王會(huì)韜，李建，高繼雷，張夢(mèng)雪

(1.臨朐縣自然資源發(fā)展有限公司，山東 臨朐 262600；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250110;3.山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250110)

0 引言

鋰作為一種新型且重要的能源戰(zhàn)略金屬，在鋰電池，新能源汽車，可控核聚變等領(lǐng)域發(fā)揮著顯著的作用[1]，是21世紀(jì)能源和輕質(zhì)合金的理想材料，被稱為推動(dòng)世界前進(jìn)的重要資源[2-3]。鍺不僅擁有僅次于硅的良好的半導(dǎo)體性質(zhì)，同時(shí)也是信息通訊和新能源領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)原材料，在光纖通訊、聚酯 PET 催化劑、高頻超高頻電子器件、紅外光學(xué)、太陽(yáng)能光伏電池、航空航天測(cè)控、核物理探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4-5]。鎵具有高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)、低蒸氣壓、反常膨脹等特點(diǎn)，是液態(tài)范圍最大的金屬[6]，鎵化合物(GaAs、GaN和Ga2O3)被廣泛應(yīng)用于無線通信、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、太陽(yáng)能電池和航空航天等眾多領(lǐng)域，被稱為“半導(dǎo)體工業(yè)的新糧食”[7]。

山東省石炭-二疊紀(jì)煤系、鋁質(zhì)巖系層位中含有鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素，但針對(duì)鋰、鍺、鎵等稀散元素進(jìn)行普查工作做的較少，據(jù)報(bào)道在章丘-淄博G層鋁土礦床內(nèi)賦存鎵并查明伴生鎵資源量6214 t，預(yù)測(cè)鎵資源量15319 t，其他地區(qū)煤系、鋁質(zhì)巖系地層中富含的鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素未進(jìn)行普查評(píng)價(jià)。本文主要討論了魯西地區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤系地層、尤其是可采煤層及頂?shù)装逯袖囨N鎵的成礦地質(zhì)特征及分布情況，為鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素資源的綜合開發(fā)利用提供方向(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，魯西地區(qū)鋰鍺鎵礦資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告，2022年。。

1 地質(zhì)概況

魯西地區(qū)是指省內(nèi)沂沭斷裂帶以西、齊廣斷裂以南的地區(qū)[8]。石炭-二疊紀(jì)是其最重要的聚煤期，集中了山東省90%以上的煤炭資源，100%的鋁土礦資源[9]。以往工作研究表明鋰、鍺、鎵可與煤共生或伴生在一起，在煤炭開采時(shí)共同產(chǎn)出的具有工業(yè)價(jià)值或工業(yè)利用前景[10-14]。

魯西地區(qū)石炭-二疊紀(jì)地層，包含月門溝群和石盒子群。為一套“陸緣—濱海”相沉積巖層，成礦時(shí)代為晚石炭世本溪期和中二疊世梁山期。根據(jù)其巖石組合特征進(jìn)行劃分，包括月門溝群和石盒子群。

(1)月門溝群：為一套海陸交互-陸相含煤巖系，與下伏奧陶紀(jì)馬家溝群平行不整合接觸，與上覆石盒子群整合接觸，自下而上劃分為本溪組、太原組和山西組。該群分布較廣泛，保存多較完整，從區(qū)域上看由北而南厚度有逐漸增厚之特點(diǎn)。巖性以鋁土巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及煤層為主，發(fā)育煤層是該套地層的主要特征，從含煤及開采性上看，太原組煤層在萊蕪、淄博一帶發(fā)育較好，而山西組煤層在濟(jì)寧、棗莊一帶發(fā)育較好。

本溪組主要由黃綠色、灰色等鐵鋁質(zhì)泥巖、黏土巖及灰到深灰色厚層泥晶生物碎屑灰?guī)r組成，夾砂巖和1～3層不穩(wěn)定煤線，底部普遍發(fā)育G層鋁土巖，厚度一般8～20m。構(gòu)成工業(yè)礦體者主要見于淄博盆地東北部，通常只形成一層礦，呈厚度不均的層狀或透鏡狀礦體，局部形成漏斗狀或者囊狀礦體。

太原組與本溪組為連續(xù)沉積，是山東省重要的含煤地層，含煤8～20層(編號(hào)18～4)，可采4～8層，即6、10、12、14、15、16、17、18煤層，主要可采煤層為16、17煤層。

山西組主要由灰—灰黑色粉砂巖、泥巖和灰白色、灰黃色砂巖組成，含煤2～4層(編號(hào)4-1)，可采1～2層，即2、3煤層，主要可采煤層為3煤層[4]。

(2)石盒子群：為一套陸相沉積的由黃綠色、灰綠色砂巖、紫紅色、灰紫色泥巖夾鋁土巖及灰黑色頁(yè)巖組成的巖石組合，南部偶見有煤線。據(jù)巖石組合特征，自下而上劃分為黑山砂巖段、萬山泥巖段、奎山砂巖段和孝婦河泥巖段。該組分布較廣泛，但除章丘、淄博一帶保存完整外，其余地區(qū)均遭受不同程度的剝蝕。

黑山組與萬山組主要以黃綠色、黃灰色為主，夾紫色陸相碎屑巖建造。萬山組上部層位中A層鋁土礦(該段下鄰層位中的鋁土礦稱為“B層”鋁土礦)作為含鋁巖石組合，區(qū)域分布較為穩(wěn)定，含煤線?？浇M、孝婦河組是以陸相為主的碎屑巖建造，厚約500m。含1～3層柴煤，局部可采。

2 稀有、稀散元素評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

2.1 調(diào)查區(qū)資料收集及取樣情況

依據(jù)含煤盆地單元、構(gòu)造特征等地質(zhì)因素，將研究區(qū)域共劃分了5個(gè)重點(diǎn)調(diào)查區(qū)，分別為聊城、泰安、萊蕪、濟(jì)寧、菏澤重點(diǎn)調(diào)查區(qū)。共收集了與煤礦、鋁土礦及有關(guān)鋰、鍺、鎵礦評(píng)價(jià)的勘查報(bào)告307份，其中多數(shù)報(bào)告為煤礦和鋁土礦礦產(chǎn)勘查成果報(bào)告。取樣鉆孔主要分布在各重點(diǎn)調(diào)查區(qū)的中心位置或以往工作對(duì)鍺和鎵進(jìn)行伴生礦產(chǎn)評(píng)價(jià)的礦區(qū)，所采樣品為保留的鉆探工程的巖心，采樣層位為含煤地層(包括煤層頂?shù)装迥鄮r、粉砂巖、細(xì)砂巖和灰?guī)r)、鋁土礦、鋁土巖和黏土巖。具體為聊城陽(yáng)谷-茌平煤田2孔(圖1)。濟(jì)南章丘煤田2孔，泰安新汶煤田1孔，菏澤巨野煤田1孔，濟(jì)寧煤田1孔。另外，對(duì)淄博潘西煤礦、淄博鋁土礦和菏澤徐樓煤礦進(jìn)行了煤樣、煤礦頂?shù)装鍘r石、鋁土巖等進(jìn)行了撿塊。

1—研究區(qū)范圍；2—重點(diǎn)調(diào)查區(qū)范圍；3—煤田分布范圍；4—鋁土礦分布范圍；5—省級(jí)界限；6—地級(jí)市界限；7—市政府駐地；8—取樣鉆孔位置圖1 重點(diǎn)調(diào)查區(qū)劃分及取樣鉆孔分布圖

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

評(píng)價(jià)指標(biāo)以鋰120×10-6[15-17]、鍺10×10-6[18]、鎵30×10-6[19]為達(dá)到煤礦伴生礦產(chǎn)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，以鋰233×10-6[15-17](Li2O≥0.05%)、鎵20 ×10-6為達(dá)到鋁土礦伴生礦產(chǎn)條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 鋰鍺鎵的分布特征及找礦靶區(qū)的圈定

3.1 根據(jù)搜集資料情況統(tǒng)計(jì)

聊城重點(diǎn)調(diào)查區(qū)黃河北煤田長(zhǎng)清井田鍺能達(dá)到煤伴生品位，位于7煤層，含量最高為13.35×10-6；泰安重點(diǎn)調(diào)查區(qū)肥城煤田鍺部分能達(dá)到伴生品位，含量均不高，鎵含量最高為110×10-6；萊蕪重點(diǎn)調(diào)查區(qū)萊蕪煤田鄂莊煤礦鍺能達(dá)到伴生品位，為13.70×10-6，在淄博地區(qū)鋁土礦中提交了鎵伴生資源量；濟(jì)寧重點(diǎn)調(diào)查區(qū)藤縣煤田鍺品位最高33.69×10-6，濟(jì)寧煤田鍺品位最高27.2×10-6，鎵只說明了達(dá)到了綜合利用價(jià)值，未對(duì)品位給出具體數(shù)據(jù)；菏澤重點(diǎn)調(diào)查區(qū)巨野煤田鍺品位最高13×10-6，鎵品位最高32×10-6。

3.2 根據(jù)本次取樣情況統(tǒng)計(jì)

聊城重點(diǎn)調(diào)查區(qū)陽(yáng)谷-茌平煤田ZK1606鉆孔編錄巖心長(zhǎng)度359.88m，取樣42件，鋰最高品位227.70×10-6，鎵最高品位41.50×10-6；ZK201鉆孔編錄巖心長(zhǎng)度643.68m，取樣41件，鋰最高品位143.00×10-6，鎵最高品位30.40×10-6。泰安重點(diǎn)調(diào)查區(qū)新汶煤田TC1鉆孔，巖心224.83m，見煤層5層，取樣38件，采樣覆蓋4煤層至15煤層頂?shù)装濉A石及中間地層，未采集到煤樣。鋰最高品位144.40×10-6，鎵最高品位38.60×10-6。萊蕪重點(diǎn)調(diào)查區(qū)王莊礦區(qū)的WZ鉆孔編錄巖心473.65m，見煤層7層，取樣33件，樣品主要分布在石炭-二疊系的黏土巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，不含煤層，鋰最高品位140.8×10-6，鎵最高品位55.9×10-6。位于西崇山的CK20-12鉆孔，編錄巖心200.38m，取樣43件，該鉆孔未見煤層，采樣巖性主要為泥巖，鎵最高31.90 ×10-6。在西崇山礦區(qū)煤層采取撿塊樣品3件，其中XCS-H2鋰品位133.27×10-6，XCS-H3鎵品位44.68 ×10-6。達(dá)到了煤礦伴生礦產(chǎn)綜合利用條件。濟(jì)寧重點(diǎn)調(diào)查區(qū)濟(jì)寧煤田的濟(jì)二鉆孔。編錄長(zhǎng)度832.45m，石炭-二疊系厚度734.82m，巖心536.43m，見煤層4層，取樣27件，樣品主要分布在煤層頂?shù)装宓哪鄮r中，不含煤層，所取樣品件均未達(dá)到可利用條件。菏澤重點(diǎn)調(diào)查區(qū)取樣鉆孔位于巨野煤田鐘樓煤礦的ZL鉆孔，巖心236.56m，見煤層5層，取樣38件，分布在2煤層—5灰之間的所有層位，包含煤層，鋰最高品位172.3×10-6，具體見表1。

表1 各重點(diǎn)調(diào)查區(qū)工作情況及礦化特征統(tǒng)計(jì)

4 鋰鍺鎵元素富集的控制因素

魯西地區(qū)成礦時(shí)代為晚石炭世和中二疊世，含礦地層為石炭紀(jì)-二疊紀(jì)地層，包含月門溝群和石盒子群，為一套“陸緣-濱?！毕喑练e巖層。富鋰黏土是下伏碳酸鹽地層經(jīng)過長(zhǎng)期的風(fēng)化—沉積作用而形成的，鋰是黏土演化的某些階段特殊物理化學(xué)條件下，被大量富集而成礦[20]；鍺主要呈鍺腐植酸鹽形式存在于煤中[21]；鎵是在鹽度較低的古環(huán)境下，受黏土物質(zhì)和游離二氯化硅所吸附[21]。

總結(jié)本次所有取樣分析結(jié)果，結(jié)合萊蕪潘西煤礦井下不同巖性取樣分析結(jié)果(表2)顯示，鋰和鎵主要分布在石炭-二疊紀(jì)煤系地層和含鋁土礦物地層中，煤中鋰、鎵的賦存與煤中的鋁硅酸鹽礦物也有著緊密的聯(lián)系，煤中鋰、鎵的成礦主要與鋁的含量密切相關(guān)，表現(xiàn)出隨黏土礦和鋁土礦層的形成，鋰和鎵含量同步增加，因此在鋁土巖和泥巖中鋰、鎵含量普遍較高。鍺在煤系地層中的賦存狀態(tài)則主要與有機(jī)質(zhì)結(jié)合，表現(xiàn)為與煤礦伴生。

表2 潘西煤礦井下不同巖性分析結(jié)果一覽表

5 找礦靶區(qū)的優(yōu)選及特征要素

本次工作共優(yōu)選出A類找礦靶區(qū)1 處，C類找礦靶區(qū)2處，分別為：淄博鋁土礦鎵找礦靶區(qū)(A類)，肥城煤田鎵找礦靶區(qū)(C類)，藤縣-濟(jì)寧煤田鍺找礦靶區(qū)(C類)。

5.1 淄博鋁土礦鎵找礦靶區(qū)(A類)

該靶區(qū)位于淄博市東部，灃水—湖田一帶，面積約387km2。

該找礦靶區(qū)石炭-二疊紀(jì)地層發(fā)育，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。尤其是該區(qū)鋁土礦層發(fā)育，礦層主要賦存中于本溪組湖田段第二層鋁土礦，鋁土巖、鋁土頁(yè)巖，呈層狀、似層狀。其中在湖田礦區(qū)、灃水礦區(qū)和北焦宋中部礦區(qū)均提交了伴生資源量。

上述情況均反映出該靶區(qū)具有一定的找礦前景，可在該區(qū)開展探槽揭露、鉆探深部控制等工作，系統(tǒng)查明伴生鎵礦資源情況。

5.2 肥城煤田鎵找礦靶區(qū)(C類)

該靶區(qū)位于肥城市西北部，湖屯鎮(zhèn)—老城鎮(zhèn)一帶，面積約215km2。

該找礦靶區(qū)石炭-二疊地層發(fā)育，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。肥城煤田太原組地層厚度128.00～240.00m，主要可采煤層9層(5上、5、6、7、8、9、101、102、11煤層)，煤層厚度9.81m；山西組地層厚度70.00～135.00m，主要可采煤層4層(1、2、3、4煤層)，煤層厚度7.32m。找礦靶區(qū)4煤層鎵最高品位達(dá)110×10-6，未提交了伴生資源量。

上述情況均反映出該靶區(qū)具有一定的找礦前景，在該區(qū)開采煤層，需對(duì)鎵礦進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)并合理利用。

5.3 藤縣-濟(jì)寧煤田鍺找礦靶區(qū)(C類)

該靶區(qū)位于濟(jì)寧市南部，濟(jì)寧市南—張黃鎮(zhèn)—留莊鎮(zhèn)一帶，面積約1760km2。

該找礦靶區(qū)石炭-二疊紀(jì)地層發(fā)育，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。藤縣煤田太原組地層厚度141.97～210.51m，主要可采煤層5層(12下、14、15上、16、17煤層)，煤層厚度3.76m；山西組地層厚度72.00～142.75m，主要可采煤層2層(3上、3下煤層)，煤層厚度6.97m。濟(jì)寧煤田太原組地層厚度150.30～193.58m，主要可采煤層6層(6、10下、12下、15上、16上、17上煤層)，煤層厚度4.58m；山西組地層厚度48.40～101.53m，主要可采煤層2層(3上、3下煤層)，煤層厚度6.36m。找礦靶區(qū)4煤層鎵最高品位達(dá)110×10-6，未提交伴生資源量。鍺在藤縣煤田18上煤層、17煤層含量達(dá)邊界品位，最高值33.69×10-6，濟(jì)寧煤田中鍺在6煤層能達(dá)到邊界品位，最高值27.20×10-6。

6 結(jié)論

(1)通過對(duì)搜集鉆孔巖心的編錄與取樣測(cè)試工作得出，調(diào)查區(qū)內(nèi)石炭-二疊紀(jì)地層中鋰元素的富集與鋁硅酸鹽礦物有著緊密的聯(lián)系，在煤系地層中未達(dá)到綜合利用價(jià)值；鎵元素在鋁土質(zhì)巖石中較為富集，淄博地區(qū)鋁土礦中提交了伴生資源量，也可在煤層中富集，肥城煤田煤層中鎵就達(dá)到綜合利用價(jià)值；鍺元素則主要在煤層中富集，在濟(jì)寧-藤縣煤田達(dá)到了綜合利用價(jià)值。

(2)共圈定了3個(gè)找礦靶區(qū)，具有一定的指導(dǎo)意義，建議加強(qiáng)對(duì)找礦靶區(qū)內(nèi)稀有、稀散元素的綜合評(píng)價(jià)，以便進(jìn)行綜合回收利用。

(3)鋰元素與鎵元素的富集與鋁硅酸鹽礦物有著緊密的聯(lián)系，鋁土礦、煤層頂?shù)装宓哪鄮r中鋰和鎵元素含量較高，粉砂巖次之，砂巖幾乎不含鋰和鎵礦化；鍺則主要在煤層中富集。