探索中国陆块找钾①---中国东特提斯域成钾作用及模式

刘成林宣之强曹养同王立成王春连赵艳军张华

1 中国地质科学院矿产资源研究所，北京　100037

2 中化矿山总局地质研究院，河北涿州 072754

地质·矿床

探索中国陆块找钾①
---中国东特提斯域成钾作用及模式

刘成林*1宣之强2曹养同1王立成1王春连1赵艳军1张华1

1 中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037

2 中化矿山总局地质研究院，河北涿州 072754

提要中国陆块海相成钾规律及预测（973）课题五年硏究，完成构建我国海相盆地钾盐成矿理论及“模式”构建。“中国东特提斯域成钾作用及模式”从中国海相蒸发岩盆地成盐聚钾探索中，得出：气侯、物源及构造在时间和空间上“三位一体”耦合作用成钾理论，对东特提斯域成钾提出了“多级盆地”及“深源补给”等成钾模式，为中国陆块找钾提供了理论依据。

中国陆块东特提斯域成钾作用找钾模式

60年前，中国还沒有发现钾盐矿床【1】。如今，中国钾肥年产量达数百万吨，自给率50%左右【2】。中国钾盐主要从盐湖卤水中提取，而已探明的盐湖钾盐儲量有限，难以支撑中国农业可持续发展。

世界上钾肥主要从古代固体钾盐矿石中制取。已查明地球古生代海相固体钾盐矿多埋藏在加拿大、俄罗斯、白俄罗斯、美国及德国，並已形成数千万吨产能；中生代海相固体钾盐多分布于中亚地区及泰国、老挝、刚果和巴西等地，且儲藏量巨大，但多数尚待开发【3】。

目前，中国仅发现少量的中生代白垩纪固体钾盐矿。

21世纪“中国陆块”找钾被重新重视，中国陆块海相成钾规律及预测研究国家重点基础研究发展计划（973）经过五年潛心研究，完成了预定项目设计目标。

其科学目标是：构建我国海相盆地钾盐成矿理论框架，建立海相钾盐矿产预测标志、预测理论和探测技术。

（973）钾盐课题组是根据中国小陆块的活动性和构造类型，选取有代表性的海相成钾盆地，深入硏究每一类型海相盆地成钾过程，最终揭示中国小陆块海相成钾规律。

本文章重点介绍，中国陆块海相盆地里“中国东特提斯域成钾作用及模式”以及相关内容，来探素中国陆块找钾。

1　“特提斯”的由来与探索【3】

100多年前，由著名的奥地利地质学家徐士（E.Suess）提出，远在200Ma前古老地质历史中，在欧亚与非洲、印度等陆地之间曾存在过横贯赤道附近的古大洋，並以古希腊神话中一位大洋神（Okeanos）的妻子（Tethys）的名字来命名为“特提斯”洋（海）（图1）。

古老的特提斯洋无比广阔，最宽达到9000km，向东20 000km延伸到古太平洋。它是在劳亚大陆与冈瓦纳大陆之间的海洋，可能由于地球自转运动等多种原因，促使南、北半球的板块向赤道附近汇集，这些大小不同的板块圈闭起来、呈向东敞开的喇叭口状，这就是古特提斯洋（海）。它的遗迹，大体沿阿尔卑斯山、喀尔巴阡山、高加索山，到小亚细亚、兴都库什山、帕米尔和喜马拉雅山而转向中国云南等地，过缅甸和中南半岛及马来亚，延伸到苏门答腊和帝汶，与环太平洋海域相连。今天，欧洲和非洲之间的地中海，就是它的残余海。

如今，特提斯地质的研究成为世界各国地球科学界里经久不衰的硏究课题。譬如：硏究大地构造学，金属矿或石油天然气地质的众多专家、学者乐此不疲探索。中国找钾人，几十年来也跟踪探讨“特提斯”域找钾硏究。

图1　晚侏罗纪特提斯洋及中国小陆块Fig.1 Late Jurassic Tethys Ocean and China land mass

2　东特提斯域内的中国小陆块能形成大型钾盐矿吗？【3】

东特提斯域内的中国小陆块主要有扬子陆块即四川盆地及长江中下游地区，兰坪-思茅陆块及羌塘陆块等。此外，塔里木盆地西部也属于特提斯域北支。这些盆地和陆块已出现大量的石膏、石盐沉积，並发现小型固体钾盐矿床和深层热卤水钾矿等。

从古生代末及中生代以来，特提斯海域自西向东广泛发育一系列陆地上“陆表边缘海盆”等负地形，由于其处于干旱的北半球副热及高压帶，这些盆地大多已演化到盐湖沉积环境，尤其在中、新生代重大构造事件时期，出现了巨量盐类以及巨量钾盐沉积（Warren，2010）。例如，中段的中亚卡拉库姆盆地，钾盐资源量达百亿吨级；东段东南部的中南地块呵叻盆地也沉积有百亿吨级的钾盐资源量；西段的德国、法国、西班牙、摩洛哥和意大利等地相关盆地也沉积有数十亿吨级钾盐矿床。

然而，占据特提斯东段大部的中国境内，目前云南仅发现一个资源量仅二千万吨级的小型勐野井钾盐矿床（张嘉澍，1980），四川富钾卤水（林耀庭，2002）与杂卤石矿（黄宣镇，1996）以及北特提斯域新疆库车盆地的钾盐矿物（刘成林等，2008～2012）和含钾盐层（郑绵平等，2014）等，这些“贫钾”状况与位于其特提斯东、西两侧的呵叻和中亚盆地均沉积有巨量钾盐矿床形成强烈反差！

那么，中国境内的东特提斯域盆地是否能形成大规模钾盐矿床呢？

3　深源和裂谷与成钾成因关系探索【4】

笔者（刘成林）2013年在《地球学报》发表的文章“大陆裂谷盆地钾盐矿床特征与成矿作用”，提到“裂谷成钾”主要探究深源物质补给机理、成钾构造变动和地球表面海、陆变迁等影响钾盐成矿等问题。深源和裂谷成盐中硏究什么？

3.1裂谷

裂谷是地壳陆地上有几公里到百公里或更长的張开和陷落地方，它可以发生在不同地质历史时代。如，正形成中的东非大裂谷达纳基尔裂谷洼地和死海裂谷形成众多含钾盐湖，以及中国中新生代东部裂谷系里南部江汉盆地江陵凹陷等都有含钾卤水及盐类沉积；裂谷在 3400Ma前的南非阿扎尼亚发现蒸发岩沉积环境，1800Ma前古元古代中国华北辽吉裂谷中形成了大型蒸发沉积变质型硼矿；还有，中生代形成的南美洲巴西和非洲刚果等大型钾矿等。

如果人们从高空中往下看，无论大小裂谷，其特征是呈线形状延伸，发育众多较大盆地和呈串珠状或卫星状大小的湖泊，是负地貌形态。地质学家从岩层断面上察看，多数为楔状、呈上宽下窄，里面充填了岩石矿物碎屑；若裂谷发育时间长，除从地壳上海水或河湖中吸收大量风化作用帶入沉积物外，还吸纳中地壳里炽热幔汁。所以，有地壳n km幔源体上拱，也是裂谷一个深部特征。

裂谷也有生和死的历程，有长寿亿年的、也有年轻才数万年；且多数开始形成在陆地中；陆上裂谷昌盛时期是呈现海洋状，远在地球西半部长条形大西洋，就是从南美洲和非洲裂开分离至今在洋中脊由下向上释放气体和热液的洋壳裂谷；如今南美洲巴西和大西洋对岸的非洲刚果都发现了中生代有“裂谷”成因影响的钾盐矿床。

3.2深源

地质学界对“深源”一词认知，过去是简单模糊的。如今，多数学者认为：深源是指中地壳软流层中可移动的气体、液体和玄武质岩浆等所组成的地幔流体物质，因有断裂存在、上述物质可一路沿断裂上升，经蚀变改造变化到达地球地壳裂谷系盆地中被构造、圈闭和石膏粘土等阻挡保存，形成各地迥异的石油、天然气矿床；或有金属和非金属及盐类矿产；另有部分流体或溢出地表，气体升至大气圈、液体最终流入海洋。

世界上已知大型钾盐矿床一半是在勘探石油、天然气矿中发现的；许多盐矿中还发现铜、铅等多金属矿或沥青、天然气；某些金属矿中有油气包裹体或沥青，有的盐矿中周边有玄武岩等，表明它们在成因上有共同“深源”成分。

化学蒸发岩物质来源成因说中，长期有“海源”和“陆源”之争，“深源”说丰富和完善了海、陆学说中各自不足，深源说为裂谷成钾提供了实际依据和理论支持。因为，裂谷盆地形成的蒸发盐或卤水矿都具有深源相的地球化学特征，即除有大量的钾、钠、钙、镁离子外，还有伴生Li、B、Rb、Cs、F、Cl、S和少量Sr、Fe、Cu、Zn、Pb、Ba、Ni、Au等深源元素。

3.3探索深源裂谷成钾

“裂谷成钾”是地球上早已发生和存在的事实。但是，“裂谷”概念有人认为最早1893年由英国地质学家格里戈里（Gregory）在研究“东非裂谷”中提出，它晚于德国1839年首次发现钾盐矿50多年。直到20世纪60年代起，深源和裂谷硏究才被盐矿专家重视。如，中国袁见齐先生（1983）发表的《高山深盆的成盐环境》【5】一文中，提出“裂谷，堑沟构造发育过程中常伴有强烈的火山-岩浆活动。含盐层系之间、或紧邻含盐系的上下，普遍见有火山岩、次火山岩的分布。火山-岩浆活动与成盐作用在时空分布上的密切关系……，无疑表明了作为壳幔物质通道的深断裂也往往是深部热卤水的释放点。这种热卤水可以是岩浆水，可以是深部岩层中的埋藏卤水（包括油田水）、压实水，也可以是天水下滲成为岩层内循环的地下卤水。红海、撒尔顿等地产出的热卤水，说明了盐类物质深部来源的可能性。巴西、刚果、加蓬等地蒸发岩中厚达100多m的溢晶石层和苏联里海低地二叠纪盐盆内水氯镁石层的存在，进一步说明了盐类物质深部来源的重要性”。

如今，对“化学蒸发岩”研究已形成一个独立分支学科，它含有“盐矿地球化学”、“盐类矿物学”和“盐类矿床学”等地学科学知识；在盐矿床成因上有“海源沙洲说”、“陆源沙漠说”、“萨布哈潮台说”、“蒸发泵说”及“混合源高山深盆说”等。

“深源裂谷”研究，丰富和补充了传统蒸发盐的成矿理论不足和困惑。例如：许多盐类沉积盆地的形成和变化是与裂谷形成、发展变化相一致的，因此能较好解釋巨厚石盐或钾盐层形成所需要的时间和空间、即地壳不断沉降变化等重要条件；例如，第四纪及现代形成的“死海”盐湖，海拔-422m、靣积约810km2，已探明有20亿t光卤石钾盐矿、含各种盐类合计约130亿t，它就位于以色列、巴勒斯坦和约旦之间的阿拉伯约旦裂谷中，是东非裂谷系北部一个分支。因为它的低洼达负海拔，有人称其是“世界的肚脐”。

中国到“何处”去勘探找钾？湖北江陵凹陷“高温卤水钾矿”的再度发现和开发研究，表明中国在“深源裂谷成钾”的研究已启动。

3.4东特提斯海与中国成钾关係探索【3】

我国科学家朱日祥等研究发现，东特提斯域的中国华北和华南陆块，在板块漂移、拼合碰撞圈闭特提斯海过程中，首先在中国东部拼合-碰撞，东部自然抬升成陆地阻挡了海水向东移动，必然导致古特提斯海水向西退却。海退中，各地盆地残留大量海水，为形成盐矿提供了充沛的卤素和K、Na、Ca、Mg、S等物质。现代海水查明有80多种元素，每公升海水约有35g盐，其中钾元素有0.38g；因为海水总体积相当大，现代海水其蕴藏有约5×1016t盐及5×1014t钾。所以，在中国的兰坪-思茅盆地、四川和羌塘盆地及塔里木莎车盆地中大量膏盐矿的形成也都受益于东部碰撞抬升所导致海水向西的退缩中残留的各类盐矿物质。

由于全球性的海平面“抬升和下降”反复运动，特提斯海水可能会多次重新漫过大陆，在一些盆地、裂谷等凹地汇集，形成石盐和钾盐矿。

3.5中国东特提斯海成钾模式简述【3】

为了解释特提斯海域钾盐矿是如何如此神奇般形成并深埋在如今的大山或戈壁以及裂谷盆地中，我们提出东特提斯域成钾模式：

世界己知钾盐矿的形成，经研究都需要一些客观自然条件的协同作用，即大自然中气候、物质及构造在时间和空间相当长时间里“三位条件的耦合”作用造就。

在地球历史上二叠纪末，三叠纪中期，白垩纪中期，古近纪初等，地球上均发生高温气候事件，并导致生物灭绝。经科学家长期研究，发现大规模的火山喷发活动是“罪魁祸首”，主要原因是火山喷发大量二氧化碳气体进入大气层，引起温室效应，水温上升最高达60～70多℃。火山多发生深源裂谷等地区。

三叠纪的古气侯，根据燧石结晶时的大气年平均温度至少比现代高20℃，当时纬度60°的温度与赤道的温度差别不大，出现在古纬度20～40°之间的蒸发岩占60%左右，是地史中蒸发岩的数量最多的时期【6】。

气温的升高对于大多数动植物而言是致命的，但对于钾盐矿的沉积却是非常有利的。高温气候，湖盆中咸水蒸发强烈，达到极端干旱气候，有利于海水蒸发持续进行到最后阶段，析出钾盐。

通常海水蒸发析盐顺序是：半干旱气候下——碳酸盐、石膏沉积，干旱气候——石盐沉积，极端干旱气候可以导致钾盐沉积。

经过国内外众多科学家对世界各地海水蒸发实验发现：首先是难溶的碳酸盐（方解石、文石或白云石）沉积，其数量约占海水总盐量的1%，其次沉积出石膏、其数量约占海水总盐量的3%。当海水浓缩到12倍，也就是100g海水蒸掉91.7g的水分以后，便开始析出石盐。从石盐析出开始，一直到浓缩为63.6倍、都为石盐沉积；其析出的石盐约占海水总盐量的69%。当海水浓缩到63.6倍时，开始钠、镁硫酸盐和钾盐的沉积。

东特提斯海域成钾模式怎样解读呢？

我们都知道中国有几千年池盐和海盐生产历史。远古年代，我们祖先很早就懂得修筑盐田，利用太阳热能来蒸发浓缩盐池或海洋中咸水，经“多级盐田”蒸发分离浓缩，最后得到晶莹纯净的食盐，满足了百姓味觉和健康需求。

地球上盐矿和钾镁盐矿等蒸发盐岩形成后，虽然深埋地底下近百或上千米，规模达千万吨或亿吨以上，也都离不开起码三个成因条件：①有充足含矿卤水；②像人工盐田的多级负地形；③长期的干燥日晒气候。

我们可以想像，远古特提斯海有足够大的体积、提供充足的含盐海水；当特堤斯海经历板块运动中，致使某地长时间的海水入侵和海退、使海水侵入或滞留陆地上负地形（盆地、拗陷、裂谷等）中，由于盆地间有水下阻挡（礁、堤等隆起），在特提斯海东、西不同方向盆地中海水浓度经过长期干旱气候蒸发，其卤水成分或浓度发生微妙化学变化；在反复海侵和海退事件中，海水浓缩变成含矿浓卤水。不同成分的卤水、在不同洼地迁移先后形成了碳酸盐岩，硫酸盐岩及氯化物石盐岩，多数钾镁盐岩沉积在远离海水补给方向或巨大“陆表海”盆的沉积中心。

当然，地壳深部岩浆或称幔源物质会在板块边缘下、沿着断裂上升冒出地表，给洼地带入丰富的卤素和碱金属以及高温热能等，对特提斯海盆石盐及钾盐矿床等的形成贡献重大、不可忽视。

实际上，地质历史长河中“钾盐矿床”的形成远比上述成钾模式复杂得多，还有如构造变动、卤水变质、淡水掺和及后期改造等复杂因素影响。为此，开展中生代以来特提斯域盆地研究，找出特提斯海域聚集钾盐的成矿规律，期望用来指导中国境内特提斯成矿域找到大型钾盐矿的突破。

1 宣之强，王连第. 中国钾盐50年纪［J］.化工矿产地质，1999，21（3）：181～187

2 鲍荣华，亓绍英. 中国对世界钾盐资源的依赖关係［J］.钾盐与钾肥，2015，46（1）：26～32

3 刘成林，宣之强. 钾盐大矿何处寻？中国小板块（陆块）找钾探索［J］.地球，2015，225（1）：96～99

4 宣之强.：漫淡深源“裂谷成钾”［J］.地球，2014，219（07）：098～101

5 袁见齐教授盐矿地质论文选集［M］.北京：学苑出版社，1988，164～169

6 黄 麒 编著. 恐龙王朝的兴盛与衰亡［M］.陕西科学技术出版社，2007：13～22

Abstract

The five-year topic on regulation and prediction of marine facies potash alteration（973）had gave us the potash formation theory and the pattern construction of marine facies potash. Potash alteration and pattern of Eastern Tethys Ocean in China found the trinity catenative potash alteration theory for climate and material resources as well as the construction in time and space， at the same time， the potash formation pattern of multilevel basin and deep focus supply had also been brought forward which gave the theory foudation for potash exploration in China land mass.

RESEARCH ON POTASH EXPLORATION AT CHINA LAND MASS——POTASH ALTERATION AND PATTERN OF EASTERN TETHYS OCEAN，CHINA

Liu Chenglin1Xuan Zhiqiang2Cao Yangtong1Wang Licheng1Wang Chunlian1
Zhao Yanjun1Zhang hua1
1 Institute of mineral resources， Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing， 100037， China 2 Geological Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau ，Zhuozhou， Hebei， 072754， China

China land mass， Eastern Tethys Ocean， Potash alteration， potash exploration pattern

P619.211

A

1006-5296（2015）04-0193-05

① 本文是国家重点基础研究发展计划（973）“中国陆块海相成钾规律及预测研究”【2011CB403 000】项目研究成果

*第一作者简介：刘成林（1963～），男，主要从事鉀盐及盐湖沉积学等研究，研究员，博士生导师

2015-09-02；改回日期：2015-10-22