大地构造运动与钾盐成矿研究简述①

梁光河 徐兴旺

1 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029

2 中国科学院地球科学研究院，北京 100029

3 中国科学院大学，北京 100029

1 钾来源及钾盐矿形成的主控因素

1.1 钾元素的来源

普遍认为宇宙中所有元素都是宇宙大爆炸产生的，宇宙早期形成的第一代恒星仅由最轻的氢和氦等气体元素组成，在随后的数百万年里，这些原始气团压缩形成了第一代恒星，它们是其他重元素的诞生地[1]。在恒星内部的高温高压下新元素的形成以核聚变的方式进行，依次发生氢、氦、碳、氧、硅、钾核合成过程。整个宇宙主要是由氢和氦元素组成的，其余元素的丰度随其原子序数的增加而迅速下降[2]。钾在宇宙中的含量极小，几乎可以忽略不计；银河系中钾的含量也非常小，银河系中氢和氦共占99.84%，钾占0.000012%；地球上钾的丰度为0.083%[3]。地球上不同类型的岩石钾含量变化很大，花岗岩中约3%，玄武岩中约0.5%，橄榄岩中约0.04%[4]。橄榄岩和玄武岩是地幔的代表性岩石，花岗岩是地壳的代表性岩石，这说明地球上从深到浅钾元素有逐渐富集的特征。总体来讲，从宇宙到太阳系，钾元素总体上呈现富集趋势；在地球上从地幔到地壳，钾元素也呈现富集趋势。地球的浅表层是宇宙中钾元素最为富集的场所之一。

地球上钾盐的来源具有多源性，一是风化壳含钾矿物和岩石风化淋滤、溶解的流体；二是海退残留的古海水；三是岩浆活动的富钾热液、热泉等[3]。它们在大地构造运动控制下迁移到盆地中，在干旱气候环境下蒸发沉淀形成。也就是说钾盐矿的形成，是地球上含钾岩石分解出可溶性钾盐，之后迁移二次富集的产物。

1.2 钾盐矿形成的主控因素

钾盐矿属蒸发岩沉积矿床，钾盐的成矿过程是含钾卤水蒸发浓缩的结果。卤水蒸发浓缩过程中依据其中溶解物的溶解系数大小，顺序析出不同的矿物，典型顺序是碳酸盐-石膏-石盐-钾石岩-光卤石-溢晶石和水氯镁石。前人的研究表明“气候-物源-构造”三要素耦合是钾盐矿形成的主控因素[5-7]。钾盐矿床形成的基本条件为：一是有利的地质构造和地理地形条件，能够形成封闭、半封闭的大盆地；二是丰富的钾盐物质来源；三是干旱的古气候条件；四是效的保护盖层使钾盐形成后避免溶解流失。事实上大地构造运动不但控制了盆地的形成，也控制了钾盐物质来源，还控制了保护盖层的形成，同时大陆漂移也间接地控制了成钾盆地所处的地理位置和气候特征，因此大地构造运动是钾盐矿形成的主控因素。

从钾盐矿形成的地质时代看，还没有见到前寒武纪的钾盐矿，但在地史上钾盐矿床的分布却存在着很大的差异性。基于全球主要含钾盐盆地和成钾年代统计[8-9]，发现古生代形成的钾资源量约占全球资源量的74%，中生代约占24%，新生代约占2%。至于为什么从古生代到新生代，地球上形成的钾盐资源越来越少，还没有见到明确的结论，推测可能和全球气候变化有关，从古生代到现在地球总体是在降温过程中[10]，降温幅度高达20°C。历史上存在几个成钾高峰期，泥盆纪是最高峰，白垩纪和侏罗纪是次高峰。这几个成钾高峰期应该是构造、气候和物源耦合形成的。

2 大地构造环境与钾盐矿成矿

大地构造运动是盆地形成的决定因素，也提供了钾盐矿的物质来源。从大地构造环境来看，主要分三类，分别是稳定克拉通环境、陆块汇聚环境和陆块裂解环境。

2.1 稳定克拉通陆块钾盐成矿

古生代是地球上钾盐矿的主要成矿期，大型矿床主要产于稳定的克拉通陆块中[5]。钾盐矿床形成在克拉通陆块内持续凹陷的盆地中，克拉通盆地基底密度大，在大地构造运动过程中，持续沉降形成巨大的沉积盆地，同时盆地边缘地带发育环礁，形成有利于钾矿形成的封闭和半封闭环境，在海水断续补给、盆地持续沉降的耦合作用下，再遇上干热的气候环境在盆地内持续蒸发浓缩，钾盐矿最终沉积下来形成大型钾盐矿。世界上著名的加拿大萨斯喀彻温钾盐矿和俄罗斯西伯利亚涅帕钾盐矿，它们分别形成在北美克拉通陆块和西伯利亚陆块内。

2.2 陆块裂解环境下钾盐成矿

中生代末的Pangea超大陆裂解过程中，也就是大西洋形成之初，首先发育形成一个巨型近南北向的裂谷盆地或海槽。裂谷盆地内钾盐物源除了来自海水的补给，还存在深部流体以及火山活动带来的大量卤素。在干热气候条件下蒸发浓缩沉积下来，形成裂谷型钾盐矿床。新生代红海裂谷形成了以色列和约旦地区的死海卤水钾盐矿以及埃塞俄比亚达纳基尔洼地钾矿，中国有著名的江汉盆地深部含钾卤水，这都是典型的陆块裂解环境下形成的钾盐矿。事实上，大陆板块裂解和汇聚的早期是钾盐矿形成的主要阶段，著名的白垩纪刚果钾盐矿就是如此形成的。图1显示了大西洋裂解早期阶段（110Ma）的状态[11]，表明刚果钾盐矿形成于当时裂谷环境下的沉积盆地中，该裂谷北有几内亚湾、南有鲸海岭阻挡，形成了与外海半连通的盆地，在海水的持续补给和断裂以及火山带来的深部卤水供应下，与干旱的气候条件耦合，形成了著名的刚果大型钾盐矿床。

图1 南大西洋裂解早期海陆分布与钾盐矿盆地[11]Fig.1 Distribution of sea and continent and potash deposit basin in the early cracking of the South Atlantic

2.3 陆块汇聚环境下钾盐成矿

从中生代到新生代，随着南半球冈瓦纳大陆的裂解，诸多陆块向北漂移到北半球副热带区，并持续与古欧亚板块汇聚碰撞。多个小陆块相互被“圈闭”，在前陆盆地区域，发育边缘海盆，进而形成半封闭或封闭的蒸发岩盆地，残留古海水经蒸发浓缩形成钾盐矿床。涵盖泰国和老挝的呵叻盆地钾盐矿、中亚钾盐矿、东欧喀尔巴阡山钾盐矿、法国和北非摩洛哥等地的钾盐矿都是在特提斯域陆块汇聚过程中形成的。中国大陆也是由多个小陆块经过多期次碰撞拼合而成[12,13]，形成了中国西部诸多钾盐矿床，主要是青海的察尔汗钾盐矿和新疆的罗布泊钾盐矿。值得一提的是新疆罗布泊钾盐矿位于塔里木盆地的东侧边缘地带，从其形成的大地构造环境看，它发育在塔里木克拉通地块中，宏观上它也是新特提斯陆块聚合的产物，但其形成的局部环境则是一个张性环境。塔里木地块在挤压逃逸过程中，陆块内部破碎块体发生向西差异走滑和升降运动，在新生代晚期特别是第四纪，形成了近南北向的地堑式断裂带。加之新生代印度-欧亚碰撞过程中，塔里木盆地西部抬升，东部相对沉降[14]，使地堑式断裂带形成了塔里木盆地的凹陷汇水中心，在干旱的古气候条件下，多因素耦合形成了著名的罗布泊钾盐矿。

3 钾盐预富集成矿模式

钾盐矿的富集成矿模式很多，包括传统的海相模式、海源陆相模式、高山深湖成盐模式等等，还有最近提出来的钾盐后期改造成矿模式，如“凹口凸”钾盐成矿模式、环绕盐丘走滑旋转钾盐富集模式等等，这些成矿模式都和大地构造运动作用密切相关[15-19]。从世界上几个超大型钾盐盆地分析结果表明，超大型钾盐矿形成通常都需要有一个或几个预富集盆地（凹陷）先将海水进行初步浓缩，之后再流向另一个盆地（凹陷）中进一步浓缩蒸发。中国西部盐湖钾盐矿形成也符合多级湖盆深湖阶梯成矿模式[17]。

位于印支地块中的呵叻盆地钾盐矿床，形成于晚白垩世，也是大陆漂移运动的结果。青藏高原的隆升分多个阶段[20-23]，在南羌塘地块、滇缅泰地块、拉萨地块与欧亚板块碰撞拼贴过程中，印支地块当时处于它们之间[24]，也就是说呵叻盆地蒸发岩形成于这些地块的汇聚环境下（图2）。

呵叻盆地含盐建造是在侏罗纪陆相盆地基础上发育起来的[25]。这说明印支地块内的呵叻蒸发岩沉积形成于羌塘陆块和拉萨陆块与欧亚板块碰撞造山后的逃逸走滑过程中，在这个过程中，印支地块向东南方向运动，处于板块运动的前缘，随着地幔上涌出现伸展构造[26]，呵叻盆地边缘发生断陷进而沉降，与东南方向的大洋处于半连通状态，形成蒸发岩沉积，这个过程中形成钾盐矿。泰国钾盐矿物同位素测年表明，该地区钾盐形成年龄为93～76Ma[27]；同位素测量结果显示中国的思茅盆地钾盐形成于110～100Ma[28]。说明呵叻盆地钾盐矿与其西北方向的思茅盆地形成年代不一致，古海水来源方向不应该来自西北方向。

图2 晚白垩世地块汇聚与印支地块和呵叻盆地所处的大地构造位置示意图[24]Fig.2 Schematic diagram of blocks convergence and the tectonic location of the Ⅰndochina block and the Khorat basin in the late Cretaceous

呵叻盆地是整个盆地的统称，普潘隆起将其分成两个次级盆地，北部为沙空那空盆地，南部为呵叻盆地。一个大型盆地通常包括很多个凹陷，老挝钾盐矿主要分布在沙空那空盆地的两个凹陷中，分别是万象凹陷和甘蒙凹陷。其东南方向存在另外一个更大的蒸发岩沉积凹陷-沙湾拿吉凹陷（图3）。

海水自东往西补给盆地能够得到诸多地球化学和地质观测证据的支持[29,30]，Sattyayarak等的研究说明，古海水逐渐由东往西浓缩，形成由东往西碳酸盐-硫酸盐-石盐-钾镁盐4个较为完整的蒸发岩沉积相区[31]。更重要的是从沙湾拿吉到甘蒙再到万象凹陷，这些蒸发岩沉积是同期形成的。

通常随着海水的逐渐浓缩，浓缩后期的蒸发岩沉积顺序是：石盐-钾石岩-光卤石-溢晶石和水氯镁石。沙空那空盆地古海水从东南往北西方向逐渐浓缩也有坚实的钻探证据支持，具体是：沙湾拿吉凹陷只有石盐和钾石盐沉积物，说明古海水还没有浓缩到光卤石阶段，而甘蒙凹陷不但有石盐、钾石盐，还有光卤石沉积物，说明卤水得到了进一步浓缩。万象凹陷除了出现石盐、钾石盐、光卤石，还大量出现溢晶石和水氯镁石，说 明卤水已经浓缩到了最后阶段。

图3 沙空那空盆地内的万象、甘蒙、沙湾拿吉凹陷平面分布及古海水浓缩迁移方向示意图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

事实上，这些凹陷最终形成的钾盐矿层也是万象凹陷最为厚大，平均厚度达66m，甘蒙凹陷平均钾盐厚度约11m，而沙湾拿吉凹陷基本上没有形成钾盐矿，只有一口井见到了0.4m的钾石盐矿化。图4给出了从沙湾拿吉凹陷到甘蒙凹陷再到万象凹陷的海水预富集钾盐矿成矿模式示意图。

这种阶梯状盆地海水浓缩预富集模式在大型钾盐矿形成过程中普遍存在，例如刚果钾盐矿形成过程中，大西洋裂解形成的长条状裂谷盆地外围，北部几内亚湾以北的局限海盆和南侧鲸海岭以南的局限海盆，都属于卤水浓缩的预富集盆地。还有加拿大斯喀彻温钾盐矿和西西里微陆块钾盐矿的成矿都符合类似的成矿模式[9,12]。

图4 海水预富集钾盐矿成矿模式与老挝钾盐矿成矿期古海水浓缩迁移方向示意图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 结论

大地构造运动是钾盐矿成矿和改造的最主要控制因素之一。大地构造运动主导了大陆板块的裂解和聚合，控制了盆地的形成与消亡过程。钾盐矿的形成是构造运动、物源和气候三要素耦合的产物。钾盐矿形成后的构造运动对钾盐矿的改造和最终的就位也起到控制作用。厘清钾盐矿形成过程中的大地构造运动，不但对钾盐矿的成因和改造作用具有重要意义，而且对钾盐矿的勘探开发也具有现实意义。只有在成矿模式和构造改造模式清楚的情况下，才能得到符合大地构造演化历史的钾盐矿找矿模式，进而支持钾盐矿的勘探开发。