柴达木盆地西部更新统砂砾型深层卤水钾矿成矿模式与找矿方向探讨*

李洪普，侯献华，郑绵平，樊 馥，刘溪溪，王淑丽

(1：青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室，青海省柴达木综合地质矿产勘查院，格尔木 816099) (2：中国地质科学院矿产资源研究所，自然资源部盐湖资源与环境重点实验室，北京 100037)

我国的钾资源短缺，仅占全球钾盐储量的5%，且以第四纪现代盐湖卤水钾矿为主，查明资源储量和基础储量逐年下降，现有钾盐开采矿区保障年限逐步降低，亟需在钾盐资源勘查及新的资源基地建设上加快步伐[1-4]. 2008年以来，柴达木盆地西部大浪滩-黑北凹地、察汗斯拉图凹地、昆特依凹地和马海凹地等相继发现的新型更新统砂砾型深层卤水，因其分布广、规模大、富水性较强、易开采等特征[5]，备受专家、学者和投资者的关注. 有研究者通过对大浪滩地区砂砾型深层卤水研究后认为，其是上覆的盐类晶间卤水在高压下运移至砂砾层而形成的[6]；也有学者在黑北凹地通过分析阿尔金山山前古近系和新近系含盐地层特征，将砂砾型深层卤水特征与地质构造、沉积演化历史相结合，提出该卤水中钾元素来源于山前上新统含盐地层，钾元素“承袭山前古盐”聚集成因模式[5, 7]. 另有研究者对黑北凹地砂砾型深层卤水形成提出不同看法，认为其形成与含盐地层和深部的第三系油田水、地热水沿构造裂隙上升运移到砂砾层中有关[8]；还有研究者对昆特依凹地砂砾型深层卤水分析后认为，该卤水是对深部古岩层以及地表晶间层卤水继承而成[9]. 这些仅对黑北凹地和昆特依凹地两个地区研究的基础上，提出的砂砾型深层卤水的成因，基本观点有3点：一是砂砾型深层卤水是晶间卤水运移至砂砾层后形成的，二是砂砾型深层卤水是地下水溶解古盐径流至深部的砂砾层后形成的，三是砂砾型深层卤水是深部的第三系油田水、地热水沿构造裂隙上升运移到砂砾层中形成的. 以上第1个观点和第3个观点无法解释水化学类型在晶间卤水中为硫酸镁亚型，第三系油田水为氯化钙型，而砂砾型深层卤水中为氯化物型；第2个观点指导柴达木盆地找矿中发挥了重要作用，但不能解释察汗斯拉图凹地从山前向湖盆中心，砂砾型深层卤水钾含量增加的原因；第3个观点不能解释锂和硼含量在第三系油田水中远高于砂砾型深层卤水这一现象. 砂砾型深层卤水勘查和研究工作的深入和资料的丰富为系统研究奠定了基础. 由于对柴达木盆地上更新统砂砾型深层卤水的成因认识有较大的争议，本文重点研究大浪滩-黑北凹地地质特征、元素球化学特征，并将卤水和古盐层同位素和成盐元素对比分析，进一步分析和探讨，总结砂砾型深层卤水钾盐矿地质特征与成因模式，以指导下一步该类型含钾卤水矿的找矿工作.

1 地质背景

柴达木盆地砂砾型深层卤水钾盐矿床地处塔里木-中朝板块的柴达木地块西部，位于青藏高原隆升带前缘，其北东以赛什腾山-宗务隆山断裂与南祁连褶皱系相连，北西以阿尔金走滑断裂与塔里木盆地紧邻，南部以昆北断裂与东昆仑造山带相接[10-11].

柴达木盆地中部存在着一条区域性断裂-柴中断裂，其形成于元古代，是柴南古陆核和柴北增生体之间的地壳缝合带，也是中、新生代以来控制柴达木盆地沉积中心转移的主要断裂之一[12]. 柴中断裂以北，古近纪、新近纪背斜构造与凹地相间发育，如南翼山、小梁山、尖顶山、大风山等背斜构造，其间分布大浪滩、黑北、察汗斯拉图、昆特依、马海等凹地；柴中断裂以南相对低洼，河流、湖泊发育. 这种独特的地貌特征为柴达木盆地西部、东南部第四纪以来的盐类矿产的形成奠定了基础(图1).

图1 柴达木盆地构造及采样钻孔位置图(1-正断层；2-逆冲断层(裂)；3-走滑断层(裂)； 4-性质不明断层(裂)；5-背斜构造；6-山峰；7-浅盐湖；8-新类型砂砾岩型卤水钾盐矿重点研究区； 9-地名；10-钻孔位置；11-87Sr/86Sr同位素采样位置；12-盐样采样点)[7]Fig.1 Location of structure and sampling borehole in Qaidam Basin [7]

在晚侏罗世燕山运动作用下，受大陆汇聚的影响，柴达木盆地局部坳陷，广泛沉积了河流相-湖相碎屑岩建造；在白垩纪盆地隆升，只在北缘的祁连山山前沉积一套红色粗碎屑岩建造，其从山前向盆地内部沉积厚度逐渐减薄，粒度逐渐变细[12]. 始新世末期-渐新世初期，喜山运动第一幕作用，印度板块向北朝欧亚板块俯冲，盆地周围隆升，盆地边缘发生扭张断陷，沉积了河流相-滨湖相-浅湖相碎屑岩建造；中新世初期的喜山运动第二幕作用，印度板块继续向北俯冲，盆地扭张断陷持续发生，沉积了滨湖相-中深湖相碎屑岩建造和膏盐岩建造；上新世末-早更新世初期，喜山运动第三幕作用，沿柴中断裂以北发育南翼山、尖顶山、红沟子、大风山、小梁山、黄瓜梁、黑梁子、长尾梁、碱山等多个北西向背斜构造，同时形成固相盐类矿物、高矿化度卤水和丰富的油气藏；更新世，在湖盆边缘的山前沉积了更新统冲洪积相砂砾层建造，向湖盆中心聚集了盐湖相沉积建造[13-19].

研究区山前分布冲洪积扇相砂砾层，其间赋存砂砾型孔隙卤水；沿冲洪积扇根部的基岩山区分布古近系和新近系岩盐层[20]；靠近湖盆中心地带的砂砾层上部覆盖逐渐增厚的盐湖相沉积层，其间赋存盐类晶间卤水；沿冲洪积扇前缘发育背斜构造，其内有古近系和新近系岩盐层，赋存构造裂隙孔隙卤水[5,7].

2 样品采集和测试方法

2.1 卤水样品的采集

卤水水化学分析样品和同位素样品采集对象是水文地质钻探施工揭露的砂砾型深层卤水，采样时为了保证卤水样品成分不受污染，在砂砾层上下隔水层中选止水位置严格止水. 卤水样品采集于研究区的大浪滩凹地梁ZK10(采集化学分析样品、锶和氢氧同位素样品)、黑北凹地黑ZK04(采集化学分析样品、锶和氢氧同位素样品)、察汗斯拉图凹地察ZK02(采集化学分析样品、锶和氢氧同位素样品)、昆特依凹地ZK10(化学分析样品)、马海凹地马ZK4010(化学分析样品)等多个水文钻孔，将砂砾型深层卤水含水层作为一个独立单元，用潜水泵抽至水槽中采集，每2～4 h采集1个样品. 水样瓶在取样前用蒸馏水冲洗干净，取样时再用所取的卤水冲洗至少3次，取样结束后及时将瓶口用胶布缠紧，在瓶身贴上标签，用透明宽胶带粘牢，取样体积为1000 mL.

古盐层化学分析样品和锶同位素样品采集于黑北凹地无名沟. 在下干柴沟、上干柴沟和下油砂山组的新鲜面中采集了岩盐化学全分析样品，3组样品采集间距约500 m. 古盐层锶同位素样品采集于下干柴沟组和上油砂山组新鲜面，样品间距约1 km(图1).

2.2 样品测试

氢(D)、氧(O)同位素测试由北京核工业地质研究院完成. 用高纯氦气(99.999%)对Flash EA元素分析仪进行冲洗，排除空气，以降低H2及CO本底. 当Flash EA元素分析仪的炉温升高到1380℃，本底降到50 mV以下时，进行样品测试. 卤水在装有玻璃碳的陶瓷管里与过量的C发生还原反应，生成供测试用的气体H2和CO，H2和CO在高纯氦气流的带动下，经过色谱柱分离后分别进入质谱MAT253进行分析. 测量结果以SMOW为标准，记为δDV-SMOW和δ18OV-SMOW，分析精度分别优于±1‰和±0.2‰；氢同位素参考标准为国家标准物质北京大学标准水，其δDV-SMOW和δ18OV-SMOW分别为-64.8‰和-8.79‰；兰州标准水的δDV-SMOW和δ18OV-SMOW分别为-84.55‰和-12.48‰.

锶同位素组成由南京大学TIMS VG-354同位素质谱仪组测试：标样NBS-987测得87Sr/86Sr平均值为0.710250(n=8). 所有的结果归一化到87Sr/86Sr=0.1194. 每个样品分析所得误差小于±0.05%，称取样品150 mg，用去离子水溶解，并离心分离去除不溶物，以排除其它矿物的影响.

硫同位素测试由中国地质科学院矿产资源研究所完成. 具体测试时将含有不超过100 μg硫的样品和3倍于样品的V2O5包在一个小锡舟里，自动进样系统每次投入燃烧反应器中一个锡舟，通入5 mL的纯氧气，使样品在1020℃下燃烧，燃烧产生的所有气体在氦载气流下带入并通过分层充填W2O3、CuO和Cu丝的氧化还原反应器，使所有气体充分氧化，同时使生成的少量S2O3通过Cu丝层时还原为SO2. 气体通过一根色谱柱(美国热电)将SO2和其它杂质气体分开后进入质谱仪测试. 硫化物及硫酸盐的硫同位素分析，仪器设备为美国热电公司的253plus 、Flash EA元素分析仪和Conflo IV多用途接口. 测试过程中采用IAEA-SO-5、IAEA-SO-6和NBS 127三种国际标准物质作为参考. 结果以相对国际标准V-CDT的δ34SV-CDT值来表示：δ34SV-CDT=[(34S/32S)样品/(34S/32S)V-CDT-1]×1000. 基于对标准样品的重复测量，δ34S的分析精度为0.1‰.

3 矿床地球化学特征

3.1 矿床常量、微量元素

图2 柴达木盆地砂砾型深层卤水Piper图Fig.2 Piper diagram of sandy gravel brine in Qaidam Basin

Piper图解上，样品落入菱形图解的右边界下部，可知几个凹地水化学性质相似，以氯化钠型为主[21-22](图2).

表1 柴达木盆地砂砾型深层卤水水化学组分

3.2 矿床特征系数值

从表2可以看出中，钾系数(K×103/∑盐)为5.65～12.75，钾氯系数(K×103/Cl)为9.3～20.74，镁氯系数(Mg×102/Cl)为1.20～6.12，钠氯系数(γNa/γCl)为0.79～0.92，溴氯系数(Br×103/Cl)为0.003～0.274，脱硫系数(rSO4/(rSO4+rCl))为0.01.

3.3 卤水Sr、S、H、O同位素

研究区87Sr/86Sr值在砂砾型深层卤水中为0.711307～0.711979，在岩盐层中为0.711383～0.711462(表3).

δ34S值变化范围为22.7‰～26.8‰，26个同位素样品的δD值变化范围为-58.1‰～-50.4‰，δ18O为-9.8‰～-2.8‰(表4,图3).

图3 氢/氧同位素分布Fig.3 Distribution of hydrogen/oxygen isotope

表2 柴达木盆地砂砾型深层卤水特征系数

表3 柴达木盆地砂砾型深层卤水Sr、S同位素值

表4 柴达木盆地砂砾型深层卤水氢氧同位素分析

4 成因分析及找矿方向

表5 柴达木盆地黑北凹地周缘固体盐和卤水盐类元素平均值对比

图4 柴达木盆地黑北凹地北缘固体盐和卤水盐类元素对比Fig.4 Comparison of solid salt and brine salt elements around Heibei depression in Qaidam Basin

钠氯系数是海水中具有最大稳定性的两对离子比值，反映了卤水中钠盐的富集程度[25]. 标准海水的钠氯系数为0.85，当地下水溶解地层时，其值不断增加，一般大于此值或接近于1，但当其溶解钾盐或石盐时，其值反而降低[26]. 研究区钠氯系数值为0.79～0.92，说明地下水与溶解径流区不同盐度的地层有关. 钾系数和钾氯系数反映卤水的富钾性. 地下水溶滤石盐时钾系数小于<5，钾氯系数<10；溶滤含钾石盐时钾系数为5～10，钾氯系数溶滤为10～20[27-29]. 研究区钾系数值为5.65～12.75，钾氯系数值为9.30～20.74，说明地下水溶解的古盐层中含钾. 镁氯系数反映卤水的浓缩程度，石盐和钾盐层溶滤卤水的镁氯系数一般小于0.16，只有在溶解光卤石岩和其它含镁硫酸盐型钾盐时，镁氯系数才有可能大于0.16[27]. 研究区镁氯系数为1.2～6.12，说明地下水溶滤的古盐层中含较高的硫酸盐，这与固体盐样分析结果较一致. 海水蒸发浓缩而形成的变质卤水其值大于3.4，其值小于1时一般为岩盐溶滤型卤水[26]，研究区溴氯系数为0.03～0.274，说明地下水为岩盐溶滤水. 脱硫系数反映地下水所处的封闭程度，该值越小，表明封闭程度越好，还原性条件越好[26]. 研究区脱硫系数值为0.01，和0接近，说明研究区卤水的脱硫作用强，卤水经历了长期的变质作用，这与砂砾型深层卤水在相对封闭的砂砾层中长期储存有关[30-33].

研究区梁中凹地、黑北凹地和察汗斯拉图凹地砂砾型深层卤水钾矿Sr同位素(87Sr/86Sr)数值范围在0.711307～0.711979之间，与野外露头古近纪-新近纪石盐87Sr/86Sr数值范围0.711383～0.711462接近[24]，说明早更新砂砾型深层卤水与古近纪、新近纪石盐有关. 氢氧同位素值和全球与柴达木盆地大气降水线比较，发生正偏移[34](图3)，这是由于研究区地层中碳酸盐(碳酸钙)岩或岩盐层(硫酸钙)中含氢矿物很少，δD值较低，而含氧矿物丰富，δ18O值高，当发生水/岩作用时，由于同位素交换对地下水的δD值影响不大，但相对δ18O趋于富集，其结果是使地下水的同位素组成在δD-δ18O图上向右沿水平或近似水平方向飘移(又称 “氧-18飘移”)[35-39]. 硫酸盐还原细菌的培养和自然状况下硫酸盐还原作用的研究结果表明，细菌硫酸盐还原作用造成的硫同位素范围为4‰～46‰，平均为21%[40-43]，研究区δ34S范围为22.7‰～26.8‰，说明其硫同位素分馏中细菌硫酸盐还有作用起了重要因素. 陕北盐盆中奥陶统马五段蒸发岩中石盐段硬石膏δ34S均值为25.41‰(25.03‰～26.04‰,n=3)，硬石膏δ34S均值为25.93‰(n=1)[44]，南翼山与古近纪以来关系密切的油田卤水中δ34S值为26.46‰[45-46]，由此不难推断，砂砾岩型卤水与古近纪及新近纪地(盐)层有密切关系.

综上所述，研究区靠近山前古盐层中由于溶解度的差异，产生凹地内砂砾型深层卤水成分的不同，从钠氯系数、钾系数、钾氯系数、镁氯系数和溴氯系数共同反映地下水溶解古岩盐层中的盐分后渗流至砂砾层形成砂砾型深层卤水这一事实，脱硫系数反映砂砾型卤水形成于封闭的还原环境；古盐层和砂砾型深层卤水之间的锶同位素、氢氧同位素和硫同位素也证实了砂砾型深层卤水与古盐层之间有渊源关系；总之，从地球化学特征方面，符合从盆地构造及沉积演化历史角度提出的砂砾岩型含钾卤水中钾元素为老含盐地层钾元素溶滤及演化聚集的“承袭”成因模式[5, 7, 45-47]. 由此可见，盆地中从始新世至上新世干旱条件下不断形成的岩盐层是物源，早更新世砂砾沉积层是成矿空间，周围地下水常年溶滤古近纪以来沉积的岩盐层中的盐类物质，渗流至深部砂砾层，在比较封闭的条件下形成高矿化度卤水，富集成为砂砾型深层卤水钾盐矿(图5).

图5 柴达木盆地西部砂砾层含钾卤水成因图解 (1-下元古界；2-渐新统下干柴沟组-上新统狮子沟；3-下更新统；4-全新统；5-钾长片麻岩；6-砂岩、 钙质砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等，具有石膏和石盐层；7-砂砾型深层卤水储层(冲洪积相砂砾石层)； 7-盐类晶间卤水储层(湖相、盐湖相沉积层)；8-隔水层(粘土层或泥岩)；9-逆冲断层； 10-性质不明断层；11-盐类晶间卤水(深蓝)和砂砾型深层卤水；12-隔水层)Fig.5 Genetic diagram of potassium bearing brine in sandy gravel layer in Western Qaidam Basin

因此，在下一步勘探工作中，鉴于砂砾岩型含钾卤水为古近纪以来的盐类地层溶滤的 “承袭”成因模式，以及山前冲洪积扇为主要储积空间特点，应优先选择古近纪以来盐类地层发育地区的上覆早更新世山前冲洪积扇体且盆地周缘深大断裂发育的地区布署深层砂砾型卤水勘查工作.

5 结论

1)察汗斯拉图凹地、马海凹地、昆特依凹地、大浪滩凹地、黑北凹地几个凹地早更新世砂砾岩型卤水水化学性质相似，水化学分类属氯化钠型.

2)砂砾型深层卤水与古近纪-新近纪古盐中的常、微量元素及锶同位素组成关系密切，反映一种渊源关系，结合钻孔施工结果，认为盆地中从始新世至上新世干旱条件下不断形成的山前或下伏岩盐层是物源，早更新世深层砂砾沉积层是成矿空间，周围地下水常年溶滤古近纪以来沉积的岩盐层中的盐类物质，渗流至砂砾层，在比较封闭的条件下形成高矿化度卤水，富集成为砂砾型深层卤水钾盐矿.

3)鉴于柴达木盆地西部砂砾岩型深层卤水成因模式特点，应优先选择山前或下伏古近纪以来盐类地层发育、早更新世山前冲洪积扇体以及深大断裂发育地区布署深层砂砾型卤水勘查工作.