钛磁铁矿砂的物理性质.pdf

钦磁铁矿砂的物理性质 D C L a wt on M P H o e h ste in 月lJ吕 沿新西兰北 岛西海 岸广泛 产有 第四纪海 滨沙 丘钦磁铁 矿 砂 wi l li am s 均7 4 一 些大型矿床的面积达1 0一2 0平方公 里 言 钦磁铁矿超过5 0 0X1 0 吨 这些 矿 床高 低品位的矿砂层总厚 度一 般为1 0一5 0米 这些矿 床的来源 尚不得而 知 在太 平洋其他 地区 斐济 印尼 日本 也有这样的矿床 但规模 要小 一些 最近新 西兰一个大矿床的 开采 表明 大间距 的勘探和浅 钻 深5 0一 10 0 米 不 能充分 预测矿 床 内部高品位 矿的富 集 浓度模式或者估计矿 石的总储量 为了解决能 否用地球 物理方法确定新 西 兰矿 床富 集模式 和矿石 总储量 的问题 我们 测定了钦磁 铁矿砂 的物理性质 密度 磁 化 率 剩磁 电阻率和激 发极化效应 矿砂 采 自三个矿 床 塔哈罗阿 3 8 1 7 0 8 1 74 20 E 拉 戈兰 37 80 8 17 4 8 5 O E 和 i不卡 托 37 3 8 S 17 4 7 2 E 1963 年R o 对 塔拉那基海岸 新西兰 钦磁铁 矿砂的磁 性 做 了有限的研 究 工 作 19 75年Un七ung 和 H an na 对 爪哇一个小型矿床进行了研 究 除了这两项工作以外 人们 没有系统研究过 物性 本文是提醒人 们对 这些矿床相当独特 的物理性质引起注意 密度的 测 定 新 西兰的钦磁铁 矿砂是圆颗粒 的钦磁铁 矿与其他 非磁海岸沙的混合 物 钦 磁 铁 矿 大约含 8肠 的T I O Z 3肠 的M g O和3帕的 A1 2 O 海 岸沙富含重矿物 特别是辉石和 角闪石 Milli ams 1974 钦磁 铁矿颗 粒的 大小一 般为 0 1一0 2毫 米 非 磁 颗 粒 为 2一0 4 毫米 一些单个的钦磁铁 矿颗粒 的短轴与长轴之 比一般 介于 0 8一0 9 拉 矿砂 的重量计 在任何矿床中 钦磁 铁矿的 平均浓度 C w 在 0 5一0 5 5之 间 混合砂的密度是钦 磁铁矿 浓 度C w 的函 数 为了测 定混 合砂的各种密度 干密 度 湿 密度 颗粒密度 我们 选取了塔哈罗阿和怀 卡托矿床的样提 O Cw 0 55 用塔 哈 罗阿和怀卡托 矿的浓 缩设备 人工 地浓缩样 品 使其C w 介于 5 5一1 之间 通过磁 铁分离磁 性颗 粒 并测出磁性部分的质量 以此确定每个样品的钦磁铁矿的浓度 由于 偶尔出现 混合颗 粒 测 定Cw时会出现 很小 的误差 就塔哈罗阿的样品来说 估计这种 误差为 0 0 3一0 0 4 怀卡托的样品小于 0 0 3 有一种研究方 法是把磁铁矿棍 合物 的 物理性质作 为磁铁矿的体积浓 度C v 的函数 加以研究 为了与这种方法 对比 我们利用 下列关系式 C v C wP l C w 户 1一 P 户2 1 这一 公式将重量浓度Cw变成体积 浓 度C v 在变换 中采用了混合 物的两种组 成部 分的密 度P 和 P Z P 是非磁 台终分 的密度 P Z 是 磁 性部 分的密度 每个样品完 全干 燥后 根据干燥的质量 和样品体积 一般为5 0 x l 毫 米 确定人 工致密的样品的干密度 P d 震动容 器 直 到样品不 再 沉 降 以使样品变得 致 密 将 样品放到已知体积 的比重瓶 中 得到颗粒密 度P p 矿 砂完全 饱和时 的湿密度 Pw 用下 列关系式计算 户w 户 d 户 f价 2 式中价一 1一 p d Zp p 是致密标本 的孔隙度 p f 是所用流体的密度 本例中 p f一 lx l 0 3 千克米 一 当发现 非致密样品磁 化率测 量的 误差比致 密样品小 很多 时 我 们还 测定了非 致密样品的干密 度p二 带 撇 的符 号表 示非致 密矿砂的参数 非致 密样品的干密度p二只 用来估计 这些样品的孔隙度功 非致 密样品 的平均孔 隙度乒 为 4 5士 0 2 致密样品 的孔 隙度价为 0 40士0 01 密 度测定结 果示于图 1上 部 它 是 8 0 个样品的干密度 湿密 度 颗粒密度 与钦磁 铁矿 浓度C v 的对比图 图 1中密度数据的 表 1 一 嚣 一 置 一 奋 蛋一 一 盲二 茸 二蜚 一飞 下 一 一 一 藉 葵 赢 一2 气 曰 件 一 一 密度 时千克米一3 入尔琳 一 科 托 一确 度 一 1 7 3 7 而 0 7 双v c 一 旅扇 一塔哈罗阿 一 干密 度 d一 8 8 4 sx C v 9 95 怀卡托 湿密度 W一2 4 3 9 3 C v l 9 9 塔哈罗呵 湿密度 W一 89 2 8又 Cv 996 怀 卡 托 颗粒密度 p 一2 9 27 5了x C v 999 塔哈罗阿 颗粒密度 P二3 74 626x C V 997 芳 Cv 为钦磁铁矿体积浓度 塔哈罗阿 样品 0 怀卡托样品 一 O O 顺 拉密度 子 口 二 O OO 代式 洲尹卜 砚密度 p 户 一 护 争人 千密度 枯杨4 4松 D知肪3 4粉知 s Z 兴 叹件 少翼 夕入 V O 叮 O 宁 甲 补2 4 公 名 lx侧阳 芯 子 盆几八 价 线 性回归 分析结果 概括在表 1中 相 关 系数很大 这意味 着所 有样品都是 由非磁砂和纯钦磁铁 矿组 成的混合 物 怀卡托矿床 非磁砂 的密 度为2 9 3 x 10 千 克米一 塔哈罗阿矿床 非磁砂 的密度为 3 1 7 x 1 0 千 克米 一 纯钦 磁 铁矿颗粒的密度为 4 7 0 x l 千 克 米 3 辉石的比例 较 高 致使塔 哈罗阿 非磁砂的颗 粒密度增大 很多 纯钦磁 铁矿颗粒的密 度几乎 等于 4 7 4 丫10 千 克米 一 3 这一 数值是1963年R o ss 在 我们的研 究地区南部矿床的钦 磁铁矿 测得的 这些数值低于列出 的纯钦磁 一一 一 一卜 下一卜洲 篮 十塔哈罗阿平 当 另 减 怀卡托 样昌 o 洛 斯 196 3 之 十 曰产 明确亡n 曰 茶妞匆 乡粼 北 矛 I 声 一 C Vrl一护 月之斗之 一CV 二 户 叱 2一 1 X 2 1 户 0 4 月 91 4050 6 D 70 即 牙010 0 磁铁矿百分体积浓度 图 1 致密钦磁 铁 矿的密 度 磁 化率随着钦磁 铁矿体积 浓度C v 的 变化 曲线 一 部的实线为二元混合物的理论磁化率 二元混合物的孔隙度为劝 钦磁铁矿体积 浓度为C v 理论磁化牵由方 程式 7 得到 l一塔哈罗阿样品 2一怀卡托样品 3一 塔哈罗阿样品 4一怀卡托样品 5一狄 5 5 1963 a 一颗粒密度 b一湿密度 c 一 干密度 铁矿颗 粒 的理论密度 5 2 0 x 10 千克米一 例如在 19 66年克拉克的结果 中 这 一 差异 是由新西兰磁铁矿 中Ti Mg Al轻元素 的包体所 致 根据 钻孔 资料 已经知道带 状沙丘 的构 造及其 钦磁铁 矿的 平均浓度 对比了沙丘上 计算的重力异 常和实测重力 异常 结果表 明 致密样品的 干密度与潜水面以上钦磁矿铁砂 的原地密度相近 在实验室中测 定的湿密度 与被 水饱和的矿砂 密 度一 样 磁化率的测定 非致 密样品的磁化率K 是用毕森 磁 化 率仪 310 lA 测 定的 磁化场 的大小与地磁 场相近 样品体积大约为 5 0 x l 0 毫 米 所 有测定 均用完全混合 的干样品做的 用下列 关 系式计算致 密样品的磁化率K和颗粒磁 化 率K p K K 户b P二 3a K p K 户p 户左 3b 式 中 P二 P d 分别为 非致密样品和致 密样品 的干密度 P p 为颗粒 密 度 钦 磁铁矿 浓度C 作为K的函数而被 绘 出 示 于 图 1下部 它说明K与钦 磁 铁 矿 浓度之 间是非线性 关系 本文所有磁学单位 均是无量冈的国际单位制单位 对图 l数据进行了抛物 线回归分析 得 到 K 一 0 028 一460C v 1 00 5C导 R Z 0 9 9 4 4 a 式中R 为相关 系数 我们的结果 与R o s s 的结 果相 近 他于 196 3年测 定了采 自 新 西 兰塔 拉那基 海滩铁 砂的相对导磁 率 声 根 据 C v K重新计算的R o s s 的数据 示于图 l K的抛物 线回归为分析作为Cw的函数 表示为 K 0 0 64 0 147Cw 2 16zC 备 R Z 0 9 95 4b 假 定塔哈罗阿 怀卡托 瑞格兰矿床上的磁 异常 仅是感应 磁化强度 引起的 最近利 用方 程式 4b 估计 了这 些矿床的矿石 储量 每个 样品的颗 粒磁 化率K 由方 程式 3b 算出 这些数据 绘在L o gKp曲线上 示于图 2 丫这条 曲线是 L og C v 的 函数 从 这个图可以 仁看 出 纯钦磁铁矿颗粒 C v二10 的磁化率 为 3 9士0 1 颗 粒大小的变化对数据的影 响不太大 因为N a g a七a 196 1 和 S ad le y B ac o n 1 96 6 引 用的测定结果表 明 对于 直 径小于 0 1毫米的磁铁矿颗 粒 这种影 响是 明显的 由于磁铁矿本来就是各向 同性的 各向异 性效应 并不影 响测 定 U yeda 等人 19 63 与类似的研究 相比表明 我们的数 据不太 分散 这是由于我们的样品颗 粒形 状 规 则 混合 物 又非常 均匀 反之 其他 研究 结果的数 据 分散 这大概是由于磁铁矿浓 度 不均匀 不同形状效 应 退 磁 所 致 虽然在每个例子 中计算样品 的磁 化 率 时 假定样品的单位磁矩J与有效 磁 化 场 H 样品内部 呈简单线性关系 严格说来 这种假设只对于相对稳定 的导磁 率 M 1的 样品是有效的 对于磁铁矿 浓度很 低的样 品 这 种假 设近似地成立 19 53年 Ma one y和Bl eifuss 测 定 了 0 00 2 C v 0 035 的样品的磁化率 确 实得到 了K 与C 之 间的准线性关系 195 8 年B a lsl e y和B u dding七o n 用 0 002 C v 0 01的样品进 行 了研 究 196 3 年J a h ren 用0 05 C v 0 2的磁 铁矿石具 有小于 1 欧姆 米的低 电阻 率值 相 反 在 其他情 况下 观测 到磁铁矿石具有大于5 0 0 欧 姆 米的高电阻率值 其浓度与低 电阻率的磁 铁矿石的浓度相近 Z a b l oeki 196 6 这 说 明磁铁矿石的电阻率主要取 决于矿石的 结 构 而不决定于 其浓度 我们测定了 5 个纯钦磁 铁矿砂样品的直 流电阻率 这 些样品的C w 为 2一 9 5 样品装满玻璃 管 体积 1 4 x l o 一 米 一 3 用 4点 电极装置 测定 电阻率 所有电极都 带 有铂 在 场强不 超过3 0伏 米 的 电场 中完 成 了测定 干钦磁铁矿 砂混合物 的测定表明 不 超 过读数误 差 lxl 7 安的非常小 的电流 能够 流过样品 这说 明干混合物的最小电阻率的 数量级为 1 欧姆 米 对于钦磁铁 矿浓 度为 Cw 0 9 5的样品 也 得到 了这样的结 果 当混 合物磨成粒度 小于 0 03 8 毫 米时 并没 有观测到导 电率的增大 在每个样品用已知 电阻率的 电解液 IN 和 O olN 氯化钠溶 液 浸泡后 进行了测定 其结果表明 浸 泡 过的样品的电阻率 并不 随磁铁矿的浓度而 变 化 实测的电阻率完全 可以用 电解 液的电导 来解释 这一 结果 意 味着 在纯钦磁 铁矿颗 粒 的样品中相邻颗粒之间也存在 着 高的接 触电 阻 这种接触 电阻的成因尚不 清 楚 塔哈罗阿和怀卡托 这两个矿床 的野 外测 量 证实了实验室的结果 测 量是 用 施 卢 姆 贝格尔 排列进 行的 没有观测到 视 电阻率有 很 大的变化 尽管沿着剖面 平均 钦磁铁矿 浓 度C w 在 0 1一0 45之间变化 1975 年Elli o七和 G u ilb en 报 道 磁 铁 矿和F e一Ti 氧化 物岩石的激发极化响应 十 十十 由度x功 千克 未落 图 4 塔哈罗阿及怀卡托矿床致 密 钦磁 铁矿砂样品的湿 密度与 磁 化率的关 系曲线 l一塔哈罗阿样品 2一怀卡托样品 钦磁铁矿的剩余磁化强度 在 我们根 据仅因感应磁 化强度引起的效 应 来解 释新西兰砂矿 上的磁 异常以前 检测 了铁矿砂有无 明显的剩余磁化强度 为此 我 们用 一个中空塑 料采样管 直径 2 0毫米 从两个矿床来集一些未受干扰的样品 将它 们切成 长 2 0毫米的标本 用旋转磁力仪和 标准的六旋转 法测 定1 0块标 本的磁化强 度 每个样品测 定两个标本 以便检查再现性 除了拉戈兰矿床的一个标本外 矿砂 的 剩余磁 化强度很小 科尼斯 布格比值较 小 0 0 2 Q 0 17 说 明了这一点 这乍 结 果 意 味着 新西兰砂矿的 钦磁铁矿颗 粒的剩余 磁 化强度方 向是零乱 的 这一 结果与U n t u ng 和 H an na 的研究 结果一 致 19 7 5年 他 们测 定了爪哇海滨 钦磁 铁矿砂若干样品的剩 余磁化强度 可以与含硫化物岩石相比较 为了弄清钦磁 铁矿砂是否显示激 发极化 效应 我们 利用同 一样品和直流 电阻率 试验的设 备 测 定了百 分频率效应 P FE 但是直流功率单 位 被 激发极化 单位所 代替 频 率范围 0 1至2 5 赫 对几 乎是 纯磁 铁矿组 成的样品 C w 95 也没有观测到 百分 频率效应 这 也 表明在交流 电场 中 相邻的 钦磁铁矿 颗粒 之 间几乎 没有电的连 续性 即使有也很小 最 近Pe l七 n 等人 在犹他 州某个粉末 状磁铁矿 床 上 没有观 测到激发极化 响应 该矿 床矿石 含7 6肠的磁铁矿 除偶尔 在钦 磁铁矿 浓 度C w 0 5 的富 集矿砂上观测到小的百分频 率效应 1 5肠 外 塔哈罗阿和怀卡托 矿床上 的野外 测量 从 本 质上 证实了实验 室的测量结果 在 松散 的 钦磁铁 矿砂 上 塔哈罗阿精选厂的尾砂 观 测到小于 5肠 的 百分频 率效应 结论 测定 钦磁铁矿 砂的物理性质 密度 磁 化 率 剩磁 电阻率和激发极化响应 为的 是 确定富集模式和了解能否用 地球物理方法确 定海 滨磁 铁砂矿和沙 丘矿床的总矿石储量 钦磁 铁矿 砂的 干密度 湿 密度 颗 粒密 度 随 着钦磁 铁矿的体积浓度C v 的增大而 线 性地增大 这表明某个矿床 所有样品都是颗 粒 密度一定的非磁 矿砂与纯钦磁铁 矿的混 合 物 由于非磁部分 的颗粒 密度在各个矿床之 间可以变化 各个矿床 密度变化模式 和铁 磁 铁矿 浓度之间的关 系略有不 同 观测到磁化率 与钦磁铁矿 浓度之间存在 着明显的非线性关 系 而各个矿床之 间这 种 非线性关系却不发生变化 这 种非线性现象 可以这样来 解释 钦磁 铁矿浓度 是变化的 它的二元混 合物的 相对导 磁率也 在变化 当 钦磁铁矿的 相对导磁率为 9 1士0 2时 实测 和计算的磁化率拟合很好 钦磁铁矿砂的 剩 磁很 小 推测钦磁 铁砂矿上的磁异常几乎 完