六盘山盆地白垩系蒸发岩矿床热水沉积成因初探①

何伟 刘芳 柴德亮 王金敏 李明涛 丁文明

1 宁夏回族自治区矿产地质调查院，宁夏 银川 750021

2 宁夏回族自治区地质局，宁夏 银川 750021

六盘山盆地位于宁夏回族自治区南部至甘肃省东部，盆地范围大致是 E105°～107°、N34°40′～37°10′，面积约1.3万km2。因其独特的大地构造位置，以及盆地巨厚的沉积地层，长久以来一直是开展青藏高原隆升过程等区域性构造演化研究的主要对象，是我国北方潜在的远景油气勘探区之一[1-6]，也是新近发现的陆相页岩气潜力区[7]。近年来，在盆地南部先后发现了大型蒸发岩矿床，主要以岩盐为主，伴生有芒硝及石膏矿，最大矿层厚度逾千米[8]。

蒸发岩的形成除受基本地质条件、溶液组成等的控制外，还可能受到盆地构造特征、卤水性质、成盐物质来源等多种因素影响。李秉孝[9]将影响成盐的主要外界因素，归纳为两种途经：即蒸发成盐和兑卤成盐。其中，蒸发成盐也是被广泛接受的成盐作用，成盐过程主要受气候条件、水体补给条件等因素控制。有关六盘山盆地大型蒸发岩矿床成因特征尚未开展针对性的系统研究。张磊[10]通过原型盆地的恢复，认为六盘山盆地早白垩世晚期的持续沉降，是巨厚层沉积物形成的主要原因；郑毅等[11]通过矿物学特征分析，认为蒸发岩形成于盆地气候干燥、湖水大量蒸发且物源丰富的基本条件下；宋新华等[12-14]基于六盘山盆地下白垩统六盘山群砾石成分、矿物学特征等分析，认为盆地蒸发岩为“高山深盆”成矿模式，推断盆地东部鄂尔多斯地块的奥陶纪岩组、西部的区域变质岩以及南部的祁连-秦岭造山带是白垩纪盆地沉积的主要物源供给区域。以上研究局限于对蒸发岩矿床形成的基础条件分析，即早白垩世晚期六盘山盆地抬升引起湖水浓缩导致矿物沉淀，而对于相对较短沉积时间范围内（约10Ma）巨厚矿层的成因研究较少。湖相热水沉积（也叫喷流沉积）是一种普遍存在的沉积作用[15]，如美国黄石公园[16]、东非裂谷湖泊[17]、中国云南腾冲热海[18]、酒西盆地[19]、三塘湖盆地[20]、鄂尔多斯盆地[21]、二连盆地[22]和准噶尔盆地[23]等陆相湖盆中均有热液活动的报道，本文通过对六盘山盆地蒸发岩矿石及其围岩的矿物学特征、元素地球化学特征、同位素特征分析，讨论盆地蒸发岩矿床热水沉积成因的可能性。

1 六盘山盆地地质概况

六盘山盆地基底由中元古界变质岩系、下古生界海相碎屑-碳酸盐岩系与上古生界碎屑-泥质岩系等构成，但不同区域基底构成有所不同：盆地西南缘为中元古界变质岩系；盆地中北部为下古生界次深海相碎屑-碳酸盐岩系，盆地东缘主要为下古生界浅海碳酸盐岩系。于基底层之上发育了四套沉积盖层，分别为上古生界泥盆系-石炭系-二叠系、中生界上三叠统-侏罗系、下白垩统、新生界古近系-第四系。其中，下白垩统分布最广，构成了六盘山盆地地层主体（图1），蒸发岩矿床赋存于下白垩统六盘山群顶部乃家河组。

图1 六盘山盆地区域地质简图Fig.1 Sketch map of regional geology of Liupanshan basin

盆地发育有多条深大断裂，六盘山西麓大断裂为盆地西南边界，也是华北板块与柴达木-中祁连板块的分界线，本质上是北祁连缝合带的东延部分[10]。盆地处于一个较为特殊的大地构造位置，整体叠加于华北陆块西南缘与北祁连-秦岭褶皱造山带交接构造带之上，具有复杂的构造变形特征，并且在其漫长的演化过程中与鄂尔多斯盆地密不可分。古生代以来，盆地先后经历了海西中期、海西晚期、印支早期、印支晚期、燕山早期、燕山晚期和喜马拉雅期7次古构造运动[24]。早白垩世，盆地经历初始裂陷充填、湖盆扩张沉降、湖盆萎缩消亡三个阶段，沉积了逾3000m厚的陆相地层。早白垩世晚期，盆地整体抬升、湖盆萎缩阶段沉积了最大厚度逾1000m的巨厚层含蒸发岩地层，在盆地南部形成大型蒸发岩矿床（图1）。

2 蒸发岩发育特征

六盘山群乃家河组整体为一套蓝灰、灰绿、紫红色泥岩、泥灰岩、灰岩夹石膏、岩盐层，其下岩段以泥岩、泥灰岩为主。本文主要研究的蒸发岩赋存于乃家河组上岩段，主要岩性为含岩盐泥岩、含岩盐白云质泥岩、含泥质硬石膏岩、含岩盐角砾泥岩、含岩盐钙芒硝岩、含岩盐硬石膏岩等组成，顶部主要为泥岩，其中紫红色含钠长石泥岩在局部地区构成蒸发岩矿层顶板，底板以含白云质泥岩为主。含岩盐泥岩、含泥质盐岩、含岩盐白云质泥岩是盆地南部大型蒸发岩矿床的主要赋矿岩石，所含岩盐矿厚度大、品位高，NaCl最高含量大于95%，是良好的工业用盐、食用盐原料矿床，已累计提交岩盐资源量100多亿t，芒硝资源量6亿t[11-14]。

含岩盐泥岩，透明-半透明状，粗晶结构，块状构造，镜下见有岩盐矿物溶解空洞（图 2，图中Hl为岩盐矿物）；含岩盐白云质泥质角砾岩，隐晶结构，碎裂状构造，镜下见有白云石颗粒不均匀分布，局部见少量钠长石，岩石碎块裂隙中充填岩盐矿物（图3，图中Hl为岩盐矿物）；含岩盐钙芒硝岩为灰白-白色，半透明-不透明，中-粗晶结构，块状构造，主要矿物为钙芒硝和少量岩盐，岩盐主要以脉状分布于裂隙中，镜下可见钙芒硝呈自形晶粒状，粒间镶嵌（图4，图中Gl为钙芒硝矿物）；含泥质硬石膏岩为灰白色，细-中晶结构，条带状或团块构造，部分呈纹层状条带状分布，并与沉积层理平行，镜下见少量钠长石，硬石膏呈团状集中分布，见有硬石膏包围钠长石交代钠长石（图5，图中Anh为硬石膏矿物，Ab为钠长石矿物）。

图2 岩盐矿物溶解空洞Fig.2 Dissolution cavity of halite mineral

图3 裂隙充填岩盐矿物（单偏光10×6.3）Fig.3 Halite mineral filling in rock cracks

图4 自形钙芒硝（正交偏光10×6.3）Fig.4 Self-shaped glauberite

图5 硬石膏与钠长石（正交偏光10×6.3）Fig.5 Anhydrite and albite

3 样品的采集与分析

本次研究在六盘山盆地南部蒸发岩矿采集岩心样品共40件。其中，4件为矿石样品，36件为含矿物围岩样品。对矿石样品开展了单矿物挑选、镜下矿物观察和鉴定，由中国地质大学（北京）科学研究院实验中心完成；同时，对挑选出的22件矿物样品（Y1-Y22)、2件围岩样品(Y23-Y24)采用电感耦合等离子质谱（ICP-MS）的方法在中国地质大学（北京）科学研究院实验中心测定了稀土元素、微量元素含量，测试方法主要依据《电感耦合等离子质谱方法通则DZ/T0223-2001》[25]，测试时温度为24℃，相对湿度为39%，分析精度优于5%；对29件矿物样品(L1-L29)、6件围岩样品(L30-L35)和2件围岩角砾(L36-L37)测定了其中硫同位素组成，测试方法主要依据《硫酸盐中硫同位素组成的测定DZ/T 0184.15-1997》[26]，测试精度 δ34S≤0.2‰，测试单位为中国地质大学（北京）科学研究院实验中心；选择4件矿物样品(S1-S4)、2件围岩样品(S5-S6)在中国科学院南京土壤研究所技术服务中心测定了87Sr/86Sr同位素比值，测试方法主要依据《表面热电离同位素质谱方法通则 JY/T004-1996》[27]，测得87Sr/86Sr=0.710224±8，n=10；另选 5件围岩样品(S7-S11)在武汉上谱分析科技有限责任公司测定了87Sr/86Sr和84Sr/86Sr，测试方法主要依据《表面热电离同位素质谱方法通则 JY/T004-1996》[27]，测得84Sr/86Sr=0.5648（n=11）。

4 元素地球化学特征

4.1 微量元素地球化学特征

从所采集样品分析数据可以看出（表1），六盘山盆地蒸发岩样品的微量元素含量普遍较低，并且分布特征与矿物成分关系较为密切。表现为岩盐样品中微量元素含量最低，除Pb、U两种元素含量略高以外，其余元素均低于硫酸盐样品含量。围岩样品微量元素含量普遍远高于岩盐、硫酸盐样品；但其中Cu、Mo含量稍低于岩盐、硫酸盐样品；Sr含量明显高于岩盐样品但远低于硫酸盐样品，这可能与Sr元素主要以硫酸盐形态赋存有关。Se、Mo两种元素在所有样品中平均含量较低且平均值较为接近，这可能与盆地蒸发岩沉积阶段水体较浅有关[28]。

与大陆上地壳的微量元素质量分数值相比，除Se元素在所有样品中含量均高于上地壳以外，六盘山盆地蒸发岩样品绝大多数微量元素的平均质量分数都低于上地壳（图6）。硫酸盐样品中仅有1个硬石膏样品Co含量略高于上地壳；1个钙芒硝样品Cu含量明显高于上地壳；2个钙芒硝样品Mo含量高于上地壳；6个样品As含量高于上地壳；多数样品Sr含量明显高于上地壳。岩盐样品中，1个样品 As含量高于上地壳；2个样品Mo含量高于上地壳；1个样品U含量略高于上地壳；其余全部低于上地壳。两个围岩样品除Ti、Ba、Pb、Sc、Zr、Th、Cu、Nb、Mo 九种元素和一个样品 Sr、Mn含量低于上地壳以外，其余均高于上地壳。具有陆源性质的元素Th、Zr、U、Ba均明显低于上地壳。

表1 六盘山盆地蒸发岩微量元素含量测试结果（×10-6）Table 1 Test results for trace element content of evaporite rocks in Liupanshan basin

续表1

图6 六盘山盆地蒸发岩微量元素蛛网图Fig.6 Trace elements distribution patterns of evaporite deposits in Liupanshan basin

4.2 稀土元素地球化学特征

稀土元素分析结果显示（表2），岩盐样品稀土元素总量最低，且分布较为稳定，ω（ΣREE）为 0.157×10-6～14.173×10-6，平均仅 2.799×10-6；硫酸盐样品稀土元素含量变化较大，ω（ΣREE）为 0.490×10-6～ 18.178×10-6， 加 权 平 均 值 为6.123×10-6，石膏、硬石膏中含量较高，芒硝样品含量较低；围岩样品稀土元素总量较高，其中灰色钠长石泥岩 ω（ΣHREE）为 135.922×10-6，紫红色钠长石泥岩ω（ΣHREE）为56.222×10-6。与大陆上地壳、原始地幔相比，六盘山盆地蒸发岩矿物及围岩样品稀土元素单元素含量、稀土元素总量以及地球化学特征与上地壳相差较大，而与原始地幔稀土元素特征较为接近。

稀土元素的分异程度高低可以反映沉积物沉降速率快慢[30]。根据本次所测试的盆地蒸发岩样品稀土元素含量值，并借助一定的计算方法求出六盘山盆地蒸发岩及其围岩样品稀土元素地球化学特征（表2），结果显示：LREE/HREE介于1.76～11.46，平均 4.95，分布较为稳定；（La/Yb）N变化较大，最低仅1.39，最高达256.64，加权平均为 11.50；（La/Sm）N介于 0.33～10.88，平均为2.00；（Gd/Yb）N变化也较大，最低为0.48，最高达76.41，平均为15.80。说明盆地蒸发岩轻、重稀土元素分异较为明显，并且重稀土元素相对分异更为明显。此外，样品的δEu介于0.65～3.60，整体接近或高于1，平均为1.06，显示出Eu正异常的特点；δCe介于 0.09～1.21，平均为 0.82，呈弱负异常。

以球粒陨石标准值对六盘山盆地蒸发岩样品进行标准化后，从稀土元素配分模式图（图 7，图8，图9）中可以看出分布曲线呈“右倾”形式。两个围岩样品稀土元素分布曲线“右倾”较为明显，表明轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，并且与南-西华山变质岩配分曲线较为一致，说明南华山-西华山一带为六盘山盆地早白垩世沉积地层的主要物源供给区。但岩盐、硫酸盐样品稀土元素配分模式曲线较为复杂，表现出明显的“四分组效应”，在稀土元素球粒陨石标准化分布图上以Nd、Gd（其中Gd为第二段和第三段的公共点）、Ho为分界点，将曲线簇分为 4段，构成明显的“WW”分布形状，说明在南华山-西华山一带变质岩作为主要物源供给区以外，蒸发岩沉积过程中还有其他物源的加入。

表2 六盘山盆地蒸发岩稀土元素分析结果及特征参数一览表（×10-6）Table 2 Analysis data of REEs of evaporite rocks in Liupanshan basin

续表2

图7 六盘山盆地岩盐样品稀土元素球粒陨石标准化配分模式图Fig.7 REE distribution patterns of halite samples standarded by chondrite in Liupanshan basin

图8 六盘山盆地硫酸盐岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分模式图Fig.8 REE distribution patterns of sulphate samples standarded by chondrite in Liupanshan basin

稀土元素的四分组效应偏离了其球粒陨石标准化平滑曲线的常规分布型式，它反映了岩石的特殊成因机制[32-34]。刘从强等[35]通过对过铝质岩浆体系中不相容元素的地球化学行为及机理分析，认为流体作用的存在可能是稀土元素“四分组效应”产生的主要原因。赵振华等[36]认为高演化的岩浆体系，岩浆与富挥发分(Cl、F和 CO2)流体相互作用，以及流体(包括热液)等都可能是形成稀土四分组的控制因素。胡古月等[37]认为这种地球化学异常是由于高度演化的岩浆处于硅质熔体和热液流体之间的过渡相，内部发生各种配位、络合和酸化反应所致。因此，盆地蒸发岩矿物稀土元素“四分组效应”的产生可能与深部热流体的作用有关。

4.3 同位素地球化学特征

4.3.1 硫同位素

根据岩盐、硫酸盐、顶底板围岩及含矿围岩硫同位素测定结果（表3），无水芒硝、钙芒硝及硬石膏硫同位素比较一致，并相对分布于低值段，均为正值，且比较集中分布于+13.8‰～+24.70‰，平均17.76‰。所有样品最高δ34S值为+24.7‰，各种矿物及不同位置上的硫酸盐硫同位素变化幅度极小，分布稳定。可见，无水芒硝、钙芒硝及硬石膏矿物硫同位素具有同源特征，而且是在相同的古地理沉积环境和物理化学条件下形成的。

岩盐中硫同位素仅一个样品测出了结果，为正值（10.95‰）。造成岩盐中未能检测出硫同位素的原因可能是由于S的化学特性所致，硫不易进入卤化物矿物中。

顶板围岩未能测出结果，表明其硫含量极低，与矿体和底板完全不同，说明在成矿期后其物质来源于含硫极低的源区；底板围岩及含矿围岩除部分未测出结果和负值外，硫同位素特征与硫酸盐基本相同，分布于+16.51‰～+26.17‰，均为正值，而且变化范围不大，表明该时期沉积物与蒸发盐矿物具有同源特征。

样品整体硫同位素较陆相高可能与物源供给区存在蒸发岩有关，也可能因为沉积盆地处于相对封闭环境，大量的厌氧细菌将硫酸盐还原为H2S或形成其它硫化物所造成的[38]，同时，也存在深部热流体与河湖水流混合的可能。

表3 六盘山盆地蒸发岩硫同位素组成Table 3 Sulfur isotope compositions of evaporite rocks in Liupanshan basin

4.3.2 锶同位素

原生沉积型岩盐、充填型岩盐及石膏、芒硝矿物和底板紫红色泥岩的锶同位素87Sr/86Sr比值分布范围为 0.707295～0.707413，其特征是底板紫红色含石盐白云质碎裂岩最小为0.707324，原生沉积型岩盐矿物次之为0.707368，充填型岩盐矿物稍大为0.707413；含泥质硬石膏钙芒硝岩、含石盐钙芒硝硬石膏岩、含钙芒硝白云质钠长石泥岩、含泥质角砾盐岩、含钙芒硝泥质角砾盐岩分布范围为 0.711686～0.712355，平均值为0.712137；顶板围岩钙质泥岩锶同位素87Sr/86Sr比值与其他样品完全不同，显示出较高的Sr同位素比值，反映陆源物质特征（表4）。

表4 六盘山盆地蒸发岩锶同位素特征Table 4 Strontium isotope compositions of evaporite rocks in Liupanshan basin

将实验结果与不同物质来源的锶同位素相对比（图10），可以发现蒸发岩矿物与海水的锶同位素组成十分接近，且与典型陆源盐岩相差较大；而围岩样品同位素组成与陆源沉积物较为相似，说明围岩沉积物源为陆源碎屑物。海水的锶同位素组成受大陆径流和深部幔源岩浆活动的影响，所以较低；而陆相河流湖盆等地区受壳源的影响，锶同位素值应高于海水[39-41]。六盘山盆地内陆湖相蒸发岩样品锶同位素组成与海水相似，显然不应是受海水的影响，可能与深部热流体的循环有关。

图10 不同物质来源的锶同位素组成[40-41]Fig.10 Strontium isotope compositions from different material sources

5 蒸发岩热水沉积成因分析

蒸发岩为化学沉积，是由水体在干旱气候下蒸发、浓缩、结晶、沉淀而成。六盘山盆地白垩纪早期属于内陆湖相沉积盆地[31]，因此盆地蒸发岩应为陆相沉积成因。但受湖泊补给水体来源的影响，蒸发岩矿床沉积物质来源可能并不单一，大气降水、溪水、河流、温泉、地热水、深部封存水以及来自于地幔与超基性岩平衡的水体等都有可能进入湖盆参与成矿，导致蒸发岩矿床物质来源的复杂多样性[42]。盆地蒸发岩见有纹层状、条带状结构，属于湖相热液的重要特征[43-49]；微量元素、稀土元素、同位素部分特征显示出其物源与围岩存在差异性，与兑卤成盐模式较为相似[9]，蒸发岩矿物的沉淀可能有深部热流体的参与。

根据稀土元素地球化学特征，盆地蒸发岩具有LREE相对富集、明显的Eu正异常特征和微弱的 Ce负异常特征，与现代海底热水系统流体及其沉积物的稀土配分模式类似[47-52]，指示矿石经历了与海底热水系统沉积物类似的形成过程，可能与沿断裂带上涌的深部热水有关。李秉孝认为，兑卤成盐源于不同浓度、组分的卤水混合，并且可能使得沉积矿物组合因为交代作用而复杂化[9]。综合矿物特征、元素地球化学特征、同位素组成特征等因素分析，早白垩世晚期，六盘山盆地整体抬升、湖水浓缩为蒸发岩的沉淀析出奠定了一定的环境基础，而沉积过程中深部物源的补充使得蒸发岩具有热水沉积、兑卤成盐的特点。深部岩浆活动所释放出的流体沿断裂带向地表运移，与沿断裂带下渗的水体发生混合，形成深部热循环水体，热水因为携带有大量金属元素、挥发性成分，而构成高浓度卤水，在进入湖泊水体时在湖底与温度相对较低的湖水混合，卤水中的阴离子、金属离子因兑卤效应产生沉淀形成蒸发盐岩层，与湖底泥质层相互叠加，这也解释了盆地蒸发岩具有一定的深水沉积特点；而卤水中未沉淀的部分盐类物质组份，在后期干旱气候条件下蒸发成盐。因此，六盘山盆地蒸发岩的形成具有蒸发成盐、兑卤成盐两种模式，属于多种盐源混合成盐，高纯度、巨厚层盐矿层与盆地深部岩浆活动引起的热水沿盆地周缘、内部深大断裂带上涌有关。

6 结论

（1）六盘山盆地蒸发岩微量元素、稀土元素含量大部分都低于上地壳元素含量，稀土元素特征与上地幔较为接近，围岩与蒸发岩矿物呈现不同的元素地球化学特征，显示出蒸发岩矿物与围岩沉积物源具有一定的差异，蒸发岩矿物的沉淀与深部异常热源的介入有关。

（2）蒸发岩轻、重稀土元素分异较为明显，呈现出Eu正异常、Ce弱负异常的特点。岩盐、硫酸盐矿物样品稀土元素配分模式曲线较为复杂，表现出明显的“四分组效应”，可能与热流体的作用有关。

（3）硫酸盐岩样品硫同位素值较为一致，具有同源特征；蒸发岩矿物与海水的锶同位素组成十分接近，与典型陆源岩盐相差较大，可能与深部热流体循环有关。（4）六盘山盆地蒸发岩在沉积过程中具有热水沉积的特点。热水上涌一方面与湖水混合通过兑卤促进了矿物的沉淀，一方面与沿途围岩发生水/岩作用，萃取其中矿物元素，作为蒸发岩矿物沉淀的物质来源。盆地周缘、内部的多条深大断裂为热水的上涌提供了通道。