湘東北地區偉晶巖型鋰礦成礦模型及找礦潛力分析

黃建中, 陳劍鋒 , 文春華 *, 周厚祥, 李勝苗, 張立平, 黃志飚,成永生, 曹創華 , 劉 鈞, 陳 虎

1)湖南省地質院, 湖南長沙 410014; 2)湖南省地質調查院, 湖南長沙 410116;3)中南大學, 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室, 湖南長沙 410083;4)湖南省自然資源事務中心, 湖南長沙 410004; 5)湖南省核工業地質局三一一大隊, 湖南長沙 410100

Li、Nb、Ta等稀有金屬具有在新能源、航空航天、國防科技等領域發展方面的不可替代性, 使其成為高科技產業發展必不可少的戰略性礦產資源(毛景文等, 2019)?；◢弬ゾr作為一種賦存稀有金屬的重要巖石類型而受到地質學者的持續關注(London 2014, 2018; 張輝等, 2019), 尤其是因富含“21世紀的能源金屬”的含鋰偉晶巖成為了近年研究的熱門(王登紅等, 2016)。而偉晶巖成巖成礦模型的建立不僅可科學揭示稀有金屬礦床的成因, 還將為稀有金屬礦床的資源量預測及前景分析提供重要依據。

自20世紀50年代開始, 對幕阜山地區所開展的稀有金屬礦產調查工作以來, 在巖體內部及周緣多處的 Li、Be、Nb、Ta礦床(點)的發現, 顯示出幕阜山巖體有著十分優越的稀有金屬成礦條件及找礦前景, 特別是近年在其北部斷峰山大型Nb-Ta礦床和南部仁里超大型 Ta-Nb礦床的發現, 均屬華南在稀有金屬礦床找礦工作方面的重大突破, 也使得關于該區花崗偉晶巖的演化及成巖成礦作用的研究工作得到持續開展, 并發表了系列成果(李樂廣等,2019; 周芳春等, 2020; Xiong et al., 2020; Li et al.,2020, 2021; 魏均啟等, 2021; 祝明明等, 2021)。盡管在該區的湖南省境內也有關于鋰礦資源的報導,如早在 1971年湖北省第五地質隊就發現了位于仁里南部的傳梓源偉晶巖型鈮-鉭-鋰礦床, 因受制于礦床的規模及當時礦種的經濟價值, 對作為伴生礦種的鋰資源僅進行了簡單評價, 近年在該區黃柏山、窄板洞富鋰偉晶巖的發現, 也顯示出該區具有十分優越的鋰礦成礦條件。

本文在對前人有關斷峰山礦床與仁里礦床研究工作的系統總結基礎上, 結合筆者近年在湖南省重點研發專項“湖南省鋰鈮鉭等稀有金屬資源高效勘查與開發”項目開展中所掌握的第一手野外地質資料, 通過對比幕阜山巖體南北成礦條件的異同,剖析花崗巖與偉晶巖的成因聯系, 探討兩者在礦床規模和礦化類型上差異性的原因, 建立起幕阜山地區偉晶巖稀有金屬礦的成礦模型, 并嘗試對湘東北地區的鋰礦產資源的找礦潛力作出分析與評價。

1 區域地質特征

幕阜山復式花崗巖基位于華夏與揚子板塊之間的江南造山帶的中段(圖1a), 除巖體北東部局部出露寒武系、奧陶系、志留系外, 區域圍繞幕阜山巖體大面積分布、或呈孤立的殘丘覆蓋在花崗巖基上的為新元古界青白口系冷家溪群(圖1b), 其巖性為一套淺變質灰-灰綠色絹云母泥板巖、條帶狀板巖、粉砂質板巖、巖屑雜砂巖和片巖, 總厚6 700 ～10 127 m (高林志等, 2011; 楊雪等, 2020)。其中片巖主要呈環帶狀分布于地層與幕阜山巖基周圍的接觸部位, 并且在巖基周圍分布不均, 表現為巖基南北部周緣的斷峰山及仁里地區片巖帶較寬, 如在南部的仁里—傳梓源地區片巖帶寬在10 km以上, 而巖基其它部位的片巖帶, 如在巖體西部及東南部區域其帶寬一般不超過1 km。巖性主要為石英云母片巖, 其中云母(包含白云母與黑云母)呈片狀定向排列, 石英一般呈透鏡狀與眼球狀夾于片狀礦物間。整體上, 片巖的產狀在走向上平行于巖層與巖體的接觸界線, 顯示出了片巖巖層的產狀受制于幕阜山巖基以巨大穹隆形式上侵就位時的形態。

圖1 幕阜山稀有金屬礦集區地質礦產簡圖(據文春華等, 2019; 陳劍鋒等, 2022)Fig. 1 Geological and mineral resources map of the Mufushan rare metal ore concentration area(after WEN et al., 2019; CHEN et al., 2022)

區內巖漿活動強烈, 幕阜山巖體為燕山期花崗巖(李樂廣等, 2019)呈北西向展布的大型復式花崗巖基, 出露面積約 2400 km2, 其巖性包括閃長巖(154 Ma; Wang et al., 2014)、花崗巖閃長巖(151～149 Ma; Wang et al., 2014; Ji et al., 2018), 黑云母二長花崗巖(155～148 Ma; 湖南省地質調查院, 2009;Wang et al., 2014; 李鵬等, 2017; Ji et al., 2017, 2018;Xiong et al., 2020), 中粒二云母二長花崗巖(146～138 Ma, Wang et al., 2014; Ji et al., 2017; Li et al., 2020)以及細粒二云母二長花崗巖(137 Ma; 湖南省地質調查院, 2009; 以上均為鋯石 U-Pb年齡),整體呈現出隨年齡由老到新而巖性由中性—酸性變化的巖漿演化序列, 巖體的形成與古太平洋板塊的西向俯沖有關(Wang et al., 2014; Ji et al., 2017,2018)。此外, 幕阜山巖體南部與西部的梅仙、三墩等巖株為武陵期侵入的花崗閃長巖, 鋯石 U-Pb年齡為822～810 Ma(未發表數據)。

區內圍繞幕阜山巖體內部及周緣發育上萬條偉晶巖脈, 其中位于巖基內部的偉晶巖脈產狀雜亂無章, 與花崗巖間接觸界線或截然明顯或呈不明顯的過渡關系, 產于黑云母二長花崗巖中的偉晶巖通常不具稀有金屬礦化, 少量具有Be礦化, 巖體內部具有Be、Nb-Ta礦化的偉晶巖脈基本產于二云母二長花崗巖內部或其附近(圖1b)。

巖體外的偉晶巖脈, 包括區域內稀有金屬礦的典型代表仁里超大型 Nb-Ta礦床以及斷峰山大型Nb-Ta礦床均產于片巖內。區內云母片巖受構造作用表現出片巖沿巖層滑脫和膝折發育的特征, 為偉晶巖脈充填提供了空間。偉晶巖脈的產狀基本平行于巖層片理產出, 局部巖脈呈膨大縮小部位有切層現象。一般表現為巖層產狀陡的部位偉晶巖脈產狀陡, 巖層產狀緩的部位偉晶巖脈產狀緩, 如在斷峰山礦區偉晶巖脈的傾角多在 75°以上(祝明明等,2021), 而仁里礦區的偉晶巖脈的傾角多介于20°～40°之間(劉翔等, 2019)。

2 鋰礦床(點)地質特征

區域內的Li賦礦巖石類型為偉晶巖, 根據偉晶巖稀有金屬礦物的明顯富集特征(?erny, 1991;?erny and Ercit, 2005), 該區的偉晶巖屬LCT(富集Li-Cs-Ta)型偉晶巖。

2.1 黃柏山地區鋰礦特征

該區緊鄰仁里礦區西側, 位于幕阜山巖體西南舌狀凸起部位與梅仙巖體間的片巖帶(圖2a), 最先由湖南省地質局(1977)在調查工作中發現并將其定為一處鈮鉭鋰礦點。湖南省核工業局311隊在仁里礦區調查中對該處的采樣分析顯示, 此處有含工業品位的鋰輝石礦脈(李鵬等, 2019)。湖南省地質院承擔的湖南省重點研發項目“湖南省鋰鈮鉭等稀有金屬高效勘查與開發”在實施過程將此區域作為重要的找礦靶區及鉆探驗證示范區, 在區內開展了系統的遙感、化探、物探、地氣分析、異常驗證及鉆探驗證等工作。區內見規模不一的偉晶巖脈 20余條(圖2a), 偉晶巖脈沿片巖帶內順層或微切片巖層理產出, 走向北西, 傾向南西, 傾角 20°～50°, 其中編號為γρ46、γρ47的偉晶巖脈富含鋰輝石(表1)。

圖2 幕阜山南緣鋰礦區分布特征Fig. 2 The Li-deposit in the south margin of Mufushan batholith

表1 幕阜山南緣含鋰偉晶巖礦體特征表Table 1 The features of Li-bearing pegmatites in the south margin of the Mufushan batholith

γρ47號偉晶巖脈地表出露長約 1700 m, 寬2～32 m(圖2a), 走向北西, 傾向南西。脈體順片巖層理產出(圖3a), 具膨脹收縮處見切層現象。該脈體北西段的礦物組合以鈉長石偉晶巖為主, 含少量鈮鉭鐵礦、綠柱石等稀有金屬礦物; 在中段和南東段礦物組合均以鋰輝石和鈉長石為主, 含鈮鉭鐵礦、鋰輝石等稀有金屬礦物, 其中中段鋰輝石呈白色板柱狀, 晶體大小一般為長軸(5～10) cm×短軸(1～2) cm(圖3b, c), Li2O 品位為 0.81%～1.72%; 南東段地表出露最寬達 30余 m, 脈體中鈮鉭鐵礦呈針狀、細粒狀, Nb2O5品位為 0.009%～0.024%, Ta2O5品位為0.008%～0.016%(張立平等, 2021), 靠近脈體上盤見鋰輝石偉晶巖, Li2O品位達 2.02%, 鋰礦體平均厚度6.5 m。沿脈的走向從北西往南東, 脈體的規模逐漸變大, 其鋰的含量(品位)也呈現出逐漸升高的趨勢。土壤化探分析結果顯示γρ47號偉晶巖脈南東側外延部位有明顯的鋰元素異常(圖2a), 呂維(2020)在該區東南部應用X熒光分析技術對土壤樣品稀有金屬元素異常特征研究認為γρ47號偉晶巖脈往東南延伸可與γρ1相聯(圖2d), 反映出γρ47號偉晶巖脈往南東方向呈隱伏再現特征。在對該脈南西側施工完成的鉆探工程顯示, 由 ZK7201所揭露的該巖脈在33～39 m之間鋰礦品位較好(圖2b); 而ZKA01所揭露結果顯示偉晶巖脈在80～84 m僅見少量鋰輝石, 反映了該脈鋰的礦化往深部變弱的特征,表明該脈具備從深部往上其成礦作用由Nb-Ta為主轉為以Li為主的LCT型偉晶巖的演化特征。

圖3 幕阜山地區花崗-偉晶巖照片Fig. 3 Field photographs of pegmatites and granites in Mufushan

2.2 傳梓源礦區鋰礦特征

該區緊鄰仁里礦區南部, 區內偉晶巖脈十分發育(圖2a), 按脈體走向可為北西向脈體和南北向脈體(湖北省第五地質隊, 1971)。其中北西向脈體 16條(106、116、202、204、206、208等), 產狀較陡, 斜交層理產于云母片巖中; 南北向脈9條(105、110、112、108、103、104、111等), 均產于花崗巖株內的張裂隙中。南北向組的γρ104號礦脈和北西向組的γρ106、γρ202、γρ206、γρ208 等礦脈為區內的重要富鋰偉晶巖脈(表1), 鋰輝石在地表或近地表蝕變成腐鋰輝石, Li2O含量較低, 深部為鋰輝石(圖3d), Li2O含量較高。規模較大的鋰輝石偉晶巖主要為γρ206號脈, 脈體地表出露長約 2.3 km, 走向北西, 傾向南西, 傾角約 47°～81°, 脈寬 14～25 m, 厚度延深大于150 m(圖2c); 鋰礦體中Li2O含量0.49%～1.44%, 平均厚度為9.92 m。含鋰偉晶巖脈礦化深度可達 100～150 m, 巖脈中的鋰輝石在地表經風化淋濾呈腐鋰輝石, 在地表以下20 m處風化較弱。

2.3 窄板洞地區鋰礦特征

該區位于傳梓源礦區南西部, 距離幕阜山巖體西南約8 km的云母片巖帶中, 地層走向北西, 傾向南西, 區內目前發現大小偉晶巖脈15條, 其中規模較大的為γρ150、γρ151、γρ153。

鋰礦化較好的為γρ150與γρ151號偉晶巖脈,兩者產狀一致, 巖脈順片巖層理產出, 其中γρ151巖脈北西走向, 傾向 175°～190°, 傾角 30°～40°, 長1300 m, 礦脈厚0.48～2.12 m(石威科等, 2020), Li2O品位為 0.017%～1.39%、Nb2O5為 0.008%～0.021%、Ta2O5為 0.006%～0.020%。偉晶巖呈似層狀產出, 主要礦物組成為鈉長石、鋰輝石、白云母、石英及鋰輝石。鋰輝石偉晶巖脈在地表風化強烈, 局部呈白色細砂狀, 可見灰白色短柱狀、條帶狀(腐)鋰輝石(圖3e)。

3 花崗巖與偉晶巖的關系

位于幕阜山北緣的斷峰山礦區以及南緣的仁里礦區在礦區地質特征上具有相似性, 其出露的地層均為青白口系冷家溪群, 礦區大面積出露的花崗巖在巖性上也一致, 即為黑云母二長花崗巖與二云母二長花崗巖(圖1b), 前人的鋯石U-Pb定年結果顯示, 兩個礦區的花崗巖侵入時間在誤差范圍內相同(154～138 Ma)。盡管以往在斷峰山礦區關于巖體內部的偉晶巖未有研究和報導, 事實上, 筆者的野外調查工作顯示, 其黑云母二長花崗巖內部的偉晶巖與仁里礦區的偉晶巖特征相似, 基本為微斜長石(二云母)偉晶巖(陳劍鋒等, 2022), 通常不具礦化或見有 Be礦化, 僅個別含鈉長石的偉晶巖脈中見有針狀鈮鉭礦。

在偉晶巖與花崗巖之間的關系方面, 長期以來,偉晶巖常被認為是花崗質巖漿(母巖)分異演化晚期巖漿固結的產物(?erny and Ercit, 2005; ?erny et al.,2012; Roda-Robles et al., 2018; Fei et al., 2020), 仁里與斷峰山地區幾種類型的偉晶巖均位于幕阜山巖體內部或接觸帶附近, 其成巖成礦年齡幾近一致(140～130 Ma, 表2), 稍晚于礦區各類型花崗巖形成年齡(154～138 Ma, 表2), 全巖Nd同位素和鋯石Hf同位素一致(表2)也指示花崗巖與偉晶巖有著相同的源區, 因此, 偉晶巖與花崗巖在時間、空間以及物源上均暗示兩者密切的成因聯系。

這一天，我百無聊賴地躺在沙發上涂著指甲油，突然接到父親的電話：“林林，你住在哪里？我在車站，你快來接我！”

表2 斷峰山與仁里礦區花崗偉晶巖年齡及同位素值統計表Table 2 The age and isotopic values statistics on granites and pegmatites from the Renli and Duanfengshan deposits

本次以研究程度更高的仁里礦區為例, 仁里礦區的偉晶巖類型有微斜長石偉晶巖、二長(微斜長石-鈉長石)偉晶巖和鈉長石(-鋰輝石)偉晶巖, 礦區出露的花崗巖類型除黑云母二長花崗巖和二云母二長花崗巖外, 另存在有少量白云母二長花崗巖呈小巖株或巖脈侵入于黑云母二長花崗巖中(Xiong et al.,2020)。前人對仁里礦區有關花崗巖與偉晶巖的成因關系已展開過頗多討論, 如李昌元(2016)指出仁里礦區偉晶巖的母巖為在空間關系上與之最為密切的黑云母二長花崗巖, 陳劍鋒等(2022)對礦區 7號偉晶巖脈的進行了年代學及同位素等的研究, 指出巖體內不含礦的微斜長石(二云母)型偉晶巖脈的母巖為黑云母二長花崗巖; 李鵬等(2019)和 Li et al.(2020)通過分析仁里礦區的稀有金屬偉晶巖與礦區廣泛出露的二云母二長花崗巖或黑云母二長花崗巖在地球化學特征上存在有斷崖式突變, 曾認為這兩類花崗巖并非偉晶巖的母巖, 而在他通過系統研究礦區各類型花崗巖與偉晶巖中白云母的地球化學特征后, 修正了之前的觀點而改認為二云母二長花崗巖為偉晶巖的母巖(Li et al., 2021); Xiong et al.(2020)和穆尚濤等(2021)礦物與巖體的地球化學組成等角度成因關系進行了研究, 指出礦區高分異的白云母花崗巖更可能是稀有金屬偉晶巖的母巖。

經典的 LCT 型偉晶巖的模型(?erny, 1991;Shearer et al., 1992)指出, 花崗巖巖漿房從深部至淺部運移過程中, 在經歷了由黑云母二長花崗巖到二云母二長花崗巖至白云母二長花崗巖的分異演化后,在頂部由白云母二長花崗巖分異出一系列不同礦化組合的偉晶巖, 因此, 相對前兩者, 分異程度更高的白云母二長花崗巖通常更多地被認為是偉晶巖的母巖。而筆者認為在幕阜山地區并非如此, 其原因有: (1)幕阜山巖體內及邊緣分布有大量的偉晶巖脈,而白云母二長花崗巖在該區出露面積甚少, 只偶見其呈小巖株或巖脈形式產于黑云母二長花崗巖中,小規模產出的巖體不太可能為巨量的偉晶巖脈提供物源; (2)黑云母二長花崗巖中產出大量的微斜長石(二云母)型偉晶巖, 大部分肉眼未能分辨出鈉長石產出, 而二云母二長花崗巖與白云母二長花崗巖中的Na2O平均含量均達5%以上(劉翔等, 2019; Xiong et al., 2020), 特別是白云母二長花崗巖中缺乏該類型偉晶巖中作為主礦物之一存在的黑云母; (3)Li et al.(2021)所列區內各花崗巖序列以及各類型偉晶巖中白云母的地球化學特征可以看出, 微斜長石型偉晶巖較礦區內二云母二長花崗巖中白云母的 K/Rb值高而Rb、Cs等含量低, 表明微斜長石型偉晶巖分異程度不及二云母二長花崗巖, 而分異程度更高白云母花崗巖不可能是微斜長石型偉晶巖(分異程度低)的母巖; (4)依據經典模型, 分異程度最高的白云母花崗巖應位于花崗巖基的頂部, 幕阜山地區的平均剝蝕深度為4.8 km(石紅才等, 2013), 已揭露至早期另兩種類型黑/二云母二長花崗巖的部位, 因此深部存在白云母二長花崗巖的可能性可以排除;(5)從圖1b可看出, 幕阜山巖體內的含 Be、Nb-Ta礦偉晶巖基本位于二云母花崗巖內部或周圍, 而黑云母花崗巖中(特別是中心部位)的含礦偉晶巖極少,如果偉晶巖均由深部晚期次的白云母花崗巖演化而來, 那么僅只作為圍巖存在的這兩類花崗巖內部的偉晶巖在成礦作用不會存在大的差異, 因此, 深部存在晚期次的白云母花崗巖的母巖的假設也不具說服力。

London的模擬實驗(London, 2014, 2018; London et al., 2020)研究結果表明偉晶巖形成的關鍵主要取決于巖漿液相線的過冷程度, 因此, 巖漿的分異程度并非偉晶巖形成的必要條件, 這意味著即使分異程度不高的花崗巖也可成為偉晶巖的母巖。綜合前人所研究得出的觀點, 筆者認為礦區的(二云母)微斜長石型偉晶巖的母巖即為其圍巖黑云母二長花崗巖(陳劍鋒等, 2022); 而礦區鈮鉭礦的主要賦存巖石類型微斜長石-鈉長石型偉晶巖的母巖為二云母二長花崗巖(Li et al., 2021), 微斜長石-鈉長石型偉晶巖從母體二云母花崗巖中分離, 經歷進一步的分異作用可形成鈉長石(鋰輝石)偉晶巖。這既可以合理解釋礦區花崗巖以及偉晶巖演化序列, 也揭示了構成幕阜山巖體主要巖性的黑云母二長花崗巖和二云母二長花崗巖中偉晶巖的成礦差異性。

4 成巖成礦模型

受古太平洋板塊遠程俯沖效應的影響, 俯沖板片回撤導致了幕阜山一帶發生伸展作用, 玄武質巖漿底侵, 直接導致斷峰山地區南部中-基性閃長巖的形成(154 Ma, Wang et al., 2014; 中國地質調查局武漢地質調查中心, 2018), 并表現為區域中-基性巖漿具有長期持續活動的特點, 如在仁里礦區地表7號偉晶巖脈(137 Ma; 陳劍鋒等, 2022)及2號偉晶巖脈(深部鉆孔)內部均見有閃長巖脈的穿插(圖3h, i,j), 對比兩地的閃長巖中的主量元素組成(Wang et al., 2014; 陳劍鋒等, 2022)可發現, 仁里地區除Na2O和 Al2O3偏低而 K2O偏高外, 其它幾近相同,暗示兩個礦區的閃長巖具有同源的特征。底侵的巖漿也致使中下地殼物質發生部分熔融從而形成了巨量的酸性巖漿, 中基性巖漿的長期持續活動(154～137 Ma)為酸性巖漿的充分結晶分異提供了熱源, 從而形成了幕阜山黑云母二長花崗(154～140 Ma)、二云母二長花崗巖(146～138 Ma)和白云母二長花崗巖(141 Ma)序列(圖4)。

圖4 幕阜山地區偉晶巖型稀有金屬礦成巖成礦模式圖Fig. 4 The diagenesis and mineralization model for rare metal pegmatites in the Mufushan batholith

黑云母二長花崗巖在持續的熱源下, 分異形成了(二云母)微斜長石型偉晶巖, 由于分異程度較低和揮發分含量不足, 微斜長石型偉晶巖選擇近距離侵位于母巖體冷凝收縮時產生的裂隙空間(與圍巖花崗巖界線截然), 或因缺少裂隙空間而原地就位(呈漸變), 基本未從母體逃逸。只有二云母花崗巖,經長期的結晶分異(146-138 Ma), 形成了大量的富Nb-Ta和Li偉晶巖巖漿, 這些富含稀有金屬的偉晶巖漿一部分也侵位于雜亂無章的圍巖裂隙空間內,另一部分經歷了更為充分的結晶分異作用后, 稀有金屬與揮發分得到進一步的富集, 逃逸母體, 穿過早期因與地層接觸而最先固結的黑云母二長花崗巖(圖3j, k)的裂隙進入冷家溪片巖的裂隙空間內形成富含Nb、Ta的二長偉晶巖, 偉晶巖漿在片巖中運移的過程中, 向上進一步分異, 形成富含Li的白云母鈉長石偉晶巖。至于分異程度更高的白云母花崗巖,因其在礦區占比過少, 難以評價其在偉晶巖成巖成礦方面所做出的貢獻。

幕阜山北部的斷峰山礦區與南部的仁里—傳梓源礦區存在有成礦作用的明顯差異性, 表現為(1)仁里礦床的鈮鉭礦(超大型)在規模上要超過斷峰山,以及(2)斷峰山在 Li礦的成礦作用方面只表現有少量脈體中含有鋰云母, 而南部的黃柏山—傳梓源一帶則有規?？捎^的鋰輝石產出。幕阜山巖體周圍的片巖產狀基本上受控于巖體的侵入形態, 那么地表片巖的產狀反過來也可反映深部巖體的侵入形態,斷峰山地區片巖產狀陡(大于75°, 圖3l), 據此可推測該區巖漿上侵時呈陡傾狀, 而仁里—黃柏山地區片巖的產狀(20°～40°)所反映的是該區巖體與地層接觸界線較緩(圖3a)。一方面, 緩傾的地層暗示其深部所覆蓋有大面積的隱伏花崗巖, 可為后期偉晶巖的成巖成礦作用提供更多物源; 另一方面, 含礦偉晶巖在垂直空間上的表現為上鋰下鈮鉭(LCT經典模型以及黃柏山鉆孔所揭示), 而幕阜山地區富含稀有金屬的偉晶巖漿在地層中往上遷移的通道受控于片巖的產狀, 產狀陡的在垂向上無疑遷移更遠,因此, 即便在斷峰山地區先期存在有富含鋰輝石的偉晶巖, 在該區風化剝蝕作用嚴重的前提下(平均剝蝕深度為 4.8 km, 石紅才等, 2013)被耗盡, 而在幕阜山南緣的黃柏山—傳梓源一帶的含鋰偉晶巖能得以保存下來。

5 湘東北地區鋰礦成礦潛力分析

5.1 鋰礦空間變化規律

幕阜山南緣的偉晶巖具有在空間上的明顯巖性分帶特征, 表現為從北往南由幕阜山巖體到片巖地區依次劃分為微斜長石偉晶巖、斜長石-鈉長石偉晶巖、鈉長石偉晶巖(文春華, 2017; Li et al., 2020),在礦化組合上表現為從不含礦(或見 Be礦化)—Be-Nb-Ta—Li-Nb-Ta的過渡演化特征(文春華等, 2019; 文春華和邵擁軍, 2019)。本次開展了巖體內微斜長石偉晶巖(賀家山地區)、斜長石-鈉長石偉晶巖(仁里地區)、鈉長石偉晶巖(傳梓源地區、黃柏山地區和窄板洞地區)(圖2)巖石地球化學研究, 樣品結果(表3)分析發現偉晶巖巖性分帶與 Na2O 和K2O元素含量規律性變化相關, 從幕阜山巖體中賀家山微斜長石偉晶巖、仁里斜長石-鈉長石偉晶巖到傳梓源-窄板洞鈉長石(鋰輝石)偉晶巖, Na2O含量出現升高變化而K2O呈降低變化的反消長關系(圖5a),Li含量隨K2O/Na2O比值變小而呈升高變化規律。同樣, 微量元素 K/Rb比值規律性變化也反映了從賀家山到傳梓源隨K/Rb比值降低呈現出Li的明顯富集變化規律(圖5b)。

圖5 幕阜山南緣地區偉晶巖K2O/Na2O vs Li和K/RbvsLi圖Fig. 5 Pegmatite K2O/Na2O vs. Li and K/RbvsLi diagram in the south margin of Mufushan batholith

表3 幕阜山地區偉晶巖主量元素、微量元素表Table 3 Major andtrace element compositions of the pegmatites in the Mufushan area

研究區黃柏山與傳梓源幾個鉆孔所揭露的偉晶巖在垂向上也具有深部 Nb-Ta礦化而淺部為 Li礦化的特征(圖2b, c), 如地表及淺部偉晶巖脈(γρ46、γρ47)以鋰礦化為主, 中部偉晶巖脈(γρ5)以鉭鈮礦化為主, 深部偉晶巖脈以(γρ2)鈹-鈮鉭礦化為主。而仁里礦區偉晶巖和斷峰山地區類似, 現存的為從母巖花崗巖中的相對近距離分異出來偉晶巖富含Nb-Ta礦, 而向上遷移更遠的含Li部分已被風化剝蝕, 這也可解釋距離巖體更近的黃柏山地區的偉晶巖脈中的含鋰部分(地表部分剝蝕)在深部延伸不及距巖體稍遠的傳梓源地區, 以及該區 47號脈在南東段(距離巖體遠)的鋰礦化相對較好。

鋰礦的空間規律性變化特征對區域上鋰礦找礦方向、深部資源預測有較好的指示作用, 表現為空間上鋰礦找礦遠景區位于距離巖體較遠地段, 垂向上鋰礦化往往位于偉晶巖脈頂部位置。

5.2 鋰礦成礦潛力預測

現有的勘查工作顯示, 位于幕阜山地區的南、北緣的仁里和斷峰山礦區其Nb-Ta礦規模達分別達到超大型和大型, 顯示出該區巨大的稀有金屬成礦潛力。頗為遺憾的是, 受制于當前勘查工作程度,目前尚缺乏關于幕阜山南緣偉晶巖型鋰礦床成礦潛力的評價。

從成礦模式和成礦規律分析認為遠離幕阜山巖體的黃柏山—傳梓源地區和梭墩—窄板洞地區是鋰成礦重要的遠景區(圖2a), Li地球化學剖面分析從幕阜山→仁里→傳梓源地區Li含量明顯增高, Li礦化增強(圖1c)。幕阜山—梅仙巖體物探剖面顯示幕阜山巖體深部傾向西南, 與梅仙巖體在深部表現為斷層接觸關系(曹創華等, 2021)。揭示了仁里—傳梓源地區深部斷層既能為稀有金屬遷移成礦提供物質通道, 又能為稀有金屬偉晶巖在空間分異演化提供貫通性空間。從而顯示仁里—傳梓源地區鈮鉭、鋰成礦具有重大的潛力。

黃柏山—傳梓源鋰礦遠景區中(圖2a)位于西北角γρ47號含鋰偉晶巖脈地表出露長約 1700 m, 與位于南東角地表出露長約2300 m的γρ206號含鋰偉晶巖脈呈現斷續相連特征。造成兩條偉晶巖脈之間斷續分布可能受中間大范圍的區域因地形陡峭及植被十分發育的環境因素影響, 如在中間橫穿一條南北向與兩端高程相差達300～700 m的山脈, 制約了偉晶巖在地表出露而呈隱伏狀。γρ47號脈和γρ206號脈均產于片巖中呈北西走向的偉晶巖有著相似的產狀, 土壤化探異常顯示γρ47號脈往東南延伸見明顯Li異常(圖2a), X熒光分析認為γρ47號偉晶巖脈往南東延伸特征與含鋰偉晶巖脈的走向套合較好(圖2d)(呂維, 2020), 暗示了該區的含鋰偉晶巖脈可能相連, 或有更多的含鋰偉晶巖脈呈隱伏狀待系統的找礦勘查工作去查驗。同時在距巖體更遠的窄板洞—梭墩地區地表也有含鋰偉晶巖的出現, 盡管這可能在該區存在有作為母巖的深部巖體局部隆起,但總體上也暗示了從傳梓源到窄板洞地區可能蘊藏有大量含鋰偉晶巖。

湘東北傳梓源礦床為典型的 LCT偉晶巖型鋰-鈮鉭礦床, 礦床主要預測要素見表4。依據幕阜山地區鋰礦偉晶巖脈的分布情況, 結合成礦地質條件分析以及黃柏山—傳梓源和窄板洞—梭墩鋰礦預測工作區的實際地質情況, 選擇黃柏山、朱子洞、永享、窄板洞作為最小預測區(圖2a)開展鋰礦資源潛力分析。

表4 平江縣傳梓源鋰鈮鉭礦主要預測要素表Table 4 The major forcast factors for Chuanziyuan Li-Nb-Ta deposit

根據全國礦產資源潛力評價辦公室發布的《預測資源量估算要求(2010年補充)》, 幕阜山地區鋰礦資源量估算以傳梓源鋰礦作為模型礦床, 采用地質參數體積法(李勝苗等, 2013), 計算公式為:

其中,Z預: 預測資源量;S預: 預測區面積;H預:延深;Ks: 含礦地質體面積參數;K: 含礦系數;α:相似系數。其中S預通過GIS軟件換算獲取,H預根據預測單元內地質工作程度確定,Ks為預測單元中含礦地質體面積和投影面積之比,K為模型區的資源總量和含礦地質體體積之比,α為預測單元的成礦概率, 由MORAS軟件計算。

據湖南平江傳梓源鈮鉭礦區初勘報告(1971)估算了3.5 km2范圍內Li2O資源量為1.14萬噸, 控制礦體延深為 60 m。從 206脈鉆孔揭露脈體深部150 m仍見鋰礦化(圖2c), 推斷傳梓源典型礦床鋰礦延深為 150 m, 根據黃柏山最小預測區鉆孔揭露鋰礦化特征(圖2b), 推斷鋰礦延深為 80 m[0]; 根據前述成礦模式、成礦規律分析傳梓源—窄板洞地區鋰礦成礦條件相似, 推斷朱子洞最小預測區、永享最小預測區、窄板洞最小預測區鋰礦延深為120 m。各最小預測區鋰礦資源量及相關參數見表5, 初步預測5個最小預測內鋰礦資源潛力為10.19萬噸, 達到大型規模, 顯示出在黃柏山—傳梓源鋰礦遠景區和梭墩—窄板洞鋰礦遠景區內鋰礦成礦潛力巨大。

表5 各預測區預測參數和預測資源量統計表Table 5 The prediction parameters and resources statistics for districts in the sourh margin of Mufushan

此外, 與幕阜山巖體類似, 位于湘東北范圍內的連云山巖體以及望湘巖體內大面積分布有作為稀有金屬偉晶巖母巖二云母二長花崗巖, 其形成年齡及地球化學特征與幕阜山巖體同類型花崗巖相似(Ji et al., 2018), 特別是連云山地區的白沙窩礦區目前也有含鋰偉晶巖的報導(圖3f, 文春華等, 2018;Wen et al., 2021), 因此, 在今后湘東北的稀有金屬勘查工作中, 連云山地區以及望湘地區偉晶巖型稀有金屬礦有望實現新的找礦突破。

6 結論

(1)黃柏山、傳梓源和窄板洞地區是幕阜山稀有金屬礦集區富鋰偉晶巖主要分布地段, 野外地質調查、土壤地球化學和X熒光分析認為黃柏山地區富鋰偉晶巖與傳梓源地區富鋰偉晶巖在走向上具斷續相連特征, 表明從黃柏山至傳梓源地區存在較大規模富鋰偉晶巖脈帶。

(2)湘東北地區鈮鉭礦偉晶巖和鋰礦偉晶巖成巖、成礦年齡幾近一致(140～130 Ma), 稍晚于區內二云母二長花崗巖形成年齡(143～138 Ma), 且同位素研究結果也指示花崗巖與偉晶巖有著相同的物質源區, 反映出二云母二長花崗巖為富含稀有金屬(Li、Nb、Ta)偉晶巖的母巖, 建立了稀有金屬偉晶巖成礦模型。

(3)深部隱伏巖體的侵入形態是導致幕阜山地區偉晶巖稀有金屬礦差異性成礦的主要原因, 不同巖性偉晶巖中稀有金屬礦化由巖體往地層分布具不含礦(或見Be礦化)—Be-Nb-Ta—Li-Nb-Ta的過渡演化特征。鋰礦在空間上規律變化表現為距離巖體較遠地段分布, 垂向上鋰礦化往往位于偉晶巖脈頂部位置。

(4)依據稀有金屬偉晶巖型成礦模型及區域成礦規律認識, 以“傳梓源式”偉晶巖型鋰礦作為預測要素, 初步估算了幕阜山稀有金屬礦集區鋰礦資源潛力為 10.19萬噸, 首次報導了湘東北地區具備尋找大型鋰礦產地的潛力。

Acknowledgements:

This study was supported by Research and Development Plan in Key Areas of Hunan Province (No.2019SK2261), National Key Research and Development Program of China (No. 2017YFC0601402), Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education, Central South University (No.2021YSJS04), Provincial Natural Science Foundation of Hunan (No. 2021JJ30387), Geological Bureau of Hunan Province (No. HNGSTP202105), and Special Science Popularization Topics in Hunan Province (No.2020ZK4082).