金紅石的研究現狀及地質學意義

韋艷玲，郭靜漣

（桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541006）

金紅石就是較純的二氧化鈦，一般含二氧化鈦在95%以上，是天然TiO2同質三象（其他兩象為銳鈦礦和板鈦礦）中的最穩定者，乃自然界最常見的礦物之一，是提煉鈦的重要礦物原料，金紅石分布極為廣泛，不但在地殼中存在（地殼中儲量較少），而且在月巖和隕石中也已發現（張惠芬等，1988a）。正確認識金紅石的化學、物理特性、晶體結構特征，以及金紅石作為礦產資源的經濟價值等方面的有關知識，對研究金紅石在地學中的應用提供了很多參考和依據[1]。

金紅石礦物學研究對于有效開發和利用中國嚴重短缺的金紅石資源、開展相關的地質科學問題的探討等也具有十分重要的科學意義。其礦物學研究不但可以為確定找礦標志、選擇找礦方法提供礦物學依據，還可以為揭示金紅石礦床的成礦規律和成因、提高礦石的綜合利用水平、選擇合理的選礦和冶煉方法提供必要的基礎數據。有少量金紅石可用作寶石，還可作半導體和檢波器[2]。不僅如此金紅石在地質學中也有很廣泛的應用：金紅石微量元素（Nb和Ta、Cr和Nb）的變化變化對殼幔作用的指示意義，同時也可用于原巖、沉積物源區性質的判別；金紅石放射性測年體系的應用；Zr-金紅石溫度計對溫度的制約以及其可以是很好的標型礦物等。金紅石的以上屬性和功能，都使得金紅石成為繼鋯石之后倍受地質學家的青睞的礦物。

1 金紅石資源分布狀況

全球金紅石資源量分布不均，澳大利亞金紅石儲量位居世界第一，占全球資源量的40%（表1）。我國已發現金紅石礦床主要分布在湖北、河南、陜兩、江蘇、山西及山東為（占全國總儲量的96%）。我國的鈦資源雖然豐富，位居世界第一，但是金紅石的開發利用尚處于初級階段，年產量很低，大約2500t/a左右，且90%來自砂礦，與國外相比，大部分屬原生礦，原礦品位低、嵌布粒度細，礦石性質復雜，因此不能采用國外普遍應用的重選、電選和磁選聯合工藝流程。致使選礦難以突破，天然金紅石資源得不到有效開發利用。

表1 全球金紅石儲量

2 金紅石基本特征

金紅石，是含鈦的主要礦物之一。四方晶系，常具完好的四方柱狀或針狀晶形，集合體呈粒狀或致密塊狀。暗紅、褐紅、黃或橘黃色，富鐵者呈黑色；條痕黃色至淺褐色。金剛光澤，鐵金紅石呈半金屬光澤。性脆，硬度6～6.5，密度4.2g/cm3～4.3g/cm3，富含鐵、鈮、鉭者密度增大，高者可達5.5g/cm3以上，性脆。金紅石常含有Fe2+、Fe3+、Nb5+、Ta5+、Sn4+、Cr3+和V3+等混入物，因此類質同象置換現象較為復雜，易形成一系列鈦礦物（或變體），如鈦鐵礦、鈮(Nb5+)鐵金紅石及鉭(Ta5+)鐵金紅石等。

3 金紅石的研究現狀

3.1 放射性測年體系

金紅石含U，低放射性成因Pb和較高的封閉溫度的屬性，使得其成為U-Pb測年的良好載體，金紅石微區原位U-Pb同位素定年研究是一個新的測年研究領域和趨勢。和鋯石一樣，在金紅石生長過程中Hf是幾乎全部進入其晶格的，所以說放射性成因的Hf基本可以忽略不計，因此也可用Lu-Hf同位素體系進行研究，目前Lu-Hf體系的主要測試手段為LA-MC-ICP-MS技術[3]。

圖1 各顏色的金紅石（d為石英與金紅石）

3.2 金紅石的微量元素研究：Nb和Ta、Cr和Nb

金紅石中Nb和Ta，被廣泛應用于如巖漿演化和俯沖區域變質過程的地質過程示蹤。研究表明不同類型巖石金紅石中Nb和Ta的含量也大不相同，如：花崗巖及偉晶巖以高含量的Nb和Ta為特征，其比值甚至可＞1；而堿性巖則是富Nb貧Ta；金紅石Cr/Nb比值能夠有效判別地原巖并能夠提供一些有效的源區信息。Zack et al.(2002，2004b)等通過不同來源金紅石的分析后認為，原巖類型不同的金紅石可具有明顯不同的Nb、Cr、Zr、W等微量元素特征，認為利用金紅石中Cr/Nb可以有效地判別鐵鎂質和泥質變質巖的原巖。

3.3 金紅石Zr溫度計

金紅石Zr含量溫度計是近些年提出的單元素溫度，許多研究者已經嘗試將該溫度計應用于各種高級變質巖中（王汝成，2005；Zack et al.2008；陳振宇，2009)，并通過不同變質階段生成的金紅石分別測量其Zr元素含量計算其形成溫度以反演變質巖變質演化的P-T-t軌跡[4]。金紅石可以形成于進變質過程中，或退變質過程中，或變質峰期時等，因此關于Zr-金紅石溫度計的研究要結合樣品的巖相學、礦物包裹體和微量元素、U-Pb體系定年等方面予以綜合考慮，并對礦物的形成環境和形成世代加以限定，從而為合理解釋礦物中微量元素的分配及其記錄的溫度信息提供有效制約。

3.4 金紅石多型在高壓-超高壓變質作用中的標型意義

近年來，對TiO2的高壓實驗表明，金紅石在超高壓＞4Gpa條件下可以存在4種多型變體，α-PbO2型（4Gpa～7Gpa）、斜鋯石型（16Gpa～20Gpa）、螢石型和氯鉛礦型[5,6]。因而這些金紅石變體的發現對于高壓-超高壓變質作用物理化學條件有非常好的制約，是很好的標型礦物。此外，還有一些學者對金紅石中結構水的研究，發現金紅石晶格中結構水分布具有不均一性，在不同樣品之間和顆粒內部都有明顯表現，指示超高壓變質過程中有限的流體活動和快速的板塊俯沖一折返過程（盛英明等，2007）。

4 結語

隨著科技的進步及各分析技術的發展，金紅石的研究也越來越火熱，目前在許多方面都已經取得了突出的進展，但是金紅石研究領域也還存在一些亟待解決的問題，是需要進一步發展的方法。