江西省吉泰盆地南洲含锂卤水矿床地质特征及成因探讨

朱明波， 吴忠如， 王思学， 王立新， 彭惠卿

(1.江西省自然资源事业发展中心,江西 南昌 330025； 2.江西有色地质勘查五队,江西 九江 332000)

随着新能源、新材料产业的崛起,锂矿正成为锂电产业重要的原材料,具有广阔的应用前景,地下卤水是锂矿的主要来源之一[1]。近年来中国加大了锂矿勘探投入,并取得了系列找矿成果,同时研究者从含锂卤水的分布特征、水岩作用等方面对含锂卤水矿床的成因进行了深入研究[2-6]。1973年在吉泰盆地发现了梅岗小型含锂卤水矿床,前人以该矿床为例，总结了吉泰盆地卤水矿成矿地质背景[7]、地质特征[8-9]、地球化学特征[10],但由于矿床数量少,限制了该区卤水锂矿成因和成矿规律研究的深化。南洲含锂卤水矿床是近年来在吉泰盆地新发现的一小型矿床,本文总结该矿床地质背景、卤水地质特征和水化学特征,探讨其成因,为吉泰盆地下一步找矿工作提供参考。

1 区域地质及地球化学特征

吉泰盆地位于江西省中南部、赣江中游,北起安福,南至遂川,西起永阳,东至吉水,呈北东向展布的不规则菱形[11-13],面积约4 550 km2,地貌以丘陵为主,是江西省内第二大中—新生代盆地。吉泰盆地大地构造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)。

图1 吉泰盆地地质简图(据参考文献[8]修改)Fig.1 Simplified geological map of Jitai basin

1.1 区域地质特征

盆地及周边地层除奥陶系和志留系缺失外,从震旦系至第四系均有出露,其中白垩系赣州群周田组第六段(K2z6)和第三段(K2z3)为区内的储卤层位。周田组第六段岩性为紫红—砖红色细砂岩、中粒砂岩、含砾砂岩,厚345.81 m；周田组第三段岩性为紫红—砖红色粉砂质泥岩、泥页岩、泥灰岩,厚1 355.11 m。

吉泰盆地的发生与发展严格受断裂构造的控制,其北东为永新—峡江大断裂,北西为吉水大断裂,南东为遂川—德兴大断裂,东侧红层超覆在下伏基底岩石之上[14-15]。

盆内岩浆活动不甚强烈,零星出露燕山期晚期玄武岩和花岗岩。盆外分布有东固、弹前、汤湖、鹅形和宁冈等岩体,为加里东晚期花岗岩和燕山早期花岗岩[16],其岩石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含量较高,可为吉泰盆地提供重要的成盐物质。

1.2 区域地球化学特征

吉泰盆地属于赣西地球化学区井冈山—吉安地球化学亚区,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,其展布受北东向构造控制,除卤水锂矿外成矿作用不甚明显。根据江西省1∶20万水系沉积物测量资料显示[16],吉泰盆地内分布有8个锂富集区,其中新圩镇锂富集区最显著(梅岗、南洲含锂卤水矿床均产于该富集区),面积约320 km2,Li含量最高值166.4 μg/g。盆地内Li的背景值在白垩系赣州群周田组第三段、第四段最高,其背景值分别为110 μg/g和146 μg/g[10]。

2 矿床地质特征

2.1 矿区地质特征

矿区内出露地层主要为白垩系赣州群周田组第三段(K2z3)以及第四纪更新世赣县组(Qpg)和全新世联圩组(Qhl)[17](图2)。根据本次钻探揭露情况,周田组第三段主要以薄层状钙质泥岩为主,局部含薄层石膏条带,普遍发育水平层理,颜色以紫红色、暗紫红色、青灰色为主,局部夹黄绿色、灰绿色、乳白色、杂色。根据岩性和颜色组合特征,自下而上基本可划分为6个岩性层：

图2 南洲含锂卤水矿床地质略图Fig.2 Geological sketch map of Nanzhou lithium brine deposit

第一岩性层青灰色条带状含石膏钙质泥岩与紫红色钙质泥岩不等厚互层,层厚>169.14 m；

第二岩性层青灰色条带状含石膏钙质泥岩夹紫红色钙质泥岩,赋存卤水,局部裂隙中充填石盐,平均层厚22.16 m；

第三岩性层青灰色条带状含石膏钙质泥岩,局部夹紫红色钙质泥岩,平均层厚85.60 m；

第四岩性层紫红色钙质泥岩,局部夹青灰色条带状含石膏钙质泥岩,平均层厚166.46 m；

第五岩性层青灰色含石膏钙质泥岩与紫红色钙质泥岩不等厚互层,层厚>66.62 m；

第六岩性层青灰色与紫红色钙质粉砂岩不等厚互层,层厚>37.44 m。

根据钻孔揭露情况,矿区底部周田组第三段第二岩性层中发育有层间滑脱构造(F5),并发育有次级裂隙、孔隙。该滑脱构造基本顺层分布,各钻孔均有揭露,破碎带厚度一般为1.15～6.05 m不等,其成分主要由泥岩、泥页岩等构造角砾岩组成,部分角砾为石盐、石膏或断层泥所胶结,角砾大小一般为0.2 cm×0.5 cm～1 cm×3 cm。在裂隙发育的顶底接触带,溶蚀孔洞往往也较为发育。矿区内未见岩浆岩出露与分布。

2.2 卤水层特征

矿区含锂卤水赋存于周田组第三段第二岩性层青灰色条带状含石膏钙质泥岩夹紫红色钙质泥岩层间滑脱构造的次级裂隙中,受层间滑脱构造控制(图3)。储卤层走向长2 200 m,倾向宽900 m,面积0.88 km2,基本顺层分布,总体走向北东,倾向南东,倾角约18°～22°,埋藏深度152.83～399.69 m,厚度5.69～33.77 m,厚度变化总体呈北东薄西南厚,有效孔隙度5.7%～30.9%,平均14.02%。在卤水岩层中,岩心破碎,角砾发育,角砾大小一般为0.2 cm×0.5 cm～1 cm×3 cm,部分角砾为石盐、石膏或断层泥所胶结。

图3 南洲含锂卤水矿区83号勘探线剖面图Fig.3 Cross section along No.83 exploration line in Nanzhou lithium brine desposit

2.3 卤水化学特征

2.3.1卤水总体化学特征

卤水为无色、无嗅、味咸、微苦、涩、清澈透明的液体。矿区采取了部分卤水样品进行卤水化学分析(表1),由中国地质科学院盐湖与热水资源研究发展中心采用等离子光谱仪、离子光谱仪和等离子质谱仪测试。

表1 矿区卤水化学分析结果表Table 1 Table of chemical analysis results of brine in mining area

矿区卤水矿化度180.1～327.1 g/L,为海水矿化度的5.15～9.35倍(以海水35 g/L计算),属中等—高矿化度氯化钠型卤水。

卤水中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；卤水常量离子中Na+、Cl-占绝对优势。

卤水的化学组分,以离子结晶顺序为基础进行组合和计算,以NaCl为主,其含量为21.54%～25.88%,平均含量为23.3%,是工业指标的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,是盐湖综合利用最低工业指标的1.41～2.42倍。

2.3.2卤水水化学指数

卤水水化学指数是识别地下卤水成因和演化特征的重要指标[18],矿区卤水水化学指数见表2。

表2 矿区卤水水化学指数Table 2 Chemical index of brine in mining area

(1) 矿化度。卤水矿化度的高低是研究含盐盆地卤水浓缩程度、成盐条件的一个方面,当矿化度在150～300 g/L时,为石膏沉积阶段；当矿化度>320 g/L时,岩盐开始沉积[19]。矿区卤水矿化度为180.1～327.1 g/L,平均292.8 g/L,说明矿区卤水浓缩程度一般,不利于成盐。

(2) 钠氯系数。钠氯系数[n(Na+)/n(Cl-)]是反映卤水中钠盐的富集程度、蒸发浓缩和岩盐溶滤的重要指标。矿区地下卤水样品的钠氯系数为0.90～1.00,平均值 0.96,高于正常海水的钠氯系数0.85,为溶滤型卤水。

(3) 氯溴系数。氯溴系数[ρ(Cl-)/(ρ(Br-)×1 000)]反映卤水浓缩过程,矿区氯溴系数为11.15～75.35,平均值33.45，均大于正常海水的氯溴系数0.3,具溶滤型卤水特征。

(5) 钙镁系数。矿区钙镁系数[n(Ca2 +)/n(Mg2+)]为2.37～3.39,平均值2.76,接近深层地下卤水标准值3,反映矿区卤水变质程度较高,形成时间相对较长。

(6) 成因类型。苏林成因分类法[20]将地下水分为硫酸钠型、重碳酸钠型、氯化镁型和氯化钙型四类,矿区卤水钠氯系数均<1,[n(Cl-)-n(Na+)]/n(Mg2+)值为1.76～12.56,>1,因此为氯化钙型水。

3 卤水成因探讨

持续沉降的负向构造条件、保证卤水浓缩的封闭型古地貌条件、蒸发量大于降水量的干旱气候条件和丰富的盐类物质来源是形成卤水矿最基本的四个条件[21]。

成盐期的古构造是控制成盐的重要因素,它对盆地基底的分异，盐类沉积的形成、发展和展布都起着重要作用。吉泰盆地为南陡北缓的箕状断陷盆地,其高低起伏的复杂地形为盐类物质沉积分异、局部富集提供了条件[22]。

晚白垩世吉泰盆地经历了三个发展阶段：①早期生成阶段。初期以河流相沉积砾岩—粉砂岩为主,后期盆地中心以湖相沉积为主,其南部以山麓砾岩—粉砂岩相沉积为主；②中期发展阶段。从盆边的水下三角洲泥岩—砂砾岩相至盆中的湖成泥岩—泥灰岩相均较发育,边部沉积均呈紫红色,反映了氧化环境,向盆中逐渐出现代表还原环境的灰色泥岩、泥灰岩；③晚期萎缩阶段。盆地向南东方向迁移、萎缩,沉积了一套紫红色三角洲砾岩—粉砂岩相及滨—浅湖相泥岩、粉砂岩。从三个发展阶段沉积物岩性组合特征和沉积构造特征分析,认为晚白垩世吉泰盆地是一个封闭—半封闭的山间盆地。

上白垩统地层中普遍见有石膏、硬石膏、松柏类植物化石及大量莎草蕨、海金砂、克拉梭粉等孢子花粉[20],指示了沉积时的热带干旱炎热气候。地层中出现了干裂、浪成波痕等沉积构造,上、下含卤水层附近普遍见有泥砾岩,表明晚白垩世时期湖水深度较浅,有时处于浪基面之上,有时甚至干枯导致湖底暴露。

吉泰盆地的成盐物质主要来源于两个方面：蚀源区各类岩石的风化产物是盐类物质的主要来源；与岩浆活动有关的初生水及沿深大断裂上升的深成卤水是内陆盐湖的重要物质来源[18]。分布于盆外南及南西的早古生代晚期混染型花岗岩及燕山早期花岗岩类,其Na2O及K2O含量较高,为晚白垩世成盐的重要物质来源。盆缘受深大断裂控制,盆内基性火山岩发育,卤水锂含量较高,可能带来了深部补给来源。

晚白垩世,南洲卤水矿区位于吉泰盆地的沉降中心,盆地受断、陷、沉同时作用发展成一个咸水或半咸水湖盆。盆地为冲积扇沉积物所充填,由于气候炎热干燥,冲积扇中的洪泛沉积的细碎屑岩沉积物被带入矿区中的洼地,造成积水,随即又被蒸发,造成湖水咸化程度增加,湖水蒸发浓缩形成卤水。矿区南部及南西部大面积出露的早古生代晚期混染型花岗岩及燕山早期花岗岩类宁冈、汤湖、鹅形、弹前、东固岩体,通过洪泛水淋滤、溶解作用,将火成岩中K、Na等离子溶解并蒸发富集沉积形成次生卤水。随着控盆构造永新—峡江、吉水、遂川—德兴三条深大断裂的进一步活动,产生顺层断层及相应的构造裂缝,为矿区深部卤水的储存提供了赋存空间,同时深大断裂也为深部富锂流体提供了运移通道,与已形成的次生卤水发生接触、交代作用,最终形成富锂卤水矿床。后期广泛分布的厚层细碎屑岩及膏盐层形成良好的盖层,其形成的异常高压环境有利于富锂卤水的保存。

4 结论与建议

(1) 矿区卤水为富锂氯化钠型卤水,其矿化度180.1～327.1 g/L,NaCl含量21.54%～25.88%,平均含量为23.3%；LiCl含量514.89～726.83 mg/L,平均含量为627.41 mg/L。

(2) 卤水钠氯系数、氯溴系数、脱硫系数和钙镁系数显示卤水的封闭性较好,形成时间较长,为溶滤型卤水。

(3) 根据吉泰盆地岩性组合、沉积构造、矿物组成和植物化石等特征,认为晚白垩世吉泰盆地处于封闭—半封闭的地貌环境和干燥的气候条件。

(4) 卤水成矿物质来源于盆外火成岩的风化产物以及与构造有关的深源卤水,成因类型为氯化钙型水。

(5) 建议以南洲卤水矿区为中心,加大吉泰盆地坳陷地段与锂富集区重叠区的勘查投入。在矿区南东方向4～6 km范围连接着一个新圩坳陷,其为有利的湖盆沉积构造,且与南洲、梅岗卤水矿床处于同一锂富集区,具有探寻类似南洲、梅岗型含锂卤水矿的潜力。