蒸发岩盆地杂卤石成因及找钾意义①

孙宏伟 曹养同 张 华

1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京，100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京，100037

蒸发岩盆地杂卤石成因及找钾意义①

孙宏伟*1曹养同2张 华2

1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京，100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京，100037

全球大型杂卤石矿床主要分布在二叠纪、三叠纪以及古近纪-新近纪这三个时期的地层中,并集中在北纬20～50°之间，我国正处于这一富集区内。由于杂卤石较其他含钾矿物溶解度低，因此常常被保留下来，为寻找可溶性钾盐或富钾卤水提供了有利线索。通过分析杂卤石成因类型并结合海水演化特点认为蒸发岩盆地杂卤石成因主要有两种：①原生沉积，但需要一定附加条件，即盐湖浓缩到硫酸钾镁盐沉积阶段时有外来钙离子的补给，或在硫酸钙盐沉积阶段有外来钾镁离子的补给，主要以前者为主；②后生交代，富钾镁的卤水通过构造裂隙运移并与石膏（或硬石膏）接触发生交代作用形成杂卤石。

杂卤石 成因 原生沉积 准同生交代 后生交代

杂卤石是一种含钾的复盐矿物，国内外几乎所有的硫酸盐型钾盐矿床中都有杂卤石的出现【1～6】。钾肥是重要的农业肥料，但作为农业大国的我国钾资源严重不足，是大宗紧缺矿产之一【7】，寻找大型钾盐矿床迫在眉睫。国外大型钾盐矿床的发现多数是从含钾线索开始的，即从石油和石盐岩矿勘查过程中发现的含钾信息和线索开始，而钻井过程中可溶性钾盐常常溶解无法保留，但与其他可溶性钾盐共生的杂卤石由于溶解度较低因而可以很好的保留下来，为寻找可溶性钾盐矿了提供线索【7，8】。杂卤石也是一种可以利用的钾盐资源，可直接作为复合钾肥使用，因此，发掘利用好杂卤石资源将会有效的缓解我国钾资源紧缺的现状。

虽然对杂卤石的研究很多，但直到现在，关于杂卤石的成因说法不尽相同，本文通过分析杂卤石成因类型并结合海水成分演化规律认为杂卤石的成因主要有两种:一是原生沉积，但需要有外来特定成分溶液进行补给，即盐湖浓缩到硫酸钾镁盐沉积阶段时有外来钙离子的补给（或在硫酸钙盐沉积阶段有外来钾镁离子的补给）；二、为后生交代，富钾镁的卤水通过构造裂隙运移并与石膏（或硬石膏）接触发生交代作用形成杂卤石。通过研究其成因希望为以后寻找新的杂卤石矿床及进一步寻找可溶性钾资源提供参考。

1 全球杂卤石矿分布概况

杂卤石在世界的分布具有明显的规律性。据统计，全球大型杂卤石矿床集中分布在二叠纪、三叠纪以及古近纪—新近纪这三个时期的地层中（表1），并且集中出现在北纬20～50°之间，我国正好处于这一杂卤石富集带中，寻找杂卤石资源的潜力是十分巨大的【6，9】。

2 杂卤石的成因机理

自20世纪初杂卤石被发现以来，国内外很多研究者都对其进行了研究，但关于杂卤石的成因有多种不同的看法： Peryt等认为波兰蔡希斯坦杂卤石矿床是后期蒸发浓缩形成富钾镁卤水交代硬石膏形成【10】；德国施塔斯富特的钾盐矿中的杂卤石主要是变质作用形成的，少量是由于钾盐层的表生作用形成的【5】；罗布泊盐湖以及湖北潜江凹陷的杂卤石是由于卤水在沉积钾镁盐阶段外界注入钙离子形成的【4，11】；四川盆地是我国最早发现杂卤石的地区，因此对其成因研究较多，李亚文、潘忠华等认为，该区杂卤石是溶滤了盐层的富钾卤水交代石膏（或硬石膏）反应所形成【12】；黄宣镇提出两种看法，第一，浅水盆地中的残余卤水与石膏发生同生交代作用，第二，膏坪汇流水与残余浓缩卤水混合蒸发沉积；林耀庭等则认为，杂卤石是外来富钾含镁卤水交代硬石膏所形成【13～15】。由上述讨论可见，关于杂卤石成因的认识有三种：①交代成因，即富钾镁卤水交代石膏及硬石膏；②原生沉积形成，即盐湖浓缩到硫酸钾镁盐沉积阶段时有外来钙的补给（或在硫酸钙盐沉积阶段有外来钾镁的补给）；③准同生交代，较早沉淀的硬石膏（或石膏）与继续浓缩而含K 、Mg 较高的浓卤水反应而形成的杂卤石。

表1 世界杂卤石主要分布范围及时代Table 1 The polyhalite main distribution range and time in the world

2.1 杂卤石形成的物理化学条件

早在20世纪60年代瓦里亚什科夫等就通过实验确定了25、55、83℃条件下，钾镁盐饱和溶液中杂卤石的析出区域【16】。为了补充钾镁盐不饱和溶液中杂卤石的形成条件，韩蔚田等从正反两个方向对钾、镁盐不饱和溶液中杂卤石的形成进行实验，并通过实验证实了富钾镁的浓卤水可以与石膏反应形成杂卤石【1】。谷树起等也通过向人工配置的K+、Mg2+、Ca2+、Na+/Cl-、SO42-饱和溶液体系中加入石膏晶粉，得到了杂卤石的相区，并再次证实杂卤石可以通过石膏与浓卤水反应形成【17】，基本弄清了杂卤石形成的物理化学条件，得到了杂卤石的析出相区（图1）：①15℃时杂卤石相区极小，位于泻利盐和钾石盐共饱线附近;②随着温度增高，杂卤石相区扩大，35℃时已占有部分硫镁矾、光卤石、钾盐镁矾、白钠镁矾、钾镁矾、钾石盐等相区。55℃ 时杂卤石相区明显向耶奈克图上2K 端元扩大，已扩展到大部分钾石盐相区和部分钾芒硝相区。因此，温度增高有利于杂卤石的形成;③常温条件下（25℃），杂卤石相区主要位于耶奈克图上富镁的一角。

图1 杂卤石析出区域随温度的变化图（赵德钧等，1987）Fig.1 Polyhalite precipitation area with temperature variation （from Zhao D J，1987）

前人通过自然蒸发与人工配置特定溶液实验研究证明：①杂卤石形成的温度在13 ℃ 以上，在25～35℃ 的常温条件下，在耶奈克三角图中富镁的一角杂卤石有着相当大的析出区域，这也说明在硫酸盐型卤水的蒸发过程中杂卤石是可以普遍存在的。②卤水蒸发后期钾镁浓缩到一定程度后，如有钙离子的注入可以形成原生沉积的杂卤石。③杂卤石可以由石膏与富钾镁卤水反应形成。

2.2 杂卤石成因机理分析

综合国内外近些年的研究发现，关于杂卤石的形成目前主要有三种观点：原生沉积形成、准同生交代形成、后生交代形成。

2.2.1 原生沉积 根据盐类矿物结晶原理及易溶易变的特征，王弭力将湖底沉积阶段，即成岩期前形成的矿物称为原生沉积形成的矿物【11】。其主要特征为①层位稳定，厚度仅几毫米的杂卤石却可以延伸十几公里且均出现在相同的层位中。②具有一系列典型的原生沉积结构，有的杂卤石质很纯，自形晶很常见也没有交代现象。③溴氯系数呈稳定、正常值，潜江凹陷中杂卤石出现层位的溴氯系数值很稳定，且基本都在0.20以上，这些现象都说明杂卤石是通过原生沉积形成的【2，5，11】。

作为硫酸钙盐与硫酸钾镁盐复盐的杂卤石其形成是十分困难的，即当卤水达到硫酸钙饱和时，因钾、镁远没有饱和，只能析出石膏之类的硫酸钙盐矿物，而当卤水达到钾镁盐沉积阶段时，又因缺钙（大量的钙在硫酸钙盐沉积阶段早已析出）仍不能形成以杂卤石为主的钾镁盐沉积，这也是为什么至今也未能通过卤水自然蒸发得到杂卤石的原因。不过，在某一阶段有外来溶液的注入将会让杂卤石的原生沉积变为现实，比如在硫酸钙盐沉积阶段有富含钾镁的浓卤水注入，或者在硫酸钾镁盐沉积阶段有钙离子的加入。可以说，杂卤石是可以通过原生沉积形成，但需要一定的外部条件。

2.2.2 准同生交代 准同生交代是指自析盐湖中较早沉淀的盐类与进一步浓缩的卤水之间起反应而发生的交代作用，也就是较早沉淀的硬石膏（或石膏）与继续浓缩而含K 、Mg 较高的浓卤水反应而形成的杂卤石【5】。

准同生交代说认为交代作用发生于盐湖自析阶段，交代物质也是盐湖发展过程中产生。现实矿床中杂卤石具有一定层位却又不固定在某一层位，甚至杂卤石层既有广泛的交代现象而又有清晰的层面，有的甚至切穿了层面，前人已经通过实验证明含K 、Mg 较高的浓卤水和硬石膏接触，可以把硬石膏转变为杂卤石，这些现象都为准同生交代说提供了可靠的依据【1，2，5，17】。

2.2.3 后生交代 后生交代形成杂卤石主要是指成岩作用以后经过外来溶液的交代作用而形成的【2，5】。认为杂卤石是后生交代形成的依据主要有：①大部分杂卤石没有原生的纹层，而是普遍发育有交代现象，有的还保留有原晶的假象或其原有的构造，主要交代早期沉积的石膏、硬石膏、石盐等【11】。②一些杂卤石呈团块状、不规则条带状、浸染状分布于硬石膏岩之中，两者界线不明显，呈过渡关系。③前人已经通过海水蒸发实验证明杂卤石不能在海水蒸发的任何阶段大量沉淀，王弭力等也用浓卤水做自然蒸发实验，并未发现有杂卤石沉积，而交代形成的杂卤石则早已有实验证明的【5，11】。

2.3 海水演化与杂卤石的形成

海水成分在整个地质过程中并非一成不变，而是经过了“方解石海”和“文石海”的交替，不同的海水化学决定了不同的蒸发岩沉积序列及不同时期的矿物组合【18】。因此，全球海水组成的变化与世界海相盆地成钾作用有一定的相关性，作为蒸发岩矿物，杂卤石的形成跟海水成分的变化也应该有着密切的关系。杂卤石的富集时期主要集中在二叠纪、三叠纪、古近纪—新近纪这三个时期【9】，而这三个时期都处在海水中Ca2+相对低Mg2+相对高的“文石海”时期（图2），实验已经证明，海水自然蒸发到后期之所以不能形成杂卤石主要是因为Ca2+的含量不够，而矛盾的是杂卤石大量形成的时期却是全球海水Ca2+含量低的时期，这不得不引起我们的注意，也对杂卤石的成因的研究提供了一条新的佐证，杂卤石的原生沉积是需要一定的外部条件的，即盐湖蒸发到钾镁富集阶段有外来的钙离子补充才能生成杂卤石。

图2 世界各地质时代海水部分离子成分变化和蒸发岩组合（引自Lowenstein T K，2001）【19】Fig.2 The assemblage of evaporates and scawater chemistry in geological times（from Lowenstein T K，2001）

通过对杂卤石矿成因以及海水演化分析，笔者认为杂卤石的成因主要有两种：①原生沉积，但需要一定外部条件，即盐湖浓缩到硫酸钾镁盐沉积阶段时有外来钙的补给（或在硫酸钙盐沉积阶段有外来钾镁的补给）；②后生交代，富钾镁的卤水通过构造裂隙运移并与石膏（或硬石膏）接触发生交代作用形成杂卤石。

3 杂卤石的找钾意义

由于杂卤石的溶解性差，加上其特有的成因机理，可以说杂卤石是硫酸盐型碎屑盆地卤水蒸发浓缩过程中最先形成最后消失的钾盐矿物，因此杂卤石能够提供富钾信息，为寻找可溶性钾盐或富钾卤水提供线索。杂卤石与可溶性钾盐层或富钾卤水主要有以下几种关系：

（1）杂卤石的出现说明卤水中富集了一定数量的钾、镁，在构造、气候等条件符合的条件下，进一步浓缩可以形成可溶性钾盐矿或富钾卤水。也就是说，不管其成因如何，杂卤石的出现就说明盆地中有出现可溶性钾盐矿物的可能。

（2）杂卤石的层位范围和分布面积比可溶钾盐层更广。横向上，杂卤石应富集在盆地边缘陆源水补给较多或海水进入的方向；纵向上，可溶性钾盐层一般比较薄，其层位多处在杂卤石层之上。

（3）对在盆地蒸发沉积硫酸钾镁盐阶段时受外来含钙的淡水补给影响形成的杂卤石其对找钾的意义应进一步考虑。主要分两种情况，一是受淡水影响盆地可能始终未能浓缩到沉积可溶性钾盐的阶段，二是在杂卤石层厚度变小且碎屑颗粒比较小的区域为寻找可溶性钾的有利区域，可见，杂卤石的出现对寻找可溶性性钾盐矿物也是有利有弊的。

4 结论

（1）杂卤石的成因理论上有三种:原生沉积、准同生交代、后生交代，通过对杂卤石矿成因以及海水演化分析，笔者认为杂卤石的成因主要有两种：①原生沉积，但需要一定外部条件，即盐湖浓缩到硫酸钾镁盐沉积阶段时有外来钙的补给（或在硫酸钙盐沉积阶段有外来钾镁的补给），②后生交代，富钾镁的卤水通过构造裂隙运移并与石膏（或硬石膏）接触发生交代作用形成杂卤石。

（2）杂卤石产出的地质时代主要集中在二叠纪、三叠纪以及古近纪—新近纪，这几个时期在地质历史中均属于海水中Ca2+相对较低Mg2+相对高的“文石海”时期，实验已经证明海水自然蒸发无法形成杂卤石主要是海水浓缩到富钾镁阶段时钙离子的含量不够造成的，可见杂卤石的原生沉积必须要有外来溶液的掺杂.虽然除二叠纪外杂卤石大量产出的时代并非世界钾盐大量富集的时期，但却不可否认杂卤石在对寻找可溶性钾资源的帮助，至少杂卤石的出现就说明，卤水已经浓缩到了富钾镁的阶段。

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THE GENESES OF POLYHALITE IN EVAPORITE BASIN AND THEIRSIGNIFICANCE IN POTASH FORMATION

Sun Hongwei1Cao Yangtong2Zhang Hua2
1．School of Earth Science and Resources ，China University of Geosciences，
Beijing 100083，China 2.Institude of Mineral Resources ，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

Polyhalite is a double salt of magnesium and potassium mineral，They abundantly distributed in rock salt formations，but has obvious regularity，the world's large Polyhalite ore deposits are mainly distributed in the Permian，Triassic and Paleogene-Neogene in strata in the three period，and focus between 20°to 50 ° north latitude，our country is in this enrichment stripe. Due to polyhalite than other potassium mineral solubility is low，so often be preserved for soluble potassium or rich brine potassium provide clues. At present，there are three kinds of polyhalite causes： primary sedimentary，penecontemporaneous metasomatism，epigenetic metasomatism. through the analysis of polyhalite genetic types and combining with the characteristics of evolution of seawater，I think its cause mainly has two kinds： first，primary sedimentation，but need some additional conditions ，the salt concentration to potassium and magnesium salt phase have external calcium ion to supply （or the calcium sulfate salt deposition phase has a foreign supply of Mg and K rich brines）; Second，epigenetic metasomatism.the percolation of Mg and K rich brines through the gypsum layer occurs metasomatism.

polyhalite，geneses，primary sedimentary，penecontemporaneous metasomatism，epigenetic metasomatism

P578.73:P619.211

A

1006–5296（2014）01–0008–05

① 国家“十二五”科技支撑课题“塔里木与中亚盆地成钾对比研究及其资源潜力评价”（2011BAB06B06）资助

* 第一作者简介：孙宏伟（1986～），男，矿物学、岩石学、矿床学专业，硕士

2013-12-10；改回日期：2014-03-04