江西吉泰盆地卤水锂矿床地球化学特征及远景分析

马厚明, 赖志坚, 鄢新华, 廖绍平, 田立明

江西省地质矿产勘查开发局物化探大队, 江西南昌 330000

三稀金属已经成为工业4.0和第四次科技革命的关键资源(王学求等, 2020), 备受社会关注, 美欧等发达经济体先后制定了各自的关键矿产资源发展战略。作为三稀金属的锂, 由于其目前在新能源领域的大量需求和不可替代性, 已经成为一种重要的战略资源, 越来越受到重视。我国与锂相关的产业近几年发展很快, 对锂的需要非常大, 因此对锂资源的勘查也越来越重视, 寻找和评价锂矿产资源是地质调查和研究的主要任务之一(王登红等, 2013;王登红, 2019; 翟明国等, 2019; 毛景文等, 2019)。自然界中发现的锂矿床主要的有 3种类型: 花岗岩和花岗伟晶岩型、卤水型和沉积型锂矿床。锂资源最丰富的国家有智利、玻利维亚、中国、澳大利亚等。很多学者对中国锂矿成矿规律和矿床成因进行了深入研究(李建康等, 2014; 王登红等, 2017, 2019;刘丽君等, 2017; 许志琴等, 2018)。我国的锂矿资源主要集中于花岗岩型、花岗伟晶岩型和盐湖型中,地下卤水型锂矿虽然不是锂矿主要的类型, 但在我国的找矿潜力还是很大。目前, 国内探明的钾盐资源主要分布于西北柴达木、罗布泊等盐湖卤水中,预测这些盐湖储量可采资源服务年限为20年(刘成林等, 2006; 孟凡巍等, 2012; 王春连等, 2013, 2020;徐洋等, 2017)。江西吉泰盆地地层卤水中氯化钾含量接近 1%, 接近工业品位; 氯化锂浓度超过600 mg/L, 超工业品位两倍, 属于“液态型富锂矿”,综合利用价值高(李瑞琴等, 2013, 2014; 刘成林等,2016)。本文介绍了江西吉泰盆地锂的区域和矿区地球化学特征, 以此来预测盆地内卤水锂矿的找矿远景, 具备一定的研究和应用意义。

1 区域地质、地球化学特征

1.1 区域地质特征

吉泰盆地(吉安—泰和盆地)位于江西省中西部、赣江中游, 面积 4550 km2, 是江西省第二大中新生代盆地。构造上位于扬子准地台与华南褶皱系接触带, 属于华南褶皱系赣西南坳陷之大湖山芙蓉山隆断束与吉安凹陷的交接部位(图1)。区内大面积出露白垩系和第四系, 两者约占总面积的 80%,其中白垩系周田组主要沉积一套红色碎屑岩建造,含膏盐层和卤水(图 2)。北东部主要分布少量震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系和侏罗系, 约占总面积的20%(杨明桂等, 2017; 廖达军等, 2019)。

图1 江西地质构造单元区划图Fig.1 Regional map of Jiangxi geological tectonic units

图2 江西吉泰盆地区域地质矿产图Fig.2 Regional geological and mineral resources map of Jitai basin, Jiangxi Province

白垩系周田组(K2z)

周田组为晚白垩世一套干旱气候封闭-半封闭内陆浅成湖泊沉积建造。当时湖盆东高西低, 贯坑、浒溪一带为盆地, 堆积了一套斜层理; 梅岗、爱坑一带为湖盆中心, 为稳定的浅湖环境, 沉积物以一套细碎屑岩为特征。

根据岩性组合特征分为以下岩性段。

第一段: 砖红-紫红色细砂岩、钙质粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、页岩、杂色泥页岩;

第二段: 紫红-砖红色复成份砾岩、砂砾岩夹中-细粒砂岩;

第三段: 紫红-砖红色粉砂质泥岩、泥页岩、泥灰岩;

第四段: 紫红-砖红色粉砂质泥岩、泥页岩、杂色泥页岩、泥灰岩;

第五段: 紫红-砖红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥页岩夹钙质细砂岩、泥灰岩;

第六段: 紫红色-砖红色细砂岩、中粒砂岩、含砾砂岩;

浒溪砾岩、砂砾岩段: 紫红-砖红色砾岩、砂砾岩夹杂砂质石英砂岩。与下覆茅店组呈整合接触,局部超覆下伏基岩之上, 上与河口组呈角度不整合接触。

在漫长的地质发展演化中, 泰和盆地经历了加里东运动、海西-印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动。由于构造运动的叠加、改造, 深浅构造形迹共存, 从而形成了调查区错综复杂的构造格架。“红盆”的发生与发展严格受断裂构造的控制。尤其以控盆断裂或盆缘断裂的控制更为明显。泰和盆地的边界断裂—城佳山转换平移断裂, 构造形迹保存较完好。盆地基底为前白垩纪底层, 红色岩系可直接越覆在下伏各地层之上。

吉泰盆地及值夏幅内暂未见岩浆岩出露。

该区位于南岭成矿带罗霄—诸广山钨锡铀稀土多金属萤石非金属成矿亚带, 成矿条件好。主要矿产为卤水锂矿、地热资源等。目前, 已查明矿产有沉积型卤水锂矿、石膏、泥灰岩、黏土等, 卤水锂矿有较大找矿潜力。

1.2 区域地球化学特征

王学求等(2020)通过全国 12 000余件岩石和3394个点位(6600余件)汇水域沉积物采样, 对全国锂的地球化学背景和远景区进行了预测。根据王学求等(2020)中国锂地球化学图及异常划分, 吉泰盆地隶属于华南锂地球化学省(Li17): 主要分布在江西、湖南东部和广东中北部, 隶属华南造山带, 重要的稀有金属钨、锡多金属成矿带。异常面积259 290 km2, 异常内锂含量均值51.1 μg/g, 远高于中国水系沉积物Li平均值34 μg/g(迟清华和鄢明才,2007)。该区以中生代为主的断块运动及其伴随的岩浆活动, 对内生稀有元素成矿起着主要作用, 多发生在多期活动的晚期掩体中。

吉泰盆地属于赣西地球化学区井冈山—吉安地球化学亚区(B-2), 大部分金属成矿元素呈现较为平稳的地球化学背景。该盆地范围内由于地质构造运动及岩浆活动均相对较弱, 元素的富集、贫化均不突出, 其展布共受北东向构造控制, 除卤水锂矿外成矿作用不甚明显。江西省1:50万锂地球化学图显示, 在吉安—泰和中新生代盆地出现一个北东向环形锂富集区, 其外围吉水—万安—井冈山则为含量较低的锂贫化区, 二者界线较分明, 面积约5800 km2。江西省沉积岩类中泥质岩 Li背景值32 μg/g, 明显高于其它沉积岩类, 具有如下组合特征: 第一组, 主要为造岩元素组合, 包括Li、K、Rb、Cs、Tl、Pb、Bi、Sn、W、V、Th、La、Y、Nb、Ta、Zr、Hf等易被黏土吸附的碱金属元素、大离子和高价态离子及赋存于稳定矿物中的元素; 第二组,主要为亲铁元素, 包括 Fe、Cr、Ni、Co、V、Ti、Cu、Zn(鄢新华等, 1996; 杨明桂等, 2017)。

2 泰和县梅岗卤水锂矿异常特征及成因分析

2.1 梅岗卤水锂矿床特征

已知梅岗高盐卤水锂矿床位于江西泰和县万合镇梅岗村, 产于周田组的第三段中, 含卤水、岩盐各两层。卤水具有承压性质, 钻孔揭穿卤水层后,卤水即会涌出地表, 水位高出孔口数米, 上卤水层厚4.43～10.90 m, 下卤水层厚2.49～14 m。卤水中富含氯化钠和氯化锂, LiCl含量 544～1136 mg/L,达到工业指标的 2～3倍(LiCl最低工业指标150 mg/L); NaCl含量 278.15～308.36 g/L, 占卤水重量的24.50%～26.11%, 是一个高盐富锂型卤水矿床。

根据廖达军等(2019)研究成果, 在梅岗卤水矿区北西和东南分别施工超千米深井钻探。梅二井岩心分层共11层, 前10层均为青灰色、紫红色、棕红色等泥岩、钙质泥岩、钙质粉砂岩和泥页岩或互层, 见三层含条带状石膏泥岩。第 11层1067.15–1121.30 m为灰白色、杂色砾岩、灰黑色炭质泥页岩下伏石炭系梓山组砂岩粉砂岩。在梅一井钻探揭露过程中, 分别在 569.51–575.51 m 和585.39–594.80 m 见到含角砾细砂岩和杂色砾岩层,角砾成分绝大部分为灰岩。说明周田组沉积过程中起码出现过两次泛湖亚旋回。梅一井揭穿白垩系周田组底板后下伏地层岩性为石炭系梓山组灰岩和白云岩, 揭露厚度超过 400 m, 广泛的钙质原岩为周田组形成过程中提供了充足的物质来源, 从而形成巨厚层的钙质泥岩和钙质粉砂岩及夹膏盐层。

卤水矿主要赋存于构造破碎带及夹薄岩层的孔隙及裂隙中, 含矿层厚度大, 厚 11.5～35.05 m,钻孔中见单层1.56 m厚的固体结晶盐。卤水层顶底板岩性为青灰色、紫红色含条带状石膏钙质泥岩,岩芯完整, 地层产状较缓, 为 9°～15°。储卤地层裂隙宽约1～3 cm, 多数为张性裂隙, 裂隙内充填肉红色岩盐, 岩盐呈粒状或块状分布。储卤地层溶蚀现象较为强烈, 在钙质粉砂岩中发育大量的成岩-构造缝、溶孔、粒间孔、微孔隙、晶间孔等孔隙。这些孔隙在构造作用下产生复杂的裂隙-孔隙系统,构成了卤水的有利储层。

区内卤水为无色、褐色, 无嗅, 味咸、微苦涩,卤水样品分析结果见表1。

表1 卤水样品分析结果表Table 1 Analytical results of brine samples

2.2 梅岗卤水锂矿水系沉积物异常特征

图3为泰和县梅岗卤水锂矿水系沉积物异常剖析图, 其异常编号为HS14(LiMoAg)。

图3 梅岗HS14(LiMoAg)水系沉积物异常剖析图Fig.3 Meigang HS14 (LiMoAg) abnormal profile analysis of stream sediments

该异常位于吉安—泰和盆地东侧, 赣江东岸与泷江以南交汇处, 面积约 24.0 km2。主要出露白垩系赣州群周田组第三和第四岩性段(K2z3-K2z4), 属浅湖相(SL)和滨湖相(CSL)沉积, 岩性为北东走向的粉砂岩、泥页岩和泥灰岩等, 倾向东南。上覆第四系联圩组(Qh1-2l)冲积砂砾层, 呈树枝状沿沟田分布。

综合异常主要由Li、Mo、Ag组成, 伴生Cd、Co、As等弱异常。其中, Li异常面积最大(包含异常点86个), 呈C型环状分布于竹山—梅岗—袁家巷—田北一带, 异常具内、中、外带, 有 3个浓集中心, 总体分布不均匀。锂异常最大值367 μg/g, 位于竹山村附近, 综合异常参数见表2。

表2 梅岗HS14(LiMoAg)综合异常参数表Table 2 Meigang HS14(LiMoAg) comprehensive abnormal parameters

2.3 矿床成因分析

矿区位于吉泰盆地—泰和凹陷腹地, 具备封闭和稳定沉降的构造条件。封闭的盆地地形有利于盐分不断地向湖盆地势汇集并不致外泄, 稳定的构造条件有利于湖盆进行充分的蒸发和渗透作用, 从而使湖水浓度逐渐升高形成盐湖。盆地的特殊地形不仅起到了明显的封闭作用, 还有效汇集着周围地区的地表径流, 为盐湖中大量溶质的聚集提供了足够的入流量, 沉积了著名的“周田盐矿层”, 在气候干热期相应层位出现石膏矿层(杨明桂等,2017)。

在梅一井钻探揭露过程中, 分别在569.51–575.51 m和 585.39–594.80 m见到含角砾细砂岩和杂色砾岩层, 角砾成分绝大部分为灰岩, 说明周田组沉积过程中起码出现过两次泛湖亚旋回。在梅二井岩心中见三层含条带状石膏泥岩层。从以上卤水的赋存状态可以看出, 区内卤水矿床类型为地下深藏裂隙卤水矿。断层构造对深层卤水的控制作用比较明显, 对于卤水的储集起主导作用(廖达军等, 2019)。

根据梅一井揭穿白垩系周田组底板后下伏地层岩性为石炭系梓山组灰岩和白云岩, 揭露厚度超过 400 m, 广泛的钙质原岩为周田组形成过程中提供了充足的物质来源, 从而形成巨厚层的钙质泥岩和钙质粉砂岩及夹膏盐层(廖达军等, 2019)。推测Li物质来源可能有: 一是新圩乡北东部寒武纪—侏罗纪(尤其是石炭纪)泥灰质、炭质岩石中的 Li, 随剥蚀作用迁移到白垩系沉降区富集, 而周田组泥页岩和泥灰岩是较好吸附层, 又是天然的隔水层, 形成现在的含锂卤水矿; 二是地表水通过北东向断裂,将盆地西南部火山活动带来丰富的K、Na、Li、Rb、Cs等溶解、迁移到沉降区富集形成。

3 吉泰盆地锂地球化学特征及远景分析

3.1 吉泰盆地锂地球化学特征

江西省 1:20万水系沉积物测量资料显示, 在万合—醪桥一带, Li、Bi、Au、Sn、W显示高值区或高背景。在吉泰盆地分布有 8个锂富集区, 从上至下编号为锂1至锂8(图4)。其中新圩镇锂5富集区最显著(已知梅岗卤水锂矿产于此), 面积约320 km2, 最高值166.4 μg/g; 其次为泰和锂7富集区, 面积约340 km2, 最高值96.5 μg/g, 强度和规模均较大, 形态为不规则椭圆形, 呈北东向展布于上白垩统出露区。其它 6个锂富集区, 分布在吉水、吉安、马市镇等地, 富集区规模略小。

图4 吉泰盆地锂富集区分布图Fig.4 Distribution of Li-enriched areas in Jitai basin

最近开展的“江西省值夏幅(G50E007005)1:5万水系沉积物测量”(基本样 1882件, 面积453 km2), 其面积包含新圩镇锂5富集区。这项工作,对研究值夏幅锂地球化学特征、解析新圩镇锂5富集区提供了更详细的数据。

3.2 值夏幅锂的空间分布

1:5万值夏幅位于华南褶皱系赣西南坳陷之大湖山芙蓉山隆断束与吉安凹陷的交接部位, 吉泰盆地北东侧。根据值夏幅地质特征, 可将盆地分为两个部分, 东部的造山带和西部的新生代盆地, 两部分的地质背景不同造就了该区不同的元素分布特征。

在该盆地, Li、Na2O、Ag、Mo、Co等富集区多呈面状富集分布, 在东部丘陵区则多呈点状背景或贫化分布, 见图5。

图5 值夏幅1:5万水系沉积物锂地球化学图Fig.5 Li geochemical map of stream sediments in 1:50 000 Zhixia Sheet

值夏镇Li富集区: 该富集区位于吉安—泰和盆地东侧, 赣江东岸与泷江以南交汇处, 主要出露白垩系赣州群周田组碎屑岩。富集区主要由Li、Mo、Ag组成, 同时还有Cd、Co、Cr、As等组分, 面积约 110 km2。其中, 梅岗 Li富集区规模最大, 面积约46 km2, 分布于袁家巷—梅岗—竹山—田北一带,有3～4个浓集中心, 总体分布不均匀。在梅岗Li富集区外围, 西塘、螺溪和岗头还有 3个高背景或弱富集区环绕, 共同组成值夏镇Li富集区。

3.3 元素在地质单元中的分配特征

元素在全区和不同地质单元(系、组、段)地球化学参数见表 3。全区水系沉积物与全国水系沉积物相比, 本区Li平均值(51 μg/g)明显高于全国平均值(34 μg/g)(迟清华和鄢明才, 2007), 其它元素和氧化物平均值接近或低于全国平均值。

表3 不同地质单元水系沉积物地球化学参数Table 3Geochemical parameters of stream sediments in different geological units

1)第四系(Q)

包含山背组、鄱阳湖组、赣江组、联圩组、莲塘组、进贤组和赣县组, 分布于赣江和次级水系流域, 为河流冲-洪积相, 构成河谷阶地。主要为褐黄色砂土、亚砂土、亚黏土及砾石层等。第四系元素平均值与全区平均值之比(富集系数)可以看出, 该单元Au、Bi、Hg、L i、Sn、W、K2O和Na2O等富集系数均较高, 显示元素较富集, 推测可能与水系中自然金、黑钨矿等重砂矿物富集有关。

2)白垩系(K)

区内分布较广, 它包含莲荷组、塘边组、河口组、周田组和茅店组, 其中河口组和周田组最发育。

河口组(K2h) 分布于盆地的南东部, 含四个岩性段。从富集系数来看, 绝大多数元素属“贫化”特征, 尤以 Bi、Hg、Li、Co、Mo、Sn、W 和 K2O为著, 但As、Sb、Na2O有较强的后生叠加富集特点。

周田组(K2z) 分布于研究区的中部, 为卤水锂矿重要层位。从富集系数来看, Li、Mo、Na2O等平均值高于全区平均值, 其中Li(1.79)为强富集元素。再结合变化系数和叠加强度来分析, 除 Na2O外绝大多数元素两参数均较低, 因此认为周田组Li主要还是地层同生富集引起。

3)其它地质单元

区内出露面积较大的地层还有震旦系(坝里组和老虎塘组)、寒武系(牛角河组)、泥盆系(云山组和中棚组)、石炭系(梓山组)和侏罗系(水北组、漳平组和罗垇组), 集中分布于值夏幅北东部, 仅占总面积的20%。其中石炭系分布于盆地四周, Li背景值较高 76.13 μg/g, 富集系数 1.49。

总之, 地层从老到新, 各单元中Li的背景值呈现低—高—低的变化趋势, 特别是白垩系周田组第三段、第四段背景值最高, 其背景值分别为110 μg/g和146 μg/g, 表明周田组第三段、第四段Li最富集,为本区卤水锂矿主要矿源层(图6, 图7)。

图6 各地质单元Li背景值柱状图Fig.6 Columnar section of Li background for different geological units

图7 周田组各岩段Li、Na2O富集系数(A)及叠加强度变化图(B)Fig.7 Li and Na2O enrichment coefficients of each rock segment of Zhoutian Formation (A) and superimposition intensity(B)

由此可见, 白垩系周田组除富集Mo、Na2O等外, Li是最富集的元素, 且为同生富集引起, 尤其是周田组第三段、第四段岩层Li峰值最高, 这与吉泰盆地之梅岗一带高盐富锂型卤水层位一致。

3.4 远景分析

综上所述, 白垩系周田组除富集Mo、Na2O等外, Li是最富集的元素, 且为同生富集引起, 尤其是周田组第三段、第四段岩层Li峰值最高, 这与吉泰盆地之梅岗一带高盐富锂型卤水层位一致。

在吉泰盆地赣江两岸白垩系和第四系分布区,分布8个锂富集区。其中新圩镇锂5富集区最显著,强度和规模最大, 其次为泰和锂 7富集区, 均对应上白垩统泥、砂岩出露区, 应作为远景靶区优先开展勘查和研究。其它 6个锂富集区, 分布在吉水、吉安、马市镇等地, 尽管富集区规模略小, 但成矿环境与新圩镇锂 5富集区相似, 也有找到类似梅岗卤水锂矿的可能。

1:5万值夏幅已圈定出 4个找矿远景区, 除已知矿床引起的梅岗Ⅰ级找矿远景区外, 还有西塘—桐坑Ⅱ级远景区、螺溪Ⅱ级远景区和钟埠—岗头Ⅱ级远景区, 远景区涵盖了绝大部分Li的富集区。其中, 梅岗Ⅰ级远景区竹山锂异常应优先开展钻探验证工作。

4 结论

1)从区域上探讨了吉泰盆地和值夏幅锂地球化学特征。

值夏镇Li富集区位于吉安—泰和盆地东侧, 赣江东岸与泷江以南交汇处, 主要出露白垩系赣州群周田组碎屑岩。根据元素在不同地质单元的分配特征分析, 认为周田组第三段、第四段Li最富集, 且认为Li主要还是地层同生富集引起, 是本区卤水锂矿主要矿源层。富集区主要由Li、Mo、Ag等组成,面积约110 km2, 包含梅岗、西塘、螺溪和岗头4个富集区。其中梅岗 Li富集区规模最大, 面积约46 km2, 分布于袁家巷—梅岗—竹山—田北一带,有3～4个浓集中心, 总体分布不均匀。

2)梅岗卤水锂矿, 异常组合为Li-Mo-Ag等。矿床成因分析认为: 周田组为晚白垩世一套干旱气候封闭-半封闭内陆浅成湖泊沉积建造, 构造形迹保存较完好。湖泊泥、砂层发育, 气候由较湿热-较干冷-干热交替, 湖泊为淡水湖—咸湖—淡水湖的演替, 出现水位高—低—高的变化, 于咸水湖阶段,沉积了著名的“周田盐矿层”。区内卤水矿床类型为地下深藏裂隙卤水矿, 断层构造对深层卤水的控制作用比较明显, 对于卤水的储集起主导作用。

3)在吉泰盆地分布 8个锂富集区, 其中新圩镇锂 5富集区最显著, 强度和规模最大, 其次为泰和锂 7富集区, 均对应上白垩统泥、砂岩出露区, 应作为远景靶区优先开展勘查和研究。其它6个锂富集区, 分布在吉水、吉安、马市镇等地, 尽管富集区规模略小, 但成矿环境与新圩镇锂5富集区相似,也有找到类似梅岗卤水锂矿的可能。

4)值夏幅圈定出 4个找锂远景区, 除已知矿床引起的梅岗 I级找矿远景区外, 还有西塘—桐坑 II级远景区、螺溪II级远景区和钟埠—岗头II级远景区, 梅岗I级远景区竹山锂异常有待钻探验证工作。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.121201004000160901-12).