内经讲义
刚果(布)布谷马西钾盐矿床盐类矿物特征与成因研究
范美玲;刘成林;焦鹏程;徐海明;曹养同
【摘 要】刚果(布)布谷马西钾盐矿床位于非洲大陆西部边缘,是白垩纪时期沉积的大型钾盐矿床.文章运用X射线衍射、薄片鉴定、扫描电镜和岩石地球化学等方法,识别出布谷马西钾盐矿的主要盐类矿物有硬石膏、石盐、光卤石、钾石盐、水氯镁石和溢晶石.盐类矿物的沉积顺序为:硬石膏→石盐→光卤石→钾石盐→水氯镁石或溢晶石.该矿区的成盐物质主要来源于海水,盐类沉积物中贫碳酸盐和硫酸盐矿物,可能与白垩纪“方解石海”的海水成分密切相关.矿区中的钾石盐主要是由光卤石淋滤形成. 【期刊名称】《矿床地质》
【年(卷),期】2016(035)006
【总页数】12页(P1257-1268)
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【关键词】地质学;白垩纪;钾石盐;钾盐矿;布谷马西;刚果(布)
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【作 者】范美玲;刘成林;焦鹏程;徐海明;曹养同
【作者单位】中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083;中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037;中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037;中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037;中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037
【正文语种】中 文
【中图分类】P619.21+1
西非边缘自北向南分布4个盆地：喀麦隆（Douala）盆地、加蓬（Gabon）盆地、刚果（Congo）盆地和安哥拉（Cuanza）盆地，其中只有加蓬和刚果盆地有钾盐沉积（曲懿华等，1994）。加蓬和刚果盆地属于巨型钾盐沉积盆地规模，资源量约为几十亿吨（曲懿华等，1994），其中刚果盆地内光卤石资源量约8000亿吨（曹烨等，2015）。目前，钾盐资源在中国属于紧缺矿产资源，走出国门钾已成为趋势。
前人对刚果盆地盐类矿物特征以及矿床成因进行过研究（Ruiter，1979；曲懿华，1982；曲懿华等，1994；宫述林，2012；栾元滇，2012）。本文在前人研究的基础上，通过对
刚果（布）布谷马西钾盐矿ZK142钻孔的盐类矿物特征和岩石地球化学特征分析，与前人研究成果对比，进一步梳理盐类矿物特征，在此基础上对矿床成因进行分析，为今后的开发和勘探钾石盐矿层提供更多的科学依据。
刚果钾盐盆地为非洲大陆西岸重要的早白垩世钾盐沉积盆地之一，其形成演化被认为与非洲和南美大陆中生代晚期的分裂有关（Uchupi，1989）。刚果钾盐盆地西南部的刚果（布）布谷马西钾盐矿区是大西洋东岸巨型含盐盆地（Lehner et al.，1977）的一部分，其形成大致经历了3个阶段：
（1）前裂谷沉积时期，西非构造稳定，以隆升剥蚀作用为主，局部接受拗陷型沉积，盆地发育三叠系—中侏罗统（T—J2）的陆相碎屑岩沉积，属于可可毕其（Cocobeach）；断离伤
（2）裂谷沉积时期，从南到北形成一系列裂陷盆地，盆地内发育北西向断裂和断陷，沉积相从河流相沉积过渡到厚层湖相三角洲及页岩沉积；
（3）后裂谷沉积时期，裂陷盆地准平原化，在阿普特期沿大陆边缘逐渐下沉，盆地与海水有了联系，在陆相和海陆相过渡地层之上形成巨厚的海相蒸发岩沉积，形成刚果钾盐盆地（Ruiter，1979；曲懿华等，1994；刘剑平等，2007；刘祚冬等，2009）。
布谷马西钾盐矿地理范围为东经11°49′32.8″～11°57′36″，南纬4°21′46.66″～4°31′43″，面积为141 km2。区域内出露地层有古元古界、中元古界、白垩系、新近系、第四系，ZK142钻孔位于矿区南部（图1）。白垩系阿普特阶含盐类沉积序列自下而上表现为：基底硬石膏层—下盐层（石盐—石盐与光卤石互层—溢晶石）—中盐层（石盐—石盐与光卤石互层—石盐—石盐与光卤石互层—溢晶石）—上盐层（石盐—石盐与光卤石互层_石盐）—顶板硬石膏层（图2），构成完整的蒸发岩沉积韵律。根据沉积韵律的划分原则，布谷马西钾盐矿ZK142钻孔划分出7个三级沉积韵律、3个二级和1个一级沉积韵律（图2），Ⅱ1沉积韵律为硬石膏（微咸）→石盐（咸）→光卤石（超咸）→溢晶石（巨咸），Ⅱ2沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸）→石盐（咸）→光卤石（超咸）→溢晶石（巨咸），Ⅱ3沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸）→石盐（咸）→光卤石（超咸）→石盐（咸）→硬石膏（微咸）→碎屑岩（淡）；Ⅲ1沉积韵律为硬石膏（微咸）→石盐（咸）→光卤石（超咸），Ⅲ2沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸）→溢晶石（巨咸），Ⅲ3沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸），Ⅲ4沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸）→溢晶石（巨咸），Ⅲ5沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸），Ⅲ6沉积韵律为石盐（咸）→光卤石（超咸），Ⅲ7沉积韵律为石盐（咸）→硬石膏（微咸）→碎屑岩（淡）。
本文样品来自刚果（布）布谷马西钾盐矿南矿段ZK142钻孔之岩芯，样品测定与研究方法包括盐类矿物的X射线衍射、薄片鉴定、扫描电镜和化学分析。
将岩芯柱沿直径切割，一分为二，采集不同岩性交接处的样品，将样品磨至粒度为200目的粉末。在北达燕园微构分析测试中心完成粉末X射线分析，仪器型号为日本理学G／max／RA12KW旋转阳极X射线衍射仪，测试条件：电压为40 kV，电流为100 mA，转靶Cu靶，扫描角度2θ为3～70°，扫描步长为8°／min，采样步宽0.02°，扫描方式为连续扫描，确定主要矿物类型。
为保证扫描电镜分析结果的准确性，制样时选取代表性强的样品，分析断面新鲜且保持原始较平坦状态；然后，将选好的大小约4～6 mm样品用导电性好的粘合剂粘在薄片上并喷碳。由中国地质科学院地质所完成扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析，扫描电镜为日本电子公司（JEOL）JSM－5610LV型，电子束电压20 kV，焦距20 mm，束斑大小41 nm；EDS能谱采用的是英国牛津公司（OXFORD）INCA软件包版本4.4。
将样品研磨至约200目的粉末，碳酸盐和石膏岩采用酸溶法，称取1 g样品放入烧杯中，然后加入5%稀盐酸10 ml加热至沸腾，在加热板上120℃保温2小时，最后定容至100 ml；石
盐和光卤石采用水溶法，称取1 g样品放入烧杯中，最后定容至100 ml。由中国地质科学院矿产资源研究所地球化学分析实验室完成，仪器型号为SPECTRO ARCOS SOP等离子体发射光谱仪（ICP_AES），误差范围为±5%。
猛小蛇3.1 盐类矿物组成
刚果（布）布谷马西钾盐矿的主要盐类矿物有石膏、硬石膏、石盐、光卤石、钾石盐、水氯镁石、溢晶石。
（1）石膏：灰白，岩芯较为坚硬致密，粒状结构，块状构造，半自形－他形，柱状和不规则细粒状，粒径为0.1～1 mm，局部石膏晶体呈纤维状聚晶，负低突起，最高干涉为灰白或一级黄。
（2）硬石膏：白、灰白、灰、绿灰，粒状结构，致密块状或层状构造，半自形_他形晶体，柱状或粒状，局部呈放射状（图3a），粒径＜1 mm，正高突起，最高干涉为二级紫红和三级蓝绿。
（3）石盐：厚层石盐为白、灰白；有沥青浸入的石盐呈灰黑，颗粒较大，断面有玻
璃光泽；与光卤石互层的石盐为白、灰白、灰绿。粒状结构，块状构造。薄片中为无透明，有的具有明显的立方体解理。晶体呈自形_他形粒状，自形晶为立方体，多以他形为主，大小为0.05～15 mm，有的石盐晶体呈板状，解理完全（图3b）。
（4）光卤石：浅棕红、棕红和深棕红，新鲜断口具有玻璃光泽，暴露在空气中很快变暗且具油脂光泽，断口不规则，为贝壳状或者参差状。多呈集合体形态，粒状结构，粒径为5～30 mm，块状构造。薄片中为无透明，晶体呈自形_他形粒状，自形晶型呈桶状，晶体大小为0.05～15 mm，负低突起，最高干涉为二级红和黄绿，局部具有聚片双晶（图3c）。
（5）钾石盐：含量较少，几乎不成层状，多以透明粗晶颗粒镶嵌在光卤石中（图4b）。单晶体呈立方体，大小为0.05～0.4 mm，负高突起，正交偏光镜下全消光。
（6）水氯镁石：无或浅黄透明颗粒，玻璃光泽，断口参差，粒状结构，块状构造。晶体呈针状（图4f），大小为0.2～0.8 mm，负低突起，最高干涉为三级灰白。
（7）溢晶石：浅黄绿，断面有玻璃光泽，粒状结构，块状构造，晶体呈细晶_粗晶粒状（图3d），负低突起，干涉为一级灰，解理清晰。
通过对该矿区盐类矿物的镜下观察，发现矿物共生组合关系主要有以下6种：①光卤石＋石盐；②光卤石＋钾石盐；③光卤石＋钾石盐＋石盐；④光卤石＋溢晶石；⑤光卤石＋水氯镁石；⑥石盐＋水氯镁石。这6种共生关系表现出的特征为：光卤石边缘成港湾状，石盐填充其缝隙（图4a）；在溶蚀状态光卤石中发育立方体钾石盐晶体（图4b）；光卤石、钾石盐和石盐三者共生时，石盐交代光卤石，而且光卤石中发育呈窝状分布的钾石盐（图4c）；光卤石被溢晶石交代、包裹，且在溢晶石中又发育有珠状的光卤石（图4d）；片状水氯镁石发育在溶解的光卤石上（图4e）；水氯镁石多呈针状分布在石盐缝隙中（图4f）。
3.2 地球化学分析
刚果（布）布谷马西钾盐矿南矿段钻孔ZK142孔深为798.74 m，对其岩芯样品进行岩石地球化学研究，表明钻孔地层发育完整，具有代表性，因此选择该钻孔为蒸发岩岩石地球化学特征的研究对象，共采集到224个地球化学样品。
根据岩芯地质编录、矿物鉴定结果和各离子的质量分数，推断出该钻孔的盐类矿物比较简单，主要以石盐和光卤石为主（图2），质量分数分别高达95.20%和54.56%。Na＋（高
达40.32%）主要赋存于石盐中；w（K＋）（高达12.66%）和w（Mg2＋）的变化曲线基本一致，主要赋存于光卤石中，但在溢晶石层w（K＋）较低，而w（Mg2＋）却达到最高值（高达8.47%）；并且w（K＋）和光卤石变化曲线一致。该矿区碳酸盐和硫酸盐含量较少，在矿层的顶板和底板有少量的薄层硬石膏，Ca2＋和的含量在此处较高，与不同的是，Ca2＋含量在溢晶石层也较高，且在溢晶石层的w（Ca2＋）（高达6.82%）远高于硬石膏层。
对ZK142钻孔中的微量元素Br、Sr和B的分析结果（表1）表明，岩性为光卤石岩和石盐岩的岩石中w（Sr）为0.0004%～0.0227%，w（B）在0.0004%～0.036%之间，w（Br）为0.0958%～0.4097%，可见Br含量较高。陈郁华（1983）在25℃恒温条件下模拟海水蒸发，研究微量元素在盐类矿物中的分布规律，结果表明在石盐沉积→光卤石沉积两个阶段之间，w（Br）为0.011%～0.208%，w（Sr）为0.0003%～0.0035%。显然，本矿区石盐和光卤石的Br、Sr含量要比黄海海水蒸发析出的石盐和光卤石中的Br、Sr含量高。表1中Br×103／Cl的变化范围为2.0～10.1，远高于林耀庭（1995）给出的Br× 103／Cl变化范围0.11～0.60，也高于黄海海水析出光卤石时的溴氯系数。而且由于该钻孔岩石及矿物的微量元素含量都较高，矿层中基本不含黏土，不存在黏土对微量元素吸附的问题。因此，根
据Br、Sr和B的含量及溴氯系数，可以确定该钾盐矿的成盐物质主要来源于海水，而且较高的溴氯系数和罕见盐类矿物溢晶石的发现，说明该矿区盐类矿物沉积时，卤水浓缩程度已经很高。
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