Đặc điểm thành phần vật chất pegmatit chứa liti vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi

1. Mở đầu
 
Liti (Li) là kim loại kiềm hiếm, nhẹ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao như tên lửa, hàng không vũ trụ, vật lý hạt nhân, hợp kim đặc biệt, pin sạc nhiều lần... Với nhiều ứng dụng quan trọng đó, nhu cầu tiêu thụ Li ngày càng tăng trong những năm gần đây và dự báo tăng mạnh trong những năm tới.
 
Ở Việt Nam, quặng chứa Li mới được phát hiện tại một số khu vực bao gồm thượng nguồn sông La Vi, Đồng Răm, huyện Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi... Kết quả thăm dò, tìm kiếm sơ bộ của Liên Đoàn Địa chất Trung Trung Bộ từ 2005 đến 2009 cũng cho thấy tài nguyên quặng chứa Li vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi khoảng 1,0 triệu tấn tương đương 10.000 tấn Li kim loại.

Nghiên cứu làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc, thành phần vật chất, đặc biệt là xác định chính xác khoáng vật chứa Li trong thành tạo quặng vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi là cơ sở quan trọng để xây dựng phương án công nghệ phù hợp cho khai thác, tuyển và chế biến quặng Li vùng La Vi tỉnh Quảng Ngãi.  

2. Đặc điểm địa chất và mẫu nghiên cứu

Vùng quặng liti La Vi thuộc huyện Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi, nằm trong khối Ba Nam-Ba Trang. Các mạch quặng có chiều dày trung bình 0,4 ÷ 5,8 m, dài từ khoảng 160 ÷ 480 m, kéo dài theo hướng Tây Tây Bắc - Đông Đông Nam. Mạch quặng hầu hết đã bị biến đổi thứ sinh, các đá bao gồm gneisbiotit, plagiogneisbiotit, xen thấu kính amphibolit, đá phiến thạch anh - biotit, đá phiến thạch anh muscovit, đá phiến thạch anh hai mica...
Mẫu sử dụng cho nghiên cứu này được lấy tại vùng mỏ La Vi. Mẫu nguyên khai rắn, chắc, đặc sít, sáng màu, có cấu trúc và kiến tạo đặc trưng cho thành tạo pegmatit. Mẫu phân tích thành phần hóa học và khoáng vật toàn phần (bulk) được lấy đại diện từ sản phẩm đập nhỏ, nghiền, trộn đều của các đơn mẫu nguyên khai.    

3. Phương pháp nghiên cứu

3.1.Khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS)
Nghiên cứu sử dụng hệ ICP-MS Elan 9000 Perkin Elmer. Thành phần hóa học mẫu được xác định bằng phương pháp bán định lượng. 

3.2. Quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS)
Hệ AAS được sử dụng nghiên cứu là Pye Unicam SP9, với độ nhạy phân tích Li là 0,001%. Thành phần hóa học mẫu được xác định bằng phương pháp bán định lượng. 

3.3  . Nhiễu xạ tia Rơnghen (XRD)
Nghiên cứu tiến hành đối với mẫu bột không định hướng trên máy D5005 Siemens, sử dụng bức xạ Cu (Kα1,2). Các giá trị d thu được được đối chiếu với hệ thống dữ liệu ICDD/JCPDS để xác định các khoáng vật. Định lượng các pha khoáng vật được tính toán bằng phần mềm BGMN dựa trên lý thuyết Rietveld.

3.4. Phương pháp kính hiển vi thạch học
Kính hiển vi phân cực Leica DM750P được sử dụng để xác định đặc điểm thạch học của mẫu đá, xác định thành phần khoáng vật chính, khoáng vật phụ và các khoáng vật thứ sinh, đo kích thước hạt khoáng vật.
 
4. Đặc điểm thành phần hóa học, thạch học

4.1.Thành phần hóa học
Thành phần hóa học các nguyên tố chính và các nguyên tố kim loại hiếm Li, Be và Cs thể hiện trong bảng 1. Ngoài thành phần SiO2 và Al2O3 phù hợp với đặc trưng các thành tạo pegmatit, pegmatit vùng La Vi có thành phần kiềm chủ yếu là K2O; trong khi đó thành phần kiềm CaO, Na2O chiếm không đáng kể. Các nguyên tố Fe, Mg, Mn chỉ chiếm hàm lượng nhỏ. Đối với nhóm nguyên tố hiếm được phân tích, hàm lượng Li chiếm đáng kể, hàm lượng Be cũng khá cao.

Kết quả phân tích cho thấy, phân bố Li trong các cấp hạt tương đối đồng đều, hàm lượng Li2O dao động từ 0,82 - 1,14% (bảng 2).  Kết quả này khẳng định, sau khi nghiền đến -2 mm, không thể sử dụng ngay hay loại bỏ được bất cứ phần nào trong mẫu quặng mà cần phải tiếp tục nghiền toàn bộ mẫu quặng đến độ hạt giải phóng Li khỏi các khoáng tạp chất sau đó đưa vào khâu tuyển khoáng để nâng cao hàm lượng Li2O trong quặng tinh.
 

 

 
4.1.Đặc điểm thạch học
 
Pegmatit là đá magma xâm nhập, thường tạo thành các khối trong các đai, mạch, đặc biệt là dọc theo rìa của các thể nền (batholith). Chúng kết tinh rất tốt, gồm các tinh thể lồng vào nhau, phần lớn có kích thước lớn hơn 2,5 cm. Phổ biến là pegmatit granit chứa thạch anh, feldspar và mica; đôi khi chúng còn chứa các khoáng vật hiếm (giàu nguyên tố B, F, Nb, Ta Li, U và các nguyên tố đất hiếm). Hiếm hơn là pegmatit có thành phần trung tính và mafic chứa amphibol, plagioclas trung tính đến bazo, pyroxen và một số khoáng vật khác, được thấy tại những đới tái kết tinh và các khối xâm nhập lớn.
Những dấu hiệu đặc trưng của pegmatit là hạt thô và kích thước rất không đồng đều, các khoáng vật chính thường có kích thước lớn hơn nhiều so với những khoáng vật phụ, khi pegmatit có kích thước hạt trung bình theo phương kéo dài là 5 cm hoặc nhỏ hơn thì được gọi là pegmatit hạt mịn, từ 5 cm đến nhỏ hơn 30 cm gọi là pegmatit hạt trung và pegmatit hạt lớn hơn 30 cm gọi là pegmatit hạt thô.

Pegmatit vùng La Vi, Quảng Ngãi có đặc điểm sáng màu, cấu tạo được đặc trưng bởi kích thước các hạt khoáng vật rất thay đổi, cỡ từ 100 mm cho đến trên 1cm và thuộc loại pegmatit hạt mịn (hình 1, 2). Đá có kiến trúc vân chữ cổ, có thể quan sát được cả bằng mắt thường và dưới kính hiển vi (hình 3). Thành phần khoáng vật chính gồm thạch anh, plagioclas, feldspar kali, lepidolit và muscovit (hình 1). Khoáng vật phụ có orthoclas, sfen, apatit, clorit. Ngoài ra, còn quan sát thấy tàn dư chứng tỏ pegmatit La Vi là loại tái nóng chảy (hình 4).
 

 
5.  Đặc điểm khoáng vật

5.1.Thành phần khoáng vật pegmatit
 
Phân tích định lượng các pha khoáng vật từ kết quả XRD (hình 5) và phần mềm BGMN dựa trên lý thuyết Rietveld cho thấy thành phần khối lượng các khoáng vật bao gồm: thạch anh: 32%; plagioclas (bao gồm albit): 51%; muscovit: 10%; lepidolit: 4%; các khoáng vật phụ khác: 3%. Kết quả này cũng tương đương kết quả nghiên cứu dưới kính hiển vi thạch học. Thành phần khoáng vật phụ bao gồm orthoclas, sfen, apatit, clorit... Theo Cerny, có thể xếp khoáng chứa Li vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi vào phụ kiểu lepidolit của kiểu phức trong lớp pegmatit kim loại hiếm.
 

Hình 5. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của pegmatit vùng La Vi

Như vậy, các kết quả nghiên cứu thành phần khoáng vật pegmatit vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi chứng tỏ rằng thành phần chứa nguyên tố hiếm Li trong pegmatit này là lepidolit - một khoáng vật thuộc nhóm mica (mà không phải là spodumen hay các khoáng vật chứa Li khác). 
 
5.2.  Đặc điểm khoáng vật chứa Li
 
Li là nguyên tố hoạt động mạnh nên nó không tồn tại ở dạng kim loại trong tự nhiên. Nguồn Li phổ biến nhất được biết đến là trong nước biển. Trên lục địa hay là trong các thành tạo địa chất, khoáng vật chứa Li chủ yếu trong các thành tạo granit. Các khoáng vật chứa Li chủ yếu là spodumen, petalit, lepidolit, hectorit.
Như kết quả nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, khoáng vật chứa Li trong pegmatit vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi là lepidolit. Đây là một khoáng vật thuộc nhóm mica, có công thức hóa học là [K2(Li,Al)5-6(Si6–7Al1–2O20)(OH,F)4].  

Hình ảnh thu được dưới kính hiển vi thạch học cho thấy thành phần mica trong pegmatit vùng La Vi bao gồm cả muscovit là lepidolit. Phân tích bằng phần mềm BGMN từ kết quả XRD, cấu trúc lepidolit vùng La Vi được xác định là cấu trúc 2M1. Theo các nghiên cứu đã công bố, giới hạn trên về hàm lượng Li2O trong Li-muscovit với cấu trúc 2M1 là 3,5% hay có thể biến đổi từ khoảng 3,0% (tương đương 1,39% Li) tới nhiều nhất là 7,7% theo công thức lý thuyết (tương đương 3,58% Li).

Đối với pegmatit vùng La Vi, theo kết quả phân tích đã trình bày trên, hàm lượng LiO2 đạt 0,99% (bảng 2) với 4% khối lượng lepidolit (XRD, BGMN). Như vậy, hàm lượng LiO2 trong lepidolit là khoảng 2,5%. So với thống kê trong nghiên cứu của Garrett, có thể thấy rằng, lepidolit vùng La Vi tương đối nghèo Li, vì vậy để có thể chế biến hợp chất Li thương phẩm, quá trình tuyển quặng cần phải làm giàu triệt để thành phần lepidolit (và muscovit đi cùng).

6.  Kết luận

Quặng Li vùng La Vi, Quảng Ngãi có nguồn gốc pegmatit, có cấu tạo dạng dải, kiến trúc hạt kết tinh, kích thước hạt không đều. Các khoáng vật nằm xen kẽ, xâm tán rất mịn với nhau tạo thành khối đặc sít.

Khoáng vật chứa nguyên tố hiếm Li trong thành tạo pegmatit La Vi, Quảng Ngãi là lepidolit. Thành phần khoáng vật chính gồm thạch anh chiếm 32%, plagioclas (bao gồm albit) chiếm 51%, muscovit chiếm 10%, lepidolit chiếm 4% và các khoáng vật phụ chiếm 3% bao gồm orthoclas, sfen, apatit, clorit... Với thành phần khoáng vật này, pegmatit vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi được xếp vào phụ kiểu lepidolit của kiểu phức trong lớp pegmatit kim loại hiếm.
Lepidolit chiếm khoảng 4% khối lượng mẫu, có cấu trúc 2M1, có kích thước đa dạng, chủ yếu 30 ÷ 300 mm. Kích thước phổ biến nhất là 70 ÷ 100 mm.  

Kết quả nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và thành phần vật chất pegmatit chứa Li vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi là cơ sở quan trọng cho định hướng nghiên cứu công nghệ khai thác, tuyển khoáng làm giàu quặng trước khi đưa vào khâu chế biến các sản phẩm Li thương mại. Cụ thể, kết quả nghiên cứu cấu trúc quặng cho phép xác định phương án khai thác, gia công quặng; thành phần khoáng vật mẫu quặng gồm khoáng chứa Li thuộc nhóm mica và các khoáng đi kèm chủ yếu là feldspar và thạch anh là những khoáng có tính chất vật lý tương tự nhau nên chỉ có thể tuyển tách chúng dựa vào sự khác biệt về tính chất bề mặt khoáng là phương pháp tuyển nổi; khoáng chứa quặng Li xâm nhiễm mịn với khoáng phi quặng, ở các kích thước đa dạng, nên quặng cần được nghiền tối thiểu tới 74 mm.   

Bài báo này là kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu công nghệ tuyển và chế biến quặng Liti vùng La Vi, tỉnh Quảng Ngãi“ mã số ĐT.09.12/ĐMCNKK.