稀有金属是战略性新兴产业的关键性矿产资源, 无论是在高端装备制造业还是在新能源汽车领域均发挥着不可替代的作用, 而且其重要性越来越突显。锂、铍、钽是当前稀有金属中关注度最高的3个矿种, 尤其是寻找锂矿已经成为全球性的找矿活动, 如火如荼, 而且成果显著^{[1, 2, 3]}。以中国地质调查局“ 大宗急缺矿产和战略性新兴产业矿产调查评价” 工程为引领, 2017年在全国范围内继续开展对锂、铍、铌、钽等稀有金属的调查评价和勘查活动, 同样取得了重要进展。本文就2017年在锂矿、铍矿和钽矿方面的进展作一简要介绍, 并对一些关键性问题进行概要讨论, 以利于改进今后工作和取得新的进展。

锂矿主要存在硬岩型和卤水型两大类型, 但这二者之间一般被认为没有联系, 或者迄今尚无系统的工作去研究二者之间是否存在内在的成因联系。其中, 对硬岩型锂矿就常常被简单地理解为花岗伟晶岩型锂辉石矿床, 但实际情况并非如此简单。例如, 四川的甲基卡超大型锂矿, 大部分的矿石并不是伟晶状的, 而是“ 细晶状” 的, 即以< 5 mm的细粒度的锂辉石矿物为主。对伟晶岩型矿床的成因, 实际上也存在争论^{[4, 5, 6]}。普遍认为, 伟晶岩是花岗岩结晶分异的产物, 这种分离结晶作用导致了残余熔体中的稀有金属的富集^{[7, 8]}。伟晶岩和花岗岩之间的成因关系之所以并不能完全确立, 是因为: ①伟晶岩与过铝质花岗岩并不共存^{[9, 10]}; ②花岗岩-伟晶岩体系中的地球化学特征不连续^[11]; ③花岗岩与伟晶岩形成之间存在时间间隙^[12]。熔融源区稀有金属的含量、不同熔融速率及构造背景特征, 显示通过大陆地壳物质的重熔是可以形成伟晶岩浆的^[13]。近年来, 锂同位素为研究花岗岩与伟晶岩之间成因联系提供了新的证据^{[14, 15, 16, 17, 18]}。现有资料表明, 花岗岩具有不均一的δ ⁷Li值(-3.1‰ ~6.6‰ ), 而变沉积岩的δ ⁷Li值为-3.1‰ ~2.5‰ , 是花岗岩的可能源区; 伟晶岩和花岗岩中云母(黑云母、白云母和锂云母)的δ ⁷Li值为-3.6‰ ~3.4‰ , 并没有受分离结晶作用和地壳深熔作用的影响, 其中轻的δ ⁷Li值来自于变沉积地壳^[19]。花岗岩和伟晶岩中黑云母具有类似的锂同位素组成, 表明过铝质花岗岩的极端岩浆分馏并不能形成伟晶岩。前人对盐湖的锂同位素也进行了研究, 结果表明: 加拿大耶洛奈夫Miramar Con的卤水起源于海水^[20]; 安第斯中部Hombre Muerto的锂主要来源于邻近的地热水和火山沉积区的富锂水^[21]; 阿根廷Puna地区不同含水层的锂同位素组成显示锂主要来自安山岩、伟晶岩及火成碎屑沉积^[22]。这些资料表明, 花岗伟晶岩中的锂可能是从沉积岩中继承来的, 而沉积盆地中富集的锂也可以是火山作用提供的。

全世界范围内的锂矿主要有2种产出状态, 即固体锂矿和液态锂矿。前者以伟晶岩型锂辉石矿床为主, 后者以卤水(包括地表和地下)中赋存的锂矿为主; 前者一般认为是内生成因, 后者一般认为是外生成因。但实际上, 卤水中的锂从哪里来的问题并没有解决, 也不排除深部热液、热流体不断补给的可能性, 即“ 内生外成” 。2017年发表在《Nature》杂志上的一篇文章^[23], 引起了学术界的广泛兴趣, 该文通过对不同构造环境中形成的岩浆锂浓度的对比, 并通过对石英熔融包裹体内原位微量元素的测定, 认为中等— 极度富集锂元素的岩浆在成因上与长英质大陆地壳物质的参与有关。大气降水和热水流体从火山喷发物中萃取的锂可以在破火山口湖相沉积的黏土层中逐渐富集, 并达到潜在的可经济利用的水平, 因而在北美西部诸如黄石公园一带的新生代破火山口以及其他产有此类岩浆的内陆环境中的破火山口, 都可以作为有希望的锂矿勘查目标。我国西部的柴达木盆地、四川盆地以及东部的江汉盆地、吉泰盆地(LiCl含量611.00~1 136 mg/L)^[24]、周田盆地中也都有锂的存在, 规模也很大, 其锂的来源一方面是富锂花岗岩在地表风化过程中的迁移富集, 另一方面也不排除深部有含锂流体补充的可能性。如江西的吉泰盆地, 其周边地区的花岗岩本身就富含锂, 其风化之后的锂聚集到沉积盆地中并不奇怪, 但其含锂之高又超过了花岗岩区内陆断陷盆地中锂含量的一般水平, 因而不排除深部沿断裂带有含锂热卤水补给的可能性。四川甲基卡矿区外围现代热泉中过滤之后清水中Li的含量仍可达1.24~2.56 mg/L, 高出含锂矿泉水的国家标准。总之, 盆地卤水中锂的来源很可能是多方面的, 既有表生来源, 也有深部来源。

一般来说, 沉积岩中Li的含量最高(约60× 10^-6), 甚至高于花岗岩(约40× 10^-6); 而沉积岩中又以页岩最高(约66× 10^-6), 中国东部泥(页)岩中Li的平均含量为38× 10^-6[25]。四川甲基卡矿区外围的三叠系砂岩、泥岩及其浅变质形成的板岩以及花岗岩热穹隆作用下十字石片岩、红柱石片岩和堇青石片岩中, 锂的含量见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 四川甲基卡锂矿外围沉积变质岩的稀有金属含量 Tab.1 Rare metal elements content in sedimentary rocks outside of the Jiajika ore field, western Sichuan (10-6) 样号 采样地点 岩性 Li Be Nb Ta Rb Sr Cs Zr Hf J-T01 甲基卡东约5 km 侏倭组粉砂质板岩 94.7 2.70 14.40 1.08 142.00 118.00 24.00 194.00 5.42 J-T02 甲基卡东约10 km 侏倭组粉砂质板岩 76.2 2.73 15.30 1.15 152.00 104.00 10.60 197.00 5.55 J-T03 塔公镇西约10 km 新都桥组粉砂质砂岩 71.7 2.37 15.40 1.16 151.00 84.30 11.80 208.00 5.69 J-T04 塔公镇 新都桥组粉砂质砂岩 94.4 3.16 21.50 1.78 189.00 86.60 11.50 179.00 5.09 JJKYG147-03 新都桥镇 薄层状泥岩 32.8 3.82 10.32 1.22 59.76 83.98 5.17 277.42 7.17 JJKYG151-01 X03号脉地表 红柱石片岩 126.5 2.07 16.25 1.47 147.45 156.67 15.26 250.29 6.98 JJKYG132-02 308号脉北西坡 堇青石片岩 955.6 12.29 13.76 1.13 376.75 99.21 415.45 175.04 4.60 JJKYG131-01 308号脉北西坡 十字石片岩 91.2 1.36 13.39 1.38 150.24 89.97 10.99 205.96 5.78 注: 由国家地质实验测试中心测试。

表1 四川甲基卡锂矿外围沉积变质岩的稀有金属含量 Tab.1 Rare metal elements content in sedimentary rocks outside of the Jiajika ore field, western Sichuan (10-6)

从表1可知, 四川甲基卡矿区及其外围的粉砂质板岩和砂岩中区域性富集Li, 在热变质过程中Li可以进一步富集, 尤其是堇青石片岩中的Li可以富集10倍, 同时Be、Rb、Cs也得到显著的富集。这可能是热穹隆形成过程中Li富集的一种机制, 但沉积岩本身富含Li应该是成矿作用发生的物质基础, 即: 富锂沉积岩→ 深埋变质形成富锂的变质岩→ 变质岩深熔形成富锂的花岗岩→ 富锂花岗岩深度结晶分异形成富锂的熔体-流体→ 富锂熔体-流体侵入形成锂矿体, 并导致角岩化围岩及蚀变围岩中也富锂。

对于伟晶岩型矿床来说, 有一个较为普遍的现象就是, 世界上一些大型、超大型锂辉石矿床往往出现在页岩或者泥质沉积岩占比例较大的沉积岩分布区, 而在碳酸盐岩分布区则少见, 如新疆的可可托海、四川的甲基卡、可尔因以及美国的金斯山等。这可能是因为锂在沉积过程中更容易被黏土类矿物吸附, 而黏土矿物是泥岩、页岩的主要成分, 其变质过程尤其是深埋、重熔、花岗岩化并在花岗岩化产生的岩浆、岩浆又结晶分异的过程中, 可以造成锂的再度富集, 即沉积过程的首次富集、花岗岩化的二次富集、伟晶岩化的三次富集, 从而形成多期次成矿, 而这3个期次并非在相同的、单一的构造背景下完成的, 是多旋回构造事件的产物, 因此称为“ 多旋回深循环内外生一体化” 成锂机制。卤水型锂矿可以是含矿花岗岩风化剥蚀的产物, 即“ 内生外成” ; 而硬岩型锂矿也可以是黏土岩重熔变质的产物, 即“ 外生内成” 。这一将锂的多旋回循环富集机制加以整体考虑的理论, 尚待深入研究, 但目前对于确定找矿方向是有指导意义的。

对于钨矿区“ 五层楼+地下室” 勘查模型的基本概念和应用范围已经有文献阐述, 但在稀有金属矿区是否可以采用“ 五层楼+地下室” 的勘查模型, 是一个新课题。在传统的伟晶岩矿床成矿理论中, 难以找到“ 层控型” 或层状大规模伟晶岩矿床的勘探技术方法等方面的成熟经验, 文献中强调的几乎都是伟晶岩脉本身的“ 分带性” , 很少考虑一个伟晶岩田或者一个矿床范围内、不同产出状态伟晶岩之间的内在联系及其对勘查工作的指导意义。根据在四川甲基卡伟晶岩田7年来的不断实践以及在可尔因伟晶岩田剥蚀出来的大量现象(图1, 图2), 总结了稀有金属矿区的“ 五层楼+地下室” 勘查模型。其要点是: 除了寻找直立产状的伟晶岩脉(类似于南岭钨矿的“ 五层楼” )之外, 还需要寻找近水平产状的、大致顺层产出的伟晶岩脉。根据这样的勘查模型和找矿思路, 在四川可尔因矿田和甲基卡矿田均取得了新的找矿进展, 其中对甲基卡矿田东南部鸭柯柯一带的预测^[2]即得到YZK001和YZK002等钻孔的验证, 前者见矿厚度超过63 m。

图1

Fig.1

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	图1 四川阿坝可尔因伟晶岩矿田地拉秋矿区顺层(左)和切层(右)产出的伟晶岩脉Fig.1 Pegmatite veins intruding along(left) or cutting(right) the sedimentary rock bed in Dilaqiu, Keeryin orefield, Sichuan

图2

Fig.2

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	图2 四川阿坝可尔因伟晶岩矿田高尔达矿区的“ L” 形和“ 工” 字形伟晶岩脉Fig.2 Pegmatite veins with “ L” shape or “ 工” shape in the Gaoerda mine, Keeryin orefield, Sichuan

根据上述理论和勘查模型, 2017年, “ 川西甲基卡大型锂矿资源基地综合调查评价” 项目在四川西部阿坝州的可尔因伟晶岩矿田、平武的雪宝顶矿田、甘孜州的甲基卡矿田及九龙矿田新发现含锂伟晶岩脉7条, 圈定钨矿脉2条和钨铍铷矿脉2条, 在山神包工作区内发现了1条富铍花岗伟晶岩脉; 在福建马厝新发现有铍矿体; 在江西谷寨发现伟晶岩脉40余条, 有望提交1处中型及以上的锂辉石矿产地; 在广西大源— 小源矿区内已经查明50余条花岗伟晶岩脉, 部分铌钽铍达边界品位。

位于四川阿坝州观音桥一带的5号矿体出露于观音村的一条深沟里, 形成了高约15 m的陡壁, 地表出露厚度约4 m, 走向165° , 沿走向延伸约30 m, 其余地段为第四系覆盖; 矿石呈灰白色粗粒结构、块状构造, 矿物成分主要有长石(约占45%)、石英(约占35%)及锂辉石(约占15%), 此外还含少量的云母及暗色矿物(约占5%); 围岩主要为砂质板岩, 具有变余砂质结构, 板状构造, 碎屑成分为砂质碎屑(约占75%), 填隙物(约占25%), 部分变质成了绢云母、绿泥石。

观音桥7号矿体出露于观音桥附近的陡壁上, 矿体走向175° , 地表出露的视厚度约5 m, 可追索走向长约30 m; 矿石呈灰白色粗粒结构, 块状构造; 矿物成分主要为长石(约55%)、石英(约30%)、锂辉石(约10%)及云母等(约5%); 锂辉石大部分呈灰白色、短柱状, 晶形较完整, 长轴以1~5 cm为主, 部分达10 cm以上(图3), 且较均匀地分布在矿体中; 围岩主要为变质砂岩, 具有变余砂质结构, 块状构造, 主要矿物成分为石英(约占25%)和长石(约占40%), 次要矿物为云母、铁泥质物, 见少量褐铁矿化, 围岩产状为356° ∠43° 。

观音桥12号矿体出露于观音桥镇石旁村公路边, 矿体走向约49° , 地表出露的视厚度约3 m, 沿走向出露长度仅数米, 其余地段为第四系覆盖。矿石呈灰白色, 粗粒结构、块状构造。主要矿物成分为长石(灰白色, 晶形不明显, 含量约45%)、石英(烟灰色— 无色透明状, 结晶不明显, 含量约40%)及锂辉石(柱状结晶, 粒度在1~6 cm之间, 含量约占15%)。矿体围岩为变质砂岩, 岩石具有变余砂质结构, 块状构造, 主要矿物成分中石英约占25%、长石约占40%, 次要矿物为云母、铁泥质物, 见少量褐铁矿化, 围岩产状为227° ∠35° 。矿体与围岩呈切层接触, 界线明显(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 四川阿坝可尔因观音桥一带锂辉石矿体露头Fig.3 Outcrop of spodumene-bearing pegmatite veins in Guanyinqiao area, Keeryin orefield, Sichuan

观音桥13号矿体位于观音桥镇石旁村一公路边, 矿体走向100° , 沿走向延伸约50 m, 公路揭露地段的视厚度约8 m, 其余地段为第四系覆盖。矿体受挤压, 较为破碎。矿石呈灰白色, 粗粒结构, 块状构造。矿物成分主要为长石(约占55%)、石英(约占30%)、锂辉石(约占10%)及云母等(约占5%)。长石风化较为严重, 部分已风化成白色高岭土。矿体具有不明显的分带现象, 在与围岩接触部位, 矿物结晶粒度较细; 离围岩越远, 矿物颗粒越粗大。矿体围岩主要为变质砂岩, 具有变余砂质结构, 块状构造, 主要矿物为石英(约占25%)、长石(约占45%), 次要矿物为云母、铁泥质物, 围岩产状为265° ∠61° 。该矿体出露地段地层受岩脉侵入影响, 矿体与围岩界线清楚。

新类型新层位新区域锂铍钽矿的发现及其潜力 除了伟晶岩型锂矿之外, 花岗岩岩体蚀变型稀有金属矿床也是在2017年取得新进展的一种重要类型, 并在江西发现了磷锂铝石型锂矿点1处。在秦岭造山带发现的铍矿赋存于寒武纪层位及其上下的石英脉、碳酸盐脉中, 也属于新类型并且具有层控特点, 属于“ 新层位” 、“ 新区域” 。值得指出的是, 磷锂铝石(amblygonite)虽然不是常见的锂矿物, 但其Li₂O含量(9.29%)高于锂辉石, 因而也是一种可工业利用的锂矿物资源。由于其肉眼鉴定特征不如锂辉石、锂云母那么直观, 有点类似于“ 石英” , 以至于在野外地质调查过程中可能被“ 视而不见” 而漏矿。2017年在江西九岭成矿带某地鉴定出花岗岩岩体中存在不均匀分布的磷锂铝石, 含量可达4%~5%, 可列为造岩矿物。其主要成分Al₂O₃含量变化于35.90%~39.09%之间, 平均值37.59%; P₂O₅含量变化于45.34%~50.95%之间, 平均值48.81%, 属典型的磷锂铝石。拣块样化验结果Li含量变化于0.024 4%~0.770 4%之间, 高于当地伟晶岩中的Li含量(0.014 7%~0.174 3%), 大部分样品已经达到了花岗伟晶岩型锂矿的工业品位^[26]。正因为该矿物分布在淡色花岗岩中, 而淡色花岗岩又长期被当作石材开采(图4), 巨大的锂矿资源被白白浪费了, 十分可惜!此外, 九岭一带的细晶花岗岩、白(锂)云母细— 中粒碱长花岗岩及伟晶岩脉中还普遍存在绿柱石、富钽锡石、铌钽铁矿、钽铌铁矿等稀有金属矿物, 黄玉、萤石等富含B、P络合剂元素的矿物也常见, 可作为找矿标志。对于此类岩体型锂铍钽矿的深入研究和可利用性实验研究正在进行, 一旦证明可被开发利用, 就需要对此类矿床在调查评价的技术方法、工业指标等方面提出与伟晶岩型锂矿和盐湖卤水型锂矿不同的指标, 但可以预料, 其找矿前景是很广阔的。无论是华南零星不为人知、甚至填图都没有圈出来的淡色花岗岩小岩株, 还是青藏高原南部全世界闻名的“ 喜马拉雅淡色花岗岩带” , 都值得高度关注。

图4

Fig.4

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	图4 江西九岭含磷锂铝石花岗岩的宏观特征及显微镜下特征 左图黄色参照物为削笔刀; 右图在显微镜下呈较高干涉色的板柱状矿物为磷锂铝石Fig.4 Amblygonite-bearing granite sample and its micro-feature of ores in Jiuling, Jiangxi

在湖北、湖南和江西三省交界的幕阜山— 九岭矿集区, 除了上述江西境内含磷锂铝石的花岗岩可以作为一种值得重视的新类型锂铍钽矿之外, 在湖南境内的平江一带产出有缓倾斜产状的伟晶岩-细晶岩复合型钽铌矿, 也值得重视。该地区以仁里超大型钽铌矿为典型, 自2012年以来, 通过由浅入深的钻探工作和逐渐深化的理论认识, 截止到2016年底, 已探明的Ta₂O₅达4 499 t, 平均品位0.029%; Nb₂O₅达6 734 t, 平均品位0.043%; 预计到2017年底将新增加2 000 t的Ta₂O₅, 而有望成为国内最大的高含量钽矿。

秦岭— 大别位于我国中央造山带的核心部位, 也是秦祁昆成矿域的重要成矿部位。2017年在陕西镇安地区发现以W-Be组合为特色的矿床, 不但在陕南地区尚属首例, 在秦岭— 大巴山地区也未见报道^{[27, 28, 29]}。秦岭— 大巴山地区的含钒地层分布广泛, 而铍主要来源于岩浆热液活动, 前者常见, 后者鲜有研究。因此, 当印支期、燕山期花岗岩侵入到寒武系并与含钒层位发生接触交代时, 有可能出现翠绿色的绿柱石(甚至可达祖母绿级别), 而这种有很高工艺价值的矿物可以作为进一步寻找Be等稀有金属甚至钨矿、锡矿、钼矿及铋矿等有色金属矿床的找矿标志^[30]。钒矿的开采会产生一定的环境问题, 但祖母绿却是急缺的珍贵资源, 其开发虽有较高的经济效益, 但也有些负面影响, 还需要科学地规划。本次新发现也为南秦岭地区在区域找矿及深部找矿方面指出了新的方向, 有助于矿产资源地质调查工作的“ 转型升级” , 也有助于传统矿产开发向人类消费高端矿产资源的“ 转型升级” 。国内已知的类似矿床虽不多, 但值得重视的是, 该类型矿床规模并不小, 且资源潜力巨大, 如云南东南部南温河一带的南秧田钨矿区实际上也是铍远景区; 西南三江金沙江沿线的麻花坪钨铍矿床也类似; 华南扬子地台周边也存在寒武纪的黑色岩系, 值得注意。

越来越多的资料表明, 锂的成矿作用具有循环性, 而且可以“ 内生外成” , 也可以“ 外生内成” , 即卤水中的锂可由深部热卤水补充, 也可以是地表花岗岩风化后被沉积盆地中的黏土矿物吸附而富集; 而富含锂的沉积岩经过深埋、重熔、花岗岩化以及结晶分异可以形成内生成因锂矿床, 从而构成“ 多旋回深循环内外生一体化” 的成矿机制。

利用“ 五层楼+地下室” 的勘查模型, 在四川西部、湘鄂赣的幕阜山— 九岭矿集区的切层矿脉广泛分布区域寻找层状伟晶岩型锂矿, 取得了较好的效果。其中, 在四川马尔康的观音桥一带即发现了多条锂辉石矿脉, 在康定的甲基卡也发现有厚大的矿体; 在幕阜山可在仁里钽铌矿的深部继续扩大找矿效果, 而在九岭一带的细晶花岗岩、碱长花岗岩及伟晶岩脉中首次发现磷锂铝石及绿柱石、富钽锡石、铌钽铁矿、钽铌铁矿等工业稀有金属矿物, 为该地区锂、铍、钽及锡的找矿工作部署提供了新的直接依据。秦巴山区的寒武系含钒地层可能对寻找层控热液型铍矿具有重要意义, 并可以由此开拓寻找石英脉型钨矿以及寻找深部与花岗岩有关的钨锡钼铋多金属矿床的依据。