老挝他曲盆地钾盐矿床蒸发岩硫同位素特征及成钾指示意义

2014-09-11张华刘成林王立成方小敏

地质论评 2014年4期

张华，刘成林，王立成，方小敏

1)中国地质科学院矿产资源研究所，北京，100037； 2)国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京，100037； 3)中国科学院青藏高原研究所，北京，100101；

内容提要: 老挝含盐盆地白垩纪时期位于新特提斯域东南部，晚白垩世沉积了巨型钾盐矿床。其中，万象东南部的他曲盆地钻孔含盐系中硬石膏δ34SV-CDT值集中分布在13.8‰～15.3‰，与同期海相蒸发岩δ34S值近似，表明石膏为海相成因。据此，也进一步证实老挝含盐盆地成钾物质大多来自于同时期的古海水，但同时也受到大陆水的掺杂。依据老挝含盐盆地与思茅盆地钾盐矿床沉积时代相近，同时结合勐野井组石膏硫同位素组成，笔者初步认为两盆地在硫同位素组成上具有相近的海源特征，推断它们在海侵期可能曾连通。

现今的呵叻高原包括泰国东北部和老挝中部，近东西走向的普潘隆起将高原分为两个盆地：北部的沙空那空盆地和南部的呵叻盆地(Hite，1974；Hite and Japakasetr，1979)。白垩纪时期，两个盆地内蒸发岩广泛发育，钾盐预计储量能达到420亿吨(Tabakh et al.，2003)，其丰富的钾盐储量使其已成为世界上最大的钾盐沉积矿床之一(Fan，2000)。已有研究表明，我国云南兰坪—思茅盆地与沙空那空—呵叻盆地在白垩纪时期处于同一构造带上，其在盆地基底性质、盆地发展、演化及沉积环境方面均有着相似之处(曲懿华，1997；李兴振等，2004，Wang Licheng et al.，2014)。因此，对呵叻高原钾盐矿床成盐物质来源、矿床成因等问题的厘清，可以为我国兰坪—思茅盆地钾盐矿床的研究提供重要的借鉴和指导。

与钾盐矿床的勘探和开发相比，呵叻高原钾盐矿床系统的科学研究目前仍显得较为薄弱，其成盐物质来源等方面仍存在争议，争议的焦点则是成盐物质来源是否是海源(相)或者陆源(相)。Hite(1974)、Hite 和 Japakasetr(1979)依据石盐中Br的含量及其在纵向上的变化趋势与海相蒸发岩相似，认为成盐物质应来自海水，并在这一时期可能存在一个所谓的“呵叻海”。之后，类似的观点相继被Sundharovat(1976)、Thiramongkol(1978)所引用，他们同样认为泰国东北部钾盐可能与海侵有关或者岩盐是在晚白垩世内陆海或泻湖环境中形成。此外，石盐流体包裹体中的硼同位素组成，也反映了成盐物质的海源性(Tan Hongbing et al.，2010)。然而，由于缺乏碳酸盐岩等典型海相沉积证据，呵叻钾盐盆地曾被认为是在干旱沙漠环境中形成的一个内陆超盐化湖泊(Utha-Aroon，1993；Racey and Goodall，2009；Meesook，2000)。此后，Garrett(1996)在对呵叻高原、巴西塞尔希培盆地以及西非刚果—加蓬盆地钾盐沉积特征进行对比后，认为含盐地层是在陆相环境中沉积。而基于呵叻和沙空那空盆地均缺少MgSO4盐的事实，Warren(1999)也提出卤水可能来源于大陆的观点。

对海水硫酸盐及石膏的硫同位素研究表明，石膏沉积时造成的同位素分馏十分微弱、甚至可以忽略不计(Holser and Kaplan，1966)，在石膏形成过程中海水母液和石膏的同位素差值仅为0‰～2.4‰(Ault and Kulp，1959；Thode et al.，1961；Thode and Monster，1965；Raab and Spiro，1991)。同时，受盆地的硫源以及沉积体系的封闭和开放程度等因素影响，同一时代、不同沉积背景下的硫同位素在组成上往往表现出较大差异。因此，在研究古代蒸发岩沉积过程中，运用硫同位素进行沉积环境判定及物源分析已被地质学家广泛接受(Holser and Kaplan，1966；李任伟和辛茂安，1989；Tabakh et al.，1998，1999)。

基于此，本文拟借用石膏硫同位素对蒸发岩物质来源以及沉积环境等方面的指示作用，通过对万象东南部的他曲地区ZK2893钻孔(图1)中不同层位石膏硫同位素的研究，对该区蒸发岩沉积环境作初步分析，在此基础上探讨老挝含盐盆地与云南思茅盆地成钾物质来源问题。

图1 研究区地质简图及钻孔位置(底图据张西营等，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—上白垩统 N2—Q—Neogene to Quaternary；K2—Upper Cretaceous

1 区域地质背景及样品采集

呵叻高原位于泰国东北部和老挝中部，其北为湄公河断裂，南为北柬埔寨断裂，西为南乌江断裂，东为边和断裂。受周边深大断裂的控制，呵叻高原构成一个独特的长期稳定持续下降的坳陷带(李善平等，2009)。古近纪早期，呵叻高原发生抬升，中部NW—SE向的普潘隆起形成，并将高原分为南北两个盆地，即北部沙空那空盆地以及南部呵叻盆地(Tabakh et al.，1999)。研究区他曲盆地位于万象东南部，为呵叻高原北部沙空那空盆地东北缘的次级盆地，其南部与沙湾拿吉盆地相邻。

样品采自中农矿产资源勘探有限公司在万象东南部的他曲盆地新近布置的ZK2893钻孔(图1)，采集层位为上白垩统塔贡组(Tagon Formation)。钻孔岩芯观察结果显示，塔贡组含盐层系主要由三个单元组成，自下而上表现为3个完整的蒸发岩序列沉积旋回，即基底硬石膏层—下盐层—下碎屑层—中盐层—中碎屑层—上盐层(硬石膏层)—上碎屑层(图2)。区域对比表明，塔贡组含盐系中这3个蒸发岩沉积旋回在呵叻盆地和沙空那空盆地均广泛发育，且可以进行良好对比(Tabakh et al.，1999)。硫同位素测试样品分别采集自钻孔中塔贡组含盐层系基底硬石膏及上盐段硬石膏层(图2)。

图2 老挝万象东南部他曲盆地ZK2893钻孔岩性剖面及采样位置Fig. 2 Lithological profile of borehole ZK2893 in Thakhek Basin, southeastern Vientiane, Laos， and sampling location

2 样品分析及测试结果

为了避免硬石膏中有其他矿物的混入影响测试结果的精确性，在本次硫同位素测试开展之前，选择具有代表性的样品进行了粉晶衍射的矿物组分分析，测试结果见表1。硫同位素测试对象为纯净的硬石膏晶体，样品测试工作由中国地质科学院矿产资源研究所完成，分析仪器为MAT-251EM 型质谱计。基于对标样的重复测试，δ34S分析精度为2‰，其结果分别以相对V-CDT标准的δ值来表示。测试结果见表1。

本次硫同位素测试结果(表1)显示，硬石膏δ34SV-CDT值分布较为集中(13.8‰～15.3‰)，δ34S值波动幅度仅为1.4‰。不同层段硬石膏δ34S值显示出相近的特点，其中本次钻孔中基底硬石膏δ34SV-CDT值与Tabakh (1999)对老挝、泰国其它钻孔基底硬石膏进行硫同位素测试的δ34SCDT值相一致，说明本次测试数据较为可靠。

3 讨论

3.1 硫同位素的环境指示意义

现代大洋中溶解硫酸盐与海相成因蒸发岩具有相似的硫同位素组成，海相蒸发岩及其所反映的古海洋硫酸盐的同位素组成只在狭窄的范围内变化(Holser and Kaplan，1966，李任伟和辛茂安，1989)，而陆相湖盆中硫酸盐硫同位素组成变化往往较大(郑喜玉等，1988；史忠生等，2005)。大气降水以及天然河水δ34SCDT值普遍分布在10‰以下(章振国等，2010)，大气降水中δ34SCDT值一般为0‰～5‰，天然淡水δ34SCDT值约为5‰～10‰(Holser and Kaplan，1966)。而在海陆交互相中，由于大陆淡水和海水的共同作用，石膏硫同位素组成往往兼有两者的特点，δ34SCDT值通常为15‰～10‰(Tabakh et al.，1998，1999)。但是，表生缺氧环境中，大量细菌通过消耗硫的化合物为其新陈代谢提供能量，并导致硫的化合物被还原、氧化或(和)歧化(常华进等，2010)。因此，生物作用引起的硫同位素分馏也是硫同位素组成发生变化的主要原因(张伟等，2007)。细菌硫酸盐还原反应过程对重硫同位素的歧视效应，最终导致生成硫化物的硫同位素显著亏损34S(Chambers and Trudinger，1979；Kaplan and Rittenberg，1964)，而残余的硫酸盐往往明显富集34S。

表1 老挝他曲盆地塔贡组硬石膏XRD分析结果及硫同位素组成Table 1 XRD analysis results and sulfur isotope compositions of anhydrite from Tagon Formation in Thakhek Basin，Laos

注：*K样品数据来自Tabakh et al.(1999)。

从表1中可以看出，本次分析测试的不同深度段的硬石膏δ34S值具有总体偏小，且分布范围较为集中的特点。这与形成于有机质堆积速度较快、介质环境缺氧的强还原环境中的硫酸盐，如四川盆地T1j2段石膏(δ34SCDT值变化范围为27.8‰～35.9‰)(陈锦石等，1986；林耀庭，2003)、东濮凹陷古近系(δ34S值变化范围为28‰～33‰)(史忠生等，2005)以及潜江凹陷等古近系硫酸盐(δ34S值变化范围为30.1‰～40.43‰)(刘群等，1987)形成鲜明对比(图3)，指示老挝他曲盆地石膏形成过程中，细菌还原作用较弱，生物硫酸盐还原作用对石膏硫同位素的分馏作用贡献不大。而盆地中这一时期沉积的含盐层系缺少黄铜矿、黄铁矿等指示还原环境沉积产物，以及红层广泛发育，则进一步表明石膏形成过程中，成盐环境对硫酸盐来说是开放的，对H2S是封闭的。这也与钻孔同一深度段内石盐中大量条带状、人字形的石盐原生流体包裹体的出现(Zhang Hua et al.，2014)所指示的浅水、开放—氧化的环境相一致。不同深度段的硬石膏δ34S值所表现出来相似性说明，老挝钾盐矿床沉积时可能长时间持续处于浅水—氧化的沉积环境。

3.2 老挝钾盐矿床的盐类物质来源

全球海洋硫酸盐的δ34S记录显示，白垩纪时期海相蒸发岩δ34SCDT值约为14‰～21‰(Tabakh et al.，1999；Strauss，1999)。本次测试结果显示，老挝他曲盆地含盐系硬石膏δ34S值比白垩纪海水硫酸盐δ34S值略低，但基本落入同期海相蒸发岩δ34S值范围内，这表明硬石膏为海相成因。这一结论也与该区盐岩地球化学指标Br含量(Tabakh et al.，1999)、以及新近的δ11B(Zhang Xiying et al.，2013；Tan Hongbing et al.，2010)得出的结论相一致。

3.3 呵叻盆地与思茅盆地的关系

图3 不同沉积环境下蒸发岩硫同位素组成特征Fig. 3 Sulfur isotopic composition of evaporites under different sedimentary environments 白垩纪海相蒸发岩，据Paytan et al.，2004；Tabakh et al.，1999；四川盆地数据，据陈锦石等，1986；林耀庭，2003；东濮凹陷数据，据史忠生等，2005；潜江凹陷数据，据刘群等，1987；云南数据，据高广立，1991，刘群等，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

已有的证据表明，思茅盆地与呵叻—沙空那空盆地钾盐矿床形成于同一时期，其对应的地层年代应为晚白垩世(Racey and Goodball，2009；钟晓勇等，2012；秦占杰等，2013)。与此同时，两盆地在构造演化、沉积特征方面的相似性，使我们有理由相信两盆地在晚白垩世联系紧密。Wang Licheng 等(2014)基于全岩地球化学、锆石U-Pb年代学以及Hf同位素组成同时结合这一时期古流向资料(Racey and Goodball，2009)认为，勐野井组沉积物质来源与呵叻—沙空那空盆地在晚白垩世具有相似性，云南思茅盆地在晚白垩世位于呵叻—沙空那空盆地西侧且在某些时候两盆地相互连通的观点(Wang Licheng et al.，2014)。而基于兰坪—思茅陆块以及老挝含盐盆地所在的印支板块的古地磁学研究表明，两板块在晚白垩世应处于大致相同的纬度地区❶，且晚白垩世以来发生过不同规模的顺时针旋转，两盆地在晚白垩世应为东西向展布(Yang Zhenyu and Besse，1993；Charusiri et al.，2006；Yamashita et al.，2011)。对比显示，思茅盆地勐野井组石膏硫酸盐δ34S值约为20.58‰(刘群等，1987；高广立，1991)与白垩纪晚期海相蒸发岩硫同位素组成近似，但普遍高于他曲盆地不同层段硬石膏δ34S值。在远离海源的蒸发岩盆地中，海水对盆地的补给通常是间歇性的，海相硫酸盐在形成过程中常常会受到周缘淡水的注入，从而导致沉积水体34S亏损，δ34S值相对这一时期正常的海洋硫酸盐δ34S值偏小。这一硫同位素组成变轻的过程，在新生代塔里木海湾的演化过程中表现尤为显著(张华等，2013)。

基于上述证据，我们推断老挝含盐盆地与思茅盆地钾盐矿床的形成与当时的新特提斯海关系密切，钾盐成矿物质主要来自当时的古海水；两盆地在海侵的时候可能曾连通，海水可能从西向东侵入，即先进入思茅盆地，再入侵老挝含盐盆地，这可能是导致思茅盆地勐野井组石膏硫同位素组成更接近这一时期海水硫同位素，而老挝他曲地区蒸发岩δ34S值则因受到较多大陆淡水的影响，而低于同期海水的主要原因之一。