿物组成复杂，生产技术水平不高，钛资源综合利用水平低，资源浪费较大，难以满足我国相关工业的需求（吴贤和张健，2006；吴景荣等，2014；丁健华等，2020）。截至2019年底，我国已将钛矿列为非油气固体矿产资源潜力评价的四种矿产种之一（中国矿产资源报告，2020）。

全球钛矿床类型根据岩体类型又可分为岩浆型、变质型和沉积型（姜雪薇，2017）。我国钛铁矿一般伴生于基性岩有关的钒钛磁铁矿矿床中。桂西-滇东南一带与辉绿岩有关的残坡积风化壳型钛矿床分布很广，钛铁矿资源丰富，含矿品位高，矿体埋藏浅，多出露于地表，易采选，这类矿产可作为一种潜在的资源加强开发利用研究。

良子老寨矿床位于云南省富宁县里达乡—板仑乡一带，矿区范围的地理坐标为东经105°38′15″～105°42′00″，北纬23°51′30″～23°52′39″（沈强华和张宗华，2003）。通过对矿区4.66 km2进行专项地质测量、物探、浅井、样品地球化学分析、重砂鉴定等研究，总结了该矿床的成矿规律，厘定了矿床成因，在此基础上共圈定了工业矿体1个，探获控制及推断钛铁矿资源量19.63万t，平均含TiO2：37.17%，TFe：27.09%，mFe：4.07%。

1 矿区地质

1.1 地层

区域上地层发育寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及第四系。矿区内仅出露二叠系吴家坪组（P2w）和茅口组（P1m）地层（图1）。

图1 良子老寨矿区地质图

（1）二叠系上统吴家坪组（P2w）：地层为灰岩-碎屑岩相沉积，岩性主要为灰黑色薄层状、页片状炭质泥岩、浅灰色厚层状纯灰岩、褐黄色薄层状泥灰岩及薄层状铝土质泥岩，局部相变为硅质岩夹泥灰岩，偶夹凝灰岩或硅质岩与粉砂质页岩。

（2）二叠系下统茅口组（P1m）：由灰白色中厚层状致密灰岩、灰—深灰色中厚层状同生角砾灰岩，夹致密灰岩，生物灰岩组成。

1.2 构造

矿区内未发现大的断裂构造，在基性岩与吴家坪组（P2w）冷侵入接触的地区，沉积岩发生褶皱变形和破碎，节理裂隙较发育。

1.3 岩浆岩

富宁地区碱性基性岩类活动时期为海西-印支期，以喷出、侵入形式呈层状、岩墙、岩盆、岩床、岩脉产出。岩性主要有玄武岩、凝灰岩、火山碎屑岩、辉绿岩、安山岩、苏长岩、闪长岩。前人曾将该区划分三个岩浆活动期（吴利仁等，1959）。第一岩浆活动期为偏碱性辉长辉绿岩类侵入体（曾命名为“半瓦型”岩体）；第二岩浆活动期为苏长辉长岩类侵入体（曾命名为“安定型”岩体）；第三岩浆活动期为安山玄武省-凝灰岩等喷出岩及少部分浅成相（曾命名为“龙康型”喷出岩）。各期岩浆活动特征见表1。

表1 富宁地区岩浆活动特征表

续表

矿区内岩浆岩以海西期偏碱性辉长辉绿岩类侵入岩为主，较发育，呈面状分布于矿区中部，主要有钛辉辉长辉绿岩（ν-βμa）和钛辉辉绿岩（βμa）两类。

（1）钛辉辉长辉绿岩（ν-βμa）：由深灰色，细—中粒，钛辉辉长辉绿岩组成，具嵌晶结构，块状构造。主要矿物有钛辉石、钛铁闪石、斜长石、钛铁矿、少量云母，富钛、氧化钠和氧化钾。钛铁矿呈细粒状，含量1.94%～2.07%。靠近地表原岩已风化蚀变为土状、砂状、碎屑状，矿区内的钛铁砂矿产于其风化层内。

（2）钛辉辉绿岩（βμa）：分布于钛辉辉长岩之中。由深灰色，细—中粒，钛辉辉绿岩组成，具辉绿结构，块状构造。主要矿物有钛辉石、斜长石、钛铁矿、少量云母、富钛、氧化钠和氧化钾，钛铁矿呈细粒状，含量1.72%～2.16%。

斜长石和辉石呈半自形-他形粒状，斜长石的结晶粒度为0.1～0.3 mm，辉石的结晶粒度为0.5～1 mm。钛铁矿呈自形晶板状结构、半自形-他形粒状结构嵌布于斜长石与辉石之间（图2a），也见微细粒他形钛铁矿嵌布于长石中（图2b）。钛铁矿粒度0.05～0.3 mm。此外，常见钛铁矿与钛磁铁矿呈共结边结构，两者相互连生，钛磁铁矿严重氧化蚀变，呈残晶状（图2c）。经扫描电镜分析，蚀变钛磁铁矿由残余的钛磁铁矿、钛铁矿和榍石组成（图2d），呈交代残余结构。

图2 良子老寨矿区钛辉辉绿岩中矿物共生关系

（3）矿物组成及含量

通过对矿体中采集的辉长辉绿岩岩石样，采用MLA矿物自动定量检测系统测定样品的矿物组成及含量，测试结果（表2）。

表2 良子老寨矿区辉长辉绿岩样品矿物定量检测结果

结果表明，样品中含钛矿物主要为钛铁矿、钛磁铁矿、榍石和微量的钙钛锆石、白钛石；铁矿物主要是钛磁铁矿和褐铁矿；金属硫化矿物主要是少量的黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿，个别为硬锰矿和少量钙钛矿；脉石矿物以斜长石为主，其次是粘土矿物、钛辉石、绿泥石，及少量角闪石、绢云母、葡萄石、磷灰石等。

（4）岩石化学成分

表3、表4测试结果显示，区内辉长辉绿岩化学成分组成均呈现出SiO2、FeO、Fe2O3、TiO2、K2O、Na2O富集的特征。而微量元素特征表现为：Ti、Fe、V含量一般均大于标准克拉克值；Ni、Cu部分大于标准克拉克值；小于标准克拉克值的元素为Pb、Mn、Cr、Mo、Co、Zr。总体上，辉长辉绿岩中主要有价元素为钛和铁，伴生钒。

表3 良子老寨矿区辉长辉绿岩X荧光半定量分析结果/%

表4 良子老寨矿区辉长辉绿岩主要有价元素化学分析结果/%

2 矿体地质

2.1 矿体特征

矿体主要赋存于钛辉辉长辉绿岩、钛辉辉绿岩岩体风化壳内，在地表呈面状分布，平缓铺覆于基岩之上，其平面分布形态与岩体分布形态相同（杨加庆等，2013）。矿区内矿体可分为残坡积型和冲积型，以残坡积型钛铁砂矿为主，呈“席状”分布，总体呈东西走向，长度大于3 km，宽度约1 km。

（1）残坡积型钛铁矿

主要由钛辉辉长辉绿岩经过风化蚀变在原地堆积、或少量短距离搬运形成的矿体，此类矿体在垂直分带上可分为三层，其特征如下。

地表强风化淋滤层为浅黄褐色、浅黄绿色粘土或砂泥岩碎块组成，偶含0.1～0.5 cm小粒径的褐铁矿，最大厚度1.30 m。矿石中含TiO2含量为3.5%～5.27%，含全铁（TFe）含量为5.67%～12.4%，磁性铁（mFe）含量为0.1%～2.3%。重砂分析结果显示矿石中含钛铁矿1～62.7 kg/m3，重砂含量不均匀，这是由于部分钛铁矿在地表部分残留而引起品位变化较大。

风化淋滤含钛铁矿层为浅黄色、黄褐色、浅黄绿色含辉绿岩碎块矿土层，最厚11.90 m，平均3.20 m。矿石中含TiO2含量为2.57%～5.87%，含全铁（TFe）含量为9.68%～15.74%，磁性铁（mFe）含量为0.1%～2.3%。重砂分析结果显示矿石中含钛铁矿9.8～128.27 kg/m3，重砂含量不均匀，有逐渐向下变低的趋势，这主要与原岩的风化程度有关。

半（弱）风化含钛辉长辉绿岩层为半风化的钛辉辉长辉绿岩，最大厚度5 m，局部大于10 m。矿石中含TiO2含量为2.73%～5.12%，含全铁（TFe）含量为8.97%～13.23%，磁性铁（mFe）含量为0.1%～2.3%。重砂分析结果显示矿石中含钛铁矿0～9.8 kg/m3，没有工业价值。

（2）冲积型钛铁矿

矿体沿河谷、河漫滩、阶梯分布，呈不规则状、扇状，分布不均匀。矿体厚度变化较大，普遍1～3.2 m，在河流的转弯处较厚。矿石中含TiO2含量为3.5%～11.2%，含全铁（TFe）含量为5.07%～10.68%，磁性铁（mFe）含量为0.1%～2.3%，重砂分析结果显示矿石中含钛铁矿18.1～98.1 kg/m3，相对较富。

2.2 矿石矿物成分

本矿区矿石主要金属矿物为钛铁矿、磁铁矿，可见少量的金红石、白钛矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿等；脉石矿物主要为粘土、石英、磷灰石、锆石等。

钛铁矿，呈半自形和他形的棱角状晶形，少数见棱面体或厚板状。颜色为黑色、铁黑色，粉末为褐黑色。因受风化，颗粒表面粗糙多小孔且覆有少量黄褐色氧化铁岩屑。金属光泽及半金属光泽，断口强沥青光泽，不透明，无解理（图3a）。硬度5.5～6，矿物具强电磁性。

磁铁矿，晶形不完整，呈不规则的他形粒状、圆粒状或致密块状，极个别见菱形十二面体的部分晶面，铁黑色，粉末黑色。因风化作用，大部分矿物表面覆有褐铁矿的褐色薄膜。半金属光泽，无解理，断口不平坦或贝状。硬度5.5～6.5，粒径大小0.09～0.32 mm（图3b）。矿物具强磁性，其余矿物含量较少。

图3 良子老寨矿区显微镜下钛铁矿和磁铁矿颗粒照片

2.3 矿石结构、构造

矿石结构：辉长结构、不等粒砂状结构、半自形-他形粒状结构。

矿石构造：土状构造、砂状构造、碎块状构造。

变余辉长结构：斜长石已部分氧化蚀变为高岭土或发生不同程度的高岭石化现象，辉石少部分氧化蚀变为绿泥石，大部分辉石未蚀变。钛铁矿有一定溶蚀现象，呈半自形-他形粒状结构嵌布于蚀变长石与辉石之间（图4a），部分钛铁矿被榍石和绿泥石交代（图4b，图4c），大部分钛铁矿未被氧化，仍保持良好晶形特征。常见钛铁矿与钛磁铁矿或蚀变钛磁铁矿呈共结边结构（图4d、图4e），有些钛磁铁矿已蚀变为白钛石（图4f）。

图4 良子老寨矿区矿石BSE照片

2.4 矿石化学成分

矿石中赋矿矿物主要为钛铁矿，矿石主要有用组分为TiO2、全铁（TFe）和磁性铁（mFe）。矿石中钛品位为0.78%～5.71%，平均品位为3.23%。

选择钛辉辉长辉绿岩（ν-βμa）、钛辉辉绿岩（βμa）矿石样品，进行矿石光谱全分析，分析结果见表5。

表5 良子老寨矿区矿石样品光谱分析结果/%

矿石化学成分SiO2为41.28%～42.40%、Al2O3为16.11%～17.67%、Fe2O3为20.89%～23.36%、K2O为0.748%～0.978%、Na2O 为2.126%～2.201%，以上各组分富集，与碱性辉长岩的组成成分特征相似。而微量元素特征表现为：Ti含量为1.71%～2.16%，含量一般均大于标准克拉克值；Ni、Cu元素部分大于标准克拉克值；而小于标准克拉克值的元素为Pb、Mn、Cr、Mo、V、Co、Zr。

3 成矿规律

良子老寨矿区矿体赋存于钛辉辉长辉绿岩强风化壳及第四系残坡积层中，表现为顺地形，呈“席状”面状分布，在岩体附近的沟谷及山洼地带堆积，部分河岸沉积的钛铁矿与汇水面积、所处的地段及上游基岩的成分有关。矿石的品级与原岩中钛铁矿、金红石的含量和岩石的风化程度正相关。矿体厚度、品位与钛辉辉长辉绿岩风化壳的风化程度、厚度及地形坡度的大小关系极为密切。陡坡、临近河流区域矿体厚度薄，风化作用弱部位品位低。山脊缓坡、河谷阶地、地形低凹地段矿体厚度较大、品位高。

成矿母岩是成矿的物质基础；气候条件是形成风化壳钛铁砂矿的必要条件；地貌条件是风化壳钛铁砂矿堆积的重要条件，三者缺一不可（赵思传等，2020）。

物质来源：在富宁地区里达断裂以东，董堡-那桑圩断裂西南测，中三叠世海西-印支期第一期第四亚期侵入形成的“半瓦型”偏碱性辉长辉绿岩体，岩体内TiO2含量较高（邵新宏，2013；罗坤和付义琴，2014；高儒东，2018），矿区侵入的钛辉辉长辉绿岩体TiO2平均含量达3.76%，高于中国基性岩平均含量值2.08%，且主要含钛矿物为钛铁矿、蚀变钛磁铁矿，从而为该区风化壳型钛铁矿的形成提供了物质来源。

地貌条件：钛铁砂矿主要赋存于钛辉辉长辉绿岩岩体的风化壳以及不同类型的近代堆积层中（李付兵，2014；范礼刚等，2018；张文娟和杨永富，2018）。在含钛铁矿的钛辉辉长辉绿岩分布区及附近地区的地形坡度较缓，风化壳及岩体风化堆积物容易保存，不易受剥蚀（张旭林等，2018）。矿区内山高谷深，地势东南、西北高，东北低，最高高程1310.20 m，最低高程841.30 m，相对高差约500 m，山地、丘陵占96%。区内沟壑纵横，山势陡峭，地形切割较深。通过揭露，矿体厚度最厚处12.3 m，最薄处0.5 m，平均值2.98 m。受地形地貌影响，本区形成风化壳厚度较薄，相对不利于钛铁矿堆积保存。

气候条件：冷热交替、温暖潮湿的气候和充沛的雨量有利于机械风化和化学风化不断向深处的推进（应玺等，2019）。富宁地区位于北回归线以北，属南亚热带季风气候，春温高于秋温，雨热同季，因地形和海拔差异，立体气候明显，年内有四季之分。境内积温高，年总积温为27 ℃，年平均气温为19.8 ℃，最高温为39.5 ℃，最低温为-3.7 ℃。全年日照时数1641小时，年均无霜期338天，最长无霜期364天，最短无霜期258天。境内雨量充沛，年平均降雨量1103.5 mm，最高降雨量为1457.6 mm，最低降雨量为763 mm。部分区域年平均风速在6～8 m/s，最大风速高达14 m/s。潮湿高温气候促使岩石强烈分解和风化壳强烈淋滤。

4 矿床成因

对比研究区内不同工程四件样品，TiO2含量分别为3.86%、2.80%、3.41%和2.11%（表6），赋存于钛铁矿中能够有效回收钛的含量分别为1.95%、1.65%、2.53%和1.35%，分别占原矿总钛量的50.52%、58.93%、74.19%和63.38%。上述结果表明矿石中钛以钛铁矿、钛磁铁矿、榍石、白钛石等矿物形式存在，并有钛以类质同象的方式赋存于辉石、角闪石等脉石矿物中及粘土；其中钛铁矿中TiO2占有率最高，为TiO2主要赋存载体。

表6 良子老寨矿区各样品中钛（TiO2）在钛矿物相中的平衡分配/%

矿区内钛辉石在岩石中的含量约45%～60%，钛辉石中含TiO2可达3%～5%，高的可达8.97%，经过风化后形成白钛石，粒度均小于0.074 mm，为风化壳型钛铁矿的形成提供了物质来源。加之富宁地区地貌及气候作用为成矿提供有利条件，钛铁辉长辉绿岩体出露地表后，经过漫长的地表风化、淋滤、水解、氧化作用，钛铁辉长辉绿岩体中易溶于水的Ca、Mg、K、Na等密度较小物质随地下水淋滤带走（张新松，2013），使钛铁辉长辉绿岩中的TiO2形成白钛石（粒度小于0.074 mm），由于其物理、化学性质稳定，从而残留并富集于风化壳中。同时，随着风化作用的增强，钛铁辉长辉绿岩的结构、构造发生破坏，岩石中的主要造岩矿物辉石、斜长石发生高岭土化及绿泥石化，从而使坚硬的基性岩变得松散，也使紧密镶嵌于钛铁辉长辉绿岩矿物颗粒间物理、化学性质稳定的钛铁矿、钛磁铁矿、金红石等金属矿物多呈星散状及浸染状分布于风化壳岩石中，最终富集形成了钛铁辉长辉绿岩风化壳型钛铁矿床（罗坤和付义琴，2014；常鸿等，2017；高儒东，2018）。