西藏地区盐湖锂的地球化学分布规律

董 涛谭红兵张文杰张燕飞

(河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

西藏地区盐湖锂的地球化学分布规律

董 涛,谭红兵,张文杰,张燕飞

(河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

通过统计西藏高原盐湖镁离子及锂离子质量浓度的水化学数据和镁锂离子质量浓度比值,绘制出西藏地区盐湖卤水锂离子质量浓度分布等值线图和镁锂离子质量浓度比值分布图,分析了西藏地区盐湖锂资源品位及品质在空间上的分布规律以及盐湖锂资源富集与其所处地质环境的关系。分析表明:西藏地区盐湖锂资源的分布呈现分带性特征,盐湖锂离子质量浓度可能受构造带的控制,碳酸盐型盐湖带的盐湖卤水镁锂离子质量浓度比值最低,高品质低镁锂比卤水盐湖和低镁锂比卤水盐湖集中分布在碳酸盐型盐湖带-硫酸盐型盐湖带过渡区内。

西藏地区;盐湖;锂资源;地球化学;镁锂离子质量浓度比值

锂是自然界密度最小的碱金属元素,化学性质非常活泼,作为一种新型能源和战略资源,在21世纪备受关注[1]。目前,锂及其化合物被广泛应用于航空航天工业、石油工业、电器电子工业、金属冶炼及制造业、能源工业等行业,在玻璃制造、陶瓷、合成橡胶、炼铝、药品业中的用量占其总消耗量的70%以上。近年来,锂在高能电池、超轻高强度的锂铝合金和核聚变发电领域也有了广泛的应用[2]。随着锂及锂盐的广泛应用和高新技术的发展,国际市场上对锂的需求量持续增长,平均每年以7%～11%的速度增加[3]。目前世界碳酸锂的年需求量在10万t左右,而产量仅为8.44万t,还存在较大的缺口[4],尤其是伴随未来新能源汽车、交通工具的蓬勃发展,新型可再充锂电电池市场需求量激增[5-6]。

在锂资源开发方面,传统的硬盐锂提取技术在我国实施成本达1.8万～2.2万元/t,约为国外盐湖型提锂技术实施成本的2倍[7]。近年来由于盐湖型提锂技术的发展和较低的提锂成本,世界范围内对于锂的生产和供应也出现了新的格局[8-9],澳大利亚、俄罗斯、加拿大、津巴布韦等硬盐型锂资源大国纷纷退出国际锂盐供应市场,智利、阿根廷和中国由于拥有丰富的盐湖锂资源而成为了锂资源供应大国[10]。我国盐湖型锂资源储量巨大,已探明的锂资源工业储量仅次于玻利维亚,总储量达582万t,约占世界盐湖型锂资源总储量的43%[11]。我国对盐湖型提锂技术的研究已有长期的积累,现已具备开发的条件,因此查明我国盐湖型锂资源的分布规律及其品质十分重要。

本文在郑绵平等[12]研究基础上,于2012年进行了野外实地采样及室内分析,补充了部分盐湖的水化学数据,通过绘制西藏地区盐湖锂离子质量浓度分布等值线图,结合镁锂离子质量浓度比值(简称镁锂比值)分布图,从科学开发盐湖锂资源的角度出发,分析并讨论了西藏地区盐湖锂资源地球化学分布规律。

1 西藏地区盐湖概况及分布

西藏高原盐湖众多,其成因有多种,多数是在印度板块和欧亚板块碰撞后,在碰撞第三幕(早更新世初、中期)或第四幕(早更新世中晚期以后),陆壳受挤压背景下形成断裂或断陷盆地后形成的[12]。西藏地区是我国盐湖分布最密集的地区之一,据统计[12],西藏地区2 000个湖泊中,盐湖数量接近500个,盐湖面积约8225.18 km2,占西藏地区湖泊总面积的30.46%。在近500个盐湖中,面积大于1km2的盐湖有234个,占西藏地区盐湖总数的46.8%;面积为8150.18 km2,占西藏地区盐湖总面积的99%。由此可见,西藏地区小盐湖居多,是小盐湖重点分布区。从区域分布来看,藏北(羌塘)高原有盐湖218个,占西藏地区大于1 km2的盐湖总数的93.16%,为西藏地区盐湖的集中分布区;其次为藏南地区,有盐湖14个,占盐湖总数的5.98%;藏东地区盐湖分布最少,仅有2个[13]。

在欧亚板块与印度板块碰撞以及各地块、微地块拼合作用过程中,西藏地区发育了两大构造带,分别是位于西藏地区中部的班公湖-怒江缝合带和位于藏南地区的雅鲁藏布江缝合带。班公湖-怒江缝合带自西向东沿班公湖、改则、东巧、丁青和类乌齐一线分布,长约1500 km,是分隔北部羌塘地块(欧亚大陆)和南部拉萨地块(印度大陆)的特提斯洋盆在晚侏罗世闭合后两陆块拼接的产物[14]。雅鲁藏布江缝合带西起印度河谷,向东经阿依拉山、门士,过马攸木山口后大体沿雅鲁藏布江河谷分布,绕过雅鲁藏布江大拐弯后向南急拐,与印缅边境的那加山带相连,在我国境内长达2000多千米,闭合于印支运动的龙木错-金沙江缝合带,往东延伸到四川西部、云南西部后呈雁行状排列[15]。为方便讨论富锂盐湖的空间分区性规律,本文以这2条主要构造带为界线将西藏地区划分为3个构造区域:两条缝合带之间盐湖最集中区域划分为Ⅰ区,班公湖-怒江缝合带以北为Ⅱ区,雅鲁藏布江缝合带以南为Ⅲ区(图1)。

图1 西藏地区盐湖卤水锂离子质量浓度等值线(单位:mg/L)Fig.1 Isolines of mass concentrations of Li+in saline lake brines in Tibet(units:mg/L)

2 不同区域盐湖锂资源分布规律

2.1 Ⅰ区

从图1可以看出,盐湖卤水锂含量有着明显的分区性特征。位于藏中的Ⅰ区盐湖卤水锂离子质量浓度最高,变化范围为50～1500mg/L,锂离子质量浓度大于200mg/L的盐湖大多集中于此。比较典型的盐湖有扎仓茶卡、扎布耶湖、仓木错等,而这些湖泊又明显集中在Ⅰ区的西部和中部,西藏地区主要盐湖湖表卤水锂离子质量浓度见表1。Ⅰ区东部的盐湖锂离子质量浓度相对较低,为0～50 mg/L,这是由于Ⅰ区东部盐湖数量较少,且冰雪融水补给较充足以及外流多发育为淡水湖泊,而西部和中部盐湖分布较密集,且大多比较封闭,盐度与东部相比显著较高。整个西藏自治区锂离子质量浓度达500 mg/L以上的盐湖主要集中在Ⅰ区的改则县、噶尔县、措勤县3县的中间一带,即主要分布在碳酸盐型盐湖-硫酸盐型盐湖过渡区内,其中,以扎布耶盐湖为中心浓度最高[16]。从等值线的展布情况上来看,从班公湖 怒江缝合带往南等值线特征值依次降低,越靠近构造带特征值越高。从盐湖锂离子质量浓度的分布趋势来看,班公湖-怒江缝合带和雅鲁藏布江缝合带这南北2条构造带将西藏地区的高锂盐湖限制在了中间。整个Ⅰ区盐湖锂离子质量浓度的变化规律是由西向东、由北向南逐渐降低。造成这种分布情况的原因可能是由于Ⅰ区西部的湖泊处于2大构造带之间并且紧邻两条构造带,新构造运动强烈,且越靠近构造带水热活动越强,深部富含锂的流体被地热水等携带至地壳上部经河流排泄最终补给湖泊,或直接流向地表盐湖。如西藏那曲地区的谷露温泉喷出沸水的锂离子质量浓度为10.4 mg/L,羊八井沸泉水为8.5 mg/L,而天然水锂离子质量浓度变化范围仅为0.00007～0.4mg/L[17],世界河流的平均锂离子质量浓度为0.002～0.023mg/L[18]。空间上,由西向东、由北向南,湖泊数量减少,湖水盐度降低。

表1 西藏地区主要盐湖湖表镁离子、锂离子质量浓度Table1 Mass concentrations of Mg2+and Li+in surface water of main saline lakes in Tibet

2.2 Ⅱ区

位于班公湖 怒江缝合带以北的Ⅱ区,盐湖卤水锂离子质量浓度与Ⅰ区相比低很多,范围为50～200 mg/L。与Ⅰ区相同的是,Ⅱ区锂离子质量浓度较高的地区也在该区的偏西部地区,变化范围为50～200 mg/L,典型的湖泊有龙木错、结则茶卡等,由西向东锂离子质量浓度降低。Ⅱ区东部盐湖锂离子质量浓度范围为50～100 mg/L,如毕落错、昂达尔错等。同样从Ⅱ区内的等值线展布趋势可以看出,由班公湖-怒江缝合带向北,盐湖锂离子质量浓度随着与构造带的距离增大而减小。形成这种分布特征的原因与Ⅰ区相同。

2.3 Ⅲ区

盐湖锂离子质量浓度最低的是Ⅲ区,为0～50 mg/L。西藏西南部地区接近板块碰撞边缘,挤压强烈,地形破碎不利于形成大的储水构造。虽然该地区气候湿润、降雨量大,但却无法保留住降水,这对湖水的盐分有稀释效果,同时这些小湖泊多与河流连通,因此西藏西南部地区无法形成大的高锂盐湖,淡水湖泊居多,例如羊卓雍错、普莫雍错等。Ⅲ区虽然湖泊卤水锂离子质量浓度最低,但仍然有锂离子质量浓度大于工业开发边界品位24.5 mg/L(按LiCl计为150 mg/L)的湖泊[19],因此Ⅲ区湖泊锂资源同样不可忽视。

总体上,西藏地区盐湖中锂离子质量浓度最高的为Ⅰ区,Ⅱ区次之,Ⅲ区最低。因此,在今后勘查寻找后续资源及开发盐湖卤水锂资源时主要以Ⅰ区的盐湖开发为主,但也要兼顾对Ⅱ区和Ⅲ区这种低锂型盐湖锂的补给来源与资源开发工艺技术的研究,以增加资源储量并实现低品位锂的高效开发利用。

3 盐湖卤水镁锂比值分布规律

由于锂的离子半径同镁非常接近,化学性质相似并且经常在盐湖卤水中共生,且浓缩到卤水阶段后镁的氯化物溶解度很大,只有到最后阶段才会析出,使得卤水往往具有很高浓度的Mg2+,因此盐湖卤水提锂过程中的镁锂分离一直是工艺技术难点和降低成本的关键[19]。盐湖卤水中镁锂比值的高低决定了利用卤水资源生产锂盐的可行性以及锂盐产品的生产成本和经济效益,因此镁锂比值成为评价盐湖锂资源品质的重要指标。余疆江等[19]曾计算了全球13个富锂盐湖的镁锂比值,并且建议将ρ(Mg2+)/ρ(Li+)≤8的卤水称为低镁锂比卤水;ρ(Mg2+)/ρ(Li+)＞8的卤水称为高镁锂比卤水[20]。本文根据西藏地区盐湖的特殊情况(镁锂比值分布范围较大)将盐湖卤水进行了更细致的划分,将0＜ρ(Mg2+)/ρ(Li+)≤1(ρ(Li+)≥50 mg/L)的卤水称为高品质低镁锂比卤水;1＜ρ(Mg2+)/ρ(Li+)≤10的卤水称为低镁锂比卤水;10＜ρ(Mg2+)/ρ(Li+)≤50的卤水称为中镁锂比卤水;50＜ρ(Mg2+)/ρ(Li+)≤100的卤水称为高镁锂比卤水;ρ(Mg2+)/ρ(Li+)＞100的卤水称为超高镁锂比卤水。郑绵平等[20-21]参考库尔纳可夫-瓦良什科对盐湖水的分类,从我国盐湖实际出发,将我国盐湖划分为碳酸盐型、硫酸盐型(硫酸钠亚型、硫酸镁亚型)及氯化物型3种类型,但划分指标等有了较大的变化。本文根据该分类方法,将西藏地区盐湖由南向北依次划分为1个碳酸盐型盐湖带和2个硫酸盐型盐湖亚带(硫酸钠亚型和硫酸镁亚型,见图2)。

图2 西藏地区盐湖镁锂离子质量浓度比值分布示意图Fig.2 Distribution of mass concentration ratio of Mg2+to Li+in saline lakes in Tibet

3.1 高品质低镁锂比卤水分布规律

从图2明显可以看出高品质低镁锂比卤水多集中在碳酸盐型盐湖带,约占高品质低镁锂比卤水盐湖总数的60%,如目前正处于开发中的扎布耶盐湖是典型的碳酸盐型盐湖,湖水ρ(Mg2+)/ρ(Li+)＜0.1,能直接从卤水中沉淀出碳酸锂(扎布耶石),这是世界上首次在自然界中发现该矿物[20-21]。与扎布耶盐湖类似的还有茶拉卡错(镁锂比为0.26)、当穷错(镁锂比为0.06)、班戈错(镁锂比为0.43～0.64)。高品质低镁锂比卤水分布次多的区域是硫酸钠亚型盐湖带,该地区分布了约30%的高品质低镁锂比卤水盐湖,例如朋彦错镁锂比为0.06、才玛尔错为0.03等。硫酸镁亚型盐湖带内只有一个高品质低镁锂比卤水盐湖确旦错,镁锂比为0.08。这些含有高品质低镁锂比卤水的盐湖都分布在靠近分界线的区域,即处于碳酸盐型盐湖-硫酸盐型盐湖过渡区内。

高品质低镁锂比卤水盐湖平均锂离子质量浓度达876.6mg/L。虽然有些盐湖面积不大、水量少,但高品质低镁锂比卤水镁锂比值较小且锂离子质量浓度高,从中提取锂较为容易,分离镁的成本较低,这在整个西藏地区盐湖卤水高镁锂比值的背景下实属难得(国外的盐湖镁锂比值较我国盐湖卤水低数十乃至数百倍,提锂工艺相对比较简单)[22],所以应加强重视与保护。

3.2

中-低镁锂比卤水分布规律

从低镁锂比卤水的分布情况来看,其在硫酸钠亚型盐湖带分布最多,约占低镁锂比卤水盐湖总数的56%,如冈塘错镁锂比为1.48、肖茶卡7.98、结则茶卡1.39等。与硫酸钠亚型盐湖带相比,碳酸盐型盐湖带分布的低镁锂比卤水盐湖较少,约占低镁锂比卤水盐湖总数的43%,如昂达尔错镁锂比为3.36,色林错为4.31等。硫酸镁亚型盐湖带则几乎没有发现低镁锂比卤水盐湖,因此低镁锂比卤水盐湖主要分布在碳酸盐型盐湖带和硫酸钠亚型盐湖带上,并与高品质低镁锂比卤水盐湖一样分布在这2个盐湖带的过渡地区。

中镁锂比卤水盐湖也主要分布在硫酸钠亚型盐湖带,占中镁锂比卤水盐湖总数的65%,如洞错镁锂比为15.39、达瓦错为32.15、别若则错为33.02等;碳酸盐型盐湖带分布的中镁锂比卤水盐湖则较少,约为中镁锂比卤水盐湖总数的29%,如塔若错镁锂比为14.59、台错为16.26、小崩则错为37.91;硫酸钠亚型盐湖带内的中镁锂比卤水盐湖最少,仅有1个(永波错镁锂比为29.84,见图2)。与高品质低镁锂比卤水盐湖和低镁锂比卤水盐湖相比,中镁锂比卤水盐湖的位置更接近碳酸盐型盐湖带和硫酸盐型盐湖带的分界线,也就是中镁锂比卤水盐湖在碳酸盐型盐湖-硫酸盐型盐湖过渡区内分布得更密集。中-低镁锂比卤水盐湖占西藏地区盐湖的大多数,平均锂离子质量浓度分别达198.5 mg/L和198.8 mg/L,镁锂比值处于1～50范围内,且具有数量大和分布相对集中的特点。

虽然这些湖泊多数还未开始开发,但随着全球对锂资源需求量的增加和低镁锂比的卤水资源的快速消耗,中-低镁锂比卤水可作为我国盐湖锂工业极具潜力的锂资源开发对象。

3.3 高-超高镁锂比卤水分布规律

具有高镁锂比卤水的盐湖数量较少,绝大多数分布在硫酸钠亚型盐湖带,如查那错镁锂比为67.08、龙木措为84.59、扎西茶卡为72.26等。碳酸盐型盐湖带中仅有1个高镁锂比卤水盐湖(吴如错,镁锂比为76.43,见图2),硫酸镁亚型盐湖带则没有分布高镁锂比卤水的盐湖。

超高镁锂比卤水盐湖几乎全部分布在硫酸盐型盐湖带,即主要分布在藏北地区(图2)。虽然硫酸镁亚型盐湖带面积最小,却密集分布了最多的含超高镁锂比卤水的盐湖,且集中分布在该地区东部很小的区域内,如玉盘错镁锂比为115.91、长颈错为107.08、太苦错为465.33等。与硫酸镁亚型盐湖带相比,硫酸钠亚型盐湖带的超高镁锂比卤水盐湖较少且更分散,如扎木茶卡镁锂比为613.95、毕落错为199.14等。碳酸盐型盐湖带在图中仅分布了2个超高镁锂比卤水盐湖,为错鄂湖,镁锂比为350.72,玛尼错为572.86。

高镁锂比卤水盐湖锂离子平均质量浓度为136.7 mg/L,而超高镁锂比卤水盐湖平均锂离子质量浓度仅为13.5mg/L,但也有部分湖泊锂离子质量浓度高于工业开发边界品位。具有较高镁锂比值的盐湖卤水镁锂分离较为困难,目前我国柴达木盆地一些高镁锂比盐湖已攻克这一技术难题,逐步实现了开发利用。因此,在充分开发低镁锂比盐湖卤水锂资源的基础上,应继续加强西藏地区高镁锂比盐湖卤水提锂关键技术研究,以保障锂资源的可持续开发利用。

从整体上来说,从盐湖卤水类型划分的角度来看,西藏地区不同水化学分区中盐湖卤水的镁锂比值呈现明显的差异:碳酸盐型盐湖带的盐湖卤水镁锂比值最低,硫酸钠亚型盐湖带次之,硫酸镁亚型盐湖带最高。

4 结 论

a.西藏地区盐湖锂资源的分布呈现分带性,而这种分带性与构造分区关系密切。班公湖-怒江缝合带与雅鲁藏布江缝合带之间的Ⅰ区盐湖锂离子质量浓度最高,其次是班公湖 怒江缝合带以北的Ⅱ区盐湖,Ⅰ区、Ⅱ区内距离班公湖-怒江缝合带及雅鲁藏布江缝合带越近的盐湖因受到来自深部地热流体的补给,锂离子质量浓度显著增高,并在一些盐湖富集成矿。雅鲁藏布江缝合带以南盐湖数量稀少,湖泊锂离子质量浓度也相对较低。

b.根据水化学类型对西藏地区盐湖进行分区,不同区域盐湖卤水中的镁锂比值存在明显差异,碳酸盐型盐湖带盐湖卤水镁锂比值最低,硫酸钠亚型盐湖带次之,硫酸镁亚型盐湖带最高。

c.高品质低镁锂比卤水盐湖和低镁锂比卤水盐湖集中分布在碳酸盐型盐湖 硫酸盐型盐湖过渡区内,中镁锂比卤水盐湖也分布在碳酸盐型盐湖-硫酸盐型盐湖过渡区内且与水化学类型分区关系更紧密。高镁锂比卤水盐湖在硫酸盐型盐湖带分布较多,超高镁锂比卤水盐湖在硫酸镁亚型盐湖带分布最集中。

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Geochemical distribution of lithium in saline lakes in Tibet

DONG Tao,TAN Hongbing,ZHANG Wenjie,ZHANG Yanfei
(College of Earth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Based on statistical data of the mass concentrations of Mg2+and Li+and the concentration ratio of Mg2+to Li+in saline lakes in the Tibet Plateau,the isolines of the mass concentrations of Li+and the ratio of Mg2+to Li+in saline lake brines in Tibet were drawn.The spatial distribution pattern of the content and the quality of the lithium resources in saline lakes in Tibet and the relationships between the enrichment of lithium resources and the geological environment were analyzed.The distribution of lithium resources shows a zonation character.The concentration of Li+in saline lakes is mainly influenced by the tectonic belt.The zone of carbonate saline lakes shows the lowest ratio of Mg2+to Li+,with the high-quality and general saline lake brines with low ratios of Mg2+to Li+mainly distributed along the transition zone between the carbonate saline lakes and the sulfate saline lakes.

Tibet;saline lake;lithium resources;geochemistry;mass concentration ratio of Mg2+to Li+

F279.2

:A

:1000-1980(2015)03-0230-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2015.03.007

2014-09 03

国家自然科学基金(41173049,41271041)

董涛(1990—),男,江苏南京人,硕士研究生,主要从事水文地球化学、盐湖研究。E-mail:dongtao137@sina.com

谭红兵,教授。E-mail:tan72815@yahoo.com.cn