en
×

分享给微信好友或者朋友圈

使用微信“扫一扫”功能。
目录contents

    摘要

    南美锂三角国家是近年来全球锂矿投资的热点区域,其中位于阿根廷西北部卡塔马卡省的Tres Quebradas盐湖锂矿是新近建成并投产的重要锂矿,但目前对该盐湖的地质特征及资源评价研究较少。文章通过综合分析该盐湖锂矿地质特征、探矿钻孔岩心编录以及地球物理数据解译,建立了6个富Li卤水地层单元,并以抽水试验为依据,分别对各单元Li品位、导水系数、渗透系数和给水度等参数进行了系统分析,结果表明该锂矿属于南美锂三角地区的优质盐湖锂矿。在此基础上,笔者进一步提出盐湖锂矿资源评价应以盐湖和盐类矿产地质勘查规范为指导,重点查明盐湖锂矿的控制条件与富Li卤水地层单元地质特征,并通过抽水试验构建导水系数与给水度等关键水文地质参数间的关联。

    Abstract

    The lithium triangle countries of South America have become a global hotspot for lithium resource investment in recent years. Among these, the Tres Quebradas Salar lithium project, located in the Catamarca Province of northwestern Argentina, is a recently completed and currently operating significant lithium brine mine. However, there is still limited research on its geological characteristics and resource evaluation. Through a comprehensive analysis of the geological characteristics of the brine lithium deposit, core logging from exploration drilling, and geophysical data interpretation, six lithium-rich brine aquifer units have been delineated. Based on pumping test results, key hydrogeological parameters, including lithium grade, hydroconductibility coefficient, permeability coefficient and specific yield (Sy) of each aquifer unit, were systematically analyzed. The results indicate that this deposit represents a high-quality salar-type lithium resource within the South American lithium triangle region. On this basis, the study further proposes that the evaluation of lithium resources in salars should adhere to the guidelines for the geological exploration of salt lakes and saline mineral deposits, with a focus on identifying the controlling factors of lithium mineralization and the geological characteristics of lithium-rich brine aquifer units. Additionally, pumping tests should be utilized to establish the relationships between key hydrogeological parameters such as hydroconductibility coefficient and specific yield, providing a scientific foundation for the development and utilization of saline lithium resources.

  • 世界正处于可再生能源革命之中,锂是用于高效储存能量的重要元素。用于制造电池锂的化合物主要为碳酸锂和氢氧化锂,伴随着前沿新能源、新材料与新药品3大新兴朝阳行业的迅速崛起,未来中国对锂的需求将持续快速增加(高峰等,2011;吴西顺等,2020)。南美锂三角国家由阿根廷、玻利维亚和智利3国组成,是全球锂资源最富集的区域(中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心,2021)。

    全球目前已经开发的锂矿资源主要分为2大类型,分别为卤水矿和硬岩型2大类,其中卤水锂矿在世界探明总资源量中占比达65%(吴西顺等,2024)。广义的卤水锂矿可分为3种类型:盐湖型、地热型(地下卤水型)和油田型3种(刘成林等,2021;郑绵平等,2023),其中盐湖型是卤水锂矿中最为重要的类型(苏彤等,2019)。全世界最重要的盐湖锂矿集中分布于南美洲西部的锂三角国家,这3个国家拥有世界上最大可从盐湖卤水中提取的锂资源,相当于全球锂资源的一半以上,南美的盐湖几乎均为硫酸型盐湖,Mg/Li比值较低,大部分著名盐湖的Mg/Li比值在10以下。智利和阿根廷分别是世界第二和第四大锂生产国,玻利维亚拥有世界上最大的尚未商业化开发的锂资源。这3个国家能够提供的锂资源前景广阔,但也存在巨大的挑战,迄今为止,每个国家都采取了不同的方式发展其盐湖锂业,其中智利的高准入门槛和玻利维亚的民族主义阻挡了投资者的脚步,相比之下,阿根廷对投资者的友好环境导致近期投资较为火热,例如,2021年紫金矿业集团股份有限公司收购了位于阿根廷西北部卡塔马卡省的Tres Quebradas盐湖锂矿项目,并建成投产。这3个国家的盐湖锂矿资源与投资环境简述见表1,主要盐湖概略地质特征见表2

    本文通过对阿根廷Tres Quebradas盐湖锂矿勘查过程中的关键要素进行分析,综合分析该盐湖锂矿地质特征、探矿钻孔岩芯编录以及地球物理数据解译,建立了6个富Li卤水地层单元,通过抽水试验,分别对各单元Li品位、导水系数、渗透系数和给水度等参数进行了系统分析,归纳总结了盐湖锂矿资源评价过程中需要重视的问题,希望能够为中国矿业公司对于此类型项目的并购或评价提供一些基础信息和指导建议。

    1 Tres Quebradas盐湖地质特征

    Tres Quebradas盐湖(以下简称TQ盐湖)位于阿根廷卡塔马卡省(Catamarca Province)西南地区,中心地理坐标:西经68°39.721′,南纬27°31.493′,湖面平均海拔4100 m。TQ盐湖包括3个永久性地表卤水体,从北向南依次为Laguna Tres Quebradas、Verde和Negra,整体面积大于100 km2图1),Laguna Tres Quebradas和Verde最大深度分别为2 m和1.5 m,整体外形呈串珠状盐湖。

    1.1地质背景

    安第斯造山带是活动大陆边缘的典型代表,其形成源于太平洋板块向南美板块的俯冲作用,导致南美大陆边缘遭受强烈的构造变形和地壳增厚,这一过程不仅产生了壮观的褶皱山系,还使得南美大陆向西不断增生,形成了中新生代的活动陆缘增生造山带(Coira et al., 1982; Ramos, 2005)。

    中生代至新生代期间,安第斯造山带继续演化,伴随着洋壳的持续俯冲,大规模的中酸性岩浆和火山活动成为这一时期的显著特征。特别是在40~30 Ma期间,Altiplano-Puna高原开始逐渐隆升,并在约15 Ma达到了现今3000~4000 m的海拔高度,这一过程对地质构造和地貌特征产生了深远影响(Isacks, 1988; Reutter et al., 1994; Allmendinger et al., 1997; Hudson et al., 2017)。高原的隆升不仅改变了地形,还影响了该地区的气候,形成了干旱至半干旱气候(Strecker et al., 2007)。这种气候与地质条件的结合,促使高原上形成了众多干旱内陆盆地(Bookhagen et al., 2008),其中一些盆地发育成了盐湖,形成了TQ等一系列世界级的卤水型锂矿床(Alonso et al., 1991; Bradly et al., 2013; Munk  et al., 2016; Meixner et al., 2020)。高原的大部分地区被新生代火山岩及其沉积地层所覆盖,而盐湖周边则主要发育中酸性熔岩及熔结凝灰岩,部分地区出露古生代基底(Schnurr et al., 2007; Wörner et al., 2018)。

    1.2盐湖盆地岩石地层

    TQ盐湖盆地基底主要出露二叠系,上覆古近系、新近系、第四系(图1、2),现从下而上将各主要岩石地层特征简述如下:

    二叠系El Cuerno建造Choiyoi组:大面积出露于湖体西部地区,属于中酸性-酸性火山岩序列,从北到南依次出露英安岩、流纹岩,斑状结构,主要矿物为斜长石、碱长石和石英斑晶,副矿物主要为角闪石,也可见到红色角砾状安山岩和安山岩斑岩,主要矿物为斜长石,走向近南北,倾向西,倾角约40°。

    古近系Los Aparejos建造:岩性主要为泥质、砂质、包含安山岩碎屑砾岩沉积岩。

    新近系Tamberías建造:大面积出露于湖体东部地区,岩性主要为砂质、粉砂质、凝灰质碎屑沉积岩,薄层状细砂岩-粗砂岩-致密砾岩过渡并交互出现,偶见石膏夹层,常被现代冲积物覆盖。

    新近系Tres Quebradas建造:主要为安山斑岩,局部可见中酸性岩脉穿插。

    新近系火山杂岩:在Laguna Verde和Laguna Negra西南部大量出露,岩性为基性-中基性熔岩或深成火山岩,颜色呈黑色或红色,通常可见气孔构造或冷凝边构造。

    新近系—第四系Cerro Nacimientos熔岩:岩性以斑状结构流纹岩、安山岩和玄武岩为主,基质中可见板状斜长石斑晶,偶见火山玻璃碎屑。

    第四系冲积物:主要为与盐湖表层冲积扇有关的河道沉积物,主要由未固结的冲积物和胶结物组成,具有一系列成分和粒度的不均一性,其成分从安山岩和玄武岩块到细砾和砂,甚至更细的蚀变矿物。最大的冲积扇出现在TQ盐湖的北部和西北部,与TQ和Salado河有关,西南部在Laguna Verde和Laguna Negra之间也出露有大型冲积扇。

    1.3盐湖盆地构造

    TQ盐湖盆地为一地堑构造(图1、2),湖体西侧主要出露二叠纪El Cuerno火山岩建造,湖体东侧主要出露新近纪Tamberías沉积岩建造,NNW-SSE向逆断层发育。

    1.4浅表卤水锂矿化特征

    浅表卤水采样数据分析表明,在北部Laguna 3Q湖区Li品位普遍超过500 mg/L,局部达到4000 mg/L,Mg/Li比值1.7左右。Li、K、Ba和B品位有向Laguna Tres Quebradas盐湖北部富集的趋势(图3),这与建立的富Li卤水地层单元Li品位模型相一致。Cl-离子在Laguna Tres Quebradas、Verde和Negra三个盐湖中分布相对均匀,Na+离子和SO₄²-离子浓度分布受岩盐(NaCl)和石膏(CaSO4·2H2O)矿物影响,有向南部Verde和Negra盐湖富集趋势(图4)。

    2研究方法和测试分析
    2.1富Li卤水地层单元

    富Li卤水地层单元的划分主要考虑盐湖几何形态、内部构造与控制条件等主要因素,通常通过钻孔与二维地震剖面层析解译联合分析建立。依据金刚石钻孔岩芯编录、循环钻孔岩屑编录和地球物理数据综合解译,TQ盐湖共建立了6个富Li卤水地层单元,整体厚度大于500 m,这6个单元为勘查和评价工作的重点,按照由上至下的沉积顺序,各富Li卤水地层单元主要地质特征简述如表3图5所示。

    在各富Li卤水地层单元中,超多孔岩盐(01HH)和多孔岩盐(03PH)单元在盐湖中心最厚,而上部沉积物(02US)单元在北部冲积扇附近最厚,向南变薄。块状岩盐(04MH)、下部沉积物(05LS)和扇砾岩(06FG)的厚度显示出向盐湖东部边界增厚趋势。

    2.2抽水试验

    勘查过程中进行过2种类型抽水试验,即3日抽水试验和19日抽水试验。其中,3日抽水试验钻孔有PB1-R2、PB1-R3、PB1-R4、PB1-R5、PB2-R7(PB3-R7)、PB1-R15(PB2-R15)、PB2-R17、PB1-R18和PB1-R23共计11个孔,19日抽水试验钻孔为PB1-R4,抽水试验钻孔分布如图6所示。

    抽水试验钻孔主要集中在TQ盐湖中部区域,重点针对01HH单元和02US单元进行,同时对03PH单元和04MH单元进行了少量的控制。其中,获得了7组01HH和02US混层单元水文地质参数、2组01HH和03PH混层单元水文地质参数和1组01HH、02US和03PH混层单元水文地质参数,单独获得了1组03PH单元水文地质参数和1组04MH单元水文地质参数,05LS和06FG单元目前没有抽水试验数据。从表4可知,01HH单元导水系数为10 215.1 m2/d,渗透系数为423.8 m/d,为强透水层,表层潜水位埋深较浅,适合矿山生产初期开采;02US单元导水系数为478.7 m2/d,渗透系数为8.7 m/d,为中等透水层;03PH单元导水系数为30.8 m2/d,渗透系数为0.3 m/d,为弱-中等透水层;04MH单元导水系数为0.009 m2/d,渗透系数为0.0003 m/d,为隔水性极好的隔水层;05LS和06FG单元无抽水试验数据并且埋藏较深、现阶段无法评价其渗透性和导水性,也无法评价其对卤水开采贡献。综合来看,现阶段只能将01HH单元作为主要含卤水开采层,其次为02US单元,其他4个单元由于缺少水文地质参数或属于隔水层或弱透水层,均需进一步研究判定。

    2.3给水度

    给水度(Sy)是在重力流动条件下,从相互连通的富含孔隙地层单元中获得可排放流体的产量比率,是进行卤水锂矿资源和储量估算的重要参数(顾新鲁等,2009;焦鹏程等,2016;赵全升等,2017;赵英杰等,2020;胡舒娅等,2022)。勘查过程中在6个不同水文地质单元内对304件样品进行了给水度(Sy)测试,样品的一般长度为0.1 m,统计分析如表5所示。

    表5可以看出,01HH单元给水度(Sy)值为14.7%,结合抽水试验结果平均渗透系数为423.8 m/d,进一步表明01HH单元为强透水层,给水度高。02US单元给水度(Sy)值为9.1%,平均渗透系数为8.7 m/d,相对于01HH单元偏低,其原因在于该单元中存在泥页岩夹层,导致该单元的实际给水度会较低。03PH、04MH和05LS单元的给水度(Sy)值均低于02US单元,其原因在于这3个深部单元碎屑岩夹层的反复出现,以及受再结晶作用和压实作用影响,深部单元的渗透性可能随着深度迅速降低。06FS单元结合地质来看属于孔隙度较高的单元,并且33个分析结果显示给水度(Sy)值为11.2%,高于上部的02US单元,将来有可能作为增加资源量的潜力单元。

    3资源量估算与分类

    盐湖锂矿资源评价要以盐湖和盐类矿产地质勘查规范(中华人民共和国自然资源部,2020)为指导,1个盐湖锂矿项目是否具有估算的资源量是评价该项目是否具有潜在经济可采性关键因素,高级勘探项目指的是具有探明的或控制级别资源量的盐湖卤水项目,这些项目已经进行了大量的地质、地球物理、钻探、样品分析、水文地质和抽水试验等工作,并根据一定的标准估算了盐湖锂矿的资源量。针对这种类型项目的资源量估算,主要考虑3个核心要点和1个基本条件,即:①富Li卤水地层单元的体积(V);②富Li卤水地层单元的给水度(Sy);③卤水中Li品位,同时也包含其他离子浓度比如钾或硼等。基本条件是足够的抽水试验,用来确定可靠的水力传导系数、导水系数与给水度。

    盐湖卤水锂矿的资源估算,一般情况下主要参考以下公式:

    锂金属的公式为:m(Li)=V×Sy×Li

    碳酸锂的公式为:m(LCE)=m(Li)×5.32

    公式中m(Li)为锂金属质量,V为富Li卤水地层单元体积,Sy为给水度,Li为锂品位,m(LCE)为碳酸锂质量。

    需要说明的是,盐湖锂矿资源量估算通常按体积法,可分为静态资源/储量和动态(给水度)资源/储量估算,一般情况下只考虑静态富Li卤水地层单元中Li品位,并不进行动态考虑,盐湖锂矿富Li卤水地层单元中Li元素品位估算可按照一般的地质统计学方法进行,具体步骤如下:

    (1) 勘探数据分析:分析每一富Li卤水地层单元中Li元素品位直方图,一般情况下不进行特高值处理。

    (2) 地质统计学分析:分析每一富Li卤水地层单元中Li元素品位的变异函数。

    (3) 块体模型:根据富Li卤水地层单元的实体模型建立块体模型。

    (4) 估值与交叉验证:按照普通克里金或距离反比法等方法对每一富Li卤水地层单元进行Li品位的估值,然后进行交叉验证其估值的精度;

    (5)Li品位的估计可在一般矿业软件中进行,也可在水资源软件中进行,但注意的是应尽量考虑分层的Li品位模型。在水资源软件中由于地质统计和分层插值等较难以实现,一般建议可以在矿业软件中完成后导入到水资源软件中。

    3.1 Li品位估算

    需要注意的是,一些盐湖锂矿仅通过浅表取样工作,显示出盐湖表面卤水或浅井中Li品位较高,但并没有进行深部钻探,通常情况下,这种高品位的Li矿化并不一定能够持续到深部含卤水层,因此,对于未开展地球物理勘探并进行深部钻探的盐湖锂矿项目一定要谨慎评价。

    另外,Mg/Li比值是衡量盐湖质量优劣的重要参数,工业界主要通过Mg/Li比值来评价各地盐湖锂矿的开发难度,盐湖的Mg/Li比值越高,工艺难度越大,主要原因是去除Mg离子难度极大,只能生产工业级碳酸锂,难以达到电池级碳酸锂。一般情况下,Mg/Li比值大于20的盐湖锂矿提取Li元素难度会加大,如若开发利用,则普遍存在工艺复杂,生产成本增高的问题。

    文章已有的利用24个金刚石钻孔、29个循环钻孔和41个湖水或地表样品共计204个数据,对TQ盐湖Li品位进行了估算,插值方法选取普通克里金法,各富Li卤水地层单元Mg/Li比值均小于10。

    按照Li的边界品位400 mg/L来看,6个单元的平均品位都高于边界品位:01HH单元Li平均品位为576 mg/L;02US单元Li平均品位为782 mg/L;03PH单元Li平均品位为525 mg/L;04MH单元Li平均品位为546 mg/L;05LS单元Li平均品位为726 mg/L;06FS单元Li平均品位为874 mg/L。与前述浅表层卤水矿化特征相类似,Li矿化向深部含卤水层延续,且矿化有富集的趋势,另外,Li矿化有向北部富集的趋势(图7)。

    3.2资源与储量分类

    盐湖锂矿资源和储量估算及其分类具有其专属特殊性,在资源分类标准方面需要依据水文地质的可靠性与Li品位的可靠性,而在储量分类中主要依据的是生产可靠性,以及能否建立有效的储量动态模型,工业实践中盐湖锂矿资源/储量分类广泛应用的要求如图8所示。

    TQ盐湖锂矿的资源估算采用了国际NI43-101标准进行公开披露和报告,报告碳酸锂当量总资源量约763万吨(Li边界品位400 mg/L),Li平均品位为786 mg/L。在充分考虑各富Li卤水地层单元的渗透率、水力传导系数和Li品位分布特征等关键因素后,对TQ盐湖锂矿资源建立了分类模型(图9)。

    4讨 论

    通过对TQ盐湖地质特征及资源评价研究可以看出,一般含Li卤水主要赋存于富Li卤水地层单元内,盐湖至少应由一个或多个富Li卤水地层单元组成,这些单元可能被隔水层隔开,富Li卤水地层单元可能是无承压、半承压或承压的。估算卤水资源/储量的前提是充分理解盐湖控制条件、卤水化学成分、富Li卤水地层单元孔隙度和给水度,以及富Li卤水地层单元水力传导系数等可能对资源/储量及可采性等方面产生影响的因素,这涉及到盐湖锂矿的地质勘查工作,这些工作既是盐湖锂矿勘查的核心,也是评价盐湖锂矿的重点。

    4.1盐湖锂矿控制条件

    查明盐湖锂矿的控制条件,对于了解卤水的水文地质,以及富Li卤水地层单元和卤水本身的动态水平衡非常重要,有助于正确评估卤水资源/储量。盐湖Li矿床的开采是个动态的过程,卤水抽取开采的同时受到集水盆地流入、稀释、咸水蒸发、和卤水密度阶梯差对卤水化学和卤水的流动等因素影响。确定盐湖控制条件,包含查明以下工作内容:

    (1) 区域水文地质条件与矿区水文地质条件的关系,地表水系的发育程度、河流的流域面积、径流长度、径流量、水化学成分以及水化学类型等。

    (2) 盐湖地表卤水(如存在)的深度、面积、湖底沉积物的组成及分布,以及多年湖水面积变化情况。记录地表水的分布范围和平水期、枯水期、洪水期的水位、流速、流量、水质、水深、多年最高洪水水位及其淹没范围等。

    (3) 查明盐湖基底地形,基底的地形会影响富Li卤水地层单元的水文、水平衡、孔隙度和渗透率,需要确定可能影响盐湖卤水运动和品位变化的山脊、断层和其他构造及地形特征等。

    (4) 地下水以及卤水的补给、径流和排泄条件,地表水与地下水的关系等。

    (5) 记录和收集盐湖区域年度的气象变化,包括日照、温度、降水、湿度、风速和蒸发等气象条件等。

    (6) 富Li卤水地层单元构造特征、封闭程度、赋存特征、富集规律、水力联系、封存条件,与基底与周边岩性的边界条件以及分布范围等。

    4.2富Li卤水地层单元地质特征

    盐湖锂矿富Li卤水地层单元地质特征及孔隙度、给水度、卤水化学成分等是评价盐湖锂矿最为重要的基础数据,主要包括以下几方面:

    (1)  需要了解富Li卤水地层单元和隔水层的岩性、厚度、结构、产状、层数等。

    (2) 分析各个富Li卤水地层单元和隔水层的孔隙度、有效孔隙度、给水度,以及各个富Li卤水地层单元之间的水力联系等。

    (3) 分析各个富Li卤水地层单元中卤水的化学成分、有用组分和有益有害组分。卤水的水化学类型(K、Na、Ca、Mg、C1、SO42-、CO32-、HCO3-、Li、B2O3、Rb、Cs、Br、I、PH值等)、矿化度、酸碱性、密度、组分变化及水平分带和垂直分异情况等。

    (4) 虽然一般情况下,盐湖中固体岩盐层结晶中可能不含锂或含锂品位非常低,因此绝大多数情况不用考虑当卤水浓度下降时,从岩盐中补充锂离子到卤水中的情况。

    4.3富Li卤水地层单元水力传导系数

    富Li卤水地层单元抽水试验是评价卤水资源、以及Li资源量转储量最为核心的关键因素,通过抽水试验工作确定以下参数:

    (1) 含Li卤水开采的水文地质条件,包括富Li卤水地层单元的富水性、导水系数或渗透参数、影响半径等相关水文地质参数,结合富Li卤水地层单元的介质、厚度、埋藏深度、水化学特征等进行可采技术条件分区。

    (2) 通过抽水试验,测定各富Li卤水地层单元的水力传导系数或导水系数、影响半径、弹性给水度、孔隙度、给水度、产卤量等参数。

    (3) 通过抽水试验确定隔水层的水力传导系数或越流系数等。

    (4) 对富Li卤水地层单元代表性地段布设长期观测孔,对卤水动态进行定期观测,每月观测一次,时间不少于一个水文年。

    5结 论

    (1)TQ盐湖面积大于100 km2,Mg/Li比值小于10,浅表卤水与深部富Li卤水地层单元Li矿化趋势相一致,Li平均品位大于500 mg/L,属于南美锂三角国家中的优质盐湖锂矿。

    (2) 通过系统分析TQ盐湖盆地的地质背景、岩石地层层序及盆地构造,依据金刚石钻孔岩芯编录、循环钻孔岩屑编录和地球物理数据综合解译,建立了该盐湖6个富Li卤水地层单元,总厚度大于500 m。

    (3)01HH单元平均厚度27 m,Li平均品位为576 mg/L,导水系数为10215.1 m2/d,渗透系数为423.8 m/d,给水度(Sy)值为14.7%,属于强透水层,给水度高。02US单元平均厚度54 m,Li平均品位为782 mg/L,导水系数为478.7 m2/d,渗透系数为8.7 m/d,给水度(Sy)值为9.1%,属于中等透水层,给水度较高。03PH、04MH和05LS单元累计平均厚度359 m,其导水系数、渗透系数为、给水度(Sy)值均低于01HH和02US单元。06FS单元平均厚度77 m,给水度(Sy)值为11.2%,高于上部的02US单元,具有巨大的增加资源量的潜力。

    (4) 盐湖锂矿资源评价应以盐湖和盐类矿产地质勘查规范为指导,重点查明盐湖锂矿的控制条件与富Li卤水地层单元地质特征,并通过抽水试验构建导水系数与给水度等关键水文地质参数间的关联。

    致谢评审专家对本文提出诸多宝贵意见和建议,提高了文章质量,在此表示感谢!


  • 参考文献

  • 参考文献

  • 您是第254375590位访问者  京ICP备05032737号-5  京公网 安备110102004559
    版权所有:《矿床地质》编辑部
    主管单位:中国科学技术协会 主办单位:中国地质学会矿床地质专业委员会 中国地质科学院矿产资源研究所
    地  址: 北京市百万庄大街26号 邮编:100037 电话:010-68327284;010-68999546 E-mail: minerald@vip.163.com
    本系统由北京勤云科技发展有限公司设计 
    手机扫一扫