内蒙古正蓝旗磨石山锐钛矿 （金红石）矿床的发现、勘查和研究

2014-09-25

羊蹄子山–磨石山钛矿床位于内蒙古正蓝旗西约25km处，在大地构造上，矿床地处华北地台北缘内蒙地轴中东段中生代火山盆地的局部隆起区。前人（从1959年到2001年至少有四个地质队）曾把磨石山南部的羊蹄子山矿石看作是一个无法利用的铁矿点，但近年经中国地质科学院矿产资源研究所地质科研团队的勘查与研究，认为这不是一个铁矿，而是一个钛矿床，并在其北部磨石山发现了新的大型锐钛矿矿带。

在国家自然科学基金、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金以及内蒙古自治区地勘项目的联合资助下，中国地质科学院矿产资源研究所地质科研团队通过五年多的预查评价、普查找矿和研究工作，查明了羊蹄子山–磨石山钛矿赋矿变质地层的层序、矿床构造廓格、矿体分布规律、矿石物质成分等；新发现了磨石山富钛矿带，获得锐钛矿（TiO₂）资源储量34万余吨，属大型；其中富矿10万余吨，为中型，其富矿平均品位（TiO₂）达6.91%。对富矿层中和近矿花岗岩中锆石SHRIMP U-Pb定年为1751Ma，花岗岩形成于118Ma。深入研究了矿床成因，认为是古元古代海底基性火山喷发热液沉积产物，后又遭受区域变质和局部热液改造。对矿石中锐钛矿、金红石和钛铁矿等进行了深入的矿物学研究，获得一批新的矿物学数据。开展了高精度重、磁、电法试验研究，总结了该类矿床的地球物理找矿模型。针对矿石矿物粒度极细的特点，取得矿石可选性磁、重、电综合流程的重要进展。
  　　“内蒙古正蓝旗磨石山锐钛矿（金红石）矿床的发现、勘查和研究”项目由中国地质科学院矿产资源研究所承担完成，主要完成人有赵一鸣、李大新、丰成友、王裕先、吴良士、陈文明、严加永、王佩华、高学东、孙文泓。项目成果曾入选2006年度中国地质科学院十大科技进展。

一、主要科技创新

1．锐钛矿（TiO₂）是金红石的同质异像，在自然界分布很少见；磨石山沉积变质型锐钛矿矿床是一个新的大型钛矿床类型，在国际上为首次发现
　　　　 项目组基本查明了矿区赋矿变质地层层序的单斜构造框架，圈出矿体35个，其中富钛矿体9个，确定了二个含矿层位并查明矿石物质成分、品位及其变化规律。目前世界上的钛矿床主要为钒钛磁铁矿、金红石矿、钛铁矿及其砂矿，已知的锐钛矿矿床很稀少。内蒙古正蓝旗磨石山元古代沉积变质型钛矿床属钛矿床的一个新的成因类型，在国际上尚属首例。

2．矿物学研究取得创新性进展
　　通过高倍偏反光显微镜、X光粉晶衍射、激光拉曼光谱分析及电子探针等先进方法对超细粒（0.01～0.1mm）锐钛矿、金红石和钛铁矿进行系统仔细的鉴定研究，确定了钛矿石中主要金属矿物为锐钛矿（一轴晶负光性），次为金红石（一轴晶正光性）和钛铁矿。对约500片光薄片的系统统计，矿石中锐钛矿、金红石和钛铁矿的比例大致为3:1:1。确定了脉石矿物主要为石英，次为直闪石、铁铝榴石和黑云母等。提供了矿区锐钛矿、金红石、钛铁矿和直闪石等一批新的矿物学数据，丰富了我国矿物学的内容。发现锐钛矿转变为金红石有一个过渡产物，即少数晶体特征为柱状金红石，但激光拉曼谱线为锐钛矿。

3．划分出沉积变质型和热液改造型两类锐钛矿的富矿石
　　  前者主要分布于磨石山矿带，后者则产于羊蹄子山矿带。沉积变质型富矿石以细条纹状构造为特征，由石英为主的条纹和以锐钛矿为主（伴有金红石、钛铁矿和直闪石等矿物）的条纹互间组成，平均TiO₂品位8.64%，最高可达15.46%；热液改造型矿石以块状构造为特征，其内伴有直闪石化热液蚀变矿物及少量未完全改造完的细纹状锐钛矿富矿石残余，组成矿物主要有锐钛矿，次为钛铁矿和金红石、铁铝榴石等，TiO₂平均品位5.94%。本矿区锐钛矿富矿石在国内金红石矿石中TiO₂品位是最富的，平均品位（TiO₂）达6.91%。锐钛矿富矿资源储量（333）达中型规模（10万吨）。国内一些著名金红石矿床的矿石TiO₂品位大多在1.7%～2.5%之间。

4．确定了成岩成矿年代
　　　　前人认为二道凹群（Ar₃）属新太古代（内蒙古地质局区测队，1974）。项目组通过含锐钛矿变质粉砂岩富矿层中锆石SHRIMP U-Pb定年，确定为1751Ma，应属古元古代；矿区花岗岩锆石SHRIMP U-Pb定年，结果为118±3Ma，说明富钛矿的热液改造时间为燕山晚期。　　

5．研究确定矿床成因为与基性海底火山喷发活动有关的气液喷流沉积变质型（1751Ma），在燕山晚期（118Ma），由于花岗岩的侵位，局部富矿体遭到热液改造
　　  矿体呈层状、似层状、透镜状产于古元古代（1751Ma）二道凹群浅变质岩系中。矿体主要围岩之一的斜长角闪岩恢复其原岩应为基性（偏超基性）火山岩，结合钛矿石及围岩硅（δ³⁰_Si）、氧（δ¹⁸_O）同位素资料及锐钛矿、金红石的微量元素（Cr、Nb）的研究，论证了矿床的形成是与基性（偏超基性）海底火山喷发活动有关的热液沉积成因，后遭受区域变质作用（1158Ma）和局部的热液改造（118Ma）。

6．矿石选矿取得重要进展，精矿粉为进一步发现锐钛矿提供了有利条件
　　　　 重–磁–电高效选矿技术路线采用了获国家发明三等奖和国家发明专利的射频介电选矿技术及磁场强度居国际先进水平（2.8～3.0T）的聚磁永磁强磁分选技术，对于嵌布粒级达到十几至数微米级、物性差别小的锐钛矿和金红石是一次突破，精矿品位达到82.16%，回收率大于50%，进一步经磁电提纯，品位和回收率还可提高。该重–磁选矿路线具有节能环保的重大意义，由于不采用浮选，大幅降低药剂成本，大部分尾矿没有药剂污染，可复垦，是生态文明建设的有效突破，具有显著经济效益。但选矿实验还需要进一步研究攻关。选矿所获精矿粉为进一步发现和精确鉴定锐钛矿和金红石提供了有利条件，为实验室X射线晶胞参数分析锐钛矿和金红石提供了较纯的样品。

7．对矿区进行1/1万高精度磁法测量和高精度重磁法试验取得重要收获
　　  通过对岩石、矿石物性进行测定，完成高精度重力和高精度磁法试验剖面8条。结果表明：①在羊蹄子山热液改造型富钛矿体上端有弱磁异常反映，△T最大为100nT。②锐钛矿富矿体有较高的密度，最高可达3.53kg/m³，平均值2.98kg/m³，而围岩平均密度只有2.68kg/m³。因此，矿体与围岩的密度差达0.2～0.9kg/m³，可引起明显的重力异常，重力是寻找本类型矿的较有效方法之一。总结了该类型矿床的地球物理找矿模型，对区域寻找同类型矿床具有重要意义。

8．总结出本类型锐钛矿矿床的综合找矿标志
　　　　 ①控矿地层为中元古代（1751Ma）二道凹群上部浅变质岩系，由片岩、变质石英（粉）砂岩–斜长角闪岩–石英岩和大理岩组成，赋矿的直接围岩是绢云石英片岩、含石榴子石石英绢云片岩、变质石英（粉）砂岩夹斜长角闪岩；②富钛矿在地表为深灰褐色、条纹状或块状，热液改造型富矿体含较多赤铁矿，并伴有直闪石交代岩，因此往往被误认为是“铁矿石“；③物探标志：在富矿体上端，高精度磁法和重力有一定反映；④化探原生晕标志：Ti、Fe、Mn、Cr、V、Zr等元素组合异常是这类钛矿床的原生晕标志。

9．移动式X射线荧光分析仪在钛矿床勘查中的试验和应用
　　 借助新一代IED-2000P型移动式多元素X射线荧光分析仪的试验和应用，通过反复N次现场取样或原位测量与化学分析对比，结果表明二者吻合较好，解决了因锐钛矿、金红石和钛铁矿颗粒度极细（大多小于0.05mm）难以区分矿体与非矿围岩的问题，基本能够满足野外快速评价的要求，具有一次测定多元素和超越半定量的测试精度，操作简易、流程短、低投入和分析结果快捷的优点，应用前景很好，避免了全孔取样化学分析的浪费。

二、应用情况

矿区范围内伴生有大型石英岩矿产及小型萤石矿。石英岩主要分布于羊蹄子山矿带北坡和马牙子山，在锐钛矿普查过程中曾对石英岩作过初步评价，其SiO₂纯度较高，达95.2～98%（部分高于98%的石英岩可以进一步提纯或生产光导纤维，如多晶硅等产品），有害杂质未超标，资源储量已达597万吨。自2005年至今，矿区内已有两家民营企业先后在马牙子山开采石英岩矿和生产硅铁。羊蹄子山矿带北坡的萤石矿点也有一家民营公司正在开采利用。
　　　　 本项目在预查评价初期就已获得了矿区探矿权，普查研究阶段又进行了多次探矿权的延续。国内已有多家公司或企业有意愿以合资合作方式进入下一步的矿区详查和矿石的工业选矿试验，目前有关合作事宜正在洽谈中。

三、社会效益

项目组按200×100m网度，施工钻孔17个、槽探30条，获得锐钛矿（TiO₂）资源储量（333）34.2562万吨，属大型，其中富矿为10.3516万吨，具中型规模。事业单位的科研团队对一个新类型的大型钛矿床从发现、预查评价、普查找矿再到研究直接进行一条龙的实践探索，这是地质科研工作的一个新的尝试。围绕项目成果，研究人员在《地质学报》（中文版）、《地质学报》（英文版）和《矿床地质》等杂志上发表论文12篇，在CNKI-CCD引文数据库中被引用50余次，其中他人引用26次。

锐钛矿（金红石）主要用于生产高纯净度钛白粉和提炼金属钛，国内需求量很大，且价格昂贵，是我国严重依赖国外进口的战略储备矿种之一，内蒙古正蓝旗磨石山锐钛矿的开发利用将在一定程度上改善我国锐钛矿严重依赖进口的局面。