当前人类主要利用石油、天然气和煤炭等化石能源, 大量消费化石能源的后果众所共知。党的十八大确立了到2020年, 在转变经济发展方式方面要取得重大进展, 十九大又进一步强调要支持节能低碳产业和新能源发展, 以确保国家能源安全。非化石能源利用率在国外占11.8%, 我国只占7%^[1]。在非化石能源中, 具有巨大潜力的就是金属能源。跟铀一样, 锂也是能源金属, 并被称为“ 21世纪的能源金属” 。锂作为能源金属, 自然界中有⁶Li和⁷Li 2种同位素。其中, ⁶Li通过中子轰击可分离成氚(T)和氦(He), 是氢弹等顶尖武器的核原材料, 而⁷Li则用于核裂变反应堆。中国于1967年6月17日成功爆炸的第一颗氢弹, 利用的就是氘化锂。全世界目前对于可控核聚变的高度重视, 催生了国际ITER计划的诞生。中国是ITER计划主要成员国之一, 并且已经在超导托卡马克装置研发等领域走在世界前沿。

国际核聚变反应堆预计将于2019年开始实验, 在2040年前建成2 000~4 000 MW的示范性核聚变电站^[2]。据估计, 1 g锂放出的有效能量最高可达8 500~72 000 kW/h, 比²³⁵U裂变所产生的能量大8倍, 相当于3.7 t标准煤^[3]。生产100亿度电的锂反应堆, 只需要10 t金属锂^[4]。国际上对于“ 核聚变电站” 计划的研究正在加快步伐, 其最终目标就是“ 从根本上解决能源问题” 。

据美国能源与发展署(ERDA)预计, 美国到2030年, 核聚变用锂量, 最少为1.6万t, 最多可达7万t。新能源汽车的需求将更大, 仅就特斯拉汽车公司而言, 其锂离子电池工厂一旦全产能生产, 每年将消耗15 000~25 000 t碳酸锂。因此, 国际上对于锂矿的找矿勘查与开发利用高度重视。21世纪以来, 国外对锂矿资源的勘查主要由勘探公司完成, 据Signum BOX统计^[5], 全球有85项锂矿评价项目正在开展, 其中, 塞尔维亚沉积岩区由于发现了含锂硼矿物(Jadarite, 含7.3%Li₂O), 一下子新增资源量212.4万t, 其勘查区基本上被超锂公司、泛全球资源公司和力拓公司等国际大矿业公司“ 瓜分” 了。可见, 国际上对于任何一个不起眼的地方的锂资源都是不放过的。

全球锂资源并不稀缺, 至少20个国家发现了锂矿床, 包括智利、玻利维亚、中国、澳大利亚、美国、巴西、葡萄牙、阿根廷、俄罗斯、津巴布韦、刚果民主共和国、塞尔维亚、西班牙、奥地利、以色列、爱尔兰、法国、印度、南非、芬兰、瑞典以及莫桑比克等。其中, 锂资源较丰富的国家有智利、玻利维亚、中国、澳大利亚等。到目前为止, 自然界中发现的锂矿床最主要的有卤水型、伟晶岩型和沉积岩型3种类型, 其中以卤水型和伟晶岩型的锂矿为主体, 沉积型等新类型锂矿的比重较小^[6]。据美国密歇根大学Paul Gruber等统计^[7], 含锂卤水型矿床占全球锂资源的66%, 伟晶岩型占26%, 沉积岩型不足8%。此外, 黏土型(在黏土矿床中含有锂)和湖成蒸发岩型(在湖成蒸发岩中含有锂)也具有潜在的开发意义。

我国锂矿资源丰富, 主要集中在西藏、青海、四川、新疆和江西等省(自治区), 锂矿床类型以硬岩型为主, 盐湖锂矿虽然储量巨大, 但开发利用技术尚待发展。硬岩型锂矿以伟晶岩型为主, 集中分布在新疆阿尔泰和川西甲基卡等矿区^{[7, 8]}, 此类矿床的特点是品位高、易于开采; 花岗岩型矿床是我国分布最广的锂矿类型, 主要位于华南地区, 以江西414、湖南正冲和尖峰岭、广西栗木等矿床最为典型, 该类矿床品位较低、开发利用成本较高; 盐湖型矿床主要分布在青海和西藏, 可分为碳酸盐型、硫酸盐型和卤化物型3种, 目前主要开发的盐湖卤水为碳酸盐型和硫酸盐型^{[9, 10]}。前者以西藏扎布耶盐湖为代表, 后者以青海察尔汗盐湖、西台吉乃尔盐湖等为代表。地下卤水型锂矿以四川自贡、湖北潜江地区的地下卤水为代表。该类资源开发利用的潜力大, 是深部探测的重要方向。

我国是世界上化石能源第一消耗大国, 增加可再生能源和其他洁净能源的消费比例, 是解决环境问题的重要途径。我国锂资源较丰富, 近年又在四川甲基卡等地取得了锂辉石找矿重大突破。同时, 西藏扎布耶湖的优质碳酸盐型锂资源令国外羡慕。但与中国高速发展的刚性拉动相比, 国内锂资源远不能满足需求。2014年, 我国锂矿山产量由上年的4 700 t骤降到2 300 t, 但消费量大幅增长, 致使我国锂的对外依存度高达74%, 其中, 进口锂辉石占比66%, 进口卤水占比8%, 国内卤水占比18%, 国内矿石占比8%^[6]。

我国锂总体利用水平不高, 高纯金属的生产水平比较落后, 金属锂的产量只有美国的1%^[10]。据前人资料^{[11, 12]}, 四川道孚一带锂辉石中R_7/6测值低于新疆可可托海三号脉和福建南平, 也低于西藏扎布耶湖, 而川西锂辉石也可能富集⁶Li。因此, 加强锂能源金属的研究, 通过寻找高品质的锂矿尤其是⁶Li资源, 开发低成本、高质量、无污染金属锂生产技术, 引领其他能源金属的地质找矿、开发利用与产业发展迫在眉睫。

“ 五层楼” 模式作为我国矿床学界和找矿勘查学界长期总结的经验模式得到了广泛运用, 取得了显著效果^[14]。近年来的深部找矿实践中, 地质工作者又在“ 五层楼” 基础上创新了“ 五层楼+地下室” 的勘查模型并取得了成功^{[15, 16]}。该模型不仅适用于赣南、粤北常见的石英脉型黑钨矿矿脉, 对华南以外的其他地区的其他矿种同样适用, 如四川西部的甲基卡稀有金属矿田。在该矿田, 随着近年来新发现的“ 新三号脉” (X03)的资源储量即将接近于100万t^{[17, 18]}, 甲基卡矿田查明的Li₂O资源储量已经超过200万t^{[19, 20]}。但进一步的勘查工作还在进行, 找矿难度越来越大, 需要建立甲基卡式“ 五层楼+地下室” 勘查模型。该模型中的“ 五层楼” 指的是在垂向和水平方向上, 随着远离花岗岩体, 伟晶岩的类型(主要是伟晶岩的造岩矿物)发生规律性的变化, 呈现出从微斜长石伟晶岩带(Ⅰ )→ 微斜长石钠长石伟晶岩带(Ⅱ )→ 钠长石伟晶岩带(Ⅲ )→ 锂辉石伟晶岩带(Ⅳ )→ 锂(白)云母伟晶岩带(Ⅴ )的分带性^{[19, 21]}, 体现的是伟晶岩中主要或特征性矿物的空间变化规律; “ 地下室” 指的是层状、似层状矿体, 也是指形态学特征。简单来说, “ 五层楼” 以充填成因为主, “ 地下室” 以交代成因为特色, 但不排斥充填作用。甲基卡矿区不同岩性之间的软弱面或构造破碎带、滑脱带等张性、张扭性、张剪性空间也产出近于顺层的层状伟晶岩脉, 同时也存在明显切层的板状伟晶岩脉, 二者可以在同一地点同时出现。另外, 当只出现层状伟晶岩并以白云母成矿为主要特色时, 可能因剥蚀程度过高或属于区域变质成因而罕见甲基卡式的伟晶岩型锂辉石矿床, 如四川丹巴的白云母矿床, 目前只见“ 地下室” , 而“ 五层楼” 不发育^[19]。

锂是自然界中最轻的金属元素, 其同位素⁶Li和⁷Li的分馏效应非常显著, 含矿伟晶岩、不含矿伟晶岩与围岩之间的锂同位素组成存在明显的差异^[6], 造成其差异的根本原因在于锂的分馏机制: 稳定锂矿物的存在使锂同位素的值保持在一个较为稳定的水平, 而⁶Li较⁷Li更容易进入固相, 致使含矿伟晶岩δ ⁷Li值呈稳定的负值, 相对富集轻锂同位素^[22]。围岩受到伟晶岩流体向外的扩散作用, 表现出“ 动力学非平衡分馏” 的特点, 富含锂的伟晶岩和围岩之间的锂同位素分馏高达30‰ 左右^[22], 而甲基卡新三号矿脉的伟晶岩和围岩所表现出来的锂同位素分馏差异也与之相吻合^[23]。以川西甲基卡矿脉ZK1101为例, 锂同位素组成的分布在钻孔围岩部分呈现特殊现象(图1), 即随着深度的加大, 43.8~69.3 m和80.47~126.49 m这2段围岩的δ ⁷Li 值都显示出先减后增的躺“ V” 字型的特点^[23]。不妨推断, 该钻孔下段围岩表现出的锂同位素分布特征可能意味着深部还有一个含锂的“ 热源” , 或者有隐伏岩体, 或者深部还有第三层的隐伏矿体。这就为“ 以锂找锂” 提供了依据, 即通过锂同位素的变化规律来指导深部找矿。

图1

Fig.1

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	图1 四川甲基卡矿区以锂找锂示意图[23] (含锂岩石与不含矿岩石的锂同位素组成明显不同, 而6Li由于扩散到围岩中而可以作为找矿标志)Fig.1 Schematic diagram of prospecting lithium deposit by lithium isotope in Sichuan Jiajika[23]

深穿透地球化学测量的基本原理是矿床本身及其围岩中的成矿元素或伴生元素, 可以在某种或某几种营力作用(如地下水、地气流、离子扩散、蒸发作用、电化学梯度等)下, 被迁移至地表, 在地下水和地表土壤介质中形成异常含量^{[24, 25, 26, 27, 28]}。这也是地气探测隐伏矿的基本原理^[26]。深穿透地球化学探测深度大, 可达数百米^[29]。深部探测技术示范研究需要收集和利用前人土壤地球化学、水系沉积物地球化学数据, 在典型隐伏矿体剖面上采用细粒级土壤组分全量测量、金属活动态测量、地气测量等方法基础上, 开展适合于稀有金属找矿的深穿透地球化学找矿方法试验, 研究稀有金属深穿透地球化学异常的形成机理。

隐伏金属矿正上方均有成矿主元素及一批共(伴)生元素形成的地气异常。这种异常的幅度通常随矿体埋深的增大而增大。地气法探测隐伏金属矿的有效深度可以达到千米尺度, 地表污染不会对地气测量产生影响^[27]。利用地气异常的位置分布定性地指示隐伏矿体在地表的垂直投影位置已经有众多的实例, 但地气异常的元素组成、异常幅度与矿体成分或品位之间是否存在定量关系, 还有待进一步探索^{[24, 25, 30, 31, 32, 33]}。下一步本示范项目将根据伟晶岩型矿床垂向分带的基本规律, 集成创新地气测量-放射性测量-重磁电组合测量技术方法组合, 为深部探测提供技术支撑, 并在四川甲基卡、可尔因、新疆卡鲁安等地开展试点示范, 获得关键性参数。

新疆阿尔泰地区是我国乃至于世界上最著名的伟晶岩型稀有金属成矿省, 在38个伟晶岩田中分布着10万余条伟晶岩脉, 是我国稀有金属Li、Be、Rb和Cs等的重要产地^[34]。近年来, 在卡鲁安及其外围又取得了地质找矿新进展, 显示存在巨大的稀有金属找矿潜力, 但由于对成矿规律的认识和深部找矿方法的使用还存在局限性, 影响到了找矿工作的继续深入。比如, 可可托海三号脉的成矿物质来自于何处?卡鲁安一带的矿脉为什么有的反倾向?为什么成矿时代是多期次的, 哪一次成矿作用最有利于形成大矿?深部是否存在隐伏岩体?等等。这些基础理论问题均未解决。另一方面, 阿尔泰成矿省的伟晶岩型锂矿往往规模不大, 即便是世界闻名的可可托海三号脉所蕴藏的氧化锂储量也未超过20万t, 更不用说准噶尔成矿省、伊犁成矿省、阿尔金— 祁连成矿省、塔里木成矿省和昆仑成矿省这些工作程度更低的地区。总体上, 新疆北部的阿尔泰成矿省仍然是找矿潜力最大的地区之一, 而且跟下游产业链的衔接非常紧密, 能够满足国民经济建设、引领新兴产业发展的现实需要。为此, 在以往研究基础上, 项目拟针对上述问题, 以卡鲁安为典型示范(图2), 参考可可托海等成矿模式, 查明成矿条件, 建立深部探测的技术组合, 为深部探测提供科学依据。

图2

Fig.2

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	图2 新疆卡鲁安— 阿祖拜稀有金属矿田矿化分带[35]Fig.2 Mineralized zoning of the Kalu’ an-Azubai rare-metal field in Xinjiang[35]

我国卤水型锂矿占锂资源总量的2/3, 但各含卤水盆地深部是否存在锂矿并不清楚, 再加上地下卤水储集和富集的复杂性, 开展地下卤水资源量评价难度非常大^[36]。各个盆地的深部资源状况尤其是四川盆地和塔里木盆地这样的大型盆地的深部, 是否存在埋藏型的锂矿资源(无论是独立的还是共伴生的)尚不清楚。为此, 项目拟结合钾盐矿的深部探测、盐钾兼探, 查明锂的物质来源、成矿机制和赋矿规律, 分析判断其资源潜力, 优选靶区, 为进一步找矿提供依据。

黄金口背斜群卤水位于四川盆地东北部黄金口背斜群南端的付家山构造南倾没端^{[37, 38]}(图3, 图4)。在西南石油局组织施工的一口油气探井— — 川25井中曾发现了富钾卤水。该卤水赋存于地下深处2 800~3 265 m的三叠系嘉陵江组和雷口坡的碳酸盐岩储层中, 卤层厚约30 m, 是四川盆地普遍存在的储卤层。卤水有益组分的含量普遍高于评价标准(其中Li⁺含量达0.323 g/L, 达到工业品位), 属于品质优良者, 且含量之高在国内外卤水中少见^[39]。目前正在该矿区对卤水中钾盐进行钻探验证, 钻孔深度达3 000 m以上, 初步成果显示卤水中存在锂的富集并具有垂向分带性, 为卤水型锂矿的深部探测提供了新的方向。

图3

Fig.3

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	图3 四川盆地富锂卤水资源分级[37]Fig.3 Classification of lithium-bearing brine in Sichuan Basin[37]

图4

Fig.4

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	图4 四川盆地东部黄金口构造地质简图[38]Fig.4 Geological sketch of Huangjinkou in eastern Sichuan Basin[38]

地下卤水的天然储量受控于地下储卤层的空间分布和储集性能, 同时受到区域构造等地质条件的影响, 对地下卤水资源量评价和预测需要考虑地下卤水在含盐盆地特殊含水介质中的储集和运移特点^[40], 因此远比对浅层地下水的评价和预测复杂。锂资源潜力评价技术方法是针对卤水型锂矿的成矿机制, 摸索建立基于水文地球化学等理论基础的卤水锂矿资源储量动态评价的方法体系, 也为成矿预测和潜力评价提供技术支撑。

以黄金口为代表的地下卤水型钾锂矿, 资源开发利用的潜力大, 有望形成新的供应能力, 因此需要对其中的锂资源进行精确的评价。项目拟针对这一难题, 研究出一套适合于卤水中锂资源量快速评价的方法, 便于准确地估算锂的资源量, 为科学评估该区锂矿资源的开发利用前景提供技术支持。

锂资源的深部找矿方法研究主要是针对工作程度比较低的青藏高原和新疆、青海、甘肃、内蒙古等远景区, 项目拟从高分辨率遥感影像资料综合处理的角度, 提出识别标志(寻找伟晶岩型及其他类型锂矿的技术路线, 探索建立遥感找矿(矿化线索)的指标体系)并在四川甲基卡、可尔因、雪宝顶、扎乌龙及新疆阿尔泰、准噶尔南缘、西昆仑等地开展试点示范。代晶晶等^[41]针对甲基卡特殊地貌景观区, 建立了不同地质体和典型矿物波谱特征模型, 开展多源遥感数据的处理与信息提取工作, 综合波谱信息和图像特征总结出一套快速、有效地识别不同地表地质体的技术方法, 初步建立了遥感找矿模型, 为伟晶岩型锂矿的调查评价提供了示范。2017年对圈定的54个遥感异常点进行了野外异常查证, 有43个点为成矿较好的伟晶岩验证点, 准确率达80%。据此, 圈定了8处找矿有利靶区。

广义的沉积型锂矿床一般指产于沉积岩中的、尚不具备独立工业开采而具有市场竞争价值的锂矿床, 包括产于铝土矿、煤矿、高岭土矿床中可作为伴生矿产利用的矿床, 虽然含量不高、赋存状态不清楚或者往往因为没有独立矿物而难以经济有效地开发利用。但由于其资源总量非常大而引起了高度重视, 尤其是对一些经济效益不高的大宗矿产类矿山企业, 一旦实现了技术突破, 锂可以综合利用, 必将促进转型升级, 引领产业的新发展。

位于贵州东北部、湘鄂西— 黔中南Hg-Sb-Au-Fe-Mn(-Sn-W)-磷-铝土矿-硫铁矿成矿亚带内的务川— 正安— 道真(简称务正道)铝土矿矿集区产出有大竹园等大型、超大型铝土矿矿床(图5)^{[42, 43]}。王登红等在开展贵州大竹园铝土矿的典型矿床研究时, 采集了钻孔岩心工程样品81件, Li含量大于260× 10^-6(相当于Li₂O含量> 0.056%, 边界品位为0.05%)。高锂含量的样品分布在全部17个采样钻孔中, 且可以局部形成富矿地段。其中, 最高者出现在ZK6208钻孔524~525.84 m深处的深灰色、致密状铝土矿中, Li₂O含量达0.582%。初步估算大竹园铝土矿中Li金属量可达数十万吨, 达到大型以上规模^[43]。下一步将在以往大竹园铝土矿典型研究的基础上, 充分利用大量的钻探等勘查成果, 从能源金属的角度查明铝土矿中锂的分布特征, 总结成矿条件, 归纳找矿标志, 评价此类深部锂矿开发利用的前景及其在铝土矿开发过程中转型升级和绿色开发的现实意义。

图5

Fig.5

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	图5 贵州省大竹园铝土矿矿区地质简图(标注了富Li样品位置)[42, 43]Fig.5 Geological sketch of Dazhuyuan bauxite ore in Guizhou Province(marking the locations of samples which are rich in lithium)[42, 43]