Geochemical characteristics and LA-ICP-MS zircon U-Pb dating of ore-bearing granite of Chuankou intrusion-related tungsten deposit, Hunan Province
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摘要:
川口矿田钨矿床产于湖南衡阳川口岩体的外接触带及岩体内部，矿床类型主要有岩浆热液石英细脉带型和石英大脉型。近年川口矿田取得了重大找矿突破，并发现了新类型的岩体型钨矿。本文对川口岩体型钨矿床的黑云母二长花岗岩及赋矿的白云母二长花岗岩分别进行了LA－ICP－MS锆石U－Pb定年和岩石地球化学特征研究，获得川口岩体的成岩年龄为（223.1±0.78）Ma，MSWD=0.98，n=24，岩体型钨矿成矿年龄为（224.6±1.31）Ma，MSWD=0.33，n=9，为印支期成岩成矿。川口花岗岩具有高SiO2，富K2O+Na2O，低CaO、MgO的特点，属于过铝质高钾钙碱性系列S型花岗岩，形成于碰撞环境下弱挤压构造体制。川口岩体稀土总量（ΣREE）整体较低，轻稀土相对较富集，具有强烈的负Eu异常，富集大离子亲石元素Ba、K和高场强元素Ta，而亏损大离子亲石元素Sr和相容元素P、Ti等，表明该岩体各阶段花岗岩来自同一岩浆源，且经历了高度演化。赋矿花岗岩更低的δEu值及（La/Yb）N值，表明其结晶分异程度更高。
Abstract:The tungsten deposits in the Chuankou orefield occur in the outer contact zone and the inner part of the Chuankou pluton. The deposit types are mainly quartz-veinlet belt type and quartz-big vein type of magmatic-hydrothermal origin. In recent years, a breakthrough in prospecting has been made in the Chuankou orefield, and a new type of intrusion-related tungsten deposits has been found. In this paper, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating and rock geochemical characteristics of biotite adamellite and ore-hosting rock muscovite monzogranite are studied. The diagenetic age of the Chuankou pluton is (223.1±0.78) Ma, MSWD=0.98, n=24, and the ore-forming age of the intrusion-related tungsten deposit is (224.6±1.31) Ma, MSWD=0.33, n=9, all of which are in Indosinian period. The Chuankou granite is characterized by high SiO2 and K2O + Na2O, low CaO and MgO. It belongs to the peraluminous high-K calc-alkaline series S-type granites, which was formed under the weak compression tectonic system in the collision environment. The Chuankou pluton is characterized by low total REE (∑REE), relatively rich LREE, strong negative Eu anomaly, enrichment of large ion lithophile elements Ba, K, and high field strength element Ta, and depletion of large ion lithophile elements Sr and compatible elements P, Ti, which indicates that the granites of each stage of the granites came from the same magma source and experienced a high degree of evolution. Compared with other granites, the ore-bearing granite (muscovite monzogranite) with lower δEu value and (La/Yb)N value has a higher crystallization differentiation degree.
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前言
20世纪30年代，由于工业需求美国制造了世界上第一台湿式自磨机，发展到20世纪50年代选矿厂开始使用自磨机来进行磨矿作业，20世纪60年代开始国外的选矿厂发现使用自磨机处理量无法达标，选矿厂就在自磨机中添加一定量的钢球形成了半自磨[1]。自磨机是将矿块达150~250 mm的矿石直接放入自磨机中，当磨机运转时物料相互碰撞、研磨达到矿石粉碎。半自磨机的工作原理在自磨机工作原理中加入少量钢球介质在简体内增加相互连续的冲击、滚落磨削作用从而使物料加速粉碎，进而达到节能的效果[2-4]。半自磨流程相对于传统磨矿流程较短，筒体比传统的磨机要短，磨到合格粒级的矿石不会在磨机里长时间的滞留，及时排出防止了过磨和能源的浪费。 半自磨工艺与传统的磨矿工艺相比优点有：(1)半自磨机处理能力大；(2)半自磨机单位矿石生产成本低；(3)半自磨流程比较短，便于管理所以需要的人力成本低；(4)半自磨操作简单；(5)半自磨工艺可以有效减少磨矿介质对矿物表面电化学性质的影响。为了解决实际生产带来的问题半自磨流程的发展呈多样化，目前，最常见的有单段半自磨流程、半自磨+球磨(SAB)、半自磨+球磨+顽石破碎(SABC)[5]。本文通过总结近年来传统半自磨流程在国内外的应用，对今后的半自磨工艺发展方向提出了几点建议。1. 单段半自磨流程
单段半自磨流程是半自磨机与分级设备(振动筛或者水力旋流器)直接构成闭合回路[6]。单段半自磨流程中给矿的力学性质变化会使得半自磨机运行不稳定，当矿石力学性质中的韧性和硬度变大，对于高韧性矿石可磨度越小越需要强化破碎磨剥和足够的冲击力。当冲击破碎效果越差使得磨机的处理能力下降，半自磨机顽石破碎的速率降低最终导致半自磨机胀肚，所以单段半自磨流程在运行一段时间就要停止给料。使用单段半自磨流程时一定要考虑矿石性质的变化，及时掌握原矿矿石力学性质做到合理配矿才能使流程更加稳定。单段半自磨流程不能高效的处理顽石(顽石不能被钢球介质和矿石自身磨碎，直径通常在2~100 mm之间)，通常认为单段半自磨流程仅适用于易磨较软矿石的矿山[7]。单段半自磨除去矿石力学性质的客观缺点，最主要的缺点为顽石破碎速率和磨矿产品质量两个方面，是单段半自磨流程改进的方向。 亨德森钼矿是北美最大的钼选厂，选矿厂破碎工艺采用一段开路破碎使用1 370 mm×2 130 mm旋回破碎机一台，排矿粒度为230 mm进入四台Φ8.5 mm×4.3 m半自磨机，每台磨机配俩部功率为2 625 kW的电机，与八台Φ660 mm的旋流器组成闭路, 分级溢流浓度为50~55%，-0.15 mm细度为65%[8]。 Yanacocha金矿2008年开始生产，采用的是单段半自磨流程，磨机的给矿粒度小于150 mm，该流程为水力旋器分级直接返单段闭路磨矿。半自磨机型号为Φ9.75 m×9.75 m的方形磨机，功率为16.5 MW。磨机排矿圆筒筛筛孔为12.7 mm×31.8 mm和十台为Φ650 mm旋流器。投产几个月后，由于选厂过于追求半自磨机的处理量，就只能增大磨矿产品粒度，最终磨矿产品粒度[9]。现厂半自磨流程见图 1所示。 20世纪八九十年代，国内矿产行业不发达。先进的半自磨工艺在国内基本没有应用，国内的半自磨技术和设备严重落后于国外[10-11]，所以国内应用成果的案例特别少且没有代表性，主要列举了国外应用实例，国内外详细实例见表 1。半自磨机给矿不稳定影响半自磨机产品质量和粒度的波动，会对浮选工序承受产品粒度造成影响。当半自磨机中发生胀肚，可以提高半自磨机转速来加快矿石的碎磨速度，就要减少处理量。解决胀肚问题，可以把单段半自磨流程设计为开路流程，增加顽石破碎环节稳定半自磨机的运转。单段半自磨流程非常简单方便管理，但在单一设备中完成碎磨流程被认为时浪费能耗，且该流程细磨能力较弱，需要准确掌握矿石性质，选择合适的工艺参数才能有效发挥单段半自磨流程的优势。表 1. 单段半自磨国外应用Table 1. Foreign application of single-stage semi-automatic grinding国家 名称 处理量 半自磨磨机规格 加纳共和国 Tarkwa金矿 420万t/a Φ8.2 m×12.8 m 菲律宾 Lepanto铜金矿 2 000 t/d Φ5.03 m×6.1 m 澳大利亚 Lefroy金矿 480万t/a Φ10.72 m×5.48 m 美国 亨德森钼矿 / Φ8.53 m×4.62 m 秘鲁 Yanacocha金矿 500万t/a Φ9.75 m×9.75 m 澳大利亚 Olympic Dam铜铀矿 20 000 t/d Φ11.60 m×7.78 m 澳大利亚 leinster镍矿 / / 爱尔兰 Tara锌矿 / / | Show Table
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2. 半自磨+球磨流程(SAB)
随着原矿的开采很多选矿厂的矿石性质发生很大的变化，原矿品位变低杂质变多，所以就需要磨矿产品细度更细。因为单段半自磨流程细磨效果不好的局限性，所以不能适合所有的选矿厂使用。科研人员就提出了半自磨+球磨流程(SAB)流程，SAB流程和单段半自磨流程的区别在于半自磨机产品进入分级设备(一般为振动筛)筛上顽石返回半自磨机进行再磨；筛下进入水力旋流器进行高效分级，溢流进入浮选作业，沉砂进入球磨机进行再磨处理，这样就解决单段半自磨流程不能细磨的问题。SAB半自磨流程可以有效地解决了细磨的问题，优化了半自磨产品质量，使更多的可选粒级进入浮选作业。同时提高了半自磨机的处理量，相对于单段半自磨流程更加的节能。除去矿石力学性质变化的客观因素，SAB流程最大的缺点是顽石破碎速率的影响，也是SAB流程优化的方向。 美国犹他州科帕顿(Copperton)铜选矿厂使用SAB半自磨流程，使用了一台Φ10.97 m×5.18 m和三台Φ10.36 m×4.57 m共四台半自磨机，半自磨机排矿端设有16 mm的振动筛，筛下产物进入Φ508 mm旋流器分级，旋流器返砂进入三台Φ5.48 m×8.53 m球磨机和一台Φ6.09 m×9.14 m球磨机进行再磨处理[12]。 2004年安徽铜陵冬瓜山铜矿采用SAB半自磨流程，使用了一台Φ8.53 m×3.96 m半自磨机，电机功率4 850 kW。半自磨机排矿进入圆筒筛，筛下进入Φ660 mm旋流器分级, 旋流器沉砂进入两台Φ5.03 m×8.23 m溢流型球磨机进行再磨，电机功率为3 300 kW[13-14]。现厂半自磨流程见图 2所示。国内外半自磨+球磨(SAB)流程使用实例见表 2，半自磨SAB流程是在单段半自磨流程的基础上进行了改造，使其适用性更加广泛，也同时具有单段半自磨流程的优点比如流程简单、易于操作并且解决了单段半自磨流程细磨不足的问题，但是同时也受到原矿矿石性质的影响和半自磨机内顽石破碎问题。顽石没法破碎在半自磨机中越来越多或者顽石破碎的速度降低，就会使得半自磨机处理量下降影响选矿厂的生产。所以使用半自磨SAB流程的选矿厂矿石性质应该为中等或较软矿石，才会使得顽石无法破碎的影响降低。
图 2. 铜陵冬瓜山铜矿SAB磨矿流程图Figure 2. SAB grinding flow chart of Tongling Dongguashan Copper Mine表 2. 半自磨+球磨(SAB)流程国内外应用Table 2. Semi-automatic grinding + ball milling (SAB) process domestic and foreign applications国家 名称 处理量 半自磨机规格 球磨机规格 美国 皮马四期铜矿 15 000 t/d Φ 8.53 m×3.65 m Φ 5.02 m×5.79 m 加拿大 洛耐克斯 34 500 t/d Φ 9.75 m×4.72 m Φ 5.02 m×7.01 m 中国 贵州锦丰金矿 4 000 t/d Φ 5.2 m×5.79 m Φ 5.02 m×6.7 m 中国 铜陵冬瓜山铜矿 13 000 t/d Φ8.53 m×3.96 m Φ5.03 m×8.32 m 中国 贵冶渣选厂 2 000 t/d Φ5.2 m×5.2 m Φ5.03 m×8.3 m 中国 大红山铁矿 400万t/a Φ8.8 m×4.8 m Φ6.0 m×9.5 m 中国 东升庙铜铅锌矿 5 000 t/d Φ11 m×5.4 m Φ7.9 m×13.6 m 中国 华刚刚果(金)铜矿 15 000 t/d Φ10.97 m×6.1 m Φ7.6 m×12.3 m 中国 太钢袁家村铁矿 2 200万t/a Φ10.97 m×6.25 m Φ7.92 m×15.24 m | Show TableDownLoad:
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3. 半自磨+球磨+顽石破碎流程(SABC)
半自磨SABC流程是在半自磨SAB流程的基础上发展来的，比半自磨SAB流程多了顽石破碎环节，半自磨机中难以破碎的顽石排出进入顽石破碎环节，一般使用圆锥破碎机破碎产品再返回半自磨进性再磨[15-16]。由于使用破碎机单独破碎顽石使半自磨机中的顽石破碎速率提高，减少了顽石在半自磨机中的积累速度，使流程适应性大大提高，系统可调节空间更大，自动化智能化发展更好，SABC流程比SAB流程处理量增加。 特恩尼特(Teniente)铜矿处理量为130 000 t/d，采用半自磨+球磨+顽石破碎(SABC)流程：1#系列用了一台Φ10.97 m×4.57 m半自磨机，电机功率为11 200 kW，介质充填率为10%，磨矿介质尺寸127 mm。2台Φ5.49 m×8.53 m球磨机，电机功率4 400 kW，介质充填率为37%。顽石破碎机为7英尺短头型圆锥，电机功率为260 kW[17]。2#系列了一台Φ11.58 m×6.1 m半自磨机，电机功率为19 388 kW，介质充填率为10%~12%，磨矿介质尺寸127 mm。2台Φ7.32 m×10.97 m球磨机，电机功率11 931 kW，介质充填率为37%。顽石破碎机为MP800，电机功率为597 kW。 江铜德兴铜矿大山选矿厂使用SABC半自磨流程非常成功，使用了一台Φ10.37 m×5.19 m半自磨机, 采用双同步电机功率为2×5 586 kW。使用了一台Φ7.32 m×10.68 m溢流型球磨机，同样采用双同步电机功率为2×5 586 kW。半自磨机排矿进入两台3 600 mm×7 500 mm直线振动筛(一台备用)进行筛分，筛下产物进入两组Φ838-6旋流器；筛上顽石进入一台MP800型圆锥破碎机，顽石经破碎后返回半自磨机[18-19]。现厂半自磨流程见图 3。国内外半自磨+球磨+顽石破碎(SABC)流程使用实例见表 3，SABC流程的优点就在于单独处理顽石，减少了在半自磨机中顽石的积累确保不会发生磨机胀肚现象。顽石的产生与原矿性质、排矿格子板上开孔尺寸、开孔率等有关，而在实际生产中顽石产率波动较大[20-21]。所以运用SABC半自磨流程时要考虑好现厂实际顽石产生的因素，确定合理的方案、配套的设备和设备的参数可以有效地解决顽石难破碎的问题。SABC半自磨流程有单段半自磨和SAB半自磨流程的优点并有效解决了顽石破碎的问题，是目前半自磨流程中最常用的，所以在选择半自磨流程时优先考虑SABC半自磨流程。
图 3. 江铜德兴铜矿SABC磨矿流程图Figure 3. Flow chart of SABC grinding of Jiangtong Dexing Copper Mine表 3. 半自磨+球磨+破碎流程(SABC)的国内外应用Table 3. Domestic and foreign applications of semi-automatic grinding + ball milling + crushing process (SABC)国家 名称 处理量 半自磨机规格 球磨机规格 破碎机规格 美国 雷伊铜选厂 27 000 t/d Φ10.36 m×5.18 m Φ5.48 m×9.44 m MP1000 印尼 福列博特铜选厂 55 000 t/d Φ10.36 m×5.18 m Φ6.09 m×9.29 m HP800 中国 内蒙乌奴克吐山铜钼矿 40 000 t/d Φ11 m×5.4 m Φ7.9 m×13.6 m HP800 中国 云南普朗铜矿 40 000 t/d Φ9.75 m×4.27 m Φ6.71 m×11.58 m HP800 中国 西藏雄村铜矿 40 000 t/d Φ10.97 m×6.71 m Φ7.32 m×9.75 m MP800 中国 德兴铜矿大山选矿厂 22 500 t/d Φ10.37 m×5.19 m Φ7.32 m×10.68 m MP800 中国 金堆城汝阳钼矿 22 000 t/d Φ10.37 m×5.19 m Φ7.32 m×12 m MP800 中国 鹿鸣钼矿 50 000 t/d Φ10.97 m×7.16 m Φ7.32 m×11.28 m CH870M 中国 巴图·希甲铜矿选厂 120 000 t/d Φ10.98 m×5.8 m Φ6.1 m×10.2 m MP1000 巴西 索谢果铜选厂 41 000 t/d Φ11.59 m×7 m Φ6.7 m×9.76 m MP800 | Show TableDownLoad:
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4. 结论
半自磨不仅优点多而且工艺越来越成熟，但是在如何稳定半自磨给矿、半自磨流程的智能化控制、半自磨工艺的理论基础这三个方面还非常欠缺是未来半自磨工艺研究和发展方向。所以从这三方面给出发展建议: (1) 半自磨流程中最大的影响因素就是矿石本身的性质，矿石因不同的矿段、矿坑、开采深度会有很大的力学性质差异，矿石力学性质的不同使得半自磨机的给矿不稳定以至于半自磨机效率很不稳定。即使用半自磨流程就要及时检测不同采矿场原矿的性质变化，然后进行合理配矿使半自磨机的给矿稳定。 (2) 随着科技的发展，在实际生产中半自磨机的规格越来越大，使用人工管理控制已经无法完全控制。所以要逐步向自动化智能化发展，完善现有的半自磨自动控制系统，研发更高智能的系统对现厂磨矿系统的运行参数进统计和检测，提供实时数据让选矿厂的工作人员更好的了解生产情况、制定计划、实施和做正确决策，提高生产效率、产品质量和整个碎磨流程的效率。对实时数据进行统计计算分析半自磨机运行是否正常，并设立合理的报警机制。 (3) 现如今半自磨应用越来越广泛，但是半自磨的基础理论非常欠缺，无法准确选择半自磨机设备型号和半自磨机介质装补制度。在选择这上述问题单纯靠经验来确定，就难免会造成很多误差。所以需要对半自磨机的选型和半自磨机装补球制度等问题确定一套完整的系统的基础的理论来支持实际生产，帮助选矿厂确定半自磨机尺寸、半自磨流程、半自磨机介质装补制度。 随着科技和经济高速的发展，能源日益短缺问题是当今人们首先考虑，所以节能降耗、提高资源的利用能力是目前工业发展的头等大事。半自磨大型磨机的优势在于能够减少选矿厂的建筑面积和磨机操作维修费用，可以简化磨矿流程和提高磨矿流程自动化，较传统碎磨流程达到节能降耗。目前半自磨工艺在国内外得到广泛的运用，半自磨设备工艺技术也有极大的进步和发展，尤其是在设备大型化、驱动及传动方式改进、磨矿流程改进、磨矿自动控制等方面进步明显，是大型新建金属矿山和矿山改建碎磨流程的优先考虑的碎磨流程。 -
图 3 川口侵入岩TAS分类图图解（a）(据Middlemost, 1994; Irvine and Baragar, 1971)；SiO2-K2O图解（b）(岩石系列分界线据Rickwood, 1989)
Figure 3.
图 4 川口花岗岩稀土元素球粒陨石标准化分配图解（标准化值据Sun and Mcdonough, 1989)
Figure 4.
图 8 花岗岩构造环境判别图(据Maniar and Piccoil, 1989)
Figure 8.
表 1 川口地区花岗岩主量(%)和微量元素(10-6)分析结果
Table 1. Major elements (%) and trace elements (10-6) compositions of granite in Chuankou
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表 2 川口岩体锆石LA-ICP-MS U-Pb分析数据
Table 2. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data of Chuankou Pluton
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图(8)
表(2)
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