滇中武定地区钛铁砂矿勘查方法提取

赵思传 ，王泽传 ，严城民 ，王亚伟，吴峰，朱毅翔

（1.云南地矿总公司（集团）“王泽传专家工作室”，云南 昆明 650051；2.云南省地质矿产勘查院昆明地质矿产所，云南 昆明 650051；3.云南省地矿局区域地质矿产调查大队，云南 玉溪 653100）

0 引言

云南省钛矿的资源储量丰富（李蓉等，2016；施玉北等，2019）。钛矿多以风化壳型钛铁砂矿的形式产出，集中出现在滇中武定地区（薛步高，2001；杨加庆等，2013；邵新宏，2013；常鸿等，2017；范礼刚等，2018；赵思传等，2020a，2020b）。且滇中钛铁矿砂矿矿床大多为单一矿产，部分为主要矿产，具有点多面广、资源储量大、埋藏浅宜露天开采、大中型矿床分布较为集中的特点（李蓉等，2016；常鸿等，2017；施玉北等，2019）。

滇中武定地区区域大地构造属上扬子古陆块（二级构造单元）康滇基底断隆带（三级构造单元）（图1a）。武定地区与辉绿辉长岩有关的钛铁砂矿是滇中有色金属成矿带的重要组成部分。区内出露的与钛铁砂矿有关的华力西期基性侵入岩，主要是与二叠系峨眉山玄武岩浆同期异相的含钛辉绿辉长岩浅成侵入岩体（焦骞骞，2012；赵思传等，2020a），该期岩体是区内钛铁砂矿的成矿母岩，其分布受区域构造控制，大部分分布于断裂带附近或侵位于褶皱构造轴部，沿断裂带侵位多呈岩墙（脉）状产出，而沿褶皱轴部侵位多呈岩床状或席状产出，局部呈岩株状（图1b）。

前人对滇中地区钛铁砂矿的研究主要集中于钛铁砂矿床的成因（吕世琨，1990；杨加庆等，2013；和丽芳，2013；周昕，2014；常鸿等，2017；贾奎，2017；王雁和陈忠，2017；范礼刚等，2018；赵思传等，2020a，2020b），及钛铁砂矿品位、储量计算方法的探讨（朱耀登，2012；王栋等，2018；王亚伟和赵思传，2020）。但是由于钛铁砂矿勘探发展的历史原因，滇中地区钛铁砂矿前期勘探过程中矿石品位的确定主要用重砂淘洗分析法，近年来则以原矿化学分析法与物相分析相结合（简称化学分析法）确定钛铁砂矿的品位为主（朱耀登，2012；王栋等，2018；王亚伟和赵思传，2020）。两种勘查方法的变更过程中，由于区内矿体划分方案不同，划分标志的不统一（赵思传等，2020b），勘查工程布设欠合理等原因，造成勘查成本过高，甚至引起了生产技术指标混乱，开发论证困惑、管理困难的局面（朱耀登，2012）。2013年，云南地矿国际矿业股份有限公司进行了云南省武定县梅子箐钛铁砂矿（以下简称“梅子箐钛铁砂矿”）勘探。在地质勘查过程中，总结与创新了风化壳型钛铁砂矿的勘查方法，力求解决部分上述问题。

滇中武定地区钛铁砂矿的勘查方法为：同步进行3种调查，合理设计探矿工程，重点研究3个问题。该方法在《砂矿（金属矿产）地质勘查规范》（DZ/T 0208-2002）基础上进行改进。在研究过程中，参考了风化壳矿床勘查方法的工作指南与相关专著（刘凤祥等，2013；李余华等，2019）。

在总结创新的钛铁砂矿勘查方法的指导下，2015年进行的云南省武定县长冲钛铁砂矿（以下简称“长冲钛铁砂矿”）普查，达到了“准、精、快、省”的目的。通过3种矿区调查，准确圈定了矿体分布范围。合理设计探矿工程，提高了探矿工程的控制效果与勘查精度。先进、合理的勘查方法，加快了整个勘查速度，节省了大量的勘查费用。

长冲钛铁砂矿普查，仅使用了15个月时间，共花费了1149.39万元勘查经费。探获内蕴的推断的+内蕴的潜在钛铁矿矿物资源量6489069 t，资源量达超大型规模。此外，尚有伴生内蕴的推断的+内蕴的潜在钛磁铁矿物资源量2294633 t。

1 同步进行3种调查

在地质勘查初期，要同步进行地貌调查、风化壳调查、第四系调查，比例尺均为1∶10 000。

1.1 地貌调查

地貌调查主要参考区域地质调查总则（DZ/T 0001-1991）、第四系区域地质调查内容与技术要求（DD2008-XX）、工程地质调查规范（DZ/T 0097-1994），及相关教材（张树明，2013）、科研专著进行，主要研究内容为确定古夷平面、划分地貌小区、地貌小区剥蚀程度。

在古夷平面附近，风化壳的剥蚀程度较低，有利于风化壳型钛铁砂矿的保存。确定古夷平面的具体方法为：将平顶山、圆顶山尽可能多地标绘在与1∶10 000的地形图上，读取各个山峰的海拔高程，采用统计法求出较为集中的山峰海拔高程——即为初步确定夷平面的海拔高程。初步确定古夷平面后，在野外有目标地进行调研，合理地确定古夷平面海拔高程。在室内、野外研究古夷平面的过程中，均要同步进行遥感解译。在古夷平面附近，允许有少量高出古夷平面的残留山。在古夷平面之下的地区，由于后期剥蚀作用，山峰海拔高程会略低于古夷平面。

矿区内地貌单元一般进行3级划分，分别称为地貌区、地貌亚区、地貌小区。一级地貌单元以夷平面为划分标志。二级地貌单元的边界一般为矿区一级水系的分水岭、分水线，范围与矿区一级水系的分布完全吻合。三级地貌单元的边界为矿区一级、二级河流，范围与较大的山体分布范围相一致。各三级地貌小区的剥蚀程度，有较明显的差别。

风化壳的剥蚀程度主要反映在山体地貌、斜坡地貌、水系形态上（表1）。风化壳的剥蚀程度越低，越利于风化壳型钛铁砂矿的保存。

表1 判别风化壳剥蚀程度的主要标志

1.2 风化壳调查

含钛基性侵入岩是风化壳型钛铁砂矿的成矿母岩，应对其进行与地质勘查程度相吻合的研究。在地质调查中可参照区域地质调查规范、区域矿产调查规范、工作指南、相关文献（赵思传等，2020b）进行。矿区地质调查中主要研究含钛基性侵入岩的分布范围、岩石特征，后期风化剥蚀程度，也可适当进行岩石成因的研究。

风化壳型钛铁砂矿区的第四系残坡积物覆盖面广，基岩出露较少。含钛基性侵入岩的分布范围，可根据零星露头、残坡积物的砾石成分、风化壳特征、地形地貌，进行综合分析圈定。如含钛基性侵入岩形成的土壤多为褐色、棕红色粉土；碳酸盐岩石的喀斯特地貌明显，土壤的粘性较高；石英含量较高的砂岩形成的土壤砂粒含量较高；泥质岩石分布区地形较为平缓，风化壳厚度较小。

含钛基性侵入岩的风化壳，还可以通过一些简而易行的野外测试进行识别。将松散的土壤敲碎后，磁性笔可吸附出较多的钛铁矿、钛磁铁矿。将少量土壤放入矿泉水瓶中加水溶解后，可见较多的黑色重矿物——钛铁矿、钛磁铁矿。

1.3 第四系调查

第四系调查的主要研究内容为含钛基性侵入岩风化壳的层位划分、球状未风化体的分布与成因。

含钛基性侵入岩的风化壳一般划分为：红土化层、全风化层、半风化层（表2）（赵思传等，2020b）。全风化层厚度较大，为主要含矿层位。红土化层厚度较薄，半风化层矿化程度较低，均为次要含矿层。

表2 含钛基性侵入岩风化壳地质内容

球状未风化体的含量与钛铁矿的矿性强度呈消长关系。按照成因，球状未风化体划分为3种类型，详见表3。

表3 球状未风化体的特征与成因

2 合理设计探矿工程

在同步3种调查的基础上，合理使用探矿工程，包括勘查工程布置与探矿工程选择，以达到降低勘查成本的目的。

2.1 勘查工程布置

风化壳型钛铁砂矿明显受地形，特别是微地貌控制。在地表流水对地形的切割程度较大、微地貌差异明显的情况下，采用矩形勘查网布置勘查工程就很难对不同微地貌进行均衡控制，降低了探矿工程对矿体的控制精度。为此，《稀土矿产地质勘查规范》（DZ/T 0204-2002）的资料性附录中，给出了风化壳离子吸附型稀土矿控制的工程间距和面密度，不必机械地按矩形网布置探矿工程。

经实践总结，用密度法布置勘查工程时，勘查工程可沿山脊按“树枝形状”布置，由此得出的勘查网称“树形勘查网”。

按树形网布置勘查工程的方法是：①在矿区选择若干条规模较大的河流，以主河道为标志将矿区划分为若干区域，区域内的山脊基本向海拔最高的山峰归并形成同一“树枝”；②在各个“树枝”分布区，首先在树枝状山脊上布置勘查工程，然后沿山脊向山腰、山脚均匀地布置一定数量的勘查工程。

用树形网布置勘查工程之前，要根据矩形网的工程间距，计算出单位面积的勘查工程密度。根据“工程密度”衡量用树形勘查网布置的探矿工程数量，是否达到已经确定的地质勘查类型要求。

明确矩形网的工程间距还有一个重要用途。矩形网的工程间距是圈定矿体、估算资源储量中进行有限外推和无限外推的唯一依据。

按树形网布置勘查工程需要注意：平行山脊方向的勘查工程间距较大，垂直山脊方向的勘查工程间距较小。

矩形网布置勘查工程的最大优点是，可在长方向、宽方向和2个对角线方向同时获得4个方向的勘查线剖面图（“勘查线”原称“勘探线”），最大限度地揭示矿体在三维空间的变化情况。按树形网布置勘查工程，则不具备这方面的优势。

为此，可将普查阶段的勘查工程布置划分为两个阶段。第一阶段按矩形网布置勘查工程，勘查工程数量占普查阶段总数的1/3～1/2。第二阶段按树形网布置勘查工程，勘查工程数量占普查阶段总数的1/2～2/3。在详查、勘探阶段，均在普查的树形网基础上加密勘查工程。

2.2 探矿工程选择

风化壳型钛铁砂矿的勘查手段，主要为机械岩芯钻（金刚石钻探工程）、洛阳铲、浅井，三者各有优势与不足。

（1）机械岩芯钻的优点：操作较为简便，施工速度较快，单位进尺费用较低，钻进（勘查）深度较大。缺点：岩芯较小而不利于地质观察与采样，设备较大搬迁困难。

（2）洛阳铲的优点：设备重量较轻，随打随搬；占地面积较小，不受地形、地物限制；工作效率较高，成本较低。缺点：钻进过程中取芯频繁，易将孔壁物质带入井底，造成矿井底样品污染。

（3）浅井的优点：施工设备简单，不受地形、交通条件影响；在探矿工程中易于观查地质现象，进行风化壳分层、观察各层的岩（土）体结构，比其他探矿工程更为准确；大体重、工业试验、含矿率等样品，只能在浅井中采集。缺点：费用较高、勘查深度较小。

机械岩芯钻、洛阳铲数量在探矿工程中所占比例，可根据矿区地形、地物等影响因素合理确定。

在《固体矿产资源储量分类》（GB/T 17766-2020）的勘查阶段划分中，普查阶段可不作探矿工程手段的限制，详查、勘探阶段浅井占探矿工程总数的5%～10%，并且总体分布均匀。

详查、勘探阶段，要合理地选择2%～3%的探矿工程点，在同一地点同时施工机械岩芯钻、洛阳铲、浅井。在三者中进行基本分析样品的氧化物质量分数、单工程矿体厚度的对比，作为探矿工程质量评述的重要指标。

3 重点研究3个问题

在风化壳型钛铁砂矿的勘查过程中，要按照砂矿（金属矿产）地质勘查规范（DZ/T 0208-2002）、区域地质调查总则（DZ/T 001-1991）、第四系区域地质调查内容与技术要求（DD2008—XX）等相关规范系统采集测试样品，重点研究3个问题。

3.1 风化壳的风化指数

风化壳自上而下划分为红土化层、全风化层、半风化层（图2），为合理地划分三者，要在各层中采集一定数量的土体级配分析样、主量元素分析样。土体级配分析样主要用于确定风化壳各层位的土体类型及垂向变化，指导风化壳的合理分层。利用主量元素分析结果，求出红土化层、全风化层、半风化层的岩石风化指数（邱家骧和林景仟，1991），对风化壳分层的合理性进行验证。

图2 钛铁砂矿矿体垂直分带及品位变化曲线图（据赵思传等，2020b）

风化指数（Wl）由Parker（1970）提出，用于表示硅酸盐岩石的风化程度。对于硅酸盐岩石，风化程度越高，风化指数越小。

风化指数（Wl）的计算公式引自邱家骧和林景仟（1991）：

式中：(Na)a、(Mg)a、(K)a、(Ca)a分别表示Na2O、MgO、K2O、CaO中Na、Mg、K、Ca的原子质量，函数中的分母表示每个元素和氧之间键的强度。

在《岩石化学》（邱家骧和林景仟，1991）中，未给出计算的方法步骤。(Na)a、(Mg)a、(K)a、(Ca)a的计算较难理解，现以(Na)a/0.35为例进行说明。计算中元素的原子量，采用《矿产资源工业要求手册》中元素周期表的数据（矿产资源工业要求手册编委会，2010）中元素周期表的数据。即：Na=22.990，O=15.999。

（1）Na2O的分子量：22.990×2+15.999=61.979；

（2）Na2O中Na的质量分数：22.990×2÷61.979=74.186%；

（3）当Na2O=2.59时，(Na)a：2.59×74.186%÷22.990=0.084。

在实际计算中，74.186%÷22.990÷0.35为常数(0.0922)。因此，可将(Na)a的计算公式简化为“2.59（Na2O质量分数）×常数”，即2.59×0.0922=0.2388。

照此类推，可进行(Mg)a、(K)a、(Ca)a计算。当Na2O=2.59、MgO=0.60、K2O=4.64、CaO=2.09 时：Wl=(2.59×0.0922+0.60×0.0276+4.64×0.0849+2.09×0.0255)×100=70.25。

3.2 化学分析成果的数据处理

长期以来，确定风化壳型钛铁砂矿的边界品位和工业品位，均采用重砂淘洗法。《砂矿（金属矿产）地质勘查规范》（DZ/T 0208-2002）的资料性附录中提出：金红石（矿物）的边界品位和工业品位分别为1 kg/m3、2 kg/m3；钛铁矿（矿物）的边界品位和工业品位分别为10 kg/m3、15 kg/m3。

地质勘查中重砂淘洗法存在3方面不足：①样品要经过野外、室内淘洗，粒度较细的金红石、钛铁矿回收率较低；②野外采集样品后，需将重量较大的样品运送至河流、水塘淘洗，样品运输、淘洗耗时耗工；③样品室内鉴定过程中，工艺较为复杂，鉴定费用较高。

为此，在梅子箐钛铁砂矿勘查中进行了用化学分析法确定风化壳型钛铁砂矿边界品位、工业品位的研究。

研究思路是：①通过物相分析，求出样品中金红石、钛铁矿、钛磁铁矿、其他矿物中TiO2的质量分数；②根据重砂分析、化学分析、物相分析结果，建立多元回归模型，用化学分析结果计算出重砂分析结果。

在风化壳剖面上，滇中武定地区钛铁砂矿可划分为红土化层砂矿、全风化层砂矿、半风化层砂矿，划分方案与风化壳分层相吻合。在100件样品中，因变量为重砂淘洗法获得的TiO2质量分数，自变量为化学分析法、物相分析法获得的TiO2质量分数。通过SPSS软件构建因变量与自变量之间的多元回归模型。

回归方程中：Ⅰ为化学分析法获得的TiO2质量分数（%），Ⅱ为物相分析法获得的钛铁矿中的TiO2占原矿的比例（%），Ⅲ为重砂淘洗法获得的 TiO2质量分数（%）。

各矿层的多元回归分析模型如下（王亚伟和赵思传，2020）：

（1）红土化层砂矿：Ⅲ=-3.662+0.960×Ⅰ+0.064×Ⅱ；

（2）全风化层砂矿：Ⅲ=-4.663+1.085×Ⅰ+0.072×Ⅱ；

（3）半风化层砂矿：Ⅲ=-2.816+0.948×Ⅰ+0.054×Ⅱ。

经统计，红土化层砂矿、全风化层砂矿、半风化层砂矿的Ⅱ分别为46.92%、50.38%、37.32%，上述计算公式转化为：

（1）红土化层砂矿：Ⅲ=-3.662+0.960×Ⅰ+0.064×46.92%；

（2）全风化层砂矿：Ⅲ=-4.663+1.085×Ⅰ+0.072×50.38%；

（3）半风化层砂矿：Ⅲ=-2.816+0.948×Ⅰ+0.054×37.32%。

通过多元回归分析模型解决了化学分析法与重砂淘洗法的成果互换问题，解决了化学分析法确定风化壳型钛铁砂矿TiO2质量分数的难题。该方法也可以指导钛铁砂矿选矿技术研究、选矿方法论证、资源储量管理等工作。

3.3 风化壳TiO2富集系数

风化壳层位包括红土化层、全风化层、半风化层。岩石类型可划分为辉绿岩、辉绿辉长岩、辉长岩。值得注意的是：在红土化层、全风化层、半风化层中，不同岩石类型的TiO2质量分数不同，计算TiO2富集系数，只能在类型相同的岩石及其风化壳中进行。

土壤地球化学调查中，样品中某种元素富集系数（R）的计算公式为R=Cx/Cp。其中：Cx为样品X中某种元素的质量分数，Cp为母岩中某种元素的质量分数。

为表示TiO2在风化壳中的富集程度，本文参照样品富集系数的概念与计算方法，将其改称TiO2富集系数。计算公式为：

TiO2富集系数=（某种岩石在风化壳某一层位中TiO2质量分数）/（该种岩石在弱风化层的TiO2质量分数）。

富集系数的研究具两方面重要意义：①通过成矿远景区TiO2富集系数的研究，可预测该成矿远景区内哪些岩石形成的风化壳具有钛铁矿的成矿远景，有依据地缩小找矿靶区；②对矿区风化壳不同层位TiO2富集系数的研究，可以预测风化壳的含矿、富矿层位，有针对性地进行研究。

4 结论

通过对滇中武定地区钛铁砂矿勘查方法的总结与创新，可得出下述结论。

（1）地质勘查初期要同步进行地貌调查、地质调查、第四系调查，比例尺均为1∶10 000。地貌调查的主要研究内容为：确定古夷平面、划分地貌小区、地貌小区剥蚀程度。地质调查的主要研究内容为含钛基性侵入岩的分布范围、岩石特征。第四系调查的主要研究内容为含钛基性侵入岩风化壳的层位划分、球状未风化体的分布与成因。这些调查是矿体圈定、合理使用探矿工程、研究矿体关键技术指标的基础。

（2）合理使用探矿工程，包括勘查工程布置与探矿工程选择。普查的第一阶段按矩形网布置勘查工程，普查的第二阶段、详查阶段、勘探阶段按树形网布置勘查工程。风化壳型钛铁砂矿的勘查手段，主要为机械岩芯钻、洛阳铲、浅井。在设计施工中：一要合理地确定三者所占比例，二要进行相互验证。探矿工程的合理使用、方案优化，有助于 “快、省”地勘查钛铁砂矿。

（3）重点研究的3个问题为：①根据风化指数（Wl）补充对风化壳不同层位的划分依据；②在探矿工程中，用化学分析法取代重砂淘洗法，减少采样和测试成本；③对成矿远景区、矿区TiO2富集系数的研究，缩小找矿靶区，预测风化壳的含矿、富矿层位。3个问题的研究，有助于 “准、精”地勘查钛铁砂矿。

致谢参与此项工作的有何智、吕俊、让昊、常鸿、李兴义、刘以成等，在此一并感谢。感谢两位审稿人的宝贵意见。