吳春偉，田忠鋒，萬(wàn)初發(fā)

（1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)，新疆庫(kù)爾勒841000；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，新疆烏魯木齊830000；3.新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量評(píng)審中心，新疆烏魯木齊830000）

1 硝酸鹽礦資源概況

我國(guó)的硝酸鹽分布區(qū)極少，只有山西和新疆兩地。而且山西只有極少量的硝酸鹽礦產(chǎn)。新疆是我國(guó)目前唯一的具有工業(yè)價(jià)值的大型硝酸鹽分布區(qū)，蘊(yùn)藏著超大型鈉硝石礦床。近幾年，新疆吐—哈地區(qū)硝酸鹽礦床的找礦工作取得了重大突破，在吐—哈盆地和羅布泊地區(qū)發(fā)現(xiàn)了十幾處硝酸鹽礦床和礦化點(diǎn)，這些硝酸鹽礦床(點(diǎn))大體沿蘭新鐵路東西向分布，綿延400km以上。2006年在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了面積達(dá)3000km2，平均品位達(dá)8%，儲(chǔ)量達(dá)1.84×108t的庫(kù)姆塔格鈉硝石礦床。2007年又在該地探明硝酸鹽儲(chǔ)量7090×104t。使該地區(qū)硝酸鹽總資源量達(dá)到了2.5×108t，其規(guī)模與智利Atacama超大型硝酸鹽礦床相當(dāng)。

硝酸鹽是世界緊缺資源之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)際上對(duì)硝酸鹽產(chǎn)品的需求總體以每年7%左右的速率增長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)硝酸鹽產(chǎn)品的需求增幅更大，對(duì)外依存度逐年增加，大量的硝酸鹽產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)硝酸鉀的需求量約70×104t/a，其中80%用于工業(yè)及其它行業(yè)，20%用于農(nóng)業(yè)。工業(yè)用硝酸鉀主要產(chǎn)于國(guó)內(nèi)，市場(chǎng)售價(jià)在4500～4800元/t;農(nóng)業(yè)上主要用在經(jīng)濟(jì)作物煙草的肥料上，主要依靠進(jìn)口。國(guó)內(nèi)從智利進(jìn)口天然硝酸鉀售價(jià)為550美元/t。國(guó)內(nèi)硝酸鉀市場(chǎng)需求55×104t/a，每年需進(jìn)口10多萬(wàn)噸。我國(guó)硝酸鈉消費(fèi)構(gòu)成情況大致為輕工行業(yè)約占80%、化學(xué)工業(yè)占9%、機(jī)械工業(yè)占6%、其它行業(yè)占5%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年我國(guó)對(duì)硝酸鈉的需求20×104t左右，而2005年則上升到34×104t左右，年均需求增長(zhǎng)率達(dá)14%，目前我國(guó)每年硝酸鈉產(chǎn)量要在36×104t/a左右，今后市場(chǎng)對(duì)硝酸鈉的需求將以每年5%～8%的速度增長(zhǎng)(邱斌，2009)。由于硝酸鹽用途廣泛，國(guó)內(nèi)資源缺乏，因此尋找更多有工業(yè)價(jià)值的硝酸鹽礦床是一項(xiàng)十分緊迫的重要任務(wù)。

2 大洼地硝酸鹽礦床

新疆已發(fā)現(xiàn)的硝酸鹽礦床多以固相礦床為主，固液并存礦床基本都直接出露地表，成礦受大地構(gòu)造、氣候條件控制作用明顯，地表硝酸鹽礦床已基本全部發(fā)現(xiàn)。大洼地液體硝酸鉀主要賦存在晶間鹵水中，具有隱伏礦床的特征，雖然在上覆鹽殼中存在一定的硝酸鹽礦化。但是，發(fā)現(xiàn)礦化離礦床的發(fā)現(xiàn)還有不少距離。目前液體鉀鹽勘查多依據(jù)礦床控制因素進(jìn)行找礦，如綜合氣候條件尋找構(gòu)造凹陷區(qū)，往往找礦地區(qū)大，工程驗(yàn)證預(yù)算經(jīng)費(fèi)高，找礦效果不明顯，在新的形勢(shì)下，需要另辟蹊徑，從硝酸鹽的成礦物質(zhì)來(lái)源入手，進(jìn)一步圈定硝酸鹽富集區(qū)。

大洼地位于羅布泊東北，羅布泊是一個(gè)位于塔里木盆地內(nèi)的次一級(jí)坳陷盆地，自第三紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)期處于干旱炎熱的氣候條件下，湖水不斷濃縮，形成了第四紀(jì)現(xiàn)代鹽湖。在大鹽湖的邊緣地帶，發(fā)育了一系列與大鹽湖時(shí)通時(shí)斷的小鹽湖，大洼地即是其中之一。大約在更新世，羅布泊湖水分布面積較廣，盆地的大部分區(qū)域被湖水淹沒(méi)，沉積有數(shù)千平方千米的石鹽層，大洼地一帶也屬于其中的一部分。在全新世喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)后期，伴隨新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活躍，湖水面積收縮，湖水逐漸干涸，羅布泊逐漸解體，大洼地與羅布泊分離形成全封閉的“死湖”。殘留湖水進(jìn)一步蒸發(fā)結(jié)晶，形成次級(jí)全封閉盆地，在湖區(qū)石鹽殼頂部同時(shí)富集了氯化鉀和硝酸鹽等有益礦物。

沉積盆地周邊的巖石、土壤中的鉀、鈉、鎂、硫酸根、氯、硝酸根等含量相對(duì)較高，是形成鉀硝石礦的特定的地球化學(xué)特征，大洼地鉀硝石礦周邊巖石、土壤具備這一特定的地球化學(xué)特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)新疆的各類巖石中K2O的含量超過(guò)全國(guó)乃至世界同類巖石的含量，新疆鹽湖周邊的土壤中的的鉀、鈉離子十分豐富，鉀的含量一般在1.5%左右，部分可達(dá)4%以上，與儲(chǔ)鹽盆地相關(guān)土壤中普遍富含硝酸根，在某些土壤中硝酸根可達(dá)1%以上。這一地球化學(xué)特征為大洼地鉀硝石礦形成提供了物質(zhì)來(lái)源。

汪文先（1987）研究發(fā)現(xiàn)，吐哈盆地一帶廣泛出露的第三系紅層（泥巖、砂巖）中夾有的大量鹽巖和硝酸鹽，或許是該盆地硝酸鹽礦床成礦元素的重要補(bǔ)給來(lái)源，該套上新統(tǒng)紅色薄層泥巖、砂巖，在羅布泊涸湖北部山前高臺(tái)地區(qū)，大洼地以北20km的紅土堡也有出露。

2016年筆者在對(duì)大洼地硝酸鹽礦床進(jìn)行勘查評(píng)價(jià)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，第三系桃樹園組地層在區(qū)內(nèi)大面積分布，地表和鉆孔揭露，主要為一套磚紅色的含鹽類礦物砂礫石層和粘土層，而大洼地湖盆區(qū)邊緣則是高出盆地40～60m的紅色雅丹臺(tái)地，因此分布于大洼地盆地邊緣的第三系紅層可能就是大洼地硝酸鹽的來(lái)源之一。

同時(shí)地下水的補(bǔ)給對(duì)大洼地硝酸鹽的形成也是十分重要的物質(zhì)來(lái)源，常年性、日積月累會(huì)形成大量的補(bǔ)給量，位于大洼地北部的堿泉子水中NO3-含量達(dá)159mg/L，南部阿奇山一帶的基巖裂隙地下水中的NO3-含量最高可達(dá)2400～3600mg/L，這些地下水年復(fù)一年的匯入大洼地鹽湖，是大洼地硝酸鹽的重要來(lái)源之一。

目前，對(duì)大洼地硝酸鉀礦床的中硝酸根來(lái)源仍停留在宏觀層面上，對(duì)于其物質(zhì)來(lái)源多為一些概括性、描述性、趨向一般性的總結(jié)和認(rèn)識(shí)，缺少系統(tǒng)的、詳實(shí)和具體的理論研究，而且在氮源這個(gè)根本問(wèn)題上并無(wú)實(shí)質(zhì)性的突破，因此，為進(jìn)一步提高我國(guó)硝酸鹽資源尋找和評(píng)價(jià)力度，增進(jìn)與硝酸鹽需求的下游產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)安全，有必要深入研究新疆硝酸鹽富集區(qū)的沉積特征與富集規(guī)律，開展實(shí)質(zhì)性的氮源研究和探討是十分必要的。

3 成礦機(jī)制研究意義

國(guó)內(nèi)對(duì)硝酸鹽礦床的研究主要集中在礦床地質(zhì)方面（熊先孝，1994；鄭玉喜，2000；黃鐵棟，2005；張義民等，2000）而關(guān)于硝酸鹽礦床中氮的來(lái)源問(wèn)題一直是個(gè)爭(zhēng)論不休的問(wèn)題，主要有以下觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)：

①有機(jī)物腐爛硝化；②鳥糞；③細(xì)菌硝化和固定；④電荷釋放引起大氣硝酸反應(yīng)，或氣體與火山巖反應(yīng)；⑤火山成因氮化合物積累；⑥各種來(lái)源礦物的積累；⑦海洋浪花和大氣層；⑧金屬光化學(xué)反應(yīng)。

關(guān)于地表水中的無(wú)機(jī)氮，很多人認(rèn)為大氣氮是其重要的來(lái)源，尤其是酸雨，在一些地區(qū)更是其重要來(lái)源，Bickly等（1979）的實(shí)驗(yàn)顯示，氧化氮是大氣條件或氧化條件下，N2在TiO2表面經(jīng)光解作用形成的正常產(chǎn)物；后來(lái)，Kuliev等（1981）、韓建明（2006）、陳永志（2009）的類似實(shí)驗(yàn)也得到了相同的結(jié)果。研究顯示，很少量的金屬氧化物（TiO2、Fe2O3等）可產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的光化學(xué)作用（Hautala et al1981），Bohlke等（1997）根據(jù)穩(wěn)定同位素研究，證實(shí)智利Atacama盆地和美國(guó)南加州死谷的硝酸鹽中的氮屬大氣成因，秦燕（2010）、劉亞然（2013）根據(jù)氮氧同位素研究，表明吐哈盆地硝酸鹽礦床中的氮屬大氣成因，與智利硝酸鹽類似。2006年韓建明通過(guò)對(duì)新疆羅布泊鐵礦灣硝酸鹽礦床氮源研究，認(rèn)為金屬催化光化學(xué)反應(yīng)是新疆地區(qū)固氮生氮的主要因素。

這些成因認(rèn)識(shí)主要是在宏觀層面上的推斷和猜測(cè)，不論硝酸根來(lái)源于天上，或來(lái)源于地下，硝酸鹽是如何富集成礦的至今還是一個(gè)謎。

大洼地硝酸鹽礦床主要有用組分為NaNO3和KNO3，氮、氧是其主要組成元素，氮、氧同位素研究無(wú)疑是示蹤硝酸鹽來(lái)源，揭示硝酸鹽礦床成因和形成機(jī)制的最有效方法。N在自然界以多種不同的形式和形態(tài)(氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài))存在，在自然界中的分餾非常明顯，變化范圍很大，不同成因和來(lái)源的硝酸鹽氮同位素組成明顯不同。氮同位素已成為示蹤土壤、地表水、地下水、大氣和礦床中硝酸鹽來(lái)源，研究大氣光化學(xué)污染的形成機(jī)制、生物固氮機(jī)制，揭示氮循環(huán)和地球表面各圈層相互作用的重要途徑和手段。硝酸鹽的氧同位素，特別是氮、氧同位素綜合研究，對(duì)于示蹤其來(lái)源和形成條件，避免單種同位素分析結(jié)果的多解性具有重要意義。另外，硝酸鹽是地球上少數(shù)幾個(gè)具有明顯氧同位素非質(zhì)量分餾效應(yīng)的礦物之一。非質(zhì)量同位素效應(yīng)可以揭示一些元素濃度甚至單個(gè)同位素比值無(wú)法揭示的特殊現(xiàn)象和規(guī)律，是國(guó)際上同位素地球化學(xué)研究的前緣和熱點(diǎn)(李延河等，2002)，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

因此，通過(guò)系統(tǒng)的鹽類礦物學(xué)、水鹽體系平衡、地球化學(xué)、氮氧同位素和年代學(xué)研究工作，綜合分析研究大洼地硝酸鉀礦床的氧同位素非質(zhì)量分餾效應(yīng)和氧、氮同位素組成特征和時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)合礦床地質(zhì)特征及成礦年代，對(duì)查明該礦床硝酸鹽的來(lái)源、硝酸鹽的傳輸路徑，揭示硝酸鹽礦床的形成機(jī)制和關(guān)鍵成礦條件，估算各種成因硝酸鹽的貢獻(xiàn)大小，建立成礦模式，指導(dǎo)找礦具有重要意義。

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