馬海鹽湖北部礦段低品位固體鉀礦中鉀鹽礦物的賦存特征及成因探討

龍鵬宇, 趙艷軍, 胡宇飛*, 杜江民, 何繼輝, 王朝旭

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037;2)河北地質(zhì)大學(xué), 河北省戰(zhàn)略性關(guān)鍵礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北石家莊 050031;3)河北地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 河北石家莊 050031;4)青海中航資源有限公司, 青海德令哈 817000

鉀鹽是中國(guó)緊缺的非金屬戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源, 鹽湖可溶性鉀鹽資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀日益顯著(王弭力等, 2006; 劉成林等, 2010; 郭明強(qiáng)等, 2011; 亓昭英等, 2019; 韓光等, 2022; 常政等, 2022)。2017年我國(guó)鉀肥總產(chǎn)量為9.68×106t, 表觀消費(fèi)量達(dá)1.95×107t,自給率僅為 49.6%, 同比 2016年下降 11.3%(楊華,2007)。在油鉀兼探、氣鉀兼探等新戰(zhàn)略的實(shí)施背景下, 經(jīng)幾代地質(zhì)學(xué)家 70余年的鉀鹽找礦勘探工作,除在柴達(dá)木盆地察爾汗鹽湖、塔里木盆里羅布泊鹽湖發(fā)現(xiàn)超大型鉀鹽礦床外, 已無更大突破。柴達(dá)木盆地 28個(gè)鹽湖礦區(qū)尚貯有數(shù)億噸的低品位固體鉀礦(亓昭英和馬金元, 2009), 馬海鹽湖全新統(tǒng)礦層中貯存有近 8.1×106t的低品位固體鉀礦(馬金元, 2005),相當(dāng)于一個(gè)中型鉀礦。對(duì)地表低品位固體鉀礦的開發(fā), 可有效保障我國(guó)鉀鹽資源的可持續(xù)發(fā)展并使我國(guó)在國(guó)際鉀鹽市場(chǎng)中有更多的話語權(quán)。

馬海礦區(qū)位于柴達(dá)木盆地中北部, 是一個(gè)固液礦并存、貧富礦石并存, 鉀、鎂、鈉等多種組分共(伴)生的第四紀(jì)鹽湖礦床(馬金元和楊平, 2005)。礦區(qū)開展地表低品位固體鉀礦液化溶采的工程已有近十年,隨著水溶開采的持續(xù)進(jìn)行, 固體鉀礦的品位明顯降低, 溶出液的成分也發(fā)生了明顯變化, 給生產(chǎn)帶來了很大的不確定性。要實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)化的可持續(xù)運(yùn)行,降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn), 必須查清現(xiàn)階段低品位固體鉀礦中鉀鹽礦物的賦存狀態(tài)。本文通過對(duì)礦區(qū)10個(gè)鉆孔巖芯進(jìn)行編錄, 開展巖芯觀察、鹽礦鑒定等工作, 深入研究了馬海礦區(qū)北部礦段67–79勘探線鉀鹽礦物類型、空間分布特征及成因, 可為研究區(qū)溶采工作的可持續(xù)發(fā)展提供保障, 并提高溶采效率。

1 地質(zhì)背景

馬海鹽湖地處柴達(dá)木盆地中北緣斷塊帶的賽什騰凹陷, 是在青藏高原區(qū)域性隆升構(gòu)造動(dòng)力背景下, 逐漸從統(tǒng)一的柴達(dá)木盆地中分離出來的近NW—SE方向的盆內(nèi)閉流盆地, 沉積和貯存了豐厚的蒸發(fā)巖(圖1) (王弭力等, 1997)。冷湖背斜、賽前臺(tái)地的隆升和阿爾金褶皺的旋鈕復(fù)合使盆內(nèi)古湖水向北東收縮至北部礦段, 北部礦段固相鉀鹽埋深厚度為120.30 m, 最具經(jīng)濟(jì)意義的固體鉀礦主要賦于全新統(tǒng) JⅣ鉀礦層, 分布面積 111 km2, 該統(tǒng)厚度總體變化特征為東厚西薄, 最厚達(dá)18.52 m(魏新俊等,1993)。馬海鹽湖屬內(nèi)陸沙漠型干旱氣候(劉圣,2014), 北部礦段主要為干鹽灘, 其晶間鹵水主要受魚卡河、嗷嘮河和腦兒河沿途河水下滲補(bǔ)給。

圖1 馬海鹽湖地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)楊謙, 1998; 王弭力等, 1997修改)Fig. 1 Geological map of Mahai Salt Lake (modified from YANG, 1998; WANG et al., 1997)

2 樣品采集及測(cè)試方法

本文所取樣品均來自青海中航資源有限公司馬海礦區(qū)67–79勘探線北部礦段, 鉆孔部署見圖2。作者在勘探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆孔巖芯進(jìn)行全孔編錄, 按礦石不同自然類型分層、分段連續(xù)采取固體樣品, 采集完畢后用自封袋密封保存。共采集巖芯樣品330件。對(duì)固體鹽樣進(jìn)行了薄片鑒定、X射線粉晶衍射和能譜掃描電鏡分析。

圖2 研究區(qū)鉆孔部署圖Fig. 2 Geological borehole distribution map of the study area

礦物薄片鑒定在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所原子吸收實(shí)驗(yàn)室完成, 顯微鏡為徠卡熒光偏反光顯微鏡, 型號(hào)為DM4500P。能譜掃描電鏡分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成, 選取代表性強(qiáng)的樣品, 制靶、烘干, 保證分析斷面的新鮮、平坦,利用FEI NOVA NanoSEM 450掃描電子顯微鏡對(duì)鹽樣進(jìn)行觀察, 并使用OXFORD X-Max (50 mm2)能譜儀進(jìn)行能譜分析, 操作電壓為20 kV。X射線粉晶衍射分析在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所完成, 儀器型號(hào)為布魯克D8 Discovery, 將粉碎至200目的鹽樣放置于深度為2 mm的樣品槽, 壓實(shí)后放入X射線衍射分析儀中掃描。X光源為銅靶/40 kV/40 mA, 探測(cè)器為L(zhǎng)YNXEYE_XE_T (1D mode)一維探測(cè)器, 掃描方式為連續(xù)掃描, 每步掃描時(shí)間為 0.3 s, 掃描步長(zhǎng)為 0.02°。

3 測(cè)試結(jié)果和分析

3.1 鹽類礦物種類鑒定

對(duì) 10個(gè)鉆孔固體鹽樣的薄片鑒定、SEM 及XRD分析共鑒定出12種鹽類礦物, 分別為石鹽、鉀石鹽、光鹵石、雜鹵石、水氯鎂石、白鈉鎂礬、石膏、半水石膏、硬石膏、鉀石膏、白云石和方解石, 其中鉀鹽礦物為雜鹵石、光鹵石和鉀石鹽。

3.2 礦物薄片鑒定

雜鹵石多呈花瓣?duì)?圖3a)和纖維放射狀(圖3b)集合體, 發(fā)現(xiàn)雜鹵石交代石膏、半水石膏(圖3c)及少量石鹽(圖3d)的現(xiàn)象, 雜鹵石在研究區(qū)分布極為廣泛。光鹵石在單偏光下呈灰白色(圖3e), 晶體多呈5～50 μm的熔融狀, 光鹵石多以單顆粒形式賦存于石鹽晶體溶洞中(圖3f)或賦存在碎屑物中與雜鹵石共生(圖3g)。碳酸鹽礦物主要為石膏和半水石膏,呈板狀、菱板狀(圖3h), 主要與碎屑礦物共生, 極少數(shù)被雜鹵石交代。

圖3 礦物薄片鏡下特征(e為單偏光; a、b、c、d、f、g為正交光)Fig. 3 Microscopic features of mineral thin slices(e is in plane polarized light; a, b, c, d, f and g are in perpendicular polarized light)

3.3 能譜掃描電鏡分析

除研究區(qū)西北部(67–70勘探線)外的送檢樣品均發(fā)現(xiàn)雜鹵石, 雜鹵石呈片狀(圖4a)、纖維狀(圖4b)、粒狀(圖4c)、具石膏假象的毛氈狀(圖4d), 主要賦存在石鹽晶間和碎屑物間, 少數(shù)賦存在石鹽溶洞和溶縫中。發(fā)現(xiàn)極少數(shù)雜鹵石交代半水石膏的現(xiàn)象(圖4e)。雜鹵石多與石鹽、石膏、半水石膏、光鹵石、鉀石鹽、水氯鎂石等礦物共生。光鹵石在研究區(qū)分布較為廣泛, 為灰白色, 微晶礦物, 粒徑普遍為5～50 μm。多呈他形粒狀(圖4f)、裂紋狀(圖4g)和熔融狀(圖4h)。光鹵石多賦存在碎屑物間, 主要與鉀石鹽、雜鹵石等礦物共生。鉀石鹽在研究區(qū)分布也較為廣泛, 呈白色, 主要為微晶礦物, 粒徑普遍為 3～10 μm, 大部分為自形-半自形立方單體(圖4h)。多與光鹵石、雜鹵石和水氯鎂石等礦物共生,少數(shù)與石鹽共生。

圖4 礦物掃描電鏡特征Fig. 4 Characteristics of mineral scanning electron microscopy

通過能譜掃描電鏡分析結(jié)果可知, 光鹵石和鉀石鹽在研究區(qū)普遍分布, 但鏡下觀察含量較少。雜鹵石多集中分布在研究區(qū)中部、東南部, 且鏡下觀察含量較多。

3.4 X射線粉晶衍射分析

雜鹵石、光鹵石和鉀石鹽的X射線衍射結(jié)果見表1。由 X射線衍射結(jié)果做出鉀鹽礦物的垂向分布圖(圖5)。

表1 X衍射粉晶衍射結(jié)果/%Table 1 Drillholes XRD result /%

圖5 馬海鹽湖北部礦段西北—東南向鉀鹽礦物的空間分布(據(jù)X衍射結(jié)果)Fig. 5 Spatial distribution of potash minerals in northwest to southeast direction (according to XRD results)in the north ore section of Mahai Salt Lake

結(jié)合表1、圖5可以看出, 光鹵石在研究區(qū)分布較為廣泛, 含光鹵石石鹽層總厚度為8.32 m。主要集中分布在西北部(67–70勘探線)的0.00—4.76 m礦層中, 含量多低于3%, 平均含量為5%; 其中在0.00—2.47 m處光鹵石含量較高, 最大為20%。中部地區(qū),僅在 4.00—4.30 m 和 5.30—5.55m 處發(fā)現(xiàn)光鹵石,含量分別為3%和6%。東南部地區(qū), 光鹵石的分布較為分散且含量普遍較低, 平均含量為 5%, 僅在0.00—0.22 m處含量達(dá)到14%～22%。

雜鹵石同樣分布廣泛, 含雜鹵石石鹽層總厚度為 13.75 m。雜鹵石主要集中分布在中部、東南部(70-79勘探線), 平均含量分別為9%、6%。中部地區(qū)的 0.00—4.45 m、5.30—5.55 m 和東南部地區(qū)的0.10—5.46 m處普遍存在含雜鹵石的石鹽層, 含量較高, 多數(shù)大于3%。其中東南部地區(qū)的3.93—4.20 m處雜鹵石含量最大, 為23%。西北部地區(qū), 含雜鹵石石鹽層總厚度僅為 0.94 m, 且分布較為分散, 主要分布在1.93—2.47 m和8.55—8.80 m處。

鉀石鹽僅在 4個(gè)鉆孔中發(fā)現(xiàn), 含鉀石鹽石鹽層總厚度為5.71 m。其主要集中分布在72勘探線的1.56—4.00 m、5.44—6.27 m 處, 含量較低, 僅在1.80—2.36 m 和 2.74—3.30 m 處含量為 5%～9%,其余均小于3%。西北部地區(qū), 鉀石鹽分布較為分散,含量極低, 在ZK8-3孔的1.00—1.25 m處含量最高,為 6%, 其余均為 1%。而在東南部地區(qū), 僅在ZK13-14孔的0.00—0.22 m和0.71—0.96 m處發(fā)現(xiàn)鉀石鹽, 含量分別為3%和1%。

4 鉀鹽礦物的成因機(jī)理

雜鹵石(K2Ca2Mg(SO4)4·2H2O)是一種可溶性的鉀鹽與硫酸鹽的復(fù)鹽礦物, 在國(guó)內(nèi)外硫酸鹽型鉀鹽礦床中普遍存在。王弭力(1982)對(duì)硫酸鹽型鹵水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn), 雜鹵石在下列兩種情況會(huì)析出:①在硫酸鈣鹽沉積階段, 外來富K+、Mg2+鹵水的介入; ②在硫酸鉀鎂鹽沉積階段, 外來鹵水帶入Ca2+和SO2–4。四川盆地的雜鹵石普遍認(rèn)為是后生交代成因(李亞文和韓蔚田, 1987; 潘忠華, 1988;宋鶴彬和荊博華, 1991; 趙艷軍等, 2015), 由富K+、Mg2+的鹵水與石膏、硬石膏發(fā)生水溶變質(zhì)作用形成雜鹵石, 其雜鹵石常呈條紋狀、浸染狀、毛氈狀、團(tuán)塊狀、條帶狀、變余結(jié)構(gòu)、具次生加大現(xiàn)象, 多賦存于硬石膏中, 部分產(chǎn)于石鹽團(tuán)塊中。也有學(xué)者認(rèn)為存在準(zhǔn)同生階段形成的原生雜鹵石(黃建國(guó),1998; 劉成林等, 2008; 林耀庭和許祖霖, 2009;Zhao et al., 2020), 在鹽湖晚期-干鹽湖階段, 鹽湖規(guī)模小、水淺、蒸發(fā)快、易受外來淡水影響。在鉀、鎂鹽還尚未析出時(shí), 富含K+、Mg2+的晶間硫酸鹽型古鹵水受到周期性的地表水淡水補(bǔ)給時(shí), 引入 Ca2+和SO2–4后發(fā)生摻雜作用, 經(jīng)歷了強(qiáng)烈的蒸發(fā)和濃縮后, 沉淀出雜鹵石集合體。原生成因雜鹵石常呈絨球狀、纖維放射狀、花瓣?duì)?、板狀、柱狀、片狀、它形粒狀集合體(王淑麗和鄭綿平, 2014; 牛雪等,2015; 仲佳愛等, 2018; 侯學(xué)文等, 2020)。

根據(jù)研究區(qū)雜鹵石的賦存特征和微觀組構(gòu), 絕大多數(shù)雜鹵石為原生成因, 極少數(shù)為后生交代成因。原生成因的雜鹵石呈片狀、纖維狀、粒狀、纖維放射狀集合體、花瓣?duì)罴象w, 多賦存在石鹽晶間和碎屑物間, 少數(shù)賦存在石鹽溶洞和溶縫中。后生交代成因的雜鹵石, 與石膏、半水石膏等礦物共生, 呈浸染狀和具石膏假象的毛氈狀, 呈浸染狀的雜鹵石與石膏、半水石膏相互交織, 有明顯的交代殘余結(jié)構(gòu)。

馬海盆地湖盆的演化經(jīng)歷了上新世末以來的5次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響(魏新俊等, 1992), 多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使馬海盆地西南部的冷湖Ⅵ、Ⅶ號(hào)構(gòu)造和小丘林構(gòu)造及第三系相繼形成水下隆起, 并持續(xù)抬升,鹽盆在斷裂構(gòu)造的影響下相對(duì)下沉。在中更新世晚期, 由于持續(xù)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 使得南八仙周邊中下更新統(tǒng)褶皺, 第三系于不同地段逆沖至第四系中、下更新統(tǒng)之上, 北部山區(qū)相對(duì)上升, 使馬海盆地與柴達(dá)木古鹽湖完全分割獨(dú)立。封閉盆地的形成和干冷氣候, 湖水逐漸向東南退縮, 出現(xiàn)了大規(guī)模的干鹽灘環(huán)境。晚更新世時(shí), 由于阿爾金山不斷的走滑-擠壓, 使柴達(dá)木盆地中部發(fā)生規(guī)模巨大的隆升, 北部也不斷的抬升(沈振區(qū)等, 1990; 魏新俊等, 1992; 宋春暉, 2006; 何照等, 2016)。馬海地區(qū)已形成的背斜進(jìn)一步隆升, 向斜更加沉陷, 使得成礦物質(zhì)向礦區(qū)東南部集中, 來源于礦區(qū)東部的魚卡河水系經(jīng)過東南部的鹽沼帶發(fā)生沉積分異作用, 至德宗馬海湖已演化成富 K+、Mg2+的硫酸鎂亞型鹵水(魏新俊等,1992)。礦區(qū)西北部、西南部分別受潛水和高鹽度CaCl2型深循環(huán)鹵水補(bǔ)給, 二者混合摻雜在牛郎織女湖群, 形成富 Ca2+的氯化物型鹵水(魏新俊等,1993), 礦區(qū)北高南低, 西高東低的地勢(shì)(王弭力等,1997), 使湖水和晶間鹵水向德宗馬海湖方向滲流,這些鹵水在德宗馬海湖西北側(cè)與富K+、Mg2+的硫酸鎂亞型鹵水發(fā)生摻雜, 由于當(dāng)時(shí)氣候干冷(王弭力等, 1997; 宿星, 2006; 張玉淑等, 2014; 袁冶, 2015),馬海鹽湖急劇的收縮和濃縮, 便在德宗馬海湖西北側(cè)形成了含雜鹵石的石鹽層。雜鹵石的沉積消耗了大量的 SO2–4, 隨著晶間鹵水的不斷補(bǔ)給, 德宗馬海湖西北側(cè)的硫酸鎂亞型鹵水逐漸向氯化物型鹵水演化。當(dāng)時(shí)湖水很淺, 利于蒸發(fā)、濃縮, 為光鹵石和鉀石鹽的沉積和富集創(chuàng)造了條件。這種鹵水在向濃縮中心遷移的過程中, 略經(jīng)蒸發(fā)、濃縮便可析出光鹵石、鉀石鹽等鹽類礦物。光鹵石和鉀石鹽是在雜鹵石析出后鹵水進(jìn)一步蒸發(fā)濃縮形成的, 其分布范圍也比雜鹵石要小。

由于雜鹵石常與碎屑礦物共生, 礦層的孔隙度和給水度相對(duì)較小, 溶劑滲流速度慢且效果差, 必須盡可能的減小滲水渠的間距, 增加基礎(chǔ)面積, 提高水溶開采的效率。

5 結(jié)論

(1)馬海礦區(qū)北部礦段67–79勘探線全新統(tǒng)礦層中主要存在雜鹵石、光鹵石、鉀石鹽等鉀鹽礦物。雜鹵石主要集中分布在 70–79線, 光鹵石集中分布在67–70線, 鉀石鹽集中分布在72線。

(2)根據(jù)薄片鑒定和能譜掃描電鏡觀察, 發(fā)現(xiàn)雜鹵石以原生為主, 呈片狀、纖維狀、粒狀、纖維放射狀集合體、花瓣?duì)罴象w與石鹽、碎屑礦物共生。極少數(shù)雜鹵石為后生交代成因, 呈浸染狀和具石膏假象的毛氈狀。光鹵石呈熔融狀、他形粒狀、裂紋狀, 與石鹽、雜鹵石、鉀石鹽等礦物共生。鉀石鹽呈自形-半自形立方單體, 與光鹵石、雜鹵石、水氯鎂石等礦物共生。

(3)通過對(duì)鉀鹽礦物的賦存特征進(jìn)行分析, 初步認(rèn)為, 受上新世末以來多期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響, 礦區(qū)東南部的富 K+、Mg2+的硫酸鎂亞型鹵水與西北部、西南部富含Ca2+的氯化物型鹵水發(fā)生摻雜作用,并在全新世中晚期干冷氣候的影響下, 在研究區(qū)70–79勘探線干鹽灘淺部形成了含雜鹵石的石鹽層。高鹽度氯化物型鹵水進(jìn)一步經(jīng)蒸發(fā)、濃縮后沉積了光鹵石和鉀石鹽。

(4)需要根據(jù)雜鹵石的賦存特征, 采取針對(duì)性的水溶開采措施。

致謝:野外地質(zhì)調(diào)查和鹽類礦物鑒定得到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所劉成林研究員、焦鵬程研究員、趙憲福博士的大力幫助; 能譜掃描電鏡分析得到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所施彬工程師的指導(dǎo)。在此表示感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2019YFC0605203), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. KK2119), and Qinghai Zhonghang Resources Co., Ltd. (No.zhzyb20210126-01).