魯西地區石炭-二疊系鋰鍺鎵含礦特征及綜合利用遠景

王會韜，李建，高繼雷，張夢雪

(1.臨朐縣自然資源發展有限公司，山東 臨朐 262600；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250110;3.山東省富鐵礦勘查技術開發工程實驗室，山東 濟南 250110)

0 引言

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

山東省石炭-二疊紀煤系、鋁質巖系層位中含有鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素，但針對鋰、鍺、鎵等稀散元素進行普查工作做的較少，據報道在章丘-淄博G層鋁土礦床內賦存鎵并查明伴生鎵資源量6214 t，預測鎵資源量15319 t，其他地區煤系、鋁質巖系地層中富含的鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素未進行普查評價。本文主要討論了魯西地區石炭-二疊紀煤系地層、尤其是可采煤層及頂底板中鋰鍺鎵的成礦地質特征及分布情況，為鋰、鍺、鎵等稀有、稀散元素資源的綜合開發利用提供方向(1)山東省第一地質礦產勘查院，魯西地區鋰鍺鎵礦資源調查評價報告，2022年。。

1 地質概況

魯西地區是指省內沂沭斷裂帶以西、齊廣斷裂以南的地區[8]。石炭-二疊紀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，在煤炭開采時共同產出的具有工業價值或工業利用前景[10-14]。

魯西地區石炭-二疊紀地層，包含月門溝群和石盒子群。為一套“陸緣—濱海”相沉積巖層，成礦時代為晚石炭世本溪期和中二疊世梁山期。根據其巖石組合特征進行劃分，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，從區域上看由北而南厚度有逐漸增厚之特點。巖性以鋁土巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖及煤層為主，發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、淄博一帶發育較好，而山西組煤層在濟寧、棗莊一帶發育較好。

本溪組主要由黃綠色、灰色等鐵鋁質泥巖、黏土巖及灰到深灰色厚層泥晶生物碎屑灰巖組成，夾砂巖和1～3層不穩定煤線，底部普遍發育G層鋁土巖，厚度一般8～20m。構成工業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沉積，是山東省重要的含煤地層，含煤8～20層(編號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巖組成的巖石組合，南部偶見有煤線。據巖石組合特征，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，區域分布較為穩定，含煤線。奎山組、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、稀散元素評價指標的選擇

2.1 調查區資料收集及取樣情況

依據含煤盆地單元、構造特征等地質因素，將研究區域共劃分了5個重點調查區，分別為聊城、泰安、萊蕪、濟寧、菏澤重點調查區。共收集了與煤礦、鋁土礦及有關鋰、鍺、鎵礦評價的勘查報告307份，其中多數報告為煤礦和鋁土礦礦產勘查成果報告。取樣鉆孔主要分布在各重點調查區的中心位置或以往工作對鍺和鎵進行伴生礦產評價的礦區，所采樣品為保留的鉆探工程的巖心，采樣層位為含煤地層(包括煤層頂底板泥巖、粉砂巖、細砂巖和灰巖)、鋁土礦、鋁土巖和黏土巖。具體為聊城陽谷-茌平煤田2孔(圖1)。濟南章丘煤田2孔，泰安新汶煤田1孔，菏澤巨野煤田1孔，濟寧煤田1孔。另外，對淄博潘西煤礦、淄博鋁土礦和菏澤徐樓煤礦進行了煤樣、煤礦頂底板巖石、鋁土巖等進行了撿塊。

1—研究區范圍；2—重點調查區范圍；3—煤田分布范圍；4—鋁土礦分布范圍；5—省級界限；6—地級市界限；7—市政府駐地；8—取樣鉆孔位置圖1 重點調查區劃分及取樣鉆孔分布圖

2.2 評價指標選擇

評價指標以鋰120×10-6[15-17]、鍺10×10-6[18]、鎵30×10-6[19]為達到煤礦伴生礦產條件進行評價，以鋰233×10-6[15-17](Li2O≥0.05%)、鎵20 ×10-6為達到鋁土礦伴生礦產條件進行綜合評價。

3 鋰鍺鎵的分布特征及找礦靶區的圈定

3.1 根據搜集資料情況統計

聊城重點調查區黃河北煤田長清井田鍺能達到煤伴生品位，位于7煤層，含量最高為13.35×10-6；泰安重點調查區肥城煤田鍺部分能達到伴生品位，含量均不高，鎵含量最高為110×10-6；萊蕪重點調查區萊蕪煤田鄂莊煤礦鍺能達到伴生品位，為13.70×10-6，在淄博地區鋁土礦中提交了鎵伴生資源量；濟寧重點調查區藤縣煤田鍺品位最高33.69×10-6，濟寧煤田鍺品位最高27.2×10-6，鎵只說明了達到了綜合利用價值，未對品位給出具體數據；菏澤重點調查區巨野煤田鍺品位最高13×10-6，鎵品位最高32×10-6。

3.2 根據本次取樣情況統計

聊城重點調查區陽谷-茌平煤田ZK1606鉆孔編錄巖心長度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。泰安重點調查區新汶煤田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煤層頂底板、夾石及中間地層，未采集到煤樣。鋰最高品位144.40×10-6，鎵最高品位38.60×10-6。萊蕪重點調查區王莊礦區的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。達到了煤礦伴生礦產綜合利用條件。濟寧重點調查區濟寧煤田的濟二鉆孔。編錄長度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底板的泥巖中，不含煤層，所取樣品件均未達到可利用條件。菏澤重點調查區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 各重點調查區工作情況及礦化特征統計

4 鋰鍺鎵元素富集的控制因素

魯西地區成礦時代為晚石炭世和中二疊世，含礦地層為石炭紀-二疊紀地層，包含月門溝群和石盒子群，為一套“陸緣-濱海”相沉積巖層。富鋰黏土是下伏碳酸鹽地層經過長期的風化—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境下，受黏土物質和游離二氯化硅所吸附[21]。

總結本次所有取樣分析結果，結合萊蕪潘西煤礦井下不同巖性取樣分析結果(表2)顯示，鋰和鎵主要分布在石炭-二疊紀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系，煤中鋰、鎵的成礦主要與鋁的含量密切相關，表現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則主要與有機質結合，表現為與煤礦伴生。

表2 潘西煤礦井下不同巖性分析結果一覽表

5 找礦靶區的優選及特征要素

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

5.1 淄博鋁土礦鎵找礦靶區(A類)

該靶區位于淄博市東部，灃水—湖田一帶，面積約387km2。

該找礦靶區石炭-二疊紀地層發育，成礦地質條件優越。尤其是該區鋁土礦層發育，礦層主要賦存中于本溪組湖田段第二層鋁土礦，鋁土巖、鋁土頁巖，呈層狀、似層狀。其中在湖田礦區、灃水礦區和北焦宋中部礦區均提交了伴生資源量。

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

5.2 肥城煤田鎵找礦靶區(C類)

該靶區位于肥城市西北部，湖屯鎮—老城鎮一帶，面積約215km2。

該找礦靶區石炭-二疊地層發育，成礦地質條件優越。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4煤層鎵最高品位達110×10-6，未提交了伴生資源量。

上述情況均反映出該靶區具有一定的找礦前景，在該區開采煤層，需對鎵礦進行系統綜合評價并合理利用。

5.3 藤縣-濟寧煤田鍺找礦靶區(C類)

該靶區位于濟寧市南部，濟寧市南—張黃鎮—留莊鎮一帶，面積約1760km2。

該找礦靶區石炭-二疊紀地層發育，成礦地質條件優越。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4煤層鎵最高品位達110×10-6，未提交伴生資源量。鍺在藤縣煤田18上煤層、17煤層含量達邊界品位，最高值33.69×10-6，濟寧煤田中鍺在6煤層能達到邊界品位，最高值27.20×10-6。

6 結論

(1)通過對搜集鉆孔巖心的編錄與取樣測試工作得出，調查區內石炭-二疊紀地層中鋰元素的富集與鋁硅酸鹽礦物有著緊密的聯系，在煤系地層中未達到綜合利用價值；鎵元素在鋁土質巖石中較為富集，淄博地區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到綜合利用價值；鍺元素則主要在煤層中富集，在濟寧-藤縣煤田達到了綜合利用價值。

(2)共圈定了3個找礦靶區，具有一定的指導意義，建議加強對找礦靶區內稀有、稀散元素的綜合評價，以便進行綜合回收利用。

(3)鋰元素與鎵元素的富集與鋁硅酸鹽礦物有著緊密的聯系，鋁土礦、煤層頂底板的泥巖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。