蒸發(fā)巖盆地雜鹵石成因及找鉀意義①

孫宏偉 曹養(yǎng)同 張 華

1.中國地質大學地球科學與資源學院，北京，100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京，100037

蒸發(fā)巖盆地雜鹵石成因及找鉀意義①

孫宏偉*1曹養(yǎng)同2張 華2

1.中國地質大學地球科學與資源學院，北京，100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京，100037

全球大型雜鹵石礦床主要分布在二疊紀、三疊紀以及古近紀-新近紀這三個時期的地層中,并集中在北緯20～50°之間，我國正處于這一富集區(qū)內。由于雜鹵石較其他含鉀礦物溶解度低，因此常常被保留下來，為尋找可溶性鉀鹽或富鉀鹵水提供了有利線索。通過分析雜鹵石成因類型并結合海水演化特點認為蒸發(fā)巖盆地雜鹵石成因主要有兩種：①原生沉積，但需要一定附加條件，即鹽湖濃縮到硫酸鉀鎂鹽沉積階段時有外來鈣離子的補給，或在硫酸鈣鹽沉積階段有外來鉀鎂離子的補給，主要以前者為主；②后生交代，富鉀鎂的鹵水通過構造裂隙運移并與石膏（或硬石膏）接觸發(fā)生交代作用形成雜鹵石。

雜鹵石 成因 原生沉積 準同生交代 后生交代

雜鹵石是一種含鉀的復鹽礦物，國內外幾乎所有的硫酸鹽型鉀鹽礦床中都有雜鹵石的出現【1～6】。鉀肥是重要的農業(yè)肥料，但作為農業(yè)大國的我國鉀資源嚴重不足，是大宗緊缺礦產之一【7】，尋找大型鉀鹽礦床迫在眉睫。國外大型鉀鹽礦床的發(fā)現多數是從含鉀線索開始的，即從石油和石鹽巖礦勘查過程中發(fā)現的含鉀信息和線索開始，而鉆井過程中可溶性鉀鹽常常溶解無法保留，但與其他可溶性鉀鹽共生的雜鹵石由于溶解度較低因而可以很好的保留下來，為尋找可溶性鉀鹽礦了提供線索【7，8】。雜鹵石也是一種可以利用的鉀鹽資源，可直接作為復合鉀肥使用，因此，發(fā)掘利用好雜鹵石資源將會有效的緩解我國鉀資源緊缺的現狀。

雖然對雜鹵石的研究很多，但直到現在，關于雜鹵石的成因說法不盡相同，本文通過分析雜鹵石成因類型并結合海水成分演化規(guī)律認為雜鹵石的成因主要有兩種:一是原生沉積，但需要有外來特定成分溶液進行補給，即鹽湖濃縮到硫酸鉀鎂鹽沉積階段時有外來鈣離子的補給（或在硫酸鈣鹽沉積階段有外來鉀鎂離子的補給）；二、為后生交代，富鉀鎂的鹵水通過構造裂隙運移并與石膏（或硬石膏）接觸發(fā)生交代作用形成雜鹵石。通過研究其成因希望為以后尋找新的雜鹵石礦床及進一步尋找可溶性鉀資源提供參考。

1 全球雜鹵石礦分布概況

雜鹵石在世界的分布具有明顯的規(guī)律性。據統(tǒng)計，全球大型雜鹵石礦床集中分布在二疊紀、三疊紀以及古近紀—新近紀這三個時期的地層中（表1），并且集中出現在北緯20～50°之間，我國正好處于這一雜鹵石富集帶中，尋找雜鹵石資源的潛力是十分巨大的【6，9】。

2 雜鹵石的成因機理

自20世紀初雜鹵石被發(fā)現以來，國內外很多研究者都對其進行了研究，但關于雜鹵石的成因有多種不同的看法： Peryt等認為波蘭蔡希斯坦雜鹵石礦床是后期蒸發(fā)濃縮形成富鉀鎂鹵水交代硬石膏形成【10】；德國施塔斯富特的鉀鹽礦中的雜鹵石主要是變質作用形成的，少量是由于鉀鹽層的表生作用形成的【5】；羅布泊鹽湖以及湖北潛江凹陷的雜鹵石是由于鹵水在沉積鉀鎂鹽階段外界注入鈣離子形成的【4，11】；四川盆地是我國最早發(fā)現雜鹵石的地區(qū)，因此對其成因研究較多，李亞文、潘忠華等認為，該區(qū)雜鹵石是溶濾了鹽層的富鉀鹵水交代石膏（或硬石膏）反應所形成【12】；黃宣鎮(zhèn)提出兩種看法，第一，淺水盆地中的殘余鹵水與石膏發(fā)生同生交代作用，第二，膏坪匯流水與殘余濃縮鹵水混合蒸發(fā)沉積；林耀庭等則認為，雜鹵石是外來富鉀含鎂鹵水交代硬石膏所形成【13～15】。由上述討論可見，關于雜鹵石成因的認識有三種：①交代成因，即富鉀鎂鹵水交代石膏及硬石膏；②原生沉積形成，即鹽湖濃縮到硫酸鉀鎂鹽沉積階段時有外來鈣的補給（或在硫酸鈣鹽沉積階段有外來鉀鎂的補給）；③準同生交代，較早沉淀的硬石膏（或石膏）與繼續(xù)濃縮而含K 、Mg 較高的濃鹵水反應而形成的雜鹵石。

表1 世界雜鹵石主要分布范圍及時代Table 1 The polyhalite main distribution range and time in the world

2.1 雜鹵石形成的物理化學條件

早在20世紀60年代瓦里亞什科夫等就通過實驗確定了25、55、83℃條件下，鉀鎂鹽飽和溶液中雜鹵石的析出區(qū)域【16】。為了補充鉀鎂鹽不飽和溶液中雜鹵石的形成條件，韓蔚田等從正反兩個方向對鉀、鎂鹽不飽和溶液中雜鹵石的形成進行實驗，并通過實驗證實了富鉀鎂的濃鹵水可以與石膏反應形成雜鹵石【1】。谷樹起等也通過向人工配置的K+、Mg2+、Ca2+、Na+/Cl-、SO42-飽和溶液體系中加入石膏晶粉，得到了雜鹵石的相區(qū)，并再次證實雜鹵石可以通過石膏與濃鹵水反應形成【17】，基本弄清了雜鹵石形成的物理化學條件，得到了雜鹵石的析出相區(qū)（圖1）：①15℃時雜鹵石相區(qū)極小，位于瀉利鹽和鉀石鹽共飽線附近;②隨著溫度增高，雜鹵石相區(qū)擴大，35℃時已占有部分硫鎂礬、光鹵石、鉀鹽鎂礬、白鈉鎂礬、鉀鎂礬、鉀石鹽等相區(qū)。55℃ 時雜鹵石相區(qū)明顯向耶奈克圖上2K 端元擴大，已擴展到大部分鉀石鹽相區(qū)和部分鉀芒硝相區(qū)。因此，溫度增高有利于雜鹵石的形成;③常溫條件下（25℃），雜鹵石相區(qū)主要位于耶奈克圖上富鎂的一角。

圖1 雜鹵石析出區(qū)域隨溫度的變化圖（趙德鈞等，1987）Fig.1 Polyhalite precipitation area with temperature variation （from Zhao D J，1987）

前人通過自然蒸發(fā)與人工配置特定溶液實驗研究證明：①雜鹵石形成的溫度在13 ℃ 以上，在25～35℃ 的常溫條件下，在耶奈克三角圖中富鎂的一角雜鹵石有著相當大的析出區(qū)域，這也說明在硫酸鹽型鹵水的蒸發(fā)過程中雜鹵石是可以普遍存在的。②鹵水蒸發(fā)后期鉀鎂濃縮到一定程度后，如有鈣離子的注入可以形成原生沉積的雜鹵石。③雜鹵石可以由石膏與富鉀鎂鹵水反應形成。

2.2 雜鹵石成因機理分析

綜合國內外近些年的研究發(fā)現，關于雜鹵石的形成目前主要有三種觀點：原生沉積形成、準同生交代形成、后生交代形成。

2.2.1 原生沉積 根據鹽類礦物結晶原理及易溶易變的特征，王弭力將湖底沉積階段，即成巖期前形成的礦物稱為原生沉積形成的礦物【11】。其主要特征為①層位穩(wěn)定，厚度僅幾毫米的雜鹵石卻可以延伸十幾公里且均出現在相同的層位中。②具有一系列典型的原生沉積結構，有的雜鹵石質很純，自形晶很常見也沒有交代現象。③溴氯系數呈穩(wěn)定、正常值，潛江凹陷中雜鹵石出現層位的溴氯系數值很穩(wěn)定，且基本都在0.20以上，這些現象都說明雜鹵石是通過原生沉積形成的【2，5，11】。

作為硫酸鈣鹽與硫酸鉀鎂鹽復鹽的雜鹵石其形成是十分困難的，即當鹵水達到硫酸鈣飽和時，因鉀、鎂遠沒有飽和，只能析出石膏之類的硫酸鈣鹽礦物，而當鹵水達到鉀鎂鹽沉積階段時，又因缺鈣（大量的鈣在硫酸鈣鹽沉積階段早已析出）仍不能形成以雜鹵石為主的鉀鎂鹽沉積，這也是為什么至今也未能通過鹵水自然蒸發(fā)得到雜鹵石的原因。不過，在某一階段有外來溶液的注入將會讓雜鹵石的原生沉積變?yōu)楝F實，比如在硫酸鈣鹽沉積階段有富含鉀鎂的濃鹵水注入，或者在硫酸鉀鎂鹽沉積階段有鈣離子的加入?？梢哉f，雜鹵石是可以通過原生沉積形成，但需要一定的外部條件。

2.2.2 準同生交代 準同生交代是指自析鹽湖中較早沉淀的鹽類與進一步濃縮的鹵水之間起反應而發(fā)生的交代作用，也就是較早沉淀的硬石膏（或石膏）與繼續(xù)濃縮而含K 、Mg 較高的濃鹵水反應而形成的雜鹵石【5】。

準同生交代說認為交代作用發(fā)生于鹽湖自析階段，交代物質也是鹽湖發(fā)展過程中產生?，F實礦床中雜鹵石具有一定層位卻又不固定在某一層位，甚至雜鹵石層既有廣泛的交代現象而又有清晰的層面，有的甚至切穿了層面，前人已經通過實驗證明含K 、Mg 較高的濃鹵水和硬石膏接觸，可以把硬石膏轉變?yōu)殡s鹵石，這些現象都為準同生交代說提供了可靠的依據【1，2，5，17】。

2.2.3 后生交代 后生交代形成雜鹵石主要是指成巖作用以后經過外來溶液的交代作用而形成的【2，5】。認為雜鹵石是后生交代形成的依據主要有：①大部分雜鹵石沒有原生的紋層，而是普遍發(fā)育有交代現象，有的還保留有原晶的假象或其原有的構造，主要交代早期沉積的石膏、硬石膏、石鹽等【11】。②一些雜鹵石呈團塊狀、不規(guī)則條帶狀、浸染狀分布于硬石膏巖之中，兩者界線不明顯，呈過渡關系。③前人已經通過海水蒸發(fā)實驗證明雜鹵石不能在海水蒸發(fā)的任何階段大量沉淀，王弭力等也用濃鹵水做自然蒸發(fā)實驗，并未發(fā)現有雜鹵石沉積，而交代形成的雜鹵石則早已有實驗證明的【5，11】。

2.3 海水演化與雜鹵石的形成

海水成分在整個地質過程中并非一成不變，而是經過了“方解石?！焙汀拔氖！钡慕惶?，不同的海水化學決定了不同的蒸發(fā)巖沉積序列及不同時期的礦物組合【18】。因此，全球海水組成的變化與世界海相盆地成鉀作用有一定的相關性，作為蒸發(fā)巖礦物，雜鹵石的形成跟海水成分的變化也應該有著密切的關系。雜鹵石的富集時期主要集中在二疊紀、三疊紀、古近紀—新近紀這三個時期【9】，而這三個時期都處在海水中Ca2+相對低Mg2+相對高的“文石?！睍r期（圖2），實驗已經證明，海水自然蒸發(fā)到后期之所以不能形成雜鹵石主要是因為Ca2+的含量不夠，而矛盾的是雜鹵石大量形成的時期卻是全球海水Ca2+含量低的時期，這不得不引起我們的注意，也對雜鹵石的成因的研究提供了一條新的佐證，雜鹵石的原生沉積是需要一定的外部條件的，即鹽湖蒸發(fā)到鉀鎂富集階段有外來的鈣離子補充才能生成雜鹵石。

圖2 世界各地質時代海水部分離子成分變化和蒸發(fā)巖組合（引自Lowenstein T K，2001）【19】Fig.2 The assemblage of evaporates and scawater chemistry in geological times（from Lowenstein T K，2001）

通過對雜鹵石礦成因以及海水演化分析，筆者認為雜鹵石的成因主要有兩種：①原生沉積，但需要一定外部條件，即鹽湖濃縮到硫酸鉀鎂鹽沉積階段時有外來鈣的補給（或在硫酸鈣鹽沉積階段有外來鉀鎂的補給）；②后生交代，富鉀鎂的鹵水通過構造裂隙運移并與石膏（或硬石膏）接觸發(fā)生交代作用形成雜鹵石。

3 雜鹵石的找鉀意義

由于雜鹵石的溶解性差，加上其特有的成因機理，可以說雜鹵石是硫酸鹽型碎屑盆地鹵水蒸發(fā)濃縮過程中最先形成最后消失的鉀鹽礦物，因此雜鹵石能夠提供富鉀信息，為尋找可溶性鉀鹽或富鉀鹵水提供線索。雜鹵石與可溶性鉀鹽層或富鉀鹵水主要有以下幾種關系：

（1）雜鹵石的出現說明鹵水中富集了一定數量的鉀、鎂，在構造、氣候等條件符合的條件下，進一步濃縮可以形成可溶性鉀鹽礦或富鉀鹵水。也就是說，不管其成因如何，雜鹵石的出現就說明盆地中有出現可溶性鉀鹽礦物的可能。

（2）雜鹵石的層位范圍和分布面積比可溶鉀鹽層更廣。橫向上，雜鹵石應富集在盆地邊緣陸源水補給較多或海水進入的方向；縱向上，可溶性鉀鹽層一般比較薄，其層位多處在雜鹵石層之上。

（3）對在盆地蒸發(fā)沉積硫酸鉀鎂鹽階段時受外來含鈣的淡水補給影響形成的雜鹵石其對找鉀的意義應進一步考慮。主要分兩種情況，一是受淡水影響盆地可能始終未能濃縮到沉積可溶性鉀鹽的階段，二是在雜鹵石層厚度變小且碎屑顆粒比較小的區(qū)域為尋找可溶性鉀的有利區(qū)域，可見，雜鹵石的出現對尋找可溶性性鉀鹽礦物也是有利有弊的。

4 結論

（1）雜鹵石的成因理論上有三種:原生沉積、準同生交代、后生交代，通過對雜鹵石礦成因以及海水演化分析，筆者認為雜鹵石的成因主要有兩種：①原生沉積，但需要一定外部條件，即鹽湖濃縮到硫酸鉀鎂鹽沉積階段時有外來鈣的補給（或在硫酸鈣鹽沉積階段有外來鉀鎂的補給），②后生交代，富鉀鎂的鹵水通過構造裂隙運移并與石膏（或硬石膏）接觸發(fā)生交代作用形成雜鹵石。

（2）雜鹵石產出的地質時代主要集中在二疊紀、三疊紀以及古近紀—新近紀，這幾個時期在地質歷史中均屬于海水中Ca2+相對較低Mg2+相對高的“文石海”時期，實驗已經證明海水自然蒸發(fā)無法形成雜鹵石主要是海水濃縮到富鉀鎂階段時鈣離子的含量不夠造成的，可見雜鹵石的原生沉積必須要有外來溶液的摻雜.雖然除二疊紀外雜鹵石大量產出的時代并非世界鉀鹽大量富集的時期，但卻不可否認雜鹵石在對尋找可溶性鉀資源的幫助，至少雜鹵石的出現就說明，鹵水已經濃縮到了富鉀鎂的階段。

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THE GENESES OF POLYHALITE IN EVAPORITE BASIN AND THEIRSIGNIFICANCE IN POTASH FORMATION

Sun Hongwei1Cao Yangtong2Zhang Hua2
1．School of Earth Science and Resources ，China University of Geosciences，
Beijing 100083，China 2.Institude of Mineral Resources ，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

Polyhalite is a double salt of magnesium and potassium mineral，They abundantly distributed in rock salt formations，but has obvious regularity，the world's large Polyhalite ore deposits are mainly distributed in the Permian，Triassic and Paleogene-Neogene in strata in the three period，and focus between 20°to 50 ° north latitude，our country is in this enrichment stripe. Due to polyhalite than other potassium mineral solubility is low，so often be preserved for soluble potassium or rich brine potassium provide clues. At present，there are three kinds of polyhalite causes： primary sedimentary，penecontemporaneous metasomatism，epigenetic metasomatism. through the analysis of polyhalite genetic types and combining with the characteristics of evolution of seawater，I think its cause mainly has two kinds： first，primary sedimentation，but need some additional conditions ，the salt concentration to potassium and magnesium salt phase have external calcium ion to supply （or the calcium sulfate salt deposition phase has a foreign supply of Mg and K rich brines）; Second，epigenetic metasomatism.the percolation of Mg and K rich brines through the gypsum layer occurs metasomatism.

polyhalite，geneses，primary sedimentary，penecontemporaneous metasomatism，epigenetic metasomatism

P578.73:P619.211

A

1006–5296（2014）01–0008–05

① 國家“十二五”科技支撐課題“塔里木與中亞盆地成鉀對比研究及其資源潛力評價”（2011BAB06B06）資助

* 第一作者簡介：孫宏偉（1986～），男，礦物學、巖石學、礦床學專業(yè)，碩士

2013-12-10；改回日期：2014-03-04