地下浓缩卤水与“高山深盆”成盐环境

* 作者简介：帅开业（1946～），男，主要从事矿床学研究工作，教授。

E-mail ：shuaiky@ 收稿日期：2019-05-02 改回日期：2019-05-31
第41卷 第4期 化
工 矿 产 地 质 V ol.41 No.4
2019年12月 GEOLOGY OF CHEMICAL MINERALS Dec. 2019
地质·矿产
地下浓缩卤水与“高山深盆”成盐环境
帅开业*
中国地质大学（北京），北京 100083
提 要 在长期研究青海柴达木盆地现代钾盐矿床和云南兰坪-思茅盆地中新生代钾盐矿床形成原因的基础上，袁见齐教授于1983年提出了“高山深盆”的成盐理论。

本文进一步提出该模型可分为“深盆深水”和“深盆浅水”两种类型。

前者以邻近海水为主要补给，后者除海水之外，明显渗杂有富含钾、镁、钙的变质地下浓缩卤水，其中富钾卤水对“高山深盆”环境下钾盐矿床的形成意义不言而喻。

但目前最大的困难是，我们还不能像研究海水蒸发实验那样，完全解释清楚这种地下浓缩卤水的形成机理，希望有更多的学者对此开展研究。

关键词 地下浓缩卤水 “高山深盆”成盐环境 水盐体系相平衡
中图分类号：P619.211 P641.5 文献标识码：A 文章编号：1006–5296（2019）04–0225–04
钾盐矿床在学科分类上属于沉积矿产中的
蒸发岩类矿床。

蒸发岩是干旱气候条件和强烈阳光作用下，各种地表水体蒸发浓缩、进而析出不同盐类矿物的地质产物。

蒸发作用严格按照化学结晶顺序，从水体中依次析出碳酸盐、硫酸盐和氯化物，最有工业价值的钾盐矿物（通常是钾石盐和光卤石）只可能出现在卤水蒸发浓缩的末期阶段。

基于海水是盐类矿床最大物质补给来源的认知，人们通过不同温度下海水的露天蒸发实验，已经充分掌握了其水盐体系相平衡的规律，可以准确预知可能会出现的矿物种类和析出顺序。

然而，封闭条件下海水的蒸发结晶实验与大自然环境的千变万化相比未免过于理想和简单化了。

在世界钾盐矿床实例中，往往看到的是一些标准相区沉积物的缺失或矿物组合的变化，许多钾盐矿区几乎没有发现碳酸盐沉积，也找不到相应该出现的大量硫酸盐沉积。

对此，人们一般用成盐盆地发生构造运动导致卤水异地迁移来解释这种缺相现象。

但是，同已经发现的氯化物巨大资源量相比，可以看到同期沉积的碳酸盐和硫酸盐与海水蒸发应有的数量并不匹配，因而将海水视为钾盐矿床的唯一补给来源就令人产生了怀疑。

1 新近发现的地下浓缩卤水特点
随着科学技术进步和研究程度深入，近年来各地找钾工作有了许多新进展。

众所周知，溢晶石作为一种极易溶的盐类矿物，不可能从正常海水蒸发的最终产物中得到。

泰国、老挝钾盐矿层中大量溢晶石的存在，表明有非海相富含氯化钙的深部热液提供了重要的补给来源[1]。

在柴达木盆地西部，深层富钾卤水和大浪滩-黑北凹地砂砾储卤层含钾卤水的相继发现，为察尔汗钾盐矿床的物质来源提供了新思路[2]。

不仅如此，在四川平落坝、湖北江陵凹陷及川东等地都发现分布有高浓度的含钾热卤水，其与当地的盐类沉积是否存在一定的因果关系值得研究[3-5]。

在云南兰坪-思茅和老挝、泰国这个钾盐成矿带，微量元素Br 的分布规律与海水蒸发实验的数据相当相近，表明它具有基本的海相特征，但其它方面的研究表明，来自深部热卤水的补给也不容忽视，以致多源成矿说有了越来越多的声音[6]。

地下浓缩卤水这个过去被忽视的角色如今逐渐进入人们的视野。

瓦利亚什科[7]将地球内部分布的卤水分为两
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种类型：沉积卤水和溶滤卤水。

前者是过去存在的形成矿床的原生盐盆的母液，被埋藏保存下来；后者是地表水渗入地下通过溶滤盐体而形成的卤水。

找出两者化学成分和微量元素的差异，便可以将它们区分出来。

其中，ＥNa/ＥCl比值（Ｅ代表当量）是一个重要的区别指标，溶滤卤水其值往往等于1或大于1，而沉积卤水则远小于1。

人们习惯上称呼的“油田水”也属于这两种类型，唯一的差异在于它含有一定量溶解的有机物和有机成因的气体。

Pinneker[8]讨论了地下浓缩卤水的成因问题，认为浓缩卤水是指矿化度超过NaCl在水中溶解度值的矿化水，其矿化度可以大于350g/L。

由于深埋地下，温度、压力及水-岩作用影响，导致一些化学元素含量增加，形成具有工业价值的组分（溴、碘、钾、锂、硼等）。

在西伯利亚地台区，矿化度最高的浓缩卤水可达600g/L以上，主要成分是氯化钙和氯化镁，其含量大于氯化钠。

从成因上讲，Pinneker认为除了瓦利亚什科说的沉积卤水和溶滤卤水之外，还有第三种类型，即岩浆水或岩浆热液。

地下浓缩卤水是地质介质长期相互作用的产物，其转化包括许多复杂的过程，受许多因素的影响，尤其受构造作用的控制。

它既像地表水体，可以与异地不同成分的水掺杂混合；又不同于地表水体，需要在地下深部经历漫长的烘烤、迁移、溶解、萃取、结晶、沉淀、交代、变质等过程。

浓缩卤水资源的形成通常从含盐盆地的的原卤（沉积卤水）开始，强烈构造和岩浆活动对初期的沉积卤水保存特别不利，它会打破原先封闭隔离的状态，新渗入的大气降水和深部岩浆喷发的岩浆成因水会把原本和氯化物同生的沉积卤水冲淡驱离，使其原始面貌焕然一新，在有利条件下成为高浓度（经常表现为高温）的卤水，流入新的成盐盆地，加入新的蒸发成盐过程。

现在可以用热力学原理和古水文地质分析推断地下浓缩卤水的形成模式，可以用氦和氩同位素方法测定它的年代，用氢和氘同位素分析它与海水的关系，但是，仍无法解释不同成分浓缩卤水的形成规律。

换句话说，还不能像研究海水蒸发实验那样清晰的搞清楚地下复杂的水-岩体系的相平衡过程，这是今后需要努力的研究方向。

达布逊湖有大量光卤石沉淀，但流入该湖的主要补给河流是矿化度不足1g/L的格尔木河淡水，含钾量只有6.9mg/L，远低于柴达木盆地其它一些河流，如乌图美仁河（21mg/L），托拉亥河（19mg/L），小灶火河（9.4mg/L）和全集河（8.6mg/L）[9]，显然，单靠这些淡水的蒸发是不可能形成丰富钾镁盐现代沉积的。

相反，此区新近发现的深部富钾卤水或热液的补给，可能对整个柴达木盆地的钾盐成因是一个更好的解释。

同样的例子，可以在以色列死海盆地看到（图1）。

那里也是高山深盆的地形，有厚达数百米的石盐和钾盐沉积。

单凭现代流入死海盆地的淡水河流-约旦河是不可能生成死海巨厚盐层的，因为二者化学成分组合完全不匹配，蒸发作用不能帮助它进入到光卤石结晶相区。

Mazor[10]研究了沿死海西部断裂带200km 长分布的170多个高矿化盐泉的水化学特征，发现它们与标准海水和河流淡水均不相同，有些温度甚高，钾离子含量普遍在200~400mg/L，最高的达到2905mg/L。

他认为可能是原始海水沿断裂带侵入过程中与围岩和早期盐类沉积相互交代变质的结果。

2 “高山深盆”的构造背景为地下
浓缩卤水提供了理想通道
关于世界钾盐沉积盆地形成的大地构造背景，前人已做过大量分析。

一般认为可划分两种类型：稳定地块型和活动离散型[11-12]。

前者如加拿大泥盆纪的萨斯克彻温超大盐盆，后者如欧洲渐新世莱茵地堑盐盆和被大西洋扩张分离开来的巴西-刚果（布）白垩纪钾盐盆地。

中国老一辈的钾盐专家袁见齐教授在总结柴达木盆地钾盐成矿规律的基础上，提出了“高山深盆”的成盐成钾模式[13]，认为这是现代和古代离散型构造活跃地区（地堑或者裂谷）相当普遍的成盐环境，不仅能够创造出有利蒸发的气候水文条件，对盐类物质来源的聚集和沉积也提供了理想的空间。

相对于传统沙洲成盐说的“浅盆浅水”模式，高山深盆说可以进一步细分为“深盆深水”和“深盆浅水”两种类型（图2）。

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图1 死海盆地地形图（注意矿泉群的分布）
（据John Warren，2015）
Fig.1 Topography map of Dead Sea basin (Pay attention to the distribution of mineral springs)
图2 成盐模式图（依据John Warren原图修改）Fig.2 Two models of salt formation in “high mountains and
deep basins”(a and b) 2.1 “深盆深水”型
主要补给来源是附近的海水，通过有限狭窄通道周期性灌入，使盆地保持较高水位，在极端干旱情况下蒸发成盐。

其沉积一般具有明显的深水特征，如海底扇沉积和重力流斜坡沉积等。

典型例子是墨西拿期（距今7.25~5.33 Ma）的地中海，地壳运动和干旱作用使海盆逐渐收缩，形成比大西洋海平面低约2000m、四周被高山峻岭包围的高山深盆。

这个过程一开始可能是深盆深水，最后逐渐演变为干化的深盆浅水模式，具体情况还需要进行深入的研究。

2.2 “深盆浅水”型
虽然是浅水环境，但不排除有海水从断裂通道远程渗入，最大特点是陆源补给（地表和地下）明显增强，尤其是盆地边缘控盆断裂发育，为深部沉积卤水、溶滤卤水、地下渗流海水，岩浆热液以及各种混合水的溢出提供了良好通道，是活动离散型盆地不可忽视的重要物质来源。

青海察尔汗、云南兰坪-思茅的盆地可能都属于这种类型，只是跟海水的相关程度不同而已。

察尔汗是完全远离海水的内陆盐湖，而兰坪-思茅盐类沉积的地球化学研究表明，其来源与海水密切有关，但深部浓缩卤水补给的证据也不容忽视。

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3 结论
目前世界上已知的许多钾盐矿床，用单纯的海水蒸发模式不能完美地解释其形成机理和所含特殊矿物（溢晶石等）的存在原因。

各地越来越多地下富钾浓缩卤水的发现打开了新的思路，特别是在离散型拉张构造形成的“高山深盆”成盐环境下，深部浓缩卤水沿断裂带源源不断补给盆地并参加蒸发过程是完全可能的。

现在的困难是，那种具有工业价值的富钾高浓缩卤水的形成机制，尤其是那些在自然界地表根本见不到的、钙镁含量远高于氯化钠的超高浓缩卤水；它们是否扮演着深盆浅水盆地成盐成钾的重要角色等。

各种问题表明，太多的奥秘仍然被深埋地下，等待科学家们努力去探索。

参 考 文 献
1 张西营，马海州，唐启亮，等. 呵叻高原钾盐矿床溢晶石成因初步研究[J]．矿床地质，2010，29（增刊）：397-398
2 李洪普，郑绵平，侯献华，等. 柴达木西部南翼山构造富钾深层卤水矿的控制因素及水化学特征[J].地球学报，2015，36（1）：41-50
3 张成江，徐争启，倪师军，等. 川西坳陷平落坝构造富钾卤水成因探讨[J].地球科学进展，2012，27（10）：1054-1060
4 李亚文，蔡克勤，韩蔚田. 四川盆地三叠系蒸发岩的变质作用与富钾卤水的成因[J].现代地质，1998，12（2）：222-228
5 潘源敦，刘成林，徐海明. 湖北江陵凹陷深层高温富钾卤水特征及其成因探讨[J].化工矿产地质，2011，33（2）：65-72
6 李善平，马海州，陈有顺，等. 老挝万象盆地钾盐矿床微量元素地球化学特征及矿床的成因[J].地质通报，2010，29（5）：760-770
7 Valyashko, M.G. Highly mineralized waters in the Ssystem of natural waters, their genesis,peculiarities and distribution [J]. International Geological Congress, 1968, 23:137-140
8 Pinneker, E.V. The problem of the formation of underground concentrated brine[J]. International Geological Congress, 1968, 23:95-99
9 于升松. 察尔汗盐湖首采区钾卤水动态及其预测[M]. 北京：科学出版社，2000
10Mazor E. Genesis of mineral waters in the Tiberias-Dead Sea-Arava Rift Valley[M]. Israel. 1968
11 魏东岩. 试论钾盐矿床的成矿条件[J]. 化工矿产地质，1999，21（1）：1-6
12Warren JK. Evaporites: A Geological Compendium[M]. 2nd ed. Springer, 2015
13 袁见齐，霍承禹，蔡克勤.高山深盆的成盐环境—一种新的成盐模式的剖析[J]. 地质论评，1983，29（2）：159-164 Relationship between underground concentrated brine and the saline environment of “high mountains and deep basins”
Shuai Kaiye
China University of Geosciences(Beijing), Beijing, 100083, China
Abstract
On the basis of long-term study on the formation of the modern potash deposits in Qaidam basin of Qinghai province and the Meso-Cenozoic potash deposits in Lanping-Simao basin of Yunnan province, professor Yuan Jianqi put forward the salt formation theory of "High mountains and deep basins" in 1983. In this paper the author proposes that the model can be divided into two types: of “Deep basin deep water “and “Deep basin shallow water”. The former is mainly supplemented by nearby seawater, but the latter，in addition to the sea water, was obviously infiltrated with metamorphic underground concentrated brine rich in of K, Mg and Ca. The significance of underground brine rich in potassium to the formation of potassium in “high mountains and deep basins” is self-evident. However, the biggest difficulty at present is that we cannot fully explain the formation mechanism of this underground concentrated brine, as we have done in the study of seawater evaporation experiments.
Key words：Underground concentrated brine，High mountains and deep basins，Saline environment，Phase balance of water-salt system。