江西宜春甘坊矿田花岗岩型锂矿床地质特征及找矿模型

尹维青,刘成忠,董 菁

(江西有色地质矿产勘查开发院,江西 南昌 330030)

0 引言

锂具有低熔点、高沸点、轻质量和负电位等特征,被广泛应用于新能源汽车、航空、核工业、医疗、玻璃、陶瓷、光电和冶金等行业领域中[1-3]。我国已发现的锂矿床主要分布于西部地区,其次为中东部地区[4-8]。锂矿分为盐湖型锂矿和硬岩型锂矿,硬岩型锂矿约占我国锂矿资源总量的18%,其中锂辉石占11%,锂云母占7%[9]。

甘坊矿田位于的江西省宜春市,是我国少数几个硬岩型锂矿勘查基地之一。区内锂矿资源丰富,主要类型为花岗岩型含锂瓷石矿和蚀变细晶岩脉型含锂瓷石矿,虽然锂品位偏低,但资源量巨大,是“亚洲锂都”宜春市重要的锂矿资源保障基地[10-16]。

1980—2003年,江西省地质矿产勘查开发局在区内开展区域地质调查,全面系统地总结区内花岗岩侵入期次和定位机制,发现锂、铌、钽、铷、铯等稀有金属矿化现象,未进行深入细致工作。2003—2016年,江西省地质矿产勘查开发局在区内开展区域矿产资源调查评价,基本上查清锂、铌、钽、铷、铯等稀有金属矿的分布和资源找矿潜力,因品位偏低,未进行系统的勘查评价,对锂矿床成矿规律和成因研究甚少[17]。近年来在该地区开展大规模的锂矿地质勘查工作,现已发现或查明的锂矿床(点)共计39处,发现或探明的保有资源量达100万t以上。

为查明该地区锂矿资源储量,推动该区锂矿“增储上产”,本文在研究典型矿床地质地球化学特征的基础上,系统分析和总结矿床地质特征、成矿规律、控矿因素和找矿标志,提出“区域构造+花岗岩侵入+围岩封闭+热液交代+化探异常”的花岗岩型锂矿床“五位一体”找矿模型,并通过勘查工作在坪头岭地区发现1处大型锂矿床,在洞上地区发现1处中型锂矿床。期望通过以上成果能对该地区寻找花岗岩型锂矿的下一步勘查工作具有指导意义。

1 区域地质概况

甘坊矿田位于扬子地块南缘,即扬子陆块下扬子地块江南造山带中段的三级构造单元江南造山带中段九岭逆冲隆起带南部,九岭稀有金属成矿带内[18-24](图1)。

图1 区域构造与岩浆岩分布图[19]

该地区地层有缺失,结晶基底主要为青白口纪安乐林组(Pt2al),沟系零星出露第四系联圩组(Ql)。

该地区历经了多旋回构造运动,断裂构造极为发育,按其变形特点分为脆性断裂和韧性剪切带两类。宜丰—杭州深大断裂贯通地幔与地壳的联系,并与浅部的褶皱、滑脱构造以及脆性断裂组成岩浆上侵定位空间和含矿热液循环通道,为区内稀有金属成矿提供充足的物源、热源及赋矿场所。

该地区经历长期多旋回岩浆活动,在新元古代—早白垩世受到多期次、多阶段岩浆侵入,形成广泛分布的花岗岩系列(图1)。主要岩体有甘坊复式花岗岩体(新元古代早期)、石花尖岩体(新元古代晚期)、甘坊复式岩体(晚侏罗世)、古阳寨岩体、武堂岩体、白水洞岩体和蓝家店岩体(早白垩世),与这些岩浆侵入相关的脉岩也广泛分布。

该地区是锂、铌、钽、铷、铯等成矿元素的高背景区,区域的地球化学场受区域构造—岩浆岩带控制,呈NEE向展布。岩浆岩中锂、钽、铌、锡、铷、铯、硼、氟、磷元素的平均含量明显高于地壳丰度,成矿元素富集系数在1.6～9.7之间,表明该地区对稀有金属元素的成矿极其有利[25]。

区域内矿产丰富,金属矿产主要有锂、铌、钽、铷、铯、锡、钨等,其中锂、钽、铌矿是区内有较高的经济价值的矿种。

2 典型矿床

该地区锂矿床类型主要有花岗岩型锂矿床和细晶岩脉型锂矿床2种。

2.1 花岗岩型锂矿床

花岗岩型锂矿床以宜丰县石家里锂矿为代表。该矿床产于燕山期钠长石化、锂云母化白云母花岗岩中,形态较简单,矿体呈层状、似层状产出,连续性好,具上富下贫的特征,Li2O平均含量0.513%,Rb2O平均含量0.299%,Cs平均含量0.093%,伴生有铌、钽、铍等稀有金属,属岩浆晚期热液交代矿床。虽然该类型矿床品位偏低,但有数量多、分布广、规模大的特点,是甘坊矿田最重要的锂矿床类型。

矿体围岩主要是新元古代九岭系列英云闪长岩、花岗闪长岩和二云母二长花岗岩等。岩石呈粒状结构,致密块状构造,裂隙不发育,透水透气性差,具良好的密闭隔挡性能。矿石中的矿物成分主要为斜长石、钠长石、石英及浅色云母,次要矿物为黑云母、绿泥石等。含锂矿物主要为锂(白)云母和磷锂铝石,锂云母在矿石中呈单晶六方片状,其片径一般在0.1～1.5 mm。锂云母单矿物中氧化锂含量为2.56%～4.67%。矿石结构主要有花岗结构、变余花岗结构、交代残余结构、鳞片粒状变晶结构等;矿石构造主要有块状构造、斑状或似斑状构造、雪球或半雪球状构造等。

2.2 细晶岩脉型锂矿床

细晶岩脉型锂矿床以宜丰同安锂矿为代表。该矿床产于燕山晚期钠长石化、锂云母化细晶岩脉中,矿体严格受NNE向断裂控制,呈脉状分布,长为400～1 800 m,最长2 700 m,平均宽4.47 m,延深小于等于250 m,Li2O平均含量0.851%,Rb2O平均含量0.236%,Cs平均含量0.072%,伴生有铌、钽、铍等稀有金属,属岩浆晚期热液交代矿床。细晶岩脉型锂矿床分布数量少,规模小,但品位较高。

矿体围岩主要是燕山晚期黑云母花岗岩。岩石呈粒状结构,致密块状构造,裂隙不发育,透水透气性差,具良好的密闭隔挡性能。矿石即霏细岩脉、细晶(斑)岩,其主要矿物成分有:石英20%～40%,浅色云母(白云母、锂云母、带云母)3%～15%,长石20%～60%;次要矿物成分有:白云母、黄玉、锂云母、高岭石等。含锂矿物主要为锂(白)云母和磷锂铝石。

3 成矿规律

甘坊矿田锂矿的成矿过程较为复杂,起主导作用的是燕山晚期花岗岩浆侵入、分异演化和岩浆晚期热液交代作用,其中岩浆晚期热液交代作用是关键。

3.1 控矿构造

区内NE向、NNE向、近EW向3组,断裂构造既控岩又控矿,大多数锂矿床(点)沿着断裂带分布。断裂构造控岩控矿主要表现在成矿岩体和矿床(点)均位于不同方向断裂的交叉处、主要断裂与次级断裂的交叉处和断裂产状突变处。

3.2 成矿花岗岩

3.2.1 花岗岩系列

甘坊复式岩体位于九岭复式花岗岩基的中部,出露面积约400 km2,东西长30 km以上,南北最宽16 km,大体呈东西向延伸(图2),岩体侵入时代为燕山期晚侏罗世早期[26-29],岩性变化总趋势为黑云母花岗岩→二云母二长花岗岩→白(锂)云母二长花岗岩→钠长石化锂云母二长花岗岩。甘坊复式岩体岩性较复杂,为一个多期次、多阶段岩浆侵入形成的复式岩体(表1)。

图2 甘坊矿田地质简图[26]

表1 甘坊复式岩体花岗岩特征

3.2.2 花岗岩地球化学特征

区内花岗岩中SiO2含量为72.38%～76.25%,平均含量为74.74%;Al2O3含量为14.26%～17.00%,平均含量为15.37%;TFe2O3含量为0.61%～1.25%,平均含量为0.96%;MgO含量为0.06%～0.30%,平均含量为0.15%;CaO含量为0.25%～0.85%,平均含量为0.62%;Na2O含量为2.55%～3.77%,平均含量为3.33%;K2O含量为2.96%～4.17%,平均含量为3.46%。铝饱和指数(A/CNK)为1.42～1.65,平均值为1.50;碱度率AR为2.03～2.42,平均值为2.33;里特曼指数σ为1.29～1.86,平均含量为1.49;花岗岩分异指数(DI)为89.77～90.74,平均值为90.18,表明该岩体是岩浆高度分异的产物(表2)。

在(Na2O+K2O)—SiO2判别图解(图3)上,样品投点主要落于花岗岩中(图3a);在K2O—SiO2判别图解上,样品属于高钾钙碱性系列和钙碱性系列(图3b);在A/NK—A/CNK图解中,均落于过铝质区域,具有过铝质—强过铝质特征(图3c);在SiO2—AR(碱度率)图解上(图3d),均落于钙碱性区域。因此,该地区花岗岩具有富硅、富铝和富碱的特征,属于强过铝质钙碱性花岗岩。通过矿区主要氧化物Harker图解显示(图3e-j):SiO2与Al2O3、Na2O、K2O具有明显的相关,表明经历母岩浆的分离结晶作用。

3.2.3 花岗岩稀有元素地球化学特征

燕山期晚侏罗世—早白垩世是甘坊矿田稀有金属矿床形成的主要成矿期。甘坊复式岩体内稀有金属的成矿过程与岩浆的侵入、定位、演化和岩浆热液聚集、交代等因素密切相关。多期次多阶段的岩浆侵入和演化阶段导致稀有元素不断富集形成矿床(表3,图4)。

表2 甘坊矿田花岗岩中主量元素(wB/%)分析结果

图3 矿区花岗岩主量元素图解

从表3可以看出,自晚侏罗世,锂、锡、铌、铍等元素开始出现逐步富集;在早白垩世第一阶段早期逐渐增多,直至早白垩世第一阶段中晚期出现第一次富集高峰,主要在蚀变花岗岩中富集成矿;至早白垩世第一阶段早期回落,但在早白垩世第二阶段晚期出现第二次富集高峰,在岩浆晚期脉岩中富集成矿。

区内Li、Sn、Nb、Be的富集与岩浆晚期的热液交代作用密切相关,在晚侏罗世—早白垩世出现的两次富集高峰也是两个最重要的成矿阶段(图4)。

表3 甘坊矿田花岗岩中稀有元素含量及锂的富集系数

图4 晚侏罗世—早白垩世岩浆演化与锂富集规律

3.3 成岩成矿时代

新元古代九岭复式花岗岩基华力西期石花尖花岗岩复式岩体的形成时代在822 Ma,加里东期甘坊花岗岩复式岩体的形成时代在445 Ma,燕山期古阳寨、武堂、白水洞、蓝家店花岗岩体的形成时代在110～150 Ma[26-28]。从接触关系来看,甘坊复式岩体侵入于新元古代九岭复式花岗岩基的核部,甘坊复式岩体代表晚侏罗世早期岩浆活动,后受到早期白垩世花岗岩的侵入。区内锂矿床成矿主要发生在晚侏罗世和早白垩世[29]。

3.4 矿床成因

区内晚侏罗世-早白垩世花岗岩大面积分布,经历多期次侵入事件。这些花岗岩来源于地壳熔融岩浆,具富硅、富铝和富碱的特征。在岩浆演化晚期,岩浆热液逐步富集、自交代作用增强。在晚侏罗世-早白垩世的二云母二长花岗岩中广泛发育钠长石化、云英岩化、锂(白)云母化、黄玉化、硅化和萤石化等蚀变。这些过程导致稀有元素在岩浆晚期热液中大规模富集,并随岩浆侵位上升至花岗岩体顶部或周边裂隙中,与花岗岩或细晶岩脉交代形成锂矿床(含锂瓷石矿床),该矿床成因类型属岩浆晚期热液交代矿床。

4 找矿模型

4.1 成矿作用模式

区域内岩浆岩的矿化受多方面影响,包括岩体所处的构造位置、剥蚀深度及围岩条件的制约[30-32]。区域控岩控矿断裂制约了成矿岩体的侵入和定位。在花岗岩体的顶部及边部,由于岩浆侵入时的机械冲顶和岩浆凝固时体积的收缩,在岩体顶部及边部发育裂隙,有利于岩浆晚期富含成矿元素热液的运移和交代。因此,岩体的内外接触带及岩体的顶部通常矿化作用较强烈(图5),如白水洞岩体顶部及出现边部、钠长石化、锂云母化、云英岩特征,其中强烈富集锂、铌、钽、铷、铯等矿化元素。随着深度的增加,往深部矿化逐渐减弱。

图5 岩浆交代充填矿床成矿模式图[32]

4.2 控矿因素

(1)区域断裂控制含矿花岗岩的侵入和定位

区内断裂构造的形成具有长期性、多期次活动的特点,表现形式为早期韧性变形叠后期压扭性断层特征。主断裂面较平直,下盘具分带性,依次为构造角砾岩带→碎裂岩带→构造裂隙带。断裂构造控制晚侏罗世—早白垩世含矿花岗岩体的侵入和定位。

(2)岩浆演化致稀有元素初步富集

区内含锂花岗岩属典型的过铝质S型花岗岩。花岗岩浆经过高度演化,演化晚期中粒—中细粒蚀变花岗岩中显著富集锂、钽、铌、铷、铯、铍、氟、磷等元素。稀有元素进入云母类矿物中,导致富集成矿。富锂云母主要包括铁锂云母、锂白云母、锂云母等,它们主要在岩浆演化晚期结晶析出。随着岩浆的分异演化程度不断提高,花岗岩中云母类矿物种属也发生了相应变化,即从岩浆分异的早期至晚期,云母矿物种类有黑云母→白云母→铁锂云母→白(锂)白云母→锂云母的变化规律,表明花岗岩是锂、钽、铌、铷、铯、铍等稀有金属的主要来源。

(3)岩浆晚期热液交代是稀有金属成矿的关键

区内花岗岩中锂富集程度的高低,主要受2个方面的影响:源浆体系中锂、钽、铌、铷、铯、铍、氟、磷等稀有元素丰度;矿体围岩主要有新元古代九岭系列英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩,这些岩石形成了相对密闭的环境,阻止挥发分和成矿热液的散失。在岩浆演化过程中,受元素分配系数的制约,不相容元素如锂、钽、铌、铷、铯、铍等稀有元素在岩浆晚期热液中富集。随着这些富集稀有元素的岩浆热液上升至花岗岩浆体的顶部,交代花岗岩形成锂矿床。

4.3 找矿标志

(1)构造标志:北东向和北西向、近东向断裂构造复合部位是控制岩浆上升的通道,也是深部岩浆上侵定位的主要场所,断裂复合部位是本区重要找矿标志之一。

(2)岩浆岩标志:晚侏罗世—早白垩世中粒—中细粒蚀变花岗岩是本区锂矿的赋存岩体,其岩石化学特点为贫铁、钛而富钠、钾、铝,钠长石化蚀变花岗岩是本区直接找矿标志之一。

(3)蚀变标志:含矿花岗岩普遍发育钠长石化、白(锂)云母化、硅化、萤石化等蚀变,云母类矿物由黑云母→白云母→锂白云母的演化规律,是锂含量由低到高逐步富集的标志,围岩蚀变是本区直接找矿标志之一。

(4)地球化学异常标志:区内水系沉积物和土壤地球化学异常元素组合以Li、Ta、Nb、Rb、Cs、F、B、P为主,组合宜春以Li、Ta、Nb异常含量高、面积大、稀有元素组合齐全为特征。当w(Li)≥800×10-6范围内则可认定为锂矿体赋存区。因此,锂多元素组合异常是本区直接找矿标志之一。

(5)重砂异常标志:铌钽铁矿、锆石、锡石、细晶石、黑钨矿、独居石等金属重矿物异常,这些金属重矿物来源于含锂花岗岩的副矿物,重砂异常是本区直接找矿标志之一。

4.4 找矿模型

该地区锂矿的成矿主要受区域构造、花岗岩侵入与定位、围岩封闭条件和岩浆晚期热液交代作用的制约,并在矿化空间内形成明显的地球化学异常。在系统分析总结花岗岩型锂矿床的成矿地质背景、矿床地质特征、岩浆演化规律、矿床成因、控矿因素和找矿标志基础上,提出花岗岩型锂矿床“五位一体”找矿模型(图6,表4)。

4.5 讨论

4.5.1 模型预测

在今后的找矿实践中,要从找矿模型中构造分布规律、花岗岩的岩性、成岩时代、岩浆岩分异演化程度、蚀变矿物组合、地球化学异常特征和副矿物特点等多方面开展分析研究,进行综合预测和评价,从而开辟新的找矿空间。在模型应中,重点研究以下几个方面:

(1)多组构造复合位置是含矿花岗岩有利的定位空间。

(2)白云母花岗岩、二云母花岗岩是锂矿最重要的含矿母岩。

(3)晚侏罗世和早白垩世花岗岩是锂成矿最重要的2个成矿期。

(4)富硅、富铝和富碱的高分异花岗岩是锂成矿最重要的成矿物质来源。

(5)钠长石化、白云母化、铁锂云母化和锂云母化蚀变带可能是锂矿赋存区。

(6)锂、钽、铌、铷、铯、铍、氟、磷元素组合异常区,特别是w(Li)≥800×10-6异常范围可认定为锂矿体赋存区。

(7)钽铌铁矿、锡石、磷钇矿重砂矿物异常区是重要的找矿远景区。

区域内锂矿床不是孤立单一的矿床类型,而是花岗岩型锂矿床和蚀变细晶岩脉型锂矿床在时间上、空间上和物质组成上的有机统一。锂的成矿也是区域构造、花岗岩体的侵入、岩浆岩分异程度、交代蚀变等多种因素综合作用的结果。找矿模型的提出是该地区锂矿找矿的重要创新性成果,便于在找矿预测和资源潜力评价时,可利用“五位一体”找矿模型综合预测和评价其找矿前景。

4.5.2 应用效果

花岗岩型锂矿“五位一体”找矿模型建立后,按模型要素的要求,系统总结区域构造分布规律、花岗岩体的岩性、成岩时代、岩浆岩分异程度、蚀变矿物组合、地球化学异常和重砂矿物异常等特征,提出在西部洞上和东部坪头岭地区是有利的找矿靶区。后经找矿勘查工作证实,在坪头岭地区发现一大型锂矿床,在洞上地区发现一中型锂矿床,找矿预测效果良好。

5 结论

5.1 认识

通过对宜春地区花岗岩型锂矿床地质特征、成矿规律和找矿模型的归纳总结,获得以下认识:

(1)矿床主要成矿时代集中在燕山期的晚侏罗世和早白垩世。

(2)区域构造控制花岗岩型锂矿床的分布,燕山期花岗岩侵入、分异演化、岩浆晚期热液交代作用是锂成矿的关键。

(3)提出“区域构造+花岗岩侵入+围岩封闭+热液交代+化探异常”的花岗岩型锂矿床“五位一体”找矿模型,经应用实践证明预测效果良好。

5.2 未来研究方向

花岗岩型锂矿“五位一体”找矿模型提出后,虽然取得良好的找矿预测效果,但还有需要深入研究和完善的地方,主要有:

(1)含矿花岗岩中富硅、富铝和富碱程度的量化指标;

(2)含矿花岗岩中白云岩化、铁锂云母化和锂云母化的量化指标;

(3)含矿花岗岩中钠长石化的量化指标;

(4)含矿花岗岩中钽铌铁矿、锡石、磷钇矿重砂异常的量化指标。