廣西土壤和水系沉積物鋰元素時空分布及找礦預測

王新宇, 李 杰, 凌坤躍, 付 偉, 張起鉆, 楊志強, 吳祥珂

(1.廣西地質礦產勘查開發局, 南寧 530023; 2.廣西地質調查院, 南寧 530023; 3.中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室, 貴陽 550081; 4.桂林理工大學 廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室, 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、醫藥、核工業、航空航天、新能源汽車等領域, 是現代高科技產業不可或缺的原料, 被稱為“21世紀新能源金屬”和“促進世界進步的金屬”, 具有極高的經濟和戰略價值[1]。我國現有的鋰供應高度依賴國外, 2017年80%的鋰是進口的, 鋰資源的開發利用作為國家戰略的一部分, 列入“十三五”規劃[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USGS 2017年統計數據，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現有鋰的富集現象, 部分礦床中的鋰甚至達到了獨立鋰礦的邊界品位(Li2O>0.5%)[7]。但因對鋰的賦存狀態和富集規律研究不足、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行開發利用[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行系統深入研究的基礎上, 依據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, 在成因及賦存狀態上與國外火山巖有關的黏土型鋰礦有本質區別, 是我國鋰礦資源的新類型。因其賦礦巖石多為黏土巖、鋁質黏土巖和炭質黏土巖, 具有產出層位穩定、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利用的另一個重要發展方向[10]。

廣西不僅是我國重要的沉積型鋁土礦成礦區,還大面積產出二疊系炭質頁巖/煤層、黏土巖等黏土型鋰礦的目標地層,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數據基礎上, 繪制廣西地區深層土壤和水系沉積物鋰地球化學分布圖,圈定鋰的異常區并探討其與地質背景時空對應關系,探討廣西黏土型鋰礦的找礦方向,圈出黏土型鋰礦找礦遠景區,為下一步鋰礦的找礦工作提供參考。

1 廣西區域地質概況

廣西位于上揚子陸塊與武夷-云開造山系的交接部位, 構造運動頻繁, 其中以呂梁運動、四堡運動、廣西運動、東吳運動、印支運動及燕山運動最為普遍而強烈, 除東吳運動外, 均具有造山運動性質, 顯示出具多旋回構造運動的特征。多期次的構造事件, 在不同的大地構造單元形成不同的沉積盆地, 地層發育齊全, 沉積相多變, 巖漿巖、變質巖巖石構造組合多樣, 構造樣式復雜, 礦產資源豐富[11]。廣西巖漿侵入活動比較頻繁, 各次地殼構造運動均伴隨有巖漿侵入活動, 并且巖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境復雜, 沉積類型多樣, 地層從新元古界—新生界幾乎均有沉積礦產含礦層位, 特別是下石炭統鹿寨組、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, 其頂底板多為碳酸鹽巖地層, 成巖成礦環境與滇中黏土型鋰礦相似[9], 具有良好的找礦前景。廣西地質簡圖見圖1。

圖1 廣西地質簡圖Fig.1 Geological map of Guangxi

2 數據來源及處理

分別收集了廣西1∶ 25萬多目標區域地球化學調查已完成區域7.5萬km2的深層土壤數據[13]和廣西1∶ 20萬區域化探水系沉積物Li地球化學測量數據[14]。廣西已完成的1∶ 25萬多目標區域地球化學調查深層土壤樣采樣密度為1件/4 km2, 采樣深度為150～200 cm(當局部地區土壤深度難以達到時, 依據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∶ 20萬區域化探采樣密度為1件/km2, 每4 km2組合1個樣品進行分析, 采集水系沉積物中的細粒級物質, 避免采集有機質, 不采岸土和人工污染物質; 采集土壤樣時樣品采自B層, 采樣深度10～140 cm, 碎屑巖、花崗巖景觀區樣品過60目(0.25 mm)尼龍篩, 巖溶區過20目篩[16]。依據所獲取數據在MapGIS 6.7系統中對數據進行網格化處理。采用常規網格化方式, 網格化模型采用距離冪函數反比加權[17], 數據搜索模式采樣四方向, 每搜索方向點數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%對應的分析值作為異常三級濃度分界線。

3 結果和討論

3.1 土壤鋰的地球化學空間分布

選取分析結果中Li、Al2O3進行統計分析, 結合成礦地質背景和1∶ 25萬多目標區域地球化學調查獲取深層土壤(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%對應的分析值作為異常三級濃度分界線，對應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-三疊紀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套合性較好, 東南部花崗巖分布區Al2O3的異常規模和強度遠大于Li, 調查區北側的石炭系-泥盆系的泥巖、炭質頁巖、硅質泥巖等黑色巖系分布區未呈現Al2O3異常。 溫漢捷等[9]提出碳酸鹽巖黏土型鋰礦成礦模式: (1)成礦物質來自基底的不純碳酸鹽巖, 碳酸鹽巖風化沉積作用是富鋰黏土巖形成的主要機制; (2)鋰主要以吸附方式存在于蒙脫石相中; (3)沉積環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同象或吸附態賦存于重礦物的表面, 鋰礦床和鋁土礦普遍相伴產出, 互為找礦標志。根據這一成礦類型和成礦模型, 優選了4個黏土型鋰礦找礦遠景區(圖2)。

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

表1 各異常區土壤參數Table 1 Statistics of soil geochemistry

環江縣遠景區(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, 高值區主要分布在石炭系鹿寨組, 巖性為灰黑色薄層泥巖夾硅質巖、灰巖和砂巖, 局部地區底部有中酸性凝灰巖, 含量介于56.30×10-6～163.00×10-6, 平均值為91.63×10-6。該區無鋁土礦分布, 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。

鹿寨縣遠景區(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, 高值區主要分布在泥盆系四排組, 巖性以頁巖和砂質泥巖為主, 含量介于53.80×10-6～125.00×10-6, 平均值為79.19×10-6。該區也無鋁土礦產出, 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。

賓陽縣遠景區(45-Y-B-12):區內深層土壤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、額頭村組等黑色灰巖巖系, 理論上不應具有鋰異常, 因碳酸鹽巖通常鋰含量低, 小于10×10-6[19]。但該區碳酸鹽巖的強烈風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, 有待進一步開展工作。

貴港遠景區(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, 高值區地質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。該區風化殼風化程度較高是造成鋰異常的原因, 部分地區形成紅土型鋁土礦, 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, 與賓陽縣遠景區(45-Y-B-12)類似，有待進一步開展工作。

3.2 水系沉積物中鋰的地球化學空間分布

根據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%對應的分析值作為異常三級濃度分界線, 對應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含量和黏土礦物組成的影響[20]。依據國內外已知礦床含礦巖系特征、主導成礦作用， 各類型鋰礦床產出的地質背景、成礦環境, 劃出18個找礦遠景區, 其中3個屬于花崗巖型, 15個屬于黏土型鋰礦(圖3)。黏土型鋰礦遠景區主要優先在二疊系、石炭系和泥盆系不純碳酸鹽巖分布區或同時伴有鋁土礦、煤礦出露地區。花崗巖型鋰礦遠景區選在地質構造單元相對穩定的偉晶巖，其中4個與土壤地球化學異常圈定的黏土型鋰礦遠景區位置完全吻合, 指示兩種化探方法數據可靠、方法可行, 均可為黏土型鋰礦的找礦提供技術支撐。

圖3 廣西鋰礦找礦預測區空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of prospecting area of Li in Guangxi

資源縣、灌陽縣和鐘山縣遠景區(45-Y-A-1、2、3)鋰異常與桂東北花崗巖具有良好的對應關系, 主要有資源縣侏羅紀黑云二長花崗巖、灌陽縣志留紀黑云二長花崗巖、鐘山縣侏羅紀黑云正長花崗巖。前人研究發現， 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[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], 本次調查水系沉積物異常下限是其2.6倍。這些發現揭示了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合到次生黏土中, Li濃度與土壤化學蝕變指數(CIA)呈線性關系, 表明風化或土壤形成使土壤中的Li富集[22]。本次發現的3處異常可為花崗巖型鋰礦的找礦提供技術支撐。

15個黏土型遠景區地質背景均為石炭系、二疊系和第四系鋁土礦、黏土巖及煤層。溫漢捷等[9]在滇中地區發現一類新的黏土型鋰礦資源, 鋰超常富集的黏土巖目標層位主要包括貴州下石炭統九架爐組和云南中部下二疊統倒石頭組, 剖面自下而上常常發育鋁土質黏土巖(局部含鐵質), 致密狀鋁土質黏土巖, 豆鮞狀鋁土質黏土巖, 疏松土狀黏土巖, 其中致密狀鋁土質黏土巖是最為富集的有利巖性; 云南滇中盆地內的下二疊統倒石頭組富鋰黏土巖中Li2O平均含量為0.3%左右，最高達1.1%; 隨著鋁質含量逐漸增高(含鋁土質→鋁土質→鋁土巖)和風化程度的加強鋰含量逐漸降低, 表明最利于鋰富集的是鋁質含量較為適中的黏土化階段而不是強風化的鋁土巖(礦)階段。這一證據對本文圈定的黏土型鋰礦遠景區具有一定的指導意義, 可為下一步找礦工作提供指導。

考慮到鋰屬于堿金屬元素, 在表生體系易于遷移的特點, 強烈化學風化作用的產物——紅土型鋁土礦(風化殼)中鋰含量不高, 通常不超過300×10-6[23], 建議賓陽縣遠景區(45-Y-B-12)、貴港遠景區(45-Y-B-13)和博白縣遠景區(45-Y-B-15)不作為黏土型鋰礦找礦的重點部署方向, 應重點關注其余12個與鋁土礦、煤系和黏土巖有關的遠景區。在該研究成果的指導下, 廣西二七四地質隊在平果遠景區(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頁巖中找到3處鋰礦化點, 呈現出鋰礦化明顯富集現象; 調查結果顯示平均品位0.058%, Li2O最低品位0.001%, 最高為0.535%。田陽德寶鋰礦遠景區(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, 在沉積鋁土礦層發現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%, 所發現的鋰礦化點為鋁土巖, 呈青灰色, 砂屑狀結構, 風化松散呈泥狀, Li2O含量為0.28%。東蘭大化鋰礦遠景區(45-Y-B-8)發現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個鋰礦遠景區經異常查證, 均發現了鋰礦化點且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], 進一步說明土壤和水系沉積物測量結果能夠在一定程度上很好的反映廣西黏土型鋰礦遠景區。

4 結 論

(1)深層土壤優選出環江縣(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個鋰礦遠景區, 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, 數據可靠。

(2)1∶ 20萬化探水系沉積物測量圈定出18個遠景區, 其中3個花崗巖型鋰礦遠景區, 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化產物有關; 15個黏土型鋰礦遠景區, 地質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個黏土型鋰礦遠景區多為石炭系或二疊系富含煤、鐵、鋁、黃鐵礦、黏土的目標層位, 成巖成礦環境與滇中黏土型鋰礦相似; 經野外探勘驗證， 在3處遠景區均發現了鋰礦化點, Li2O含量介于0.251%～0.535%, 大于黏土型鋰礦推薦邊界品位(0.2%), 進一步表明基于土壤和水系沉積物測量圈定出的鋰礦遠景區具有一定的找礦意義。