湘东北地区伟晶岩型锂矿成矿模型及找矿潜力分析

黄建中, 陈剑锋 , 文春华 *, 周厚祥, 李胜苗, 张立平, 黄志飚,成永生, 曹创华 , 刘 钧, 陈 虎

1)湖南省地质院, 湖南长沙 410014; 2)湖南省地质调查院, 湖南长沙 410116;3)中南大学, 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室, 湖南长沙 410083;4)湖南省自然资源事务中心, 湖南长沙 410004; 5)湖南省核工业地质局三一一大队, 湖南长沙 410100

Li、Nb、Ta等稀有金属具有在新能源、航空航天、国防科技等领域发展方面的不可替代性, 使其成为高科技产业发展必不可少的战略性矿产资源(毛景文等, 2019)。花岗伟晶岩作为一种赋存稀有金属的重要岩石类型而受到地质学者的持续关注(London 2014, 2018; 张辉等, 2019), 尤其是因富含“21世纪的能源金属”的含锂伟晶岩成为了近年研究的热门(王登红等, 2016)。而伟晶岩成岩成矿模型的建立不仅可科学揭示稀有金属矿床的成因, 还将为稀有金属矿床的资源量预测及前景分析提供重要依据。

自20世纪50年代开始, 对幕阜山地区所开展的稀有金属矿产调查工作以来, 在岩体内部及周缘多处的 Li、Be、Nb、Ta矿床(点)的发现, 显示出幕阜山岩体有着十分优越的稀有金属成矿条件及找矿前景, 特别是近年在其北部断峰山大型Nb-Ta矿床和南部仁里超大型 Ta-Nb矿床的发现, 均属华南在稀有金属矿床找矿工作方面的重大突破, 也使得关于该区花岗伟晶岩的演化及成岩成矿作用的研究工作得到持续开展, 并发表了系列成果(李乐广等,2019; 周芳春等, 2020; Xiong et al., 2020; Li et al.,2020, 2021; 魏均启等, 2021; 祝明明等, 2021)。尽管在该区的湖南省境内也有关于锂矿资源的报导,如早在 1971年湖北省第五地质队就发现了位于仁里南部的传梓源伟晶岩型铌-钽-锂矿床, 因受制于矿床的规模及当时矿种的经济价值, 对作为伴生矿种的锂资源仅进行了简单评价, 近年在该区黄柏山、窄板洞富锂伟晶岩的发现, 也显示出该区具有十分优越的锂矿成矿条件。

本文在对前人有关断峰山矿床与仁里矿床研究工作的系统总结基础上, 结合笔者近年在湖南省重点研发专项“湖南省锂铌钽等稀有金属资源高效勘查与开发”项目开展中所掌握的第一手野外地质资料, 通过对比幕阜山岩体南北成矿条件的异同,剖析花岗岩与伟晶岩的成因联系, 探讨两者在矿床规模和矿化类型上差异性的原因, 建立起幕阜山地区伟晶岩稀有金属矿的成矿模型, 并尝试对湘东北地区的锂矿产资源的找矿潜力作出分析与评价。

1 区域地质特征

幕阜山复式花岗岩基位于华夏与扬子板块之间的江南造山带的中段(图1a), 除岩体北东部局部出露寒武系、奥陶系、志留系外, 区域围绕幕阜山岩体大面积分布、或呈孤立的残丘覆盖在花岗岩基上的为新元古界青白口系冷家溪群(图1b), 其岩性为一套浅变质灰-灰绿色绢云母泥板岩、条带状板岩、粉砂质板岩、岩屑杂砂岩和片岩, 总厚6 700 ～10 127 m (高林志等, 2011; 杨雪等, 2020)。其中片岩主要呈环带状分布于地层与幕阜山岩基周围的接触部位, 并且在岩基周围分布不均, 表现为岩基南北部周缘的断峰山及仁里地区片岩带较宽, 如在南部的仁里—传梓源地区片岩带宽在10 km以上, 而岩基其它部位的片岩带, 如在岩体西部及东南部区域其带宽一般不超过1 km。岩性主要为石英云母片岩, 其中云母(包含白云母与黑云母)呈片状定向排列, 石英一般呈透镜状与眼球状夹于片状矿物间。整体上, 片岩的产状在走向上平行于岩层与岩体的接触界线, 显示出了片岩岩层的产状受制于幕阜山岩基以巨大穹隆形式上侵就位时的形态。

图1 幕阜山稀有金属矿集区地质矿产简图(据文春华等, 2019; 陈剑锋等, 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)

区内岩浆活动强烈, 幕阜山岩体为燕山期花岗岩(李乐广等, 2019)呈北西向展布的大型复式花岗岩基, 出露面积约 2400 km2, 其岩性包括闪长岩(154 Ma; Wang et al., 2014)、花岗岩闪长岩(151～149 Ma; Wang et al., 2014; Ji et al., 2018), 黑云母二长花岗岩(155～148 Ma; 湖南省地质调查院, 2009;Wang et al., 2014; 李鹏等, 2017; Ji et al., 2017, 2018;Xiong et al., 2020), 中粒二云母二长花岗岩(146～138 Ma, Wang et al., 2014; Ji et al., 2017; Li et al., 2020)以及细粒二云母二长花岗岩(137 Ma; 湖南省地质调查院, 2009; 以上均为锆石 U-Pb年龄),整体呈现出随年龄由老到新而岩性由中性—酸性变化的岩浆演化序列, 岩体的形成与古太平洋板块的西向俯冲有关(Wang et al., 2014; Ji et al., 2017,2018)。此外, 幕阜山岩体南部与西部的梅仙、三墩等岩株为武陵期侵入的花岗闪长岩, 锆石 U-Pb年龄为822～810 Ma(未发表数据)。

区内围绕幕阜山岩体内部及周缘发育上万条伟晶岩脉, 其中位于岩基内部的伟晶岩脉产状杂乱无章, 与花岗岩间接触界线或截然明显或呈不明显的过渡关系, 产于黑云母二长花岗岩中的伟晶岩通常不具稀有金属矿化, 少量具有Be矿化, 岩体内部具有Be、Nb-Ta矿化的伟晶岩脉基本产于二云母二长花岗岩内部或其附近(图1b)。

岩体外的伟晶岩脉, 包括区域内稀有金属矿的典型代表仁里超大型 Nb-Ta矿床以及断峰山大型Nb-Ta矿床均产于片岩内。区内云母片岩受构造作用表现出片岩沿岩层滑脱和膝折发育的特征, 为伟晶岩脉充填提供了空间。伟晶岩脉的产状基本平行于岩层片理产出, 局部岩脉呈膨大缩小部位有切层现象。一般表现为岩层产状陡的部位伟晶岩脉产状陡, 岩层产状缓的部位伟晶岩脉产状缓, 如在断峰山矿区伟晶岩脉的倾角多在 75°以上(祝明明等,2021), 而仁里矿区的伟晶岩脉的倾角多介于20°～40°之间(刘翔等, 2019)。

2 锂矿床(点)地质特征

区域内的Li赋矿岩石类型为伟晶岩, 根据伟晶岩稀有金属矿物的明显富集特征(Černý, 1991;Černý and Ercit, 2005), 该区的伟晶岩属LCT(富集Li-Cs-Ta)型伟晶岩。

2.1 黄柏山地区锂矿特征

该区紧邻仁里矿区西侧, 位于幕阜山岩体西南舌状凸起部位与梅仙岩体间的片岩带(图2a), 最先由湖南省地质局(1977)在调查工作中发现并将其定为一处铌钽锂矿点。湖南省核工业局311队在仁里矿区调查中对该处的采样分析显示, 此处有含工业品位的锂辉石矿脉(李鹏等, 2019)。湖南省地质院承担的湖南省重点研发项目“湖南省锂铌钽等稀有金属高效勘查与开发”在实施过程将此区域作为重要的找矿靶区及钻探验证示范区, 在区内开展了系统的遥感、化探、物探、地气分析、异常验证及钻探验证等工作。区内见规模不一的伟晶岩脉 20余条(图2a), 伟晶岩脉沿片岩带内顺层或微切片岩层理产出, 走向北西, 倾向南西, 倾角 20°～50°, 其中编号为γρ46、γρ47的伟晶岩脉富含锂辉石(表1)。

图2 幕阜山南缘锂矿区分布特征Fig. 2 The Li-deposit in the south margin of Mufushan batholith

表1 幕阜山南缘含锂伟晶岩矿体特征表Table 1 The features of Li-bearing pegmatites in the south margin of the Mufushan batholith

γρ47号伟晶岩脉地表出露长约 1700 m, 宽2～32 m(图2a), 走向北西, 倾向南西。脉体顺片岩层理产出(图3a), 具膨胀收缩处见切层现象。该脉体北西段的矿物组合以钠长石伟晶岩为主, 含少量铌钽铁矿、绿柱石等稀有金属矿物; 在中段和南东段矿物组合均以锂辉石和钠长石为主, 含铌钽铁矿、锂辉石等稀有金属矿物, 其中中段锂辉石呈白色板柱状, 晶体大小一般为长轴(5～10) cm×短轴(1～2) cm(图3b, c), Li2O 品位为 0.81%～1.72%; 南东段地表出露最宽达 30余 m, 脉体中铌钽铁矿呈针状、细粒状, Nb2O5品位为 0.009%～0.024%, Ta2O5品位为0.008%～0.016%(张立平等, 2021), 靠近脉体上盘见锂辉石伟晶岩, Li2O品位达 2.02%, 锂矿体平均厚度6.5 m。沿脉的走向从北西往南东, 脉体的规模逐渐变大, 其锂的含量(品位)也呈现出逐渐升高的趋势。土壤化探分析结果显示γρ47号伟晶岩脉南东侧外延部位有明显的锂元素异常(图2a), 吕维(2020)在该区东南部应用X荧光分析技术对土壤样品稀有金属元素异常特征研究认为γρ47号伟晶岩脉往东南延伸可与γρ1相联(图2d), 反映出γρ47号伟晶岩脉往南东方向呈隐伏再现特征。在对该脉南西侧施工完成的钻探工程显示, 由 ZK7201所揭露的该岩脉在33～39 m之间锂矿品位较好(图2b); 而ZKA01所揭露结果显示伟晶岩脉在80～84 m仅见少量锂辉石, 反映了该脉锂的矿化往深部变弱的特征,表明该脉具备从深部往上其成矿作用由Nb-Ta为主转为以Li为主的LCT型伟晶岩的演化特征。

图3 幕阜山地区花岗-伟晶岩照片Fig. 3 Field photographs of pegmatites and granites in Mufushan

2.2 传梓源矿区锂矿特征

该区紧邻仁里矿区南部, 区内伟晶岩脉十分发育(图2a), 按脉体走向可为北西向脉体和南北向脉体(湖北省第五地质队, 1971)。其中北西向脉体 16条(106、116、202、204、206、208等), 产状较陡, 斜交层理产于云母片岩中; 南北向脉9条(105、110、112、108、103、104、111等), 均产于花岗岩株内的张裂隙中。南北向组的γρ104号矿脉和北西向组的γρ106、γρ202、γρ206、γρ208 等矿脉为区内的重要富锂伟晶岩脉(表1), 锂辉石在地表或近地表蚀变成腐锂辉石, Li2O含量较低, 深部为锂辉石(图3d), Li2O含量较高。规模较大的锂辉石伟晶岩主要为γρ206号脉, 脉体地表出露长约 2.3 km, 走向北西, 倾向南西, 倾角约 47°～81°, 脉宽 14～25 m, 厚度延深大于150 m(图2c); 锂矿体中Li2O含量0.49%～1.44%, 平均厚度为9.92 m。含锂伟晶岩脉矿化深度可达 100～150 m, 岩脉中的锂辉石在地表经风化淋滤呈腐锂辉石, 在地表以下20 m处风化较弱。

2.3 窄板洞地区锂矿特征

该区位于传梓源矿区南西部, 距离幕阜山岩体西南约8 km的云母片岩带中, 地层走向北西, 倾向南西, 区内目前发现大小伟晶岩脉15条, 其中规模较大的为γρ150、γρ151、γρ153。

锂矿化较好的为γρ150与γρ151号伟晶岩脉,两者产状一致, 岩脉顺片岩层理产出, 其中γρ151岩脉北西走向, 倾向 175°～190°, 倾角 30°～40°, 长1300 m, 矿脉厚0.48～2.12 m(石威科等, 2020), Li2O品位为 0.017%～1.39%、Nb2O5为 0.008%～0.021%、Ta2O5为 0.006%～0.020%。伟晶岩呈似层状产出, 主要矿物组成为钠长石、锂辉石、白云母、石英及锂辉石。锂辉石伟晶岩脉在地表风化强烈, 局部呈白色细砂状, 可见灰白色短柱状、条带状(腐)锂辉石(图3e)。

3 花岗岩与伟晶岩的关系

位于幕阜山北缘的断峰山矿区以及南缘的仁里矿区在矿区地质特征上具有相似性, 其出露的地层均为青白口系冷家溪群, 矿区大面积出露的花岗岩在岩性上也一致, 即为黑云母二长花岗岩与二云母二长花岗岩(图1b), 前人的锆石U-Pb定年结果显示, 两个矿区的花岗岩侵入时间在误差范围内相同(154～138 Ma)。尽管以往在断峰山矿区关于岩体内部的伟晶岩未有研究和报导, 事实上, 笔者的野外调查工作显示, 其黑云母二长花岗岩内部的伟晶岩与仁里矿区的伟晶岩特征相似, 基本为微斜长石(二云母)伟晶岩(陈剑锋等, 2022), 通常不具矿化或见有 Be矿化, 仅个别含钠长石的伟晶岩脉中见有针状铌钽矿。

在伟晶岩与花岗岩之间的关系方面, 长期以来,伟晶岩常被认为是花岗质岩浆(母岩)分异演化晚期岩浆固结的产物(Černý and Ercit, 2005; Černý et al.,2012; Roda-Robles et al., 2018; Fei et al., 2020), 仁里与断峰山地区几种类型的伟晶岩均位于幕阜山岩体内部或接触带附近, 其成岩成矿年龄几近一致(140～130 Ma, 表2), 稍晚于矿区各类型花岗岩形成年龄(154～138 Ma, 表2), 全岩Nd同位素和锆石Hf同位素一致(表2)也指示花岗岩与伟晶岩有着相同的源区, 因此, 伟晶岩与花岗岩在时间、空间以及物源上均暗示两者密切的成因联系。

这一天，我百无聊赖地躺在沙发上涂着指甲油，突然接到父亲的电话：“林林，你住在哪里？我在车站，你快来接我！”

表2 断峰山与仁里矿区花岗伟晶岩年龄及同位素值统计表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矿区为例, 仁里矿区的伟晶岩类型有微斜长石伟晶岩、二长(微斜长石-钠长石)伟晶岩和钠长石(-锂辉石)伟晶岩, 矿区出露的花岗岩类型除黑云母二长花岗岩和二云母二长花岗岩外, 另存在有少量白云母二长花岗岩呈小岩株或岩脉侵入于黑云母二长花岗岩中(Xiong et al.,2020)。前人对仁里矿区有关花岗岩与伟晶岩的成因关系已展开过颇多讨论, 如李昌元(2016)指出仁里矿区伟晶岩的母岩为在空间关系上与之最为密切的黑云母二长花岗岩, 陈剑锋等(2022)对矿区 7号伟晶岩脉的进行了年代学及同位素等的研究, 指出岩体内不含矿的微斜长石(二云母)型伟晶岩脉的母岩为黑云母二长花岗岩; 李鹏等(2019)和 Li et al.(2020)通过分析仁里矿区的稀有金属伟晶岩与矿区广泛出露的二云母二长花岗岩或黑云母二长花岗岩在地球化学特征上存在有断崖式突变, 曾认为这两类花岗岩并非伟晶岩的母岩, 而在他通过系统研究矿区各类型花岗岩与伟晶岩中白云母的地球化学特征后, 修正了之前的观点而改认为二云母二长花岗岩为伟晶岩的母岩(Li et al., 2021); Xiong et al.(2020)和穆尚涛等(2021)矿物与岩体的地球化学组成等角度成因关系进行了研究, 指出矿区高分异的白云母花岗岩更可能是稀有金属伟晶岩的母岩。

经典的 LCT 型伟晶岩的模型(Černý, 1991;Shearer et al., 1992)指出, 花岗岩岩浆房从深部至浅部运移过程中, 在经历了由黑云母二长花岗岩到二云母二长花岗岩至白云母二长花岗岩的分异演化后,在顶部由白云母二长花岗岩分异出一系列不同矿化组合的伟晶岩, 因此, 相对前两者, 分异程度更高的白云母二长花岗岩通常更多地被认为是伟晶岩的母岩。而笔者认为在幕阜山地区并非如此, 其原因有: (1)幕阜山岩体内及边缘分布有大量的伟晶岩脉,而白云母二长花岗岩在该区出露面积甚少, 只偶见其呈小岩株或岩脉形式产于黑云母二长花岗岩中,小规模产出的岩体不太可能为巨量的伟晶岩脉提供物源; (2)黑云母二长花岗岩中产出大量的微斜长石(二云母)型伟晶岩, 大部分肉眼未能分辨出钠长石产出, 而二云母二长花岗岩与白云母二长花岗岩中的Na2O平均含量均达5%以上(刘翔等, 2019; Xiong et al., 2020), 特别是白云母二长花岗岩中缺乏该类型伟晶岩中作为主矿物之一存在的黑云母; (3)Li et al.(2021)所列区内各花岗岩序列以及各类型伟晶岩中白云母的地球化学特征可以看出, 微斜长石型伟晶岩较矿区内二云母二长花岗岩中白云母的 K/Rb值高而Rb、Cs等含量低, 表明微斜长石型伟晶岩分异程度不及二云母二长花岗岩, 而分异程度更高白云母花岗岩不可能是微斜长石型伟晶岩(分异程度低)的母岩; (4)依据经典模型, 分异程度最高的白云母花岗岩应位于花岗岩基的顶部, 幕阜山地区的平均剥蚀深度为4.8 km(石红才等, 2013), 已揭露至早期另两种类型黑/二云母二长花岗岩的部位, 因此深部存在白云母二长花岗岩的可能性可以排除;(5)从图1b可看出, 幕阜山岩体内的含 Be、Nb-Ta矿伟晶岩基本位于二云母花岗岩内部或周围, 而黑云母花岗岩中(特别是中心部位)的含矿伟晶岩极少,如果伟晶岩均由深部晚期次的白云母花岗岩演化而来, 那么仅只作为围岩存在的这两类花岗岩内部的伟晶岩在成矿作用不会存在大的差异, 因此, 深部存在晚期次的白云母花岗岩的母岩的假设也不具说服力。

London的模拟实验(London, 2014, 2018; London et al., 2020)研究结果表明伟晶岩形成的关键主要取决于岩浆液相线的过冷程度, 因此, 岩浆的分异程度并非伟晶岩形成的必要条件, 这意味着即使分异程度不高的花岗岩也可成为伟晶岩的母岩。综合前人所研究得出的观点, 笔者认为矿区的(二云母)微斜长石型伟晶岩的母岩即为其围岩黑云母二长花岗岩(陈剑锋等, 2022); 而矿区铌钽矿的主要赋存岩石类型微斜长石-钠长石型伟晶岩的母岩为二云母二长花岗岩(Li et al., 2021), 微斜长石-钠长石型伟晶岩从母体二云母花岗岩中分离, 经历进一步的分异作用可形成钠长石(锂辉石)伟晶岩。这既可以合理解释矿区花岗岩以及伟晶岩演化序列, 也揭示了构成幕阜山岩体主要岩性的黑云母二长花岗岩和二云母二长花岗岩中伟晶岩的成矿差异性。

4 成岩成矿模型

受古太平洋板块远程俯冲效应的影响, 俯冲板片回撤导致了幕阜山一带发生伸展作用, 玄武质岩浆底侵, 直接导致断峰山地区南部中-基性闪长岩的形成(154 Ma, Wang et al., 2014; 中国地质调查局武汉地质调查中心, 2018), 并表现为区域中-基性岩浆具有长期持续活动的特点, 如在仁里矿区地表7号伟晶岩脉(137 Ma; 陈剑锋等, 2022)及2号伟晶岩脉(深部钻孔)内部均见有闪长岩脉的穿插(图3h, i,j), 对比两地的闪长岩中的主量元素组成(Wang et al., 2014; 陈剑锋等, 2022)可发现, 仁里地区除Na2O和 Al2O3偏低而 K2O偏高外, 其它几近相同,暗示两个矿区的闪长岩具有同源的特征。底侵的岩浆也致使中下地壳物质发生部分熔融从而形成了巨量的酸性岩浆, 中基性岩浆的长期持续活动(154～137 Ma)为酸性岩浆的充分结晶分异提供了热源, 从而形成了幕阜山黑云母二长花岗(154～140 Ma)、二云母二长花岗岩(146～138 Ma)和白云母二长花岗岩(141 Ma)序列(图4)。

图4 幕阜山地区伟晶岩型稀有金属矿成岩成矿模式图Fig. 4 The diagenesis and mineralization model for rare metal pegmatites in the Mufushan batholith

黑云母二长花岗岩在持续的热源下, 分异形成了(二云母)微斜长石型伟晶岩, 由于分异程度较低和挥发分含量不足, 微斜长石型伟晶岩选择近距离侵位于母岩体冷凝收缩时产生的裂隙空间(与围岩花岗岩界线截然), 或因缺少裂隙空间而原地就位(呈渐变), 基本未从母体逃逸。只有二云母花岗岩,经长期的结晶分异(146-138 Ma), 形成了大量的富Nb-Ta和Li伟晶岩岩浆, 这些富含稀有金属的伟晶岩浆一部分也侵位于杂乱无章的围岩裂隙空间内,另一部分经历了更为充分的结晶分异作用后, 稀有金属与挥发分得到进一步的富集, 逃逸母体, 穿过早期因与地层接触而最先固结的黑云母二长花岗岩(图3j, k)的裂隙进入冷家溪片岩的裂隙空间内形成富含Nb、Ta的二长伟晶岩, 伟晶岩浆在片岩中运移的过程中, 向上进一步分异, 形成富含Li的白云母钠长石伟晶岩。至于分异程度更高的白云母花岗岩,因其在矿区占比过少, 难以评价其在伟晶岩成岩成矿方面所做出的贡献。

幕阜山北部的断峰山矿区与南部的仁里—传梓源矿区存在有成矿作用的明显差异性, 表现为(1)仁里矿床的铌钽矿(超大型)在规模上要超过断峰山,以及(2)断峰山在 Li矿的成矿作用方面只表现有少量脉体中含有锂云母, 而南部的黄柏山—传梓源一带则有规模可观的锂辉石产出。幕阜山岩体周围的片岩产状基本上受控于岩体的侵入形态, 那么地表片岩的产状反过来也可反映深部岩体的侵入形态,断峰山地区片岩产状陡(大于75°, 图3l), 据此可推测该区岩浆上侵时呈陡倾状, 而仁里—黄柏山地区片岩的产状(20°～40°)所反映的是该区岩体与地层接触界线较缓(图3a)。一方面, 缓倾的地层暗示其深部所覆盖有大面积的隐伏花岗岩, 可为后期伟晶岩的成岩成矿作用提供更多物源; 另一方面, 含矿伟晶岩在垂直空间上的表现为上锂下铌钽(LCT经典模型以及黄柏山钻孔所揭示), 而幕阜山地区富含稀有金属的伟晶岩浆在地层中往上迁移的通道受控于片岩的产状, 产状陡的在垂向上无疑迁移更远,因此, 即便在断峰山地区先期存在有富含锂辉石的伟晶岩, 在该区风化剥蚀作用严重的前提下(平均剥蚀深度为 4.8 km, 石红才等, 2013)被耗尽, 而在幕阜山南缘的黄柏山—传梓源一带的含锂伟晶岩能得以保存下来。

5 湘东北地区锂矿成矿潜力分析

5.1 锂矿空间变化规律

幕阜山南缘的伟晶岩具有在空间上的明显岩性分带特征, 表现为从北往南由幕阜山岩体到片岩地区依次划分为微斜长石伟晶岩、斜长石-钠长石伟晶岩、钠长石伟晶岩(文春华, 2017; Li et al., 2020),在矿化组合上表现为从不含矿(或见 Be矿化)—Be-Nb-Ta—Li-Nb-Ta的过渡演化特征(文春华等, 2019; 文春华和邵拥军, 2019)。本次开展了岩体内微斜长石伟晶岩(贺家山地区)、斜长石-钠长石伟晶岩(仁里地区)、钠长石伟晶岩(传梓源地区、黄柏山地区和窄板洞地区)(图2)岩石地球化学研究, 样品结果(表3)分析发现伟晶岩岩性分带与 Na2O 和K2O元素含量规律性变化相关, 从幕阜山岩体中贺家山微斜长石伟晶岩、仁里斜长石-钠长石伟晶岩到传梓源-窄板洞钠长石(锂辉石)伟晶岩, Na2O含量出现升高变化而K2O呈降低变化的反消长关系(图5a),Li含量随K2O/Na2O比值变小而呈升高变化规律。同样, 微量元素 K/Rb比值规律性变化也反映了从贺家山到传梓源随K/Rb比值降低呈现出Li的明显富集变化规律(图5b)。

图5 幕阜山南缘地区伟晶岩K2O/Na2O vs Li和K/RbvsLi图Fig. 5 Pegmatite K2O/Na2O vs. Li and K/RbvsLi diagram in the south margin of Mufushan batholith

表3 幕阜山地区伟晶岩主量元素、微量元素表Table 3 Major andtrace element compositions of the pegmatites in the Mufushan area

研究区黄柏山与传梓源几个钻孔所揭露的伟晶岩在垂向上也具有深部 Nb-Ta矿化而浅部为 Li矿化的特征(图2b, c), 如地表及浅部伟晶岩脉(γρ46、γρ47)以锂矿化为主, 中部伟晶岩脉(γρ5)以钽铌矿化为主, 深部伟晶岩脉以(γρ2)铍-铌钽矿化为主。而仁里矿区伟晶岩和断峰山地区类似, 现存的为从母岩花岗岩中的相对近距离分异出来伟晶岩富含Nb-Ta矿, 而向上迁移更远的含Li部分已被风化剥蚀, 这也可解释距离岩体更近的黄柏山地区的伟晶岩脉中的含锂部分(地表部分剥蚀)在深部延伸不及距岩体稍远的传梓源地区, 以及该区 47号脉在南东段(距离岩体远)的锂矿化相对较好。

锂矿的空间规律性变化特征对区域上锂矿找矿方向、深部资源预测有较好的指示作用, 表现为空间上锂矿找矿远景区位于距离岩体较远地段, 垂向上锂矿化往往位于伟晶岩脉顶部位置。

5.2 锂矿成矿潜力预测

现有的勘查工作显示, 位于幕阜山地区的南、北缘的仁里和断峰山矿区其Nb-Ta矿规模达分别达到超大型和大型, 显示出该区巨大的稀有金属成矿潜力。颇为遗憾的是, 受制于当前勘查工作程度,目前尚缺乏关于幕阜山南缘伟晶岩型锂矿床成矿潜力的评价。

从成矿模式和成矿规律分析认为远离幕阜山岩体的黄柏山—传梓源地区和梭墩—窄板洞地区是锂成矿重要的远景区(图2a), Li地球化学剖面分析从幕阜山→仁里→传梓源地区Li含量明显增高, Li矿化增强(图1c)。幕阜山—梅仙岩体物探剖面显示幕阜山岩体深部倾向西南, 与梅仙岩体在深部表现为断层接触关系(曹创华等, 2021)。揭示了仁里—传梓源地区深部断层既能为稀有金属迁移成矿提供物质通道, 又能为稀有金属伟晶岩在空间分异演化提供贯通性空间。从而显示仁里—传梓源地区铌钽、锂成矿具有重大的潜力。

黄柏山—传梓源锂矿远景区中(图2a)位于西北角γρ47号含锂伟晶岩脉地表出露长约 1700 m, 与位于南东角地表出露长约2300 m的γρ206号含锂伟晶岩脉呈现断续相连特征。造成两条伟晶岩脉之间断续分布可能受中间大范围的区域因地形陡峭及植被十分发育的环境因素影响, 如在中间横穿一条南北向与两端高程相差达300～700 m的山脉, 制约了伟晶岩在地表出露而呈隐伏状。γρ47号脉和γρ206号脉均产于片岩中呈北西走向的伟晶岩有着相似的产状, 土壤化探异常显示γρ47号脉往东南延伸见明显Li异常(图2a), X荧光分析认为γρ47号伟晶岩脉往南东延伸特征与含锂伟晶岩脉的走向套合较好(图2d)(吕维, 2020), 暗示了该区的含锂伟晶岩脉可能相连, 或有更多的含锂伟晶岩脉呈隐伏状待系统的找矿勘查工作去查验。同时在距岩体更远的窄板洞—梭墩地区地表也有含锂伟晶岩的出现, 尽管这可能在该区存在有作为母岩的深部岩体局部隆起,但总体上也暗示了从传梓源到窄板洞地区可能蕴藏有大量含锂伟晶岩。

湘东北传梓源矿床为典型的 LCT伟晶岩型锂-铌钽矿床, 矿床主要预测要素见表4。依据幕阜山地区锂矿伟晶岩脉的分布情况, 结合成矿地质条件分析以及黄柏山—传梓源和窄板洞—梭墩锂矿预测工作区的实际地质情况, 选择黄柏山、朱子洞、永享、窄板洞作为最小预测区(图2a)开展锂矿资源潜力分析。

表4 平江县传梓源锂铌钽矿主要预测要素表Table 4 The major forcast factors for Chuanziyuan Li-Nb-Ta deposit

根据全国矿产资源潜力评价办公室发布的《预测资源量估算要求(2010年补充)》, 幕阜山地区锂矿资源量估算以传梓源锂矿作为模型矿床, 采用地质参数体积法(李胜苗等, 2013), 计算公式为:

其中,Z预: 预测资源量;S预: 预测区面积;H预:延深;Ks: 含矿地质体面积参数;K: 含矿系数;α:相似系数。其中S预通过GIS软件换算获取,H预根据预测单元内地质工作程度确定,Ks为预测单元中含矿地质体面积和投影面积之比,K为模型区的资源总量和含矿地质体体积之比,α为预测单元的成矿概率, 由MORAS软件计算。

据湖南平江传梓源铌钽矿区初勘报告(1971)估算了3.5 km2范围内Li2O资源量为1.14万吨, 控制矿体延深为 60 m。从 206脉钻孔揭露脉体深部150 m仍见锂矿化(图2c), 推断传梓源典型矿床锂矿延深为 150 m, 根据黄柏山最小预测区钻孔揭露锂矿化特征(图2b), 推断锂矿延深为 80 m[0]; 根据前述成矿模式、成矿规律分析传梓源—窄板洞地区锂矿成矿条件相似, 推断朱子洞最小预测区、永享最小预测区、窄板洞最小预测区锂矿延深为120 m。各最小预测区锂矿资源量及相关参数见表5, 初步预测5个最小预测内锂矿资源潜力为10.19万吨, 达到大型规模, 显示出在黄柏山—传梓源锂矿远景区和梭墩—窄板洞锂矿远景区内锂矿成矿潜力巨大。

表5 各预测区预测参数和预测资源量统计表Table 5 The prediction parameters and resources statistics for districts in the sourh margin of Mufushan

此外, 与幕阜山岩体类似, 位于湘东北范围内的连云山岩体以及望湘岩体内大面积分布有作为稀有金属伟晶岩母岩二云母二长花岗岩, 其形成年龄及地球化学特征与幕阜山岩体同类型花岗岩相似(Ji et al., 2018), 特别是连云山地区的白沙窝矿区目前也有含锂伟晶岩的报导(图3f, 文春华等, 2018;Wen et al., 2021), 因此, 在今后湘东北的稀有金属勘查工作中, 连云山地区以及望湘地区伟晶岩型稀有金属矿有望实现新的找矿突破。

6 结论

(1)黄柏山、传梓源和窄板洞地区是幕阜山稀有金属矿集区富锂伟晶岩主要分布地段, 野外地质调查、土壤地球化学和X荧光分析认为黄柏山地区富锂伟晶岩与传梓源地区富锂伟晶岩在走向上具断续相连特征, 表明从黄柏山至传梓源地区存在较大规模富锂伟晶岩脉带。

(2)湘东北地区铌钽矿伟晶岩和锂矿伟晶岩成岩、成矿年龄几近一致(140～130 Ma), 稍晚于区内二云母二长花岗岩形成年龄(143～138 Ma), 且同位素研究结果也指示花岗岩与伟晶岩有着相同的物质源区, 反映出二云母二长花岗岩为富含稀有金属(Li、Nb、Ta)伟晶岩的母岩, 建立了稀有金属伟晶岩成矿模型。

(3)深部隐伏岩体的侵入形态是导致幕阜山地区伟晶岩稀有金属矿差异性成矿的主要原因, 不同岩性伟晶岩中稀有金属矿化由岩体往地层分布具不含矿(或见Be矿化)—Be-Nb-Ta—Li-Nb-Ta的过渡演化特征。锂矿在空间上规律变化表现为距离岩体较远地段分布, 垂向上锂矿化往往位于伟晶岩脉顶部位置。

(4)依据稀有金属伟晶岩型成矿模型及区域成矿规律认识, 以“传梓源式”伟晶岩型锂矿作为预测要素, 初步估算了幕阜山稀有金属矿集区锂矿资源潜力为 10.19万吨, 首次报导了湘东北地区具备寻找大型锂矿产地的潜力。

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).