金属砂矿矿物品位换算公式优化研究

彭 程，周迎春，李国杰，吉榆师

（海南国际资源（集团）股份有限公司，海南 海口 570206）

锆金属作为一种稀有金属具有熔点和沸点高、耐腐蚀、可塑性好等优点，被广泛应用于耐火材料和铸造等领域[1]，锆金属及其产品被称为“21 世纪最具潜力的产品”和“原子能时代第一号金属”[2]。近年来，锆矿、钛矿等被中国、日本和美国等国家列入关键性资源目录，战略资源意义突显[3-4]。海南省锆钛砂矿以大中型矿床为特点，锆矿、钛矿、独居石等滨海砂矿矿物储量位居全国前列[5]。随着国内环境保护政策落实，我国锆钛资源供需矛盾突出[6]，近三年，我国进口锆资源量和钛资源量占国内消费总量的88%和34%以上，是锆钛矿的消费大国和进口大国[7]，其中，东非地区是我国锆资源进口的主要地区，而从莫桑比克进口的钛资源量稳居首位。

近期，笔者发现公开出版的《矿产地质勘查规范金属砂矿类》（DZ/T 0208—2020）[8]和部分论文[9]中采用的锆英石品位换算公式存在一定缺陷，公式中忽略了锆英石形态的ZrO2占比，错用了锆英石矿物中ZrO2实测质量分数，导致锆英石品位换算结果存在误差。为了提升锆英石矿物品位换算的准确性，以莫桑比克和马拉维等地区锆钛矿矿区的地质勘查成果为基础，结合海南省滨海沉积砂矿方面的经验，对锆英石品位换算公式进行优化。在沉积型钛砂矿和铁砂矿方面进行对矿物品位换算公式进行类比和验证，对优化后的锆英石品位换算公式进行推导，推导后的砂矿品位换算公式适用于金属砂矿矿物品位换算，甚至更广范围。优化后金属砂矿品位换算公式可为规范金属砂矿类地质矿产勘查和提升矿产资源储量估算准确性提供参考。

1 锆英石品位换算公式的优化

根据《矿产地质勘查规范 金属砂矿类》（DZ/T 0208—2020）[8]附录G.1 注1，锆英石品位公式见式（1）。

以原品位换算公式为基础，分子增加锆英石形态的ZrO2占比，分母中以锆英石矿物中ZrO2质量分数取代精矿ZrO2质量分数，优化后的锆英石品位换算公式见式（2）。

式中：锆英石品位和矿石体重的单位为kg/m3；样品或精矿ZrO2质量分数、锆英石态中ZrO2质量分数和锆英石形式ZrO2占比的单位为%，下同。

2 锆英石品位换算公式优化的依据和结果

2.1 锆英石矿物中ZrO2 质量分数

锆英石品位换算中，锆英石矿物中ZrO2质量分数是锆英石矿物中ZrO2实测质量分数，既非锆英石精矿ZrO2质量分数，也非锆英石矿物中ZrO2的理论含量67.10%。

根据《中华人民共和国有色金属行业标准 锆精矿》（YS/T 858—2013），锆英石精矿是以锆原矿经选矿富集的产品，其中，锆英石精矿四级品中（Zr，Hf）O2的质量分数要求不小于60%、五级品中（Zr，Hf）O2的质量分数仅不小于5%[10]，一般情况下，锆英石精矿基本采用四级品要求，除了锆质量分数有要求外，Fe2O3、TiO2、Al2O3和SiO2四种杂质分别要求不大于0.50%、3.00%、3.00%和35.00%。莫桑比克锆原矿富集形成的锆英石精矿工艺矿物学研究表明，精矿组分中锆英石含量为98.73%、金红石含量为0.32%、独居石为含量为0.20%、蓝晶石含量为0.13%、石英含量为0.12%，另外含有极少量石榴石、钛铁矿、斜锆石、磁铁矿和磷灰石等矿物，与大多数锆英石精矿产品矿物组成基本一致，这表明锆英石精矿是多种矿物共同组成的混合物，则在满足锆英石精矿四级品要求前提下，锆英石精矿中（Zr，Hf）O2质量分数存在一定变化幅度。马拉维锆矿富集研究[11-12]及莫桑比克锆矿富集研究的结果（表1）表明，锆矿富集程度受原矿和选矿工艺影响，且同一原矿经相似选矿工艺形成多种锆英石精矿产品，不同精矿矿物组成有所差异；马拉维锆英石精矿中（Zr，Hf）O2的最高质量分数高于莫桑比克锆英石精矿中（Zr，Hf）O2的最高质量分数，但马拉维锆英石精矿产品种类多、变化幅度较大，这种变化可通过延长选矿流程和调整选矿工艺参数等方式实现。综上所述，锆英石精矿是以锆英石矿物为主的多种矿物混合体，其中（Zr，Hf）O2的质量分数可通过技术途径实现主观调整，而非客观数据，只有锆英石矿物中ZrO2的质量分数或理论含量是相对稳定数据。

表1 锆英石精矿产品特征Table 1 Characteristics of zircon concentrate products

由于Zr 和Hf 有十分相似的半径和电子排布，且化学性质相同，使得锆英石四方晶系中Zr 经常被Hf类质同象，这种类质同象在沉积型锆英石中普遍存在，导致锆英石矿物中ZrO2理论含量实际是（Zr，Hf）O2质量分数，而实际中基本不存在67.10%的ZrO2含量；而EDTA 等方式化学分析测定锆英石中ZrO2的质量分数实际为（Zr，Hf）O2的质量分数[13]，则锆英石中ZrO2的质量分数一定低于化学分析的（Zr，Hf）O2质量分数。锆英石单体内常常混入机械杂质和包裹体（图1），多次试验对含有机械杂质和包裹体的锆英石矿物采取磨矿或其他方式进行解离，但效果甚微，马拉维和莫桑比克的锆英石单体矿物中的解离度分别达到99.74%和99.50%，绝大多数锆英石的解离度测试证实了沉积型重砂矿中锆英石矿物主要以单体形式存在。综上所述，沉积型锆英石砂矿矿物解离度相当高，基本为单体状态，但锆英石矿物中67.10%的质量分数实际应为（Zr，Hf）O2，受机械混入杂质和包裹体的影响，锆英石单体中ZrO2理论含量一般偏低，但包裹体或机械杂质为富锆成分（如斜锆石）除外。

图1 锆英石中铁铝石榴石和磷灰石Fig.1 Almandine and apatite in zircon

锆英石矿物中ZrO2质量分数一般以锆英石矿物能谱分析中的ZrO2质量分数为准，该数据具备相对稳定性。如在马拉维和莫桑比克锆英石能谱分析（表2）中，ZrO2的质量分数分别为64.77%和65.42%，（Zr，Hf）O2质量分数分别为66.11%和66.21%，达到锆英石精矿四级品中（Zr，Hf）O2质量分数要求，但都低于锆英石中（Zr，Hf）O2的理论含量，表明三组数据之间存在一定差异。

表2 锆英石能谱分析测定Table 2 Energy spectrum analysis and determination of zircon 单位：%

2.2 锆英石形态的ZrO2 占比

锆英石形态的ZrO2占比即含ZrO2的矿物中锆英石矿物的分布率或占比，是锆英石品位换算中最容易忽略的参数，较多文献中默认锆英石形态的ZrO2占比为100%[9,13]。实际的滨海沉积锆矿中，含ZrO2的矿物或机械混入ZrO2的矿物种类较多，马拉维和莫桑比克重砂样的ZrO2物相分布特征（表3）揭示了上述两种因素的影响：富ZrO2的斜锆石中ZrO2质量分数在95%以上，虽然莫桑比克斜锆石矿物含量仅为0.16%，但占比为3.11%，对锆英石形态的ZrO2占比有较大影响；重选混合物的石榴石、角闪石、石英或长石等矿物中存在机械混入的ZrO2矿物对锆英石形态的ZrO2占比也有影响。因此，忽略锆英石形态的ZrO2占比会导致锆英石品位换算结果偏高。

表3 重砂样中ZrO2 物相分布特征Table 3 Phase distribution characteristics of ZrO2 in heavy sand samples 单位：%

《矿产地质勘查规范 金属砂矿类》（DZ/T 0208—2020）要求获得的地质样品为淘洗后的重砂样品[8]，样品中测试的ZrO2质量分数为重砂样的分析结果，为了保持品位换算过程中数据一致性，锆英石形态的ZrO2占比取值时同样应以淘洗后的重砂样中数据。马拉维项目采用原矿砂中ZrO2物相分析结果（表4）获得的锆英石形态的ZrO2占比为89.47%，而淘洗后的重砂样中锆英石形态的ZrO2占比为98.96%，原矿砂相对淘洗后重砂样中锆英石形态的ZrO2占比减幅较大，若采用原矿砂数据会导致锆英石品位换算偏小。

表4 马拉维原砂样中ZrO2 物相分布特征Table 4 Phase distribution characteristics of ZrO2 in original sand samples in Malawi 单位：%

2.3 锆英石品位公式优化的换算结果

利用马拉维和莫桑比克锆英石矿区中数据对锆英石品位换算（表5），由于马拉维矿区锆英石精矿中ZrO2的最高质量分数比锆英石矿物中ZrO2质量分数高，锆英石形态的ZrO2占比接近100%，导致优化前后的锆英石换算公式在计算品位时结果没有变化；但在莫桑比克矿区锆英石精矿中ZrO2的最高质量分数相对锆英石矿物中ZrO2的质量分数略低，且少量斜锆石降低了锆英石形态的ZrO2占比，采用优化前的锆英石品位换算公式进行计算的结果比优化后的结果增加7.13%。

表5 锆英石品位换算结果Table 5 Grade conversion results of zircon

3 金属砂矿品位换算公式的推导

3.1 钛矿品位换算公式

钛矿物品位换算公式研究相对较多，在马拉维滨湖地区[3]、海南岛东南部浅海[9]和海南岛东部浅海[14]的钛矿矿物单体中TiO2质量分数的能谱分析和物相分析研究（表6）中，都注意了钛矿物形态中TiO2占比和钛矿物中TiO2质量分数两个金属砂矿矿物品位换算的重要参数。

表6 不同地区钛矿能谱分析测定和物相分析结果Table 6 Energy spectrum analysis and phase analysis and determination results of titanium ore in different regions 单位：%

钛矿物形态中TiO2占比方面，马拉维滨湖地区、海南岛东南部浅海和海南岛东部浅海的钛矿物都存在钛铁矿、金红石和白钛石三种形态，对矿物形态的TiO2在TiO2总量中的占比进行了更直观和定量的表达，马拉维、海南岛东南部和海南岛东部的钛铁矿、金红石和白钛石三种矿物形态中TiO2占比合计分别为84.60%、63.85%和31.00%，其中海南岛周边三种主要钛矿物中TiO2总量占比低于马拉维，可能是海南岛周边钛矿物相丰富或采用淘洗前原矿砂样进行物相分析所致。

钛矿物中TiO2质量分数方面，马拉维滨湖地区、海南岛东南部浅海和海南岛东部浅海的钛铁矿、金红石和白钛石等钛矿物中TiO2质量分数基本不等于钛矿物中TiO2的理论含量；马拉维钛铁矿精矿中TiO2质量分数平均值为49.48%[12,15]，海南岛钛铁矿精矿中TiO2质量分数平均值为44.97%[16]，与表6 中的钛铁矿矿物中TiO2质量分数数据存在差异。上述钛铁矿矿物中TiO2质量分数变化主要是由钛与铁和锰类质同象导致，如马拉维和莫桑比克[17]的钛铁矿存在赤铁矿化和赤铁矿化（图2）的现象，马拉维、莫桑比克和海南岛钛铁矿中MnO 质量分数一般在1.00%～10.00%之间；同时，Al2O3、CaO、MgO、Nb2O5等机械杂质和锆英石等包裹体也会影响钛铁矿矿物中TiO2质量分数[18]。

图2 钛铁矿中赤铁矿化和榍石包裹体Fig.2 Hematite and sphene inclusions in ilmenite

上述文章对海南岛的钛矿矿物品位换算过程中，都引入了类似钛矿矿物中TiO2质量分数和钛矿形态中TiO2占比两个因素[9,14]，与本文锆英石矿物品位换算公式中参数相似，见式（3）。

3.2 铁矿物品位换算公式

以马拉维沉积型锆钛砂矿中铁矿物为例，用Fe质量分数代替金属氧化物质量分数换算铁矿物的品位，其中，铁矿物中Fe 质量分数的能谱分析和物相分析结果见表7。由表7 可知，铁矿物中Fe 一般以磁铁矿、赤铁矿和钛铁矿形态为主，少量以石榴石和角闪石形态存在。

表7 马拉维铁矿能谱分析测定和物相分析结果Table 7 Energy spectrum analysis and phase analysis and determination results of Malawi iron ore 单位：%

铁矿物中Fe 质量分数方面，磁铁矿、赤铁矿和钛铁矿中Fe 理论含量均高于对应矿物能谱分析中Fe 质量分数。一方面，Fe3+或Fe2+被Ti4+类质同象形成磁赤铁矿和钛赤铁矿等固溶体出溶（图3），钛元素替代铁元素降低了矿物中Fe 的质量分数；另一方面，磁铁矿和赤铁矿矿物中普遍含有Ti、Al、Si 和V 四个元素（平均化学质量分数在0.14%～0.80%之间）和极少量的其他元素。

图3 磁铁矿中磁赤铁矿和钛磁铁矿Fig.3 Magnetite and titanomagnetite in magnetite

参照锆英石和钛矿的矿物品位换算公式，推导铁矿物品位换算公式，见式（4）。

利用式（4）计算磁铁矿、磁铁矿和钛铁矿矿物品位（表8），钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿品位分别为42.72 kg/m3、19.68 kg/m3和24.51 kg/m3，利用钛铁矿中TiO2的质量分数和钛铁矿形态的TiO2占比等数据换算钛铁矿品位为40.19 kg/m3，利用Fe 和TiO2两种化学组分换算钛铁矿的矿物品位结果差异为3.05%。利用Fe 元素质量分数换算铁砂矿中铁矿物品位验证了铁矿物品位换算公式的适用性，同时能验证多金属元素组成的矿物的品位换算结果。

表8 铁矿矿物品位换算表Table 8 Table of grade conversion of iron ore minerals

3.3 金属砂矿品位换算公式

综合锆英石、钛铁矿（Fe 和TiO2两种计算方式）、金红石、白钛石、磁铁矿、赤铁矿等金属砂矿的矿物品位换算公式，结合独居石等金属砂矿矿物品位换算公式的实践应用，推导金属砂矿的矿物品位换算公式见式（5）。

4 结论

1）锆英石品位换算公式中应注意锆英石形态ZrO2占比，不能用精矿中ZrO2质量分数或理论含量代替锆英石矿物中ZrO2实测质量分数，正确应用锆英石品位换算可避免品位换算结果失真，保证地质矿产勘查中储量估算结果的准确性。

2）锆英石精矿是经选矿形成以锆英石为主的矿物混合物，一般要求ZrO2质量分数不低于60%，但锆英石精矿中ZrO2质量分数是可调整的参数；而锆英石矿物单体受类质同象、机械杂质和包裹体等客观因素影响，导致锆英石实测ZrO2质量分数不可调整，且多数情况低于锆英石中ZrO2理论含量；金属砂矿矿物中金属或金属氧化物的实测质量分数一般低于其金属或金属氧化物的理论含量，但锆英石包裹斜锆石、钛铁矿的白钛石或金红石化及赤铁矿的磁铁矿化等少数情况例外。

3）锆英石形态的ZrO2占比是最容易忽略的因素，增加该参数排除了斜锆石和其他非锆类矿物中含ZrO2等因素的影响，避免品位换算结果偏高；金属砂矿矿物的品位公式换算中，含金属氧化物或金属元素的矿物占比参数在钛矿类矿物的换算公式中使用较为频繁，但在其他金属矿物品位换算中经常忽略；另外，该参数取值来源于淘洗后重砂样的物相分析，而非原矿砂的物相分析。

4）经过锆、钛和铁等多元素的金属砂矿矿物品位换算验证，基本验证了金属砂矿矿物品位换算公式的适用性，且多种金属或金属氧化物组成的固定化学式矿物可以从多个固定的金属或金属氧化物着手换算矿物品位，该方式起到良好的验证效果，保证了矿物品位计算和储量估算的精准性。