江西省吉泰盆地南洲含鋰鹵水礦床地質特征及成因探討

朱明波， 吳忠如， 王思學， 王立新， 彭惠卿

(1.江西省自然資源事業發展中心,江西 南昌 330025； 2.江西有色地質勘查五隊,江西 九江 332000)

隨著新能源、新材料產業的崛起,鋰礦正成為鋰電產業重要的原材料,具有廣闊的應用前景,地下鹵水是鋰礦的主要來源之一[1]。近年來中國加大了鋰礦勘探投入,并取得了系列找礦成果,同時研究者從含鋰鹵水的分布特征、水巖作用等方面對含鋰鹵水礦床的成因進行了深入研究[2-6]。1973年在吉泰盆地發現了梅崗小型含鋰鹵水礦床,前人以該礦床為例，總結了吉泰盆地鹵水礦成礦地質背景[7]、地質特征[8-9]、地球化學特征[10],但由于礦床數量少,限制了該區鹵水鋰礦成因和成礦規律研究的深化。南洲含鋰鹵水礦床是近年來在吉泰盆地新發現的一小型礦床,本文總結該礦床地質背景、鹵水地質特征和水化學特征,探討其成因,為吉泰盆地下一步找礦工作提供參考。

1 區域地質及地球化學特征

吉泰盆地位于江西省中南部、贛江中游,北起安福,南至遂川,西起永陽,東至吉水,呈北東向展布的不規則菱形[11-13],面積約4 550 km2,地貌以丘陵為主,是江西省內第二大中—新生代盆地。吉泰盆地大地構造位于揚子準地臺與華南褶皺系接觸帶,屬于華南褶皺系贛西南坳陷之大湖山—芙蓉山隆斷束與吉安凹陷的交接部位(圖1)。

圖1 吉泰盆地地質簡圖(據參考文獻[8]修改)Fig.1 Simplified geological map of Jitai basin

1.1 區域地質特征

盆地及周邊地層除奧陶系和志留系缺失外,從震旦系至第四系均有出露,其中白堊系贛州群周田組第六段(K2z6)和第三段(K2z3)為區內的儲鹵層位。周田組第六段巖性為紫紅—磚紅色細砂巖、中粒砂巖、含礫砂巖,厚345.81 m；周田組第三段巖性為紫紅—磚紅色粉砂質泥巖、泥頁巖、泥灰巖,厚1 355.11 m。

吉泰盆地的發生與發展嚴格受斷裂構造的控制,其北東為永新—峽江大斷裂,北西為吉水大斷裂,南東為遂川—德興大斷裂,東側紅層超覆在下伏基底巖石之上[14-15]。

盆內巖漿活動不甚強烈,零星出露燕山期晚期玄武巖和花崗巖。盆外分布有東固、彈前、湯湖、鵝形和寧岡等巖體,為加里東晚期花崗巖和燕山早期花崗巖[16],其巖石Na2O含量2.50%～4.72%,K2O含量2.72%～5.55%,Na2O+K2O含量6.66%～6.42%[14],Na2O、K2O含量較高,可為吉泰盆地提供重要的成鹽物質。

1.2 區域地球化學特征

吉泰盆地屬于贛西地球化學區井岡山—吉安地球化學亞區,大部分金屬成礦元素呈現較為平穩的地球化學背景。該盆地范圍內由于地質構造運動及巖漿活動均相對較弱,元素的富集、貧化均不突出,其展布受北東向構造控制,除鹵水鋰礦外成礦作用不甚明顯。根據江西省1∶20萬水系沉積物測量資料顯示[16],吉泰盆地內分布有8個鋰富集區,其中新圩鎮鋰富集區最顯著(梅崗、南洲含鋰鹵水礦床均產于該富集區),面積約320 km2,Li含量最高值166.4 μg/g。盆地內Li的背景值在白堊系贛州群周田組第三段、第四段最高,其背景值分別為110 μg/g和146 μg/g[10]。

2 礦床地質特征

2.1 礦區地質特征

礦區內出露地層主要為白堊系贛州群周田組第三段(K2z3)以及第四紀更新世贛縣組(Qpg)和全新世聯圩組(Qhl)[17](圖2)。根據本次鉆探揭露情況,周田組第三段主要以薄層狀鈣質泥巖為主,局部含薄層石膏條帶,普遍發育水平層理,顏色以紫紅色、暗紫紅色、青灰色為主,局部夾黃綠色、灰綠色、乳白色、雜色。根據巖性和顏色組合特征,自下而上基本可劃分為6個巖性層：

圖2 南洲含鋰鹵水礦床地質略圖Fig.2 Geological sketch map of Nanzhou lithium brine deposit

第一巖性層青灰色條帶狀含石膏鈣質泥巖與紫紅色鈣質泥巖不等厚互層,層厚>169.14 m；

第二巖性層青灰色條帶狀含石膏鈣質泥巖夾紫紅色鈣質泥巖,賦存鹵水,局部裂隙中充填石鹽,平均層厚22.16 m；

第三巖性層青灰色條帶狀含石膏鈣質泥巖,局部夾紫紅色鈣質泥巖,平均層厚85.60 m；

第四巖性層紫紅色鈣質泥巖,局部夾青灰色條帶狀含石膏鈣質泥巖,平均層厚166.46 m；

第五巖性層青灰色含石膏鈣質泥巖與紫紅色鈣質泥巖不等厚互層,層厚>66.62 m；

第六巖性層青灰色與紫紅色鈣質粉砂巖不等厚互層,層厚>37.44 m。

根據鉆孔揭露情況,礦區底部周田組第三段第二巖性層中發育有層間滑脫構造(F5),并發育有次級裂隙、孔隙。該滑脫構造基本順層分布,各鉆孔均有揭露,破碎帶厚度一般為1.15～6.05 m不等,其成分主要由泥巖、泥頁巖等構造角礫巖組成,部分角礫為石鹽、石膏或斷層泥所膠結,角礫大小一般為0.2 cm×0.5 cm～1 cm×3 cm。在裂隙發育的頂底接觸帶,溶蝕孔洞往往也較為發育。礦區內未見巖漿巖出露與分布。

2.2 鹵水層特征

礦區含鋰鹵水賦存于周田組第三段第二巖性層青灰色條帶狀含石膏鈣質泥巖夾紫紅色鈣質泥巖層間滑脫構造的次級裂隙中,受層間滑脫構造控制(圖3)。儲鹵層走向長2 200 m,傾向寬900 m,面積0.88 km2,基本順層分布,總體走向北東,傾向南東,傾角約18°～22°,埋藏深度152.83～399.69 m,厚度5.69～33.77 m,厚度變化總體呈北東薄西南厚,有效孔隙度5.7%～30.9%,平均14.02%。在鹵水巖層中,巖心破碎,角礫發育,角礫大小一般為0.2 cm×0.5 cm～1 cm×3 cm,部分角礫為石鹽、石膏或斷層泥所膠結。

圖3 南洲含鋰鹵水礦區83號勘探線剖面圖Fig.3 Cross section along No.83 exploration line in Nanzhou lithium brine desposit

2.3 鹵水化學特征

2.3.1鹵水總體化學特征

鹵水為無色、無嗅、味咸、微苦、澀、清澈透明的液體。礦區采取了部分鹵水樣品進行鹵水化學分析(表1),由中國地質科學院鹽湖與熱水資源研究發展中心采用等離子光譜儀、離子光譜儀和等離子質譜儀測試。

表1 礦區鹵水化學分析結果表Table 1 Table of chemical analysis results of brine in mining area

礦區鹵水礦化度180.1～327.1 g/L,為海水礦化度的5.15～9.35倍(以海水35 g/L計算),屬中等—高礦化度氯化鈉型鹵水。

鹵水中Na+含量66.3～122 g/L,平均含量107.8 g/L；Cl-含量107～198.3 g/L,平均含量173.83 g/L；鹵水常量離子中Na+、Cl-占絕對優勢。

鹵水的化學組分,以離子結晶順序為基礎進行組合和計算,以NaCl為主,其含量為21.54%～25.88%,平均含量為23.3%,是工業指標的1.5～2.6倍。Li+含量69.3～120 mg/L,LiCl含量514.89～726.83 mg/L,平均含量627.41 mg/L,是鹽湖綜合利用最低工業指標的1.41～2.42倍。

2.3.2鹵水水化學指數

鹵水水化學指數是識別地下鹵水成因和演化特征的重要指標[18],礦區鹵水水化學指數見表2。

表2 礦區鹵水水化學指數Table 2 Chemical index of brine in mining area

(1) 礦化度。鹵水礦化度的高低是研究含鹽盆地鹵水濃縮程度、成鹽條件的一個方面,當礦化度在150～300 g/L時,為石膏沉積階段；當礦化度>320 g/L時,巖鹽開始沉積[19]。礦區鹵水礦化度為180.1～327.1 g/L,平均292.8 g/L,說明礦區鹵水濃縮程度一般,不利于成鹽。

(2) 鈉氯系數。鈉氯系數[n(Na+)/n(Cl-)]是反映鹵水中鈉鹽的富集程度、蒸發濃縮和巖鹽溶濾的重要指標。礦區地下鹵水樣品的鈉氯系數為0.90～1.00,平均值 0.96,高于正常海水的鈉氯系數0.85,為溶濾型鹵水。

(3) 氯溴系數。氯溴系數[ρ(Cl-)/(ρ(Br-)×1 000)]反映鹵水濃縮過程,礦區氯溴系數為11.15～75.35,平均值33.45，均大于正常海水的氯溴系數0.3,具溶濾型鹵水特征。

(5) 鈣鎂系數。礦區鈣鎂系數[n(Ca2 +)/n(Mg2+)]為2.37～3.39,平均值2.76,接近深層地下鹵水標準值3,反映礦區鹵水變質程度較高,形成時間相對較長。

(6) 成因類型。蘇林成因分類法[20]將地下水分為硫酸鈉型、重碳酸鈉型、氯化鎂型和氯化鈣型四類,礦區鹵水鈉氯系數均<1,[n(Cl-)-n(Na+)]/n(Mg2+)值為1.76～12.56,>1,因此為氯化鈣型水。

3 鹵水成因探討

持續沉降的負向構造條件、保證鹵水濃縮的封閉型古地貌條件、蒸發量大于降水量的干旱氣候條件和豐富的鹽類物質來源是形成鹵水礦最基本的四個條件[21]。

成鹽期的古構造是控制成鹽的重要因素,它對盆地基底的分異，鹽類沉積的形成、發展和展布都起著重要作用。吉泰盆地為南陡北緩的箕狀斷陷盆地,其高低起伏的復雜地形為鹽類物質沉積分異、局部富集提供了條件[22]。

晚白堊世吉泰盆地經歷了三個發展階段：①早期生成階段。初期以河流相沉積礫巖—粉砂巖為主,后期盆地中心以湖相沉積為主,其南部以山麓礫巖—粉砂巖相沉積為主；②中期發展階段。從盆邊的水下三角洲泥巖—砂礫巖相至盆中的湖成泥巖—泥灰巖相均較發育,邊部沉積均呈紫紅色,反映了氧化環境,向盆中逐漸出現代表還原環境的灰色泥巖、泥灰巖；③晚期萎縮階段。盆地向南東方向遷移、萎縮,沉積了一套紫紅色三角洲礫巖—粉砂巖相及濱—淺湖相泥巖、粉砂巖。從三個發展階段沉積物巖性組合特征和沉積構造特征分析,認為晚白堊世吉泰盆地是一個封閉—半封閉的山間盆地。

上白堊統地層中普遍見有石膏、硬石膏、松柏類植物化石及大量莎草蕨、海金砂、克拉梭粉等孢子花粉[20],指示了沉積時的熱帶干旱炎熱氣候。地層中出現了干裂、浪成波痕等沉積構造,上、下含鹵水層附近普遍見有泥礫巖,表明晚白堊世時期湖水深度較淺,有時處于浪基面之上,有時甚至干枯導致湖底暴露。

吉泰盆地的成鹽物質主要來源于兩個方面：蝕源區各類巖石的風化產物是鹽類物質的主要來源；與巖漿活動有關的初生水及沿深大斷裂上升的深成鹵水是內陸鹽湖的重要物質來源[18]。分布于盆外南及南西的早古生代晚期混染型花崗巖及燕山早期花崗巖類,其Na2O及K2O含量較高,為晚白堊世成鹽的重要物質來源。盆緣受深大斷裂控制,盆內基性火山巖發育,鹵水鋰含量較高,可能帶來了深部補給來源。

晚白堊世,南洲鹵水礦區位于吉泰盆地的沉降中心,盆地受斷、陷、沉同時作用發展成一個咸水或半咸水湖盆。盆地為沖積扇沉積物所充填,由于氣候炎熱干燥,沖積扇中的洪泛沉積的細碎屑巖沉積物被帶入礦區中的洼地,造成積水,隨即又被蒸發,造成湖水咸化程度增加,湖水蒸發濃縮形成鹵水。礦區南部及南西部大面積出露的早古生代晚期混染型花崗巖及燕山早期花崗巖類寧岡、湯湖、鵝形、彈前、東固巖體,通過洪泛水淋濾、溶解作用,將火成巖中K、Na等離子溶解并蒸發富集沉積形成次生鹵水。隨著控盆構造永新—峽江、吉水、遂川—德興三條深大斷裂的進一步活動,產生順層斷層及相應的構造裂縫,為礦區深部鹵水的儲存提供了賦存空間,同時深大斷裂也為深部富鋰流體提供了運移通道,與已形成的次生鹵水發生接觸、交代作用,最終形成富鋰鹵水礦床。后期廣泛分布的厚層細碎屑巖及膏鹽層形成良好的蓋層,其形成的異常高壓環境有利于富鋰鹵水的保存。

4 結論與建議

(1) 礦區鹵水為富鋰氯化鈉型鹵水,其礦化度180.1～327.1 g/L,NaCl含量21.54%～25.88%,平均含量為23.3%；LiCl含量514.89～726.83 mg/L,平均含量為627.41 mg/L。

(2) 鹵水鈉氯系數、氯溴系數、脫硫系數和鈣鎂系數顯示鹵水的封閉性較好,形成時間較長,為溶濾型鹵水。

(3) 根據吉泰盆地巖性組合、沉積構造、礦物組成和植物化石等特征,認為晚白堊世吉泰盆地處于封閉—半封閉的地貌環境和干燥的氣候條件。

(4) 鹵水成礦物質來源于盆外火成巖的風化產物以及與構造有關的深源鹵水,成因類型為氯化鈣型水。

(5) 建議以南洲鹵水礦區為中心,加大吉泰盆地坳陷地段與鋰富集區重疊區的勘查投入。在礦區南東方向4～6 km范圍連接著一個新圩坳陷,其為有利的湖盆沉積構造,且與南洲、梅崗鹵水礦床處于同一鋰富集區,具有探尋類似南洲、梅崗型含鋰鹵水礦的潛力。