高 翔, 方勤方, 姚 薇, 彭 強(qiáng), 董 娟, 秦 紅, 邸迎偉

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院, 北京 100083

云南蘭坪—思茅盆地勐野井鉀鹽礦床物質(zhì)組分對(duì)成因的指示

高 翔, 方勤方, 姚 薇, 彭 強(qiáng), 董 娟, 秦 紅, 邸迎偉

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院, 北京 100083

云南蘭坪—思茅盆地勐野井鉀鹽礦床是我國(guó)目前唯一的古代固體鉀鹽礦床。長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為該礦床為海源陸相成因, 也有人提出成礦物質(zhì)還有其他來(lái)源, 但并未給出確鑿的證據(jù)。為了查明該礦床的物源及成因, 本文采用XRD、ICP-MS、電子探針(EPMA)和顯微鏡等方法對(duì)云南江城勐野井鉀鹽礦床物質(zhì)組分進(jìn)行研究, 并在此基礎(chǔ)上, 對(duì)礦床的成因進(jìn)行剖析, 指出成礦物質(zhì)來(lái)源于兩個(gè)方面。一為海水。微量元素Br在勐野井組鹽層中的均值為 578×10-6, 遠(yuǎn)大于 200×10-6, 指示海源; 同時(shí)在底板扒沙河組石英砂巖中存在少量海相礦物——海綠石。二為深部熱液。勐野井組灰綠色泥巖中存在大量富含鈷鎳的黃鐵礦; 其次, 鹽層裂隙的充填物出現(xiàn)含鈷鎳的羥碳鈷鎳石; 同時(shí)在扒沙河組砂巖中普遍見(jiàn)到含銅礦物——藍(lán)銅礦和孔雀石等。由于該礦床地處強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)帶, 這些富含Cu、Co、Ni的礦物指示, Cu、Co、Ni等金屬元素來(lái)源于深部熱液。因此, 云南勐野井鉀鹽礦床除海水提供成礦物質(zhì)外, 深部熱液亦為礦床的形成提供了重要物源。

成因; 深部熱液; 海水; 勐野井鉀鹽礦床; 云南蘭坪—思茅盆地

云南江城勐野井鉀鹽礦床是我國(guó)目前唯一的古代固體鉀鹽礦床, 該礦床位于蘭坪—思茅盆地。20世紀(jì) 60年代初至 90年代中期, 國(guó)家曾多次組織相關(guān)部門(mén)和單位對(duì)該盆地開(kāi)展了大量的調(diào)查和研究工作, 取得了豐碩成果, 在盆地的富鉀層位江城縣勐野井組, 發(fā)現(xiàn)可供工業(yè)開(kāi)采的小型固體鉀鹽礦床,鹽類(lèi)礦物組成以石鹽、鉀石鹽為主, 以及少量光鹵石、菱鎂礦、石膏、硬石膏、α-方硼石和3A型氯硼鈣石等(張嘉澍等, 1980; 許效松等, 1992)。由于勐野井鉀鹽礦床是我國(guó)羌北—滇西鹽類(lèi)成礦帶上的典型鉀鹽礦床, 加之其前期地質(zhì)工作基礎(chǔ)和工作條件較好, 被列入國(guó)家新一輪找鉀的主要靶區(qū)之一(鄭綿平等, 2012), 各方面成果不斷涌現(xiàn)(袁秦等, 2013; 苗衛(wèi)良等, 2013)。但關(guān)于勐野井鉀鹽礦床的成因眾說(shuō)不一, 主流觀點(diǎn)認(rèn)為是海源陸相(曲一華等, 1998),也有人提出成礦物質(zhì)還有其他來(lái)源(肖章程等, 2009;張從偉等, 2010), 遺憾的是并未給出真實(shí)、確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用以支撐該觀點(diǎn)。本文以該礦床含礦層位勐野井組及其底板扒沙河組的物質(zhì)組分為研究主線,對(duì)礦床成因進(jìn)行綜合分析, 以期獲得有關(guān)礦床成因的真實(shí)、全面的信息。

云南江城勐野井鉀鹽礦床位于蘭坪—思茅盆地,該盆地地處西部瀾滄江縫合線與東部金沙江縫合線之間, 受瀾滄江深斷裂和金沙江—哀牢山深斷裂的夾持, 呈北西—南東向帶狀展布(圖 1), 地勢(shì)為北高南低, 且向南延伸進(jìn)入老撾、泰國(guó)境內(nèi), 與呵叻盆地相接。蘭坪—思茅盆地蒸發(fā)鹽礦床分布廣泛, 因中部馬登凸起的存在, 將盆地分為北段的蘭坪凹陷和南段的思茅凹陷, 并查明因受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓的影響,呈現(xiàn)出盆地南部的含鹽(鉀)性優(yōu)于北部的趨勢(shì)。本文研究區(qū)即位于南部思茅凹陷的江城縣寶藏鄉(xiāng)境內(nèi)勐野井鉀鹽礦床。

勐野井鉀鹽礦床的礦石類(lèi)型按顏色分為紅鉀、綠鉀、青鉀和薄層白鉀四種(見(jiàn)圖 2)。前三者均為細(xì)晶結(jié)構(gòu), 鉀石鹽是其中的主要鉀鹽礦物, 呈浸染狀分布于石鹽顆粒之間, 或沿鹽裂隙充填呈細(xì)脈狀產(chǎn)出。紅鉀、綠鉀和青鉀中鉀石鹽的含量范圍為3～30 wt%, 變化較大, 這三類(lèi)礦石在勐野井鉀鹽礦床中普遍存在,目前礦山開(kāi)采的礦石主要是這三種類(lèi)型。第四種白鉀為中粗晶結(jié)構(gòu), 顆粒粗大, 具重結(jié)晶特征, 該白鉀呈薄層狀產(chǎn)出, 鉀石鹽含量高達(dá) 90 wt%, 但此類(lèi)礦石在勐野井鉀鹽礦床中所占的比例甚小。

下面就礦床的物質(zhì)組分特征對(duì)礦床成因的指示做詳細(xì)介紹。

1 樣品采集和測(cè)試方法

本文所用鹽層樣品和泥巖樣品取自勐野井井下670 m巷道、640 m巷道和628 m巷道, 勐野井組底板砂巖樣品取自地表扒沙河組石英砂巖露頭剖面。共采集樣品40個(gè), 用于如下分析測(cè)試。

圖1 云南蘭坪—思茅盆地構(gòu)造分布略圖(曲一華等, 1998)Fig. 1 Tectonic distribution in Lanping-Simao Basin(after QU et al., 1998)

采用 X射線粉末衍射儀(XRD)對(duì)樣品進(jìn)行礦物相分析, 儀器為日本理學(xué)公司的 D/Max-RC型, 筆者在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)粉晶 X射線衍射室完成。實(shí)驗(yàn)條件為: CuKα1, λ=1.5406 ?, 石墨單色器, 管壓40 kV, 管流 100 mA, 連續(xù)掃描, 狹縫系統(tǒng) DS=SS=1°, RS=0.3 mm, 掃描范圍為 3°～70°, 掃描速度為 6°/min。用瑪瑙乳缽將樣品磨至 325目, 裝在玻璃凹槽樣品座中壓制成平板狀待測(cè)。

微量元素采用質(zhì)譜分析, 儀器為美國(guó)熱電公司的X-series質(zhì)譜儀, 由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)質(zhì)譜分析室秦紅工程師完成, 檢出限為＞0.05×10-6。

電子探針微區(qū)化學(xué)成分分析(EPMA)在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所礦物學(xué)與微束分析研究室陳正宇副研究員完成, 儀器型號(hào)為 JXA-8800R, 測(cè)試條件為: 電壓 20 kV, 電流 20 mA, 束斑直徑5 μm。將樣品磨制為光薄片, 噴炭后待測(cè)。

巖石薄片的光學(xué)顯微鏡觀察和鑒定由筆者在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)光學(xué)顯微鏡室完成。發(fā)濃縮的海水。

本文就勐野井鉀鹽礦床井下628 m和640 m巷道鹽層剖面樣品的微量元素 Br進(jìn)行分析, 結(jié)果見(jiàn)

圖2 勐野井鉀鹽礦床中的四種礦石類(lèi)型Fig.2 Four types ore in Mengyejing Potash Deposit

2 成礦物質(zhì)來(lái)源的證據(jù)

2.1 海水

2.1.1 微量元素Br值特征

在鹽類(lèi)礦床中Br是值得關(guān)注的微量元素, 它對(duì)于揭示礦床成因具有一定的指示作用。溴以Br-形式賦存在海水中, 平均含量 65×10-6～65.5×10-6(林耀庭,1995), 隨蒸發(fā)作用而富集, 不形成獨(dú)立礦物, 與 Cl-呈類(lèi)質(zhì)同象進(jìn)入鹽類(lèi)礦物的晶格中并形成固溶體。溴在成鹽成礦作用中遵循一定規(guī)律, 其富集和分異在鉀鹽礦床中具有一定的指示意義, 鹽類(lèi)礦物中Br-含量越高, 表明鹵水濃縮的程度越高、形成鹽類(lèi)礦物的沉積階段越晚, 越有利于最后沉積階段鉀鹽類(lèi)礦物的濃縮析出, 因此, 溴是判斷沉積環(huán)境和研究鹵水濃度的重要依據(jù)(許效松等, 1992)。曲一華(1995)依據(jù)典型海相鉀鹽礦床的資料指出, 當(dāng)鹽類(lèi)礦物中的溴值均大于200×10-6, 指示鹵水來(lái)源于蒸表1和圖3。由表和圖知, 628 m巷道鹽層19個(gè)樣品的 Br 含量范圍為 168×10-6～1629×10-6, 均值為618×10-6; 640 m巷道鹽層13個(gè)樣品的Br含量范圍為 143× 10-6～1886×10-6, 均值為 519×10-6。兩個(gè)剖面含鉀層位的Br值均＞200×10-6。

表1 勐野井鉀鹽礦床628 m和640 m巷道鹽層剖面的Br含量(×10-6)Table 1 Br values at 628 m and 640 m tunnel salt layer sections in the Mengyejing potash deposit(×10-6)

圖3 勐野井井下鹽層剖面Br值變化趨勢(shì)圖Fig.3 The distribution of Br values in salt layer sections of Mengyejing Formation

蘭坪—思茅盆地和泰國(guó)—老撾境內(nèi)呵叻盆地同處一個(gè)大地構(gòu)造帶, 而呵叻盆地是世界上最大的古代固體鉀鹽礦床之一, 因其鹽層 Br值均大于200×10-6, 海水是成礦物質(zhì)的主要來(lái)源(曲一華,1995; 高翔等, 2012)。前人研究表明, 蘭坪—思茅盆地的鹵水是自呵叻盆地向北遷移所致(曲懿華, 1997),而云南勐野井鉀鹽礦床鹽層微量元素 Br平均含量達(dá)578×10-6。因此, 可準(zhǔn)確斷定勐野井鉀鹽礦床的成礦物質(zhì)主要得益于海水的貢獻(xiàn)。

2.1.2 海綠石

海綠石是一種富鉀、鐵的含水層狀鋁硅酸鹽礦物, 最早發(fā)現(xiàn)它形成于特殊的海洋環(huán)境, 曾作為海相地層的標(biāo)識(shí)礦物。后來(lái)在陸相地層中也發(fā)現(xiàn)自生海綠石(王云飛, 1983), 因此, 海綠石便有海相和湖相兩種成因, 但海相成因仍為主流觀點(diǎn)(葛瑞全,2004; 曹潔等, 2010)。

本文對(duì)勐野井鉀鹽礦床的底板——扒沙河組新鮮的石英砂巖進(jìn)行 XRD礦物相分析(見(jiàn)圖 4), 結(jié)果給出樣品中的礦物為純的石英。因XRD對(duì)混合樣品中各礦物相的檢出限＞1%, 可能是石英砂巖中海綠石的含量低于XRD的檢出限的緣故, 所以XRD圖譜上并未出現(xiàn)其相應(yīng)峰值。

圖4 扒沙河新鮮石英砂巖樣品的XRD圖譜(Qtz-石英)Fig.4 XRD pattern of quartz sandstone in Bashahe Formation(Qtz-Quartz)

圖5 扒沙河組石英砂巖中的海綠石Fig. 5 Glauconite in quartz sandstone of Bashahe Formation

為了查明扒沙河組石英砂巖中是否存在少量海綠石, 對(duì)該地層新鮮的石英砂巖磨制薄片, 并進(jìn)行光學(xué)顯微鏡下觀察, 結(jié)果在薄片中觀察到極少量海綠石。該海綠石在單偏光下呈墨綠色, 顆粒形狀表現(xiàn)為不規(guī)則和近似三角形(圖5A, C), 分布在石英顆粒間, 正交下為綠色(圖 5B, D), 在海綠石顆粒中可見(jiàn)殘留的絲狀原黑云母的清晰解理(見(jiàn)圖 5B), 表明該海綠石是由黑云母蝕變而來(lái)。

如前所述, 蘭坪—思茅盆地的鹵水是自呵叻盆地向北遷移所致, 晚白堊世扒沙河組沉積時(shí)仍處于海水覆蓋之下, 石英砂巖中的海綠石必然是其相應(yīng)的沉積產(chǎn)物, 故可作為海相地層的指相礦物。

因此, 勐野井組鹽層Br值特征及其底板扒沙河組石英砂巖中的海綠石能充分證明海水為礦床的形成提供了成礦物質(zhì)。

2.2 深部熱液

2.2.1 勐野井組富鈷鎳礦物

(1)富鈷鎳黃鐵礦

在勐野井組灰綠色泥巖中廣泛分布晶形完整的八面體金屬礦物, 呈淺黃銅色, 強(qiáng)金屬光澤, 粒度約0.5～1 mm。因該礦物賦存于還原環(huán)境的灰綠色泥巖中, 結(jié)合其晶體形態(tài)和顏色, 初定為黃鐵礦。將該礦物的單顆粒進(jìn)行XRD分析, 衍射圖譜中的20條峰的面網(wǎng)間距d值均與黃鐵礦的衍射峰相匹配(見(jiàn)圖6)。因此, 可以確定該礦物為黃鐵礦(FeS2)。

在礦物相鑒定的基礎(chǔ)上, 對(duì)黃鐵礦樣品進(jìn)行電子探針微區(qū)化學(xué)成分分析, 共打點(diǎn) 5個(gè), 結(jié)果見(jiàn)表2。由表知, 樣品的主要化學(xué)成分為S和Fe, 其中S含量范圍為52.99%～53.94%, 均值53.38%; Fe含量范圍 45.58%～46.77%, 均值 46.21%; Ni位居第三,含量 0.14%～0.80%, 均值 0.37%; Co為第四, 含量0.10%～0.19%, 均值0.13%。此外, 還有極少量Cu(均值 0.02%)和 Zn(均值 0.01%)。

電子探針化學(xué)成分分析所給出的主量元素Fe、S結(jié)果與黃鐵礦的化學(xué)成分一致, 同時(shí)樣品中還含少量Co、Ni、Cu和Zn, 其中Co和Ni的含量均大于0.10%, 特別是Co的均值高達(dá)0.37%。Co、Ni、Cu和Zn四種金屬元素呈正二價(jià)時(shí)的離子半徑分別為 0.75 ?、0.69 ?、0.72 ? 和 0.74 ?, 與 Fe2+的半徑0.78 ? 接近, 因此, 這些二價(jià)金屬離子可進(jìn)入黃鐵礦的晶格, 與Fe2+發(fā)生類(lèi)質(zhì)同象替代。

圖6 勐野井組灰綠色泥巖中黃鐵礦的XRD圖譜(Py-黃鐵礦)Fig. 6 XRD pattern of pyrite in grayish green mudstone of Mengyejing Formation (Py-pyrite)

圖7 充填在井下670巷道鹽層裂隙中的羥碳鈷鎳石Fig. 7 Comblainite filled in salt layer fissures at 670 m tunnel

表2 黃鐵礦的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果(%)Table 2 EPMA analyses of pyrite (%)

為查明Co、Ni等離子進(jìn)入黃鐵礦晶體后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響, 在上述XRD基礎(chǔ)上, 采用Jade 6.5軟件對(duì)該黃鐵礦進(jìn)行晶胞參數(shù)精修, 得到精修后的晶胞參數(shù)為: a=5.4197 ? (0.0002), V=159.19?3。與標(biāo)準(zhǔn)黃鐵礦(PDF 卡 42-1340)的晶胞參數(shù) a=5.4179 ?,V=159.04?3對(duì)比可知, 勐野井鉀鹽礦床中富含鈷鎳黃鐵礦的晶胞軸長(zhǎng)和體積明顯大于標(biāo)準(zhǔn)黃鐵礦的,表明Co、Ni等離子進(jìn)入晶格與Fe2+發(fā)生類(lèi)質(zhì)同象替代導(dǎo)致了該黃鐵礦晶胞體積的增大。

(2)羥碳鈷鎳石(Ni6Co2(CO3)(OH)16?4H2O)

在勐野井井下670 m巷道鹽層裂隙中充填黃褐色似泥質(zhì)脈(見(jiàn)圖7)。雙目鏡下黃褐色脈狀物為隱晶質(zhì)的似黏土混合物, 無(wú)法對(duì)其進(jìn)行分離。

為鑒定裂隙充填物和鹽層的礦物組合類(lèi)型, 取鹽層樣品(1號(hào))和黃褐色脈狀充填物(2號(hào)和 3號(hào))進(jìn)行XRD分析, 結(jié)果見(jiàn)圖8和表3。由圖和表知, 鹽層的主要礦物為石鹽(47%)、硬石膏(20%)、菱鎂礦(10%)和石英(10%), 以及少量鉀石鹽(3%)、伊利石(5%)和綠泥石(5%), 不含羥碳鈷鎳石。脈狀充填物的主要礦物組成與鹽層的區(qū)別在于出現(xiàn)三方晶系羥碳鈷鎳石(2號(hào)樣品含量為10%, 3號(hào)為25%), 不含菱鎂礦、硬石膏、伊利石和綠泥石。據(jù)黃褐色脈的分布特征可知, 其形成晚于鹽層, 是鹽層裂隙后期的充填產(chǎn)物。此外, 由 XRD圖可知, 羥碳鈷鎳石的衍射峰較為寬化, 這與其呈隱晶質(zhì)的結(jié)晶習(xí)性相一致。

圖8 羥碳鈷鎳石的XRD圖譜Fig. 8 XRD pattern of comblainite in 670m tunnel of Mengyejing Formation

表3 670 m巷道鹽層及裂隙填充物的XRD礦物定性和半定量結(jié)果Table 3 Qualitative and quantitative analytical results of salt layer and fissure fillings in 670 m tunnel by XRD

圖9 扒沙河組石英砂巖中的孔雀石和藍(lán)銅礦Fig. 9 Malachite and azurite in quartz sandstone of Bashahe Formation

2.2.2 扒沙河組石英砂巖中的孔雀石和藍(lán)銅礦

扒沙河組砂巖為礦層勐野井組的底板, 在野外露頭可觀察到扒沙河組砂巖表面普遍見(jiàn)銅藍(lán)和銅綠(見(jiàn)圖 9A), 對(duì)其磨片并鏡下鑒定, 可知藍(lán)綠色的孔雀石分布在碳酸鹽化石英砂巖的微裂隙中(圖 9B),深藍(lán)色的藍(lán)銅礦則分布在石英顆粒間的孔隙內(nèi)(見(jiàn)圖9C, D)。孔雀石和藍(lán)銅礦分別沿裂隙和石英顆粒間孔隙分布的特征表明, 兩種銅礦物的形成時(shí)間晚于石英砂巖, 是深部熱液沿裂隙和顆?？紫冻涮畹慕Y(jié)果。

勐野井鉀鹽礦床是以石鹽、鉀石鹽、石膏等鹽類(lèi)礦物為主的非金屬沉積礦床, 但在該礦床的鹽層及其底板石英砂巖中出現(xiàn)富含Co、Ni的黃鐵礦、羥碳鈷鎳石、孔雀石和藍(lán)銅礦等富含 Cu、Co、Ni的礦物, Cu、Co、Ni這些金屬元素不可能全部源于母巖的風(fēng)化。由于該礦床地處復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境中, 其北部的蘭坪盆地為多金屬成礦帶, 可斷定Cu、Co、Ni等金屬元素是深部熱液的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)云南蘭坪—思茅盆地勐野井鉀鹽礦床物質(zhì)組分的研究, 對(duì)礦床成因進(jìn)行了重新認(rèn)識(shí)。勐野井組鹽層樣品中的微量元素Br平均含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200×10-6, 且在鹽系地層的底板扒沙河組石英砂巖中存在少量海相指示礦物海綠石, 表明扒沙河組石英砂巖曾浸沒(méi)在海水之下。此外, 勐野井組灰綠色泥巖中廣泛分布富含鈷鎳的黃鐵礦, 在鹽層裂隙中分布著含鈷鎳礦物——羥碳鈷鎳石。同時(shí), 在扒沙河組石英砂巖的裂隙或石英顆粒間隙普遍分布著含銅礦物——孔雀石和藍(lán)銅礦?？紤]到勐野井鉀鹽礦床處于復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)帶上, 并結(jié)合這些富含 Cu、Co、Ni礦物的出露位置及分布特征, 指出除海水以外, 深部熱液也為礦床的形成提供了重要的成礦物質(zhì)。

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Genesis of the Mengyejing Potash Deposit in Lanping-Simao Basin,Yunnan: Indication from the Components of the Deposit

GAO Xiang, FANG Qin-fang, YAO Wei, PENG Qiang, DONG Juan, QIN Hong, DI Ying-wei
Institute of Earth Sciences, China University of Geosciences(Beijing), Beijing100083

The Mengyejing potash deposit in Lanping-Simao Basin of Yunnan (MPDY) is an unique ancient solid potash deposit in China. For a long time, the deposit has been thought to be of continental sedimentary genesis with potassium derived from sea water. However, there are some researchers who hold that there existed other sources, but they have failed to present any evidence. In order to find out the source and origin of the deposit, the authors studied the component characteristics of the salt layer in Mengyejing Formation and its underlying Bashahe formation by XRD, ICP-MS, EPMA and microscopy in this paper, and pointed out that there existed two potassium sources for the deposit. The first was sea water because the average value of the trace element bromine(Br) in evaporates is 578×10-6which is higher than 200×10-6, indicating Br came from sea water. In addition, a small amount of marine mineral glauconite exists in quartz sandstone of lower Bashahe Formation. The second was deep hydrothermal solution, as evidenced by the existence of lots of pyrite rich in Co and Ni in grayish green mudstone of Mengyejing Formation. Furthermore, comblainite is one of the main mineral phases of fracture filling in the salt layer, and azurite and malachite that contain copper minerals were found in quartz sandstone of Bashahe Formation. The elements of Cu, Co and Ni in minerals were provided by deep hydrothermal solution because the deposit was located in strongly active tectonic belts. Therefore, deep hydrothermal solution also provided important potassium sources for the Mengyejing potash deposit in addition to sea water.

genesis; deep hydrothermal solution; sea water; Mengyejing potash deposit; Lanping-Simao Basin,Yunnan

P588.247/04; P588.247/01

A

10.3975/cagsb.2013.05.03

本文由國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“中國(guó)陸塊海相成鉀規(guī)律及預(yù)測(cè)研究”(編號(hào): 2011CB403004)資助。

2013-05-06; 改回日期: 2013-07-18。責(zé)任編輯: 閆立娟。

高翔, 女, 1971年生。副教授, 碩士生導(dǎo)師。主要從事礦物學(xué)方面的教學(xué)和科研工作。通訊地址: 100083, 北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)。電話: 010-82322469。E-mail: xgao@cugb.edu.cn。

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