大地構(gòu)造運動與鉀鹽成礦研究簡述①

梁光河 徐興旺

1 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室，北京 100029

2 中國科學院地球科學研究院，北京 100029

3 中國科學院大學，北京 100029

1 鉀來源及鉀鹽礦形成的主控因素

1.1 鉀元素的來源

普遍認為宇宙中所有元素都是宇宙大爆炸產(chǎn)生的，宇宙早期形成的第一代恒星僅由最輕的氫和氦等氣體元素組成，在隨后的數(shù)百萬年里，這些原始氣團壓縮形成了第一代恒星，它們是其他重元素的誕生地[1]。在恒星內(nèi)部的高溫高壓下新元素的形成以核聚變的方式進行，依次發(fā)生氫、氦、碳、氧、硅、鉀核合成過程。整個宇宙主要是由氫和氦元素組成的，其余元素的豐度隨其原子序數(shù)的增加而迅速下降[2]。鉀在宇宙中的含量極小，幾乎可以忽略不計；銀河系中鉀的含量也非常小，銀河系中氫和氦共占99.84%，鉀占0.000012%；地球上鉀的豐度為0.083%[3]。地球上不同類型的巖石鉀含量變化很大，花崗巖中約3%，玄武巖中約0.5%，橄欖巖中約0.04%[4]。橄欖巖和玄武巖是地幔的代表性巖石，花崗巖是地殼的代表性巖石，這說明地球上從深到淺鉀元素有逐漸富集的特征。總體來講，從宇宙到太陽系，鉀元素總體上呈現(xiàn)富集趨勢；在地球上從地幔到地殼，鉀元素也呈現(xiàn)富集趨勢。地球的淺表層是宇宙中鉀元素最為富集的場所之一。

地球上鉀鹽的來源具有多源性，一是風化殼含鉀礦物和巖石風化淋濾、溶解的流體；二是海退殘留的古海水；三是巖漿活動的富鉀熱液、熱泉等[3]。它們在大地構(gòu)造運動控制下遷移到盆地中，在干旱氣候環(huán)境下蒸發(fā)沉淀形成。也就是說鉀鹽礦的形成，是地球上含鉀巖石分解出可溶性鉀鹽，之后遷移二次富集的產(chǎn)物。

1.2 鉀鹽礦形成的主控因素

鉀鹽礦屬蒸發(fā)巖沉積礦床，鉀鹽的成礦過程是含鉀鹵水蒸發(fā)濃縮的結(jié)果。鹵水蒸發(fā)濃縮過程中依據(jù)其中溶解物的溶解系數(shù)大小，順序析出不同的礦物，典型順序是碳酸鹽-石膏-石鹽-鉀石巖-光鹵石-溢晶石和水氯鎂石。前人的研究表明“氣候-物源-構(gòu)造”三要素耦合是鉀鹽礦形成的主控因素[5-7]。鉀鹽礦床形成的基本條件為：一是有利的地質(zhì)構(gòu)造和地理地形條件，能夠形成封閉、半封閉的大盆地；二是豐富的鉀鹽物質(zhì)來源；三是干旱的古氣候條件；四是效的保護蓋層使鉀鹽形成后避免溶解流失。事實上大地構(gòu)造運動不但控制了盆地的形成，也控制了鉀鹽物質(zhì)來源，還控制了保護蓋層的形成，同時大陸漂移也間接地控制了成鉀盆地所處的地理位置和氣候特征，因此大地構(gòu)造運動是鉀鹽礦形成的主控因素。

從鉀鹽礦形成的地質(zhì)時代看，還沒有見到前寒武紀的鉀鹽礦，但在地史上鉀鹽礦床的分布卻存在著很大的差異性?；谌蛑饕淃}盆地和成鉀年代統(tǒng)計[8-9]，發(fā)現(xiàn)古生代形成的鉀資源量約占全球資源量的74%，中生代約占24%，新生代約占2%。至于為什么從古生代到新生代，地球上形成的鉀鹽資源越來越少，還沒有見到明確的結(jié)論，推測可能和全球氣候變化有關(guān)，從古生代到現(xiàn)在地球總體是在降溫過程中[10]，降溫幅度高達20°C。歷史上存在幾個成鉀高峰期，泥盆紀是最高峰，白堊紀和侏羅紀是次高峰。這幾個成鉀高峰期應該是構(gòu)造、氣候和物源耦合形成的。

2 大地構(gòu)造環(huán)境與鉀鹽礦成礦

大地構(gòu)造運動是盆地形成的決定因素，也提供了鉀鹽礦的物質(zhì)來源。從大地構(gòu)造環(huán)境來看，主要分三類，分別是穩(wěn)定克拉通環(huán)境、陸塊匯聚環(huán)境和陸塊裂解環(huán)境。

2.1 穩(wěn)定克拉通陸塊鉀鹽成礦

古生代是地球上鉀鹽礦的主要成礦期，大型礦床主要產(chǎn)于穩(wěn)定的克拉通陸塊中[5]。鉀鹽礦床形成在克拉通陸塊內(nèi)持續(xù)凹陷的盆地中，克拉通盆地基底密度大，在大地構(gòu)造運動過程中，持續(xù)沉降形成巨大的沉積盆地，同時盆地邊緣地帶發(fā)育環(huán)礁，形成有利于鉀礦形成的封閉和半封閉環(huán)境，在海水斷續(xù)補給、盆地持續(xù)沉降的耦合作用下，再遇上干熱的氣候環(huán)境在盆地內(nèi)持續(xù)蒸發(fā)濃縮，鉀鹽礦最終沉積下來形成大型鉀鹽礦。世界上著名的加拿大薩斯喀徹溫鉀鹽礦和俄羅斯西伯利亞涅帕鉀鹽礦，它們分別形成在北美克拉通陸塊和西伯利亞陸塊內(nèi)。

2.2 陸塊裂解環(huán)境下鉀鹽成礦

中生代末的Pangea超大陸裂解過程中，也就是大西洋形成之初，首先發(fā)育形成一個巨型近南北向的裂谷盆地或海槽。裂谷盆地內(nèi)鉀鹽物源除了來自海水的補給，還存在深部流體以及火山活動帶來的大量鹵素。在干熱氣候條件下蒸發(fā)濃縮沉積下來，形成裂谷型鉀鹽礦床。新生代紅海裂谷形成了以色列和約旦地區(qū)的死海鹵水鉀鹽礦以及埃塞俄比亞達納基爾洼地鉀礦，中國有著名的江漢盆地深部含鉀鹵水，這都是典型的陸塊裂解環(huán)境下形成的鉀鹽礦。事實上，大陸板塊裂解和匯聚的早期是鉀鹽礦形成的主要階段，著名的白堊紀剛果鉀鹽礦就是如此形成的。圖1顯示了大西洋裂解早期階段（110Ma）的狀態(tài)[11]，表明剛果鉀鹽礦形成于當時裂谷環(huán)境下的沉積盆地中，該裂谷北有幾內(nèi)亞灣、南有鯨海嶺阻擋，形成了與外海半連通的盆地，在海水的持續(xù)補給和斷裂以及火山帶來的深部鹵水供應下，與干旱的氣候條件耦合，形成了著名的剛果大型鉀鹽礦床。

圖1 南大西洋裂解早期海陸分布與鉀鹽礦盆地[11]Fig.1 Distribution of sea and continent and potash deposit basin in the early cracking of the South Atlantic

2.3 陸塊匯聚環(huán)境下鉀鹽成礦

從中生代到新生代，隨著南半球?qū)呒{大陸的裂解，諸多陸塊向北漂移到北半球副熱帶區(qū)，并持續(xù)與古歐亞板塊匯聚碰撞。多個小陸塊相互被“圈閉”，在前陸盆地區(qū)域，發(fā)育邊緣海盆，進而形成半封閉或封閉的蒸發(fā)巖盆地，殘留古海水經(jīng)蒸發(fā)濃縮形成鉀鹽礦床。涵蓋泰國和老撾的呵叻盆地鉀鹽礦、中亞鉀鹽礦、東歐喀爾巴阡山鉀鹽礦、法國和北非摩洛哥等地的鉀鹽礦都是在特提斯域陸塊匯聚過程中形成的。中國大陸也是由多個小陸塊經(jīng)過多期次碰撞拼合而成[12,13]，形成了中國西部諸多鉀鹽礦床，主要是青海的察爾汗鉀鹽礦和新疆的羅布泊鉀鹽礦。值得一提的是新疆羅布泊鉀鹽礦位于塔里木盆地的東側(cè)邊緣地帶，從其形成的大地構(gòu)造環(huán)境看，它發(fā)育在塔里木克拉通地塊中，宏觀上它也是新特提斯陸塊聚合的產(chǎn)物，但其形成的局部環(huán)境則是一個張性環(huán)境。塔里木地塊在擠壓逃逸過程中，陸塊內(nèi)部破碎塊體發(fā)生向西差異走滑和升降運動，在新生代晚期特別是第四紀，形成了近南北向的地塹式斷裂帶。加之新生代印度-歐亞碰撞過程中，塔里木盆地西部抬升，東部相對沉降[14]，使地塹式斷裂帶形成了塔里木盆地的凹陷匯水中心，在干旱的古氣候條件下，多因素耦合形成了著名的羅布泊鉀鹽礦。

3 鉀鹽預富集成礦模式

鉀鹽礦的富集成礦模式很多，包括傳統(tǒng)的海相模式、海源陸相模式、高山深湖成鹽模式等等，還有最近提出來的鉀鹽后期改造成礦模式，如“凹口凸”鉀鹽成礦模式、環(huán)繞鹽丘走滑旋轉(zhuǎn)鉀鹽富集模式等等，這些成礦模式都和大地構(gòu)造運動作用密切相關(guān)[15-19]。從世界上幾個超大型鉀鹽盆地分析結(jié)果表明，超大型鉀鹽礦形成通常都需要有一個或幾個預富集盆地（凹陷）先將海水進行初步濃縮，之后再流向另一個盆地（凹陷）中進一步濃縮蒸發(fā)。中國西部鹽湖鉀鹽礦形成也符合多級湖盆深湖階梯成礦模式[17]。

位于印支地塊中的呵叻盆地鉀鹽礦床，形成于晚白堊世，也是大陸漂移運動的結(jié)果。青藏高原的隆升分多個階段[20-23]，在南羌塘地塊、滇緬泰地塊、拉薩地塊與歐亞板塊碰撞拼貼過程中，印支地塊當時處于它們之間[24]，也就是說呵叻盆地蒸發(fā)巖形成于這些地塊的匯聚環(huán)境下（圖2）。

呵叻盆地含鹽建造是在侏羅紀陸相盆地基礎(chǔ)上發(fā)育起來的[25]。這說明印支地塊內(nèi)的呵叻蒸發(fā)巖沉積形成于羌塘陸塊和拉薩陸塊與歐亞板塊碰撞造山后的逃逸走滑過程中，在這個過程中，印支地塊向東南方向運動，處于板塊運動的前緣，隨著地幔上涌出現(xiàn)伸展構(gòu)造[26]，呵叻盆地邊緣發(fā)生斷陷進而沉降，與東南方向的大洋處于半連通狀態(tài)，形成蒸發(fā)巖沉積，這個過程中形成鉀鹽礦。泰國鉀鹽礦物同位素測年表明，該地區(qū)鉀鹽形成年齡為93～76Ma[27]；同位素測量結(jié)果顯示中國的思茅盆地鉀鹽形成于110～100Ma[28]。說明呵叻盆地鉀鹽礦與其西北方向的思茅盆地形成年代不一致，古海水來源方向不應該來自西北方向。

圖2 晚白堊世地塊匯聚與印支地塊和呵叻盆地所處的大地構(gòu)造位置示意圖[24]Fig.2 Schematic diagram of blocks convergence and the tectonic location of the Ⅰndochina block and the Khorat basin in the late Cretaceous

呵叻盆地是整個盆地的統(tǒng)稱，普潘隆起將其分成兩個次級盆地，北部為沙空那空盆地，南部為呵叻盆地。一個大型盆地通常包括很多個凹陷，老撾鉀鹽礦主要分布在沙空那空盆地的兩個凹陷中，分別是萬象凹陷和甘蒙凹陷。其東南方向存在另外一個更大的蒸發(fā)巖沉積凹陷-沙灣拿吉凹陷（圖3）。

海水自東往西補給盆地能夠得到諸多地球化學和地質(zhì)觀測證據(jù)的支持[29,30]，Sattyayarak等的研究說明，古海水逐漸由東往西濃縮，形成由東往西碳酸鹽-硫酸鹽-石鹽-鉀鎂鹽4個較為完整的蒸發(fā)巖沉積相區(qū)[31]。更重要的是從沙灣拿吉到甘蒙再到萬象凹陷，這些蒸發(fā)巖沉積是同期形成的。

通常隨著海水的逐漸濃縮，濃縮后期的蒸發(fā)巖沉積順序是：石鹽-鉀石巖-光鹵石-溢晶石和水氯鎂石。沙空那空盆地古海水從東南往北西方向逐漸濃縮也有堅實的鉆探證據(jù)支持，具體是：沙灣拿吉凹陷只有石鹽和鉀石鹽沉積物，說明古海水還沒有濃縮到光鹵石階段，而甘蒙凹陷不但有石鹽、鉀石鹽，還有光鹵石沉積物，說明鹵水得到了進一步濃縮。萬象凹陷除了出現(xiàn)石鹽、鉀石鹽、光鹵石，還大量出現(xiàn)溢晶石和水氯鎂石，說 明鹵水已經(jīng)濃縮到了最后階段。

圖3 沙空那空盆地內(nèi)的萬象、甘蒙、沙灣拿吉凹陷平面分布及古海水濃縮遷移方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of the plane distribution of the Vientiane, Khammuane and Savannakhet Sags and the migration direction of paleo-seawater in the Sakon Nakhon basin

事實上，這些凹陷最終形成的鉀鹽礦層也是萬象凹陷最為厚大，平均厚度達66m，甘蒙凹陷平均鉀鹽厚度約11m，而沙灣拿吉凹陷基本上沒有形成鉀鹽礦，只有一口井見到了0.4m的鉀石鹽礦化。圖4給出了從沙灣拿吉凹陷到甘蒙凹陷再到萬象凹陷的海水預富集鉀鹽礦成礦模式示意圖。

這種階梯狀盆地海水濃縮預富集模式在大型鉀鹽礦形成過程中普遍存在，例如剛果鉀鹽礦形成過程中，大西洋裂解形成的長條狀裂谷盆地外圍，北部幾內(nèi)亞灣以北的局限海盆和南側(cè)鯨海嶺以南的局限海盆，都屬于鹵水濃縮的預富集盆地。還有加拿大斯喀徹溫鉀鹽礦和西西里微陸塊鉀鹽礦的成礦都符合類似的成礦模式[9,12]。

圖4 海水預富集鉀鹽礦成礦模式與老撾鉀鹽礦成礦期古海水濃縮遷移方向示意圖Fig. 4 Schematic diagram of seawater pre-enrichment potash mineralization pattern and the direction of paleo-seawater concentration migration in the potash mineralization period in Laos

4 結(jié)論

大地構(gòu)造運動是鉀鹽礦成礦和改造的最主要控制因素之一。大地構(gòu)造運動主導了大陸板塊的裂解和聚合，控制了盆地的形成與消亡過程。鉀鹽礦的形成是構(gòu)造運動、物源和氣候三要素耦合的產(chǎn)物。鉀鹽礦形成后的構(gòu)造運動對鉀鹽礦的改造和最終的就位也起到控制作用。厘清鉀鹽礦形成過程中的大地構(gòu)造運動，不但對鉀鹽礦的成因和改造作用具有重要意義，而且對鉀鹽礦的勘探開發(fā)也具有現(xiàn)實意義。只有在成礦模式和構(gòu)造改造模式清楚的情況下，才能得到符合大地構(gòu)造演化歷史的鉀鹽礦找礦模式，進而支持鉀鹽礦的勘探開發(fā)。