江西宜春甘坊礦田花崗巖型鋰礦床地質特征及找礦模型

尹維青,劉成忠,董 菁

(江西有色地質礦產勘查開發院,江西 南昌 330030)

0 引言

鋰具有低熔點、高沸點、輕質量和負電位等特征,被廣泛應用于新能源汽車、航空、核工業、醫療、玻璃、陶瓷、光電和冶金等行業領域中[1-3]。我國已發現的鋰礦床主要分布于西部地區,其次為中東部地區[4-8]。鋰礦分為鹽湖型鋰礦和硬巖型鋰礦,硬巖型鋰礦約占我國鋰礦資源總量的18%,其中鋰輝石占11%,鋰云母占7%[9]。

甘坊礦田位于的江西省宜春市,是我國少數幾個硬巖型鋰礦勘查基地之一。區內鋰礦資源豐富,主要類型為花崗巖型含鋰瓷石礦和蝕變細晶巖脈型含鋰瓷石礦,雖然鋰品位偏低,但資源量巨大,是“亞洲鋰都”宜春市重要的鋰礦資源保障基地[10-16]。

1980—2003年,江西省地質礦產勘查開發局在區內開展區域地質調查,全面系統地總結區內花崗巖侵入期次和定位機制,發現鋰、鈮、鉭、銣、銫等稀有金屬礦化現象,未進行深入細致工作。2003—2016年,江西省地質礦產勘查開發局在區內開展區域礦產資源調查評價,基本上查清鋰、鈮、鉭、銣、銫等稀有金屬礦的分布和資源找礦潛力,因品位偏低,未進行系統的勘查評價,對鋰礦床成礦規律和成因研究甚少[17]。近年來在該地區開展大規模的鋰礦地質勘查工作,現已發現或查明的鋰礦床(點)共計39處,發現或探明的保有資源量達100萬t以上。

為查明該地區鋰礦資源儲量,推動該區鋰礦“增儲上產”,本文在研究典型礦床地質地球化學特征的基礎上,系統分析和總結礦床地質特征、成礦規律、控礦因素和找礦標志,提出“區域構造+花崗巖侵入+圍巖封閉+熱液交代+化探異?！钡幕◢弾r型鋰礦床“五位一體”找礦模型,并通過勘查工作在坪頭嶺地區發現1處大型鋰礦床,在洞上地區發現1處中型鋰礦床。期望通過以上成果能對該地區尋找花崗巖型鋰礦的下一步勘查工作具有指導意義。

1 區域地質概況

甘坊礦田位于揚子地塊南緣,即揚子陸塊下揚子地塊江南造山帶中段的三級構造單元江南造山帶中段九嶺逆沖隆起帶南部,九嶺稀有金屬成礦帶內[18-24](圖1)。

圖1 區域構造與巖漿巖分布圖[19]

該地區地層有缺失,結晶基底主要為青白口紀安樂林組(Pt2al),溝系零星出露第四系聯圩組(Ql)。

該地區歷經了多旋回構造運動,斷裂構造極為發育,按其變形特點分為脆性斷裂和韌性剪切帶兩類。宜豐—杭州深大斷裂貫通地幔與地殼的聯系,并與淺部的褶皺、滑脫構造以及脆性斷裂組成巖漿上侵定位空間和含礦熱液循環通道,為區內稀有金屬成礦提供充足的物源、熱源及賦礦場所。

該地區經歷長期多旋回巖漿活動,在新元古代—早白堊世受到多期次、多階段巖漿侵入,形成廣泛分布的花崗巖系列(圖1)。主要巖體有甘坊復式花崗巖體(新元古代早期)、石花尖巖體(新元古代晚期)、甘坊復式巖體(晚侏羅世)、古陽寨巖體、武堂巖體、白水洞巖體和藍家店巖體(早白堊世),與這些巖漿侵入相關的脈巖也廣泛分布。

該地區是鋰、鈮、鉭、銣、銫等成礦元素的高背景區,區域的地球化學場受區域構造—巖漿巖帶控制,呈NEE向展布。巖漿巖中鋰、鉭、鈮、錫、銣、銫、硼、氟、磷元素的平均含量明顯高于地殼豐度,成礦元素富集系數在1.6～9.7之間,表明該地區對稀有金屬元素的成礦極其有利[25]。

區域內礦產豐富,金屬礦產主要有鋰、鈮、鉭、銣、銫、錫、鎢等,其中鋰、鉭、鈮礦是區內有較高的經濟價值的礦種。

2 典型礦床

該地區鋰礦床類型主要有花崗巖型鋰礦床和細晶巖脈型鋰礦床2種。

2.1 花崗巖型鋰礦床

花崗巖型鋰礦床以宜豐縣石家里鋰礦為代表。該礦床產于燕山期鈉長石化、鋰云母化白云母花崗巖中,形態較簡單,礦體呈層狀、似層狀產出,連續性好,具上富下貧的特征,Li2O平均含量0.513%,Rb2O平均含量0.299%,Cs平均含量0.093%,伴生有鈮、鉭、鈹等稀有金屬,屬巖漿晚期熱液交代礦床。雖然該類型礦床品位偏低,但有數量多、分布廣、規模大的特點,是甘坊礦田最重要的鋰礦床類型。

礦體圍巖主要是新元古代九嶺系列英云閃長巖、花崗閃長巖和二云母二長花崗巖等。巖石呈粒狀結構,致密塊狀構造,裂隙不發育,透水透氣性差,具良好的密閉隔擋性能。礦石中的礦物成分主要為斜長石、鈉長石、石英及淺色云母,次要礦物為黑云母、綠泥石等。含鋰礦物主要為鋰(白)云母和磷鋰鋁石,鋰云母在礦石中呈單晶六方片狀,其片徑一般在0.1～1.5 mm。鋰云母單礦物中氧化鋰含量為2.56%～4.67%。礦石結構主要有花崗結構、變余花崗結構、交代殘余結構、鱗片粒狀變晶結構等;礦石構造主要有塊狀構造、斑狀或似斑狀構造、雪球或半雪球狀構造等。

2.2 細晶巖脈型鋰礦床

細晶巖脈型鋰礦床以宜豐同安鋰礦為代表。該礦床產于燕山晚期鈉長石化、鋰云母化細晶巖脈中,礦體嚴格受NNE向斷裂控制,呈脈狀分布,長為400～1 800 m,最長2 700 m,平均寬4.47 m,延深小于等于250 m,Li2O平均含量0.851%,Rb2O平均含量0.236%,Cs平均含量0.072%,伴生有鈮、鉭、鈹等稀有金屬,屬巖漿晚期熱液交代礦床。細晶巖脈型鋰礦床分布數量少,規模小,但品位較高。

礦體圍巖主要是燕山晚期黑云母花崗巖。巖石呈粒狀結構,致密塊狀構造,裂隙不發育,透水透氣性差,具良好的密閉隔擋性能。礦石即霏細巖脈、細晶(斑)巖,其主要礦物成分有:石英20%～40%,淺色云母(白云母、鋰云母、帶云母)3%～15%,長石20%～60%;次要礦物成分有:白云母、黃玉、鋰云母、高嶺石等。含鋰礦物主要為鋰(白)云母和磷鋰鋁石。

3 成礦規律

甘坊礦田鋰礦的成礦過程較為復雜,起主導作用的是燕山晚期花崗巖漿侵入、分異演化和巖漿晚期熱液交代作用,其中巖漿晚期熱液交代作用是關鍵。

3.1 控礦構造

區內NE向、NNE向、近EW向3組,斷裂構造既控巖又控礦,大多數鋰礦床(點)沿著斷裂帶分布。斷裂構造控巖控礦主要表現在成礦巖體和礦床(點)均位于不同方向斷裂的交叉處、主要斷裂與次級斷裂的交叉處和斷裂產狀突變處。

3.2 成礦花崗巖

3.2.1 花崗巖系列

甘坊復式巖體位于九嶺復式花崗巖基的中部,出露面積約400 km2,東西長30 km以上,南北最寬16 km,大體呈東西向延伸(圖2),巖體侵入時代為燕山期晚侏羅世早期[26-29],巖性變化總趨勢為黑云母花崗巖→二云母二長花崗巖→白(鋰)云母二長花崗巖→鈉長石化鋰云母二長花崗巖。甘坊復式巖體巖性較復雜,為一個多期次、多階段巖漿侵入形成的復式巖體(表1)。

圖2 甘坊礦田地質簡圖[26]

表1 甘坊復式巖體花崗巖特征

3.2.2 花崗巖地球化學特征

區內花崗巖中SiO2含量為72.38%～76.25%,平均含量為74.74%;Al2O3含量為14.26%～17.00%,平均含量為15.37%;TFe2O3含量為0.61%～1.25%,平均含量為0.96%;MgO含量為0.06%～0.30%,平均含量為0.15%;CaO含量為0.25%～0.85%,平均含量為0.62%;Na2O含量為2.55%～3.77%,平均含量為3.33%;K2O含量為2.96%～4.17%,平均含量為3.46%。鋁飽和指數(A/CNK)為1.42～1.65,平均值為1.50;堿度率AR為2.03～2.42,平均值為2.33;里特曼指數σ為1.29～1.86,平均含量為1.49;花崗巖分異指數(DI)為89.77～90.74,平均值為90.18,表明該巖體是巖漿高度分異的產物(表2)。

在(Na2O+K2O)—SiO2判別圖解(圖3)上,樣品投點主要落于花崗巖中(圖3a);在K2O—SiO2判別圖解上,樣品屬于高鉀鈣堿性系列和鈣堿性系列(圖3b);在A/NK—A/CNK圖解中,均落于過鋁質區域,具有過鋁質—強過鋁質特征(圖3c);在SiO2—AR(堿度率)圖解上(圖3d),均落于鈣堿性區域。因此,該地區花崗巖具有富硅、富鋁和富堿的特征,屬于強過鋁質鈣堿性花崗巖。通過礦區主要氧化物Harker圖解顯示(圖3e-j):SiO2與Al2O3、Na2O、K2O具有明顯的相關,表明經歷母巖漿的分離結晶作用。

3.2.3 花崗巖稀有元素地球化學特征

燕山期晚侏羅世—早白堊世是甘坊礦田稀有金屬礦床形成的主要成礦期。甘坊復式巖體內稀有金屬的成礦過程與巖漿的侵入、定位、演化和巖漿熱液聚集、交代等因素密切相關。多期次多階段的巖漿侵入和演化階段導致稀有元素不斷富集形成礦床(表3,圖4)。

表2 甘坊礦田花崗巖中主量元素(wB/%)分析結果

圖3 礦區花崗巖主量元素圖解

從表3可以看出,自晚侏羅世,鋰、錫、鈮、鈹等元素開始出現逐步富集;在早白堊世第一階段早期逐漸增多,直至早白堊世第一階段中晚期出現第一次富集高峰,主要在蝕變花崗巖中富集成礦;至早白堊世第一階段早期回落,但在早白堊世第二階段晚期出現第二次富集高峰,在巖漿晚期脈巖中富集成礦。

區內Li、Sn、Nb、Be的富集與巖漿晚期的熱液交代作用密切相關,在晚侏羅世—早白堊世出現的兩次富集高峰也是兩個最重要的成礦階段(圖4)。

表3 甘坊礦田花崗巖中稀有元素含量及鋰的富集系數

圖4 晚侏羅世—早白堊世巖漿演化與鋰富集規律

3.3 成巖成礦時代

新元古代九嶺復式花崗巖基華力西期石花尖花崗巖復式巖體的形成時代在822 Ma,加里東期甘坊花崗巖復式巖體的形成時代在445 Ma,燕山期古陽寨、武堂、白水洞、藍家店花崗巖體的形成時代在110～150 Ma[26-28]。從接觸關系來看,甘坊復式巖體侵入于新元古代九嶺復式花崗巖基的核部,甘坊復式巖體代表晚侏羅世早期巖漿活動,后受到早期白堊世花崗巖的侵入。區內鋰礦床成礦主要發生在晚侏羅世和早白堊世[29]。

3.4 礦床成因

區內晚侏羅世-早白堊世花崗巖大面積分布,經歷多期次侵入事件。這些花崗巖來源于地殼熔融巖漿,具富硅、富鋁和富堿的特征。在巖漿演化晚期,巖漿熱液逐步富集、自交代作用增強。在晚侏羅世-早白堊世的二云母二長花崗巖中廣泛發育鈉長石化、云英巖化、鋰(白)云母化、黃玉化、硅化和螢石化等蝕變。這些過程導致稀有元素在巖漿晚期熱液中大規模富集,并隨巖漿侵位上升至花崗巖體頂部或周邊裂隙中,與花崗巖或細晶巖脈交代形成鋰礦床(含鋰瓷石礦床),該礦床成因類型屬巖漿晚期熱液交代礦床。

4 找礦模型

4.1 成礦作用模式

區域內巖漿巖的礦化受多方面影響,包括巖體所處的構造位置、剝蝕深度及圍巖條件的制約[30-32]。區域控巖控礦斷裂制約了成礦巖體的侵入和定位。在花崗巖體的頂部及邊部,由于巖漿侵入時的機械沖頂和巖漿凝固時體積的收縮,在巖體頂部及邊部發育裂隙,有利于巖漿晚期富含成礦元素熱液的運移和交代。因此,巖體的內外接觸帶及巖體的頂部通常礦化作用較強烈(圖5),如白水洞巖體頂部及出現邊部、鈉長石化、鋰云母化、云英巖特征,其中強烈富集鋰、鈮、鉭、銣、銫等礦化元素。隨著深度的增加,往深部礦化逐漸減弱。

圖5 巖漿交代充填礦床成礦模式圖[32]

4.2 控礦因素

(1)區域斷裂控制含礦花崗巖的侵入和定位

區內斷裂構造的形成具有長期性、多期次活動的特點,表現形式為早期韌性變形疊后期壓扭性斷層特征。主斷裂面較平直,下盤具分帶性,依次為構造角礫巖帶→碎裂巖帶→構造裂隙帶。斷裂構造控制晚侏羅世—早白堊世含礦花崗巖體的侵入和定位。

(2)巖漿演化致稀有元素初步富集

區內含鋰花崗巖屬典型的過鋁質S型花崗巖?；◢弾r漿經過高度演化,演化晚期中?！屑毩Ｎg變花崗巖中顯著富集鋰、鉭、鈮、銣、銫、鈹、氟、磷等元素。稀有元素進入云母類礦物中,導致富集成礦。富鋰云母主要包括鐵鋰云母、鋰白云母、鋰云母等,它們主要在巖漿演化晚期結晶析出。隨著巖漿的分異演化程度不斷提高,花崗巖中云母類礦物種屬也發生了相應變化,即從巖漿分異的早期至晚期,云母礦物種類有黑云母→白云母→鐵鋰云母→白(鋰)白云母→鋰云母的變化規律,表明花崗巖是鋰、鉭、鈮、銣、銫、鈹等稀有金屬的主要來源。

(3)巖漿晚期熱液交代是稀有金屬成礦的關鍵

區內花崗巖中鋰富集程度的高低,主要受2個方面的影響:源漿體系中鋰、鉭、鈮、銣、銫、鈹、氟、磷等稀有元素豐度;礦體圍巖主要有新元古代九嶺系列英云閃長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖,這些巖石形成了相對密閉的環境,阻止揮發分和成礦熱液的散失。在巖漿演化過程中,受元素分配系數的制約,不相容元素如鋰、鉭、鈮、銣、銫、鈹等稀有元素在巖漿晚期熱液中富集。隨著這些富集稀有元素的巖漿熱液上升至花崗巖漿體的頂部,交代花崗巖形成鋰礦床。

4.3 找礦標志

(1)構造標志:北東向和北西向、近東向斷裂構造復合部位是控制巖漿上升的通道,也是深部巖漿上侵定位的主要場所,斷裂復合部位是本區重要找礦標志之一。

(2)巖漿巖標志:晚侏羅世—早白堊世中?！屑毩Ｎg變花崗巖是本區鋰礦的賦存巖體,其巖石化學特點為貧鐵、鈦而富鈉、鉀、鋁,鈉長石化蝕變花崗巖是本區直接找礦標志之一。

(3)蝕變標志:含礦花崗巖普遍發育鈉長石化、白(鋰)云母化、硅化、螢石化等蝕變,云母類礦物由黑云母→白云母→鋰白云母的演化規律,是鋰含量由低到高逐步富集的標志,圍巖蝕變是本區直接找礦標志之一。

(4)地球化學異常標志:區內水系沉積物和土壤地球化學異常元素組合以Li、Ta、Nb、Rb、Cs、F、B、P為主,組合宜春以Li、Ta、Nb異常含量高、面積大、稀有元素組合齊全為特征。當w(Li)≥800×10-6范圍內則可認定為鋰礦體賦存區。因此,鋰多元素組合異常是本區直接找礦標志之一。

(5)重砂異常標志:鈮鉭鐵礦、鋯石、錫石、細晶石、黑鎢礦、獨居石等金屬重礦物異常,這些金屬重礦物來源于含鋰花崗巖的副礦物,重砂異常是本區直接找礦標志之一。

4.4 找礦模型

該地區鋰礦的成礦主要受區域構造、花崗巖侵入與定位、圍巖封閉條件和巖漿晚期熱液交代作用的制約,并在礦化空間內形成明顯的地球化學異常。在系統分析總結花崗巖型鋰礦床的成礦地質背景、礦床地質特征、巖漿演化規律、礦床成因、控礦因素和找礦標志基礎上,提出花崗巖型鋰礦床“五位一體”找礦模型(圖6,表4)。

4.5 討論

4.5.1 模型預測

在今后的找礦實踐中,要從找礦模型中構造分布規律、花崗巖的巖性、成巖時代、巖漿巖分異演化程度、蝕變礦物組合、地球化學異常特征和副礦物特點等多方面開展分析研究,進行綜合預測和評價,從而開辟新的找礦空間。在模型應中,重點研究以下幾個方面:

(1)多組構造復合位置是含礦花崗巖有利的定位空間。

(2)白云母花崗巖、二云母花崗巖是鋰礦最重要的含礦母巖。

(3)晚侏羅世和早白堊世花崗巖是鋰成礦最重要的2個成礦期。

(4)富硅、富鋁和富堿的高分異花崗巖是鋰成礦最重要的成礦物質來源。

(5)鈉長石化、白云母化、鐵鋰云母化和鋰云母化蝕變帶可能是鋰礦賦存區。

(6)鋰、鉭、鈮、銣、銫、鈹、氟、磷元素組合異常區,特別是w(Li)≥800×10-6異常范圍可認定為鋰礦體賦存區。

(7)鉭鈮鐵礦、錫石、磷釔礦重砂礦物異常區是重要的找礦遠景區。

區域內鋰礦床不是孤立單一的礦床類型,而是花崗巖型鋰礦床和蝕變細晶巖脈型鋰礦床在時間上、空間上和物質組成上的有機統一。鋰的成礦也是區域構造、花崗巖體的侵入、巖漿巖分異程度、交代蝕變等多種因素綜合作用的結果。找礦模型的提出是該地區鋰礦找礦的重要創新性成果,便于在找礦預測和資源潛力評價時,可利用“五位一體”找礦模型綜合預測和評價其找礦前景。

4.5.2 應用效果

花崗巖型鋰礦“五位一體”找礦模型建立后,按模型要素的要求,系統總結區域構造分布規律、花崗巖體的巖性、成巖時代、巖漿巖分異程度、蝕變礦物組合、地球化學異常和重砂礦物異常等特征,提出在西部洞上和東部坪頭嶺地區是有利的找礦靶區。后經找礦勘查工作證實,在坪頭嶺地區發現一大型鋰礦床,在洞上地區發現一中型鋰礦床,找礦預測效果良好。

5 結論

5.1 認識

通過對宜春地區花崗巖型鋰礦床地質特征、成礦規律和找礦模型的歸納總結,獲得以下認識:

(1)礦床主要成礦時代集中在燕山期的晚侏羅世和早白堊世。

(2)區域構造控制花崗巖型鋰礦床的分布,燕山期花崗巖侵入、分異演化、巖漿晚期熱液交代作用是鋰成礦的關鍵。

(3)提出“區域構造+花崗巖侵入+圍巖封閉+熱液交代+化探異?！钡幕◢弾r型鋰礦床“五位一體”找礦模型,經應用實踐證明預測效果良好。

5.2 未來研究方向

花崗巖型鋰礦“五位一體”找礦模型提出后,雖然取得良好的找礦預測效果,但還有需要深入研究和完善的地方,主要有:

(1)含礦花崗巖中富硅、富鋁和富堿程度的量化指標;

(2)含礦花崗巖中白云巖化、鐵鋰云母化和鋰云母化的量化指標;

(3)含礦花崗巖中鈉長石化的量化指標;

(4)含礦花崗巖中鉭鈮鐵礦、錫石、磷釔礦重砂異常的量化指標。