加拿大萨斯喀彻温亚盆地某钾盐矿地质特征及其成因探讨

楚丽霞，李建伏，孙仁斌

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.内蒙古地质工程有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010010)



加拿大萨斯喀彻温亚盆地某钾盐矿地质特征及其成因探讨

楚丽霞1,2，李建伏2，孙仁斌1,2

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.内蒙古地质工程有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010010)

加拿大萨斯喀彻温亚盆地某矿区含钾盐矿层的属性母岩——草原蒸发岩具有良好的连续性，深度通常小于960m。矿石品级相对较高，K2O含量在9.26%～58.20%。草原蒸发岩内含有三个钾盐成矿段，分别为耐心湖(Patience Lake)含钾岩段、贝尔平原(Belle Prairie)含钾岩段、埃斯特黑齐(Esterhazy)含钾岩段。根据萨省的地球物理测井资料得出的钾盐厚度和品位数据，以及萨省政府最近发布的评估萨省钾盐资源潜力的资料，作者研究整理了萨省某区的地震、钻孔数据，预测了某区的优先勘探靶区，并对该地区的钾盐矿床地质成因做了初步探讨。

钾盐 沉积特征 矿床成因 萨斯喀彻温省亚盆地 加拿大

加拿大萨斯喀彻温亚盆地某钾盐矿的初步勘查工作(KPxxx探矿权许可区商业预查项目，位于位于萨省萨斯卡通市西北约50公里处，面积168km2)在2013年完成。该项目完成了一定量的二维地震勘探、钻探、地球物理测井、基本分析样和岩矿鉴工作。在约14km2的测区范围内，估算得到氧化钾资源量(334)？约500×104t。比较萨斯喀彻温亚盆地其他钾盐矿床，笔者认为该钾盐矿有一定的典型性。故对其成矿地质条件、矿床特征及其成因做一分析。

1 成矿地质条件

KPxxx预查项目区位于萨斯喀彻温亚盆地北部(加拿大萨斯喀彻温省中南部)。萨斯喀彻温亚盆地是威利斯顿盆地的三个次级盆地之一(Holter,1969)。其在泥盆纪存在五个大的沉积旋回(袁见齐，1982)，其中第三沉积旋回(浅海相蒸发岩沉积建造)(Michelleetal.,2009)中的麋鹿点群草原蒸发岩组是钾盐矿床的主要赋存地层(钱自强，1994；Halaburaetal.,2007)。

1.1 地层

上述预查项目区地表出露大部分为第四系松散的腐殖土层，局部见有古近系及白垩系陆相沉积地层。据钻井揭露及相关资料显示区内缺失古生界石炭系、二叠系和中生界三叠系、侏罗系地层；而泥盆系地层沉积较为完整(Jeff Bovee，2012)，其直接盖层为白垩系地层。表1为萨斯喀彻温亚盆地区域地层简表(表内未注明地层接触关系)。

其中泥盆系地层包括有中统的牧场湖组、阿舍恩组，麋鹿点群的温尼伯格西斯组、草原蒸发岩组，马尼托巴群的道森湾组、苏里斯河组，以及上统的萨斯喀彻温群。KPxxx预查项目的试验钻井切穿了草原蒸发岩组。结合以往资料，认为草原蒸发岩组可以分为二个岩段(Worsleyetal.,1979；Halaburaetal.,2007)。

萨斯喀彻温亚盆地麋鹿点群草原蒸发岩下岩段：岩性组合主要为厚层状青白色、淡黄色、浅灰色岩盐，次为浅黄红色含光卤石岩盐及灰绿色含粘土岩盐，间夹少量灰绿色、紫褐色粘土岩薄层，局部见有光卤石斑点。在KPxxx预查项目区内钻遇厚度111.80m。

萨斯喀彻温亚盆地麋鹿点群草原蒸发岩上岩段：主要为杂色岩盐、钾盐、光卤石，内夹少量红色粘土岩薄层。其又可划分为埃斯特黑齐、贝尔平原、耐心湖三个含钾岩段。

表1 萨斯喀彻温亚盆地区域地层简表Stratigraphic chart of Saskatchewan sub-basin

(1)埃斯特黑齐含钾岩段：广泛分布于萨斯喀彻温亚盆地东南部和中部，北延区段钾盐层通常品级低、厚度薄(Blair,2007；Hardyetal.,2008)；区域上钻井最大控制厚度46m。在KPxxx预查项目区内疑似缺失或层位太薄而未形成含钾矿层。

(2)贝尔平原含钾岩段：分布范围广阔，层位稳定(Halaburaetal.,2006.)，主要岩性为厚层状青白色、淡黄色、浅灰色岩盐，内夹钾盐矿层，局部含有泥质物或粘土岩条带，偶见颗粒状光卤石。在KPxxx预查项目区内该含钾岩段钻遇厚度11.20m，共发现了两层钾盐矿，但不具工业意义。

(3)耐心湖含钾岩段：是区域上主要的含钾岩段(Halabura,2005)，分为上下二个亚段；主要岩性为淡青～淡黄色粗晶粒状岩盐、淡青色、橘红色钾石盐，局部夹有紫色含盐粘土岩薄层。在KPxxx预查项目区内该含钾岩段缺失上亚段，钻遇厚度10.30m；K2O加权平均品位27.10%。

1.2 沉积建造

萨斯喀彻温亚盆地内泥盆纪的沉积序列自下而上存在五个大的沉积旋回。第一、第二沉积旋回形成于早泥盆世、第三至第五沉积旋回形成于中泥盆世。含钾盐矿层的专属性母岩——草原蒸发岩存在于第三沉积旋回中。第四沉积旋回主要为道森湾组，第五沉积旋回主要为苏里斯河组，各包含了一组红层泥质岩(即第一、第二红层)(Susan,2008；Michelleetal., 2009)。

第三沉积旋回(图1)包括了麋鹿点群的温尼伯戈西斯(winnipegosis)组和草原蒸发岩组，属浅海相蒸发岩沉积建造(Dunn,1982.)。其下部的温尼伯戈西斯组可分为岩性为浅灰色白云岩及泥岩的下岩段，和岩性为黄色石灰岩、白云岩、硬石膏及少量岩盐的上岩段。该组地层在亚盆地的中心较薄、边缘较厚，区域上构成了亚盆地的基本雏形，并控制了草原蒸发岩组的发育；且其局部形成有石灰岩礁丘，部分贯穿到草原蒸发岩组中，造成后者所含钾盐矿层不连续。其上部的草原蒸发岩组岩性组合为厚层状岩盐夹钾盐层及薄层泥岩。该组在亚盆地西缘厚度变化较大，中心较厚，东缘变化较缓(Yangetal.,2009)。区域上该层位内自下而上有四个钾含钾岩段：埃斯特黑齐(Esterhazy)段、白熊段、贝尔平原(Belle Prairie)段、耐心湖(Patience Lake)段(Saskatchewan Geological Survey (2003))。KPxxx地块缺失白熊段。其底部由于受岩盐和硬石膏矿床的影响，多为低等盐类。

图1 萨斯喀彻温亚盆地第三沉积旋回地层结构断面图(修编自Saskatchewan Geological Survey (2003))Fig.1 Schematic cross section of the third evaporate circle through the Saskatchewan sub-basin(after Saskatchewan Geolagical Survey (2003))1-石灰石；2-白云石；3-蒸发岩；4-钾碱；5-石灰质页岩；6-耐心湖段；7-贝尔平原段;8-埃斯特黑齐段1-limestone; 2-dolomite; 3-evaporite; 4-potash; 5-calcareous Shale; 6-Patience Lake Member; 7-Belle Plaine Member; 8-Esterhazy Member

1.3 构造

萨斯喀彻温亚盆地为一锲形状的次级草原蒸发岩盆地(Herd,2007)。KPxxx项目区位于该亚盆地北翼边缘次级隆起带上。项目的二维地震勘探测线穿越了本区大部区域，其影像特征对本区构造提供了很好的解释：其基底构造层为一个相对稳定的平台，并与后期沉积的草原蒸发岩共同组成了一个含钾矿隆起复合体；由于受草原蒸发岩上覆含铁质粘土岩(第二红层)局部风化破碎和构造裂隙发育的影响，岩盐和钾盐矿层在地下水的溶蚀作用下，发生位移，形成了两个不规则状的塌陷构造(图2)。其包括：

隆起复合体：位于项目区中偏北部，延展范围近70km2。主体构造层由泥盆系中统碳酸盐岩—硫酸盐岩—石岩盐—钾盐岩构成，构造线长轴方向呈北西向展布，倾向南西，倾角约3°～5°，与区域构造线相一致。隆起复合体构造简单，未发现有岩浆岩体侵入及明显的折断现象。

淋失塌陷构造：位于项目区西南部及东部,呈不规则状展布，影响范围达数平方公里，会造成矿层的间断和缺失，形成开采风险区。

过渡带：在隆起复合体与塌陷区之间由于构造下沉作用，形成了200m～300m宽的环状过渡地带，近塌陷区边缘草原蒸发岩以20°角急剧下冲。

图2 二维地震勘探构造解释略图Fig.2 Map showing structural interpretation of 2D seismic data 1-KPXXX项目区范围；2-淋失塌陷构造边界；3-隆起复合体边界；4-钾盐边界线；5-钾盐预测区；6-地震勘探线1-KPXXX scope of the project area; 2-leaching collapse structure boundary; 3-uplift complex boundary; 4-potassium border;5-potassium forecasting area; 6-seismic exploration line

2 矿体特征

2.1 矿体地质特征

KPxxx项目区经二维地震(6条剖面、总长43km)、钻孔(1个、深1065m)、地球物理测井(1063m)、基本分析样(106件)控制了一层钾盐矿体及两层矿化体(图3)：

钾1号矿体(工业矿层)：赋存于耐心湖含钾岩段下亚段；埋深930m以下、厚1.63m；与含钾岩盐层相互叠压，呈夹层产出；顶底板围岩为淡粉白色～浅黄色岩盐，近矿围岩为桔黄色钾矿化岩盐；呈层状展布，连续、平坦，推测长度大于8km，宽度大于6km；产状近于水平，略向盆内倾斜，倾向SW，倾角一般3°～5°；矿物组合主要为岩盐、钾石盐，K2O品位9.26%～58.20%，加权平均品位27.10%。

钾2号矿化体：赋存于贝尔平原含钾岩段上部层位；埋深937 m以下、厚0.23m；呈薄层状产于岩盐层中；顶底近矿围岩为岩盐；呈层状展布；产状近于水平，倾向SW，倾角3°～5°；矿物组合主要为岩盐、钾石盐；K2O品位26.90%。

钾3号矿化体：赋存于贝尔平原含钾岩段下部；埋深947m以下、厚0.57m；呈夹层状赋存于岩盐层中；顶底近矿围岩为岩盐；呈层状展布；产状近于水平，倾向SW，倾角3°～5°；矿物组合主要为岩盐、钾石盐；K2O品位7.52%～17.10%，加权平均品位12.35%。

2.2 矿石质量

所圈定3个矿层的矿石结构为晶粒状结构、构造为块状构造。其矿物成分由不同比率的岩盐、钾石盐、光卤石及水不溶物(主要为粘土，及少量硬石膏、石膏、白云石、石英、赤铁矿、云母等)组成。其中钾石盐：颜色以桔色、乳白色为主，少量为粉红色、红色、棕红色、浅橙色，K2O含量介于7.52%～58.20%，为细晶～粗晶粒，晶体直径一般约1 cm～2cm，大者达3cm，晶体多为它形晶，少部分为半自形晶，不同大小的晶体相互构成集合体，呈不规则状嵌布，晶间夹杂有青色或浅黄白色的岩盐晶粒。其化学成分为：NaCl、KCI、MgCl2、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、CaSO4、CaMg(CO3)2、S、P等，其中CaO含量0.20%～0.49%，MgO含量0.05%～0.12%。

2.3 矿石类型

KPxxx项目区内各类蒸发岩发育较为完全：下部为硬石膏∕岩盐型，不同颜色的岩盐层内含有少量蓝灰色、灰白色硬石膏细脉及团块，局部夹硬石膏薄层，或岩盐与硬石膏构成互层；中部为岩盐型，主体为单纯的岩盐层，向下见有少量红色、棕红色、栗色光卤石晶粒及团块散布于岩盐层中，局部光卤石较为集中且成薄层；上部为钾盐岩型，钾盐层赋存于无色、浅桔黄色、灰白色钾化岩盐体内；过渡带呈渐变关系。

图3 ZK1钻孔柱状图Fig.3 Stratigraphic column of borehole ZK1 1-石盐；2-粘土层；3-钾盐；4-富钾盐岩盐；5-贫钾盐岩盐1-halite; 2-clay seam; 3-sylvinite; 4-sylvinite-rich halite; 5-sylvinite-poor halite

矿体钾盐的矿石自然类型主要有乳白色(无色)钾盐、桔红色钾盐和杂色钾盐；岩盐的矿石自然类型主要有淡粉白色(无色)岩盐、桔黄色岩盐、浅黄色～浅灰色岩盐、浅黄红～棕红色岩盐和浅灰色～灰绿色岩盐。

3 矿床成因

包含萨斯喀彻温亚盆地的威利斯顿盆地至少在古生代中泥盆世之前已经成为一个半封闭的陆表浅海相盆地。至中泥盆世则存在频繁的海进海退及持续的蒸发。盆地中的次级凹陷则为持续聚盐、储盐提供了空间。一般认为频繁的海进海退则为盆地成盐提供了必备的物质基础。富钾海水在诸多因素的影响下，不断地蒸发浓缩，分异富集。

上述工作获得资料表明KPxxx项目区矿物析出沉积序列应为：方解石→白云石→石膏→硬石膏→石盐→光卤石→钾盐。这个序列与Usiglio提出的海水蒸发析盐系列(BAяшког,1965)(氧化铁+碳酸钙→石膏、石膏+石盐→石膏+石盐+泻利盐→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾+光卤石→石膏+石盐+泻利盐+软钾镁矾+光卤石+水氯镁石)相吻合。周期性的海侵作用可形成矿物沉淀序列的一个完整旋回。其中钾盐和光卤石往往伴生。因此基本可以判定KPxxx预查项目区具备陆表海浅海相盆成钾作用模式的特征。

成钾过程应当包括在中泥盆世反复进行的蒸发沉积和沉积淋滤以及泥盆世后的埋藏——构造改造。同生沉积作用之后的成岩过程包括矿物颗粒的溶解及次生富集等作用。钾盐层中不同矿物成分的分布特征由周期性变化的蒸发沉积作用所决定。受含镁卤水次生过滤作用和活化作用的影响，同一钾盐层的中部往往富集岩盐和钾盐，光卤石则富集在其边部。KPxxx项目区内泥盆系第三沉积旋回的特征符合Schmalz(Schmalz,1970)提出的“泪滴式”蒸发岩的分布模式，即沿补给区反方向依次沉积碳酸盐岩、石膏岩、石盐，在距离补给区最远的地方沉积钾镁盐(袁见齐，1982；翟裕生，2011)。蒸发岩层后期受到构造作用而发生褶皱、加厚等现象，同时矿物元素的溶解和活化作用特征明显。在因构造等原因而存在的地下水溶蚀作用下，发生位移，形成塌陷。

归纳之，KPxxx项目区钾盐矿体产于浅海相蒸发岩沉积建造中，属于海相化学蒸发盐岩系型分异结晶固态外生层控盐类矿床，在规模宏大的萨斯喀彻温亚盆地钾盐矿床中具有代表性。

4 结论

加拿大萨斯喀彻温亚盆地KPxxx项目区钾盐矿床属于萨斯喀彻温亚盆地中的一个典型的钾盐矿床，矿床产于浅海相蒸发岩沉积建造中，属于海相化学蒸发盐岩系型分异结晶固态外生层控盐类矿床。经过对此钾盐矿床的沉积序列等分析，并结合前人研究资料分析，认为KPxxx项目区的岩相模式属于“泪滴式”岩相分布模式。钾盐矿床的蒸发岩层后期受到构造作用而发生褶皱、加厚，钾盐层存在由地下水溶蚀作用引起的位移、塌陷区。

致谢 钾盐项目组、加拿大钾盐公司、加拿大Geotir物探公司、加拿大North Rim勘探公司的相关工作人员提供了工作支持，在此表示感谢。

[注释]

① Andrew D. Williamson. 2012. Geophysical Report on Mineral Resource at Lease KP472(on behalf of Canada Potash Corp.)[R]. Geotir:P 3,6,9,10,14,19.

② Jeff Bovee. 2012. Canada Potash Borden Prairie Evaporite Potash exploratory well Geological well data report[R]. North Rim Exploration LTD.:P 2,8-12,17.

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Geological Characteristics and Genesis of a Potash Deposit in Saskatchewan Sub-basin of Canada

CHU Li-xia1,2, LI Jian-fu2, SUN Ren-bin1,2

(1.SchoolofEarthScience&Resources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.InnerMongoliaGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Hohhot,InnerMongolia010010)

With good continuity, a potash deposit bearing formation (Prairie Evaporite) in the Saskatchewan sub-basin of Canada typically occurs at depths less than 960m. The grade of ore within this rock is relatively high ranging from 9.26～58.20% K2O. The Prairie Evaporite Formation includes three potash-bearing members: Patience Lake member, Belle Plaine member, and Esterhazy member. On the basis of potash units and ore grade information interpreted from down hole geophysical logs in Saskatchewan, and data on assessment of potash resource potential published recently by Saskatchewan government, this paper reviews and integrates the seismic data and drilling borehole data of this area, makes prediction to prioritized targets for exploration on the permit area, and conduct preliminary research on the geological characteristics and genesis of the potash deposit in this area.

potash, deposit characteristics, deposit genesis, Saskatchewan sub-basin, Canada

2015-04-13；

2015-12-21；[责任编辑]陈伟军。

2011年国外矿产资源风险勘查专项资金项目(编号：201130B00500114)资助。

楚丽霞(1982年-)，女，在读博士生，地质工程师，现主要从事金属矿产勘探研究工作。E--mail:clx_01@163.com。

P619.21+1

A

0495-5331(2016)02-0385-07

Chu Li-xia, Li Jian-fu, Sun Ren-bin. Geological characteristics and genesis of a potash deposit in the Saskatchewan sub-basin, of Canada [J]. Geology and Exploration, 2016, 52(2):0385-0391