华北高锂煤中锂的赋存形态与同位素分馏机制：基于二次离子质谱的黏土矿物与有机质研究

为解决煤中锂富集机制及同位素分馏规律的科学问题，中国科学院研究人员通过二次离子质谱（SIMS）结合多种矿物分析技术（TIMA/SEM-EDS/FTIR/Raman），揭示了高锂煤中锂主要赋存于高岭石（浓度>1516 μg/g），且高变质煤中δ7Li同位素均一化现象与古地温相关，有机质锂则呈现显著同位素分馏。该研究为煤系锂资源勘探提供了关键理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，锂作为战略性关键金属的需求激增。传统锂资源主要来自盐湖和伟晶岩，但近年来华北煤田中发现的高锂煤（如沁水、宁武、准格尔等）开辟了新的资源途径。然而，煤中锂的富集机制和迁移规律仍不明确，尤其是黏土矿物与有机质对锂的捕获能力差异及同位素分馏效应缺乏直接证据。这一科学盲区制约了煤系锂资源的精准勘探与开发。

针对这一挑战，中国科学院团队在《International Journal of Coal Geology》发表研究，选取华北宁武、沁水和准格尔煤田的高锂煤样品，创新性地采用二次离子质谱（SIMS）进行微区锂含量与同位素分析，辅以TESCAN综合矿物分析仪（TIMA）、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和共聚焦拉曼显微镜（Raman）等多技术联用，首次实现了煤中不同赋存形态锂的原位精准表征。

关键方法
研究团队对549个煤颗粒进行TIMA预筛选，选取50×50 μm均质区域进行SIMS分析（检测限达μg/g级）。通过Epofix?树脂包埋-抛光制备样品，结合SEM-EDS确定矿物相，FTIR和Raman表征有机质结构，最终获取高岭石与有机质中锂含量及δ⁷Li值。

研究结果

1. 地质背景与采样：晚古生代华北煤田太原组/山西组煤系中，高岭石既存在同沉积碎屑来源，也有成岩作用形成的自生颗粒，为锂富集提供双重载体。

2. 锂赋存特征：

   • 高岭石锂浓度超1516 μg/g，占主导地位；有机质锂普遍<100 μg/g
   • SIMS面扫描显示锂在高岭石晶格中均匀分布，而在有机质中呈点状聚集

3. 同位素分馏规律：

   • 高变质煤（如XJ-8样）δ⁷Li值范围窄（+3.5‰至+5.2‰），反映古地温导致的同位素均一化
   • 低变质煤（DLT-11样）δ⁷Li值随埋深降低（+8.1‰→+2.3‰），指示孔隙流体分馏效应
   • 有机质δ⁷Li值显著重于黏土矿物，且高变质煤中有机质δ⁷Li比低变质煤高约6‰

讨论与结论
该研究首次揭示煤化作用中锂同位素的双重分馏路径：高岭石通过晶体化学吸附固定锂并随温度升高发生同位素再平衡，而有机质则通过热成熟释放⁶Li至流体相导致残余有机质富集⁷Li。这一发现不仅解释了华北煤田锂富集层位的形成机制，还为煤系锂资源勘探提供了两项关键指标：

1. 高δ⁷Li值（>+5‰）的高岭石可作为深部流体活动的示踪剂
2. 有机质δ⁷Li值与煤阶的正相关性可用于恢复古地温梯度

研究团队特别指出，SIMS技术的微区分析优势克服了传统化学分馏法可能引入的同位素偏差，为沉积矿床金属元素研究建立了新方法范式。该成果由Jia Song（第一作者）和Beilei Sun（通讯作者）领衔完成，获国家重点研发计划（2021YFC2902002）和国家自然科学基金（41872177）支持。