古盐湖卤水温度对钾盐沉积的控制作用探讨

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1. 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;
2. Reservoir Quality Prediction, ConocoPhillips Company, Houston TX, 77079;
3. 中国地质大学, 北京 100083

2014-07-15 收稿, 2015-04-14 改回.

基金项目: 本文受国家重点基础研究计划"973"项目(2011CB403007)和国家自然科学基金项目(41302059)联合资助.

第一作者简介: 赵艳军,男,1982年生,副研究员,主要从事沉积学及流体包裹体地质学研究,E-mail:zhaoyanjun266@163.com

通讯作者: 刘成林,男,1963年生,研究员,博士生导师,主要从事钾盐矿床与盐湖沉积等研究,E-mail:liuchengl@263.net

摘要 : 古盐湖卤水的温度对钾盐沉积的控制作用的定量研究是钾盐成矿机理分析的重点和难点。本文分析和测试陕北盐盆奥陶系马家沟组、四川盆地三叠系嘉陵江组、云南兰坪-思茅盆地白垩系及老挝沙空那空盆地白垩系等八个含盐系的石盐岩中的流体包裹体,并利用均一温度计算了古盐湖的蒸发速率。若以老挝白垩纪时盐湖的蒸发速率为标准值100,陕北奥陶纪、四川三叠纪、云南白垩纪的蒸发速率标准值分别为54、68和90,而目前在老挝和云南白垩系都找到了一定规模的钾盐矿,因此高温(气温及水温)是盐湖成钾的有利条件,在卤水演化成钾的过程中可以起到重要的"催化"作用。关键词 : 盐湖古水温流体包裹体

1. MLR Key Laboratory of Metallogeny and MineralAssessment, Institute of Mineral Resources, CAGS, Beijing 100037, China;
2. Reservoir Quality Prediction, ConocoPhillips Company, Houston TX, 77079, USA;
3. China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Abstract : Quantitative study on the controls of paleo-temperature on potassium salt precipitation in ancient lakes is key to understand potash formation. This paper measured the homogenization temperature of fluid inclusions within halite minerals from eight paleo-salt deposits, including the Ordovician Majiagou Formation in northern Shaanxi salt basin, the Triassic Jialingjiang Formation in Sichuan basin, the Cretaceous strata in both Lanping-Simao and Sakon Nakhon basins, etc. Homogenization temperature values were then used to calculate the evaporation rate of those marine saline lakes. Assume the evaporation rate of the Laos saline lake during the Cretaceous to be as standard 100, the evaporation rate of the northern Shaanxi salt basin, Sichuan basin, Lanping-Simao basin were 54, 68, and 90, respectively. In basins Laos and Yunnan with high evaporation rate, large quantities of potash salt mines have been discovered. Therefore, it can be concluded that high temperature (air temperature and water temperature) conditions are favorable for potassium salt precipitation in saline lakes, and high-temperature may serve as catalytic role for the precipitation of potassium out of saline lake waters. Key words : Paleotemperature of lake water Potassium salt Fluid inclusions 长期以来，对盐湖成盐期的古水温与成钾的关系主要以定性描述为主，很少有定量研究开展，特别是国外稳定的克拉通背景下形成的大型海相成钾盆地，构造环境比较稳定，有利于盐盆地湖水的持续蒸发浓缩，因此对古水温条件的要求不是很苛刻，然而中国由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的( 任纪舜，1994 ; 翟明国和卞爱国，2000 ; 郑绵平等，2010 ; 翟明国，2013 )，这与世界上目前发现的大型钾盐矿床大都产出于大型-巨型克拉通盆地中相比有天然劣势。特别是沉积盆地大都经历了复杂的大地构造演化，呈“非稳定态”(刘成林等，2012 ^① )，提高了成钾的门限，对于成钾作用和后期变化造成复杂的影响。特别是笔者在研究中国主要成盐成钾盆地含盐系地层的过程中陆续发现，无论是陆相还是海相盐盆地，频繁淡化-浓缩的韵律层都非常发育，是否由于持续干旱的时间较短，而浓缩速率不够快而导致盐湖在没有达到钾盐沉积门限前就再次淡化，而古卤水蒸发不够强烈，可能与古温度或卤水温度相对较低有关。为此，我们对国内外主要成盐成钾盆地石盐岩中流体包裹体的均一温度进行了研究，期望能够用定量的方法揭示古水温在成盐成钾中的作用和意义。

^① 刘成林等. 2012.《中国陆块海相成钾规律及预测研究》973项目中期报告 1 古水温研究的重要意义

含盐系中一套成因上有联系的地层，在剖面上有规律的重复，每一套重复的岩层称为一个韵律( 刘群等，1987 )。盐岩层的韵律结构是成盐期古地理和古气候格局及演变的产物。虽然盐湖的演化都经历了发生、发展到消亡的过程，但由于古地理条件和古气候环境的不同，不同含盐系“淡-咸-淡”变化的频率和韵律层的厚度明显不同。无论是陆相、海陆交互相还是海相成盐环境，发育频繁淡化-浓缩形成的竹节状薄夹层的“年轮”是中国含盐系的重要特征( 图 1 )。不仅陆相的渤海湾盆地束鹿凹陷古近系沙河街组和江汉盆地江陵凹陷新沟嘴组的盐岩层发育明显的“年轮”，单个韵律层的厚度通常为几厘米至十几厘米，即使是在构造环境相对稳定、盆地规模较大的陕北奥陶系的马家沟组、四川盆地三叠系嘉陵江组“年轮”也极为常见，仅在局部层段见厚度超过几十厘米纯石盐岩，但其中亦发育一些代表淡化事件的泥质或膏质团块。淡化事件的频繁发生，是影响盐湖演化至浓缩程度较高的钾镁盐析出阶段的主要原因之一。

图 1 中国典型成盐盆地钻孔岩芯中的“竹节状”构造 Fig. 1 The “bamboo-like” texture within salt in the typical salt basins in China 在现代里海的卡拉波兹海湾，随着海水的不断浓缩，从石盐开始析出至钾石盐和光卤石析出经历了16年的时间( 朱洪发和刘翠章，1985 )，若要形成厚层钾石盐矿则肯定需要更长时间。考虑到中国“小陆块”和“小盆地”频繁淡化的特殊条件，若要形成厚层钾盐矿床，必须提高蒸发速率，显然古水温越高，越有利于短时间内使湖水浓缩至钾盐析出阶段。

2 样品来源及测试方法

为了对比不同类型和不同成盐阶段(析出石盐、少量钾镁盐和形成钾矿等)成盐盆地，将渤海湾盆地束鹿凹陷古近系沙河街组、陕北奥陶系马家沟组、四川盆地三叠系嘉陵江组、云南兰坪-思茅白垩系、塔里木盆地寒武系、青海柴达木盆地现代盐湖( 图 2 )、老挝沙空那空盆地白垩系和美国新墨西哥Delaware盆地二叠系共八个含盐系的石盐岩样品进行了流体包裹体均一温度分析。束鹿凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷南部，古近系沙河街组一段发育厚层石盐岩；陕北奥陶系马家沟组五段厚层石盐岩中普遍发育钾盐矿物，并有薄层钾石盐( 刘群等，1997 )；四川盆地东部三叠系嘉陵江组四段石盐岩中含大量杂卤石，扫描电镜下疑似见微量钾石盐；云南兰坪-思茅盆地白垩系勐野井组赋存目前我国唯一的固体钾盐矿床，样品来自勐野井钾盐矿矿层中的石盐岩；塔里木盆地寒武系发育厚层石盐岩，样品来自钻井的石盐岩芯；青海柴达木盆地现代盐湖中发育晶形完好的石盐；老挝沙空那空盆地白垩系和美国新墨西哥Delaware盆地二叠系都发育巨型固体钾盐矿床。其中束鹿凹陷、柴达木盆地是陆相盐湖，其它盆地成盐期沉积环境为海相或海陆交互相。沙空那空盆地的样品采集自他曲地区钻孔中MahaSarakham组含盐层系。沙空那空盆地位于呵叻高原北部，属东印板块北部。盆地南、西、北部分别为柬埔寨、南乌江、湄公河深大断裂所控制，构成一个独特的长期稳定持续下降的坳陷带( 李善平等，2009 )。沙空那空盆地有光卤石和钾石盐两种矿石类型，远景KCl储量达335.55×10 ⁸ t( 钱自强等，1994 )。新墨西哥钾盐矿床主要分布在Delaware盆地北部。在Ochoa组沉积之时，海水由西南方向补给，可溶性钾盐沉积在盐盆地的北部背水方向近陆地区，主要钾盐矿床类型为杂卤石和钾石盐( Lowenstein，1988 )。

图 2 本文国内研究样品分布的盆地位置 Fig. 2 The location map showing the distribution of samples in China 目前，通常认为石盐中原生流体包裹体主要包括形成于水体表面的漏斗晶中的平行包裹体条带(显微镜下常与宿主矿物形成明暗相间的条带，暗色的为包裹体群)和在水底形成的“V”形晶中的包裹体条带，两种晶体中原生单一液相包裹体的均一温度都能够反映成盐期古水温的特征及变化( Roberts and Spencer， 1995 ; Lowenstein et al ., 1998 ; Benison and Goldstein， 1999 ; Roedder，1984 ; 孟凡巍等，2011 ; Meng et al ., 2013 ; Zambito et al ., 2013 ; Zhao et al ., 2014 )。为了避免流体包裹体片制备时切割和打磨抛光过程改变了石盐包裹体的原始温度信息，样品的处理参考 Benison and Goldstein(1999) 的方法，首先选取晶形较好的石盐岩颗粒，用小刀沿解理面切开，获得厚度约0.5~1mm的石盐解理片。对这些解理片在显微镜下观察照相，重点记录原生的和成岩早期重结晶形成的流体包裹体的产状和形态，对单一液相包裹体重点照相。然后用塑料自封袋封号，放进密封性好的塑料盒内，并放入干燥剂进行保护，以备均一温度测试使用。参照国外已经成熟的工作方法( Benison and Goldstein， 1999 )及实际条件，首先将已经准备好的石盐解理片在冰箱中冷冻约1周(冰箱内温度通常稳定在-15~-10℃左右，本次实验冰箱冷冻温度为-18℃)，待单一液相包裹体冷冻成核出现气泡后开展均一温度的测试。本次实验样品均一温度的测试均使用Linkam公司生产的THMSG600型冷热台完成，均一温度的测试采用0.5~1℃/min的升温速率，在接近均一时降至0.2~0.1℃/min。

3 测试结果

对国内外八个盆地石盐岩样品中漏斗晶或“V”形晶中的原生单一液相流体包裹体进行了均一温度分析，其中沙空那空盆地、Delawarep盆地、四川盆地和束鹿凹陷盐层石盐岩中两类包裹体共生，其它盆地石盐中只发育漏斗晶中常见的累积条带状包裹体群，虽然与古气候的关系还有待研究，但可以准确标定成盐期的古水温( 图 3 )。八个盆地石盐岩中流体包裹体均一温度的测试结果为：老挝沙空那空盆地白垩系MahaSarakham组石盐岩测试数据共64个，均一温度最小值21.9℃，最大值62.1℃，平均值40.9℃；美国新墨西哥Delawarep盆地二叠系Ochoa组钾盐矿床中石盐岩的流体包裹体均一温度测试共获得6个有效数据，最小值35.3℃，最大值48.7℃，平均值42.5℃；陕北奥陶纪盐盆地230个包裹体均一温度的最小值为14.1℃，最大值为47.8℃，平均值为27.9℃；云南勐野井石盐岩样品中共获得20个有效数据，流体包裹体均一温度最小值为21.1℃，最大值为59.0℃，平均值为38.3℃；四川盆地三叠系石盐岩中共获得68个有效数据，均一温度最小值为17.7℃，最大值为62.9℃，平均值为27.9℃；塔里木盆地寒武系石盐岩中共获得14个有效数据，均一温度最小值为18.0℃，最大值为25.2℃平均值为22.0℃；束鹿凹陷古近系沙河街组石盐岩流体包裹体均一温度有效数据121个，均一温度最小值17.7℃，最大值50.7℃，平均值为38.6℃。青海柴达木第四纪盐湖石盐岩流体包裹体均一温度有效数据15个，均一温度最小值17.9℃，最大值38.2℃，平均值为34.0℃( 图 4 )。

	图 3 主要盐盆地石盐岩中的流体包裹体 (a)云南思茅盆地白垩系石盐岩中的流体包裹体；(b)陕北盐盆地奥陶系马家沟组石盐中的流体包裹体；(c)四川盆地三叠系嘉陵江组与杂卤石共生的石盐岩中的流体包裹体；(d)老挝沙空那空盆地白垩系MahaSarakham组石盐岩中的流体包裹体 Fig. 3 Photomicrographs showing primary fluid inclusions within halite minerals 从8个盆地石盐岩流体包裹体的最高均一温度来看，沙空那空盆地白垩系和四川盆地三叠系石盐岩最高，分别为62.1℃和62.9℃，明显高于其它盐盆地；其次是云南勐野井白垩系石盐岩样品，流体包裹体最大均一温度为59.0℃。目前，在沙空那空盆地和云南勐野井两个地区目前都发现了固体钾盐矿床，尤其老挝盐盆钾盐达到巨型规模。从这点分析，高温明显有利于钾盐矿床的形成，四川盆地三叠系虽然还没有发现大规模的可溶性固体钾盐，但杂卤石和富钾卤水的形成显然也是盐湖卤水高强度蒸发浓缩的结果，并且四川盆地三叠系石盐岩流体包裹体均一温度的平均值较其它两个盆地明显要低，表明其古水温变化范围较大。美国Delaware盆地石盐岩包裹体的均一温度最高为48.7℃，仍然可以形成大规模的固体钾盐矿床，由于Delaware盆地样品有限，获得的数据较少，从其均一温度分布来看，虽然最大值比老挝沙空那空盆地白垩系石盐岩要低13.4℃，但与其它盐盆地中石盐岩相比，包裹体的均一温度主要集中分布在高温区，因此长期持续高温和短期极端高温(比如沙空那空盆地高达62.1℃)是成钾的有利条件。在中国“非稳定态”构造环境下，极端高温有利于盐湖卤水的浓缩，缩短从成盐至成钾的时间间隔。以中国典型的海相盐盆地陕北奥陶纪盐盆地为例，其是中国陆块上最稳定的构造单元( 张永生等，2013 )和最典型的海相盐盆之一，具有宽阔的预备盆地( 刘群等，1997 ; 陈文西和袁鹤然，2010 )和相对封闭的古地理条件，而且在已有的勘探实践中不仅发现了钾石盐、光卤石和钾铁盐等钾盐矿物，且在榆9井中发育厚度4cm的薄钾石盐层( 刘群等，1997 )，钻井及地震资料的研究表明在马家沟组五段六亚段沉积期，盆地总体表现为“两坳夹一隆”的构造样式( 张永生等，2013 )，且盆地内部存在受同沉积断裂控制的、相对活动的次级盐凹，这些次级盐凹的存在为富钾卤水的进一步汇聚成矿提供了足够的可容空间和有利的构造凹陷，具备了有利于大规模成钾的古构造条件( 郑绵平等，2010 ; 张永生等，2013 )。然而，尽管盆地石盐岩的远景储量推算可达6万亿吨( 刘群等，1997 ; 黄建松和李智民，2001 )，但除薄层(4cm)钾石盐外，仅有一些钾盐矿化段发现。若按照含盐系中各盐类厚度的理论比例，NaCl应是KCl的7.7倍( 朱洪发和刘翠章，1985 )，显然目前马家沟组发现的钾石盐的总量远小于这个比例，是什么原因导致在具备成钾的古构造、物源和古地理等条件的情况下未能形成规模的钾盐矿一直是勘探家们研究的核心问题。为了使盐湖成盐期古水温在中国陆块海相盆地成钾过程中的作用更形象和定量化，利用四川盆地三叠系、云南兰坪-思茅盆地白垩系、老挝沙空那空盆地白垩系和陕北奥陶系石盐岩流体包裹体均一温度的测试数据，以彭曼公式①为依据( Linacre，1977 )粗略计算了不同水温和古纬度条件下湖水的蒸发速率。公式①中，Tm=T+0.006h，h是海拔，T是平均温度，A是纬度，而Td是平均露点。考虑到四个盆地都是海相或者海源陆相成盐盆地，其海拔与海平面相差不大，且获得古代盐盆地的精确海拔比较困难，取Tm=T，(T-Td)的值通过公式②( Linacre ，1977)计算：公式②中，R是平均日温度变化幅度，Rann是最冷和最热的月份平均温度的差值。虽然在现代盐湖中可以通过长期对湖水温度的检测获取这两个温度值，但古代盐湖获取以上两个温度变化值则极为困难。为此，R和Rann的值在本次计算中均采用流体包裹体测试结果中最大值和最小值的差值来代替，以获得粗略的蒸发速率。四川盆地三叠纪、云南兰坪-思茅盆地白垩纪、老挝沙空那空盆地白垩纪和陕北奥陶纪的古纬度分别取值为26°N( 姜枚等，1987 )、23°N( Sato et al ., 2007 )、16.3°N( Charusiri et al ., 2006 )和17°S( 陈旭等，2001 ; 万天丰，2003 ; 陈文西和袁鹤然，2010 )，计算结果见表 1 。地区地层	最低 T h (℃)	最高 T h (℃)	平均 T h (℃)	古纬度 (°)	E ₀ (mm·day ^-1 )
四川三叠系	17.7	62.9	27.9	26N	16.35
云南白垩系	21.1	59	38.3	23N	21.52
老挝白垩系	21.9	62.1	40.9	16.3N	23.94
陕北奥陶系	14.1	47.8	27.9	17S	12.89

表 1 主要海相盐盆地古盐湖气水界面蒸发速率计算表 Table 1 The gas-water interface evaporation rate calculation of the main marine salt basin 中国东海( 陈郁华，1983 )和南海( 宋鹤彬和李亚文，1994 )海水的恒温蒸发实验表明，在石盐大量沉积阶段，卤水体积约为原始体积的1/20，而钾石盐沉积时约为原始体积的1/171(东海)和1/135(南海)。而四川三叠纪、云南白垩纪和老挝白垩纪时盐湖的蒸发速率分别是陕北奥陶纪的1.27倍、1.67倍和1.86倍，云南白垩纪和老挝白垩纪时盐湖的蒸发速率分别是四川三叠纪的1.32倍和1.46倍。若以老挝白垩纪时盐湖的蒸发速率为标准值100，陕北奥陶纪、四川三叠纪、云南白垩纪的蒸发速率标准值分别为54、68和90，假设物源条件基本相当(全部为海源)，要沉积老挝白垩纪钾盐盆地相当的钾盐矿，则强烈浓缩蒸发的气候条件需要持续的时间要分别达到老挝白垩纪时期的1.85倍、1.47倍和1.11倍。陕北奥陶系马家沟组石盐岩中普遍含微-少量钾石盐，并发育薄层的钾石盐层，显然，由于陕北奥陶纪盐盆地构造环境相对稳定，但其蒸发速率比云南和老挝白垩纪低，成钾条件相对差一些，但是，如果短期内出现高温气候，将能够极大的缩短盐湖水浓缩至钾石盐析出的时间，使卤水在淡化事件来临前有足够的时间沉积厚层钾石盐。

而四川三叠系嘉陵江组石盐岩中发现大量杂卤石，并有硬石膏与杂卤石并存，杂卤石的沉积是卤水蒸发浓缩至钾离子含量较高，富含硫酸根和钙离子的盐度较低的卤水补给盐湖形成的。杂卤石形成的实验研究( 韩蔚田等，1982 )表明饱和溶液的水量在1000~1200M之间，当稀释到1400~1700M时，仍能形成杂卤石，当水量超过1700M时，出现石膏与杂卤石两种矿物共存。因此，淡化事件对嘉陵江期盐湖卤水浓缩程度的影响也是非常明显的，加之其蒸发速率(相对老挝白垩纪标准值100，其为68)较已形成固体钾盐矿床的老挝和云南白垩系偏低，但是，如果一些次级盆地封闭性较好，也有形成固体钾盐矿的可能。

渤海湾盆地束鹿凹陷古近系沙河街组、陕北盐盆奥陶系马家沟组、四川盆地三叠系嘉陵江组、云南兰坪-思茅盆地白垩系、塔里木盆地寒武系、青海柴达木盆地现代盐湖、老挝沙空那空盆地白垩系和美国新墨西哥Delaware盆地二叠系共八个含盐系的石盐岩样品进行了流体包裹体均一温度分析。结果显示，老挝白垩系、四川三叠系、云南白垩系均一温度最高，四川盆地赋存有大量杂卤石和富钾卤水，其它两个盆地均发育固体钾盐矿床，表明高温有利于加快卤水的浓缩速率，缩短钾盐析出的时间，有利于在中国陆块规模小和相对“破碎”的海相盐盆环境中形成钾盐沉积。

利用石盐岩流体包裹体均一温度的测试数据计算了重点海相盐盆地古盐湖时期湖水的蒸发速率。若以老挝白垩纪时盐湖的蒸发速率为标准值100，陕北奥陶纪、四川三叠纪、云南白垩纪的蒸发速率标准值分别为54、68和90，假设物源条件基本相当(全部为海源)，若沉积与老挝白垩系相当的钾盐矿，则强烈浓缩蒸发的气候条件需要持续的时间要分别达到老挝白垩纪盐湖蒸发时间的1.85倍、1.47倍和1.11倍。显然，高温(气温及水温)是盐湖成钾的有利条件之一，有利于缩短盐湖浓缩至钾盐析出的时间间隔，避免卤水在还未达到析出钾石盐前就受淡化事件的影响而退化，在卤水演化成钾的过程中可以起到重要的“催化”作用。