湘西发现镓超常富集铅锌矿床*

吴 涛，黄智龙**，叶 霖，周家喜，韦 晨,2，胡宇思，向震中,2

（1中国科学院地球化学研究所，贵州贵阳 550081；2中国科学院大学，北京 100049；3云南大学地球科学学院，云南昆明 650500)

战略性关键金属是指对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代作用的金属，主要包括稀有、稀散、稀土和稀贵金属（蒋少涌等，2019；翟明国等，2019；胡瑞忠等，2020）。镓（Ga）是一种稀散金属（涂光炽等，2003），被广泛应用于半导体和太阳能电池等高科技领域和新兴产业，享有“电子工业脊梁”的美誉。镓的地壳丰度值为15×10-6（Wedepohl，1995），很难形成独立矿床，主要伴生赋存于硫化物矿床的闪锌矿和铝土矿的一水铝石中（涂光炽等，2003；周家喜等，2009；George et al.,2016；温汉捷等，2020）。在铅锌矿床中，镓等稀散金属富集达到可工业回收利用的程度需要非常苛刻的地质条件（温汉捷等，2019；翟明国等，2019）。因此，在全球范围内，铅锌矿中镓超常富集现象的报道鲜见，镓被认识、重视和开发利用程度也远远低于其他矿产资源（USGS，2015；王登红,2019；侯增谦等，2020；温汉捷等，2020；吴涛，2021）。

湘西铅锌矿集区是位于扬子地块东南缘的鄂西-湘西-黔东铅锌成矿带的重要组成部分之一，由北至南可分为洛塔、保靖、花垣、凤凰4个铅锌矿田（图1a、b），⑨—八面山向斜；⑩—涂乍-禾库向斜；⑪—万岩溪背斜⑫—摩天岭背斜；F1—二坪断层；F2—洗洛断层；F3—砂坪-热水洞断层；F4—万民岗断层；F5—大车-儒家寨断层；F6—花垣-张家界断层；F7—麻栗场断层；F8—古丈-吉首断层其中，花垣铅锌矿田内已探明多个大型-超大型矿床，如李梅、杨家寨、大脑坡等（杨绍祥等，2007；隗含涛，2017；吴涛，2021）。唐家寨铅锌矿床位于洛塔矿田中部，由唐家寨、头车湖和打溪3个矿段组成，矿体赋存于奥陶系碳酸盐岩中，矿石矿物90%以上为闪锌矿，平均品位5.2%，铅锌资源储量约55万t，达大型规模。电子探针（EPMA）分析发现，唐家寨铅锌矿床闪锌矿中w（Ga）很高，58个测点平均w（Ga）为1320×10-6，约是其地壳丰度的100倍，超过铅锌矿床中镓工业回收利用最低标准（100×10-6；徐靖中，2007）10倍以上。为验证这一发现的可靠性，笔者进行了闪锌矿原位激光剥蚀等离子质谱（LA-ICPMS）分析结果显示，273个测点平均w（Ga）为928×10-6，进一步证实唐家寨铅锌矿床闪锌矿中镓的显著超常富集，最高相对地壳丰度超过400余倍富集（图2）。

图1 鄂西-湘西-黔东铅锌成矿带大地构造位置图（a，据李堃，2018修改）和湘西铅锌成矿区地质简图（b，据杨绍祥等，2007修改）①—二坪背斜；②—洛塔向斜；③—红岩溪背斜；④—马蹄寨向斜；⑤—盐井背斜；⑥—龙溪寨向斜；⑦—二户溪背斜；⑧—桑植-官地坪向斜；Fig.1 Geotectonic location of the western Hubei-western Hunan-eastern Guizhou lead-zinc metallogenic belt(a,modified after Li,2018)and geological map of western Hunan lead-zinc ore concentration district(b,modified after Yang et al.,2007)①—Erping anticline;②—Luotasyncline;③—Hongyanxianticling;④—Matizhaisyncline;⑤—Yanjing anticline;⑥—Longxizhaisyncline;⑦—Erhuxianticline;⑧—Sangzhi-Guandiping syncline;⑨—Bamianshan syncline;⑩—Tuzha-Heku syncline;⑪—Wanyanxianticline;⑫—Motianling anticline;F1—Erping fault;F2-—Xiluo fault;F3—Shaping-Reshuidong fault;F4—Wanmingang fault;F5—Dache-Rujiadong fault;F6—Huayuan-Zhangjiajiefault;F7—Malichang fault;F8—Guzhang-Jishou fault

已报道的欧洲东南部Rosia Montana矿床闪锌矿中平均w（Ga）为334×10-6（Cook et al.,2009），法国Noailhac-Saint-Salvy矿床闪锌矿中平均w（Ga）为264×10-6（Belissont et al.,2014），中国凡口矿床中闪锌矿的w（Ga）为75～550×10-6（邓卫等,2002），均明显比笔者发现的唐家寨铅锌矿床闪锌矿中平均w（Ga）低（图2）。此外，除凡口铅锌矿床外，中国其他铅锌矿床闪锌矿中镓超常富集鲜有报道，如会泽铅锌矿床闪锌矿中平均w（Ga）仅为3.9×10-6（Ye et al.,2011），花垣铅锌矿田闪锌矿中的平均w（Ga）仅为6.9×10-6（胡宇思,2020），大宝山铅锌矿床闪锌矿中平均w（Ga）仅为29.2×10-6（Ye et al.,2011），芦子园铅锌矿床闪锌矿中平均w（Ga）更低，仅为0.3×10-6（Ye et al.,2011）。

图2 唐家寨铅锌矿床与全球典型铅锌矿床闪锌矿中w(Ga)对比图Fig.2 Comparison of Ga contents in sphalerite between the Tangjiazhai and global typical Pb-Zn deposits

此外，通过测试研究和数据分析发现，唐家寨铅锌矿床中闪锌矿的Ga和Cu具有显著的正相关性（R2=0.68；图3d），并且在LA-ICPMS Mapping图解（图3b～c）中，Ga和Cu也呈现出高度匹配的协变关系，另外，在扫描电镜下也未发现微米级Ga独立矿物的存在，因此，唐家寨矿床中Ga很可能与Cu一起耦合替代Zn进入到闪锌矿晶格之中（2Zn2+↔Ga3++Cu+）。

图3 唐家寨铅锌矿床闪锌矿Cu-Ga LA-ICPMSMapping（a～c）和含量相关性图解（d）Fig.3 LA-ICPMSMapping(a～c)and relationship diagram of Ga-Cu content(d)of the sphalerite in the Tangjiazhai Pb-Zn deposit

根据唐家寨铅锌矿床规模和品位，笔者初步估算其中蕴含镓金属资源储量超过500 t，达中型共伴生镓矿床规模。此外，洛塔矿田铅锌金属远景资源量超过200万t，镓金属资源储量远景有望达到大型规模，潜在经济价值巨大。因此，面对镓等稀散金属激烈的国际竞争形势和高科技领域、新兴产业的迫切需求，笔者建议运用新的研究视角和研究方法开展整个洛塔矿田内镓超常富集机制和资源综合利用研究，这对丰富和完善中国华南大面积低温系统稀散金属超常富集成矿理论具有重要意义，同时，也可为铅锌矿床中稀散金属资源高效清洁利用提供理论支撑。