湘西發(fā)現(xiàn)鎵超常富集鉛鋅礦床*

吳 濤，黃智龍**，葉 霖，周家喜，韋 晨,2，胡宇思，向震中,2

（1中國科學院地球化學研究所，貴州貴陽 550081；2中國科學院大學，北京 100049；3云南大學地球科學學院，云南昆明 650500)

戰(zhàn)略性關鍵金屬是指對新材料、新能源、信息技術、航空航天、國防軍工等新興產(chǎn)業(yè)具有不可替代作用的金屬，主要包括稀有、稀散、稀土和稀貴金屬（蔣少涌等，2019；翟明國等，2019；胡瑞忠等，2020）。鎵（Ga）是一種稀散金屬（涂光熾等，2003），被廣泛應用于半導體和太陽能電池等高科技領域和新興產(chǎn)業(yè)，享有“電子工業(yè)脊梁”的美譽。鎵的地殼豐度值為15×10-6（Wedepohl，1995），很難形成獨立礦床，主要伴生賦存于硫化物礦床的閃鋅礦和鋁土礦的一水鋁石中（涂光熾等，2003；周家喜等，2009；George et al.,2016；溫漢捷等，2020）。在鉛鋅礦床中，鎵等稀散金屬富集達到可工業(yè)回收利用的程度需要非?？量痰牡刭|(zhì)條件（溫漢捷等，2019；翟明國等，2019）。因此，在全球范圍內(nèi)，鉛鋅礦中鎵超常富集現(xiàn)象的報道鮮見，鎵被認識、重視和開發(fā)利用程度也遠遠低于其他礦產(chǎn)資源（USGS，2015；王登紅,2019；侯增謙等，2020；溫漢捷等，2020；吳濤，2021）。

湘西鉛鋅礦集區(qū)是位于揚子地塊東南緣的鄂西-湘西-黔東鉛鋅成礦帶的重要組成部分之一，由北至南可分為洛塔、保靖、花垣、鳳凰4個鉛鋅礦田（圖1a、b），⑨—八面山向斜；⑩—涂乍-禾庫向斜；?—萬巖溪背斜?—摩天嶺背斜；F1—二坪斷層；F2—洗洛斷層；F3—砂坪-熱水洞斷層；F4—萬民崗斷層；F5—大車-儒家寨斷層；F6—花垣-張家界斷層；F7—麻栗場斷層；F8—古丈-吉首斷層其中，花垣鉛鋅礦田內(nèi)已探明多個大型-超大型礦床，如李梅、楊家寨、大腦坡等（楊紹祥等，2007；隗含濤，2017；吳濤，2021）。唐家寨鉛鋅礦床位于洛塔礦田中部，由唐家寨、頭車湖和打溪3個礦段組成，礦體賦存于奧陶系碳酸鹽巖中，礦石礦物90%以上為閃鋅礦，平均品位5.2%，鉛鋅資源儲量約55萬t，達大型規(guī)模。電子探針（EPMA）分析發(fā)現(xiàn)，唐家寨鉛鋅礦床閃鋅礦中w（Ga）很高，58個測點平均w（Ga）為1320×10-6，約是其地殼豐度的100倍，超過鉛鋅礦床中鎵工業(yè)回收利用最低標準（100×10-6；徐靖中，2007）10倍以上。為驗證這一發(fā)現(xiàn)的可靠性，筆者進行了閃鋅礦原位激光剝蝕等離子質(zhì)譜（LA-ICPMS）分析結果顯示，273個測點平均w（Ga）為928×10-6，進一步證實唐家寨鉛鋅礦床閃鋅礦中鎵的顯著超常富集，最高相對地殼豐度超過400余倍富集（圖2）。

圖1 鄂西-湘西-黔東鉛鋅成礦帶大地構造位置圖（a，據(jù)李堃，2018修改）和湘西鉛鋅成礦區(qū)地質(zhì)簡圖（b，據(jù)楊紹祥等，2007修改）①—二坪背斜；②—洛塔向斜；③—紅巖溪背斜；④—馬蹄寨向斜；⑤—鹽井背斜；⑥—龍溪寨向斜；⑦—二戶溪背斜；⑧—桑植-官地坪向斜；Fig.1 Geotectonic location of the western Hubei-western Hunan-eastern Guizhou lead-zinc metallogenic belt(a,modified after Li,2018)and geological map of western Hunan lead-zinc ore concentration district(b,modified after Yang et al.,2007)①—Erping anticline;②—Luotasyncline;③—Hongyanxianticling;④—Matizhaisyncline;⑤—Yanjing anticline;⑥—Longxizhaisyncline;⑦—Erhuxianticline;⑧—Sangzhi-Guandiping syncline;⑨—Bamianshan syncline;⑩—Tuzha-Heku syncline;?—Wanyanxianticline;?—Motianling anticline;F1—Erping fault;F2-—Xiluo fault;F3—Shaping-Reshuidong fault;F4—Wanmingang fault;F5—Dache-Rujiadong fault;F6—Huayuan-Zhangjiajiefault;F7—Malichang fault;F8—Guzhang-Jishou fault

已報道的歐洲東南部Rosia Montana礦床閃鋅礦中平均w（Ga）為334×10-6（Cook et al.,2009），法國Noailhac-Saint-Salvy礦床閃鋅礦中平均w（Ga）為264×10-6（Belissont et al.,2014），中國凡口礦床中閃鋅礦的w（Ga）為75～550×10-6（鄧衛(wèi)等,2002），均明顯比筆者發(fā)現(xiàn)的唐家寨鉛鋅礦床閃鋅礦中平均w（Ga）低（圖2）。此外，除凡口鉛鋅礦床外，中國其他鉛鋅礦床閃鋅礦中鎵超常富集鮮有報道，如會澤鉛鋅礦床閃鋅礦中平均w（Ga）僅為3.9×10-6（Ye et al.,2011），花垣鉛鋅礦田閃鋅礦中的平均w（Ga）僅為6.9×10-6（胡宇思,2020），大寶山鉛鋅礦床閃鋅礦中平均w（Ga）僅為29.2×10-6（Ye et al.,2011），蘆子園鉛鋅礦床閃鋅礦中平均w（Ga）更低，僅為0.3×10-6（Ye et al.,2011）。

圖2 唐家寨鉛鋅礦床與全球典型鉛鋅礦床閃鋅礦中w(Ga)對比圖Fig.2 Comparison of Ga contents in sphalerite between the Tangjiazhai and global typical Pb-Zn deposits

此外，通過測試研究和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，唐家寨鉛鋅礦床中閃鋅礦的Ga和Cu具有顯著的正相關性（R2=0.68；圖3d），并且在LA-ICPMS Mapping圖解（圖3b～c）中，Ga和Cu也呈現(xiàn)出高度匹配的協(xié)變關系，另外，在掃描電鏡下也未發(fā)現(xiàn)微米級Ga獨立礦物的存在，因此，唐家寨礦床中Ga很可能與Cu一起耦合替代Zn進入到閃鋅礦晶格之中（2Zn2+?Ga3++Cu+）。

圖3 唐家寨鉛鋅礦床閃鋅礦Cu-Ga LA-ICPMSMapping（a～c）和含量相關性圖解（d）Fig.3 LA-ICPMSMapping(a～c)and relationship diagram of Ga-Cu content(d)of the sphalerite in the Tangjiazhai Pb-Zn deposit

根據(jù)唐家寨鉛鋅礦床規(guī)模和品位，筆者初步估算其中蘊含鎵金屬資源儲量超過500 t，達中型共伴生鎵礦床規(guī)模。此外，洛塔礦田鉛鋅金屬遠景資源量超過200萬t，鎵金屬資源儲量遠景有望達到大型規(guī)模，潛在經(jīng)濟價值巨大。因此，面對鎵等稀散金屬激烈的國際競爭形勢和高科技領域、新興產(chǎn)業(yè)的迫切需求，筆者建議運用新的研究視角和研究方法開展整個洛塔礦田內(nèi)鎵超常富集機制和資源綜合利用研究，這對豐富和完善中國華南大面積低溫系統(tǒng)稀散金屬超常富集成礦理論具有重要意義，同時，也可為鉛鋅礦床中稀散金屬資源高效清潔利用提供理論支撐。