罗布泊北部大洼地硝酸盐矿床成矿机制研究意义

吴春伟，田忠锋，万初发

（1.新疆地质矿产勘查开发局第三地质大队，新疆库尔勒841000；2.新疆维吾尔自治区地质矿产研究所，新疆乌鲁木齐830000；3.新疆维吾尔自治区矿产资源储量评审中心，新疆乌鲁木齐830000）

1 硝酸盐矿资源概况

我国的硝酸盐分布区极少，只有山西和新疆两地。而且山西只有极少量的硝酸盐矿产。新疆是我国目前唯一的具有工业价值的大型硝酸盐分布区，蕴藏着超大型钠硝石矿床。近几年，新疆吐—哈地区硝酸盐矿床的找矿工作取得了重大突破，在吐—哈盆地和罗布泊地区发现了十几处硝酸盐矿床和矿化点，这些硝酸盐矿床(点)大体沿兰新铁路东西向分布，绵延400km以上。2006年在该地区发现了面积达3000km2，平均品位达8%，储量达1.84×108t的库姆塔格钠硝石矿床。2007年又在该地探明硝酸盐储量7090×104t。使该地区硝酸盐总资源量达到了2.5×108t，其规模与智利Atacama超大型硝酸盐矿床相当。

硝酸盐是世界紧缺资源之一，据统计，国际上对硝酸盐产品的需求总体以每年7%左右的速率增长。近年来，随着我国国民经济的发展，国内对硝酸盐产品的需求增幅更大，对外依存度逐年增加，大量的硝酸盐产品长期依赖进口。目前国内硝酸钾的需求量约70×104t/a，其中80%用于工业及其它行业，20%用于农业。工业用硝酸钾主要产于国内，市场售价在4500～4800元/t;农业上主要用在经济作物烟草的肥料上，主要依靠进口。国内从智利进口天然硝酸钾售价为550美元/t。国内硝酸钾市场需求55×104t/a，每年需进口10多万吨。我国硝酸钠消费构成情况大致为轻工行业约占80%、化学工业占9%、机械工业占6%、其它行业占5%。据统计，2000年我国对硝酸钠的需求20×104t左右，而2005年则上升到34×104t左右，年均需求增长率达14%，目前我国每年硝酸钠产量要在36×104t/a左右，今后市场对硝酸钠的需求将以每年5%～8%的速度增长(邱斌，2009)。由于硝酸盐用途广泛，国内资源缺乏，因此寻找更多有工业价值的硝酸盐矿床是一项十分紧迫的重要任务。

2 大洼地硝酸盐矿床

新疆已发现的硝酸盐矿床多以固相矿床为主，固液并存矿床基本都直接出露地表，成矿受大地构造、气候条件控制作用明显，地表硝酸盐矿床已基本全部发现。大洼地液体硝酸钾主要赋存在晶间卤水中，具有隐伏矿床的特征，虽然在上覆盐壳中存在一定的硝酸盐矿化。但是，发现矿化离矿床的发现还有不少距离。目前液体钾盐勘查多依据矿床控制因素进行找矿，如综合气候条件寻找构造凹陷区，往往找矿地区大，工程验证预算经费高，找矿效果不明显，在新的形势下，需要另辟蹊径，从硝酸盐的成矿物质来源入手，进一步圈定硝酸盐富集区。

大洼地位于罗布泊东北，罗布泊是一个位于塔里木盆地内的次一级坳陷盆地，自第三纪以来，长期处于干旱炎热的气候条件下，湖水不断浓缩，形成了第四纪现代盐湖。在大盐湖的边缘地带，发育了一系列与大盐湖时通时断的小盐湖，大洼地即是其中之一。大约在更新世，罗布泊湖水分布面积较广，盆地的大部分区域被湖水淹没，沉积有数千平方千米的石盐层，大洼地一带也属于其中的一部分。在全新世喜马拉雅运动后期，伴随新构造运动的活跃，湖水面积收缩，湖水逐渐干涸，罗布泊逐渐解体，大洼地与罗布泊分离形成全封闭的“死湖”。残留湖水进一步蒸发结晶，形成次级全封闭盆地，在湖区石盐壳顶部同时富集了氯化钾和硝酸盐等有益矿物。

沉积盆地周边的岩石、土壤中的钾、钠、镁、硫酸根、氯、硝酸根等含量相对较高，是形成钾硝石矿的特定的地球化学特征，大洼地钾硝石矿周边岩石、土壤具备这一特定的地球化学特征。据统计新疆的各类岩石中K2O的含量超过全国乃至世界同类岩石的含量，新疆盐湖周边的土壤中的的钾、钠离子十分丰富，钾的含量一般在1.5%左右，部分可达4%以上，与储盐盆地相关土壤中普遍富含硝酸根，在某些土壤中硝酸根可达1%以上。这一地球化学特征为大洼地钾硝石矿形成提供了物质来源。

汪文先（1987）研究发现，吐哈盆地一带广泛出露的第三系红层（泥岩、砂岩）中夹有的大量盐岩和硝酸盐，或许是该盆地硝酸盐矿床成矿元素的重要补给来源，该套上新统红色薄层泥岩、砂岩，在罗布泊涸湖北部山前高台地区，大洼地以北20km的红土堡也有出露。

2016年笔者在对大洼地硝酸盐矿床进行勘查评价的过程中发现，第三系桃树园组地层在区内大面积分布，地表和钻孔揭露，主要为一套砖红色的含盐类矿物砂砾石层和粘土层，而大洼地湖盆区边缘则是高出盆地40～60m的红色雅丹台地，因此分布于大洼地盆地边缘的第三系红层可能就是大洼地硝酸盐的来源之一。

同时地下水的补给对大洼地硝酸盐的形成也是十分重要的物质来源，常年性、日积月累会形成大量的补给量，位于大洼地北部的碱泉子水中NO3-含量达159mg/L，南部阿奇山一带的基岩裂隙地下水中的NO3-含量最高可达2400～3600mg/L，这些地下水年复一年的汇入大洼地盐湖，是大洼地硝酸盐的重要来源之一。

目前，对大洼地硝酸钾矿床的中硝酸根来源仍停留在宏观层面上，对于其物质来源多为一些概括性、描述性、趋向一般性的总结和认识，缺少系统的、详实和具体的理论研究，而且在氮源这个根本问题上并无实质性的突破，因此，为进一步提高我国硝酸盐资源寻找和评价力度，增进与硝酸盐需求的下游产业的经济安全，有必要深入研究新疆硝酸盐富集区的沉积特征与富集规律，开展实质性的氮源研究和探讨是十分必要的。

3 成矿机制研究意义

国内对硝酸盐矿床的研究主要集中在矿床地质方面（熊先孝，1994；郑玉喜，2000；黄铁栋，2005；张义民等，2000）而关于硝酸盐矿床中氮的来源问题一直是个争论不休的问题，主要有以下观点和认识：

①有机物腐烂硝化；②鸟粪；③细菌硝化和固定；④电荷释放引起大气硝酸反应，或气体与火山岩反应；⑤火山成因氮化合物积累；⑥各种来源矿物的积累；⑦海洋浪花和大气层；⑧金属光化学反应。

关于地表水中的无机氮，很多人认为大气氮是其重要的来源，尤其是酸雨，在一些地区更是其重要来源，Bickly等（1979）的实验显示，氧化氮是大气条件或氧化条件下，N2在TiO2表面经光解作用形成的正常产物；后来，Kuliev等（1981）、韩建明（2006）、陈永志（2009）的类似实验也得到了相同的结果。研究显示，很少量的金属氧化物（TiO2、Fe2O3等）可产生相当数量的光化学作用（Hautala et al1981），Bohlke等（1997）根据稳定同位素研究，证实智利Atacama盆地和美国南加州死谷的硝酸盐中的氮属大气成因，秦燕（2010）、刘亚然（2013）根据氮氧同位素研究，表明吐哈盆地硝酸盐矿床中的氮属大气成因，与智利硝酸盐类似。2006年韩建明通过对新疆罗布泊铁矿湾硝酸盐矿床氮源研究，认为金属催化光化学反应是新疆地区固氮生氮的主要因素。

这些成因认识主要是在宏观层面上的推断和猜测，不论硝酸根来源于天上，或来源于地下，硝酸盐是如何富集成矿的至今还是一个谜。

大洼地硝酸盐矿床主要有用组分为NaNO3和KNO3，氮、氧是其主要组成元素，氮、氧同位素研究无疑是示踪硝酸盐来源，揭示硝酸盐矿床成因和形成机制的最有效方法。N在自然界以多种不同的形式和形态(气态、液态和固态)存在，在自然界中的分馏非常明显，变化范围很大，不同成因和来源的硝酸盐氮同位素组成明显不同。氮同位素已成为示踪土壤、地表水、地下水、大气和矿床中硝酸盐来源，研究大气光化学污染的形成机制、生物固氮机制，揭示氮循环和地球表面各圈层相互作用的重要途径和手段。硝酸盐的氧同位素，特别是氮、氧同位素综合研究，对于示踪其来源和形成条件，避免单种同位素分析结果的多解性具有重要意义。另外，硝酸盐是地球上少数几个具有明显氧同位素非质量分馏效应的矿物之一。非质量同位素效应可以揭示一些元素浓度甚至单个同位素比值无法揭示的特殊现象和规律，是国际上同位素地球化学研究的前缘和热点(李延河等，2002)，在国内尚属空白。

因此，通过系统的盐类矿物学、水盐体系平衡、地球化学、氮氧同位素和年代学研究工作，综合分析研究大洼地硝酸钾矿床的氧同位素非质量分馏效应和氧、氮同位素组成特征和时空变化规律，结合矿床地质特征及成矿年代，对查明该矿床硝酸盐的来源、硝酸盐的传输路径，揭示硝酸盐矿床的形成机制和关键成矿条件，估算各种成因硝酸盐的贡献大小，建立成矿模式，指导找矿具有重要意义。

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