淮安市盐矿成矿约束条件分析及远景预测

缪卫东, 周绍荣, 李小明, 吴进飞, 尚通晓

(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210008;2.淮安市地质矿产勘查院,江苏 淮安 223001)

0 引言

20世纪80年代,淮安地区开展了较大规模的盐矿勘查工作,这些工作查明淮安市的NaCl资源储量约为199亿吨,洪泽盐盆的Na2SO4资源储量约5.7亿吨。截至2019年底,淮安市盐硝矿山企业累计采出岩盐矿石量1.52亿吨,折合固体NaCl量1.03亿吨;采出芒硝矿石量0.48亿吨,折合固体Na2SO4量0.41亿吨①。

可见盐矿资源很丰富,但终有开采枯竭的时候,同时考虑到对环境的影响,也不能无休止开采,需尽快考虑后备岩盐矿的探查,而搞清楚盐矿成因对以后的找矿方向将起到很好的指导作用。

盐成矿的模式和相关研究较多,19世纪提出的浅水浅盆成盐即传统认识上的湖水蒸发浓缩成盐——“沙洲说”与“沙漠说”,为海相和陆相盐类成因研究奠定了理论基础[1]。20世纪50年代以后,成盐理论快速发展,“风成说”、“分离盆地假说”相继出现, R.F. Schmalz等[2-4]的“深水成盐理论”, L.A. Hardie等[5-6]的“萨布哈成盐”, K.J. Hsu[7]的“干化深盆说”,以及“高山深盆、振荡干化、分离盆地同步分异”[8]、“多级盐湖成盐模式”[9]和“潮上萨布哈和水下浓缩沉淀型”[10]等。

针对淮安市盐矿有较多研究和论述,主要集中在盐矿赋存层位[11]、构造[12-13]、岩性、产状、品位[14-15]、开采历史[16]和现状[17-20]等,形成环境和成因[21-22],尤其物源探讨有限。实际工作中发现对盐矿的成因众说不一,同时很多工作者甚至是专业技术人员对盐矿区内断裂存在与否亦有一定争议,此导致对很多当地与盐矿相关的地质环境问题产生不同的见解。为此,本次在盐矿区开展了一些二维地震勘探工作(图1),试图通过本次工作和相关资料的总结和思考,对淮安市盐矿区盐矿约束条件、盐矿内断裂状态及盐矿的成因做一定的探讨。

图1 盐矿区分布图及二维地震线位置

1 盐矿区地质概况

淮安市盐矿包含淮安盐盆盐矿和洪泽盐盆盐矿。其中,淮安盐盆盐矿包含4个矿区,洪泽盐盆盐矿包含2个矿区。大地构造位置上,洪泽盐盆盐矿位于洪泽凹陷的赵集次凹中,在赵集次凹的西南边还有两个次凹管镇次凹和津里次凹,均位于洪泽凹陷中;淮安盐盆盐矿位于淮安凸起上的次凹中(图2)①。洪泽凹陷和淮安凸起又均位于苏北盆地中的盐阜坳陷带中,盐阜坳陷带北为鲁苏隆起区,南接建湖隆起。

图2 淮安市盐矿所处大地构造单元位置图

淮安盐盆盐矿和洪泽盐盆盐矿,两者在区域上相近,其区内地层和含盐层不同。

淮安盐盆地层自上而下依次为第四系(Q)、新近系盐城组(Ny)、上白垩统赤山组(K2c)、浦口组(K2p)等。淮安盐盆含矿地层为浦口组,而含盐系主要赋存于浦口组二段(K2p2)中。

洪泽盐盆内地层自上而下依次为第四系(Q)、新近系盐城组(Ny)、古近系三垛组(E2-3s)、戴南组(E2d)、阜宁组(E1-2f)和泰州组(E1t)等。洪泽盐盆含矿地层为阜宁组,其阜宁组四段(E1-2f4)为含盐系。

2 盐矿成矿约束条件讨论

2.1 盐矿所处地块相对稳定完整

本次为探查盐矿区地层展布及断层情况,布设了二维地震勘探线,其中在淮安盐盆的谢碾矿区布设一条ES向穿过矿区的勘探线,长度6.55 km,结果显示盐矿区内含盐地层连续,断层不明显,仅在边部存在次级断裂(图3);在洪泽盐盆的赵集矿区布设了近SE向勘探线,长度8.95 km,地震解释结果见图4,显示盐矿区所处地层连续,仅在北侧有小的次级断裂存在。再结合淮安市基岩地质图(图5),同样看到淮安盐盆和洪泽盐盆的盐矿区所在区域内断裂均不明显,盐矿区周边存在断裂,也就是说盐矿区所处位置在断层相对较少的地区,断裂约束了盐矿的分布①。

图3 淮安盐盆盐矿区二维地震勘探结果图

图4 洪泽盐盆盐矿区二维地震勘探结果图

图5 工作区基岩地质图

另外,淮安盐矿和洪泽盐矿分别位于盐阜坳陷带中的淮安凸起和洪泽凹陷中,皆存在于凸起或凹陷的次凹中。

2.2 盐矿发育地层及沉积环境

2.2.1 盐矿发育地层

淮安盐盆盐矿和洪泽盐盆盐矿的发育地层如下:

淮安盐盆含矿地层:于上白垩统浦口组二段(K2p2)中。其岩性组合特征可划分为3个岩性亚段,分别为上盐亚段、中淡化段和下盐亚段,其中浦口组二段上盐亚段(K2p2-3)为主要含盐地层。上盐亚段又可分为4个岩性组合,其中第三、四组合是区内主要岩盐工业矿体,最多可见24层可采工业矿层。

含盐层由含矿层和淡化层相间组成,含盐层一般为灰色细晶薄层状石盐岩,含粉砂、钙芒硝,纹理清晰,质地较硬。夹层(淡化层)一般为粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩等,含钙芒硝,一般夹层顶部含钙芒硝。矿区主体含盐层顶板埋深630～1200 m,含盐层厚度300～1200 m。

洪泽盐盆含矿地层:阜宁组四段(E1-2f4)为含盐系,据其岩性组合特征可划分为5个岩性亚段,分别为盐下膏盐亚段、下盐亚段、中淡化亚段、上盐亚段和盐上膏盐亚段。其中上盐亚段(E1-2f4-4)是区内主要的岩盐工业矿体,最多可见5层可采工业矿层,岩性以灰色岩盐为主,夹灰色、棕色泥岩和钙芒硝岩;下盐亚段(E1-2f4-2)是区内主要芒硝、岩盐工业矿体,最多可见13层可采工业矿层。

阜宁组四段主要岩性特征:上部以灰色泥岩、泥质白云岩、岩盐、硬石膏为主;中上部泥岩、岩盐、无水芒硝岩组成韵律互层;下部以灰色泥岩、白云质泥岩为主,夹岩盐;底部为岩盐夹钙芒硝岩。矿区主体含盐层埋深1100～2500 m,含盐层厚度一般200～400 m。

2.2.2 盐矿沉积环境

两个盐盆中含盐地层虽有不同,但其含盐地层的岩性组合有很大的相似性,即含盐层均由含矿层(含石盐层)和淡化层组成,且呈互层状态存在,即呈现的是泥岩(粉砂岩)-石盐岩-泥岩(粉砂岩)-石盐岩-泥岩(粉砂岩、膏泥岩)-石盐岩的互层,盐矿分布范围也呈明显的环状结构,指示均为湖相成因,而泥岩中普遍含有石膏和芒硝等指示干旱气候的成分,略有差异的是淮安盐盆的淡化层(或者称夹层)偶有粉砂岩。两个盐盆的岩性组合(含钙芒硝、石膏)均指示干旱蒸发湖相的沉积环境,淮安盐盆岩性组合含有少量粉砂成分而较洪泽盐盆略粗,提示洪泽盐盆所处时期的气候更加热和干燥。

2.3 气候条件约束

气候是本次考虑的另一个重要因素,其相关研究也很多。古近纪是被认为最重要的气候转折期之一,白垩纪中期至古近纪早期是显生宙典型的“温室气候”时期。古近纪中晚期开始,则转变为“温凉气候”[23-25]。总体上可划分为三个阶段:古新世—始新世早期的升温期,此时全球海平面基本稳定不变,在始新世早期全球海平面快速上升;始新世中期—始新世末期的稳定降温期,全球海平面缓慢下降;渐新世早期,南极冰盖形成。全球气温急剧下降,全球海平面快速下降。在此期间发生了三次显著的气候事件,分别是PETM极热事件、Oi-L骤冷事件和Mi-L降温事件[26-28](图6)。

图6 全球古近纪古气候变化事件及构造运动事件(据文献[25]修改)

综上可以看出,白垩纪和古新世也就是本区主要含盐物质成矿时期,气候相当干燥和温热,特别是古新世升温期,更利于海水蒸发从而快速形成盐矿。同时,海平面基本稳定不变,海水就可能时进时退,这样的条件也利于盐矿的形成。两个盐盆成矿时期虽然有先后,但当期的气候均属于干旱温热气候。古新世的升温从另一个角度解释了洪泽盐盆的盐矿含盐度高于淮安盐盆盐矿含盐度的原因。

2.4 盐矿物源讨论

陆相盐湖中盐类物质来源主要有三种:①海源,主要由海侵海水或者残留海水提供;②陆源,地表风化岩石中的盐类被地表水和地下水携带入湖[29];③深成盐源,火山或岩浆活动[30]、天然水热溶液循环、深层卤水等[31]

淮安市盐矿成因争论较多,特别是对洪泽盐盆盐矿(亦称赵集盐矿)的成因存在较大争论。如有观点认为阜宁组四段盐岩是由地表岩石风化淋滤、海侵残留水和深层卤水等多个盐源供给下,在干旱的气候条件下,湖水经蒸发、浓缩、沉淀形成[32-33]。也有学者认为“赵集次凹阜宁组四段(E1-2f4)盐岩应为淮安凸起上白垩统浦口组(K2p)盐岩经溶解搬运至洪泽凹陷赵集次凹深水湖盆中,使盐度过饱和后再沉积成因。”[34]。以往研究对淮安盐盆的成因似乎很少探究,是已经形成共识了吗?这个共识是什么?并没有直接的答案。

上述观点,一个倾向于赵集盐矿的物源主要是来源于已有含盐层的溶蚀聚集;一个是认为既有海源,也有陆源,还有深成盐源。本次研究认为,洪泽盐盆盐矿应该和淮安盐盆盐矿的物源是一致的。即均是滞留海或潟湖的后期沉积作用所致,即潟湖或者滞留海才是物源的最大可能,只是沉积成盐矿的时间不同而已。认为溶蚀已有含盐层的观点,主要理由是说白垩纪有大量含盐层,二是说赵集盐矿的含盐度要明显高于淮安盐盆。这两点均值得商榷,首先苏北盆地的白垩纪地层并不是处处含盐,只是少量特定的区域有含盐层。第二,洪泽盐盆盐矿含盐度高于淮安盐盆盐矿的证据也不可靠,即便两者有差异,也不能肯定是含盐度不高的聚集到含盐度高的地方,更大的可能是不同时期不同位置的海水浓度可能就有差异,沉积时环境的变化也会引起差异。

本次通过对以往资料分析及总体沉积环境判断,认为本区盐矿形成的环境应该经历了海相—陆相的过程,具体应该是从滨浅海相 → 潟湖相 → 湖相 → 埋藏成盐层 → 富集成矿的过程。

以往工作和研究中很少有海相的直接证据,主要可能是盐矿本身成盐过程的高盐环境及后期的结晶作用难以保存微体古生物化石,但据微体古生物资料和水平面的升降分析,苏北盆地在泰州组至阜宁组四段沉积时期发生了三次逐次增强的海侵,且与全球范围内海侵同步[35]。而且,同样位于洪泽凹陷中的管镇次凹中阜宁组中发现海相化石多毛纲虫管化石、底栖有孔虫、新单角介、鲱鱼化石等,表明阜宁组四段(E1-2f4)受过海侵影响[36]。阜宁群沉积时期有海水侵入,两次海侵的显著影响分别见于阜宁组二段中部和阜宁组四段上部,海侵发生时,沉积区大部分转变为潟湖或河口湾环境[37]。另外,苏北盆地白垩纪含盐地层浦口组盐上段和盐下段砂岩中普遍见自生矿物海绿石,反映其曾经历过海相环境[38]。虽然有观点认为海绿石亦可以生成于其他如深湖环境[39],但海相环境是它的主要环境,因而无法排除本区经历过海相的环境。淮安盐盆和洪泽盐盆处于苏北盆地北边缘,位于盐阜坳陷带中,提供了海洋水流(也就是含盐物源)的通道。有理由认为淮安盐盆和洪泽盐盆在不同时期因为周边有低凸起分隔,水力联系时断时续,使得不同时期的季节性海侵水在处于最低位置的淮安次凹和赵集次凹中得以留存并进一步浓缩,成为盐矿物源的重要补充。

2.5 构造影响及沉积过程讨论

有观点认为:阜宁期洪泽凹陷位于苏北一南黄海陆相滨海盆地的西北角。南部为建湖隆起,地貌上呈现为山地形态,阻挡了与东台拗陷盆地的大部分水力联系,只在建湖隆起的西南倾伏端有水道相连通。洪泽湖盆地北及西北部为鲁苏古隆起山地;东部是淮安凸起,为中生代断陷盆地,始新世开始持续抬升遭受剥蚀;西南部为张八岭隆起和郯庐断裂带。总体上古地貌形态是四周为隆起山地屏障,缺乏与外部的联系,自身封闭性良好。因而逐渐独立发展成为一个咸水—半咸水的“高山深盆”的独立景观。盆地内部由于基底构造分异和边界断裂活动性的差异,使其逐渐形成3个次凹,断陷深度由南西向北东逐渐加深,其间有低凸起分隔,使3个次凹间水力联系时断时续。赵集次凹处于地势最低的部位。为聚盐创造了较好的古地理环境。断陷深凹一侧紧邻断裂带,形成断陷内部的局部增温,强化了区域上的干旱气候的蒸发作用[32]。

本次研究认为:所谓的“高山深盆”在本地应该也是不存在的,白垩纪地层和阜宁组在沉积时并没有高差很大的证据,更大的可能是一个地方不下沉、一个地方相对下沉,才导致阜宁组的沉积和白垩纪地层残留的状况。这种地层的缓慢下沉和间断以及反复是本区含盐层沉积的一个重要特征,因为其提供了含盐物质沉积的场所以及促成其后的在合适地方沉积和保存。也因为这种反复造就了含盐地层的粉砂岩、泥岩(膏泥层)、石盐层等的反复出现。所谓的夹层为膏泥层和泥岩粉砂岩等,其中膏泥岩是干旱盐湖沉积由于溶解度差异比氯化钠、硫酸钠等先沉积的物质,泥岩粉砂岩则是由于物理分异作用先沉积的物质或者是间断期含盐物质少或不含盐物质沉积的产物。

淮安盐矿和洪泽盐矿分别位于淮安凸起和洪泽凹陷中,虽然位置有差异,但均在盐阜坳陷带中,同时,两者皆存在于凸起或凹陷的次凹中,即次凹提供了盐矿的赋存空间。

当然,周边含盐地层的溶蚀补给也是有可能的,但因为所谓的含盐地层白垩纪地层并不是处处含盐,所以占的比例应该不大。主要还是涌入本区的海水形成滞留海或者潟湖提供盐矿物源,在漫长的沉积过程中聚集成盐矿。

2.6 盐矿成矿模式探讨

综上地质条件总结洪泽盐盆和淮安盐盆的异同点,可以看出两个盐盆虽在不同位置,却均在盐阜坳陷带中,且均在各自地块的次凹中;成矿层位虽有差异,但均呈含盐层和淡化层的互层,岩性组合基本一致,沉积相一致;虽然两个盐矿属于不同的地质时期,但当期气候均属于干燥温热气候(表1)。因此,有理由认为洪泽盐盆和淮安盐盆成因是类似的。

表1 淮安市盐矿异同点

鉴于盐矿层很厚,规模巨大,结合其他地质条件认为淮安盐盆和洪泽盐盆盐矿物源是一致的,潟湖或者滞留海是物源的最大可能,只是沉积成盐矿的时间不同而已;不同时期的海水的成分差异、沉积时环境的变化引起含盐度的差异;海水多次的入侵,提供了丰富的含盐物质;主要含盐物质成矿时期,气候相当干燥和温热,特别是古新世是升温期,更利于盐矿的快速形成。以上因素共同作用,形成了如今的淮安盐盆和洪泽盐盆。

综上所述,总结成矿模式如下:淮安市盐矿是在白垩纪晚期至古近纪早期漫长的地质历史时期,由涌入本区的海水形成滞留海或者潟湖,提供了丰富的盐矿物源,后经干燥气候蒸发浓缩,再经历埋藏成矿。

通过对周边沉积环境及构造地层情况分析,洪泽凹陷中两个小次凹管镇和津里次凹及涟北凹陷和涟南凹陷等可以重点关注,它们所处的构造位置、环境、地层(均含阜宁组)和赵集次凹的洪泽盐盆的盐矿有很大的相似性。当然,由于管镇和津里次凹的深度和规模偏小,其成矿的规模可能也偏小。涟北凹陷和涟南凹陷以往工作较少,值得进一步工作,其中的次凹是应该重点关注的地方。

3 结论

(1)淮安盐盆盐矿发育于淮安凸起中,洪泽盐盆盐矿发育于洪泽凹陷中,两者均发育于盐阜坳陷带中,且均赋存于各自构造单元的次凹中,盐矿区内断裂不明显,所处地块相对完整。

(2)淮安盐盆盐矿和洪泽盐盆盐矿虽然发育于不同的时期,但均经历了有利于盐成矿的类似的干旱温热气候。

(3)淮安市盐矿是在白垩纪至古近纪漫长的地质历史时期,由不定期多期次涌入本区的海水形成滞留海或者潟湖,提供了丰富的盐矿物源,后经干燥气候蒸发浓缩,再经历埋藏成矿。

(4)具有类似成矿地质条件的管镇次凹、津里次凹及涟北凹陷和涟南凹陷中的次凹中有盐矿成矿的可能。

注释：

① 江苏省地质调查研究院. 淮安市盐矿地质条件与溶腔利用前景综合研究[R]. 2021.