渝南水江板橋鋁土礦區鋰的分布規律及其影響因素研究

鄧國仕，李軍敏，楊桂花，趙曉東，陳 莉，陳 陽，呂 濤

(1.成都地質礦產研究所，四川 成都 610081；2.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；3.重慶地質礦產研究院，重慶 400042)

據前人研究，鋁土礦中除主要元素鋁、硅之外，還伴生三稀元素，主要是稀土元素鈧(Sc)、稀有金屬鋰(Li)和稀散元素鎵(Ga)以及鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釩(V)、鍺(Ge)、鍶(Sr)、銣(Rb)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉭(Ta)等其他三稀元素[1-9]。三稀元素是一類非常重要的戰略資源，廣泛應用于對國民經濟、軍事等至關重要的高科技領域[10-14]。鋰是最輕最活潑的堿金屬元素，有著獨特的物理和化學性能，幾乎可以和所有非金屬元素發生劇烈的化學反應[15-18]。鋰在地殼中約含0.0065%，在自然界中主要的鋰礦物為鋰輝石、透鋰長石、鋰云母和磷鋁鋰石等[15-16，19-20]。自從1817年瑞典科學家A.A rfvedson在分析鋰云母和鋰長石中發現鋰以來,鋰化合物在玻璃陶瓷、石油化工、冶金、紡織、合成橡膠、潤滑材料、醫療等傳統領域得到了廣泛應用。近年來，金屬鋰在現代電子工業、航空航天、核能發電、電池能源等領域的用量越來越大，市場前景十分廣闊[21-22]。世界各國普遍重視鋰工業的發展，有人稱“21世紀是鋰的世紀”、“鋰是21世紀的能源元素”[19-23]。

我國是傳統鋰資源大國，已探明的鋰資源儲量在世界上位居第二，但長期以來由于各種主客觀因素的制約，導致這一領域的研究和開發、利用比較滯后，因此，鋰資源的開發，不僅對發展經濟具有重要意義，而且有助于促進能源革命、環境保護和可持續發展[15,19,24]。2010年國土資源部啟動了重慶市鋁土礦整裝勘查項目，對重慶鋁土礦的礦床成因、含礦巖性、分布和沉積相特征等進行了較詳細的地質調查研究，取得了大量成果。渝南鋁土礦是重慶市鋁土礦的重要組成部分，成礦潛力巨大，已發現鋁土礦床(點)51個，其中勘探1個，詳查7個，普查21個，預查22個，提交資源儲量19811.59萬t[25]。2011年經過重慶鐵鋁礦整裝勘查，新增鋁土礦儲量7600萬t。渝南鋁土礦儲量大，礦石總體品位低，大部分礦石品位界于邊界品位與工業品位之間，開采成本偏高。

目前關于渝南地區鋁土礦及其伴生元素的相關研究不足，僅有少數公開論文發表[1,26-29]，數量偏少，相對于黔北、黔中地區而言研究程度低，尤其是渝南鋁土礦伴生鋰方面的研究，還未見到公開發表的文獻。本文作者以水江板橋鋁土礦為研究對象，通過探槽揭露、剖面觀察、化學數據分析，對礦區含礦巖系和鋰的分布規律進行了研究，對于今后水江板橋鋁土礦區及渝南地區鋁土礦的科研、礦產開發和綜合利用具有一定的參考價值。

1 地質背景

1.1 礦區構造與地層特征

渝南地區大地構造位置位于揚子陸塊區川中前陸盆地(Mz)、揚子陸塊南部碳酸鹽臺地(Pz)與上揚子東南緣被動邊緣盆地(Pz1)內[30]。板橋鋁土礦區大地構造上處于揚子陸塊區，上揚子陸塊，揚子陸塊南部碳酸鹽臺地金佛山穹褶束與武隆凹褶束之撓部，區內構造較發育，以北北東向的褶皺及斷裂為主，褶皺和斷層主要有九井向斜和F3逆斷層。板橋鋁土礦區位于九井向斜的北西方向，F3逆斷層的西部(圖1)。

1-二疊系上統；2-二疊系中統;3-二疊系梁山組;4-三疊系飛仙關組;5-三疊系嘉陵江組;6-地質界線;7-志留系韓家店組;8-逆斷層;9-探槽位置

九井向斜為研究區內主要褶皺構造，北側揚起端起于桐子灣一帶，至水洞一帶附近向斜軸向轉向南西經山羊坪施家巖一帶出研究區，向斜在研究區內長約14km，北側軸向N5°E，南西側軸向N25°E左右，向斜軸面傾向275～300°，分布較為寬緩。向斜核部地層為三疊系下統嘉陵江組(T1j),向兩翼依次為三疊系下統飛仙關組(T1f)、二疊系上統長興組(P3c)、龍潭組(P3l)、二疊系中統茅口組(P2m)、棲霞組(P2q)、梁山組(P2l)、石炭系中統黃龍組(C2h)、志留系中統韓家店組(S2h)。F1逆斷層位于研究區北西側，呈北東向延伸，南西側起于端公灣一帶，向北東經廟泥灣、青崗堡至韓家灣而出研究區，走向長大于3800m，傾向310°，傾角35°，斷距50～200m不等，由南西向北東斷距逐漸增大。北西盤(上盤)飛仙關組(T1f)地層局部沖覆于南東盤(下盤)嘉陵江組(T1j)地層之上，造成飛仙關組地層重復。F3斷層位于評價區西側，為逆(沖)斷層，呈北北東向延伸。該斷層沿走向長大于7000m，傾向106°，傾角58～76°，在蔡家坪南東側地表發現該斷層南東盤(上盤)長興組(P2c)地層沖覆于北西盤(下盤)飛仙關組(T1f)地層及長興組(P2c)地層之上，造成長興組地層(P2c)重復出現，斷距約100m左右。

1.2 礦區探槽特征

據最新研究成果，渝南鋁土礦含礦巖系具有穿時性[29]，含礦巖系上覆地層為中二疊統梁山組(P2l)炭質頁巖或泥質頁巖；底板主要為中志留統韓家店組(S2h)粉砂質泥巖、頁巖，局部地區底板為中石炭統黃龍組(C2h)透鏡狀殘留灰巖(圖2)。從上至下具有三段式分布特征：上部為高鋁黏土巖，中部為鋁土礦(巖)，下部為高鐵黏土巖。

圖2 水江板橋鋁土礦床含礦巖系柱狀對比

1.3 礦體地質特征

渝南水江板橋鋁土礦礦體位于評價區盧家壩背斜北西翼板橋西側，為地表揭露礦體，由TC110橋鋁土礦礦體兩個槽探工程控制，該礦體傾向北西，平均傾角22°，露頭走向控制長約300m，礦體厚0.98～1.13m，平均厚1.06m。

水江板橋礦區鋁土礦床的礦石類型可劃分為土狀(含半土狀)、土豆狀、致密狀、豆(鮞)狀、礫屑狀鋁土礦石五種自然類型。其中以土狀(含半土狀)鋁土礦石質量最好，土豆狀次之，礫屑狀及豆(鮞)狀鋁土礦石再次之，致密狀鋁土礦石相對較差。鋁土礦體礦石組合以致密狀礦石為主，土豆狀、土狀(含半土狀)礦石次之，并有少量礫屑狀、豆(鮞)狀鋁土礦石。鋁土礦主要組成礦物有：硬水鋁石、高嶺石、綠泥石等；次要礦物有：軟水鋁石、鋁凝膠、三水鋁石、伊利石、菱鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦；微量礦物有：銳鈦礦、榍石、金紅石、硝石、綠簾石、電氣石、石英、方解石等，偶見長石；含硫鋁土礦中含硫礦物主要為黃鐵礦。

鏡下觀察發現，普遍的巖石具有碎屑狀、豆鮞狀等陸相再沉積特征，且樣品中出現后期再生黃鐵礦，個別黏土巖樣品還出現劇烈褐鐵礦化現象，反映了后期強烈的改造作用(圖3)。

1) TC103-2b次棱角狀的鐵質碎屑；2) TC103-6b侵染狀分布的黃鐵礦(褐鐵礦礦化)；3) TC103-12b豆礫狀鋁土礦；4) TC104-5b黃鐵礦殘留體；5) TC105-6b豆狀鋁土礦(后期改造)；6) TC110-6b強烈褐鐵礦化的鐵質黏土巖；7) TC110-9b豆鮞狀黏土巖，含少量鐵質；8) TC111-4b2礫屑狀嚴重褐鐵礦化的鐵質黏土巖

2 樣品的采集和測試

本研究于渝南水江板橋鋁土礦區五個探槽TC103、TC104、TC105、TC110和TC111共取得41件樣品，由國土資源部西南礦產資源監督檢測中心完成薄片制樣、樣品粉碎和常量元素測試工作，測試依據為《DZ/T0223-2001》，儀器設備為高分辨等離子質譜儀(Element2)，測試溫度為20±1℃，濕度為50%。微量、稀土元素測試分析工作由中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點研究室完成，所用儀器為加拿大PerkinElmer公司制造的四級桿型電感耦合等離子體質譜儀(Q-ICP-MS)，型號為ELAN DRC-e。探槽位置見圖1，各探槽中樣品分布及分析測試結果見表1、表2。

3 鋰的分布規律特征及其討論

3.1 含礦巖系縱向上鋁和鋰的分布規律

本次根據五個探槽中含礦巖系樣品的測試數據(表2)，以45%為界，把Al2O3分為高(≥45%)、低(<45%)含量兩種類型礦石；以700ug/g為界，把Li分為高(≥700ug/g)、低(<700ug/g)含量兩種類型礦石，分別統計Al2O3和Li在含礦巖系上部、中上部、中部、中下部以及下部五個部位出現的比例和所賦存的礦石類型的比例(圖4)，以討論鋁和鈧在含礦巖系縱向上的分布規律。其中，高Al2O3含量的礦石主要分布在含礦層位的上部和中上部，中部、中下部和下部均沒有分布，所賦存的礦石類型主要為豆(鮞)狀、礫屑狀鋁土質黏土巖，其次為豆(鮞)狀、豆鮞礫狀鋁土礦和礫屑鋁土礦；高Li含量的礦石主要分布在含礦層位的上部和中上部，少量分布在下部和中下部，下部沒有分布，所賦存的礦石類型主要為礫屑鋁土質黏土巖，其次為豆鮞狀黏土巖、致密狀黏土巖、鋁土質黏土巖、豆(鮞)狀鋁土質黏土巖和豆鮞礫屑鋁土礦，剖面柱狀對比見圖2。

3.2 含礦巖系鋰的含量變化特征

3.2.1 含礦巖系的主要成分

水江板橋鋁土礦床含礦巖系中，鋁土礦層與非礦層之間均為逐漸過渡關系，其界限依據A12O3和A/S比值確定。以鋁土礦邊界品位A12O3含量40%，A/S比值1.8為標準[31]，將A12O3含量>40%，A/S比值>1.8的樣品統稱為鋁土礦。由表1可以看出，在39件常量分析測試樣品中，僅有5件樣品達到鋁土礦工業指標。

鋁土礦礦石A12O3含量介于49%～66%之間，平均55.37%。以豆狀鋁土礦含量最高，含量達65.19%；其次為鋁土質黏土巖，A12O3含量為26%～51%，平均40.46%；豆鮞狀黏土巖中，A12O3含量為27%～41%，平均34.66%，以黏土巖中A12O3含量最低，平均為29.96%(表1，圖5(a))。

SiO2含量在黏土巖中最高，介于33%～54%之間，平均含量43.82%；其次是在豆鮞狀黏土巖和鋁土質黏土巖中，含量分別為36%～40%和28%～45%，平均含量分別為37.90%和35.42%；鋁土礦中SiO2含量低于30%，平均含量22.90%(圖5(b))。

Fe2O3在黏土巖中最富集，平均含量為9.21%；其次為豆鮞狀黏土巖和鋁土質黏土巖，平均含量分別為7.89%和6.90%；鋁土礦中Fe2O3含量低于10%，平均含量4.34%(圖5(c))。

TiO2含量在鋁土礦中最高，介于1.8%～2.7%之間，平均為2.33%；其次為鋁土質黏土巖中，平均含量2.01%，豆鮞狀黏土巖和黏土巖中TiO2含量較低，平均含量分別為1.44%和1.27%(圖5(d))。

鋁土礦礦石A/S比值介于1.8～4.8之間，平均值為2.66，以豆狀鋁土礦A/S比值最高，為4.8；其次為鋁土質黏土巖和豆鮞狀黏土巖中，A/S比值的平均值分別為1.18和0.91；黏土巖中A/S比值最低，介于0.4～0.84之間，平均值為0.7(圖5(e))。

3.2.2 含礦巖系鋰含量變化特征

由表2可以看出，Li含量分布范圍位介于3.68～2029.07×10-6之間，跨度很大，其中0～100×10-6區間為9個，約占總樣數的22%；100～500×10-6區間為11個，約占總樣數的27%；500～1500×10-6區間為12個，約占總樣數的49%，平均為558.79×10-6(n=41)。

圖4 高Al2O3(左)和高Li(右)分布層位和賦存礦石類型示意

圖5 水江板橋鋁土礦床主要化學成分及Li含量分布

Li在鋁土礦含礦巖系上部和中上部的高鋁黏土巖中最為富集，含量大多在200～1400×10-6之間，平均830.23×10-6，其次為鋁土礦、豆鮞狀黏土巖和黏土巖(圖4和圖5(f))，平均含量分別為531.37×10-6、426.98×10-6、100.55×10-6；鋁土礦礦石中Li含量較高，各類鋁土礦礦石中Li含量由高到低依次為豆(鮞)礫狀鋁土礦石→礫屑鋁土礦石→豆狀鋁土礦石。

根據表2測試數據，用含量變化系數計算公式計算Li的含量變化系數。

計算公式

式中，VC為含量變化系數；δC為算術均方差；C為算術平均值；c1,c2,…cn為測試樣品數據；n為樣品總數。VC<20為極均勻；VC=20～40為均勻；VC=40～100為不均勻；VC=100～225為很不均勻；VC>225為極不均勻[32]。

表1 水江板橋鋁土礦床主要化學成分和鋰測試分析結果

表2 五個探槽中含礦巖系部分元素相關系數

經計算，礦區Li含量變化系數Vc=83，屬不均勻變化；含礦巖系厚度變化系數Vc=21，屬均勻變化；黏土巖中Li含量變化系數為125，為很不均勻變化；鋁土礦中Li含量變化系數為66，為不均勻變化；高鋁黏土巖中Li含量變化系數為59，屬于不均勻變化。

3.3 鋰與鋁土礦的相關性特征與討論

通過對鋁土礦、鋁硅比等和鋰的測試數據統計(表1)及相關性分析(表2)，得到水江板橋礦區五個探槽鋰與鋁土礦之間相關關系具以下特點：Li與A12O3相關系數r大多為正值，去除兩個異常值后的平均值為0.820，因此，Li與A12O3為正的強相關關系；Li與SiO2相關系數r大多為負值，去除兩個異常值后的平均值為-0.653，Li與SiO2為負的中等相關關系；同樣，從表3中可以看出，Li與A/S比值的相關系數平均值為0.885(去除兩個異常值)，Li與TiO2的相關系數平均值為0.839(去除兩個異常值)，Li與Fe2O3的相關系數平均值為-0.519(去除兩個異常值)，A12O3與A/S比值的相關系數平均值為0.937，A12O3與TiO2的相關系數平均值為0.836。由此，Li與A/S比值為正的強相關關系，Li與TiO2也為正的強相關關系，Li與Fe2O3為負的中等相關關系，A12O3與A/S比值具有正的強相關關系，A12O3與TiO2也具有正的強相關關系。

據葉霖等研究，鋁土礦中TiO2主要賦存于銳鈦礦、金紅石等礦物中，為穩定的難溶礦物，常隨著母巖的風化而保留下來，并隨黏土質與鋁土質碎屑的搬運沉積而逐步富集，同時部分以類質同像或機械混入物形式分布于一水鋁石、三水鋁石等鋁礦物中，據分析結果，礦區A12O3與TiO2呈正的強相關關系，和葉霖等的研究結果一致[33]。據最新工作進展[34]，渝南鋁土礦主要是在海陸交互的淡化潟湖環境下形成的。由Li和鋁土礦的相關性特征可知，本區Li和鋁土礦息息相關，兩者成彼此共長關系。

4 結論

綜上所述，渝南水江板橋鋁土礦區中的鋰的分布規律及其控制因素總結如下。

1) 水江板橋鋁土礦區的Al2O3主要分布在含礦層位的上部和中上部，其礦石類型主要為豆(鮞)狀和礫屑狀。Li主要也分布在含礦層位的上部和中上部，所賦存的礦石類型主要為礫屑高鋁黏土巖。

2) 水江板橋鋁土礦床礦石A12O3含量介于49%～66%之間，平均55.37%，以豆狀鋁土礦含量最高，含量達65.19%；Li含量大多在200～1400×10-6之間，平均含量830.23×10-6；Li在鋁土礦含礦巖系上部和中上部的鋁土質黏土巖中最為富集；鋁土礦礦石中Li含量較高，平均為531.37×10-6，各類鋁土礦礦石中Li含量由高到低依次為豆(鮞)礫狀鋁土礦石→礫屑鋁土礦石→豆狀鋁土礦石。

3) Li與A12O3相關系數平均值r=0.820，為正的強相關；Li與SiO2相關系數平均值r=-0.653，為負的中等相關；Li與A/S比值的相關系數平均值r=0.885，為正的強相關；Li與TiO2相關系數平均值r=0.839，為正的強相關；Li與Fe2O3的相關系數平均值r=-0.519，為負的中等相關。

致謝本文是“渝東地區地質構造演化及鐵鋁基地研究”項目成果之一，參加野外工作的還有李再會和賈德龍，并得到重慶市地質調查院、重慶市地勘局107地質大隊的大力協助，在此一并表示感謝；并對編輯老師和匿名評審專家的悉心修改表示敬意和感謝。

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