加拿大薩斯喀徹溫亞盆地某鉀鹽礦地質(zhì)特征及其成因探討

楚麗霞，李建伏，孫仁斌

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

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加拿大薩斯喀徹溫亞盆地某鉀鹽礦地質(zhì)特征及其成因探討

楚麗霞1,2，李建伏2，孫仁斌1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

加拿大薩斯喀徹溫亞盆地某礦區(qū)含鉀鹽礦層的屬性母巖——草原蒸發(fā)巖具有良好的連續(xù)性，深度通常小于960m。礦石品級(jí)相對(duì)較高，K2O含量在9.26%～58.20%。草原蒸發(fā)巖內(nèi)含有三個(gè)鉀鹽成礦段，分別為耐心湖(Patience Lake)含鉀巖段、貝爾平原(Belle Prairie)含鉀巖段、埃斯特黑齊(Esterhazy)含鉀巖段。根據(jù)薩省的地球物理測(cè)井資料得出的鉀鹽厚度和品位數(shù)據(jù)，以及薩省政府最近發(fā)布的評(píng)估薩省鉀鹽資源潛力的資料，作者研究整理了薩省某區(qū)的地震、鉆孔數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)了某區(qū)的優(yōu)先勘探靶區(qū)，并對(duì)該地區(qū)的鉀鹽礦床地質(zhì)成因做了初步探討。

鉀鹽 沉積特征 礦床成因 薩斯喀徹溫省亞盆地 加拿大

加拿大薩斯喀徹溫亞盆地某鉀鹽礦的初步勘查工作(KPxxx探礦權(quán)許可區(qū)商業(yè)預(yù)查項(xiàng)目，位于位于薩省薩斯卡通市西北約50公里處，面積168km2)在2013年完成。該項(xiàng)目完成了一定量的二維地震勘探、鉆探、地球物理測(cè)井、基本分析樣和巖礦鑒工作。在約14km2的測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，估算得到氧化鉀資源量(334)？約500×104t。比較薩斯喀徹溫亞盆地其他鉀鹽礦床，筆者認(rèn)為該鉀鹽礦有一定的典型性。故對(duì)其成礦地質(zhì)條件、礦床特征及其成因做一分析。

1 成礦地質(zhì)條件

KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)位于薩斯喀徹溫亞盆地北部(加拿大薩斯喀徹溫省中南部)。薩斯喀徹溫亞盆地是威利斯頓盆地的三個(gè)次級(jí)盆地之一(Holter,1969)。其在泥盆紀(jì)存在五個(gè)大的沉積旋回(袁見齊，1982)，其中第三沉積旋回(淺海相蒸發(fā)巖沉積建造)(Michelleetal.,2009)中的麋鹿點(diǎn)群草原蒸發(fā)巖組是鉀鹽礦床的主要賦存地層(錢自強(qiáng)，1994；Halaburaetal.,2007)。

1.1 地層

上述預(yù)查項(xiàng)目區(qū)地表出露大部分為第四系松散的腐殖土層，局部見有古近系及白堊系陸相沉積地層。據(jù)鉆井揭露及相關(guān)資料顯示區(qū)內(nèi)缺失古生界石炭系、二疊系和中生界三疊系、侏羅系地層；而泥盆系地層沉積較為完整(Jeff Bovee，2012)，其直接蓋層為白堊系地層。表1為薩斯喀徹溫亞盆地區(qū)域地層簡(jiǎn)表(表內(nèi)未注明地層接觸關(guān)系)。

其中泥盆系地層包括有中統(tǒng)的牧場(chǎng)湖組、阿舍恩組，麋鹿點(diǎn)群的溫尼伯格西斯組、草原蒸發(fā)巖組，馬尼托巴群的道森灣組、蘇里斯河組，以及上統(tǒng)的薩斯喀徹溫群。KPxxx預(yù)查項(xiàng)目的試驗(yàn)鉆井切穿了草原蒸發(fā)巖組。結(jié)合以往資料，認(rèn)為草原蒸發(fā)巖組可以分為二個(gè)巖段(Worsleyetal.,1979；Halaburaetal.,2007)。

薩斯喀徹溫亞盆地麋鹿點(diǎn)群草原蒸發(fā)巖下巖段：巖性組合主要為厚層狀青白色、淡黃色、淺灰色巖鹽，次為淺黃紅色含光鹵石巖鹽及灰綠色含粘土巖鹽，間夾少量灰綠色、紫褐色粘土巖薄層，局部見有光鹵石斑點(diǎn)。在KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)內(nèi)鉆遇厚度111.80m。

薩斯喀徹溫亞盆地麋鹿點(diǎn)群草原蒸發(fā)巖上巖段：主要為雜色巖鹽、鉀鹽、光鹵石，內(nèi)夾少量紅色粘土巖薄層。其又可劃分為埃斯特黑齊、貝爾平原、耐心湖三個(gè)含鉀巖段。

表1 薩斯喀徹溫亞盆地區(qū)域地層簡(jiǎn)表Stratigraphic chart of Saskatchewan sub-basin

(1)埃斯特黑齊含鉀巖段：廣泛分布于薩斯喀徹溫亞盆地東南部和中部，北延區(qū)段鉀鹽層通常品級(jí)低、厚度薄(Blair,2007；Hardyetal.,2008)；區(qū)域上鉆井最大控制厚度46m。在KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)內(nèi)疑似缺失或?qū)游惶《葱纬珊浀V層。

(2)貝爾平原含鉀巖段：分布范圍廣闊，層位穩(wěn)定(Halaburaetal.,2006.)，主要巖性為厚層狀青白色、淡黃色、淺灰色巖鹽，內(nèi)夾鉀鹽礦層，局部含有泥質(zhì)物或粘土巖條帶，偶見顆粒狀光鹵石。在KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)內(nèi)該含鉀巖段鉆遇厚度11.20m，共發(fā)現(xiàn)了兩層鉀鹽礦，但不具工業(yè)意義。

(3)耐心湖含鉀巖段：是區(qū)域上主要的含鉀巖段(Halabura,2005)，分為上下二個(gè)亞段；主要巖性為淡青～淡黃色粗晶粒狀巖鹽、淡青色、橘紅色鉀石鹽，局部夾有紫色含鹽粘土巖薄層。在KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)內(nèi)該含鉀巖段缺失上亞段，鉆遇厚度10.30m；K2O加權(quán)平均品位27.10%。

1.2 沉積建造

薩斯喀徹溫亞盆地內(nèi)泥盆紀(jì)的沉積序列自下而上存在五個(gè)大的沉積旋回。第一、第二沉積旋回形成于早泥盆世、第三至第五沉積旋回形成于中泥盆世。含鉀鹽礦層的專屬性母巖——草原蒸發(fā)巖存在于第三沉積旋回中。第四沉積旋回主要為道森灣組，第五沉積旋回主要為蘇里斯河組，各包含了一組紅層泥質(zhì)巖(即第一、第二紅層)(Susan,2008；Michelleetal., 2009)。

第三沉積旋回(圖1)包括了麋鹿點(diǎn)群的溫尼伯戈西斯(winnipegosis)組和草原蒸發(fā)巖組，屬淺海相蒸發(fā)巖沉積建造(Dunn,1982.)。其下部的溫尼伯戈西斯組可分為巖性為淺灰色白云巖及泥巖的下巖段，和巖性為黃色石灰?guī)r、白云巖、硬石膏及少量巖鹽的上巖段。該組地層在亞盆地的中心較薄、邊緣較厚，區(qū)域上構(gòu)成了亞盆地的基本雛形，并控制了草原蒸發(fā)巖組的發(fā)育；且其局部形成有石灰?guī)r礁丘，部分貫穿到草原蒸發(fā)巖組中，造成后者所含鉀鹽礦層不連續(xù)。其上部的草原蒸發(fā)巖組巖性組合為厚層狀巖鹽夾鉀鹽層及薄層泥巖。該組在亞盆地西緣厚度變化較大，中心較厚，東緣變化較緩(Yangetal.,2009)。區(qū)域上該層位內(nèi)自下而上有四個(gè)鉀含鉀巖段：埃斯特黑齊(Esterhazy)段、白熊段、貝爾平原(Belle Prairie)段、耐心湖(Patience Lake)段(Saskatchewan Geological Survey (2003))。KPxxx地塊缺失白熊段。其底部由于受巖鹽和硬石膏礦床的影響，多為低等鹽類。

圖1 薩斯喀徹溫亞盆地第三沉積旋回地層結(jié)構(gòu)斷面圖(修編自Saskatchewan Geological Survey (2003))Fig.1 Schematic cross section of the third evaporate circle through the Saskatchewan sub-basin(after Saskatchewan Geolagical Survey (2003))1-石灰石；2-白云石；3-蒸發(fā)巖；4-鉀堿；5-石灰質(zhì)頁(yè)巖；6-耐心湖段；7-貝爾平原段;8-埃斯特黑齊段1-limestone; 2-dolomite; 3-evaporite; 4-potash; 5-calcareous Shale; 6-Patience Lake Member; 7-Belle Plaine Member; 8-Esterhazy Member

1.3 構(gòu)造

薩斯喀徹溫亞盆地為一鍥形狀的次級(jí)草原蒸發(fā)巖盆地(Herd,2007)。KPxxx項(xiàng)目區(qū)位于該亞盆地北翼邊緣次級(jí)隆起帶上。項(xiàng)目的二維地震勘探測(cè)線穿越了本區(qū)大部區(qū)域，其影像特征對(duì)本區(qū)構(gòu)造提供了很好的解釋：其基底構(gòu)造層為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)，并與后期沉積的草原蒸發(fā)巖共同組成了一個(gè)含鉀礦隆起復(fù)合體；由于受草原蒸發(fā)巖上覆含鐵質(zhì)粘土巖(第二紅層)局部風(fēng)化破碎和構(gòu)造裂隙發(fā)育的影響，巖鹽和鉀鹽礦層在地下水的溶蝕作用下，發(fā)生位移，形成了兩個(gè)不規(guī)則狀的塌陷構(gòu)造(圖2)。其包括：

隆起復(fù)合體：位于項(xiàng)目區(qū)中偏北部，延展范圍近70km2。主體構(gòu)造層由泥盆系中統(tǒng)碳酸鹽巖—硫酸鹽巖—石巖鹽—鉀鹽巖構(gòu)成，構(gòu)造線長(zhǎng)軸方向呈北西向展布，傾向南西，傾角約3°～5°，與區(qū)域構(gòu)造線相一致。隆起復(fù)合體構(gòu)造簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)有巖漿巖體侵入及明顯的折斷現(xiàn)象。

淋失塌陷構(gòu)造：位于項(xiàng)目區(qū)西南部及東部,呈不規(guī)則狀展布，影響范圍達(dá)數(shù)平方公里，會(huì)造成礦層的間斷和缺失，形成開采風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

過(guò)渡帶：在隆起復(fù)合體與塌陷區(qū)之間由于構(gòu)造下沉作用，形成了200m～300m寬的環(huán)狀過(guò)渡地帶，近塌陷區(qū)邊緣草原蒸發(fā)巖以20°角急劇下沖。

圖2 二維地震勘探構(gòu)造解釋略圖Fig.2 Map showing structural interpretation of 2D seismic data 1-KPXXX項(xiàng)目區(qū)范圍；2-淋失塌陷構(gòu)造邊界；3-隆起復(fù)合體邊界；4-鉀鹽邊界線；5-鉀鹽預(yù)測(cè)區(qū)；6-地震勘探線1-KPXXX scope of the project area; 2-leaching collapse structure boundary; 3-uplift complex boundary; 4-potassium border;5-potassium forecasting area; 6-seismic exploration line

2 礦體特征

2.1 礦體地質(zhì)特征

KPxxx項(xiàng)目區(qū)經(jīng)二維地震(6條剖面、總長(zhǎng)43km)、鉆孔(1個(gè)、深1065m)、地球物理測(cè)井(1063m)、基本分析樣(106件)控制了一層鉀鹽礦體及兩層礦化體(圖3)：

鉀1號(hào)礦體(工業(yè)礦層)：賦存于耐心湖含鉀巖段下亞段；埋深930m以下、厚1.63m；與含鉀巖鹽層相互疊壓，呈夾層產(chǎn)出；頂?shù)装鍑鷰r為淡粉白色～淺黃色巖鹽，近礦圍巖為桔黃色鉀礦化巖鹽；呈層狀展布，連續(xù)、平坦，推測(cè)長(zhǎng)度大于8km，寬度大于6km；產(chǎn)狀近于水平，略向盆內(nèi)傾斜，傾向SW，傾角一般3°～5°；礦物組合主要為巖鹽、鉀石鹽，K2O品位9.26%～58.20%，加權(quán)平均品位27.10%。

鉀2號(hào)礦化體：賦存于貝爾平原含鉀巖段上部層位；埋深937 m以下、厚0.23m；呈薄層狀產(chǎn)于巖鹽層中；頂?shù)捉V圍巖為巖鹽；呈層狀展布；產(chǎn)狀近于水平，傾向SW，傾角3°～5°；礦物組合主要為巖鹽、鉀石鹽；K2O品位26.90%。

鉀3號(hào)礦化體：賦存于貝爾平原含鉀巖段下部；埋深947m以下、厚0.57m；呈夾層狀賦存于巖鹽層中；頂?shù)捉V圍巖為巖鹽；呈層狀展布；產(chǎn)狀近于水平，傾向SW，傾角3°～5°；礦物組合主要為巖鹽、鉀石鹽；K2O品位7.52%～17.10%，加權(quán)平均品位12.35%。

2.2 礦石質(zhì)量

所圈定3個(gè)礦層的礦石結(jié)構(gòu)為晶粒狀結(jié)構(gòu)、構(gòu)造為塊狀構(gòu)造。其礦物成分由不同比率的巖鹽、鉀石鹽、光鹵石及水不溶物(主要為粘土，及少量硬石膏、石膏、白云石、石英、赤鐵礦、云母等)組成。其中鉀石鹽：顏色以桔色、乳白色為主，少量為粉紅色、紅色、棕紅色、淺橙色，K2O含量介于7.52%～58.20%，為細(xì)晶～粗晶粒，晶體直徑一般約1 cm～2cm，大者達(dá)3cm，晶體多為它形晶，少部分為半自形晶，不同大小的晶體相互構(gòu)成集合體，呈不規(guī)則狀嵌布，晶間夾雜有青色或淺黃白色的巖鹽晶粒。其化學(xué)成分為：NaCl、KCI、MgCl2、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、CaSO4、CaMg(CO3)2、S、P等，其中CaO含量0.20%～0.49%，MgO含量0.05%～0.12%。

2.3 礦石類型

KPxxx項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各類蒸發(fā)巖發(fā)育較為完全：下部為硬石膏∕巖鹽型，不同顏色的巖鹽層內(nèi)含有少量藍(lán)灰色、灰白色硬石膏細(xì)脈及團(tuán)塊，局部夾硬石膏薄層，或巖鹽與硬石膏構(gòu)成互層；中部為巖鹽型，主體為單純的巖鹽層，向下見有少量紅色、棕紅色、栗色光鹵石晶粒及團(tuán)塊散布于巖鹽層中，局部光鹵石較為集中且成薄層；上部為鉀鹽巖型，鉀鹽層賦存于無(wú)色、淺桔黃色、灰白色鉀化巖鹽體內(nèi)；過(guò)渡帶呈漸變關(guān)系。

圖3 ZK1鉆孔柱狀圖Fig.3 Stratigraphic column of borehole ZK1 1-石鹽；2-粘土層；3-鉀鹽；4-富鉀鹽巖鹽；5-貧鉀鹽巖鹽1-halite; 2-clay seam; 3-sylvinite; 4-sylvinite-rich halite; 5-sylvinite-poor halite

礦體鉀鹽的礦石自然類型主要有乳白色(無(wú)色)鉀鹽、桔紅色鉀鹽和雜色鉀鹽；巖鹽的礦石自然類型主要有淡粉白色(無(wú)色)巖鹽、桔黃色巖鹽、淺黃色～淺灰色巖鹽、淺黃紅～棕紅色巖鹽和淺灰色～灰綠色巖鹽。

3 礦床成因

包含薩斯喀徹溫亞盆地的威利斯頓盆地至少在古生代中泥盆世之前已經(jīng)成為一個(gè)半封閉的陸表淺海相盆地。至中泥盆世則存在頻繁的海進(jìn)海退及持續(xù)的蒸發(fā)。盆地中的次級(jí)凹陷則為持續(xù)聚鹽、儲(chǔ)鹽提供了空間。一般認(rèn)為頻繁的海進(jìn)海退則為盆地成鹽提供了必備的物質(zhì)基礎(chǔ)。富鉀海水在諸多因素的影響下，不斷地蒸發(fā)濃縮，分異富集。

上述工作獲得資料表明KPxxx項(xiàng)目區(qū)礦物析出沉積序列應(yīng)為：方解石→白云石→石膏→硬石膏→石鹽→光鹵石→鉀鹽。這個(gè)序列與Usiglio提出的海水蒸發(fā)析鹽系列(BAяшког,1965)(氧化鐵+碳酸鈣→石膏、石膏+石鹽→石膏+石鹽+瀉利鹽→石膏+石鹽+瀉利鹽+軟鉀鎂礬→石膏+石鹽+瀉利鹽+軟鉀鎂礬+光鹵石→石膏+石鹽+瀉利鹽+軟鉀鎂礬+光鹵石+水氯鎂石)相吻合。周期性的海侵作用可形成礦物沉淀序列的一個(gè)完整旋回。其中鉀鹽和光鹵石往往伴生。因此基本可以判定KPxxx預(yù)查項(xiàng)目區(qū)具備陸表海淺海相盆成鉀作用模式的特征。

成鉀過(guò)程應(yīng)當(dāng)包括在中泥盆世反復(fù)進(jìn)行的蒸發(fā)沉積和沉積淋濾以及泥盆世后的埋藏——構(gòu)造改造。同生沉積作用之后的成巖過(guò)程包括礦物顆粒的溶解及次生富集等作用。鉀鹽層中不同礦物成分的分布特征由周期性變化的蒸發(fā)沉積作用所決定。受含鎂鹵水次生過(guò)濾作用和活化作用的影響，同一鉀鹽層的中部往往富集巖鹽和鉀鹽，光鹵石則富集在其邊部。KPxxx項(xiàng)目區(qū)內(nèi)泥盆系第三沉積旋回的特征符合Schmalz(Schmalz,1970)提出的“淚滴式”蒸發(fā)巖的分布模式，即沿補(bǔ)給區(qū)反方向依次沉積碳酸鹽巖、石膏巖、石鹽，在距離補(bǔ)給區(qū)最遠(yuǎn)的地方沉積鉀鎂鹽(袁見齊，1982；翟裕生，2011)。蒸發(fā)巖層后期受到構(gòu)造作用而發(fā)生褶皺、加厚等現(xiàn)象，同時(shí)礦物元素的溶解和活化作用特征明顯。在因構(gòu)造等原因而存在的地下水溶蝕作用下，發(fā)生位移，形成塌陷。

歸納之，KPxxx項(xiàng)目區(qū)鉀鹽礦體產(chǎn)于淺海相蒸發(fā)巖沉積建造中，屬于海相化學(xué)蒸發(fā)鹽巖系型分異結(jié)晶固態(tài)外生層控鹽類礦床，在規(guī)模宏大的薩斯喀徹溫亞盆地鉀鹽礦床中具有代表性。

4 結(jié)論

加拿大薩斯喀徹溫亞盆地KPxxx項(xiàng)目區(qū)鉀鹽礦床屬于薩斯喀徹溫亞盆地中的一個(gè)典型的鉀鹽礦床，礦床產(chǎn)于淺海相蒸發(fā)巖沉積建造中，屬于海相化學(xué)蒸發(fā)鹽巖系型分異結(jié)晶固態(tài)外生層控鹽類礦床。經(jīng)過(guò)對(duì)此鉀鹽礦床的沉積序列等分析，并結(jié)合前人研究資料分析，認(rèn)為KPxxx項(xiàng)目區(qū)的巖相模式屬于“淚滴式”巖相分布模式。鉀鹽礦床的蒸發(fā)巖層后期受到構(gòu)造作用而發(fā)生褶皺、加厚，鉀鹽層存在由地下水溶蝕作用引起的位移、塌陷區(qū)。

致謝 鉀鹽項(xiàng)目組、加拿大鉀鹽公司、加拿大Geotir物探公司、加拿大North Rim勘探公司的相關(guān)工作人員提供了工作支持，在此表示感謝。

[注釋]

① Andrew D. Williamson. 2012. Geophysical Report on Mineral Resource at Lease KP472(on behalf of Canada Potash Corp.)[R]. Geotir:P 3,6,9,10,14,19.

② Jeff Bovee. 2012. Canada Potash Borden Prairie Evaporite Potash exploratory well Geological well data report[R]. North Rim Exploration LTD.:P 2,8-12,17.

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Geological Characteristics and Genesis of a Potash Deposit in Saskatchewan Sub-basin of Canada

CHU Li-xia1,2, LI Jian-fu2, SUN Ren-bin1,2

(1.SchoolofEarthScience&Resources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.InnerMongoliaGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Hohhot,InnerMongolia010010)

With good continuity, a potash deposit bearing formation (Prairie Evaporite) in the Saskatchewan sub-basin of Canada typically occurs at depths less than 960m. The grade of ore within this rock is relatively high ranging from 9.26～58.20% K2O. The Prairie Evaporite Formation includes three potash-bearing members: Patience Lake member, Belle Plaine member, and Esterhazy member. On the basis of potash units and ore grade information interpreted from down hole geophysical logs in Saskatchewan, and data on assessment of potash resource potential published recently by Saskatchewan government, this paper reviews and integrates the seismic data and drilling borehole data of this area, makes prediction to prioritized targets for exploration on the permit area, and conduct preliminary research on the geological characteristics and genesis of the potash deposit in this area.

potash, deposit characteristics, deposit genesis, Saskatchewan sub-basin, Canada

2015-04-13；

2015-12-21；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

2011年國(guó)外礦產(chǎn)資源風(fēng)險(xiǎn)勘查專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：201130B00500114)資助。

楚麗霞(1982年-)，女，在讀博士生，地質(zhì)工程師，現(xiàn)主要從事金屬礦產(chǎn)勘探研究工作。E--mail:clx_01@163.com。

P619.21+1

A

0495-5331(2016)02-0385-07

Chu Li-xia, Li Jian-fu, Sun Ren-bin. Geological characteristics and genesis of a potash deposit in the Saskatchewan sub-basin, of Canada [J]. Geology and Exploration, 2016, 52(2):0385-0391