钾盐矿床成矿条件研究若干进展
王春连1, 刘成林1*,*, 王立成1, 张林兵2
1.中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用和资源评价重点实验室, 北京 100037
2.地质过程与矿产资源国家重点实验室, 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
刘成林(1963-), 男, 云南文山人, 研究员, 主要从事盐湖沉积与钾盐矿床研究. E-mail:[WT6BZ]liuchengl@263.net

王春连(1983-),男,黑龙江讷河人,助理研究员,主要从事钾盐矿床研究. E-mail: wangchunlian312@163.com

摘要

钾盐是中国紧缺的重要战略资源之一, 寻找大型钾盐矿床是中国矿床学界的一大难题。近几十年来世界钾盐矿床有不少新的发现, 提供了丰富的实际资料, 钾盐矿床的成矿理论也有相应的修正和补充。通过总结国内外钾盐矿床最新的成钾特征, 归纳了钾盐矿床形成主要受控于成矿时代、构造条件、成盐的古地理条件、古气候、盆地位置和盐类物质来源几个条件。钾盐主要成矿时代为二叠纪、白垩纪、晚侏罗世、寒武纪和泥盆纪。巨厚的蒸发岩建造的形成, 有赖于构造与环境气候的特殊配合。气候旋回与地壳运动的旋回性有关, 即每一个大的地壳构造旋回末期, 往往都出现一个成盐高峰期, 钾盐矿床均出现于成盐的高峰期内。钾盐矿床同其他盐类矿床一样, 也需要干旱的气候条件。由于钾盐是卤水演化的最后阶段的产物, 故需要持续干旱的气候条件。但气候条件也是很复杂的, 在普遍认为潮湿气候时期出现了局部的干旱气候带, 干旱气候带的形成明显受地形地貌的控制, 在局部干旱的气候条件下也可以形成钾盐矿。按照传统概念钾盐形成的位置应该在岩盐盆地之中, 但是实际情况是比较复杂的, 有的钾盐盆地完全和盐岩盆地相重合, 有的在岩盐盆地一侧, 甚至还有的在岩盐盆地范围之外。盐类物质来源有海源、陆源和深源。对影响钾盐矿床形成的上述几个重要条件的研究进展进行了概述, 对在中国进一步找寻钾盐矿床具有重要的借鉴意义。最后, 总结了3种国外大型钾盐矿床成矿模型, 即陆表海盆成钾作用模式、异常蒸发成钾模式和裂谷成钾模式。3种成钾模式的关键区别在于钾盐的物质来源不同, 即陆表海盆成钾作用模式中钾的来源是海水, 异常蒸发成钾模式中钾的来源为非海相卤水, 而裂谷成钾模式中钾的来源主要是火山活动带来的深部物质。

关键词: 钾盐矿床; 成矿条件; 成矿时代; 物质来源; 构造条件
中图分类号:P536 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2013)09-0976-12
Reviews on Potash Deposit Metallogenic Conditions
Wang Chunlian1, Liu Chenglin1, Wang Licheng1, Zhang Linbing2
1.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China
2.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, School of the Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract

Potash salt is one of key scarce strategic resources. Searching for large scale of potash salt deposit is one big problerm which Chinese academic community faces. Many new discoveries of world potash deposit have been made in recent ten years, which provide abundant practical information and complement the potash metallogenic theory. Through the summary of the potash forming characteristics at home and abroad, the paper studies the potash forming time, tectonic condition, paleogeographic condition, paleoclimate, basin location and salt source. Potash is mainly formed in Permian, Cretaceous, late Jurassic, Cambrian and Devonian. The combination of structure and environment helps to form large scale of evaporation. The climate cycle is related with crust activity. As the other ore deposit, the formation of potash ore also needs dry climate. Potash is the product of final stage in brine evolution, and therefore, it needs persistent drought climate. However, the climate condition is very complicated. Drought climate belt also occurs in humid climate stage, which is controlled by geomorphology. Potash ore can also form in local drought condition. Generally, potash forms in rock salt basin. However, the actual situation is very complicated. Some potash basin is coincided with rock salt basin, some is on one side of rock salt basin; and some are even in the outside of rock salt basin. Salt materials can be from three sources: marine source, terrigenous source and deep source.The paper gives an overview of the research status about the potash deposit forming conditions, which has great guiding significance for searching potash deposit in China. The paper also summarizes the three types of metallogenic models for potash deposit, including epicontinental metallogenic model, abnormal marine evaporation model and rift valley model. The three models are mainly different in material sources, in which the potash in epicontinental metallogenic model is from seawater; the potash in abnormal evaporation model is from nonmarine brine and the potash in rift valley model is mainly from deep material of volcanic activity.

Keyword: Potash deposit; Metallogenic condition; Metallogenic age; Material source; Tectonic conditions.

钾盐是我国重要的紧缺矿物资源, 钾盐主要用于作钾肥, 钾肥是农业三大肥料之一, 中国是一个拥有超过13亿人口的农业大国, 人口众多, 粮食生产是立国之本。钾肥是粮食生产的关键要素之一, 而目前我国耕地大范围缺钾, 且储量预测服务年限不超过30年。长期以来钾被列为我国七大最紧缺大宗矿产之一。对国家经济建设和资源安全均具有非常重要的意义。近年来, 我国钾肥消费量呈快速增长态势, 我国肥料施用量已居世界第一, 钾肥进口量居世界第二, 我国2011~2012年钾盐产量(KCl)400~500万t/年, 仅能满足国内钾肥消费量的一半。据中国农业部门预测, 我国钾盐(K2O)需求量到2020年为961万t, 对外依存度较高, 成为仅次于铁矿石的第二大进口矿产品[ 1, 2]

据美国地质调查局统计(2011年), 世界钾盐资源丰富, 已探明剩余可采储量95亿t、产量3 700万t(K2O)(U.S. Geological Survey, 2012)[ 3, 4] (表1), 世界钾盐储量基础约为180亿t, 远景资源总量达2 500亿t。但资源和产量集中在少数国家, 如加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、德国, 以及以色列和约旦生产商, 掌握了世界约91.4%钾盐产量(表1);而中国的探明储量不多, 约占世界的2.2%。中国钾盐资源已探明资源量主要分布于青海柴达木盆地, 近年发现新疆塔里木盆地罗布泊第四纪盐湖也蕴藏有大型规模的钾盐资源[ 3]。要实现中国钾盐资源找矿的突破, 必须寻找资源集中度很高的海相固体钾盐矿床[ 4], 为此, 有必要研究国外钾盐找矿的经验与理论。本文主要根据国外主要钾盐矿床地质及其他资料, 对国外钾盐找矿经验、成矿地质背景、成矿时代和国外大型钾盐矿床的成矿模型等进行分析总结。通过这些分析研究, 希望对中国钾盐找矿提供一定的理论支撑。

1 钾盐成矿时代

20世纪中期, 根据世界上已知的少数钾盐矿床, 曾总结出二叠纪、白垩纪、晚侏罗世和寒武纪为钾盐矿床主要成矿时代。其后在北欧和北美先后找到了泥盆纪的巨大钾盐矿床, 又把泥盆纪列为钾盐矿床的另一个主要成矿时代。这几个时代是地质历史上最有利于形成钾盐矿床的时代, 不仅有事实证明而且也有理论根据;因为它们是加里东、华里西和阿尔卑斯等造山运动的末期, 也是气候干旱海水后退的时代[ 5]。但是地壳各部分的运动历史并不那么一致, 气候干湿在地球表面的分带又受其它因素的影响, 而并不是平行于纬度的简单的环带, 海水的进退更加频繁;因此我们承认地质历史上的几个主要形成钾盐矿床的时代, 并不因而否定在其他地质时代在某些地区找到钾盐矿床的可能性。从中国钾盐成矿时代来看, 钾盐的成矿时代是比较多的, 虽然都不属于钾盐的主要成矿时代。事实上已经在北美洲找到了石炭纪的钾盐矿床, 在中亚细亚找到了侏罗纪的钾盐矿床。这2个地质时代被认为是地质历史上气候潮湿的时代, 而就在这些时代的沉积中也找到了钾盐矿床, 证明了即使在最潮湿的地质时代, 在地球上也还有可以形成钾盐矿床的干旱地区的[ 6]

表1 世界钾盐(K2O当量)矿山产量和储量[ 4] Table 1 World mine production and reserves of potash salt (K2O equivalent)[ 4]
1.1 世界钾盐成矿地质时代分布

据刘成林等[ 1]统计表明(图1), 早寒武世地层产出钾盐矿床2个, 资源量132.68亿t, 所占比例为6.16%;志留纪地层产出矿床1个, 资源量不详, 所占比例很小;早、晚泥盆纪地层产出矿床3个, 资源量1 302.5亿t, 所占比例为60.47%;早、晚石炭世地层产出矿床 2 个, 一个资源量2.3亿t, 另一个资源量不详, 所占比例很小;早、晚二叠世地层产出矿床7个, 资源量 157.28亿t, 所占比例为7.3%;晚侏罗世地层产出矿床2个, 其中一个资源量 221.13亿t, 所占比例为10.27%;白垩纪地层产出矿床2个, 资源量289.44多亿t, 所占比例为 13.44%;第三纪(渐新世、中新世)地层产出矿床5个, 资源量29.7亿t, 所占比例1.38%;第四纪地层产出矿床 2 个, 估计资源量18.96多亿t, 所占比例很小。

泥盆纪可能是世界上最主要的成钾盐矿期, 沉积的钾资源量占世界资源量的 60.47%。其次, 白垩纪地层蕴藏钾盐资源量占13.44%, 晚侏罗世沉积钾盐10.27%, 两者构成第二个主要成钾期。二叠纪和寒武纪地层蕴藏钾盐资源量为6%~7%, 属于第三位的成钾期, 其他时代地层蕴藏钾盐资源量相对更少。

1.2 中国成盐时代

中国是世界上成盐时代较早和较多的国家之一。自古元古代始, 已发现有硼酸盐和石膏沉积(辽宁风城二台子宽甸群上部砖庙组沉积变质型硼镁石矿层区中夹石膏层); 在中元古代长城组高于庄组也产出海相沉积型锰方硼石矿床[ 7]; 由晚震旦世(灯影组)、早中寒武世、早中奥陶世(马家沟组)、早石炭世、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、新近纪到第四纪均有石盐沉积。其中还有一些含盐层位赋有富钾卤水和薄层钾矿层/钾矿物[ 8]

图1 世界主要钾盐矿床分布图[ 1]1.巴基斯坦盐岭钾盐矿床;2.俄罗斯东西伯利亚涅帕盐矿;3.加拿大萨斯喀彻温钾盐矿;4.美国威利斯顿钾矿;5.白俄罗斯彼里皮亚特钾盐矿;6.美国密执安钾盐矿;7.加拿大新不伦瑞克钾盐矿;8.美国帕拉多克斯钾盐矿;9.美国新墨西哥钾盐矿;10.俄罗斯上卡姆钾盐矿;11.俄罗斯日梁钾盐矿;12.俄罗斯滨里海凹地钾盐矿;13.巴西亚马逊钾盐矿;14.德国蔡希斯坦钾盐矿;15.英国蔡希斯坦钾盐矿;16.中亚钾矿;17.加蓬和刚果盆地钾盐矿;18.巴西塞尔希培钾盐矿;19.泰国-老挝呵叻盆地钾盐矿床;20.西班牙埃布罗钾盐矿;21.德国、法国莱茵地堑钾盐矿;22.意大利中西西里钾盐矿;23.俄罗斯—乌克兰前喀尔巴阡第三纪钾盐矿;24.埃及苏伊士湾捷姆萨钾盐矿;25.埃塞俄比亚达纳基尔洼地钾盐矿;26.以色列—约旦死海钾盐矿;27.中国勐野井钾盐矿;28.美国大盐湖钾盐矿;29.中国青海察尔汗钾盐矿;30.中国新疆罗布泊钾盐矿;31.智利阿塔卡玛钾盐矿Fig.1 Distributing graph of main kali salt deposits in the world[ 1]1. the potash deposit in salt range of Pakistan; 2. the potash deposit in east Siberia, Russia; 3. the potash deposit in Saskatchewan, Canada; 4. the potash deposit in Williston, USA; 5. the potash deposit in Piatt, Belarus; 6. the potash deposit in Michigan, USA; 7. the potash deposit in New Brunswick, Canada; 8. the potash deposit in Paradox, USA; 9. the potash deposit in New Mecico, USA; 10. the potash deposit in Camden, Russia; 11. the potash deposit in Riliang, Russia; 12. the potash deposit in Caspian depression, Russia; 13. the potash deposit Amazon, Brazil; 14. the potash deposit in Zechstein, Germany; 15. the potash deposit in Zechstein, Britain; 16. the potash deposit in Central Asia; 17. the potash deposit in Gabon and Congo Basin; 18. the potash deposit in Sergipe, Brazil; 19. the potash deposit in Korat basin, Thailand-Laos; 20. the potash deposit in Ebro, Spain; 21. the potash deposit in Rhine graben, Germany and France; 22. the potash deposit in Sicily, Italy; 23. the Tertiary potash deposit in Carpathian, Russian-Ukraine; 24. the potash deposit in Jaguar, Suez Gulf, Egypt; 25. the potash deposit in Danakil, Ethiopia; 26. the potash deposit in dead sea, Israel-Jordan; 27. the potash deposit in Mengye well, China; 28. the potash deposit in great salt lake, USA; 29. the potash deposit in Qarham, Qinghai, China; 30. the potash deposit in Lop Nor, Xinjiang, China; 31. the potash deposit in Artakama, Chile

1.3 钾盐成矿时代影响因素

钾盐矿床的成矿时代主要决定于古地理条件、古气候条件和构造运动的特点, 除此之外也还有其他的重要因素。过去有些地质学者[ 5]强调了海水的盐度在地质历史上逐渐增加的观点, 和海水中含钾量与生物活动有关的观点, 总想找出一个形成钾盐的最早的时间界限。现在看来海水盐度的变化和成分的变化还是一个争论的问题, 要根据这些来确定最古的钾盐矿床的时代界线是困难的。斯特拉霍夫[ 9]就认为成盐作用不受海水成份变化的控制而是受地质构造条件的控制。根据构造观点, 有人认为[ 9]钾盐矿床只能在地台上(或地台边缘)形成, 因而指出寒武纪以前还没有形成地台, 也不能形成钾盐矿床。这个观点是从泛地槽观点出发的, 泛地槽观点已经遭到反对, 从这个观点推论出来的假说也就很难得到广泛的承认。当然也还可以从变质作用对钾盐矿床的破坏作用来研究这个问题, 认为凡经过强烈变质的地层中就不可能保存有钾盐矿床。如果这样, 则凡是未经变质的地层中, 只要其他条件合适也还可以形成钾盐矿床。从这个观点来说, 就不应当排斥在我国震旦纪地层中注意盐类矿床[5, 6, 8]

2 钾盐矿床沉积环境与构造背景
2.1 沉积环境

世界上已发现的古代钾盐矿床有海相沉积、陆相沉积和海陆过渡相沉积。但是大型—超大型钾盐矿床基本上属海相沉积, 这与海盆面积普遍较大和海水钾元素含量高等有密切关系[ 2]

2.2 构造条件

2.2.1 世界构造条件

世界钾盐资源/储量为2 153.99亿t(K2O)[ 5], 主要钾盐矿床属于古代海相。几乎所有巨型石盐和硫酸盐沉积层系都是巨量海水渗入封闭凹陷后蒸发析出形成[ 10]。巨厚的蒸发岩建造的形成, 有赖于构造与环境气候的特殊配合。气候旋回与地壳运动的旋回性有关, 即每一个大的地壳构造旋回末期, 往往都出现一个成盐高峰期, 钾盐矿床均出现于成盐的高峰期内[ 11]。Warren[ 10]总结世界蒸发岩沉积规律, 揭示显生宙2次大盐类沉积期与大陆结合-分离相对应, 第一次, 从新元古到寒武纪, 第二次, 从二叠纪到侏罗纪;每次造山运动和洋盆的打开, 都伴有巨量盐类沉积;构造和气候是控制大多数蒸发岩分布的首要因素, 而非海面进退, 但温室效应引起的海面进退有利于台地蒸发岩形成。

欧美学者[ 12 14]认为, 巨型海相成盐盆地位于克拉通内盆地;而前苏联学者则认为地台区的台向斜和边缘坳陷是成盐最有利的地区, 部分地质学家提出巨型盐类矿床都位于地台区的拗拉谷中的观点[ 5], 如乌克兰和白俄罗斯泥盆纪、二叠纪巨型盐矿位于第聂伯—顿涅茨拗拉谷。总之, 国外巨型钾盐矿床形成于稳定的大型克拉通内。此外, 大西洋两岸非洲和南美洲的成盐成钾盆地, 以及英国北海海底的盐类沉积, 都位于一条纵贯全球的巨型裂谷内, 与大西洋板块由北向南的“裂开”过程有关[ 5]。国外巨型海相钾盐矿床的分布规律具体表现在:

国外海相钾盐资源与大地构造环境关系:①克拉通边缘盆地, 矿床数4个, 钾盐资源量1 398亿t, 占资源总量64.90%;②克拉通坳陷盆地, 矿床数7个, 钾盐资源量631.28亿t, 占资源总量29.31%;③克拉通断陷盆地, 矿床数9个, 钾盐资源量99.28 亿t, 占资源总量4.6 %;④褶皱带边缘盆地, 矿床数3个, 钾盐资源量17.83亿吨, 占资源总量0.81%;⑤其他, 矿床3个, 钾盐资源量7.6亿t, 占资源总量很少。由上可见, 与克拉通稳定环境有关的钾盐资源量总量最大, 占资源总量94.21%[ 1]

世界大型超大型钾盐矿床成矿背景以前寒武纪地块为基底的沉积盆地, 成矿时代以古生代为主, 其次为中生代;在空间上主要分布于特提斯和劳亚2个成矿域, 个别分布于冈瓦纳成矿域, 环太平洋成矿域未见大型超大型钾盐矿床[ 15]

2.2.1中国构造条件

中国的国土是由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的, 既可与其他大陆对比, 又具有其特殊性, 特别是中国的前寒武纪陆块较北美、西伯利亚等盛产巨型钾盐盆地的克拉通少得多, 克拉通化时间也稍晚, 实为活动带中的大型中间地块形成的“准地台”, 故受周缘造山带活动较强烈的影响;而造山带又常叠加在中间地块上或卷入微陆块, 因此, 中国的地槽活动性相对较弱。以上是导致中国海、陆相盐盆地成矿构造环境和成盐成钾的某些特殊性(个性):成盐多期性与成盐时代差异性, 成盐迁聚性、物质成分多样性;液态矿多、海相盐盆地规模较小;海陆相盐盆地后期变动较大等的基本地质原因[ 16]

中国前寒武纪地壳主要发育有华北、塔里木和扬子3个小型陆块(准地台、克拉通), 还有发育前寒武纪基底的印支—南海陆块[ 17], 而且有部分是微陆块卷入显生宙造山带中, 其中如分布于特提斯构造域中的羌塘、昌都、巴塘、临沧—思茅等微陆块。

同国外绝大多数古代海相钾盐盆地一样, 我国重要的古代盐盆地, 特别是海相盐盆地均发育于上述前寒武纪为基底的陆块和原地台的构造区域。值得强调的是, 我国多期叠合结构的盐沉积多在较稳定的陆核中最为发育。如扬子三叠纪蒸发盆地, 最终盐盆地即坐落在四川盆地构造稳定区, 与王鸿祯厘定的川西—川中陆核基底不谋而合[18, 19]。而且, 在该区还发育晚震旦世和寒武纪厚层膏盐沉积;陕北早奥陶世盐盆地的分布也与鄂尔多斯陆核几乎重叠。产于我国特提斯带的成盐盆地, 也都发育于有大量微陆块;而与国际大型成盐成钾盆地相比较, 如著名的加拿大萨斯克彻温中泥盆统钾盐盆地, 发育于地盾和地槽之间的地台区是最稳定的地盾南侧亚稳定构造区[ 20]。又如, 白俄罗斯彼里亚特上泥盆统钾盐盆地, 则是产于乌克兰地盾和白俄罗斯地块之间的大型地堑中, 都是产于稳定构造区相对活动的亚稳定区。研究表明, 较有利于钾盆地形成的地质构造背景是:在构造稳定区是在相对活动的亚稳定区;在构造亚稳定区则位于相对稳定区(基底为地核或原地台)[ 4]

上述中国矿床学家从国内外成钾构造条件分析提出的新理论认识, 不仅对中国, 而且在国际钾盐成矿构造上也是一个十分重要的进展。

3 钾盐成矿与古地理的关系

Borchert等[ 21]指出, 现代盐类沉积分布在, 2个半球的两大带, 大约在赤道南北纬15°~35°之间, 海相蒸发岩沉积的最优先条件是在副热带无风带的边缘海地区, 如俄罗斯地台的二叠纪蒸发岩发育于乌拉尔前陆[ 5], 德国二叠纪蒸发岩亦位于华力西山脉与盆地北部[ 22];这些地区在二叠纪时均靠近北回归线。据Warren[ 10]统计, 地质历史上各时代的钾盐矿床都分布在南北纬5°~30°带内, 石盐盆地可稍向外扩展一些, 到35°范围内, 极个别情况更高些, 如石炭纪的亚马逊盆地[ 22, 23]

4 钾盐矿床与气候变化

钾盐矿床同其他盐类矿床一样, 也需要干旱的气候条件。由于钾盐是卤水演化的最后阶段之产物, 故需要持续干旱的气候条件[ 24 30]。但气候条件也是很复杂的, 气候冷暖干湿的变化及其在地球表面的分带, 常受到其他许多因素制约。如石炭纪和侏罗纪被地质学家公认为是地质历史上气候潮湿的时代, 而恰恰于石炭纪在美国帕拉多克斯盆地和加拿大滨海诸省盆地赋存有钾盐矿床, 也同样, 恰恰在侏罗纪于中亚钾盆地产出有钾盐矿床。这表明, 在普遍认为潮湿气候时期出现了局部的干旱气候带。干旱气候带的形成受地形地貌的控制也是很明显的。袁见齐等提出的盐类矿床形成于“高山深盆”的假说[ 31], 就总结了这方面的问题。在裂谷—堑沟带上, 由于强烈的断陷活动, 形成中间低凹, 四周突高的盆形地貌, 在地形高差达数千米时, 盆内由于四周高山阻挡了季风的暖流湿气, 于是形成盆地内极端的干旱气候, 利于盐类的沉积, 红海盆地及柴达木盆地等都是例证[ 32]

古气候在地史时期的周期性变化, 导致同一时期盐类矿床集中出现, 形成成盐的高峰期。横贯欧亚大陆南部上万公里长的特提斯—喜马拉雅构造域(Tethys-Himalaya Domain)是中新生代欧亚大陆最重要的构造演化单元。在构造演化过程中, 气候发生了巨大变化, 从古生代末—中生代初期大范围湿润气候到中生代中晚期大面积干旱和强烈的干湿波动变化, 再到新生代中晚期大面积季风湿润和干旱化[ 33 38], 这个变化过程不仅受到全球大气环流和气候变化的控制, 还与构造域中块体的漂移历史和青藏高原的隆起密切相关, 并可在古气候—构造最佳配合下形成巨大的钾盐矿床, 如晚侏罗纪中亚盆地和白垩纪呵叻盆地出现了巨量钾盐成矿[ 39 41]。古生代末期以来, 气候变化过程与地球有史以来最大的联合古陆形成和瓦解过程以及新生代以来青藏高原的隆起过程有密切关系, 也就是说全球板块运动和造山作用所导致的海—气环流变化和风化剥蚀作用等, 控制了古气候变化, 可能是古气候变化第一层次的控制因素。海平面的变化也与板块运动密切相关, 对气候变化也有重要影响, 但没有绝对的直接联系, 如中白垩世是海平面最高时期, 但是气候却异常干旱, 因此海平面等对气候的影响可能是第二层次的控制因素[ 35]。 全球大陆湿度变化总特征为:三叠纪至侏罗纪在联合大陆形成地球有史以来的暖流湿气, 在联合大陆中低纬度地区(联合大陆为主体)为宽广的干旱气候所控制, 仅在联合大陆东侧沿海有少许半湿润—湿润气候, 联合大陆高纬度地区为温暖的湿润—半湿润气候所占据[ 36]。在亚洲大陆上, 扬子陆块三叠纪早、中期也主要为干热的气候, 形成蒸发岩沉积。如四川盆地和青藏高原中、东部广泛分布石膏和岩盐, 以及江苏和安徽一带的蒸发岩;而华北和东南亚主要为暖湿气候, 从晚三叠世开始, 联合大陆干旱气候带缩小, 高纬度暖湿气候带扩大[ 35], 亚洲大陆大部分也为湿润气候所占据, 四川盆地和羌塘盆地的蒸发岩除了在晚三叠世早期(卡尼期早期)还残留一些外, 卡尼期中晚期已全部转变为湿润气候, 与全球气候基本同步[33, 34]。从晚侏罗世开始, 联合大陆快速瓦解, 超级季风也随之消失, 各大陆上行星风系又开始盛行, 亚洲气候也产生了明显的变化, 我国广大的湿润地区大部分转变成干旱地区, 形成了从晚侏罗世至古新世, 继续出现一条东西向干旱带, 形成大片红色碎屑岩型蒸发岩沉积。

5 物质来源

关于盐类矿床之盐类物质来源, 说法不一。过去流行的是单源说, 或海源, 或陆源。近些年, 随着认识的不断深化, 多数地质学持多源说观点。所谓多源说, 是指海源、陆源和深源。深源又包含深部热卤水和深部的火山物质。卤水作为自然界的物体是在变化着, 发展着, 不同来源的水体在混合在掺杂。虽然可以认为钾盐的物质来源具有多源性, 但是据已知的大多数重要古代钾盐矿床的成因, 其钾盐来源还是有主次之分, 或者以1~2个为主要钾源[3, 23, 25, 27, 32, 39]。卤水的这种演变早被地质学者所注意。原苏联地质学者把卤水从碳酸盐型到硫酸盐型再到氯化物型, 称作卤水变质作用[ 42]。袁见齐[ 42]把卤水从石膏沉淀到干盐湖阶段不同来源卤水的掺杂、混合称作掺杂作用。卤水的掺杂作用广泛地发育于古代和现代钾盐沉积过程中。如西非加蓬、刚果与南美巴西塞尔希培早白垩世钾盐矿床都富含CaCl2, 这是南美和非洲板块分离前同一盆地接受沿深断裂上升的富CaCl2深源卤水补给所致[ 43]。又如, 死海约有1/5水体来自深循环的温泉水或油田水[ 43]。再如, 我国察尔汗盐湖类物质也是多源的, 既有周围的风化盐, 也有第三系的再溶盐, 还有油田水的局部掺杂[ 32] , 至于是否有岩浆来源水的掺杂目前还没有可靠的证据。

6 钾盐矿床盆地位置

钾盐是从浓度很高的卤水中沉积出来的, 它必须在海水蒸发末期大量岩盐沉积之后才能沉积, 一般认为钾盐层总是位在厚层岩盐之上, 其面积要小于岩盐层。但是钾盐盆地的位置和岩盐盆地的关系, 实际情况是很复杂的。有些钾盐盆地完全和岩盐盆地相重合, 有些钾盐盆地大致位在岩盐盆地的中心, 有的钾盐盆地位在岩盐盆地的一侧, 甚至还有钾盐盆地位在岩盐盆地范围之外的。按照沙洲说的最初概念, 钾盐既是在最后残留的卤水中沉积的, 其位置应当在岩盐盆地之中。在地壳运动显著, 盐盆地向一方倾侧的情况下, 钾盐盆地可以位在岩盐盆地的一侧[ 44]。柴达木盆地盐湖的实际情况指出这里的钾盐沉积是发生在周边水补给最丰富的一边[ 32]。东喀尔巴阡的情况则更复杂, 有人认为含钾卤水曾经远距离搬运, 达几百公里。上述各种观点, 虽各有其一定的根据, 都还不能看作是普遍规律。从大范围来说, 根据钾盐和岩盐成因上的密切关系, 先从寻找岩盐着手, 是寻找钾盐的有效方法。但当找到了岩盐层之后, 就不一定都要像某些地区那样只在岩盐层厚度较大范围内找钾盐, 而需要考虑到钾盐盆地在哪个位置。

就区域范围来说, 地壳运动的特点对钾盐盆地的位置起了重大影响。在稳定性较显著的地区, 钾盐盆地可能都位于盆地中部盐层较厚地带, 如北日耳曼和白俄罗斯。在地壳运动向一方倾侧的情况下, 钾盐盆地应当位于岩盐盆地的一侧或只在某些区段产生钾盐沉积, 如乌拉尔西坡。至于地壳运动复杂频繁的地区, 则钾盐盆地可能与岩盐盆地很不一致, 如东喀尔巴阡。近年来苏联地质学者更多地强调地壳运动的作用是正确的, 当然也不是唯一的。中国的情况, 也可以参考上面的基本特点来考虑[ 42]

7.成钾模型

7.1陆表海盆成钾作用模式

Usiglio[ 45]首次提出海水蒸发析盐系列:氧化铁+碳酸钙→石膏→石膏+石盐→石膏+石盐+泻利盐→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾+光卤石→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾+光卤石+水氯镁石。瓦里亚什科[ 46]评价:这一篇精心完成的著作成为科学上的优秀文献。它首先证明, 钾盐沉积作用发生于这一过程的最后阶段。

奥克谢尼乌斯最早提出著名的成盐成钾理论—“沙洲说”, 海水在被沙嘴隔离的地段发生浓缩、成盐;伊万诺夫指出, 苏联钾盐矿床形成理论的特点是, 广泛运用盐盆地卤水的化学成分在变质作用影响下发生定向变化的思想。

瓦里亚什科[ 46]提出“预备盆地”、“干盐湖”等成钾说, 自析盆地发展的规律, 即钾盐开始结晶时, 海成盆地应当进入“干湖”阶段。Schmalz[ 44]提出2种蒸发岩的分布模式, 即“牛眼式”和“泪滴式”。“牛眼式”模式, 盐类沉积相呈同心圈状分布, 由外向内, 依次沉积碳酸盐岩相、石膏岩相、石盐相, 最中心为钾镁盐相。“泪滴式”模式, 沿补给区反方向, 依次沉积碳酸盐岩、石膏岩、石盐, 在距离补给区最远的地方沉积钾镁盐。

7.2异常蒸发成钾模式

Lowenstein等[ 47]提出, 异常蒸发成钾模式可能形成于非海相卤水而不是海水。柴达木盆地卤水起源于大气降水(河水, 溪水), 混合有少量氯化钙型泉水(其成分与很多深部建造卤水和地下热卤类似)[ 48]。富含泉水的径流蒸发作用产生光卤石、水氯镁石和溢晶石, 这与几个异常海相蒸发岩矿床一致, 河水和泉水的其他混合也产生与海水蒸发形成的盐类矿物组合。具有泉水混合的水蒸发依次沉积出:碳酸盐、石膏—硬石膏、石盐, 接着是光卤石, 水氯镁石和溢晶石。这种矿物序列可在巴西和刚果的下白垩系裂谷蒸发岩矿床发现[ 23, 49], 也可在泰国呵勒高原的上白垩系蒸发岩(钾盐)有发现[ 50, 51], 这些所谓的异常钾盐矿床可能形成于陆相卤水。其他古代钾盐矿床沉积于海相环境中, 但是缺乏现代海水蒸发析出的矿物序列, 如二叠纪的萨拉多和泥盆纪草原组的蒸发岩(钾盐)[ 52], 可能有少量陆相卤水加入(其成分与柴达木盆地氯化钙泉水相近)。一些异常蒸发岩(钾盐)可能形成于陆相卤水的事实, 说明它们的物质来源比海水更加富含钾离子, 有异常补给来源。

7.3裂谷成钾模式

全球板块运动、演化与显生宙钾盐矿床分布、沉积特征之间关系的宏观分析表明[ 49], 自寒武纪以来, 全球钾盐矿床沉积环境及其所处盆地的构造类型与规模大致遵循如下演变规律:古生代, 全球板块经历从冈瓦纳大陆的聚合、裂解, 再到Pangea超大陆的聚合, 这一过程中全球钾盐沉积以巨型—大型克拉通海相蒸发岩盆地成钾为显著特征;中生代, 特提斯海域的板块或陆块上以出现海相及海陆交互相蒸发岩盆地钾盐为代表;中生代晚期—新生代, 海相及非海相钾盐沉积主要集中在大西洋裂谷和新特提斯洋域的大陆板块裂谷盆地, 即裂谷成钾[ 49], 其发育的时期也正处于Pangea超大陆解体与新特提斯关闭的交替期。

基于板块运动与全球钾盐矿床之间的耦合关系, 可将全球钾盐矿床归纳为三大类成因类型:板块离散型、稳定克拉通型和板块汇聚型。离散型钾盐矿床, 主要形成于大陆裂谷发育盆地内, 钾盐沉积主要集中在大陆裂谷盆地发育的早中期。

埃塞俄比亚盐湖(属于红海裂谷系)主要分布于达纳基尔坳陷中段的黑山和圆山附近, 是由于地下冒出的热卤水泉形成的一些卤水池, 同时伴随着很多钾盐等盐类析出[ 53], 黑山热卤水泉由高温(达130 ℃)饱和卤水构成, 氯化钾含量约2%, 卤水冒出后立即析出水氯镁石和光卤石;圆山卤泉卤水化学分析, KCl为1.69%, NaCl为11.70%, MgCl2为6.49%, CaCl2为6.45%。 上述热卤泉应该与该区火山活动有关。此外, 埃及苏伊士湾捷穆萨钾盐矿床, 它们的盐类物质主要靠地下卤水沿大断裂上升补给。

在美国加利福尼亚州索尔顿海湖东南的科学钻探中, 曾钻遇高温(270~370 ℃)热卤, 盐度达332 g/L, Na为5.2%, Ca为2.6%, K为1.6%, Cl 为15.3%[ 48]

马加迪湖沿岸曾出现20多个热泉, 矿化度15~30 g/L, 属重碳酸盐型水。所有的泉均与全新世火山活动有关, 仅1万多年时间内, 它们在湖底沉积出天然碱储量达30亿t[ 54]。乌干达境内断裂谷中盐湖—卡特韦火山口湖, 该区火山岩主要是具有较高K/Na比值的基性岩, 有50多个泉水补给该湖, 湖水钾含量为2.2~45 g/L, 溴为0.5~2.55 g/L, 氟为0.1~0.5 g/L[ 49]。由此可见, 热泉的补给对盐类沉积有重要意义。

中东死海, 面积1 000多平方公里, 死海到更新世时期才完全与海水隔绝。死海盐类物质来源:1/3来自约旦河, 2/3来自高盐度泉水;3个泉水钾离子平均含量达15.99 g/L;其氯化钾资源量达20亿t[ 55, 56]

红海热卤[ 57], 位于红海轴心海槽部分, 有3个含热卤水的海底洼地, 盐度25.7%, 与死海接近, 但化学组成与死海有一定差异, 钾含量0.78~1.87 g/L。

上述热卤水可能属于地球内部的卤水或流体[ 58 61], 分布于上地幔和地壳深部;部分流体形成于地幔的排气作用, 一部分是海水沿着俯冲带向下转移及随着“岛弧”火山向上返回地表[ 61]。上述资料可见, 源于上地幔和地壳深部的流体大多富含钾、钠等元素, 通过裂谷通道上升补给地表盐湖成钾, 在地壳表层产生了新的成钾模式——“裂谷成钾模式”。

总之, 巨型钾盐(国外古生代)成矿属于巨型陆表海盆的海水蒸发事件成矿, 自中生代以后, 在裂谷盆地或大陆裂开初期, 可能因深源补给在世界范围内出现“裂谷成钾”, 地球表生成钾模式发生了重大转变, 海相盐盆地从海水表生作用成钾转变, 以海水补给为主, 内生来源为辅的新状况, 这是地球演化历史所决定的大趋势。

综合上述典型裂谷盆地钾盐矿床特征, 提出裂谷成钾模式[ 62]。裂谷成钾过程可分解为“2个阶段”以及“3个成钾作用过程”(图2)。“2个阶段”:第一阶段, 地表盐湖—太阳能作用阶段;第二阶段, 埋藏—岩浆热能作用;“3个成钾作用过程”:第一是蒸发沉积, 第二是沉积淋滤, 第三是变质—改造。固体钾盐形成过程如下:

①裂谷发育早期, 地壳开始裂开、断陷沉降, 为陆相碎屑岩沉积;

②中期, 裂谷凹陷持续沉降, 湖面大多低于海平面, 海水侵入;同时火山大量喷发, , 温热泉发育, 带来大量深源物质补给。这时期气候干旱-极端干旱。

在上述构造-物源-气候耦合作用下, 古盐湖卤水持续浓缩, 先出现大量石盐沉积, 在石盐沉积区内进一步浓缩出现光卤石及溢晶石等;在盐湖沉积后期或成岩期, 受到海侵或大气降水影响, 已沉积的光卤石被淋滤, 氯化镁被带走, 氯化钾残留下来形成钾石盐矿层(图3)。

对于尚未蒸发浓缩演化至钾盐矿物析出的盐湖富钾卤水, 在沉积晚期及埋藏时期, 沉积环境环境从地表太阳能驱动转为岩浆热能驱动。盐湖卤水转入同沉积期或更深部地层的盐类晶间及碎屑孔隙-裂隙中;随着埋藏加深, 物理化学条件变为还原条件。岩浆流体侵入, 继续带来成矿物质, 岩浆热能加速卤水-矿物反应作用, 结果, 卤水中硫酸根绝大部分被还原, 同时镁离子进入方解石或文石形成白云石, 卤水化学类型转变为氯化钙型。随着地层压力增加, 富钾卤水转移至孔隙及裂隙发育的岩层中储藏(图3);如果断裂切穿储卤层, 一部分热卤又以盐泉的形式补给盐湖, 开始新的地球化学循环。

(3)裂谷后期, 古盐湖开始淡化, 出现石膏和碳酸盐岩沉积, 形成钾盐盖层;盆地重新开始陆相碎屑岩沉积, 或者, 裂谷进一步裂开, 转变为大洋, 结束蒸发岩沉积。

图2 裂谷盆地成钾示意图[ 62]1.石盐;2.钾盐;3.砂砾岩;4.粉砂;5.玄武岩;6.深循环卤水(起源于卤水-矿物反应);7.地层建造水被驱动上涌;8.岩浆分异热液流体;9.地表盐泉(来自深循环水、建造水的上升排泄);10.冲洪积物。Fig.6 Schematic diagram shows that how potash salts formed in rift basin[ 62]1.halite; 2.potash ;3.sandy conglomerates ;4. siltstones; 5.basalts; 6. deep cycle brine(originated from brine-minerals reaction) ;7.upwelling formation water derived by magma;8.magmatic differentiation hydrothermal fluids;9.surface salt springs (come from discharge of the deep cycle water and formation water) ;10.alluvial deposits

图3 裂谷盆地富钾卤水形成过程示意图[ 62]Fig.3 Schematic diagram shows the formation proces of potassium-rich brines in rift basin[ 62]

8 结语

(1)传统认为形成钾盐的成矿时代主要为二叠纪、白垩纪、晚侏罗世和寒武纪, 其后在北欧和北美找到泥盆纪的巨大钾盐矿床, 因此泥盆纪成为了钾盐矿床最重要的成矿时代。但从中国钾盐成矿时代来看, 钾盐的成矿时代是比较多的, 虽然都不属于钾盐的主要成矿时代。

(2)世界上已发现的古代钾盐矿床基本上属海相沉积, 这与海盆面积普遍较大和海水钾元素含量高等有密切关系;而最近越来越重视陆源和深源物质的补给。

(3)一般认为钾盐矿床形成于地壳相对稳定的地区, 而我国主要的古代盐盆地多产于“准克拉通”, 特别是海相盐盆地均发育于前寒武纪为基底的陆块中, 以及钾盐沉积于构造稳定区中相对活动的亚稳定区和在构造亚稳定区中聚集于相对稳定区。

(4)钾盐矿床是干旱气候蒸发条件下形成的, 这已被大量实际资料所证明。地质历史上各时代的钾盐矿床都分布在南北纬5°~30°的古地理带内。但在北美洲的石炭纪和中亚细亚的侏罗纪找到的钾盐矿床, 这2个地质时代被认为是地质历史上气候潮湿的时代, 证明了即使在最潮湿的地质时代, 在地球上也还有可以形成钾盐矿床的干旱地区的, 只要当时的海水或者湖水蒸发量大于河流水和雨水的注入量就有可能形成钾盐矿床。

(5)按照传统概念钾盐形成的位置应该在岩盐盆地之中, 但是实际情况是比较复杂的, 有的钾盐盆地完全和盐岩盆地相重合, 有的在岩盐盆地一侧, 甚至还有的在岩盐盆地范围之外。

(6)国外大型钾盐矿床成矿模型主要有陆表海盆成钾作用模式, 异常蒸发成钾模式和裂谷成钾模式3种。古生代以巨型陆表海盆的海水蒸发事件成矿为主, 自中生代以后, 在裂谷盆地或大陆裂开初期, 因深源补给在世界范围内出现了一些“裂谷成钾”模式。

The authors have declared that no competing interests exist.

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