马海盐湖北部矿段低品位固体钾矿中钾盐矿物的赋存特征及成因探讨

龙鹏宇, 赵艳军, 胡宇飞*, 杜江民, 何继辉, 王朝旭

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;2)河北地质大学, 河北省战略性关键矿产资源重点实验室, 河北石家庄 050031;3)河北地质大学地球科学学院, 河北石家庄 050031;4)青海中航资源有限公司, 青海德令哈 817000

钾盐是中国紧缺的非金属战略性矿产资源, 盐湖可溶性钾盐资源严重短缺的现状日益显著(王弭力等, 2006; 刘成林等, 2010; 郭明强等, 2011; 亓昭英等, 2019; 韩光等, 2022; 常政等, 2022)。2017年我国钾肥总产量为9.68×106t, 表观消费量达1.95×107t,自给率仅为 49.6%, 同比 2016年下降 11.3%(杨华,2007)。在油钾兼探、气钾兼探等新战略的实施背景下, 经几代地质学家 70余年的钾盐找矿勘探工作,除在柴达木盆地察尔汗盐湖、塔里木盆里罗布泊盐湖发现超大型钾盐矿床外, 已无更大突破。柴达木盆地 28个盐湖矿区尚贮有数亿吨的低品位固体钾矿(亓昭英和马金元, 2009), 马海盐湖全新统矿层中贮存有近 8.1×106t的低品位固体钾矿(马金元, 2005),相当于一个中型钾矿。对地表低品位固体钾矿的开发, 可有效保障我国钾盐资源的可持续发展并使我国在国际钾盐市场中有更多的话语权。

马海矿区位于柴达木盆地中北部, 是一个固液矿并存、贫富矿石并存, 钾、镁、钠等多种组分共(伴)生的第四纪盐湖矿床(马金元和杨平, 2005)。矿区开展地表低品位固体钾矿液化溶采的工程已有近十年,随着水溶开采的持续进行, 固体钾矿的品位明显降低, 溶出液的成分也发生了明显变化, 给生产带来了很大的不确定性。要实现固液转化的可持续运行,降低生产风险, 必须查清现阶段低品位固体钾矿中钾盐矿物的赋存状态。本文通过对矿区10个钻孔岩芯进行编录, 开展岩芯观察、盐矿鉴定等工作, 深入研究了马海矿区北部矿段67–79勘探线钾盐矿物类型、空间分布特征及成因, 可为研究区溶采工作的可持续发展提供保障, 并提高溶采效率。

1 地质背景

马海盐湖地处柴达木盆地中北缘断块带的赛什腾凹陷, 是在青藏高原区域性隆升构造动力背景下, 逐渐从统一的柴达木盆地中分离出来的近NW—SE方向的盆内闭流盆地, 沉积和贮存了丰厚的蒸发岩(图1) (王弭力等, 1997)。冷湖背斜、赛前台地的隆升和阿尔金褶皱的旋钮复合使盆内古湖水向北东收缩至北部矿段, 北部矿段固相钾盐埋深厚度为120.30 m, 最具经济意义的固体钾矿主要赋于全新统 JⅣ钾矿层, 分布面积 111 km2, 该统厚度总体变化特征为东厚西薄, 最厚达18.52 m(魏新俊等,1993)。马海盐湖属内陆沙漠型干旱气候(刘圣,2014), 北部矿段主要为干盐滩, 其晶间卤水主要受鱼卡河、嗷唠河和脑儿河沿途河水下渗补给。

图1 马海盐湖地质简图(据杨谦, 1998; 王弭力等, 1997修改)Fig. 1 Geological map of Mahai Salt Lake (modified from YANG, 1998; WANG et al., 1997)

2 样品采集及测试方法

本文所取样品均来自青海中航资源有限公司马海矿区67–79勘探线北部矿段, 钻孔部署见图2。作者在勘探现场对钻孔岩芯进行全孔编录, 按矿石不同自然类型分层、分段连续采取固体样品, 采集完毕后用自封袋密封保存。共采集岩芯样品330件。对固体盐样进行了薄片鉴定、X射线粉晶衍射和能谱扫描电镜分析。

图2 研究区钻孔部署图Fig. 2 Geological borehole distribution map of the study area

矿物薄片鉴定在中国地质科学院矿产资源研究所原子吸收实验室完成, 显微镜为徕卡荧光偏反光显微镜, 型号为DM4500P。能谱扫描电镜分析在中国地质科学院地质研究所完成, 选取代表性强的样品, 制靶、烘干, 保证分析断面的新鲜、平坦,利用FEI NOVA NanoSEM 450扫描电子显微镜对盐样进行观察, 并使用OXFORD X-Max (50 mm2)能谱仪进行能谱分析, 操作电压为20 kV。X射线粉晶衍射分析在中国地质科学院矿产资源研究所完成, 仪器型号为布鲁克D8 Discovery, 将粉碎至200目的盐样放置于深度为2 mm的样品槽, 压实后放入X射线衍射分析仪中扫描。X光源为铜靶/40 kV/40 mA, 探测器为LYNXEYE_XE_T (1D mode)一维探测器, 扫描方式为连续扫描, 每步扫描时间为 0.3 s, 扫描步长为 0.02°。

3 测试结果和分析

3.1 盐类矿物种类鉴定

对 10个钻孔固体盐样的薄片鉴定、SEM 及XRD分析共鉴定出12种盐类矿物, 分别为石盐、钾石盐、光卤石、杂卤石、水氯镁石、白钠镁矾、石膏、半水石膏、硬石膏、钾石膏、白云石和方解石, 其中钾盐矿物为杂卤石、光卤石和钾石盐。

3.2 矿物薄片鉴定

杂卤石多呈花瓣状(图3a)和纤维放射状(图3b)集合体, 发现杂卤石交代石膏、半水石膏(图3c)及少量石盐(图3d)的现象, 杂卤石在研究区分布极为广泛。光卤石在单偏光下呈灰白色(图3e), 晶体多呈5～50 μm的熔融状, 光卤石多以单颗粒形式赋存于石盐晶体溶洞中(图3f)或赋存在碎屑物中与杂卤石共生(图3g)。碳酸盐矿物主要为石膏和半水石膏,呈板状、菱板状(图3h), 主要与碎屑矿物共生, 极少数被杂卤石交代。

图3 矿物薄片镜下特征(e为单偏光; a、b、c、d、f、g为正交光)Fig. 3 Microscopic features of mineral thin slices(e is in plane polarized light; a, b, c, d, f and g are in perpendicular polarized light)

3.3 能谱扫描电镜分析

除研究区西北部(67–70勘探线)外的送检样品均发现杂卤石, 杂卤石呈片状(图4a)、纤维状(图4b)、粒状(图4c)、具石膏假象的毛毡状(图4d), 主要赋存在石盐晶间和碎屑物间, 少数赋存在石盐溶洞和溶缝中。发现极少数杂卤石交代半水石膏的现象(图4e)。杂卤石多与石盐、石膏、半水石膏、光卤石、钾石盐、水氯镁石等矿物共生。光卤石在研究区分布较为广泛, 为灰白色, 微晶矿物, 粒径普遍为5～50 μm。多呈他形粒状(图4f)、裂纹状(图4g)和熔融状(图4h)。光卤石多赋存在碎屑物间, 主要与钾石盐、杂卤石等矿物共生。钾石盐在研究区分布也较为广泛, 呈白色, 主要为微晶矿物, 粒径普遍为 3～10 μm, 大部分为自形-半自形立方单体(图4h)。多与光卤石、杂卤石和水氯镁石等矿物共生,少数与石盐共生。

图4 矿物扫描电镜特征Fig. 4 Characteristics of mineral scanning electron microscopy

通过能谱扫描电镜分析结果可知, 光卤石和钾石盐在研究区普遍分布, 但镜下观察含量较少。杂卤石多集中分布在研究区中部、东南部, 且镜下观察含量较多。

3.4 X射线粉晶衍射分析

杂卤石、光卤石和钾石盐的X射线衍射结果见表1。由 X射线衍射结果做出钾盐矿物的垂向分布图(图5)。

表1 X衍射粉晶衍射结果/%Table 1 Drillholes XRD result /%

图5 马海盐湖北部矿段西北—东南向钾盐矿物的空间分布(据X衍射结果)Fig. 5 Spatial distribution of potash minerals in northwest to southeast direction (according to XRD results)in the north ore section of Mahai Salt Lake

结合表1、图5可以看出, 光卤石在研究区分布较为广泛, 含光卤石石盐层总厚度为8.32 m。主要集中分布在西北部(67–70勘探线)的0.00—4.76 m矿层中, 含量多低于3%, 平均含量为5%; 其中在0.00—2.47 m处光卤石含量较高, 最大为20%。中部地区,仅在 4.00—4.30 m 和 5.30—5.55m 处发现光卤石,含量分别为3%和6%。东南部地区, 光卤石的分布较为分散且含量普遍较低, 平均含量为 5%, 仅在0.00—0.22 m处含量达到14%～22%。

杂卤石同样分布广泛, 含杂卤石石盐层总厚度为 13.75 m。杂卤石主要集中分布在中部、东南部(70-79勘探线), 平均含量分别为9%、6%。中部地区的 0.00—4.45 m、5.30—5.55 m 和东南部地区的0.10—5.46 m处普遍存在含杂卤石的石盐层, 含量较高, 多数大于3%。其中东南部地区的3.93—4.20 m处杂卤石含量最大, 为23%。西北部地区, 含杂卤石石盐层总厚度仅为 0.94 m, 且分布较为分散, 主要分布在1.93—2.47 m和8.55—8.80 m处。

钾石盐仅在 4个钻孔中发现, 含钾石盐石盐层总厚度为5.71 m。其主要集中分布在72勘探线的1.56—4.00 m、5.44—6.27 m 处, 含量较低, 仅在1.80—2.36 m 和 2.74—3.30 m 处含量为 5%～9%,其余均小于3%。西北部地区, 钾石盐分布较为分散,含量极低, 在ZK8-3孔的1.00—1.25 m处含量最高,为 6%, 其余均为 1%。而在东南部地区, 仅在ZK13-14孔的0.00—0.22 m和0.71—0.96 m处发现钾石盐, 含量分别为3%和1%。

4 钾盐矿物的成因机理

杂卤石(K2Ca2Mg(SO4)4·2H2O)是一种可溶性的钾盐与硫酸盐的复盐矿物, 在国内外硫酸盐型钾盐矿床中普遍存在。王弭力(1982)对硫酸盐型卤水蒸发实验时发现, 杂卤石在下列两种情况会析出:①在硫酸钙盐沉积阶段, 外来富K+、Mg2+卤水的介入; ②在硫酸钾镁盐沉积阶段, 外来卤水带入Ca2+和SO2–4。四川盆地的杂卤石普遍认为是后生交代成因(李亚文和韩蔚田, 1987; 潘忠华, 1988;宋鹤彬和荆博华, 1991; 赵艳军等, 2015), 由富K+、Mg2+的卤水与石膏、硬石膏发生水溶变质作用形成杂卤石, 其杂卤石常呈条纹状、浸染状、毛毡状、团块状、条带状、变余结构、具次生加大现象, 多赋存于硬石膏中, 部分产于石盐团块中。也有学者认为存在准同生阶段形成的原生杂卤石(黄建国,1998; 刘成林等, 2008; 林耀庭和许祖霖, 2009;Zhao et al., 2020), 在盐湖晚期-干盐湖阶段, 盐湖规模小、水浅、蒸发快、易受外来淡水影响。在钾、镁盐还尚未析出时, 富含K+、Mg2+的晶间硫酸盐型古卤水受到周期性的地表水淡水补给时, 引入 Ca2+和SO2–4后发生掺杂作用, 经历了强烈的蒸发和浓缩后, 沉淀出杂卤石集合体。原生成因杂卤石常呈绒球状、纤维放射状、花瓣状、板状、柱状、片状、它形粒状集合体(王淑丽和郑绵平, 2014; 牛雪等,2015; 仲佳爱等, 2018; 侯学文等, 2020)。

根据研究区杂卤石的赋存特征和微观组构, 绝大多数杂卤石为原生成因, 极少数为后生交代成因。原生成因的杂卤石呈片状、纤维状、粒状、纤维放射状集合体、花瓣状集合体, 多赋存在石盐晶间和碎屑物间, 少数赋存在石盐溶洞和溶缝中。后生交代成因的杂卤石, 与石膏、半水石膏等矿物共生, 呈浸染状和具石膏假象的毛毡状, 呈浸染状的杂卤石与石膏、半水石膏相互交织, 有明显的交代残余结构。

马海盆地湖盆的演化经历了上新世末以来的5次新构造运动的影响(魏新俊等, 1992), 多期的构造运动使马海盆地西南部的冷湖Ⅵ、Ⅶ号构造和小丘林构造及第三系相继形成水下隆起, 并持续抬升,盐盆在断裂构造的影响下相对下沉。在中更新世晚期, 由于持续的构造运动, 使得南八仙周边中下更新统褶皱, 第三系于不同地段逆冲至第四系中、下更新统之上, 北部山区相对上升, 使马海盆地与柴达木古盐湖完全分割独立。封闭盆地的形成和干冷气候, 湖水逐渐向东南退缩, 出现了大规模的干盐滩环境。晚更新世时, 由于阿尔金山不断的走滑-挤压, 使柴达木盆地中部发生规模巨大的隆升, 北部也不断的抬升(沈振区等, 1990; 魏新俊等, 1992; 宋春晖, 2006; 何照等, 2016)。马海地区已形成的背斜进一步隆升, 向斜更加沉陷, 使得成矿物质向矿区东南部集中, 来源于矿区东部的鱼卡河水系经过东南部的盐沼带发生沉积分异作用, 至德宗马海湖已演化成富 K+、Mg2+的硫酸镁亚型卤水(魏新俊等,1992)。矿区西北部、西南部分别受潜水和高盐度CaCl2型深循环卤水补给, 二者混合掺杂在牛郎织女湖群, 形成富 Ca2+的氯化物型卤水(魏新俊等,1993), 矿区北高南低, 西高东低的地势(王弭力等,1997), 使湖水和晶间卤水向德宗马海湖方向渗流,这些卤水在德宗马海湖西北侧与富K+、Mg2+的硫酸镁亚型卤水发生掺杂, 由于当时气候干冷(王弭力等, 1997; 宿星, 2006; 张玉淑等, 2014; 袁冶, 2015),马海盐湖急剧的收缩和浓缩, 便在德宗马海湖西北侧形成了含杂卤石的石盐层。杂卤石的沉积消耗了大量的 SO2–4, 随着晶间卤水的不断补给, 德宗马海湖西北侧的硫酸镁亚型卤水逐渐向氯化物型卤水演化。当时湖水很浅, 利于蒸发、浓缩, 为光卤石和钾石盐的沉积和富集创造了条件。这种卤水在向浓缩中心迁移的过程中, 略经蒸发、浓缩便可析出光卤石、钾石盐等盐类矿物。光卤石和钾石盐是在杂卤石析出后卤水进一步蒸发浓缩形成的, 其分布范围也比杂卤石要小。

由于杂卤石常与碎屑矿物共生, 矿层的孔隙度和给水度相对较小, 溶剂渗流速度慢且效果差, 必须尽可能的减小渗水渠的间距, 增加基础面积, 提高水溶开采的效率。

5 结论

(1)马海矿区北部矿段67–79勘探线全新统矿层中主要存在杂卤石、光卤石、钾石盐等钾盐矿物。杂卤石主要集中分布在 70–79线, 光卤石集中分布在67–70线, 钾石盐集中分布在72线。

(2)根据薄片鉴定和能谱扫描电镜观察, 发现杂卤石以原生为主, 呈片状、纤维状、粒状、纤维放射状集合体、花瓣状集合体与石盐、碎屑矿物共生。极少数杂卤石为后生交代成因, 呈浸染状和具石膏假象的毛毡状。光卤石呈熔融状、他形粒状、裂纹状, 与石盐、杂卤石、钾石盐等矿物共生。钾石盐呈自形-半自形立方单体, 与光卤石、杂卤石、水氯镁石等矿物共生。

(3)通过对钾盐矿物的赋存特征进行分析, 初步认为, 受上新世末以来多期新构造运动的影响, 矿区东南部的富 K+、Mg2+的硫酸镁亚型卤水与西北部、西南部富含Ca2+的氯化物型卤水发生掺杂作用,并在全新世中晚期干冷气候的影响下, 在研究区70–79勘探线干盐滩浅部形成了含杂卤石的石盐层。高盐度氯化物型卤水进一步经蒸发、浓缩后沉积了光卤石和钾石盐。

(4)需要根据杂卤石的赋存特征, 采取针对性的水溶开采措施。

致谢:野外地质调查和盐类矿物鉴定得到了中国地质科学院矿产资源研究所刘成林研究员、焦鹏程研究员、赵宪福博士的大力帮助; 能谱扫描电镜分析得到了中国地质科学院地质研究所施彬工程师的指导。在此表示感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by National Key Research & Development Program of China (No.2019YFC0605203), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. KK2119), and Qinghai Zhonghang Resources Co., Ltd. (No.zhzyb20210126-01).