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0 引言
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随着1995年京都议定书、2015年巴黎协定以及联合国可持续发展目标等相关国际条约的签订，全球主要国家开始寻求替代传统能源的新兴能源，由于锂具有高能量密度、高电压、低自放电率等优良的物理化学性质（胡晓君和李欢，2021），使锂成为新兴能源市场不可或缺的材料，更是由于其地位突出，被誉为“白色石油”和“影响世界进程的金属”。
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近年来不同学者对世界锂矿资源的矿床类型进行了划分，一些学者将锂矿床划分为卤水型和硬岩型两个大类（李建康等，2014；孔会磊等，2023），卤水型又可以分为盐湖卤水型和地下卤水型等亚类；硬岩型可进一步划分为伟晶岩型、花岗岩型、云英岩型等亚类。吴西顺等（2014）将锂矿床划分为花岗伟晶岩型、卤水型、沉积型3类。也有学者将锂矿床按产出环境划分为花岗伟晶岩型，亦是硬岩型包含花岗岩型和伟晶岩型两种子类；黏土型，亦是软岩型包含火成岩黏土型和沉积岩黏土型两种子类；卤水型，包含盐湖型、深层卤水型和地热卤水型 3 个子类（何兰芳等，2023）。更有学者参考国际国内锂矿床类型，将锂矿床划分为盐湖卤水型、伟晶岩型、黏土型、锂沸石型、其他卤水型和离子吸附型共 6 类（隰弯弯等，2023）。其中的卤水型锂矿因其储量较大，开采方式相对简便等优点而备受青睐。
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前人针对伟晶岩型锂矿从遥感、地质、地球化学等方面进行了大量的研究工作。London（2008）将伟晶岩定义为一种基本上是火成岩，通常由花岗岩组成，与其他火成岩的区别在于其极其粗糙但可变的粒度，或具有骨骼、文象结构或其他强烈定向生长习性的大量晶体。Černý（1990，1991）根据伟晶岩的化学性质和稀有金属丰度将其分为 3 类，分别是 LCT型、NYF型及 LCT+NYF 混合型。LCT型伟晶岩富集稀有元素 Li、Rb、Cs、Be、Ga、Sn、Ta>Nb等，其中主要含锂矿物包含有锂辉石、磷锂铝石、透锂长石、锂霞石以及锂云母等；NYF型伟晶岩富集有Nb>Ta、 Ti、Y、REE、Zr、Th、U及F等（孔会磊等，2023）。由于伟晶岩与花岗岩或者淡色花岗岩间具有同源性，同时伟晶岩与其多数围岩片岩或者片麻岩间具有相近的物理性质，另外由于伟晶岩岩体规模要相对小得多。基于以上两点很长一段时间伟晶岩被认为是地球物理无感体（Trueman and Černý，1982； Steiner，2019）。近年来不少学者在伟晶岩型锂矿的勘查中运用地面重力、地面磁法、激电法（时域、频域）、音频大地电磁测深、高密度电法测量、放射性氡气测量等方法进行了尝试（马圣钞等，2020；黄理善等，2023；魏新昊等，2023；杨元良等，2023），取得了不错的勘探效果，但多数仅针对特定矿区利用一到两种物探方法解决矿区勘查问题，不能全面了解伟晶岩、伟晶岩型锂矿物性特征，同时不能全面了解各类物探方法的勘查效果。
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为方便更多读者了解伟晶岩、伟晶岩型锂矿物性特征，降低勘查过程中试错成本，解决物探方法在伟晶岩型锂矿勘查过程的适用性问题。本文首先利用欧洲伟晶岩岩石物理数据库 EuroPeg（Haase and Pohl，2020）以及尼日利亚某锂矿勘查、安哥拉某金矿勘查过程中实测物性参数，对伟晶岩类岩矿石物性特征进行分析，最后介绍了尼日利亚某锂矿物探方法实验结果，并为读者在进行伟晶岩型锂矿勘查过程中物探工作方法选择提供了建议。
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1 标本物性分析
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目前 EuroPeg 数据库中含有标本物性数据 147 条，包含有角闪岩、伟晶岩、云母片岩、花岗片岩、斑状花岗岩、硅质碎屑变质沉积岩、片岩共7种岩性类别（图1），其中伟晶岩占比50%，其次为斑状花岗岩为 22%，花岗片岩和角闪岩占比均为 9%，其余岩性占比相对较少。标本分别来自奥地利、爱尔兰、挪威、葡萄牙和西班牙等国家的手标本或钻孔岩心。
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图1 EuroPeg数据库中岩性占比统计
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1.1 密度
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重力勘探以岩石密度差异为基础，可以在陆域、海域和空域进行，同时其在以下方面有着广泛的应用（管志宁等，2002；杨亚斌等，2022；任政勇等，2023）：（1）划分大地构造单元、研究结晶基底起伏；（2）圈定与围岩有明显密度差异的隐伏岩体、追索断裂带及覆盖区地质填图；（3）确定沉积盆地边界、寻找有利于能源矿床储存的局部构造；（4）通过直接或间接的方式发现隐伏金属矿体等地质调查、能源地质、矿产地质。何兰芳等（2023）引述了Srinivasarao et al. 报道的印度西南“Western Dharwar”克拉通萨尔古尔片岩带“Marlagalla-Allapatna”岩体的微重力勘探成果，通过二维模拟预测伟晶岩的维度和埋深，钻探验证在角闪岩中发现了重力预测的伟晶岩。
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EuroPeg 数据库中密度统计结果（图2）显示伟晶岩与花岗片岩、斑状花岗岩、片岩间密度差异较小，平均值在 2.67 g/cm3 左右、中位数 2.64 g/cm3。硅质碎屑变质沉积岩和云母片岩略高密度平均值，分别为 2.76g/cm3 和 2.81 g/cm3、中位数 2.64 g/cm3 和 2.83 g/cm3。角闪岩密度最高达到3.07 g/cm3、中位数 3.05 g/cm3。伟晶岩密度相对低，但伟晶岩与其常见围岩（片岩、花岗岩）等密度接近，其中含锂辉石伟晶岩有 30块，密度平均值为 2.72 g/cm3，略高于整体平均数。虽然伟晶岩密度相对较低，但不能完全以 “重力低”代表伟晶岩的地球物理找矿标志。
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图2 标本密度统计柱状图（数据据EuroPeg）
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1.2 磁化率和剩磁
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磁法勘探不仅可以在地面、空中及海洋进行，同时也能在井中进行。磁法勘探与重力勘探在原理与工作方法上有很多相似之处，但由于磁极有两个，相对于重力异常磁异常要复杂一些。在矿产勘查领域，磁法能运用于与铁磁类矿床有关的磁铁矿 （张亚东等，2014；孙进等，2021），也能利用磁测查找在空间上或成因上与成矿有关的地层、构造、岩浆岩、蚀变带、矿化带等控制因素，达到间接找矿的目的（安战锋等，2017；范剑等，2017；程华等， 2020）。范俊波（2019）通过重磁测量间接了解了甲基卡稀有金属矿区深部的穹隆构造、岩体分布特征，为矿区的成矿潜力评估提供了依据。
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图3 标本磁化率统计柱状图（数据据EuroPeg）
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图4 标本剩余磁化强度统计柱状图（数据据EuroPeg）
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标本磁化率统计结果显示伟晶岩磁化率最高达到 24088×10-6 SI（图3、图4），对细分的 LCT 和 NYF 型伟晶岩单独计算磁化率参数，LCT 型伟晶岩磁化率平均值为 215×10-6 SI、中位数 165×10-6 SI， NYF 型伟晶岩磁化率平均值为 75984×10-6 SI、中位数 524×10-6 SI。伟晶岩剩余磁化强度平均值为 1309 mA/m，同样对细分的 LCT 和 NYF 型伟晶岩单独计算，发现LCT型伟晶岩的剩磁为17 mA/m、中位数 8 mA/m，NYF 型伟晶岩的剩磁为 4118 mA/m、中位数19 mA/m。表明LCT型伟晶岩表现为低磁或抗磁性，而部分含有暗色矿物的NYF型伟晶岩具有相对高的磁性。
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1.3 电阻率和极化率
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电法勘探以岩（矿）石的电性差异为基础，其方法种类较多。从电场的形式进行分类，可以将电法勘探分为两类，分别为传导类电法和感应类电法。电阻率和极化率是电法勘探的重要参数，表1 为尼日利亚某锂矿勘查过程中电阻率和极化率参数特征统计，其中伟晶岩呈高阻特征，电阻率平均值为 7274 Ω·m、中位数 4884 Ω·m，含锂伟晶岩电阻率略低为 5361 Ω·m、中位数 2506 Ω·m，来自 EuroPeg 数据库的伟晶岩电阻率平均值为 6571 Ω·m、中位数 6903 Ω·m。各岩性极化率值均不高，属中低极化率，尼日利亚实测伟晶岩和含锂伟晶岩极化率平均值分别为 1.88%、1.55%（中位数 1.61%、1.48%），相对于欧洲地区伟晶岩极化率 0.89%（中位数 0.27%） 要高一些。
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表2为安哥拉某金矿勘查过程中电阻率和极化率参数特征统计，标本测定方法为露头小四极法。其中伟晶岩脉电阻率平均值为 14274 Ω·m、中位数 9467 Ω·m，相较于欧洲与尼日利亚电阻率数据要高很多。极化率平均值为 1.05%、中位数 0.89%，同样属于中低极化率，由此可见伟晶岩具“高阻中低极化率”的电性特征。
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注：数据据EuroPeg。
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1.4 放射性元素含量
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放射性测量广泛应用于地质填图、矿产勘查尤其是放射性元素圈定以及寻找热液蚀变区域。从统计结果可以看出（表3），伟晶岩、斑状花岗岩、花岗片岩K、U、Th放射性元素含量接近。伟晶岩与角闪岩、云母片岩、硅质碎屑变质沉积岩、片岩存在一定差异，但差异并不明显。就此份数据样本而言，利用放射性测量方法以区分伟晶岩与其他围岩存在一定难度。
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2 测井物性分析
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据 EuroPeg数据库中地球物理测井物性参数统计情况（表4），自然伽马、电阻率、极化率、磁化率、纵波波速 Vp、横波波速 Vs等参数伟晶岩（PEG）与斑状花岗岩（GRN）差别均不大，其中伟晶岩电阻率平均值较高，达到 9283 Ω·m、中位数 8367 Ω·m，伟晶岩极化率平均值为0.84%、中位数0.40%，Vp、Vs波速平均值分别为5331 m/s、2983 m/s。
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3 物探方法实验
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在尼日利亚某锂矿矿脉位置处进行物探地面高精度磁法测量、时间域激发极化法激电中梯测量、音频大地电磁测深测量实验，实验剖面命名 SY1，剖面长度1000 m，方位角59°，伟晶岩脉位于剖面中间部位宽80 m左右，倾角75°，地表除少量地段出露铁质砾岩外，大部分均为第四系冲洪积物，第四系冲洪积物下为云母片岩（图5、图6）。
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激发极化法在寻找具有激发极化效应的金属矿产方面具有非常好的效果，多金属硫化物及石墨具有很强的激发极化效应，在金属矿勘查过程中石墨和黄铁矿是主要干扰因素。中间梯度法是激发极化法测量多种装置形式的一种，该装置形式工作效率高，具有快速发现、追索和圈定异常分布范围的能力。音频大地电磁测深法是在大地电磁测深 （Magnetotelluric，MT）的基础上，对 n×10-1～n×104 Hz 范围内音频段电磁波进行研究从而形成的电磁勘探类方法。
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在SY1实验剖面上进行地面高精度磁法测量工作，剖面长度1000 m，点距20 m，接近伟晶岩脉地段点距加密到 10 m，测量过程中使用多台仪器，分别采用探头高度为 1 m、1.5 m 及 2 m 进行测量。选择 2 m范围内北、西、南、东 4个方向上场值变化小于 2 nT的地点作为基点，进行日变观测。对所取得数据进行日变改正、基点改正、正常场改正和高度改正后计算求取磁异常△T数据并绘制成为曲线图。
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SY1 地面高精度磁测△T 异常曲线图显示（图7），3 条异常曲线形态相近，但是图7a（探头高度 1 m）与图7b（探头高度 1.5 m）测点数据跳动更加严重，而图7c（探头高度 2 m）异常曲线更加平滑。剖面绝大多数测点场值在-40~0 nT变化，表明剖面内磁场较弱，无明显含有铁磁性矿物的脉体存在。伟晶岩脉范围内无明显磁异常。在 124~128 点及 156 点附近的两处负磁异常，推断与音频大地电磁测深图中推断解译的F1与F2断层相关。
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激电中梯法剖面测量长度同样为 1000 m，点距为 20 m，同时取得视电阻率和视极化率两种参数。视极化率曲线波状起伏（图8a），场值在 1.5%~3.5% 变化，伟晶岩脉左右两侧出现相对高视极化率异常，两处异常均呈山峰状，伟晶岩脉位置处视极化率场值降低，为曲线“山谷”地段。视电阻率场值由大号点及小号点方向同时向中部增高的趋势，场值在 800~3400 Ω·m 变化。伟晶岩脉两侧位置视电阻率曲线正常波动起伏，进入伟晶岩脉地段后曲线变得陡峭，场值增加，异常曲线呈山峰状，异常最高值 3400 Ω·m 左右。可见伟晶岩脉呈“高阻中低极化” 特征。
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AMT 剖面测量采用加拿大凤凰公司 MTU-5A 仪器进行，长度 1000 m，点距 40 m。从音频大地电磁测深反演断面图（图8b）可以看出，50 m以浅电阻率场值较低，场值在 250 Ω·m 左右，随着深度的增加，电阻率场值亦逐渐增大。根据异常形态在伟晶岩脉附近解译推断出异常两处（YC01 和 YC02），异常中心电阻率场值在 30000 Ω·m 左右，其中 YC01 异常与伟晶岩脉倾向一致，并且异常深部倾角变缓，其深部与 YC02号异常存在连为一体的可能性。在伟晶岩脉左右两侧各解译出断层 1 条，编号分别为F1、F2。
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图5 SY1伟晶岩脉图片
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图6 SY1地质剖面图
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图7 SY1地面高精度磁测△T异常曲线
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a—探头高度1 m；b—探头高度1.5 m；c—探头高度2 m
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图8 SY1激电中梯曲线（a）及音频大地电磁测深反演断面图（b）
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4 结论与探讨
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4.1 物性特征结论
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通过对欧洲 EuroPeg伟晶岩地球物理数据库及自测物性参数的特征分析得出如下结论：
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（1）伟晶岩密度平均值为 2.67 g/cm3，含锂辉石伟晶岩密度平均值为 2.72 g/cm3，略高于整体平均数，虽然伟晶岩密度相对较低，但不能完全以“重力低”代表伟晶岩的地球物理找矿标志。如伟晶岩脉或岩体产出于密度更低的新地层中，可能会出现伟晶岩脉或岩体的相对“重力高”现象。
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（2）分析标本磁化率和剩磁物性参数，表明LCT 型伟晶岩表现为低磁或抗磁性，而部分含有暗色矿物的 NYF 型伟晶岩具有相对高的磁性。因此 LCT 型伟晶岩具有“低磁”特征，NYF 型伟晶岩具有“高磁”特征。
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（3）通过分析来自 EuroPeg数据库、尼日利亚与安哥拉的物性标本参数，三地标本中伟晶岩电阻率为5×103~15×103 Ω·m量级，与同地区其他岩性相比均为中高阻。三地伟晶岩极化率平均值在 0.89%~1.88% 变化，与同地区其他岩性相比均为中低极化率。因此伟晶岩具“高阻中低极化率”的电性特征。
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4.2 方法选择探讨
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根据物探方法实验结果结合物性参数特征，在进行隐伏伟晶岩脉勘查时，重磁方法可有条件地应用于伟晶岩脉或岩体的勘查，如伟晶岩脉（体）与围岩具有明显的密度或者磁性差异，此时重磁方法可以进行直接勘查，或应用于辅助识别矿区构造的间接勘查。应慎重选择激发极化法进行伟晶岩脉 （体）的勘查，只凭电阻率“高阻”特征不能断定异常由伟晶岩脉（体）产生。如能产生围岩具“高极化” 特征的环境，形成与伟晶岩脉（体）在极化率参数方面的反差，此时将大大提升此种方法的应用效果。对已发现伟晶岩脉（体），为了解其产状、形态、埋深等，应用音频大地电磁测深法具有较好的效果。以此类推，激电测深、高密度电法、EH-4 电磁测深以及可控源大地电磁测深（Control Source Audio Magnetotelluric Method，CSAMT）等测深类物探方法均能应用于伟晶岩脉（体）的勘查，但 AMT、CSAMT 类电磁测深方法勘探深度大，在浅地表勘探效果相对要差一些。
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物探方法以岩矿石间物性差异为基础，根据密度、磁性、电性、波动性、放射性等物性差异，发展出重力、磁法、电法、地震、放射性等几大类物探方法。在确定成矿有利地段，研究控矿层位或控矿构造，了解矿体空间形态尤其是隐伏矿体的定位及空间形态等方面物探具有十分重要的作用。提前掌握勘查目标体的物性特征，选择对目标地质体有效的物探方法，才能在矿产勘查过程中达到事半功倍的效果。
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摘要
随着锂金属需求量不断增加，锂矿勘探与开发也越来越受到重视。由于伟晶岩与多数围岩物性差异较小，并且它的规模又相对小，导致很长一段时间伟晶岩地球物理勘查应用较少。近年来不少学者在伟晶岩型锂矿的勘查中运用各种物探方法进行了尝试。为方便更多读者了解伟晶岩、伟晶岩型锂矿物性特征，降低勘查过程中试错成本，解决物探方法在伟晶岩型锂矿勘查过程的适用性问题。本文结合欧洲伟晶岩岩石物理数据库“EuroPeg”以及尼日利亚某锂矿勘查、安哥拉某金矿勘查过程中实测物性参数，对伟晶岩类岩矿石物性特征进行分析，展示了多方面的物性特征，并在尼日利亚某锂矿进行了物探方法实验。最终认为在对隐伏伟晶岩脉或岩体进行勘查时，应以目标地质体与围岩的物性特征为基础，合理选择物探方法；根据本文实验成果，建议有条件地应用重磁方法，慎重选用激发极化法，音频大地电磁测深法 （Audio Magnetotelluric，AMT）在解剖伟晶岩脉或岩体的产状、形态等方面具有较好的效果。
Abstract
More and more attention has been paid on the exploration and development of lithium ores as the demand for lithium metal grows constantly. For a very long time, there has been little application of geophysical exploration for pegmatite, due to the small physical property difference between pegmatite and most other surrounding rocks as well as a relatively small pegmatite scale. For the past few years, many scholars have made efforts to use various geophysical prospecting methods in the exploration of pegmatite-type lithium ore. This paper aims to facilitate more readers to understand the physical properties of pegmatite and pegmatite-type lithium ore, to reduce the trial-and-error cost during exploration, and to solve the problem with the applicability of geophysical prospecting methods during the exploration of pegmatite-type lithium ore. In this paper, the physical properties of pegmatite-type rock ores are analyzed, various physical properties are presented, and the experiments on geophysical prospecting methods have been carried out in a lithium mine of Nigeria, based on the "EuroPeg", a petrophysical database of pegmatite ores in Europe, and the physical parameters measured during the exploration of a lithium mine in Nigeria and a gold mine in Angola. Finally, it is considered that the buried pegmatite vein or rock mass shall be explored using proper geophysical prospecting methods based on the physical properties of the target geologic body and surrounding rocks. On the basis of the experiment results in this paper, it is recommended to apply the gravity and magnetic method conditionally and to adopt the induced polarization method cautiously. Good effects have been obtained using the audio magnetotelluric (AMT) method in dissecting the pegmatite vein, occurrence and forms of rock mass, etc.
Keywords
pegmatite ； lithium ore ； physical properties ； method experiments
