老撾他曲盆地鉀鹽礦床蒸發(fā)巖硫同位素特征及成鉀指示意義

張華，劉成林，王立成，方小敏

1)中國地質科學院礦產資源研究所，北京，100037； 2)國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京，100037； 3)中國科學院青藏高原研究所，北京，100101；

內容提要: 老撾含鹽盆地白堊紀時期位于新特提斯域東南部，晚白堊世沉積了巨型鉀鹽礦床。其中，萬象東南部的他曲盆地鉆孔含鹽系中硬石膏δ34SV-CDT值集中分布在13.8‰～15.3‰，與同期海相蒸發(fā)巖δ34S值近似，表明石膏為海相成因。據此，也進一步證實老撾含鹽盆地成鉀物質大多來自于同時期的古海水，但同時也受到大陸水的摻雜。依據老撾含鹽盆地與思茅盆地鉀鹽礦床沉積時代相近，同時結合勐野井組石膏硫同位素組成，筆者初步認為兩盆地在硫同位素組成上具有相近的海源特征，推斷它們在海侵期可能曾連通。

現(xiàn)今的呵叻高原包括泰國東北部和老撾中部，近東西走向的普潘隆起將高原分為兩個盆地：北部的沙空那空盆地和南部的呵叻盆地(Hite，1974；Hite and Japakasetr，1979)。白堊紀時期，兩個盆地內蒸發(fā)巖廣泛發(fā)育，鉀鹽預計儲量能達到420億噸(Tabakh et al.，2003)，其豐富的鉀鹽儲量使其已成為世界上最大的鉀鹽沉積礦床之一(Fan，2000)。已有研究表明，我國云南蘭坪—思茅盆地與沙空那空—呵叻盆地在白堊紀時期處于同一構造帶上，其在盆地基底性質、盆地發(fā)展、演化及沉積環(huán)境方面均有著相似之處(曲懿華，1997；李興振等，2004，Wang Licheng et al.，2014)。因此，對呵叻高原鉀鹽礦床成鹽物質來源、礦床成因等問題的厘清，可以為我國蘭坪—思茅盆地鉀鹽礦床的研究提供重要的借鑒和指導。

與鉀鹽礦床的勘探和開發(fā)相比，呵叻高原鉀鹽礦床系統(tǒng)的科學研究目前仍顯得較為薄弱，其成鹽物質來源等方面仍存在爭議，爭議的焦點則是成鹽物質來源是否是海源(相)或者陸源(相)。Hite(1974)、Hite 和 Japakasetr(1979)依據石鹽中Br的含量及其在縱向上的變化趨勢與海相蒸發(fā)巖相似，認為成鹽物質應來自海水，并在這一時期可能存在一個所謂的“呵叻?！薄Ｖ?， 類似的觀點相繼被Sundharovat(1976)、Thiramongkol(1978)所引用，他們同樣認為泰國東北部鉀鹽可能與海侵有關或者巖鹽是在晚白堊世內陸?；驗a湖環(huán)境中形成。此外，石鹽流體包裹體中的硼同位素組成，也反映了成鹽物質的海源性(Tan Hongbing et al.，2010)。然而，由于缺乏碳酸鹽巖等典型海相沉積證據，呵叻鉀鹽盆地曾被認為是在干旱沙漠環(huán)境中形成的一個內陸超鹽化湖泊(Utha-Aroon，1993；Racey and Goodall，2009；Meesook，2000)。此后，Garrett(1996)在對呵叻高原、巴西塞爾希培盆地以及西非剛果—加蓬盆地鉀鹽沉積特征進行對比后，認為含鹽地層是在陸相環(huán)境中沉積。而基于呵叻和沙空那空盆地均缺少MgSO4鹽的事實，Warren(1999)也提出鹵水可能來源于大陸的觀點。

對海水硫酸鹽及石膏的硫同位素研究表明，石膏沉積時造成的同位素分餾十分微弱、甚至可以忽略不計(Holser and Kaplan，1966)，在石膏形成過程中海水母液和石膏的同位素差值僅為0‰～2.4‰(Ault and Kulp，1959；Thode et al.，1961；Thode and Monster，1965；Raab and Spiro，1991)。同時，受盆地的硫源以及沉積體系的封閉和開放程度等因素影響，同一時代、不同沉積背景下的硫同位素在組成上往往表現(xiàn)出較大差異。因此，在研究古代蒸發(fā)巖沉積過程中，運用硫同位素進行沉積環(huán)境判定及物源分析已被地質學家廣泛接受(Holser and Kaplan，1966；李任偉和辛茂安，1989；Tabakh et al.，1998，1999)。

基于此，本文擬借用石膏硫同位素對蒸發(fā)巖物質來源以及沉積環(huán)境等方面的指示作用，通過對萬象東南部的他曲地區(qū)ZK2893鉆孔(圖1)中不同層位石膏硫同位素的研究，對該區(qū)蒸發(fā)巖沉積環(huán)境作初步分析，在此基礎上探討老撾含鹽盆地與云南思茅盆地成鉀物質來源問題。

圖1 研究區(qū)地質簡圖及鉆孔位置(底圖據張西營等，2010)Fig. 1 Simplified geological of study area and location of borehole(base map after Zhang Xiying et al.，2010) N2—Q—新近系至第四系；K2—上白堊統(tǒng) N2—Q—Neogene to Quaternary；K2—Upper Cretaceous

1 區(qū)域地質背景及樣品采集

呵叻高原位于泰國東北部和老撾中部，其北為湄公河斷裂，南為北柬埔寨斷裂，西為南烏江斷裂，東為邊和斷裂。受周邊深大斷裂的控制，呵叻高原構成一個獨特的長期穩(wěn)定持續(xù)下降的坳陷帶(李善平等，2009)。古近紀早期，呵叻高原發(fā)生抬升，中部NW—SE向的普潘隆起形成，并將高原分為南北兩個盆地，即北部沙空那空盆地以及南部呵叻盆地(Tabakh et al.，1999)。研究區(qū)他曲盆地位于萬象東南部，為呵叻高原北部沙空那空盆地東北緣的次級盆地，其南部與沙灣拿吉盆地相鄰。

樣品采自中農礦產資源勘探有限公司在萬象東南部的他曲盆地新近布置的ZK2893鉆孔(圖1)，采集層位為上白堊統(tǒng)塔貢組(Tagon Formation)。鉆孔巖芯觀察結果顯示，塔貢組含鹽層系主要由三個單元組成，自下而上表現(xiàn)為3個完整的蒸發(fā)巖序列沉積旋回，即基底硬石膏層—下鹽層—下碎屑層—中鹽層—中碎屑層—上鹽層(硬石膏層)—上碎屑層(圖2)。區(qū)域對比表明，塔貢組含鹽系中這3個蒸發(fā)巖沉積旋回在呵叻盆地和沙空那空盆地均廣泛發(fā)育，且可以進行良好對比(Tabakh et al.，1999)。硫同位素測試樣品分別采集自鉆孔中塔貢組含鹽層系基底硬石膏及上鹽段硬石膏層(圖2)。

圖2 老撾萬象東南部他曲盆地ZK2893鉆孔巖性剖面及采樣位置Fig. 2 Lithological profile of borehole ZK2893 in Thakhek Basin, southeastern Vientiane, Laos， and sampling location

2 樣品分析及測試結果

為了避免硬石膏中有其他礦物的混入影響測試結果的精確性，在本次硫同位素測試開展之前，選擇具有代表性的樣品進行了粉晶衍射的礦物組分分析，測試結果見表1。硫同位素測試對象為純凈的硬石膏晶體，樣品測試工作由中國地質科學院礦產資源研究所完成，分析儀器為MAT-251EM 型質譜計?；趯藰拥闹貜蜏y試，δ34S分析精度為2‰，其結果分別以相對V-CDT標準的δ值來表示。測試結果見表1。

本次硫同位素測試結果(表1)顯示，硬石膏δ34SV-CDT值分布較為集中(13.8‰～15.3‰)，δ34S值波動幅度僅為1.4‰。不同層段硬石膏δ34S值顯示出相近的特點，其中本次鉆孔中基底硬石膏δ34SV-CDT值與Tabakh (1999)對老撾、泰國其它鉆孔基底硬石膏進行硫同位素測試的δ34SCDT值相一致，說明本次測試數據較為可靠。

3 討論

3.1 硫同位素的環(huán)境指示意義

現(xiàn)代大洋中溶解硫酸鹽與海相成因蒸發(fā)巖具有相似的硫同位素組成，海相蒸發(fā)巖及其所反映的古海洋硫酸鹽的同位素組成只在狹窄的范圍內變化(Holser and Kaplan，1966，李任偉和辛茂安，1989)，而陸相湖盆中硫酸鹽硫同位素組成變化往往較大(鄭喜玉等，1988；史忠生等，2005)。大氣降水以及天然河水δ34SCDT值普遍分布在10‰以下(章振國等，2010)，大氣降水中δ34SCDT值一般為0‰～5‰，天然淡水δ34SCDT值約為5‰～10‰(Holser and Kaplan，1966)。而在海陸交互相中，由于大陸淡水和海水的共同作用，石膏硫同位素組成往往兼有兩者的特點，δ34SCDT值通常為15‰～10‰(Tabakh et al.，1998，1999)。但是，表生缺氧環(huán)境中，大量細菌通過消耗硫的化合物為其新陳代謝提供能量，并導致硫的化合物被還原、氧化或(和)歧化(常華進等，2010)。因此，生物作用引起的硫同位素分餾也是硫同位素組成發(fā)生變化的主要原因(張偉等，2007)。細菌硫酸鹽還原反應過程對重硫同位素的歧視效應，最終導致生成硫化物的硫同位素顯著虧損34S(Chambers and Trudinger，1979；Kaplan and Rittenberg，1964)，而殘余的硫酸鹽往往明顯富集34S。

表1 老撾他曲盆地塔貢組硬石膏XRD分析結果 及硫同位素組成Table 1 XRD analysis results and sulfur isotope compositions of anhydrite from Tagon Formation in Thakhek Basin，Laos

注：*K樣品數據來自Tabakh et al.(1999)。

從表1中可以看出，本次分析測試的不同深度段的硬石膏δ34S值具有總體偏小，且分布范圍較為集中的特點。這與形成于有機質堆積速度較快、介質環(huán)境缺氧的強還原環(huán)境中的硫酸鹽，如四川盆地T1j2段石膏(δ34SCDT值變化范圍為27.8‰～35.9‰)(陳錦石等，1986；林耀庭，2003)、東濮凹陷古近系(δ34S值變化范圍為28‰～33‰)(史忠生等，2005)以及潛江凹陷等古近系硫酸鹽(δ34S值變化范圍為30.1‰～40.43‰)(劉群等，1987)形成鮮明對比(圖3)，指示老撾他曲盆地石膏形成過程中，細菌還原作用較弱，生物硫酸鹽還原作用對石膏硫同位素的分餾作用貢獻不大。而盆地中這一時期沉積的含鹽層系缺少黃銅礦、黃鐵礦等指示還原環(huán)境沉積產物，以及紅層廣泛發(fā)育，則進一步表明石膏形成過程中，成鹽環(huán)境對硫酸鹽來說是開放的，對H2S是封閉的。這也與鉆孔同一深度段內石鹽中大量條帶狀、人字形的石鹽原生流體包裹體的出現(xiàn)(Zhang Hua et al.，2014)所指示的淺水、開放—氧化的環(huán)境相一致。不同深度段的硬石膏δ34S值所表現(xiàn)出來相似性說明，老撾鉀鹽礦床沉積時可能長時間持續(xù)處于淺水—氧化的沉積環(huán)境。

3.2 老撾鉀鹽礦床的鹽類物質來源

全球海洋硫酸鹽的δ34S記錄顯示，白堊紀時期海相蒸發(fā)巖δ34SCDT值約為14‰～21‰(Tabakh et al.，1999；Strauss，1999)。本次測試結果顯示，老撾他曲盆地含鹽系硬石膏δ34S值比白堊紀海水硫酸鹽δ34S值略低，但基本落入同期海相蒸發(fā)巖δ34S值范圍內，這表明硬石膏為海相成因。這一結論也與該區(qū)鹽巖地球化學指標Br含量(Tabakh et al.，1999)、以及新近的δ11B(Zhang Xiying et al.，2013；Tan Hongbing et al.，2010)得出的結論相一致。

3.3 呵叻盆地與思茅盆地的關系

圖3 不同沉積環(huán)境下蒸發(fā)巖硫同位素組成特征Fig. 3 Sulfur isotopic composition of evaporites under different sedimentary environments 白堊紀海相蒸發(fā)巖，據Paytan et al.，2004；Tabakh et al.，1999；四川盆地數據，據陳錦石等，1986；林耀庭，2003； 東濮凹陷數據，據史忠生等，2005；潛江凹陷數據，據劉群等，1987；云南數據，據高廣立，1991，劉群等，1987 Data of Cretaceous evaporite from Paytan et al.，2004，Tabakh et al.，1999；data of Sichuan Basin from Chen Jinshi et al.，1986，Lin Yaoting，2003；data of Dongpu depression from Shi Zhongsheng et al.，2005；data of Qianjiang depression from Liu Qun et al.，1987；data of Yunnan from Liu Qun et al.，1987，Gao Guangli，1991

已有的證據表明，思茅盆地與呵叻—沙空那空盆地鉀鹽礦床形成于同一時期，其對應的地層年代應為晚白堊世(Racey and Goodball，2009；鐘曉勇等，2012；秦占杰等，2013)。與此同時，兩盆地在構造演化、沉積特征方面的相似性，使我們有理由相信兩盆地在晚白堊世聯(lián)系緊密。Wang Licheng 等(2014)基于全巖地球化學、鋯石U-Pb年代學以及Hf同位素組成同時結合這一時期古流向資料(Racey and Goodball，2009)認為，勐野井組沉積物質來源與呵叻—沙空那空盆地在晚白堊世具有相似性，云南思茅盆地在晚白堊世位于呵叻—沙空那空盆地西側且在某些時候兩盆地相互連通的觀點(Wang Licheng et al.，2014)。而基于蘭坪—思茅陸塊以及老撾含鹽盆地所在的印支板塊的古地磁學研究表明，兩板塊在晚白堊世應處于大致相同的緯度地區(qū)?，且晚白堊世以來發(fā)生過不同規(guī)模的順時針旋轉，兩盆地在晚白堊世應為東西向展布(Yang Zhenyu and Besse，1993；Charusiri et al.，2006；Yamashita et al.，2011)。對比顯示，思茅盆地勐野井組石膏硫酸鹽δ34S值約為20.58‰(劉群等，1987；高廣立，1991)與白堊紀晚期海相蒸發(fā)巖硫同位素組成近似，但普遍高于他曲盆地不同層段硬石膏δ34S值。在遠離海源的蒸發(fā)巖盆地中，海水對盆地的補給通常是間歇性的，海相硫酸鹽在形成過程中常常會受到周緣淡水的注入，從而導致沉積水體34S虧損，δ34S值相對這一時期正常的海洋硫酸鹽δ34S值偏小。這一硫同位素組成變輕的過程，在新生代塔里木海灣的演化過程中表現(xiàn)尤為顯著(張華等，2013)。

基于上述證據，我們推斷老撾含鹽盆地與思茅盆地鉀鹽礦床的形成與當時的新特提斯海關系密切，鉀鹽成礦物質主要來自當時的古海水；兩盆地在海侵的時候可能曾連通，海水可能從西向東侵入，即先進入思茅盆地，再入侵老撾含鹽盆地，這可能是導致思茅盆地勐野井組石膏硫同位素組成更接近這一時期海水硫同位素，而老撾他曲地區(qū)蒸發(fā)巖δ34S值則因受到較多大陸淡水的影響，而低于同期海水的主要原因之一。

4 結論

基于對老撾他曲盆地硫酸鹽硫同位素組成特征的分析，及其與其他蒸發(fā)巖盆地硫同位素組成對比研究，大致可以得出如下結論：

(1)老撾他曲盆地蒸發(fā)巖形成于持續(xù)淺水—氧化的沉積環(huán)境，這與盆地同時期含鹽系缺乏黃鐵礦、黃銅礦等指示還原環(huán)境的產物以及同一層位鹽巖中發(fā)育大量人字形、條帶狀的原生流體包裹體等地質證據相符合。

(2)老撾含鹽盆地與思茅盆地鉀鹽礦床的鉀鹽物質來源應為白堊紀海水，海侵時兩盆地可能曾經相通；由于摻雜陸源淡水的影響，從而導致老撾含鹽盆地硬石膏硫同位素具有?！懟旌系奶卣?。

致謝：本文測試樣品來自中農礦產資源勘探有限公司勘探鉆井巖芯，鉆孔編錄由中國科學院青藏高原研究所科研人員完成，采樣過程得到中國科學院青藏高原研究所楊一博博士的幫助；審稿專家對本文提出了大量寶貴意見，在此一并表示感謝。

注 釋 / Note

? 中國地質科學院礦產資源研究所, 等. 2012. 國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目“中國陸塊海相成鉀規(guī)律及預測研究2012年度中期總結報告.