鲁西地区石炭-二叠系锂锗镓含矿特征及综合利用远景

王会韬，李建，高继雷，张梦雪

(1.临朐县自然资源发展有限公司，山东 临朐 262600；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250110;3.山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室，山东 济南 250110)

0 引言

锂作为一种新型且重要的能源战略金属，在锂电池，新能源汽车，可控核聚变等领域发挥着显著的作用[1]，是21世纪能源和轻质合金的理想材料，被称为推动世界前进的重要资源[2-3]。锗不仅拥有仅次于硅的良好的半导体性质，同时也是信息通讯和新能源领域重要的基础原材料，在光纤通讯、聚酯 PET 催化剂、高频超高频电子器件、红外光学、太阳能光伏电池、航空航天测控、核物理探测、生物医学等领域具有广泛应用[4-5]。镓具有高沸点、低熔点、低蒸气压、反常膨胀等特点，是液态范围最大的金属[6]，镓化合物(GaAs、GaN和Ga2O3)被广泛应用于无线通信、化学工业、医疗设备、太阳能电池和航空航天等众多领域，被称为“半导体工业的新粮食”[7]。

山东省石炭-二叠纪煤系、铝质岩系层位中含有锂、锗、镓等稀有、稀散元素，但针对锂、锗、镓等稀散元素进行普查工作做的较少，据报道在章丘-淄博G层铝土矿床内赋存镓并查明伴生镓资源量6214 t，预测镓资源量15319 t，其他地区煤系、铝质岩系地层中富含的锂、锗、镓等稀有、稀散元素未进行普查评价。本文主要讨论了鲁西地区石炭-二叠纪煤系地层、尤其是可采煤层及顶底板中锂锗镓的成矿地质特征及分布情况，为锂、锗、镓等稀有、稀散元素资源的综合开发利用提供方向(1)山东省第一地质矿产勘查院，鲁西地区锂锗镓矿资源调查评价报告，2022年。。

1 地质概况

鲁西地区是指省内沂沭断裂带以西、齐广断裂以南的地区[8]。石炭-二叠纪是其最重要的聚煤期，集中了山东省90%以上的煤炭资源，100%的铝土矿资源[9]。以往工作研究表明锂、锗、镓可与煤共生或伴生在一起，在煤炭开采时共同产出的具有工业价值或工业利用前景[10-14]。

鲁西地区石炭-二叠纪地层，包含月门沟群和石盒子群。为一套“陆缘—滨海”相沉积岩层，成矿时代为晚石炭世本溪期和中二叠世梁山期。根据其岩石组合特征进行划分，包括月门沟群和石盒子群。

(1)月门沟群：为一套海陆交互-陆相含煤岩系，与下伏奥陶纪马家沟群平行不整合接触，与上覆石盒子群整合接触，自下而上划分为本溪组、太原组和山西组。该群分布较广泛，保存多较完整，从区域上看由北而南厚度有逐渐增厚之特点。岩性以铝土岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩及煤层为主，发育煤层是该套地层的主要特征，从含煤及开采性上看，太原组煤层在莱芜、淄博一带发育较好，而山西组煤层在济宁、枣庄一带发育较好。

本溪组主要由黄绿色、灰色等铁铝质泥岩、黏土岩及灰到深灰色厚层泥晶生物碎屑灰岩组成，夹砂岩和1～3层不稳定煤线，底部普遍发育G层铝土岩，厚度一般8～20m。构成工业矿体者主要见于淄博盆地东北部，通常只形成一层矿，呈厚度不均的层状或透镜状矿体，局部形成漏斗状或者囊状矿体。

太原组与本溪组为连续沉积，是山东省重要的含煤地层，含煤8～20层(编号18～4)，可采4～8层，即6、10、12、14、15、16、17、18煤层，主要可采煤层为16、17煤层。

山西组主要由灰—灰黑色粉砂岩、泥岩和灰白色、灰黄色砂岩组成，含煤2～4层(编号4-1)，可采1～2层，即2、3煤层，主要可采煤层为3煤层[4]。

(2)石盒子群：为一套陆相沉积的由黄绿色、灰绿色砂岩、紫红色、灰紫色泥岩夹铝土岩及灰黑色页岩组成的岩石组合，南部偶见有煤线。据岩石组合特征，自下而上划分为黑山砂岩段、万山泥岩段、奎山砂岩段和孝妇河泥岩段。该组分布较广泛，但除章丘、淄博一带保存完整外，其余地区均遭受不同程度的剥蚀。

黑山组与万山组主要以黄绿色、黄灰色为主，夹紫色陆相碎屑岩建造。万山组上部层位中A层铝土矿(该段下邻层位中的铝土矿称为“B层”铝土矿)作为含铝岩石组合，区域分布较为稳定，含煤线。奎山组、孝妇河组是以陆相为主的碎屑岩建造，厚约500m。含1～3层柴煤，局部可采。

2 稀有、稀散元素评价指标的选择

2.1 调查区资料收集及取样情况

依据含煤盆地单元、构造特征等地质因素，将研究区域共划分了5个重点调查区，分别为聊城、泰安、莱芜、济宁、菏泽重点调查区。共收集了与煤矿、铝土矿及有关锂、锗、镓矿评价的勘查报告307份，其中多数报告为煤矿和铝土矿矿产勘查成果报告。取样钻孔主要分布在各重点调查区的中心位置或以往工作对锗和镓进行伴生矿产评价的矿区，所采样品为保留的钻探工程的岩心，采样层位为含煤地层(包括煤层顶底板泥岩、粉砂岩、细砂岩和灰岩)、铝土矿、铝土岩和黏土岩。具体为聊城阳谷-茌平煤田2孔(图1)。济南章丘煤田2孔，泰安新汶煤田1孔，菏泽巨野煤田1孔，济宁煤田1孔。另外，对淄博潘西煤矿、淄博铝土矿和菏泽徐楼煤矿进行了煤样、煤矿顶底板岩石、铝土岩等进行了捡块。

1—研究区范围；2—重点调查区范围；3—煤田分布范围；4—铝土矿分布范围；5—省级界限；6—地级市界限；7—市政府驻地；8—取样钻孔位置图1 重点调查区划分及取样钻孔分布图

2.2 评价指标选择

评价指标以锂120×10-6[15-17]、锗10×10-6[18]、镓30×10-6[19]为达到煤矿伴生矿产条件进行评价，以锂233×10-6[15-17](Li2O≥0.05%)、镓20 ×10-6为达到铝土矿伴生矿产条件进行综合评价。

3 锂锗镓的分布特征及找矿靶区的圈定

3.1 根据搜集资料情况统计

聊城重点调查区黄河北煤田长清井田锗能达到煤伴生品位，位于7煤层，含量最高为13.35×10-6；泰安重点调查区肥城煤田锗部分能达到伴生品位，含量均不高，镓含量最高为110×10-6；莱芜重点调查区莱芜煤田鄂庄煤矿锗能达到伴生品位，为13.70×10-6，在淄博地区铝土矿中提交了镓伴生资源量；济宁重点调查区藤县煤田锗品位最高33.69×10-6，济宁煤田锗品位最高27.2×10-6，镓只说明了达到了综合利用价值，未对品位给出具体数据；菏泽重点调查区巨野煤田锗品位最高13×10-6，镓品位最高32×10-6。

3.2 根据本次取样情况统计

聊城重点调查区阳谷-茌平煤田ZK1606钻孔编录岩心长度359.88m，取样42件，锂最高品位227.70×10-6，镓最高品位41.50×10-6；ZK201钻孔编录岩心长度643.68m，取样41件，锂最高品位143.00×10-6，镓最高品位30.40×10-6。泰安重点调查区新汶煤田TC1钻孔，岩心224.83m，见煤层5层，取样38件，采样覆盖4煤层至15煤层顶底板、夹石及中间地层，未采集到煤样。锂最高品位144.40×10-6，镓最高品位38.60×10-6。莱芜重点调查区王庄矿区的WZ钻孔编录岩心473.65m，见煤层7层，取样33件，样品主要分布在石炭-二叠系的黏土岩、泥岩、泥质砂岩、粉砂岩，不含煤层，锂最高品位140.8×10-6，镓最高品位55.9×10-6。位于西崇山的CK20-12钻孔，编录岩心200.38m，取样43件，该钻孔未见煤层，采样岩性主要为泥岩，镓最高31.90 ×10-6。在西崇山矿区煤层采取捡块样品3件，其中XCS-H2锂品位133.27×10-6，XCS-H3镓品位44.68 ×10-6。达到了煤矿伴生矿产综合利用条件。济宁重点调查区济宁煤田的济二钻孔。编录长度832.45m，石炭-二叠系厚度734.82m，岩心536.43m，见煤层4层，取样27件，样品主要分布在煤层顶底板的泥岩中，不含煤层，所取样品件均未达到可利用条件。菏泽重点调查区取样钻孔位于巨野煤田钟楼煤矿的ZL钻孔，岩心236.56m，见煤层5层，取样38件，分布在2煤层—5灰之间的所有层位，包含煤层，锂最高品位172.3×10-6，具体见表1。

表1 各重点调查区工作情况及矿化特征统计

4 锂锗镓元素富集的控制因素

鲁西地区成矿时代为晚石炭世和中二叠世，含矿地层为石炭纪-二叠纪地层，包含月门沟群和石盒子群，为一套“陆缘-滨海”相沉积岩层。富锂黏土是下伏碳酸盐地层经过长期的风化—沉积作用而形成的，锂是黏土演化的某些阶段特殊物理化学条件下，被大量富集而成矿[20]；锗主要呈锗腐植酸盐形式存在于煤中[21]；镓是在盐度较低的古环境下，受黏土物质和游离二氯化硅所吸附[21]。

总结本次所有取样分析结果，结合莱芜潘西煤矿井下不同岩性取样分析结果(表2)显示，锂和镓主要分布在石炭-二叠纪煤系地层和含铝土矿物地层中，煤中锂、镓的赋存与煤中的铝硅酸盐矿物也有着紧密的联系，煤中锂、镓的成矿主要与铝的含量密切相关，表现出随黏土矿和铝土矿层的形成，锂和镓含量同步增加，因此在铝土岩和泥岩中锂、镓含量普遍较高。锗在煤系地层中的赋存状态则主要与有机质结合，表现为与煤矿伴生。

表2 潘西煤矿井下不同岩性分析结果一览表

5 找矿靶区的优选及特征要素

本次工作共优选出A类找矿靶区1 处，C类找矿靶区2处，分别为：淄博铝土矿镓找矿靶区(A类)，肥城煤田镓找矿靶区(C类)，藤县-济宁煤田锗找矿靶区(C类)。

5.1 淄博铝土矿镓找矿靶区(A类)

该靶区位于淄博市东部，沣水—湖田一带，面积约387km2。

该找矿靶区石炭-二叠纪地层发育，成矿地质条件优越。尤其是该区铝土矿层发育，矿层主要赋存中于本溪组湖田段第二层铝土矿，铝土岩、铝土页岩，呈层状、似层状。其中在湖田矿区、沣水矿区和北焦宋中部矿区均提交了伴生资源量。

上述情况均反映出该靶区具有一定的找矿前景，可在该区开展探槽揭露、钻探深部控制等工作，系统查明伴生镓矿资源情况。

5.2 肥城煤田镓找矿靶区(C类)

该靶区位于肥城市西北部，湖屯镇—老城镇一带，面积约215km2。

该找矿靶区石炭-二叠地层发育，成矿地质条件优越。肥城煤田太原组地层厚度128.00～240.00m，主要可采煤层9层(5上、5、6、7、8、9、101、102、11煤层)，煤层厚度9.81m；山西组地层厚度70.00～135.00m，主要可采煤层4层(1、2、3、4煤层)，煤层厚度7.32m。找矿靶区4煤层镓最高品位达110×10-6，未提交了伴生资源量。

上述情况均反映出该靶区具有一定的找矿前景，在该区开采煤层，需对镓矿进行系统综合评价并合理利用。

5.3 藤县-济宁煤田锗找矿靶区(C类)

该靶区位于济宁市南部，济宁市南—张黄镇—留庄镇一带，面积约1760km2。

该找矿靶区石炭-二叠纪地层发育，成矿地质条件优越。藤县煤田太原组地层厚度141.97～210.51m，主要可采煤层5层(12下、14、15上、16、17煤层)，煤层厚度3.76m；山西组地层厚度72.00～142.75m，主要可采煤层2层(3上、3下煤层)，煤层厚度6.97m。济宁煤田太原组地层厚度150.30～193.58m，主要可采煤层6层(6、10下、12下、15上、16上、17上煤层)，煤层厚度4.58m；山西组地层厚度48.40～101.53m，主要可采煤层2层(3上、3下煤层)，煤层厚度6.36m。找矿靶区4煤层镓最高品位达110×10-6，未提交伴生资源量。锗在藤县煤田18上煤层、17煤层含量达边界品位，最高值33.69×10-6，济宁煤田中锗在6煤层能达到边界品位，最高值27.20×10-6。

6 结论

(1)通过对搜集钻孔岩心的编录与取样测试工作得出，调查区内石炭-二叠纪地层中锂元素的富集与铝硅酸盐矿物有着紧密的联系，在煤系地层中未达到综合利用价值；镓元素在铝土质岩石中较为富集，淄博地区铝土矿中提交了伴生资源量，也可在煤层中富集，肥城煤田煤层中镓就达到综合利用价值；锗元素则主要在煤层中富集，在济宁-藤县煤田达到了综合利用价值。

(2)共圈定了3个找矿靶区，具有一定的指导意义，建议加强对找矿靶区内稀有、稀散元素的综合评价，以便进行综合回收利用。

(3)锂元素与镓元素的富集与铝硅酸盐矿物有着紧密的联系，铝土矿、煤层顶底板的泥岩中锂和镓元素含量较高，粉砂岩次之，砂岩几乎不含锂和镓矿化；锗则主要在煤层中富集。