锂是我国重要的战略性矿产资源和新兴产业资源,其成矿作用与花岗质岩浆活动密切有关。江西省地质构造复杂,岩浆作用强烈,成矿地质条件优越,锂矿产资源丰富,锂等稀有金属矿床主要分布于九岭成矿带和武功山成矿带中,成矿时代主要集中于晚侏罗世—早白垩世^[1-2]。

白果蚀变花岗岩型含锂铷瓷石矿位于江西省西北部奉新县甘坊镇以南地区,除区域地质调查、区域物化探外,矿区以往几乎未开展过中大比例尺的矿产勘查,也不存在任何民采活动,工作程度低。本次研究工作通过开展1∶50 000水系沉积物测量、1∶10 000土壤测量、异常查证、槽探及钻探工程控制、实验测试等工作,快速圈出了异常及矿化范围,查明了引起异常的原因,发现并控制了含锂铷瓷石矿体,取得了显著找矿效果。白果含锂铷瓷石矿的发现,为江西省及我国类似地区寻找蚀变花岗岩型锂等稀有金属矿探索出了一条切实可行的化探方法技术。

矿区地处扬子板块下扬子地块之江南隆起带九岭逆冲隆起南缘、宜丰—景德镇深断裂的中部北侧。区域内经历了从新元古代到新生代以来的多旋回构造运动,岩浆活动频繁。

矿区为甘坊复式岩体的一部分。甘坊岩体位于九岭岩基中部,出露面积约400 km²,大致呈EW向延伸的椭圆形,东西长30 km,南北宽16 km,侵入时代为晚侏罗世至早白垩世,为同一岩浆源、多期次岩浆活动形成的复式岩体^[3]。晚侏罗世侵入岩岩性主要为斑状二云母二长花岗岩,主要分布于矿区北东部;早白垩世侵入岩岩性主要为二云母二长花岗岩、白云母二长花岗岩、白云母花岗岩等,主要分布于矿区南西部(图1)。岩体自变质作用明显,具不同程度的钠长石化和白云母化^[4-5]。区内脉岩发育,主要有花岗岩脉、石英脉、霏细岩脉、细晶岩等。

江西省以1∶20万水系沉积物测量为主要的区域化探扫面方法,野外采样始开1974年,结束于1983年,完成可采面积158 471 km²,占全省总面积的94.92%,采集样品总数288 542件,平均采样密度1.82个点/km²,按4 km²组合分析样品总数41 583件,定量分析了Li、Be、Nb、W、Sn等39种组分。

全省区域化探圈出以Li为主的综合异常60余处(Li异常下限80×10^-6),其中,甘坊Li异常规模全省最大,是江西省最为醒目的异常。Li异常面积668 km²,平均含量224.7×10^-6,最高含量1 050×10^-6,总体呈近EW向椭圆分布,与甘坊复式岩体空间展布基本一致。同时,伴生F、Be、Sn、Nb、W、Bi、Cu、Pb、Zn等元素异常(图2),F异常面积320 km²,平均含量1 806×10^-6,最高含量6 934×10^-6;Be异常面积376 km²,平均含量20.7×10^-6,最高含量55×10^-6;Sn异常面积324 km²,平均含量55.3×10^-6,最高含量280×10^-6。

成矿地球化学理论认为,成矿物质是成矿系统影响成矿过程的内在因素^[6]。该区Li、F、Sn、Be等元素异常面积大,强度高,套合好,浓集中心清晰,说明该区Li等成矿物质来源丰富,岩体分异程度高,局部富集趋势明显,是江西省最为重要的锂等稀有金属矿找矿远景区。

根据异常元素组合特征及其空间分布,推测异常由燕山期岩浆侵入作用引起。锂等稀有金属成矿物质来源于燕山期岩浆岩,多期、多阶段的岩浆活动促使锂等稀有金属的不断集聚。

随着锂广泛运用于新能源电池等领域,市场对锂的需求日益增长。2012年,我队在甘坊岩体北部地区申报了省财政地质勘查项目“江西省奉新县黄沙坪锂铌矿调查评价”。受矿业权、生态红线、行政区划、以往地质工作程度等因素的影响,调查区范围仅为甘坊Li异常的北部局部地区,面积140 km²。该区为低山—丘陵山区地形地貌,侵蚀剥蚀切割程度中等,山脊多呈圆形,溪水广阔,下切轻微,覆盖层较厚,适宜开展水系沉积物测量及土壤测量等化探工作。

为了查明区内锂等元素的空间分布特征,进一步圈定地球化学异常,缩小找矿靶区,首先布置了1∶50 000水系沉积物测量,采样密度为4.48个点/km²,测试指标为Li、Rb、Be、Nb、Ta、Be、Sn、W、Mo、Cu、Pb、Zn共12种元素。

圈定Li、Rb等元素综合异常2个(Li异常下限为400×10^-6),其中HS-1异常面积相对较大,强度较高(图3),找矿潜力相对较大,该异常以Li为主,伴生Rb、Ta、Be、Nb、Sn等元素,各元素异常套合较好,浓集中心清晰。Li异常长5 km,宽约4 km,面积16.3 km²,异常平均含量675×10^-6,最高含量1 553×10^-6;Rb异常面积21 km²,平均含量1 008×10^-6,最高含量1 774×10^-6;Nb异常面积24 km²,平均含量25.4×10^-6,最高含量48×10^-6;Sn异常面积8.4 km²,平均含量132×10^-6,最高含量245×10^-6。异常元素组合特征与区域化探异常基本一致,但Li异常浓集范围更为清晰,异常强度明显提高,大大缩小了找矿靶区。

W、Mo、Cu、Pb、Zn等岩浆期后热液组分异常较弱,这可能说明岩体的外接触带几乎剥蚀殆尽,因此,今后的主攻矿种为锂、铷等稀有金属,主攻矿床类型为蚀变花岗岩型。

为了更精细地圈定异常范围,刻画异常形态,预测矿(化)体空间分布,2013年,在1∶50 000水系沉积物HS-1异常高值区布置了4 km²的1∶10 000土壤测量,网度为100 m×20 m,样品分析指标为Li、Rb、Nb、Ta、Be、W、Sn共7种元素。

1∶10 000土壤测量圈出土壤异常1处(Li异常下限为800×10^-6),异常面积1.05 km²,异常组分以Li、Rb为主,伴有Sn、Nb、Ta、Be(图4)。Li异常平均含量1 152×10^-6,最高含量2 675×10^-6,其中,中—内带异常(w(Li)>1 200×10^-6)面积0.32 km²;Rb异常平均含量1 028×10^-6,最高含量1 943×10^-6;Sn异常平均含量123×10^-6,最高含量660×10^-6。Li、Rb、Sn异常强度高,浓集中心套合程度好,均具有三级浓度分带。异常区主要出露侏罗纪及白垩纪花岗岩,对寻找花岗岩型锂、铷等稀有金属矿具有指示意义。

通过1∶10 000土壤测量,Li异常浓集范围明显缩小,异常强度显著提高,异常形态及浓集中心更清晰,找矿方向更明确。

为了了解异常区不同期次花岗岩的空间分布及接触关系,查明异常与各类地质体、蚀变、矿化的关系,寻找异常源,追索并初步控制地表矿(化)体的规模及分布特征,在土壤异常区及外围布置了1∶10 000地质测量、地质—岩石地球化学综合剖面测量和少量的槽探工程等异常查证工作。

异常区主要出露晚侏罗世含斑二云母二长花岗岩、早白垩世白云母二长花岗岩、白云母花岗岩。通过系统采集、测试异常区及周边地区不同类型地表岩石样品(测试指标包括Li、Rb、Nb、Ta、Cs、W、Sn等),证实Li、Rb等元素主要赋存于早白垩世钠长石化中细粒白云母花岗岩中,含Li、Rb中细粒白云母花岗岩体(w(Li₂O)>0.3%)呈半纺锤状,南、西面未封闭,长约900 m,宽300~500 m,面积0.36 km²,地表岩石中Li₂O平均含量为0.40%,Rb₂O为0.16%,空间分布与土壤Li异常中—内带范围(w(Li)>1 200×10^-6)基本一致。

以地质测量为主要方法的异常查证工作,初步查明了异常形成的原因,进一步明确了主要成矿元素为Li、Rb,大致了解了锂、铷矿(化)体的空间分布及含量特征。钠长石化中细粒白云母花岗岩呈浅黄白—白色,细粒粒状结构,少量中粒粒状结构,块状构造,岩石中主要矿物成分为石英、斜长石、钾长石和白云母,其次为绿泥石、磷灰石及少(微)量的普通辉石和锡石等。Al₂O₃平均含量为15.11%,Fe₂O₃平均含量为0.84%,TiO₂平均含量为0.03%,满足瓷石矿工业指标要求。

由于锂含量达不到碱性花岗岩型矿床最低工业品位要求,因此,本区矿种初定为含锂铷瓷石矿,矿床成因类型为蚀变花岗岩型。

为了进一步查明含锂铷瓷土(石)空间展布特征、矿石质量及其综合开发利用性,2015年、2018年笔者所在单位分别申报了省地质勘查基金项目“江西省奉新县白果铷等稀有金属矿普查”、省财政地勘项目“江西省奉新县白果含锂铷高岭土(瓷石)矿详查”,投入的主要工作手段为槽探、赣南钻、机械岩心钻探、Li-Rb赋存状态研究等。

槽探施工的主要目的是揭露、追索、控制地表矿(化)体;赣南钻、机械岩心钻探施工的目的是分别控制含锂铷瓷土、瓷石矿体的规模、产状及品位等,探求含锂铷瓷土、瓷石矿的资源量。依据《瓷土、瓷石矿产地质勘查规范(江西省地方标准)》(DB36/T 1157—2019),瓷土矿勘查工程间距为100 m×50 m,瓷石矿勘查工程间距为200 m×100 m。

经普查—详查,进一步证实含锂瓷石矿体产于早白垩世钠长石化中细粒白云母花岗岩中,为呈面型分布的碱性蚀变花岗岩型矿床。岩体自变质(交代)作用特征明显,自上而下,岩体的自变质作用减弱,依次划分为4个带:强钠长石化、白云母化花岗岩带→中钠长石化、白云母化花岗岩带→弱钠长石化、白云母化花岗岩带→中细粒—中粒二云母花岗岩带。各带呈渐变接触关系,似层状产出,产状平缓,厚度较稳定,矿化连续性较好。随着花岗岩蚀变强度的变化,岩石的物质成分、结构构造、稀有金属含量等均产生明显的分带现象。岩石钠长石化、白云母化越强,锂、铷含量越高。花岗岩体顶部是成矿的有利地段,岩体顶部的形态、产状控制着矿体的形态、产状。

按照工业指标w(Al₂O₃)≥14%、w(Fe₂O₃+TiO₂)≤2%、w(TiO₂)≤0.6%、伴生w(Li₂O)≥0.3%,估算伴生锂资源量达大型规模。

为了查明矿石中锂、铷的赋存状态,大致了解矿石中锂、铷的可选性,采用劈心法,在矿区内较均匀地采集了3个钻孔岩心样品送实验室开展试验研究。结果显示:矿石中的有益组分主要为锂、铷,其品位分别为Li₂O 0.37%、Rb₂O 0.16%;矿石中未见锂、铷的独立矿物,锂、铷均主要以类质同象形式分布于白云母和长石中,其中,白云母中的Li⁺主要取代白云母中六次配位的Al³⁺,长石中的Li⁺主要取代长石中的K⁺、Na⁺、Ca²⁺,白云母中的Rb⁺主要取代白云母中的K⁺,长石中的Rb⁺主要取代长石中的K⁺、Na⁺、Ca²⁺;白云母中Li₂O、Rb₂O含量分别为1.64%和0.53%,长石中Li₂O、Rb₂O含量分别为0.09%和0.16%;锂主要分布在白云母中,分布率为81.70%,其次分布在长石中,分布率为11.35%,石英及其他矿物中少量,分布率为6.95%;铷主要分布在白云母和长石中,其分布率分别为55.51%和42.40%,石英及其他矿物中分布率为2.09%。

由于锂大部分分布于白云母中,铷在白云母中分布也相对较高,因此,要回收锂、铷,首先需对云母进行富集,使其与长石、石英分离。通过浮选云母闭路流程试验,粗选采用“二粗一扫”、精选采用两次精选的工艺流程,可取得较好的选矿效果。

白果含锂瓷石矿的发现,凝聚了众多化探及地质工作者多年的辛勤劳动和聪明才智。化探工作要想取得找矿突破,应努力做好以下3个方面。

Li的地球化学性质表现为中度不相容元素,在同一期岩浆演化过程中,Li倾向于在晚期富集^[7-8],演化程度越高,熔体中Li含量越高。挥发分F等元素不仅能够显著降低岩浆体系的粘度、密度和固相线温度^[9],还可以与Li形成络合物,使Li能够迁移至更远的距离并高度分异演化,有效地增大Li在残余熔体中的含量。由于Li在晚期岩浆中伴随挥发分一同富集,从而在岩体顶部形成以F等挥发性组分及Na、K、Li等碱质组分为主的交代蚀变(锂云母化、钠长石化等),并导致成矿元素的进一步活化转移。

锂的成矿过程就是花岗岩浆高度结晶分异及Li等元素不断富集的过程,挥发组分可以显著提高Li的富集程度。蚀变花岗岩型锂矿体主要赋存于高分异复式花岗岩体顶部的钠长石化锂(白)云母花岗岩中,呈层状、似层状产出。同时,富含挥发组分和碱金属、稀有金属的残余岩浆沿裂隙侵入可形成脉状细晶岩脉型锂矿床^[3]。

异常是化探工作的主要研究对象。成矿成晕具统一性、特征性,矿与异常无本质的区别,矿体是异常的一部分,异常是矿体的一种表现形式,异常可以反映矿化的存在、强弱与成因类型。

矿床的形成与成矿物质来源、成矿作用过程、成矿环境、矿床的剥蚀程度密切相关;矿床的形成过程实际上就是地球化学元素不断迁移、富集的过程;不同成因类型的矿床,均具有独特的地球化学异常特征;特征性的地球化学异常通常与特定的地质作用或成矿作用有关,如蚀变花岗岩型锂矿床,从内接触带到外接触带,具明显的组分分带(从下而上):Be、Nb、Ta、Rb、Li→Sn、W、Mo、Bi→Cu、Pb、Zn、(F)。

合理的异常解释推断是科学部署异常查证工作的前提。异常解释推断应以地球化学异常本身特征(异常面积、强度、规模、形态、元素组合、元素分带等)为主要依据,同时结合地质背景、景观地球化学条件、物探异常等特征,对异常成因、主要矿种及矿床类型、剥蚀程度、找矿潜力等做出初步判断。

异常查证是确定异常是否由矿体引起的重要途径,是检验地球化学勘查效果的试金石^[10]。特定的矿床,总是在特定的地质条件下产出,因此,异常查证必须与地质工作紧密结合,才能取得好的效果。

在异常查证的不同阶段,对地质工作有不同的要求。异常踏勘检查的方法手段主要为1∶10 000地质物化探综合剖面测量、地质草测及少量轻型山地工程;异常详细检查的主要方法手段为面积性的1∶10 000物化探、地质测量及系统的轻型山地工程。

通过地质测量,全面了解地层、构造、岩浆岩、蚀变矿化及矿体的空间分布特征,快速发现引起异常的地质原因;通过实施探槽等轻型山地工程,控制地表矿(化)体,并查明其产状、规模、品位及其变化情况。

1)在地质工作程度较低的区域化探稀有金属等元素异常区,按照“区域展开,重点突破,由疏到密,逐步缩小找矿靶区”的化探工作思路,依序部署1∶5万水系沉积物测量、1∶1万土壤测量、异常查证、槽探揭露、钻探验证等工作,可以快速圈出异常或矿化范围,查明异常成因,发现并控制蚀变花岗岩型含锂铷瓷石矿体。

2)江西白果含锂瓷石矿床成因类型属蚀变花岗岩型,伴生锂资源量达大型规模,矿体主要为钠长石化中细粒白云母花岗岩,岩体分异程度高,岩体外接触带几乎剥蚀殆尽;化探异常元素组合主要为Li、Rb、Ta、Nb、Be、Sn等,浓集中心清晰;锂、铷矿化与岩石蚀变密切相关,钠长石化、白云母化越强,锂、铷含量越高,自上而下,岩体蚀变、矿化强度减弱,分带特征明显;锂主要以类质同象形式分布于白云母中。

3)在化探找锂矿过程中,为了提高找矿效率,应遵循锂的地球化学富集规律,注重异常解释的科学性,并与地质工作紧密结合。