探索中國陸塊找鉀①
---中國東特提斯域成鉀作用及模式

劉成林宣之強曹養(yǎng)同王立成王春連趙艷軍張華

1 中國地質科學院礦產資源研究所，北京　100037

2 中化礦山總局地質研究院，河北涿州 072754

地質·礦床

探索中國陸塊找鉀①
---中國東特提斯域成鉀作用及模式

劉成林*1宣之強2曹養(yǎng)同1王立成1王春連1趙艷軍1張華1

1 中國地質科學院礦產資源研究所，北京100037

2 中化礦山總局地質研究院，河北涿州 072754

提要中國陸塊海相成鉀規(guī)律及預測（973）課題五年硏究，完成構建我國海相盆地鉀鹽成礦理論及“模式”構建。“中國東特提斯域成鉀作用及模式”從中國海相蒸發(fā)巖盆地成鹽聚鉀探索中，得出：氣侯、物源及構造在時間和空間上“三位一體”耦合作用成鉀理論，對東特提斯域成鉀提出了“多級盆地”及“深源補給”等成鉀模式，為中國陸塊找鉀提供了理論依據(jù)。

中國陸塊東特提斯域成鉀作用找鉀模式

60年前，中國還沒有發(fā)現(xiàn)鉀鹽礦床【1】。如今，中國鉀肥年產量達數(shù)百萬噸，自給率50%左右【2】。中國鉀鹽主要從鹽湖鹵水中提取，而已探明的鹽湖鉀鹽儲量有限，難以支撐中國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

世界上鉀肥主要從古代固體鉀鹽礦石中制取。已查明地球古生代海相固體鉀鹽礦多埋藏在加拿大、俄羅斯、白俄羅斯、美國及德國，並已形成數(shù)千萬噸產能；中生代海相固體鉀鹽多分布于中亞地區(qū)及泰國、老撾、剛果和巴西等地，且儲藏量巨大，但多數(shù)尚待開發(fā)【3】。

目前，中國僅發(fā)現(xiàn)少量的中生代白堊紀固體鉀鹽礦。

21世紀“中國陸塊”找鉀被重新重視，中國陸塊海相成鉀規(guī)律及預測研究國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）經(jīng)過五年潛心研究，完成了預定項目設計目標。

其科學目標是：構建我國海相盆地鉀鹽成礦理論框架，建立海相鉀鹽礦產預測標志、預測理論和探測技術。

（973）鉀鹽課題組是根據(jù)中國小陸塊的活動性和構造類型，選取有代表性的海相成鉀盆地，深入硏究每一類型海相盆地成鉀過程，最終揭示中國小陸塊海相成鉀規(guī)律。

本文章重點介紹，中國陸塊海相盆地里“中國東特提斯域成鉀作用及模式”以及相關內容，來探素中國陸塊找鉀。

1　“特提斯”的由來與探索【3】

100多年前，由著名的奧地利地質學家徐士（E.Suess）提出，遠在200Ma前古老地質歷史中，在歐亞與非洲、印度等陸地之間曾存在過橫貫赤道附近的古大洋，並以古希臘神話中一位大洋神（Okeanos）的妻子（Tethys）的名字來命名為“特提斯”洋（海）（圖1）。

古老的特提斯洋無比廣闊，最寬達到9000km，向東20 000km延伸到古太平洋。它是在勞亞大陸與岡瓦納大陸之間的海洋，可能由于地球自轉運動等多種原因，促使南、北半球的板塊向赤道附近匯集，這些大小不同的板塊圈閉起來、呈向東敞開的喇叭口狀，這就是古特提斯洋（海）。它的遺跡，大體沿阿爾卑斯山、喀爾巴阡山、高加索山，到小亞細亞、興都庫什山、帕米爾和喜馬拉雅山而轉向中國云南等地，過緬甸和中南半島及馬來亞，延伸到蘇門答臘和帝汶，與環(huán)太平洋海域相連。今天，歐洲和非洲之間的地中海，就是它的殘余海。

如今，特提斯地質的研究成為世界各國地球科學界里經(jīng)久不衰的硏究課題。譬如：硏究大地構造學，金屬礦或石油天然氣地質的眾多專家、學者樂此不疲探索。中國找鉀人，幾十年來也跟蹤探討“特提斯”域找鉀硏究。

圖1　晚侏羅紀特提斯洋及中國小陸塊Fig.1 Late Jurassic Tethys Ocean and China land mass

2　東特提斯域內的中國小陸塊能形成大型鉀鹽礦嗎？【3】

東特提斯域內的中國小陸塊主要有揚子陸塊即四川盆地及長江中下游地區(qū)，蘭坪-思茅陸塊及羌塘陸塊等。此外，塔里木盆地西部也屬于特提斯域北支。這些盆地和陸塊已出現(xiàn)大量的石膏、石鹽沉積，並發(fā)現(xiàn)小型固體鉀鹽礦床和深層熱鹵水鉀礦等。

從古生代末及中生代以來，特提斯海域自西向東廣泛發(fā)育一系列陸地上“陸表邊緣海盆”等負地形，由于其處于干旱的北半球副熱及高壓帶，這些盆地大多已演化到鹽湖沉積環(huán)境，尤其在中、新生代重大構造事件時期，出現(xiàn)了巨量鹽類以及巨量鉀鹽沉積（Warren，2010）。例如，中段的中亞卡拉庫姆盆地，鉀鹽資源量達百億噸級；東段東南部的中南地塊呵叻盆地也沉積有百億噸級的鉀鹽資源量；西段的德國、法國、西班牙、摩洛哥和意大利等地相關盆地也沉積有數(shù)十億噸級鉀鹽礦床。

然而，占據(jù)特提斯東段大部的中國境內，目前云南僅發(fā)現(xiàn)一個資源量僅二千萬噸級的小型勐野井鉀鹽礦床（張嘉澍，1980），四川富鉀鹵水（林耀庭，2002）與雜鹵石礦（黃宣鎮(zhèn)，1996）以及北特提斯域新疆庫車盆地的鉀鹽礦物（劉成林等，2008～2012）和含鉀鹽層（鄭綿平等，2014）等，這些“貧鉀”狀況與位于其特提斯東、西兩側的呵叻和中亞盆地均沉積有巨量鉀鹽礦床形成強烈反差！

那么，中國境內的東特提斯域盆地是否能形成大規(guī)模鉀鹽礦床呢？

3　深源和裂谷與成鉀成因關系探索【4】

筆者（劉成林）2013年在《地球學報》發(fā)表的文章“大陸裂谷盆地鉀鹽礦床特征與成礦作用”，提到“裂谷成鉀”主要探究深源物質補給機理、成鉀構造變動和地球表面海、陸變遷等影響鉀鹽成礦等問題。深源和裂谷成鹽中硏究什么？

3.1裂谷

裂谷是地殼陸地上有幾公里到百公里或更長的張開和陷落地方，它可以發(fā)生在不同地質歷史時代。如，正形成中的東非大裂谷達納基爾裂谷洼地和死海裂谷形成眾多含鉀鹽湖，以及中國中新生代東部裂谷系里南部江漢盆地江陵凹陷等都有含鉀鹵水及鹽類沉積；裂谷在 3400Ma前的南非阿扎尼亞發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)巖沉積環(huán)境，1800Ma前古元古代中國華北遼吉裂谷中形成了大型蒸發(fā)沉積變質型硼礦；還有，中生代形成的南美洲巴西和非洲剛果等大型鉀礦等。

如果人們從高空中往下看，無論大小裂谷，其特征是呈線形狀延伸，發(fā)育眾多較大盆地和呈串珠狀或衛(wèi)星狀大小的湖泊，是負地貌形態(tài)。地質學家從巖層斷面上察看，多數(shù)為楔狀、呈上寬下窄，里面充填了巖石礦物碎屑；若裂谷發(fā)育時間長，除從地殼上海水或河湖中吸收大量風化作用帶入沉積物外，還吸納中地殼里熾熱幔汁。所以，有地殼n km幔源體上拱，也是裂谷一個深部特征。

裂谷也有生和死的歷程，有長壽億年的、也有年輕才數(shù)萬年；且多數(shù)開始形成在陸地中；陸上裂谷昌盛時期是呈現(xiàn)海洋狀，遠在地球西半部長條形大西洋，就是從南美洲和非洲裂開分離至今在洋中脊由下向上釋放氣體和熱液的洋殼裂谷；如今南美洲巴西和大西洋對岸的非洲剛果都發(fā)現(xiàn)了中生代有“裂谷”成因影響的鉀鹽礦床。

3.2深源

地質學界對“深源”一詞認知，過去是簡單模糊的。如今，多數(shù)學者認為：深源是指中地殼軟流層中可移動的氣體、液體和玄武質巖漿等所組成的地幔流體物質，因有斷裂存在、上述物質可一路沿斷裂上升，經(jīng)蝕變改造變化到達地球地殼裂谷系盆地中被構造、圈閉和石膏粘土等阻擋保存，形成各地迥異的石油、天然氣礦床；或有金屬和非金屬及鹽類礦產；另有部分流體或溢出地表，氣體升至大氣圈、液體最終流入海洋。

世界上已知大型鉀鹽礦床一半是在勘探石油、天然氣礦中發(fā)現(xiàn)的；許多鹽礦中還發(fā)現(xiàn)銅、鉛等多金屬礦或瀝青、天然氣；某些金屬礦中有油氣包裹體或瀝青，有的鹽礦中周邊有玄武巖等，表明它們在成因上有共同“深源”成分。

化學蒸發(fā)巖物質來源成因說中，長期有“海源”和“陸源”之爭，“深源”說豐富和完善了海、陸學說中各自不足，深源說為裂谷成鉀提供了實際依據(jù)和理論支持。因為，裂谷盆地形成的蒸發(fā)鹽或鹵水礦都具有深源相的地球化學特征，即除有大量的鉀、鈉、鈣、鎂離子外，還有伴生Li、B、Rb、Cs、F、Cl、S和少量Sr、Fe、Cu、Zn、Pb、Ba、Ni、Au等深源元素。

3.3探索深源裂谷成鉀

“裂谷成鉀”是地球上早已發(fā)生和存在的事實。但是，“裂谷”概念有人認為最早1893年由英國地質學家格里戈里（Gregory）在研究“東非裂谷”中提出，它晚于德國1839年首次發(fā)現(xiàn)鉀鹽礦50多年。直到20世紀60年代起，深源和裂谷硏究才被鹽礦專家重視。如，中國袁見齊先生（1983）發(fā)表的《高山深盆的成鹽環(huán)境》【5】一文中，提出“裂谷，塹溝構造發(fā)育過程中常伴有強烈的火山-巖漿活動。含鹽層系之間、或緊鄰含鹽系的上下，普遍見有火山巖、次火山巖的分布。火山-巖漿活動與成鹽作用在時空分布上的密切關系……，無疑表明了作為殼幔物質通道的深斷裂也往往是深部熱鹵水的釋放點。這種熱鹵水可以是巖漿水，可以是深部巖層中的埋藏鹵水（包括油田水）、壓實水，也可以是天水下滲成為巖層內循環(huán)的地下鹵水。紅海、撒爾頓等地產出的熱鹵水，說明了鹽類物質深部來源的可能性。巴西、剛果、加蓬等地蒸發(fā)巖中厚達100多m的溢晶石層和蘇聯(lián)里海低地二疊紀鹽盆內水氯鎂石層的存在，進一步說明了鹽類物質深部來源的重要性”。

如今，對“化學蒸發(fā)巖”研究已形成一個獨立分支學科，它含有“鹽礦地球化學”、“鹽類礦物學”和“鹽類礦床學”等地學科學知識；在鹽礦床成因上有“海源沙洲說”、“陸源沙漠說”、“薩布哈潮臺說”、“蒸發(fā)泵說”及“混合源高山深盆說”等。

“深源裂谷”研究，豐富和補充了傳統(tǒng)蒸發(fā)鹽的成礦理論不足和困惑。例如：許多鹽類沉積盆地的形成和變化是與裂谷形成、發(fā)展變化相一致的，因此能較好解釋巨厚石鹽或鉀鹽層形成所需要的時間和空間、即地殼不斷沉降變化等重要條件；例如，第四紀及現(xiàn)代形成的“死海”鹽湖，海拔-422m、靣積約810km2，已探明有20億t光鹵石鉀鹽礦、含各種鹽類合計約130億t，它就位于以色列、巴勒斯坦和約旦之間的阿拉伯約旦裂谷中，是東非裂谷系北部一個分支。因為它的低洼達負海拔，有人稱其是“世界的肚臍”。

中國到“何處”去勘探找鉀？湖北江陵凹陷“高溫鹵水鉀礦”的再度發(fā)現(xiàn)和開發(fā)研究，表明中國在“深源裂谷成鉀”的研究已啟動。

3.4東特提斯海與中國成鉀關係探索【3】

我國科學家朱日祥等研究發(fā)現(xiàn)，東特提斯域的中國華北和華南陸塊，在板塊漂移、拼合碰撞圈閉特提斯海過程中，首先在中國東部拼合-碰撞，東部自然抬升成陸地阻擋了海水向東移動，必然導致古特提斯海水向西退卻。海退中，各地盆地殘留大量海水，為形成鹽礦提供了充沛的鹵素和K、Na、Ca、Mg、S等物質?，F(xiàn)代海水查明有80多種元素，每公升海水約有35g鹽，其中鉀元素有0.38g；因為海水總體積相當大，現(xiàn)代海水其蘊藏有約5×1016t鹽及5×1014t鉀。所以，在中國的蘭坪-思茅盆地、四川和羌塘盆地及塔里木莎車盆地中大量膏鹽礦的形成也都受益于東部碰撞抬升所導致海水向西的退縮中殘留的各類鹽礦物質。

由于全球性的海平面“抬升和下降”反復運動，特提斯海水可能會多次重新漫過大陸，在一些盆地、裂谷等凹地匯集，形成石鹽和鉀鹽礦。

3.5中國東特提斯海成鉀模式簡述【3】

為了解釋特提斯海域鉀鹽礦是如何如此神奇般形成并深埋在如今的大山或戈壁以及裂谷盆地中，我們提出東特提斯域成鉀模式：

世界己知鉀鹽礦的形成，經(jīng)研究都需要一些客觀自然條件的協(xié)同作用，即大自然中氣候、物質及構造在時間和空間相當長時間里“三位條件的耦合”作用造就。

在地球歷史上二疊紀末，三疊紀中期，白堊紀中期，古近紀初等，地球上均發(fā)生高溫氣候事件，并導致生物滅絕。經(jīng)科學家長期研究，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的火山噴發(fā)活動是“罪魁禍首”，主要原因是火山噴發(fā)大量二氧化碳氣體進入大氣層，引起溫室效應，水溫上升最高達60～70多℃。火山多發(fā)生深源裂谷等地區(qū)。

三疊紀的古氣侯，根據(jù)燧石結晶時的大氣年平均溫度至少比現(xiàn)代高20℃，當時緯度60°的溫度與赤道的溫度差別不大，出現(xiàn)在古緯度20～40°之間的蒸發(fā)巖占60%左右，是地史中蒸發(fā)巖的數(shù)量最多的時期【6】。

氣溫的升高對于大多數(shù)動植物而言是致命的，但對于鉀鹽礦的沉積卻是非常有利的。高溫氣候，湖盆中咸水蒸發(fā)強烈，達到極端干旱氣候，有利于海水蒸發(fā)持續(xù)進行到最后階段，析出鉀鹽。

通常海水蒸發(fā)析鹽順序是：半干旱氣候下——碳酸鹽、石膏沉積，干旱氣候——石鹽沉積，極端干旱氣候可以導致鉀鹽沉積。

經(jīng)過國內外眾多科學家對世界各地海水蒸發(fā)實驗發(fā)現(xiàn)：首先是難溶的碳酸鹽（方解石、文石或白云石）沉積，其數(shù)量約占海水總鹽量的1%，其次沉積出石膏、其數(shù)量約占海水總鹽量的3%。當海水濃縮到12倍，也就是100g海水蒸掉91.7g的水分以后，便開始析出石鹽。從石鹽析出開始，一直到濃縮為63.6倍、都為石鹽沉積；其析出的石鹽約占海水總鹽量的69%。當海水濃縮到63.6倍時，開始鈉、鎂硫酸鹽和鉀鹽的沉積。

東特提斯海域成鉀模式怎樣解讀呢？

我們都知道中國有幾千年池鹽和海鹽生產歷史。遠古年代，我們祖先很早就懂得修筑鹽田，利用太陽熱能來蒸發(fā)濃縮鹽池或海洋中咸水，經(jīng)“多級鹽田”蒸發(fā)分離濃縮，最后得到晶瑩純凈的食鹽，滿足了百姓味覺和健康需求。

地球上鹽礦和鉀鎂鹽礦等蒸發(fā)鹽巖形成后，雖然深埋地底下近百或上千米，規(guī)模達千萬噸或億噸以上，也都離不開起碼三個成因條件：①有充足含礦鹵水；②像人工鹽田的多級負地形；③長期的干燥日曬氣候。

我們可以想像，遠古特提斯海有足夠大的體積、提供充足的含鹽海水；當特堤斯海經(jīng)歷板塊運動中，致使某地長時間的海水入侵和海退、使海水侵入或滯留陸地上負地形（盆地、拗陷、裂谷等）中，由于盆地間有水下阻擋（礁、堤等隆起），在特提斯海東、西不同方向盆地中海水濃度經(jīng)過長期干旱氣候蒸發(fā)，其鹵水成分或濃度發(fā)生微妙化學變化；在反復海侵和海退事件中，海水濃縮變成含礦濃鹵水。不同成分的鹵水、在不同洼地遷移先后形成了碳酸鹽巖，硫酸鹽巖及氯化物石鹽巖，多數(shù)鉀鎂鹽巖沉積在遠離海水補給方向或巨大“陸表?！迸璧某练e中心。

當然，地殼深部巖漿或稱幔源物質會在板塊邊緣下、沿著斷裂上升冒出地表，給洼地帶入豐富的鹵素和堿金屬以及高溫熱能等，對特提斯海盆石鹽及鉀鹽礦床等的形成貢獻重大、不可忽視。

實際上，地質歷史長河中“鉀鹽礦床”的形成遠比上述成鉀模式復雜得多，還有如構造變動、鹵水變質、淡水摻和及后期改造等復雜因素影響。為此，開展中生代以來特提斯域盆地研究，找出特提斯海域聚集鉀鹽的成礦規(guī)律，期望用來指導中國境內特提斯成礦域找到大型鉀鹽礦的突破。

1 宣之強，王連第. 中國鉀鹽50年紀［J］.化工礦產地質，1999，21（3）：181～187

2 鮑榮華，亓紹英. 中國對世界鉀鹽資源的依賴關係［J］.鉀鹽與鉀肥，2015，46（1）：26～32

3 劉成林，宣之強. 鉀鹽大礦何處尋？中國小板塊（陸塊）找鉀探索［J］.地球，2015，225（1）：96～99

4 宣之強.：漫淡深源“裂谷成鉀”［J］.地球，2014，219（07）：098～101

5 袁見齊教授鹽礦地質論文選集［M］.北京：學苑出版社，1988，164～169

6 黃 麒 編著. 恐龍王朝的興盛與衰亡［M］.陜西科學技術出版社，2007：13～22

Abstract

The five-year topic on regulation and prediction of marine facies potash alteration（973）had gave us the potash formation theory and the pattern construction of marine facies potash. Potash alteration and pattern of Eastern Tethys Ocean in China found the trinity catenative potash alteration theory for climate and material resources as well as the construction in time and space， at the same time， the potash formation pattern of multilevel basin and deep focus supply had also been brought forward which gave the theory foudation for potash exploration in China land mass.

RESEARCH ON POTASH EXPLORATION AT CHINA LAND MASS——POTASH ALTERATION AND PATTERN OF EASTERN TETHYS OCEAN，CHINA

Liu Chenglin1Xuan Zhiqiang2Cao Yangtong1Wang Licheng1Wang Chunlian1
Zhao Yanjun1Zhang hua1
1 Institute of mineral resources， Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing， 100037， China 2 Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ，Zhuozhou， Hebei， 072754， China

China land mass， Eastern Tethys Ocean， Potash alteration， potash exploration pattern

P619.211

A

1006-5296（2015）04-0193-05

① 本文是國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）“中國陸塊海相成鉀規(guī)律及預測研究”【2011CB403 000】項目研究成果

*第一作者簡介：劉成林（1963～），男，主要從事鉀鹽及鹽湖沉積學等研究，研究員，博士生導師

2015-09-02；改回日期：2015-10-22