青藏高原火山-沉积硼矿找矿的新发现与远景分析

郑绵平, 陈文西, 齐 文

中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部盐湖资源与环境重点实验室, 北京 100037;中国地质科学院盐湖与热水资源研究发展中心, 北京 100037

青藏高原火山-沉积硼矿找矿的新发现与远景分析

郑绵平, 陈文西*, 齐 文

中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部盐湖资源与环境重点实验室, 北京 100037;中国地质科学院盐湖与热水资源研究发展中心, 北京 100037

本文报道了青藏高原火山-沉积硼矿找矿的新成果, 首次发现和确认在青藏高原存在富硼的火山-沉积二元结构的地层, 其构造位置、岩石地层组合和时代与同一成矿带西部的安纳托利亚高原的大型火山-沉积硼矿床都一致, 且地层的稀碱金属元素含量高正异常, 并已发现有团块或条带状的钠硼解石和硼砂等硼酸盐矿物, 局部硼含量达边界品位。说明雄巴盆地具备形成火山-沉积硼矿床的构造地质、岩石矿物和地球化学的先决条件, 具有形成大型火山-沉积硼矿的潜力。该发现是我国突破大型火山-沉积硼矿的先导性成果, 为在青藏高原找寻该类型硼矿床提供重要科学依据。

青藏高原; 火山-沉积二元结构; 火山-沉积硼矿; 找矿的新成果

硼及其化合物因其特殊化学物理性质而被广泛应用, 其应用范围几乎涉及所有工业部门: 包括化工、建材、轻工、医药、纺织、冶金机械和军事等(Garrett, 1998)。尤其在玻璃、玻璃纤维、搪瓷、化工、冶金业等被大批量使用, 在原子能、电子、喷气技术等高新技术领域也是不可或缺的材料, 随着现代科学技术的发展, 硼还应用到诸多的高技术领域; 在农业部门硼也有重要用途, 硼也是微量肥料之一(陶连印和郑学家, 1992; 郑学家, 2005), 无疑硼矿是一种重要的矿物原料, 随着我国经济的飞速发展, 我国对硼酸盐需求量日益增加, 国内供应满足不了需求, 每年需要花费大量外汇从土耳其、俄罗斯、美国、拉美地区等进口硼产品, 所以加强对硼矿的勘探尤为重要(唐尧等, 2013; 申军, 2013)。

据全球范围统计, 2015年世界已查明硼矿储量为2.10亿吨(B2O3), 其中火山-沉积型硼矿占59％,主要集中在土耳其和美国(USGS, 2015); 它是世界上主要的硼矿开采对象, 其产量也最大(Tom, 1997; Alexeev and Chernyshov, 1997)。根据全球硼成矿区分布特征和成矿规模分析, 大型-超大型优质硼矿床多属于新近纪形成的火山-沉积型硼矿床(Kistler and Helvaci, 1994)。

我国硼矿资源总体上具有下列特点: ①硼矿资源丰富; ②硼矿种类多, 共伴生矿物多; ③矿石品位低, 富矿少, 贫矿多, 开发利用程度低; ④产地分布不平衡。主要有辽宁和吉林的沉积变质型硼矿(王秀璋, 1965; 王培君, 1980; 吕宗凯, 1984; 李守义和张景山, 1988; 刘敬堂, 1991; 彭齐鸣和许虹, 1994)、西藏和青海的第四纪盐湖型硼矿(液体和固体)(郑绵平和刘文高, 1974, 1980; 郑绵平等, 1989, 2013; 刘喜方和郑绵平, 2010), 其次为四川和湖北的地下卤水型硼矿和湖南、江苏及两广的矽卡岩型内生硼矿(王莹等, 2014), 仅在闽浙地区和青藏高原分别发现有新生代火山-沉积硼矿化点(叶文哉, 1993; 赵晓等, 1998; 袁德丰等, 2001)和晚古生代火山-沉积硼矿化点(郑绵平, 1994)。目前, 我国硼酸盐70％以上依靠进口, 我国硼矿主力基地辽吉硼镁矿资源已近枯竭, 急待寻找新的替代硼资源后备基地。本文报道近期在青藏高原火山-沉积硼矿找矿的新发现和找矿远景分析。

1 火山-沉积硼矿的成矿地质特征

全球火山-沉积硼矿床绝大部分分布在两个成硼带中, 即南北向成硼带和东西向成硼带(图1), 其成因与新生代汇聚板块边缘有关(奥佐尔, 1987)。南北向成硼带位于科迪勒拉—安第斯型缓倾的贝尼奥夫带火山带, 以钙碱性系列火山为主, 主要成矿期在中新世和上新世, 其次为第四纪晚更新—全新世。代表性火山-沉积硼矿床为北美的中新世波隆(Borax; 早期文献称克拉茂: Krama)和上新世死谷(Death Valley)矿床(Schaller, 1929; Whistler, 1984; Barker and Lefond, 1985; Siefke, 1991; Kistler and Helvaci, 1994; Garrett, 1998); 以及南美智利的阿古阿斯—加里因特斯和阿根廷的洛马布兰卡(Loma Blanca)与廷克拉尤(Tincalayu)火山-沉积硼矿床(奥佐尔, 1987; Kistler and Helvaci, 1994; Alonso et al., 1988; Siefke, 1991)。东西向成硼带位于阿尔卑斯—喜马拉雅的印度—亚洲陆陆碰撞带, 在后碰撞时期板块陆内形成的钙碱性火山岩, 主要成矿时期为中新世。代表性已知大型-超大型火山-沉积硼矿床为土耳其安纳托利亚(Anatolia)高原西部毕加迪奇(Bicadic)、苏尔坦卡伊尔(Sultancayiri)、基尔卡(Kirka)、艾莫特(Emet)、凯斯特雷克(Kestelek)(Helvaci et al., 1993; Kistler and Helvaci, 1994; Helvaci, 1995; Helvaci and Oori, 1998; Helvaci and Ricardo, 2000)。

通过对上述典型火山-沉积硼矿床地质特征分析, 可初步归纳如下几点:

(1)成矿区域地质条件: 全球主要火山沉积硼矿分布在板块缝合带(边缘吸收带)附近、概分为南北和东西成矿带, 该区新生代火山活动强烈, 并以钙碱性火山岩为主。

(2)成矿时代: 主要为新生代, 尤以中新世为强烈成矿时期。

(3)构造沉积环境: 具有封闭或半封闭断陷盆地或构造洼地, 为火山含硼溶液提供稳定汇集空间,既可在盐湖中咸水湖成矿, 也可以在淡水湖和咸水湖中汇聚成矿。

(4)气候条件: 可形成于半干旱或干旱气候条件, 亦可在偏潮湿条件下形成。虽然有部分火山沉积硼矿床可以见到一些盐类矿物, 而构成“含盐型硼矿”, 但大多数火山沉积硼矿是在相对较淡湖中形成, 形成含“凝灰-黏土型硼矿”。

(5)岩相特征: 此类硼矿床的岩相具有火山岩-沉积岩的二元结构特征。除了火山岩与大量湖相黏土和沉凝灰岩层共存外, 发育有灰岩、钙华和泥灰岩是成矿有利岩相标志(奥佐尔, 1987)。

(6)矿物和地球化学标志: 凝灰岩和黏土含沸石时, 也被认为是找硼有利标志(Kistler and Helvaci, 1994)。在火山岩、钙华和湖相沉积中有关元素(硼、锂、砷、锑、锶、锗及铯、铷等)以及地层中有雄黄、雌黄、辉锑矿、菱锶矿和天青石矿物组合也是找硼重要标志。

2 青藏高原新生代火山-沉积硼矿成矿地质条件

青藏高原处于东西向的硼成矿带——阿尔卑斯—喜马拉雅火山-沉积硼矿带的东端, 是在第三纪以来印度—亚洲陆陆碰撞背景下, 高原内部线性构造发育(李亚林等, 2005), 导致大量的剪切、走滑断块运动, 形成了大量的山间断陷湖盆(张克信等, 2010), 同时新生代火山活动强烈, 形成火山岩以分布广泛, 层位多、类型多为特征, 并以新近纪火山岩分布最广(邓万明, 1998)。第三纪除藏南的岗巴—定日一带以及岗底斯南缘的昂仁至日喀则一带局部为古新世―始新世残留海沉积外, 其它地区均为陆相的断陷盆地、山前坳陷及山间盆地沉积(西藏地质矿产局, 1993)。作者在20世纪60年初对伦坡拉第三纪盆地作过含硼性调查(郑绵平和刘文高, 1974, 1980)。在该盆地中部面积350 km2范围内作了沉积物、地植物和地表水硼量地球化学测量, 线距2 000 m, 点距150～200 m, 采样深度30 cm。通过实测, 圈出含硼异常区, 发现两个含硼高值区(1％ B2O3)和较高值, 均为新生代流纹岩和英安岩分布区。说明青藏高原地区具有火山-沉积硼矿成矿的有利构造、沉积环境和火山活动伴随的富硼热液形成的丰富硼物质来源的成矿环境。

图1 全球火山-沉积硼矿床与成矿分布略图(据ОЗОЛ, 1983)Fig. 1 Sketch of volcanic sedimentary boron deposits and mineralization distribution in the world(after by ОЗОЛ, 1983)I, II-南北成矿带: I-北美大闭流盆地成硼亚带(1-美国波隆; 2-美国死谷; 3-美国西尔兹湖), II-南美安第斯构造-火山成硼亚带(4-秘鲁盐湖群; 5-玻利维亚乌尤尼湖; 6-智利塔卡马湖; 7-阿根廷洛马布兰卡; 7-1-阿根廷廷卡拉尤; 8-阿根廷死人湖; 9-智利阿古阿斯—加里因特斯); III, IV, V-东西向成硼带: III-安纳托利亚成硼亚带(10-意大利托斯卡纳; 11-土尔其拜卡迪克; 12-土尔其苏尔坦-卡伊瑞; 13-土尔其基尔卡), IV-伊朗高原成硼亚带(14-伊朗乌尔米耶湖); V-青藏高原成硼亚带(15-克什米尔普格; 16-色卡执; 17-西藏扎布耶; 18-扎仓茶卡; 19-西藏班戈湖; 20-青海东、西台吉乃尔)I, II-NS-trending zone of boron mineralization: I-boron mineralization subzone of closed basin in North America (1-Boron; 2-Death Valley; 3-Searles Lake), II- volcanic tectonic boron mineralization subzone in South America Andean(4-Laguna Salinas; 5-Salar de Uymni; 6-Salar de Atacama; 7-Aoma Blanca; 7-1-Tincalayu; 8-Salar de Hombre Muerto; 9-Aguas Calientes); III, IV, V- EW-trending zone of boron mineralization: III-boron mineralization subzone in Anatolia(10-Tuscany; 11-Bicadic; 12- Sultancayiri; 13-Kirka), IV-boron mineralization subzone in Iran plateau (14-Orumiyeh lake); V-boron mineralization subzone in the Tibetan Plateau(15-Puga; 16-Sekazhi; 17-Zabuye; 18-Zacangchaka; 19-Bage Co; 20-east and west Taijinar)

3 青藏高原新生代火山-沉积硼矿找矿新发现

3.1 火山-沉积二元结构的发现

郑绵平和齐文(2009)在执行大地调项目过程中,首次在新生代雄巴盆地中发现了有利于硼酸盐成矿的火山-沉积的二元结构地层(图2)以及含硼碳酸盐黏土等。

根据前期工作, 我们于2013年对雄巴盆地火山-沉积地层开展进一步的调查工作, 首次在研究区发现火山-沉积地层中夹碳酸盐岩层, 总体岩性为灰岩与沉凝灰岩互层, 顶部被第三纪黑云母安山岩覆盖, 剖面(图3)坐标E82°07′50.90″, N32°2′25.74″, 海拔4 683 m。从下至上, 岩性如下:

11. 灰黑色黑云母安山岩 30 m

10. 灰白色薄层-薄板状钙质泥灰岩/凝灰质碳酸盐岩 5.5 m

9. 浅灰色含钙质沉凝灰岩 4.3 m

8．灰白色薄层状凝灰质碳酸盐岩 3.6 m

7．浅灰色厚层状含钙质沉凝灰岩 5.7 m

6．灰白色中薄层状凝灰质碳酸盐岩 7.6 m

5．浅灰黄色钙质沉凝灰岩, 风化后呈松散无色干净石英(玻璃质)砂 4.3 m

4．灰白色中薄层状含凝灰质灰岩 6.5 m

3．浅灰黄色中厚层状钙质沉凝灰岩 8.3 m

2．灰白色薄层状含凝灰质泥晶碳酸盐岩 5 m

1．浅灰黄色厚层状钙质沉凝灰岩 ＞30 m

图2 火山-沉积二元结构露头Fig. 2 outcrop of volcanic sedimentary binary structure

图3 夹灰岩层的火山-沉积地层剖面Fig. 3 Limestone interbed in volcanic sedimentary section

对所取得的湖相沉积碳酸盐样品的薄片鉴定和茜素红+铁氰化钾试剂染色分析, 碳酸盐矿物为方解石和白云石, 白云石不含铁, 岩性定为白云质灰岩。说明当时的气候干旱或盆地的蒸发量大于补给量, 盆地蒸发作用较强, 湖水浓度较高, 且有大量镁离子的补给, 才形成湖相白云质灰岩。

研究区的地层的岩石组合与安纳托利亚高原的火山-沉积硼矿床(一般由钙碱性火山岩、砾岩、砂岩、沉凝灰岩、凝灰岩、黏土岩、泥灰岩和灰岩互层组成, Helvaci and Alonso, 2000)对比, 发现它们的岩石组合总体相似。

3.2 地层时代的测定

我们对雄巴盆地的火山-沉积地层进行了调查(图4), 火山岩的分析结果见表1, 火山沉积岩石经镜下和化学分析, 其火山熔岩主要为粗面英安岩(Td), 其次为英安岩(D)流纹岩(R)和响岩(Ph), 仅风化岩石为粗面岩(T)(图5), 说明喷发岩随着时间变化来源深部有所变化。K2O+Na2O含量在8.62％(黑云母玄武岩)至10.86％(风化黑云母英安岩)为超钾质火山岩, 其K2O/Na2O为2.27～3.94, 平均3.09, 从图5、6可见, 研究区含硼火山熔岩几乎均为粗面英安岩, 属于橄榄玄粗岩系列(Shoshonite)为超钾质火山岩, 而沉凝灰岩属于高中钾钙碱性系列(图6), 这些岩石特征与土耳其火山-沉积硼矿的火山岩(Floyd et al., 1998)具有相似的特征。火山岩采样采用多种测年手段进行定年, 其测定结果见表2, 其年代主要在16～22 Ma之间, 与成矿带西部的安纳托利亚高原的5个火山-沉积硼矿床成矿年龄(16.1±0.2)～(20±0.5) Ma(Helvaci and Alonso, 2000)相当。说明研究区的火山活动可能为沉积盆地提供丰富的硼物源。

3.3 火山-沉积地层中硼矿物和稀碱金属含量异常

火山-沉积地层调查样品的岩石化学分析结果显示硼和伴生稀碱金属等具有地球化学异常和硼矿化现象(表3, 图8)。

在详细调查过程中发现在火山-沉积地层的风化物中普遍含有硼酸盐矿物, 呈团块状或不连续的细条带(纹层)状存在(图8A-D), 并对白色矿物样品进行了台式电子显微镜下观察, 发现样品中主要由短柱状和长条状矿物组成(图8E和F), 并分别对其进行能谱分析, 结果显示白色团块或条带为硼酸盐矿物(图8G和H), 根据矿物形态特征和能谱分析结果, 短柱状矿物可能为硬硼钙石, 长条状或针状矿物为钠硼解石。

4 火山-沉积硼矿成矿前景分析

土耳其西安纳托利亚高原与青藏高原同处于东西向的硼成矿带上。第三纪早期至第三纪末, 欧亚板块与阿拉伯和非洲板块南北碰撞作用使安纳托利亚高原隆升, 并产生东西向张应力, 导致北西、北东向断层发育和断陷盆地形成。硼矿床形成于这些碰撞或后碰撞火山活动频繁的断陷湖相盆地中。虽然它们之间硼矿床的岩石组合略有差异, 但总体上都是由钙碱性火山岩、砾岩、砂岩、凝灰岩、层凝灰岩、黏土岩、泥灰岩和灰岩互层组成, 且矿体通常发育于灰岩或黏土岩(含大量火山碎屑)之中。

图4 雄巴盆地火山-沉积地层调查剖面、火山岩采样点和浅钻位置图Fig. 4 Volcanic sedimentary strata profile, volcanic rock sampling sites and shallow drilling location in the Xiongba basin

图5 雄巴盆地火山-沉积地层火山岩的SiO2-(Na2O+K2O)Fig. 5 SiO2-(Na2O+K2O) diagram of the volcanic sedimentary strata in the Xiongba basin

图6 雄巴盆地火山-沉积地层火山岩的SiO2-K2OFig. 6 SiO2- K2O diagram of the volcanic sedimentary strata in the Xiongba basin

表1 雄巴盆地新生代火山-沉积地层火山岩样品化学分析结果Table 1 Geochemistry of the volcanic sedimentary strata in the Xiongba basin

表2 雄巴盆地新生代火山-沉积地层火山岩样品测年结果Table 2 Dating results of the Cenozoic volcanic sedimentary strata in the Xiongba basin

从新生代以来, 由于印度板块与欧亚板块南北向碰撞作用产生东西向张应力, 使青藏高原内部拉萨地块在18～13 Ma形成近南北向裂谷系, 并在拉萨地块北侧形成了雄巴、昂拉仁错、措勤-扎日南木错、郭拉-乌耶和曾错6个断陷盆地(张克信等, 2010)。研究区属于雄巴盆地, 中新世时期火山活动强烈, 发育了一套(雄巴组)陆相钙碱性中、酸性火山岩及火山碎屑岩与湖相沉积组合。火山-沉积地层岩石组合与土耳其硼酸盐矿床地层岩石组合相似, 其地层也是由钙碱性火山岩、湖相碳酸盐岩(白云质灰岩)、凝灰岩、黏土岩、砾岩和砂岩组成。地层时代相当, 其元素地球化学分析结果明显指示硼、锂、铷和铯元素含量正高异常, 而且在火山-沉积地层及其风化物中发现团块状和条带状的硼酸盐。这充分说明雄巴盆地具备有利于形成火山-沉积型硼矿的地质、构造和气候条件, 具备形成大型火山-沉积型硼矿的硼物源条件, 具备火山-沉积型硼矿成矿条件。

图7 火山-沉积地层剖面及稀碱金属含量变化图Fig. 7 Volcanic sedimentary stratigraphic profile and content of rare alkali metal element

图8 火山-沉积地层风化物中含团块状或条带状硼酸盐矿物及电子显微镜下矿物形态和能谱分析结果Fig. 8 Lumpy or banded borate minerals in the weathering volcanic sedimentary strata and the results of mineral morphology and EDX analysis by electron microscope

根据研究区与同一成硼带西部的安纳托利亚高原的大型火山-沉积硼矿床对比分析, 发现两者的成矿时代相近, 构造性质和气候条件相当, 地层岩相组合和地层稀碱金属含量异常也相似。说明该区具有良好的成矿前景和找矿潜力, 有望成为我国火山-沉积硼矿找矿的突破口, 值得做持续的调查和研究工作。但已知硼酸盐矿层往往赋存于细颗粒的黏土岩或泥灰岩(可能两者都含有凝灰质)中(Helvaci and Alonso, 2000), 说明硼酸盐是在盆地沉积中心富集。而研究区目前已知地层剖面中岩石粒度都较粗, 所发现的碳酸盐岩和黏土岩层较薄。因此, 今后工作重点是查清盆地的空间结构, 进一步的查找岩石粒度细且层厚大的, 有利于硼酸盐汇集成矿的盆地沉积中心。就青藏高原全区而言, 同为中新世早期沉积盆地还有可可西里盆地, 为一套由白云质灰岩、泥灰岩夹粉砂岩、砂岩和砾岩组成的五道梁组湖相沉积(吴珍汉等, 2006)和一套具有钙碱性岩系趋势和高钾的岩石地球化学特征的查保马组粗面安山岩等(其年龄为(13.09±0.56)～(18.28±0.72) Ma, SHRIMP U-Pb法,魏启荣等, 2007)及五道梁群湖相沉积(23.5～16 Ma, Wang et al., 2002; Liu et al., 2003), 其沉积的厚层碳酸盐岩为热水湖相成因(张雪飞等, 2015), 此外, 在鲸鱼湖北也发现上第三系火山岩含有硼1％～2％(吴才来研究员面告)。因此, 可可西里及其东侧青藏线中新世火山沉积盆地值得进一步调查其硼成矿前景。

表3 雄巴盆地火山-沉积地层SD8剖面样品稀碱金属元素含量Table 3 The rare alkali metal elements in the SD8 profile of the volcanic sedimentary strata in the Xiongba basin

5 结论

(1)首次发现了青藏高原新生代雄巴盆地火山-沉积二元结构, 其地层结构与其同一构造带西部的安纳托利亚高原上的火山-沉积硼矿床的地层相似,两者都具有类似的岩相组合。

(2)不同定年手段确定火山-沉积地层的时代为中新世, 其火山岩的岩石地球化学特征表现为超钾或高钾质钙碱性岩石系列。其地层时代与安纳托利亚高原上的火山-沉积硼矿床相近, 岩石地球化学特征相似。

(3)雄巴盆地的火山-沉积地层的稀碱金属元素含量显示明显的正异常, 局部层段显示硼矿化, 并在地层及其风化物中发现团块状或条带状的硼酸盐,其主要矿物有钠硼解石、硬硼钙石和硼砂。

(4)经过前期工作显示雄巴盆地具有良好的火山-沉积硼矿成矿前景, 是青藏高原找寻该类型硼矿的最佳目标区。此外, 新生代可可西里盆地也是火山-沉积硼矿有利成矿区, 值得部署进一步的研究工作。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 1212011085524) and Marketing Service Project (No. E1304).

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New Findings and Perspective Analysis of Prospecting for Volcanic Sedimentary Boron Deposits in the Tibetan Plateau

ZHENG Mian-ping, CHEN Wen-xi*, QI Wen
MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; R & D Center for Saline Lake and Epithermal Deposit, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

This paper reports the new achievements in the prospecting for volcanic sedimentary boron deposits. The presence of strata of boron-rich volcanic sedimentary binary structure in the Tibetan Plateau was discovered and confirmed for the first time. The tectonic location, stratigraphic combination and the age of the strata are consistent with features of the strata of the large volcanic sedimentary boron deposits in Western Anatolia plateau. The strata have positive high anomaly of rare alkali metal elements, and boron element content has reached ore cutoff grade in some intervals; in addition, crumbly or banded borate minerals were found. These discoveries show that the Xiongba basin has the geological, mineral and geochemical prerequisites of the volcanic sedimentary deposits, and possesses the potential of large deposits. This discovery belongs to the basic superior result in the search for volcanic sedimentary boron deposits in China, which provides important scientific basis for the discovery of this type of boron deposits in the Tibetan Plateau.

Tibetan Plateau; volcanic sedimentary binary structure; volcanic sedimentary boron deposits; new results of ore prospecting

P578.93; P622

A

10.3975/cagsb.2016.04.03

本文由中国地质调查局项目“油钾兼探实施方案和调查评价”(编号: 1212011085524)和市场服务项目(编号: E1304)联合资助。

2016-06-07; 改回日期: 2016-06-28。责任编辑: 魏乐军。

郑绵平, 男, 1934年生。研究员, 中国工程院院士。从事盐类学与矿床地质学研究。E-mail: zhengmp2010@126.com。

*通讯作者: 陈文西, 男, 1977年生。副研究员。从事沉积盆地与盐类沉积矿床研究。E-mail: chwx06@126.com。