中国锂资源的主要类型、分布和开发利用现状:评述和展望

王 核, 黄 亮, 白洪阳, 王堃宇, 王振宏,高 昊, 周金胜, 秦 艳, 王 焰

中国锂资源的主要类型、分布和开发利用现状:评述和展望

王 核1, 2, 黄 亮1, 2, 白洪阳1, 2, 王堃宇1, 2, 王振宏1, 2,高 昊1, 2, 周金胜3, 秦 艳1, 王 焰1

(1. 中国科学院 广州地球化学研究所 中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室 广东 广州 510640; 2. 中国科学院大学, 北京 100049; 3. 中国科学院 广州地球化学研究所,同位素地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640)

作为核心战略金属资源, 锂矿勘查与研究已成为当今矿产勘查和地学研究的热点。全球锂资源主要分布在南美洲“锂三角”地区(玻利维亚、智利和阿根廷)、美国、澳大利亚和中国。我国锂矿资源较为丰富, 主要集中在新疆、青海、西藏、四川、江西和云南6省(区), 可划分为16个锂成矿带。锂矿类型包括卤水型、硬岩型和黏土型三种。卤水型锂矿又可分盐湖型和地下卤水型, 其中盐湖型锂矿主要集中分布在青海和西藏, 储量巨大; 地下卤水型锂矿主要分布于四川盆地及潜江凹陷, 数量较少。硬岩型锂矿又可分为伟晶岩型、花岗岩型和隐爆角砾岩型, 其中伟晶岩型锂矿主要发育在阿尔泰、阿尔金、西昆仑、川西、喜马拉雅、东秦岭和南岭等区域, 成矿时代主要集中在燕山期、印支期和加里东期; 花岗岩型锂矿主要发育在武夷、南岭、江南和兴蒙等造山带, 成矿时代主要集中在燕山期; 隐爆角砾岩型锂矿发育在大兴安岭。黏土型锂矿在滇中、贵州、广西成矿潜力巨大。伟晶岩型锂矿的含锂矿物以锂辉石为主, 矿石的锂品位较高, 开采比较容易, 是我国锂供给的重要来源。除扎布耶、结则茶卡等少数碳酸盐型盐湖锂矿外, 我国多数盐湖锂矿Mg/Li值高, 卤水提锂技术相对复杂, 成本较高。黏土型锂矿在我国还不具备开采条件, 提取尚处在小试阶段, 但一旦实现提取技术突破, 将具有重要的应用前景。

锂矿床; 盐湖型; 伟晶岩型; 矿床分布; 提取技术

0 引 言

能源的发展、安全与环境的协调, 是全人类共同关心的问题, 也是我国社会经济发展的重要问题。随着国家能源转型和碳达峰、碳中和进程的逐步推进, 锂在动力电池、储能等重要低碳技术产品中发挥了关键作用, 已成为保障我国新能源建设的核心战略金属资源。

锂(lithium)是1817年由瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特森(Arfwedson)在分析研究透锂长石时发现的, 是一种银白色的金属元素, 质软, 也是自然界密度最小的金属, 密度比所有的油和液态烃都小, 仅为0.534 g/cm3(刘英俊等, 1984)。锂虽然被称为“稀有金属”, 但它在地壳中含量不算“稀有”, 约为0.0065%, 其丰度居第二十七位。已知含锂矿物有150多种, 主要有锂辉石、锂云母、磷锂铝石、透锂长石及铁锂云母等(表1)。锂具有极强的电化学活性, 具有储能功能, 锂离子电池为手机、电动汽车、新一代潜艇等提供动能。锂还具有生能功能, 1 g6Li聚变的有效能量最高可达8500～72000 kW·h, 是235U裂变所产生能量的8倍, 相当于3.7 t标准煤, 被誉为“白色石油”、“能源金属”或“高能金属”(许志琴等, 2018), 可支撑航空航天、核能和新能源等高新产业(李建康等, 2014; 刘丽君等, 2017; 王登红和吴西顺, 2017; 蒋少涌等, 2019; 翟明国等, 2019)。随着新能源汽车产业的快速发展和可控核聚变技术研发的不断突破, 锂金属在全球发展中的战略意义越来越凸显, 战略地位也不断提升(王登红等, 2018), 并广受各国“青睐”: 2017年美国将锂矿列为43种重要矿产资源之一; 2018年欧盟将锂作为14种关键原材料之一; 2019年澳大利亚确定锂矿为24种关键矿产之一; 我国也将锂矿列为24种国家战略性矿产资源之一。过去5年, 全球锂矿勘查投入涨幅达50倍, 成为竞争的焦点。

本文对中国锂资源的主要类型、分布和采选冶现状进行了调查和分析, 旨在厘清我国锂资源现状, 为加快推进国内锂资源的开发利用提供参考。

1 全球锂资源现状

全球锂资源丰富且分布高度集中, 73%锂资源分布在北美洲和南美洲, 而大洋洲、亚洲、欧洲和非洲锂资源分布相对较少, 分别占比 8%、7%、7%和5%(图1)。就国家而言, 锂资源主要分布在南美洲“锂三角”地区(玻利维亚、智利和阿根廷)、美国、澳大利亚和中国(苏彤等, 2019)。

表1 主要含锂矿物(据Dessemond et al., 2019; Bowell et al., 2020)

图1 全球主要锂矿资源分布图(数据来源: 刘丽君等, 2017; 刘成林等, 2021)

近年来, 随着全球矿业公司对锂资源勘探的逐步推进, 已查明的锂资源量和探明储量大幅度增加。截至2020年底, 全球锂矿储量12828万吨(碳酸锂当量LCE),主要分布在智利(41.06%)、澳大利亚(14.34%)、阿根廷(13.20%)等国(表2)。中国锂矿(LCE)储量为810万吨, 占全球总储量的6.31%(中国地质调查局, 2021)。

全球已探明锂(LCE)资源量 34943万吨, 主要分布在玻利维亚(31.98%)、阿根廷(22.71%)、美国(15.72%)和澳大利亚(5.90%)。刚果(金)、加拿大、捷克、智利等国也有分布(表2)。中国锂矿(LCE)资源量1914万吨, 占全球5.48%(中国地质调查局, 2021)。

全球锂矿可分为卤水型、硬岩型和黏土型三种, 其中卤水型可细分为盐湖型和地下卤水型, 硬岩型可细分为伟晶岩型、花岗岩型和隐爆角砾岩型。盐湖型、硬岩型、地下卤水型和黏土型锂矿分别占全球锂矿资源的58%、26%、6%和10%(Bradley et al., 2017b)。当前开发利用的锂矿主要为盐湖型和伟晶岩型锂矿。盐湖型锂矿主要分布在南美地区(阿根廷、玻利维亚和智利)、我国的青藏高原和美国西海岸。伟晶岩型锂矿主要分布在澳大利亚西部、我国青藏高原及周边地区、刚果金等地区, 其中我国的川西‒西昆仑锂矿带与阿富汗锂矿区(帕斯胡什塔锂矿床、塔哈鲁尔锂矿床)构成了全球最为瞩目的古特提斯巨型锂成矿带。

尽管伟晶岩型锂矿的锂资源量不及盐湖型锂矿, 但目前全球锂供给以伟晶岩型锂矿为主。全球正在开采的伟晶岩型锂矿主要分布在澳大利亚(Greenbushes、Mt Marion、Mt Catlin、Pilgangoora、Earl Grey、Finniss、BaldHill等)、北美加拿大(Tanco)、南美巴西(Mibra), 非洲津巴布韦(Bikita)也有一些正在开采的锂矿, 矿体规模为中型‒超大型(晏溶, 2021)。另外, 澳大利亚Mt Ngungaju和Mt Bald大型锂矿床由于公司破产而被迫停产, Mt Wodgina超大型锂矿床由于开采年限太长, 目前也在停产维护(晏溶, 2021)。

值得注意的是, 全球锂资源虽然非常丰富, 但受开采条件和提锂技术的影响, 许多估算的资源量无法转化为储量, 如全球已知最大的乌尤尼盐湖(Uyuni)锂矿床由于没有经济可行的锂盐提取方法, 其巨大的锂资源量无法计入储量。世界及我国黏土型锂矿没有真正投入生产, 贾达尔(Jadar)锂硼矿、索诺拉(Sonora)锂矿等也未真正进入投产, 提取工艺仍未走出实验室。随着科技进步, 对锂的需求不断增长, 预计到2050年锂的年消耗量约为300～3500万吨。因此, 进一步研究锂矿的开采技术和提锂技术显得尤为重要(Benson et al., 2017)。

2 我国主要锂矿床类型及其主要特征

中国的锂矿资源较为丰富, 且矿床分布相对集中、数量多、规模大(图2)。我国盐湖型锂矿主要集中分布在青海、西藏, 储量巨大; 而地下卤水型锂矿分布于柴达木盆地、四川盆地、吉泰盆地、潜江凹陷和江陵凹陷等地, 数量较少。

表2 全球锂矿(碳酸锂LCE)储量和资源量主要分布国家(2020年)

注: 数据来源于中国地质调查局(2021), 其中资源量不包含储量。

图2 我国主要锂矿床分布图(审图号: GS(2019)3323)

硬岩型中伟晶岩型锂矿主要发育在阿尔泰、阿尔金、西昆仑、川西、喜马拉雅、东秦岭和南岭等区域; 花岗岩型锂矿主要发育在武夷、南岭、江南和兴蒙等造山带; 而新发现的隐爆角砾岩型锂矿(1处)发育于大兴安岭。

黏土型锂矿在滇中、贵州、广西成矿潜力巨大, 在云南玉溪小石桥和贵州务川瓦石坪也各发现一处。

2.1 卤水型锂矿

2.1.1 盐湖型锂矿

我国绝大多数盐湖型锂矿分布在青藏高原, 锂除少量呈机械混入物或被黏土质点吸附外, 主要以液态形式存在于含盐岩系卤水(晶间卤水和孔隙卤水)及湖表卤水中, 呈氯化锂(LiCl)形式与钾、镁、硼、钠盐类矿床共生。盐湖按其卤水类型可分为碳酸盐型、硫酸盐型和氯化物型, 其中硫酸盐型又可细分为硫酸钠亚型和硫酸镁亚型。从碳酸盐型→硫酸钠亚型→硫酸镁亚型→氯化物型, 卤水的pH值逐渐下降, 矿化度趋于上升, Mg/Li值趋于增大(表3)。前人收集整理了青藏高原550个盐湖的水化学分析结果, 发现其Mg/Li值具有从南‒东南向北‒西北上升的趋势(图3; 郑绵平和刘喜方, 2010)。

西藏地区的盐湖多为硫酸钠亚型和碳酸盐型。扎布耶、当雄错、班戈错、结则茶卡等碳酸盐型盐湖(图3)中卤水具有较低Mg/Li值或几乎不含Mg2+, 且还富含B、K、Rb、Cs、Br等组分, 具有极高的开采价值。

青海地区的盐湖主要为硫酸盐型, 多为硫酸镁亚型, 并含相当数量的氯化物型。该区主要发育察尔汗、东台吉乃尔、西台吉乃尔、大柴旦和一里坪等超大型‒大型盐湖型锂矿床。该区盐湖中卤水的氯化锂(LiCl)资源量共计约1550.3万吨(表3), 具有巨大的潜在经济效益, 但受限于环境和高Mg/Li值, 开采情况远不及预期。

新疆西昆仑地区盐湖主要为硫酸盐型, 多为硫酸钠亚型。该区主要发育苦水湖(谭克彬等, 2016)、黄草湖(刘建等, 2019)、阿克萨依湖等大中型盐湖型锂矿床, 具有较好潜在经济效益, 因发现晚还未提到开发日程。

2.1.2 地下卤水型锂矿

我国地下卤水型锂矿分布在柴达木盆地、四川盆地、吉泰盆地、潜江凹陷和江陵凹陷等地, 卤水主要为氯化物型, 其Mg/Li值为0～47.35(Li et al., 2018), 普遍低于盐湖卤水。江陵凹陷富锂卤水的LiCl含量为371.74 mg/L, Mg/Li值为0～3.67(刘成林等, 2021)。吉泰盆地梅岗富锂卤水矿点的LiCl含量可达611～1136 mg/L(刘志伟等, 2022), 资源潜力巨大。当前该类型锂矿勘查程度较低, 开发利用程度有限。

表3 我国主要盐湖型锂矿的卤水类型、品位和储量

注: “-”无数据。

图3 青藏高原盐湖型锂矿分布图(据郑绵平和刘喜方, 2010)

此外, 我国西藏南部发育有大量的富锂热泉。这些富锂热泉多分布在雅鲁藏布江缝合带两侧及南北向裂谷两侧主断裂与次级断裂的交叉部位, Mg/Li值较低, 达工业边界品位的富锂地热点共有7处(Wang et al., 2021), 具有较好的锂资源潜力。

2.2 硬岩型锂矿

2.2.1 伟晶岩型锂矿

我国的伟晶岩型锂矿主要分布在阿尔泰、阿尔金、西昆仑、川西、喜马拉雅、东秦岭和南岭等区域, 成矿时代主要集中在燕山期、印支期和加里东期(表4, 图4)。

新疆阿尔泰造山带位于中亚造山带西端, 被认为是活动大陆边缘的岩浆弧(Long et al., 2007)或增生楔(Cai et al., 2011)。区内主要发育的伟晶岩型锂矿包括可可托海、卡鲁安、柯鲁木特和阿祖拜等矿床, 具有大规模、多时代、多类型的特点(赵振华等, 2022), 形成时代主要为晚古生代‒早中生代, 成矿高峰期为三叠纪(张辉等, 2019)。可可托海3号脉发育完整的伟晶岩内部分带, 呈同心环带状的草帽结构, 从边缘到中心依次可划分为(Ⅰ)文象伟晶岩带、(Ⅱ)细粒钠长石带、(Ⅲ)块体微斜长石带、(Ⅳ)白云母‒石英带、(Ⅴ)叶钠长石‒锂辉石带、(Ⅵ)石英‒锂辉石带、(Ⅶ)白云母‒薄片钠长石带、(Ⅷ)锂云母‒薄片钠长石带和(Ⅸ)石英‒块体微斜长石核等9个带(邹天人和李庆昌, 2006)。秦克章等(2021b)认为, 可可托海3号脉岩浆侵位后经历了岩浆阶段(Ⅰ～Ⅳ带)、岩浆‒热液过渡阶段(Ⅴ～Ⅶ带)和热液阶段(Ⅷ、Ⅸ带), 并分别对应Be-Nb-Ta、Li-Be-Nb-Ta和Li-Ta-Cs-Hf稀有金属矿化组合, 锂矿化带主要集中于Ⅴ、Ⅵ和Ⅷ带。

阿尔金是近几年锂矿勘查的热点地区, 新发现了瓦石峡南、恰达克、阿亚克(吐格曼北)、库木萨依、砂梁西、塔什达坂等多个伟晶岩型锂矿床, 形成长约400 km的阿尔金锂成矿带。当前该区研究程度较低, 已发表的伟晶岩成矿年龄表明, 其主要形成于加里东期, 为后碰撞伸展阶段(徐兴旺等, 2019; 李杭等, 2020)。区内伟晶岩型锂矿内部分带较为发育, 存在少量全脉锂矿化的伟晶岩脉。

表4 我国主要硬岩型锂矿床规模、品位、类型及成矿年代表

续表4:

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图4 我国主要硬岩型锂矿成矿年龄直方图

西昆仑造山带位于青藏高原西北缘, 总体呈NW-SE走向的巨型反“S”状展布, 由北昆仑地体、南昆仑地体、喀喇昆仑地体和甜水海地体组成。自2017年以来, 在大红柳滩一带陆续发现了白龙山、雪凤岭、双牙和雪盆等超大型‒大型伟晶岩型锂矿床(王核等, 2017, 2020), 取得重大找矿突破。西昆仑东部大红柳滩一带主要矿床还包括大红柳滩、俘虏沟南1号、俘虏沟南2号、大红柳滩东和冰舟等锂矿床, 矿床围绕白龙山岩体和大红柳滩岩体出露, 侵位于中生界中上三叠统巴颜喀拉山群变质岩中, 多呈全脉锂矿化。区内伟晶岩型锂矿区域分带较为明显, 以雪凤岭锂矿床为例, 伟晶岩脉群以石英闪长岩为中心, 向外对称分布含黑色电气石石英长石伟晶岩脉带、块体长石石英伟晶岩脉带、石英钠长石白云母伟晶岩脉带、石英钠长石锂辉石伟晶岩脉带、石英锂辉石伟晶岩脉带等(王核等, 2020)。此外, 西昆仑西部和中部亦发育有一些中‒小型稀有金属矿床和稀有金属矿点, 如卡拉瓦拉、肖尔布龙、霍什塔什、达布达尔等矿床(点)。矿物学和年代学研究表明, 西昆仑东部、中部和西部伟晶岩型稀有金属矿床在时空分布上与晚三叠世花岗岩具有耦合关系, 其成矿年龄集中在218～204 Ma(Yan et al., 2018, 2022; Wang et al., 2020)。

川西一带伟晶岩型锂矿主要发育于松潘‒甘孜造山带东缘, 包括甲基卡、马尔康、可尔因、党坝、扎乌龙等矿床, 可划分为石渠扎乌龙、康定‒雅江(甲基卡矿田)、马尔康‒金川(可尔因矿田)以及九龙等四个稀有金属成矿区(付小方等, 2021)。甲基卡锂矿床产于具有巴罗式“低/中压‒高温”变质组合的三叠纪复理石围岩中, 片麻岩穹窿被认为与该区伟晶岩型锂矿床的成因关系密切(许志琴等, 2018, 2019)。区内含矿伟晶岩多呈全脉锂矿化, 微晶‒细晶锂辉石占70%, 多数伟晶岩脉发育微晶毛发状‒细晶粒状‒中粗粒梳状相间的韵律式带状构造(付小方等, 2019, 2021)。

前人研究表明, 甜水海地体是松潘‒甘孜地体的西延部分(Molnar et al., 1987; Matte et al., 1996; Mattern and Schneider, 2000; Xiao et al., 2003)。西昆仑与松潘‒甘孜伟晶岩型锂矿具有相似的大地构造背景、地质特点、矿物组合、成因特点、地球化学和同位素特征, 可能构成了一条长达2800 km的古特提斯巨型稀有金属成矿带(Fan et al., 2020; Wang et al., 2020; Yan et al., 2022)。青海三江北段新发现的草陇锂辉石伟晶岩可能也是这一巨型成矿带的组成部分(李五福等, 2022)。

东秦岭伟晶岩主要围绕加里东期花岗质侵入体(如灰池子、漂池、桃坪、黄龙庙、黄柏岔等岩体)产出, 集中于商南、峦庄、官坡和龙泉坪等四个密集区(卢欣祥等, 2010)。东秦岭伟晶岩型锂矿主要产于北部的官坡密集区, 包括南阳山、七里沟‒前台和蔡家沟等矿床。区内伟晶岩型锂矿表现出多种内部结构分带, 如瓦窑沟、南阳山363号脉的对称分带结构、南阳山364号脉的分层结构和前台的均一结构(即全脉锂矿化)等, 锂矿主要产于均一结构全脉、对称结构的中间带或核部和分层结构的上盘或下盘中(秦克章等, 2019)。

华南伟晶岩型锂矿主要分布在武夷造山带和江南造山带, 以福建南平伟晶岩型锂矿床、江西广昌伟晶岩型锂辉石锂矿床和湖南传梓源锂矿床等为代表, 伟晶岩多为钠长石化锂辉石伟晶岩, 锂常与铌、钽、铍、铯等稀有金属矿共生(Rao et al., 2017; Tang et al., 2017)。伟晶岩主要分布在花岗岩的外接触带, 呈脉状、带状充填在构造裂隙带和片理带中, 空间上呈串珠状展布(舒良树等, 2021)。

近期, 在喜马拉雅琼嘉岗地区发现了一处超大型远景规模的伟晶岩型锂矿, 估算氧化锂的潜在资源量可达101万吨(秦克章等, 2021a)。琼嘉岗锂矿床位于高喜马拉雅地区的西北侧, 矿区内发育40余条锂辉石伟晶岩脉, 呈囊带状、厚板状产出于前寒武系肉切村群大理岩中(秦克章等, 2021a)。该锂辉石伟晶岩带可分为细粒钠长石带、分层细晶岩带和块体微斜长石+锂辉石带, 长柱状或细粒状锂辉石产出于后两个带中(赵俊兴等, 2021)。利用独居石和铌铁矿‒铌锰矿U-Pb定年法, 获得琼嘉岗锂矿床的成矿年龄在25.3±0.5 Ma～24.2±0.2 Ma之间(赵俊兴等, 2021), 说明其形成于新喜马拉雅运动的初始阶段。

根据已发表的数据, 我国伟晶岩型锂矿的资源量为742万吨(表4), 其中主要集中在川西的甲基卡矿田、可尔因矿田和西昆仑白龙山‒大红柳滩矿田。

2.2.2 花岗岩型锂矿

我国花岗岩型锂矿主要分布在武夷、南岭、江南和兴蒙等造山带, 主要形成于晚中生代, 与晚侏罗世‒早白垩世的构造‒岩浆活动有关(舒良树等, 2021)。花岗岩型锂矿的成矿作用具多阶段性的特点, 往往形成与W-Sn-Nb-Ta-Be-Cs等多种成矿元素共生的多金属矿床, 锂富集在花岗岩体顶部和边缘的热液蚀变带或伟晶岩脉中, 常呈似层状和脉状产出, 与钠长石化、云英岩化和锂云母化关系密切(李晓峰等, 2021), 主要矿床包括宜春雅山414矿、横峰松树岗, 湖南正冲、尖峰岭、癞子岭, 广西栗木、元宝山, 内蒙古加不斯等。宜春雅山414矿床为该类矿床的典型代表, 主要矿化岩体为雅山复式花岗岩体, 锂矿属于铌钽矿的伴生矿, 铌钽锂矿主要发育在雅山蚀变花岗岩的顶部, 平均品位为0.39%～0.78% Li2O。雅山复式花岗岩体侵位于震旦系变砂岩中, 可划分为5个侵入阶段, 从早到晚依次为中粗粒黑鳞云母‒白云母花岗岩、细粒斑状白云母花岗岩、中粒白云母花岗岩、锂云母花岗岩和黄玉锂云母花岗岩(Yin et al., 1995), 为晚侏罗世铝过饱和花岗岩(161～158 Ma; 舒良树等, 2021), 岩体周围还发育有石英脉型黑钨矿床。

2.2.3 隐爆角砾岩型锂矿

隐爆角砾岩型锂矿有大兴安岭南段的内蒙古维拉斯托稀有金属‒锡多金属矿床, 在隐爆角砾岩筒中发育广泛云英岩化, 形成以含锂白云母和锂云母为主的富云母云英岩, 形成时代为140～137 Ma(武广等, 2021)。

2.3 黏土型锂矿

黏土型锂矿是自然界中重要的锂资源, 具有分布广、储量大等特点。根据其成因, 可分为火山岩黏土型锂矿和碳酸盐黏土型锂矿。

通常黏土型锂矿的成矿物质来自火山, 主要以黏土岩或沉积盆地中的冲击层、沼泽相、湖泊相以及组合相的形式产出(王秋舒等, 2015)。多数黏土型锂矿品位较低, 没有独立锂矿物, 不具独立开采价值。

到目前为止, 中国还没有独立开采的沉积型锂矿, 多数沉积型锂矿与铝土矿和煤矿相伴生。伴生黏土型锂矿中锂的赋存状态直接关系到锂的提取。我国铝土矿开采前景非常可观, 铝土矿资源量居世界第六, 集中分布于山西、河南、广西、贵州、云南、重庆等省市, 合计超过全国铝土矿保有资源量的90%, 主要赋存在沉积黏土岩、泥质岩中。温汉捷等(2020)研究发现, 铝土矿中的黏土岩也适合Li元素的富集, 且铝质含量与Li含量有明显的相关性, 并提出了与碳酸盐风化‒沉积作用有关的“碳酸盐黏土型锂矿床”。因此, 我国黏土型锂资源也十分丰富, 这类矿床通常具有分布面积广、产出层位稳定、厚度较大的特点(胡瑞忠等, 2020), 如果研究出更高效的提锂技术, 其有望成为我国一种新的锂资源类型。

3 中国锂矿资源开发利用现状

目前, 我国盐湖型、伟晶岩型和花岗岩型锂矿均有不同程度开采(表5), 黏土型锂矿和地下卤水型锂矿尚未进入开发利用阶段。其中盐湖型锂(LiCl)资源量2596万吨, 折合金属锂资源量425.01万吨, 约占全国资源量的46.58%; 伟晶岩型锂矿估算氧化锂(Li2O)资源量约740万吨, 折合金属锂资源量343.75万吨, 占全国锂资源量的37.68%; 花岗岩型锂矿氧化锂(Li2O)资源量约308万吨, 折合金属锂资源量143.63万吨, 占全国可利用锂资源量的15.74%。

盐湖中卤水的Mg/Li值可直接影响盐湖型锂矿提取锂的技术手段、难度和成本(蒋晨啸等, 2022)。盐湖中提取锂主要包括沉淀法、吸附法、煅烧浸取法、电渗析法和萃取法。低Mg/Li值盐湖一般用沉淀法提取锂; Mg/Li值接近2000的察尔汗盐湖则需使用吸附法和膜法来提取锂, 极大地增加了成本和难度; Mg/Li值极低的扎布耶盐湖仅靠自然蒸发即可实现卤水中的镁锂分离, 如西藏扎布耶锂业高科技有限公司利用盐梯度太阳池法得到富锂混盐和芒硝等沉淀, 年产量达3000～5000吨/年(丁涛等, 2020)。我国缺少中低Mg/Li值的盐湖型锂矿, 大多数盐湖型锂矿的卤水Mg/Li>10。卤水蒸发后期, 卤水中的Li+常在浓缩过程中与其他盐类一起分散析出, 而浓缩后的卤水Mg含量很高, 所以我国卤水提锂较为困难、技术相对复杂。目前青海盐湖已形成了东台吉乃尔盐湖1.3万吨碳酸锂、西台吉乃尔盐湖1万吨碳酸锂的生产能力, 西藏盐湖型锂矿年产量约0.52万吨, 产能低, 没有形成规模, 经济效益低(姜贞贞等, 2021)。

我国目前开采的地下卤水型锂资源主要集中在四川南部自贡地区的自流井和邓井关, 主要的储卤构造为NE-SE向背斜, 自流井背斜卤水Li+含量为边界品位的3～4倍、最低工业品位的2倍左右。邓井关背斜Li+含量为边界品位的3倍、最低工业品位的2倍左右。两者都已经超过锂资源开发利用工业边界品位, 表明自贡地区主要储卤构造地下卤水锂资源潜力十分可观。

伟晶岩型锂矿的含锂矿物包括锂辉石、锂云母、透锂长石、磷铝锂石、锂霞石等(Bradley et al., 2017a), 其中以锂辉石为主, 矿石的锂品位较高, 开采比较容易。从矿石中提锂先要将锂矿石破碎、细磨, 然后利用选矿工艺如浮选得到锂精矿, 再将固体锂矿相转化为液体锂矿相进行提取, 后续工艺与盐湖提锂方法接近。常用的提锂方法有: 石灰烧结法、硫酸盐法、硫酸法、氯化焙烧法、纯碱压煮法。四川锂矿床众多, 目前有采矿权的矿山共有6个, 分别为康定甲基卡锂矿床、德扯弄巴锂矿床、雅江措拉锂矿床、阿坝李家沟锂矿床、马尔康党坝锂矿床和业隆沟锂矿床。目前处于开采阶段的仅为康定甲基卡和业隆沟锂矿床(刘孟峦等, 2021); 措拉锂矿床为大型伟晶岩型锂矿床, 作为储备资源目前未被提上开采日程; 李家沟超大型锂矿床处于在建状态, 预计2022年开采; 弄巴、党坝大型‒超大型锂矿床由于被拍卖或母公司实际控制人被捕而被迫停产(刘孟峦等, 2021)。西昆仑锂矿成矿潜力巨大, 目前已取得采矿权的是大红柳滩中型锂矿床; 白龙山锂矿‒509道班西锂矿床由新疆昆仑蓝钻公司进行一期勘探, 仅在选定的首采区(白龙山锂矿Ⅳ号脉群‒509道班西锂矿床)探获氧化锂资源量82万吨, 待补齐整个探矿区储量方可取得采矿权, 目前正进行选矿场、道路等基础设施建设, 预计2023可正式开采。

表5 我国目前主要的提锂方法及其成本概况(据王芳, 2020)

花岗岩型锂矿的含锂矿物主要为锂云母和铁锂云母, 矿石的锂品位相对较低, 且在提取过程中杂质过多, 尤其是F元素, 因此, 花岗岩中的锂资源常被用于低端的玻璃陶瓷工业。随着锂云母提锂技术的不断突破, 目前从锂云母中提锂已经能够实现规模化生产, 因此, 锂云母将逐渐成为锂资源供应的重要一极。我国正在开采的花岗岩型锂矿主要分布在江西省, 以宜春钽铌矿床最为典型, 该矿床不仅是我国最大的钽矿, 也是世界目前探明最大的锂云母矿, 可开采氧化锂储量为71.53万吨, 主要赋锂矿物为锂瓷石、锂云母, 通常用于制作陶瓷、玻璃等(倪文祎等, 2021)。

黏土型锂矿作为锂矿资源的新类型, 越来越受到重视。火山岩黏土型锂矿中的锂主要赋存在蒙皂石族矿物的晶格中, 属于结构锂; 碳酸盐黏土型锂矿的锂主要赋存在蒙脱石等黏土矿物的层间, 属于吸附型锂; 贾达尔锂矿床中的锂则是以独立矿物存在于羟硼硅钠锂石。火山岩黏土型锂矿的锂提取工艺主要有直接浸出法、助剂焙烧法和氯化硫化法。碳酸盐黏土型锂矿, 要先进行中高温焙烧活化处理, 然后采用硫酸和铁盐类试剂浸出, 可以实现80%以上的提取率(朱丽等, 2020)。目前黏土型锂矿提取尚处在小试阶段, 为该类锂资源的开发利用提供技术参考, 具有重要的应用前景。

值得关注的是, 当前锂产品需求正逐渐从碳酸锂向氢氧化锂转变, 氢氧化锂替代碳酸锂或成为趋势。在氢氧化锂产品线上, 盐湖提锂首先需要生产碳酸锂, 再苛化生产氢氧化锂; 相比之下, 矿石提锂则可一步直接生产氢氧化锂, 制造成本较生产碳酸锂产品更低。我国的盐湖型锂矿主要分布于青藏高原, 受到盐田晒卤周期(智利需要12～18个月, 青海部分地区需长达24个月以上)的制约, 生产周期长, 难以像硬岩型锂矿般快速响应市场变化, 无法充分发挥其资源体量的优势。

4 展 望

当今世界处于百年未有之大变局, 大国间的博弈日趋激烈, 除了传统的政治、军事、经济等安全, 资源保障安全已经成为现今各国发展的新需求, 尤其是战略性矿产资源, 加上全球气候变暖和我国“碳达峰与碳中和”的重大战略目标, 国家经济发展将朝向绿色清洁的低碳化方向转型。作为21世纪新型能源的金属锂, 其重要性不言而喻, 并已经被美国、欧盟等国家和地区列为未来争夺的战略性矿产资源(屈金芝等, 2021)。

锂在锂电材料中的应用约占60%～80%(马哲和李建武, 2018; 王自国, 2021), 还包括医药、润滑脂、助溶剂、空调、玻璃陶瓷、聚合物等领域。新能源汽车将是未来锂资源消耗最为重要的产业, 2015年以来, 全球新能源汽车销量急剧增加, 从2015年的54万辆攀升至2018年的201万辆, 年均增速在50%以上, 据多家国际权威机构的预测, 全球电动汽车的产量在2035年将达到5800万辆, 届时, 新能源汽车行业将占锂资源消耗量的99%(邢佳韵等, 2019)。

全球锂供需平衡的转折发生在2014年, 这之前锂的供给量大于消费量, 之后由于消耗量的猛增, 供给已经难以满足消费(刘帅, 2019)。在2021年世界顶尖科学家碳大会的未来能源发展论坛上, 2019年诺贝尔奖得主斯坦利·惠廷厄姆提醒到: “5～10年后, 目前用于生产锂离子电池的原材料就会被消耗殆尽”。

我国是锂资源消费第一大国, 约占全球的52% (马哲和李建武, 2018)。但我国绝大部分锂资源都依赖进口, 2018年的统计资料显示, 我国锂资源的进口量占80%以上(Gulley et al., 2018)。在我国锂资源的供应结构中, 从澳大利亚进口的锂辉石占57%, 南美地区进口的盐湖锂占23%。国内盐湖提供的锂资源约为14%, 花岗岩型锂资源占5%, 伟晶岩型锂资源仅占1%(马哲等, 2018)。从这一供应结构可以清晰地看出, 我国锂资源保障存在重大安全隐患, 一旦西方国家对我国进行锂封锁, 锂资源的过度紧缺将有可能影响到我国的经济发展安全。

值得一提的是,6Li用于可控核聚变, 是未来更有价值的锂资源。一般来说,6Li偏向于保留在固体中, 而7Li易于进入溶液中(苏嫒娜等, 2011), 即卤水型锂矿相对富集7Li, 而伟晶岩型锂矿相对富集6Li(陈刚等, 1990; 刘丽君等, 2017)。近年新发现的青藏高原北部从西昆仑白龙山超大型锂矿床延续到四川西部的甲基卡锂矿床, 构成了长达2800 km的古特提斯巨型伟晶岩Li矿带。目前两个典型矿床(新疆的白龙山和四川的甲基卡锂矿床)的Li同位素数据显示, 这两个矿床中极其富集6Li(甲基卡锂矿床δ7Li平均值为−0.7‰; 白龙山锂矿床δ7Li平均值为−0.9‰),可能是目前全球最富6Li的成矿带。因此, 加强古特提斯巨型伟晶岩Li矿带的成矿理论、找矿勘探以及6Li资源量评估工作, 将有助于改善我国锂资源供应受制于人的被动局面, 也对我国未来新能源的布局意义重大。

致谢:感谢中国科学院青年创新促进会广州地球化学研究所小组邀稿; 感谢中国科学院地质与地球物理研究所翟明国院士、中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员和王强研究员等对本次工作给予的大力支持; 感谢中国科学院广州地球化学研究所杨武斌研究员、中国科学院地质与地球物理研究所赵俊兴副研究员的细心评审和提出的宝贵意见。

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Types, Distribution, Development and Utilization of Lithium Mineral Resources in China: Review and Perspective

WANG He1, 2, HUANG Liang1, 2, BAI Hongyang1, 2, WANG Kunyu1, 2, WANG Zhenhong1, 2, GAO Hao1, 2, ZHOU Jinsheng3, QIN Yan1, WANG Yan1

(1. CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny/Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physicsand Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

As the critical minerals of strategic metals, lithium mineral resource has become a focus in mineral exploration and geoscience research. Global lithium resources are mainly distributed in the “lithium triangle” region of South America (Bolivia, Chile and Argentina), the United States, Australia, and China. China has abundant reserve of lithium resources, mainly concentrated in six provinces (regions) including Xinjiang, Qinghai, Tibet, Sichuan, Jiangxi and Yunnan, which can be divided into 16 lithium metallogenic belts. The main types of lithium deposits can be divided into the brine, hard rock, and clay types. Brine-type lithium mines can further be divided into salt lake-type and underground brine-type sub-types. Salt lake-type lithium mines are mainly distributed in Qinghai and Tibet with huge reserves. In contrast, underground brine-type lithium mines are distributed primarily in the Sichuan Basin and the Qianjiang Depression, much fewer in numbers than those of the salt lake type. The hard rock lithium deposits in China can further be divided into pegmatite-type and granite-type sub-types. Pegmatite-type lithium deposits are developed primarily in the Altai, Altyn Tagh, West Kunlun, West Sichuan, Himalayan, East Qinling, and Nanling regions. The metallogenic epochs span from Yanshan, Indosinian to Caledonian. Granite-type lithium deposits are mainly developed in the Wuyi, Nanling, Jiangnan, and Xingmeng orogenic belts, and the metallogenic epoch is primarily the Yanshan period. Clay-type lithium deposits have great metallogenic potential in the central Yunnan, Guizhou, and Guangxi. The major Li-bearing mineral of pegmatite-type deposits is spodumene with a high grade of Li, easy to be mined. Most salt lake-type lithium deposits are high Mg/Li ratio in China, except for a few carbonate-type salt lake lithium deposits such as the Zabuye and the Jiezechaka. The techniques of lithium extraction from brine mines are complicated and of high costs. Clay-type lithium deposits cannot yet be mined in China because industrial extraction technique is still unavailable. Even so, once a breakthrough in the extraction techniques of this lithium type is made, the clay-type lithium deposits would be significant prospect for utilizability.

lithium deposit; salt lake type; pegmatite type; distribution of ore deposits; extraction techniques

2022-05-03;

2022-07-08;

2022-09-13

新疆维吾尔自治区科技重大专项、重点研发任务专项(2019B00011、2020A03005)、国家自然科学基金项目(91962215、41972088)和广东省科技计划项目(2020B1212060055)联合资助。

王核(1966–), 研究员, 博士生导师, 主要从事成矿预测方面研究。E-mail: wanghe@gig.ac.cn

P617; P618

A

1001-1552(2022)05-0848-019

10.16539/j.ddgzyckx.2022.05.002