河南付金川金红石矿床地质特征及远景评价

张 洋 王 勇 包峻帆 景斐媛 刘 浩 胡玉峰

(河南省地质矿产勘查开发局第三地质矿产调查院)

钛是现代工业的重要金属原料，金红石作为生产钛金属及其化合物的重要原料，其开采及回收具有重要的现实意义[1-2]。我国金红石矿床分布广泛，类型多，目前在鄂、豫、陕、苏、晋、鲁等省均已发现了金红石矿床及矿化点[3]。根据矿床成因、成矿时代及成矿地质特征，可将我国金红石矿床划分为区域沉积变质型、榴辉岩型、热液蚀变型、变质蚀变型、风化—沉积型5种类型[4]。河南省境内发现的金红石矿床主要为变质型金红石矿床，集中分布于南阳和信阳地区，位于北秦岭—大别构造带，赋存于元古界变质岩系中[5]。其中，驻马店市泌阳县郭集乡付金川金红石矿床便位于变质型金红石矿带留山—羊册亚带上，该矿床自1964—1966年首次圈出金红石重砂异常至今，已经开展了多轮矿调、勘探、物化探等工作，查明金红石资源量达65.31万t，为达到大型规模的金红石矿床[6-11]。本研究在总结前人工作的基础上，详细研究付金川金红石矿床地质特征，并综合评价其开发利用远景，为类似变质型金红石矿床找矿勘探及开发利用工作提供可靠依据。

1 区域成矿地质背景

我国元古宙金红石矿床主要分布于秦岭造山带东段、南秦岭皱褶系大巴山加里东褶皱带及北秦岭褶皱带，该区经历了多期构造运动和变质作用，为金红石矿床的形成提供了良好的地质背景。其中，付金川金红石矿区(以下简称“研究区”)位于华北地台和秦岭褶皱带的衔接部位，横贯区内羊(册)—明(港)断裂，该断裂为华北地层区和秦岭地层区两大复合地质体的聚合边界。

区域构造总体呈NW—SE向展布，主要表现为以羊明断裂为代表的多条走向290°～320°的深大断裂的分布。该类深大断裂早期以韧性剪切变形为主，后期叠加了脆性断裂，构成了区域基本构造格架。

研究区毗邻姚庄大型规模金红石矿床，分属留山—羊册金红石矿带，目前矿带内已经发现了多个大、中、小型金红石矿床(图1)。区内发育有一套中高等变质程度的角闪片岩、斜长片岩及石英片岩，是金红石的主要含矿岩石。

图1 留山—羊册金红石矿带地质特征

2 矿区地质特征

2.1 地 层

研究区出露的地层主要为秦岭地层区中元古界毛集岩群左老庄岩组(Pt2z)和第四系，地层走向NW290°～320°，总体倾向SW，倾角50°～80°，局部受羊明断裂影响，地层发生扭动并倾向NE。

左老庄岩组为金红石的主要赋矿地层，在区域上可划分为3个岩性段，区内仅出露第二岩性段和第三岩性段。第二岩性段主要分布于矿区中南部，出露范围较大，出露宽度约1 500 m，岩性主要为厚层二云斜长片岩、白云斜长片岩、斜长角闪片岩、黑云斜长片岩、白云石英片岩、含碳质石英片岩、碳质片岩和薄层石英岩，局部斜长角闪片岩褪变为黑云斜长片岩。该岩段为金红石的主要赋存层位，分布稳定，斜长角闪片岩、黑(二)云斜长片岩为主要含矿岩石，且岩层产状与地层产状基本一致。

第三岩性段出露宽度约260 m，主要分布于矿区北东部与第二岩性段谐合接触，岩性主要为白云石英片岩、斜长角闪片岩，局部夹薄层石英岩，该岩段不含金红石。

第四系主要分布于现代河流和沟谷中，岩性主要包括更新统冲洪积砂砾及粉砂质黏土层、河谷中分布的全新统砂砾层和丘陵岗地上分布的残坡积层。

2.2 构 造

研究区构造主要为控制区域地层展布及构造格架的羊明断裂，呈NW—SE向。区内仅有规模较小的NE向和NNW向断层分布，但断距不大，出露规模也不大，一般为数百米至数千米，且形成时代较晚，以脆性变形为主。褶皱仅表现为小规模的紧闭同斜褶皱、尖棱小褶皱及小褶曲的发育，它们均与金红石矿体关系不大。

2.3 岩浆岩

区域岩浆活动频繁，在各个地质时期几乎均见有不同程度的岩浆侵入或喷发活动，产出有超基性—基性—中性—酸性—碱性岩类[12-13]。但仅在矿区北部出露有小规模的新元古代李仙桥二长花岗岩，与左老庄岩组呈断层接触，对金红石矿体展布影响不大。本研究通过野外踏勘、填图及探槽施工，发现含矿岩系受地层控制，区内断层、褶皱及岩浆岩与矿体成因关系不大。

3 矿床地质特征

3.1 主矿体特征

研究区共发现了Ti-1#、Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#4条金红石矿体，赋矿岩石主要为斜长角闪片岩及云母斜长片岩(表1)。其中Ti-1#矿体为主矿体，其余矿体规模小，长度一般不大于600 m，厚度一般小于20 m，为次要矿体。

表1 付金川金红石矿区矿体基本特征参数

Ti-1#矿体(主矿体)位于矿区北部，矿体赋存于左老庄岩组第二岩性段地层中，呈似层状产出，总体倾向约233°，倾角60°～80°，与地层产状基本一致，研究区内出露长约1 400 m，矿体平均厚度为45.02 m，达到大型矿体规模(图2)。矿体平均品位RTiO2为1.93%，矿石类型以斜长角闪片岩型金红石矿石为主，厚度变化系数为35%，属厚度稳定型矿体。

由图2可知：Ti-1#矿体呈现南北端厚度大、中间厚度变薄的趋势。由于中间第四系覆盖较厚，探槽施工未达到预期效果，故矿体深部连接程度不详。依据钻孔岩芯分析得出Ti-1#矿体以粗粒级金红石为主，呈褐红色，粒状。Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#矿体位于研究区南部，规模较小。

图2 付金川金红石矿区矿体分布特征

3.2 矿石特征

3.2.1 矿石自然类型

根据矿石的风化程度和分布状态，可将付金川金红石矿划分为风化矿石和原生矿石2种自然类型。

(1)风化矿石。含矿岩石主要为黑(二)云斜长角闪片岩、风化斜长角闪片岩，岩石呈褐黄色、黄绿色，松软多孔，在退变质和风化综合作用下，岩石中的角闪石多已绿泥化、黑云母化，斜长石多已泥化、黏土岩化、高岭土化和黝帘石化。黑(二)云斜长角闪片岩为斜长角闪片岩褪变的产物。该类矿石主要分布于地表及其风化边界线以上地段。

(2)原生矿石。含矿岩石主要为斜长角闪片岩，岩石为深绿色、块状、致密坚硬，岩石多碳酸盐化，影响矿石品位，该类矿石分布于风化边界线以下。

3.2.2 矿石矿物成分

矿石的主要有用矿物为金红石，其余含钛矿物有钛铁矿、榍石、白钛矿，脉石矿物为角闪石、斜长石、白云母、黑云母、石英，偶见绿帘石，副矿物有磷灰石、锆石、电气石等。钻孔中金红石颜色主要为红色、金黄色、褐红色、黄褐色，条痕为黄褐色，具有金刚光泽。矿物呈柱状、粒状、针状、水滴状，柱状晶体柱面上有纵纹，断口为不平坦状至弱贝壳状。矿物含量多为1.50%～2.50%，粒径多为0.08～0.5 mm。

通过钻孔取样分析，得出金红石单体TiO2含量达95%以上，从晶体边缘向中心含量增高，中心可达99.65%；有害成分SiO2、P2O5、Fe2O3、Cr等分布于晶体边缘。矿物颗粒细小者纯度高，单体多，连生体少，表面光洁；颗粒粗大者矿物单体少，连生体多，有暗化边，表面附着有葡萄状、疤痕状蒙脱石、褐铁矿、白钛矿等矿物，个别晶体裂隙中有褐铁矿、绿帘石微脉充填。

含钛矿物主要以金红石反应边形式出现，颗粒细小，含量较低；脉石矿物分布广但不均匀，含量变化大，多有蚀变；副矿物多呈他形或半自形粒状零星分布于其余矿物之间，粒径约0.1 mm，肉眼很少能见到。

通过在显微镜下对矿物进行统计分析，发现矿石中矿物分布、嵌布不均匀，且矿物相对含量变化较大(表2)，与留山—羊册金红石矿带上的矿石矿物特征基本吻合[14]。

表2 留山—羊册矿带金红石矿床矿石特征参数[11,14]

3.2.3 矿石的工业类型

依据矿石中金红石粒度大小及选矿性能，可以划分为粗粒和细粒2种工业类型矿石。

(1)粗粒型金红石矿石。粒径大于0.1 mm者约占80%，金红石标本上肉眼直接可见或借助放大镜可见。对应的矿石自然类型多为斜长角闪片岩型，偶尔在黑云斜长片岩型中也可见到。该类型矿石约占矿石总量的72%。

(2)细粒型金红石矿石。金红石粒度较细，粒径多小于0.1 mm，肉眼很难直接看到金红石晶体，对应的矿石自然类型主要为黑云斜长片岩型、云母斜长片岩型及黑云石英片岩型。该类型矿石约占矿石总量的18%。

通过探槽、钻探施工验证，研究区内的矿石总体以粗粒型金红石为主。

3.3 围岩特征

矿体围岩主要为云母质片岩类，次为石英岩、斜长角闪片岩及大理岩。石英岩、云母质片岩类岩石与矿体界线较清晰，但由于云母质片岩RTiO2含量较高，多为0.30%～0.90%，局部可达工业品位构成矿石，而斜长角闪片岩与含矿岩石同为一种岩性，因此，围岩与矿体的界线应依据样品分析结果进行圈定。

4 金红石赋存状态

根据矿石的含矿岩石类型，可以划分为斜长角闪片岩型金红石矿石和黑(二)云斜长片岩型金红石矿石2种。

(1)斜长角闪片岩型金红石矿石。该类矿石呈深绿色，风化后为褐绿色，柱状变晶结构，平行或片状构造。金红石单粒粒径为0.05～0.15 mm，集合体粒径为0.1～0.25 mm，主要呈小柱状、水滴状分布于角闪石之间或其晶面上，局部呈定向排列，矿石品位RTiO2(岩、矿石中金红石TiO2)为1.03%～2.68%，平均为1.79%。矿石矿物成分为角闪石(含量40%～65%)、斜长石(含量25%～40%)、石英(含量10%～15%)，少量方解石、黑云母。

(2)黑(二)云斜长片岩型金红石矿石。该类矿石呈灰色、黄褐色，鳞片粒状变晶结构，片状构造。金红石呈细粒状、小柱状、长水滴状，粒径为0.01～0.23 mm，稀疏平行分布，部分金红石被白钛矿交代，长轴大致定向排列，较大颗粒多与黑云母接触紧密，部分包裹于黑云母晶体中。矿石RTiO2品位为1.00%～3.43%，平均为1.96%。矿石矿物成分为斜长石(含量30%～60%)，黑云母、白云母(两者含量为15%～40%)，石英(含量10%～20%)，局部含少量绿帘石。

5 矿床成因及找矿标志

5.1 矿床成因

由于矿体为稳定的变质岩层，本研究按周世泰方法计算10件岩石化学全分析样品的K值(w(K2O)/w(K2O+Na2O))与A值(w(Al2O3)/w(Al2O3+K2O+Na2O))投入相关图解(图3)分析可知，其中4个样品点分布于岩浆岩区，3个样品点分布于紧靠火成岩区的过渡区，3个样品点分布于沉积岩区[15]。含矿岩石为斜长角闪片岩、黑云斜长片岩及二云斜长片岩，TiO2含量约1.89%；矿石中没有明显的物质带出和带入现象，成矿作用与构造、蚀变、岩浆和热液活动无明显关系，说明原岩为一套高钛中基性火山岩及火山碎屑岩，在区域变质作用过程中，火山岩及火山碎屑岩变质成为片岩；当温度大于950 ℃时，岩石中的钛铁矿变成固溶体，随着温度下降，固溶体的溶解度降低，发生离溶，分解出金红石和其他类质同象的矿物。因此该矿床应属层状变质火山岩成因类型矿床。

图3 K值与A值图解

5.2 找矿标志

(1)地层。中元古界左老庄岩组第二岩性段为主要含矿段，特别是第二岩性段上部为工业矿体赋存部位，左老庄岩组第三岩性段具有较好的找矿前景。

(2)岩性。斜长角闪片岩为主要含矿岩性，次为二云斜长片岩。斜长角闪片岩易退化变质，风化强烈时可变为黑(二)云斜长片岩，岩石松软，且黏土岩化，颜色变为黄褐色或绿褐色。

(3)磁法异常。物探磁法显示有中等条带状异常存在，为重要找矿标志。

6 远景评价

6.1 成矿潜力

河南省金红石矿床自北向南可以划分为方城、西峡、新县3个较大的金红石成矿带，经历了多期构造运动及变质作用，中高等变质程度片岩发育，为钛元素富集提供了场所[16]，已控制资源量达1×107t，预测整个区域资源总量达到5×107t[17]。研究区位于河南省金红石矿带留山—羊册金红石矿亚带上，金红石赋存于中元古界毛集岩群地层中，地层展布稳定。通过开展工作，已经发现了留山、五间房、姚庄等大中型金红石矿床，已详查的RTiO2储量达到3.97×106t，成矿潜力较大。

研究区矿床受地层控制，由层状矿体组成，矿层产状与地层产状基本一致。矿区构造规模不大，且构造对矿体展布影响不大，适宜进行大型机械化开采。通过本研究勘探，查明金红石资源量为65.31万t，达到大型规模。其中仅Ti-1#矿体估算的(333)+(334)？级RTiO2资源量便达到63.33万t，矿体分布稳定，沿走向和沿倾向延伸较远，矿石中RTiO2品位平均为1.93%，矿体有用组分分布均匀(表3)。

表3 金红石矿体品位及资源量

受限于研究区范围及第四系覆盖层较厚，本研究勘探工作未圈定Ti-1#矿体边界，因而该矿体仍有较好的扩大资源量的前景；对Ti-2#、Ti-3#、Ti-4#矿体走向和倾向控制程度不高，且Ti-2#、Ti-4#矿体西南部边界尚未明确圈定，通过进一步工作有望扩大金红石资源量。本研究通过在矿区北部施工探槽并采样，在左老庄第三岩性段新发现了新的工业矿体，展布稳定，有较好的找矿前景。总体上，研究区具有较好的成矿赋矿潜力，开发利用价值较高。

6.2 矿石加工技术

目前，金红石矿的选矿试验方法有“原矿—擦洗—重选—浮选—磁选—酸洗”(方法1)和“原矿—擦洗—重选—磁选—重选—微生物提纯”(方法2)2种[15,18]，2种矿石加工方法在留山—羊册金红石矿带上的五间房矿区和刘岗矿区均得到了成功应用，且对细粒级金红石也有较好的选矿突破(表4)。

表4 金红石选矿试验结果[11,14,18]

由表4及相关分析可知：付金川金红石矿在已有选矿试验方法的基础上可大幅提高矿石加工技术性能，降低开发利用成本。

6.3 矿床开采技术条件

研究区东部有1条近SN向常年性河流，在小河流上游有一华山水库，库容量为5 700万m3，未来开矿用水方便。矿区地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，且地下水露头极少。区内石英岩、大理岩等未经风化及构造破坏的岩石大部分较完整，为可靠的隔水岩石。岩石以片岩类岩石为主，受风化作用影响，岩石力学强度较低，有利于金红石矿开采。研究区矿床属裂隙充水型矿床，含水层导水性各向异性强烈，且赋水性差，因而未来采坑排水不会对农业用水、生活用水造成明显影响，更不可能引起地面沉降、塌陷等环境地质问题。研究区水文地质及工程地质条件属简单类型，环境地质条件良好，有利于矿床开发。

6.4 矿产经济效益

金红石性能良好，广泛用于航空、舰船、化工、电力、轻工等行业。2017年亚洲钛白粉新增需求量约占全球钛白粉新增需求量的80%，亚洲钛白粉新增需求量中，我国占比为50%。随着国内市场不断扩大及环保政策实施，钛白粉价格不断上涨，截止到2018年5月份，钛白粉价格达到17 611.11元/t，增幅高达50%，预计我国未来对钛白粉的需求将保持10%～15%的增幅。未来数年全球钛白粉需求年均增速有望达到4.1%。通过与方城五间房金红石矿床进行类比分析，认为付金川金红石矿属于经济矿床，开发经济效益较好。综上分析，本研究认为付金川金红石矿床具有较好的开发利用前景。

7 结 论

(1)付金川金红石矿床为大型规模的层状变质火山岩型矿床，分属留山—羊册金红石矿带，具有较好的成矿地质背景。

(2)左老庄岩组第二岩性段为主要赋矿岩层，含矿岩性主要为斜长角闪片岩、黑(二)云斜长片岩，且含矿岩系受地层控制，区内断层、褶皱及岩浆岩与矿体成因关系不大。

(3)付金川金红石矿的有利找矿标志为地层、含矿岩性以及磁法异常。

(4)付金川金红石矿成矿赋矿潜力大、矿层稳定、矿石加工技术性能较好、开发地质条件优越、矿产经济效益较好，开发利用前景十分乐观。