廣西土壤和水系沉積物鋰元素時空分布及找礦預(yù)測

王新宇, 李 杰, 凌坤躍, 付 偉, 張起鉆, 楊志強(qiáng), 吳祥珂

(1.廣西地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局, 南寧 530023; 2.廣西地質(zhì)調(diào)查院, 南寧 530023; 3.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國家重點實驗室, 貴陽 550081; 4.桂林理工大學(xué) 廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

鋰元素地殼豐度為16×10-6, 屬于稀有金屬, 被廣泛用于電池、醫(yī)藥、核工業(yè)、航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域, 是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)不可或缺的原料, 被稱為“21世紀(jì)新能源金屬”和“促進(jìn)世界進(jìn)步的金屬”, 具有極高的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價值[1]。我國現(xiàn)有的鋰供應(yīng)高度依賴國外, 2017年80%的鋰是進(jìn)口的, 鋰資源的開發(fā)利用作為國家戰(zhàn)略的一部分, 列入“十三五”規(guī)劃[2]。因此, 了解土壤中鋰的濃度和分布, 對緩解我國鋰資源短缺具有重要意義。

全球鋰礦資源豐富, 主要分為鹽湖鹵水型、硬巖型和黏土型(主要為火山巖黏土型)三大類[3-4]。 截至2017年, 全球可利用鋰資源儲量為1 557萬t, 其中鹽湖型占66%、硬巖型占26%、沉積型占8%[5]。據(jù)USGS 2017年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國鋰儲量為320萬t[6], 居世界第二位, 以鹵水型為主,硬巖型次之。除傳統(tǒng)類型鋰礦資源外, 我國在煤系和鋁土礦等沉積黏土巖中也發(fā)現(xiàn)有鋰的富集現(xiàn)象, 部分礦床中的鋰甚至達(dá)到了獨(dú)立鋰礦的邊界品位(Li2O>0.5%)[7]。但因?qū)︿嚨馁x存狀態(tài)和富集規(guī)律研究不足、提取工藝不成熟、鋰資源評價體系不健全等問題, 該類型鋰礦資源尚未進(jìn)行開發(fā)利用[6, 8]。溫漢捷等[9]在對黔中早石炭世九架爐組和滇中早二疊世倒石頭組進(jìn)行系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上, 依據(jù)鋰主要賦存于黏土礦物(蒙脫石)中, 且與基底碳酸鹽巖具有密切成因聯(lián)系(主要物源)的特點, 定義其為碳酸鹽黏土型鋰資源, 在成因及賦存狀態(tài)上與國外火山巖有關(guān)的黏土型鋰礦有本質(zhì)區(qū)別, 是我國鋰礦資源的新類型。因其賦礦巖石多為黏土巖、鋁質(zhì)黏土巖和炭質(zhì)黏土巖, 具有產(chǎn)出層位穩(wěn)定、開采成本低(大部分露天開采)等特點, 成礦潛力巨大,使得該類型鋰礦或成為我國鋰礦資源開發(fā)利用的另一個重要發(fā)展方向[10]。

廣西不僅是我國重要的沉積型鋁土礦成礦區(qū),還大面積產(chǎn)出二疊系炭質(zhì)頁巖/煤層、黏土巖等黏土型鋰礦的目標(biāo)地層,具有形成黏土型鋰礦的良好成礦條件。因此,本文在已獲得的廣西土壤和水系沉積物鋰元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 繪制廣西地區(qū)深層土壤和水系沉積物鋰地球化學(xué)分布圖,圈定鋰的異常區(qū)并探討其與地質(zhì)背景時空對應(yīng)關(guān)系,探討廣西黏土型鋰礦的找礦方向,圈出黏土型鋰礦找礦遠(yuǎn)景區(qū),為下一步鋰礦的找礦工作提供參考。

1 廣西區(qū)域地質(zhì)概況

廣西位于上揚(yáng)子陸塊與武夷-云開造山系的交接部位, 構(gòu)造運(yùn)動頻繁, 其中以呂梁運(yùn)動、四堡運(yùn)動、廣西運(yùn)動、東吳運(yùn)動、印支運(yùn)動及燕山運(yùn)動最為普遍而強(qiáng)烈, 除東吳運(yùn)動外, 均具有造山運(yùn)動性質(zhì), 顯示出具多旋回構(gòu)造運(yùn)動的特征。多期次的構(gòu)造事件, 在不同的大地構(gòu)造單元形成不同的沉積盆地, 地層發(fā)育齊全, 沉積相多變, 巖漿巖、變質(zhì)巖巖石構(gòu)造組合多樣, 構(gòu)造樣式復(fù)雜, 礦產(chǎn)資源豐富[11]。廣西巖漿侵入活動比較頻繁, 各次地殼構(gòu)造運(yùn)動均伴隨有巖漿侵入活動, 并且?guī)r漿侵入活動與成礦作用十分密切, 特別是印支期和燕山期巖漿活動具有硬巖型鋰礦的形成條件[12]。廣西地史時期沉積環(huán)境復(fù)雜, 沉積類型多樣, 地層從新元古界—新生界幾乎均有沉積礦產(chǎn)含礦層位, 特別是下石炭統(tǒng)鹿寨組、巴平組和堯云嶺組、寺門組是廣西煤、錳、黃鐵礦、黏土礦的重要含礦層位, 二疊系合山組賦存有豐富的煤、鐵、鋁、黃鐵礦、黏土礦, 其頂?shù)装宥酁樘妓猁}巖地層, 成巖成礦環(huán)境與滇中黏土型鋰礦相似[9], 具有良好的找礦前景。廣西地質(zhì)簡圖見圖1。

圖1 廣西地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Guangxi

2 數(shù)據(jù)來源及處理

分別收集了廣西1∶ 25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查已完成區(qū)域7.5萬km2的深層土壤數(shù)據(jù)[13]和廣西1∶ 20萬區(qū)域化探水系沉積物L(fēng)i地球化學(xué)測量數(shù)據(jù)[14]。廣西已完成的1∶ 25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查深層土壤樣采樣密度為1件/4 km2, 采樣深度為150～200 cm(當(dāng)局部地區(qū)土壤深度難以達(dá)到時, 依據(jù)土壤平均厚度確定采樣深度), 1件/16 km2組合分析, 原始樣品充分晾干后過20目(0.8 mm)篩, 按要求組合成400 g/件, 送樣測試分析, 共獲取7.5萬km2的4 742件深層土壤樣品[15]。廣西1∶ 20萬區(qū)域化探采樣密度為1件/km2, 每4 km2組合1個樣品進(jìn)行分析, 采集水系沉積物中的細(xì)粒級物質(zhì), 避免采集有機(jī)質(zhì), 不采岸土和人工污染物質(zhì); 采集土壤樣時樣品采自B層, 采樣深度10～140 cm, 碎屑巖、花崗巖景觀區(qū)樣品過60目(0.25 mm)尼龍篩, 巖溶區(qū)過20目篩[16]。依據(jù)所獲取數(shù)據(jù)在MapGIS 6.7系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。采用常規(guī)網(wǎng)格化方式, 網(wǎng)格化模型采用距離冪函數(shù)反比加權(quán)[17], 數(shù)據(jù)搜索模式采樣四方向, 每搜索方向點數(shù)6, 搜索半徑為20 km。采用累計頻率85%作為異常下限[18], 以85%、92%、98%對應(yīng)的分析值作為異常三級濃度分界線。

3 結(jié)果和討論

3.1 土壤鋰的地球化學(xué)空間分布

選取分析結(jié)果中Li、Al2O3進(jìn)行統(tǒng)計分析, 結(jié)合成礦地質(zhì)背景和1∶ 25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查獲取深層土壤(150～200 cm)Li元素含量特征(表1), 采用累計頻率85%作為異常下限, 以85%、92%、98%對應(yīng)的分析值作為異常三級濃度分界線，對應(yīng)Li含量分別為60.9×10-6、70.10×10-6和87.90×10-6。 元素異常主要分布在環(huán)江、柳城-鹿寨一帶、忻城-上林-黎塘一帶、橫縣-貴港一帶; 從層位來看主要分布在石炭系、第四系臨桂組、泥盆系, 其次為二疊系, 此外在浦北縣-玉林市一帶的白堊紀(jì)-三疊紀(jì)花崗巖也有異常分布。Al2O3異常下限為22.7%, 元素異常分布在中部石炭系-泥盆系的碳酸鹽巖區(qū)套合性較好, 東南部花崗巖分布區(qū)Al2O3的異常規(guī)模和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Li, 調(diào)查區(qū)北側(cè)的石炭系-泥盆系的泥巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥巖等黑色巖系分布區(qū)未呈現(xiàn)Al2O3異常。 溫漢捷等[9]提出碳酸鹽巖黏土型鋰礦成礦模式: (1)成礦物質(zhì)來自基底的不純碳酸鹽巖, 碳酸鹽巖風(fēng)化沉積作用是富鋰黏土巖形成的主要機(jī)制; (2)鋰主要以吸附方式存在于蒙脫石相中; (3)沉積環(huán)境對鋰的富集具有重要的控制作用, 還原、低能、滯留、局限的古地理環(huán)境有利于Li富集; (4)除Li外, 還可能有Ga和REE的富集。鋁土礦中鋰是以類質(zhì)同象或吸附態(tài)賦存于重礦物的表面, 鋰礦床和鋁土礦普遍相伴產(chǎn)出, 互為找礦標(biāo)志。根據(jù)這一成礦類型和成礦模型, 優(yōu)選了4個黏土型鋰礦找礦遠(yuǎn)景區(qū)(圖2)。

圖2 土壤地球化學(xué)元素組合異常圖Fig.2 Composite-anomaly map of Li and Al2O3 in soil

表1 各異常區(qū)土壤參數(shù)Table 1 Statistics of soil geochemistry

環(huán)江縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-3): 深層土壤Li含量介于41.60×10-6～163.00×10-6, 平均值為89.01×10-6, 是全國土壤的2.74倍, 高值區(qū)主要分布在石炭系鹿寨組, 巖性為灰黑色薄層泥巖夾硅質(zhì)巖、灰?guī)r和砂巖, 局部地區(qū)底部有中酸性凝灰?guī)r, 含量介于56.30×10-6～163.00×10-6, 平均值為91.63×10-6。該區(qū)無鋁土礦分布, 土壤Al2O3含量11.46%～23.74%, 平均值為17.51%, 鹿寨組灰黑色薄層泥巖可能為鋰異常的原因。

鹿寨縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-7):深層土壤Li含量介于49.50×10-6～125.00×10-6, 平均值為73.34×10-6, 是全國土壤的2.26倍, 高值區(qū)主要分布在泥盆系四排組, 巖性以頁巖和砂質(zhì)泥巖為主, 含量介于53.80×10-6～125.00×10-6, 平均值為79.19×10-6。該區(qū)也無鋁土礦產(chǎn)出, 土壤Al2O3含量5.63%～27.15%, 平均值為16.82%, 四排組頁巖可能為鋰異常的原因。

賓陽縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-12):區(qū)內(nèi)深層土壤Li含量介于27.50×10-6～130.00×10-6, 平均值為83.11×10-6, 是全國土壤的2.56倍, 該區(qū)域鋁土礦資源豐富, 土壤Al2O3含量7.00%～36.84%, 平均值為22.21%, 地質(zhì)背景主要為石炭系堯云嶺組、英塘組、大埔組以及泥盆系桂林組、融縣組、額頭村組等黑色灰?guī)r巖系, 理論上不應(yīng)具有鋰異常, 因碳酸鹽巖通常鋰含量低, 小于10×10-6[19]。但該區(qū)碳酸鹽巖的強(qiáng)烈風(fēng)化作用形成了紅土型鋁土礦, 可能是土壤鋰異常的原因。然而, 紅土風(fēng)化殼及紅土型鋁土礦通常鋰含量不高, 一般低于300×10-6, 是否具有黏土型鋰礦成礦潛力, 有待進(jìn)一步開展工作。

貴港遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-13):深層土壤Li含量介于58.12×10-6～112.35×10-6, 平均值為76.50×10-6, 是全國土壤的2.35倍, 高值區(qū)地質(zhì)背景為石炭系大浦組白云巖, 含量介于86.23×10-6～112.35×10-6, 平均值為99.00×10-6。該區(qū)風(fēng)化殼風(fēng)化程度較高是造成鋰異常的原因, 部分地區(qū)形成紅土型鋁土礦, 其土壤Al2O3含量15.95%～31.83%, 平均值為25.00%, 是否具有黏土型鋰礦成礦潛力, 與賓陽縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-12)類似，有待進(jìn)一步開展工作。

3.2 水系沉積物中鋰的地球化學(xué)空間分布

根據(jù)1∶ 20萬化探水系沉積物資料綜合分析, 采用累計頻率85%作為異常下限, 以85%、92%、98%對應(yīng)的分析值作為異常三級濃度分界線, 對應(yīng)Li含量分別為49.7×10-6、58.5×10-6和70.4×10-6, 最大值為309×10-6。土壤(沉積物)中鋰的濃度和分布受母巖控制, 土壤從下伏的原生巖石中繼承鋰的含量, 由于母巖的風(fēng)化作用, 鋰相對容易從原生礦物中釋放出來而積聚在黏土礦物中, 因此土壤中Li的積累和分布受腐殖質(zhì)含量和黏土礦物組成的影響[20]。依據(jù)國內(nèi)外已知礦床含礦巖系特征、主導(dǎo)成礦作用， 各類型鋰礦床產(chǎn)出的地質(zhì)背景、成礦環(huán)境, 劃出18個找礦遠(yuǎn)景區(qū), 其中3個屬于花崗巖型, 15個屬于黏土型鋰礦(圖3)。黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)主要優(yōu)先在二疊系、石炭系和泥盆系不純碳酸鹽巖分布區(qū)或同時伴有鋁土礦、煤礦出露地區(qū)?；◢弾r型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)選在地質(zhì)構(gòu)造單元相對穩(wěn)定的偉晶巖，其中4個與土壤地球化學(xué)異常圈定的黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)位置完全吻合, 指示兩種化探方法數(shù)據(jù)可靠、方法可行, 均可為黏土型鋰礦的找礦提供技術(shù)支撐。

圖3 廣西鋰礦找礦預(yù)測區(qū)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of prospecting area of Li in Guangxi

資源縣、灌陽縣和鐘山縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-A-1、2、3)鋰異常與桂東北花崗巖具有良好的對應(yīng)關(guān)系, 主要有資源縣侏羅紀(jì)黑云二長花崗巖、灌陽縣志留紀(jì)黑云二長花崗巖、鐘山縣侏羅紀(jì)黑云正長花崗巖。前人研究發(fā)現(xiàn)， 鄂、湘、贛三省交界處, 富含稀有金屬、有色金屬、貴金屬和鈾的幕阜山礦田, 由于花崗巖侵位后產(chǎn)生鋰的異常富集, 鋰資源主要與花崗巖、花崗偉晶巖等酸性巖石及其熱液有關(guān)[21]。中國酸性巖石樣品中Li濃度范圍為(0.73～476)×10-6, 中值為18.5×10-6[22], 本次調(diào)查水系沉積物異常下限是其2.6倍。這些發(fā)現(xiàn)揭示了Li從巖石到沉積物的富集, 可能是由于土壤形成過程中的風(fēng)化作用, 鋰從原生硅酸鹽礦物中釋放出來, 然后在成土過程中與鋁成比例地結(jié)合到次生黏土中, Li濃度與土壤化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)呈線性關(guān)系, 表明風(fēng)化或土壤形成使土壤中的Li富集[22]。本次發(fā)現(xiàn)的3處異?？蔀榛◢弾r型鋰礦的找礦提供技術(shù)支撐。

15個黏土型遠(yuǎn)景區(qū)地質(zhì)背景均為石炭系、二疊系和第四系鋁土礦、黏土巖及煤層。溫漢捷等[9]在滇中地區(qū)發(fā)現(xiàn)一類新的黏土型鋰礦資源, 鋰超常富集的黏土巖目標(biāo)層位主要包括貴州下石炭統(tǒng)九架爐組和云南中部下二疊統(tǒng)倒石頭組, 剖面自下而上常常發(fā)育鋁土質(zhì)黏土巖(局部含鐵質(zhì)), 致密狀鋁土質(zhì)黏土巖, 豆鮞狀鋁土質(zhì)黏土巖, 疏松土狀黏土巖, 其中致密狀鋁土質(zhì)黏土巖是最為富集的有利巖性; 云南滇中盆地內(nèi)的下二疊統(tǒng)倒石頭組富鋰黏土巖中Li2O平均含量為0.3%左右，最高達(dá)1.1%; 隨著鋁質(zhì)含量逐漸增高(含鋁土質(zhì)→鋁土質(zhì)→鋁土巖)和風(fēng)化程度的加強(qiáng)鋰含量逐漸降低, 表明最利于鋰富集的是鋁質(zhì)含量較為適中的黏土化階段而不是強(qiáng)風(fēng)化的鋁土巖(礦)階段。這一證據(jù)對本文圈定的黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)具有一定的指導(dǎo)意義, 可為下一步找礦工作提供指導(dǎo)。

考慮到鋰屬于堿金屬元素, 在表生體系易于遷移的特點, 強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用的產(chǎn)物——紅土型鋁土礦(風(fēng)化殼)中鋰含量不高, 通常不超過300×10-6[23], 建議賓陽縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-12)、貴港遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-13)和博白縣遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-15)不作為黏土型鋰礦找礦的重點部署方向, 應(yīng)重點關(guān)注其余12個與鋁土礦、煤系和黏土巖有關(guān)的遠(yuǎn)景區(qū)。在該研究成果的指導(dǎo)下, 廣西二七四地質(zhì)隊在平果遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-10)采集樣品84件, 即百色市平果縣二疊系鋁土礦和炭質(zhì)頁巖中找到3處鋰礦化點, 呈現(xiàn)出鋰礦化明顯富集現(xiàn)象; 調(diào)查結(jié)果顯示平均品位0.058%, Li2O最低品位0.001%, 最高為0.535%。田陽德寶鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-9)合山組(P3h)地層分布廣泛, 總體呈北東向展布, 走向延長大于35 km, 受北東向及北西向斷裂影響, 在沉積鋁土礦層發(fā)現(xiàn)1處鋰礦化點, 采集樣品37件, Li2O最低品位0.003%, 最高為0.28%, 平均品位0.049%, 所發(fā)現(xiàn)的鋰礦化點為鋁土巖, 呈青灰色, 砂屑狀結(jié)構(gòu), 風(fēng)化松散呈泥狀, Li2O含量為0.28%。東蘭大化鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)(45-Y-B-8)發(fā)現(xiàn)1處鋰礦化點, 采集樣品37件, Li2O最低品位0.006%, 最高為0.251%, 平均品位0.083%, Li2O礦化富集明顯, 在鋁土巖層中有2件樣品品位分別為0.228%、0.251%, 礦層厚度約1.5 m。在所選取的3個鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)經(jīng)異常查證, 均發(fā)現(xiàn)了鋰礦化點且Li2O含量超過美國McDermitt和我國滇中黏土型鋰礦推薦邊界品位(0.2%)[9, 24], 進(jìn)一步說明土壤和水系沉積物測量結(jié)果能夠在一定程度上很好的反映廣西黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)深層土壤優(yōu)選出環(huán)江縣(45-Y-B-3)、鹿寨縣(45-Y-B-7)、賓陽縣(45-Y-B-12)和貴港市(45-Y-B-13)4個鋰礦遠(yuǎn)景區(qū), Li含量介于28×10-6～130×10-6, 與1∶ 20萬化探水系沉積物測量資料圈出的異常完全吻合, 表明兩種方法可行, 數(shù)據(jù)可靠。

(2)1∶ 20萬化探水系沉積物測量圈定出18個遠(yuǎn)景區(qū), 其中3個花崗巖型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū), 空間分布上與桂東北花崗巖分布吻合, 鋰異常在空間上與花崗巖和鋰偉晶巖及其風(fēng)化產(chǎn)物有關(guān); 15個黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū), 地質(zhì)背景主要為鋰含量較高的鋁土礦、黏土巖及煤層, 為下一步黏土型鋰礦找礦工作指明了方向。

(3)圈定出的15個黏土型鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)多為石炭系或二疊系富含煤、鐵、鋁、黃鐵礦、黏土的目標(biāo)層位, 成巖成礦環(huán)境與滇中黏土型鋰礦相似; 經(jīng)野外探勘驗證， 在3處遠(yuǎn)景區(qū)均發(fā)現(xiàn)了鋰礦化點, Li2O含量介于0.251%～0.535%, 大于黏土型鋰礦推薦邊界品位(0.2%), 進(jìn)一步表明基于土壤和水系沉積物測量圈定出的鋰礦遠(yuǎn)景區(qū)具有一定的找礦意義。