顏 開，劉成林，王春連，范美玲，徐海明，王九一

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所，自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京 100083)

鉀鹽主要用作鉀肥的生產(chǎn)原料，在我國屬于緊缺的礦物資源。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，鉀肥消費量快速增長，我國肥料使用量世界第一，鉀肥進口量世界第二。目前，國內(nèi)探明的鉀鹽資源儲量為100 534.51萬噸(KCl)，主要分布于西北柴達(dá)木、羅布泊等鹽湖鹵水中，可采資源服務(wù)年限為20年(王春連等，2013；董娟等，2015；徐洋等，2017)。中國復(fù)雜的大地構(gòu)造背景使得找鉀工作十分困難，而我國對鉀鹽資源的消費量日益增加，鉀肥消費量約占全球20%～25%，為了滿足每年巨大的鉀鹽需求量，走出國門找鉀已成為趨勢(劉成林等，2010；王春連等，2020)。

剛果(布)盆地位于非洲西部，濱臨大西洋，沉積了巨厚的白堊紀(jì)鉀鹽資源，海運便利，有利于鉀鹽資源的開采利用。早在20世紀(jì)40年代，剛果(布)便開始對剛果盆地西南的布谷馬西地區(qū)鉀鹽礦床展開勘查開發(fā)等工作。1940年至1980年，加蓬和剛果(布)政府先后成立找鉀勘探公司，在剛果海含鹽沉積盆地內(nèi)展開多次鉀鹽勘察工作。在此期間，對剛果盆地西南部布谷馬西地區(qū)鹽礦的分布范圍、埋藏深度、礦層特征及礦石質(zhì)量進行了系統(tǒng)研究，但由于戰(zhàn)亂原因，大多資料已丟失。21世紀(jì)以來，加拿大麥戈工業(yè)集團在工作區(qū)東南部進行了一系列鉀鹽勘查，并對礦層分布特征、地層巖性劃分作了大量研究。山東省地礦工程勘察院通過在該地區(qū)的鉀鹽普查工作，估算普查區(qū)范圍內(nèi)鉀鹽礦石量5 297 836.2萬噸，KCl平均品位16.09%。通過普查工作，大致探明了鉀鹽礦層的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模、分布范圍及礦化特征(范美玲等，2016；趙憲福，2017)。

雖然國內(nèi)外眾多家勘探公司早在多年前已對布谷馬西地區(qū)鉀鹽礦做過大量的勘探普查工作，但是有的因為年代久遠(yuǎn)，資料保存不完整；有的因為技術(shù)手段不夠成熟，對于盆地特征和構(gòu)造研究不夠。目前，在和國內(nèi)山東省地礦工程勘察院的合作下，對布谷馬西地區(qū)鉀鹽資源進行了細(xì)致的調(diào)查研究，基本查明了研究區(qū)地層的層序、構(gòu)造特征，含礦層段的巖性變化、沉積特征，礦產(chǎn)的空間賦存情況，礦床內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文通過收集前人對該地區(qū)地質(zhì)背景、構(gòu)造特征的研究資料，結(jié)合本次詳細(xì)、全面的礦產(chǎn)勘探合作成果，對布谷馬西地區(qū)鉀鹽的物質(zhì)來源和白堊紀(jì)時期的古氣候特征進行深入探究，以期闡明研究區(qū)內(nèi)鉀鹽礦的成因，總結(jié)成礦規(guī)律，精確鉀鹽礦化程度，為剛果盆地鉀鹽礦床的成因提供科學(xué)依據(jù)，便于今后鉀鹽資源的合理開發(fā)利用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

剛果(布)共和國剛果盆地位于非洲中西部，盆地北起喀麥隆，南至安哥拉，西側(cè)沿加蓬、剛果(布)、剛果(金)和安哥拉等國的海岸線分布，盆地東側(cè)自北向南與喀麥隆盆地、加蓬盆地、下剛果盆地和寬扎盆地等一系列西非被動大陸邊緣盆地構(gòu)成了一個巨型的盆地系統(tǒng)(Lehner and Ruiter，1977；Ruiter，1979；范美玲等，2016)。剛果盆地北部以馬永巴高原為界，南部以安布里什高原為界，東部與前寒武系基地相鄰，西部與伸展的大西洋相鄰接。盆地基地及邊緣由元古宙地層構(gòu)成，盆地內(nèi)部的地層主要為白堊系、新近系和第四系沉積。蒸發(fā)巖礦產(chǎn)賦存于盆地內(nèi)的白堊系中部，含鹽層段將上覆的海相地層和下伏的陸相地層分隔開來。蒸發(fā)巖礦層與下部陸相碎屑巖沉積地層呈整合接觸，下部陸相碎屑沉積地層含有豐富的有機質(zhì)，其深部為含油巖系；其上部地層以海相碎屑巖和碳酸鹽巖交互沉積為主，該層段與上覆新近系呈平行不整合接觸，與下伏蒸發(fā)巖礦層呈整合接觸。

盆地的形成與演化大致經(jīng)歷了3個階段：① 前裂谷沉積時期：這一時期盆地內(nèi)構(gòu)造運動不活躍，主要以隆升剝蝕作用為主，盆地內(nèi)部以三疊系-中侏羅統(tǒng)(T-J2)的陸相碎屑巖沉積地層為主；② 裂谷沉積時期：盆地內(nèi)構(gòu)造運動加劇，形成以北西向為主的斷裂和斷陷構(gòu)造，此時盆地內(nèi)的沉積類型由河流相沉積逐漸過渡到湖相三角洲，在沉積后期過渡到濱湖相或淺湖相沉積；③ 后裂谷沉積時期：盆地沉積類型向準(zhǔn)平原化方向發(fā)展，從大陸邊緣開始逐漸下沉，最終與海水聯(lián)通。此時，海相蒸發(fā)巖沉積構(gòu)造開始在海陸相過渡地層上發(fā)育，最終形成現(xiàn)今的剛果(布)盆地地貌(曲懿華等，1994；劉劍平等，2007；劉祚東等，2009；范美玲等，2016)。

2 樣品與方法

蒸發(fā)巖樣品來自剛果盆地西南布谷馬西地區(qū)的ZK101、ZK121、ZK142、ZK143、ZK181、ZK182、BS-3、BS-5、BS-7、BS-8、BS-9鉆孔。為了確保鹽類礦物鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確度，樣品的測定與研究主要利用X射線衍射、能譜掃描電鏡、薄片鑒定3種方法相互驗證，通過室內(nèi)鑒定，重點分析鹽類礦物的類型及特征。薄片鑒定樣品一共139件，X射線衍射樣品29件，能譜掃描電鏡樣品29件，微量元素測試樣品97件。

蒸發(fā)巖礦物類型主要通過X射線衍射分析鑒別，由北達(dá)燕園微構(gòu)分析測試中心實驗室完成。所用儀器的型號為日本理學(xué)G/max/RA12KW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀，采用連續(xù)掃描的方式，掃描角度2θ為3°～70°，掃描步長8°/min，采樣步寬0.02°。儀器運轉(zhuǎn)參數(shù)為：電壓40 kV，電流100 mA，轉(zhuǎn)靶Cu靶。

通過鹽類礦物薄片鏡下鑒定和掃描電鏡測試，開展蒸發(fā)巖巖相學(xué)研究，全部的實驗分析過程在中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所完成。所用儀器型號為日本電子公司(JEOL)JSM-5610LV型，儀器運轉(zhuǎn)參數(shù)為：電子束電壓20 kV，焦距20 mm，束斑大小41 nm；EDS能譜采用的是英國牛津公司(OXFORD)INCA軟件包，版本4.4。

微量元素分析樣品來自剛果(布)布谷馬西地區(qū)南部的5個鉆孔(BS-3、BS-10、ZK122、ZK141和ZK142)，共采集97件，主要測出的微量元素有溴、鍶、硼和銣。測試分析由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所地球化學(xué)分析實驗室完成。在進行化學(xué)分析前，需要對樣品作預(yù)處理。首先將樣品于研缽中研磨至約200目，采用酸溶法和水溶法兩種方法。稀酸溶法：稱取1 g樣品放入燒杯并加入5%稀鹽酸，加熱至沸騰，隨后放置在加熱板上以120℃保溫2 h，然后定容；水溶法：稱取1 g樣品放入燒杯中定容。樣品經(jīng)過預(yù)處理之后，利用離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)儀器對樣品中的溴、鍶和硼進行實驗，利用原子吸收儀(國產(chǎn)瑞利WFX-130)分析測試銣。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸發(fā)巖礦物類型

根據(jù)野外的巖心編錄、X射線衍射、掃描電鏡及薄片鑒定分析，鑒定出該研究區(qū)的礦物共有10種。根據(jù)野外巖心編錄鑒定出的蒸發(fā)巖礦物有6種：硫酸鹽類蒸發(fā)巖為石膏、硬石膏，鹵化物蒸發(fā)巖為石鹽、光鹵石，鉀鎂鹽和鎂鹽類礦物為溢晶石以及水氯鎂石；根據(jù)X射線衍射鑒定出的蒸發(fā)巖礦物有4種：硫酸鹽類蒸發(fā)巖為硬石膏，鹵化物蒸發(fā)巖為石鹽、光鹵石和鉀石鹽(表1)；根據(jù)掃描電鏡和能譜分析鑒定出的蒸發(fā)巖礦物有6種：硫酸鹽類蒸發(fā)巖為硬石膏，鹵化物蒸發(fā)巖為石鹽、光鹵石、鉀石鹽，鉀鎂鹽和鎂鹽類礦物為溢晶石、水氯鎂石；根據(jù)薄片鑒定出的蒸發(fā)巖礦物有7種：硫酸鹽類蒸發(fā)巖為石膏、硬石膏，鹵化物蒸發(fā)巖為石鹽、光鹵石、鉀石鹽，鉀鎂鹽和鎂鹽類礦物為溢晶石和水氯鎂石。

表 1 剛果盆地西南部部分巖心樣品X射線衍射分析結(jié)果

主要的蒸發(fā)巖礦物特征：① 石膏：主要為灰白色，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，呈半自形至他形，柱狀和不規(guī)則細(xì)粒狀，局部石膏晶體呈纖維狀聚晶，d=0.1～1 mm，最高干涉色為灰白色或一級黃。② 硬石膏：以灰白色、綠灰色為主，呈粒狀結(jié)構(gòu)，致密塊狀或?qū)訝顦?gòu)造，具有半自形-他形晶體，柱狀或粒狀，研究區(qū)硬石膏多為針狀，呈束狀排列，d<1 mm，最高干涉色為二級紫紅和三級藍(lán)綠(圖1b)。③ 石鹽：大多為無色透明，有的為白色、灰白色，顆粒較大，斷面有玻璃光澤。粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。晶體呈自形-他形粒狀，大小為0.05～15 mm(圖1a、2b)，全消光。④ 光鹵石：呈現(xiàn)棕紅色和深棕紅色，新鮮斷口具有玻璃光澤，置于空氣中很快變?yōu)橛椭鉂?。味辛辣且苦咸，在空氣中極易潮解，表面形成粘稠狀的鹽液。多呈集合體形態(tài)，粒徑為5～30 mm，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，多處光鹵石具有聚片雙晶。最高干涉色為二級紅和黃綠(圖1c、1e、2a)。⑤ 鉀石鹽：透明粗晶，大多存在于光鹵石巖中。晶體呈自形立方體粒狀，局部光鹵石中可見生成的鉀石鹽，大小為0.05～0.4 mm，全消光(圖1d)。⑥ 水氯鎂石：無色或淺黃色透明顆粒，具有玻璃光澤。粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。d=0.2～0.8 mm，最高干涉色為三級灰白(圖1e、1f、2c)。⑦ 溢晶石：淺黃綠色透明粗大顆粒，玻璃光澤，解理清晰，在裂隙中發(fā)育有光鹵石顆粒。極易潮解，在潮濕的空氣中崩解，有辛辣苦味。多為粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。呈他形粒狀，d=5～15 mm，最高干涉色為一級灰(圖1f、2d)。

圖 1 布谷馬西鉀鹽礦鹽類礦物鏡下特征

3.2 蒸發(fā)巖沉積特征

前人的研究表明，所有沉積環(huán)境的蒸發(fā)巖的沉積層序完全按照溶解度從低到高依次出現(xiàn)(Borchert，1977；Hite and Japakaseter，1979；陳郁華，1983；Lowensteinetal.，1989，2001；劉成林等，2010)，即碳酸鹽巖-硫酸鹽巖-氯化物-鉀鎂鹽。

范美玲等(2016)、張帆等(2016)對研究區(qū)地層沉積旋回的劃分，認(rèn)為研究區(qū)發(fā)生了3次大的環(huán)境演變，在總體干旱氣候背景下，短時間偶爾穿插出現(xiàn)濕潤氣候?？傮w演化過程為：第1階段，成礦流體進入盆地，在干旱氣候條件下，不斷蒸發(fā)濃縮，根據(jù)溶解度由低到高，鹽化程度不斷增高，形成石鹽→光鹵石→溢晶石、水氯鎂石的蒸發(fā)巖沉積旋回；第2階段，在第1階段后，沉積環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致鹵水淡化，光鹵石和石鹽開始交互沉積，氣候條件依然是干旱，并且干旱程度有進一步加強的趨勢，出現(xiàn)大量的極干旱氣候條件下才出現(xiàn)的溢晶石、水氯鎂石的沉積；第3階段，由于盆地與大西洋聯(lián)通，盆內(nèi)蒸發(fā)水體發(fā)生淡化，出現(xiàn)石膏、硬石膏和白云巖的沉積。至此，大西洋裂谷形成的濱海盆地蒸發(fā)巖沉積演化基本結(jié)束。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)鉆井巖心柱狀圖(圖3)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)鹽類沉積地層下部僅發(fā)育薄層硬石膏層，沒有發(fā)現(xiàn)碳酸鹽和硫酸鹽沉積。正常的海相沉積中，在蒸發(fā)作用的影響下，碳酸鹽、硫酸鹽以及鹵化物根據(jù)其溶解度的變化依次蒸發(fā)結(jié)晶析出(張帆等，2016；趙憲福，2017)。但是研究區(qū)內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)碳酸鹽和硫酸鹽的大量析出，這說明在該沉積時期，進入盆地的海水，是經(jīng)過沉積分離出碳酸鹽和硫酸鹽后的高濃度鹵水。在南部的安哥拉一帶發(fā)現(xiàn)的鹽類沉積剖面中則發(fā)育大量的巖鹽、硬石膏，并沉積大套的白云巖。

圖 2 主要蒸發(fā)巖類礦物

這一鹽巖剖面反映，在鹽類沉積時期，大西洋與盆地的接合部位應(yīng)處于安哥拉一帶，海水通過此處流入盆地，隨后開始持續(xù)蒸發(fā)。在海水進入這一地區(qū)后不斷蒸發(fā)濃縮，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于補給量，經(jīng)過不斷蒸發(fā)，流體中各組分的濃度持續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到飽和便開始鹽巖沉積。沉積序列根據(jù)各鹽類組分的溶解度，從小到大依次結(jié)晶析出。首先沉積溶解度小的碳酸鹽類礦物，接下來為硫酸鹽，最后沉積溶解度最大的鹵化物礦物。安哥拉一帶主要的鹽巖沉積為溶解度較小的白云巖和硬石膏，是鹽類沉積的初始階段。由于構(gòu)造運動，地面發(fā)生沉降，海水跟隨蒸發(fā)濃縮中心運移，最后遷移至北部的剛果(布)布谷馬西地區(qū)沿海一帶(欒元滇等，2014；范美玲等，2016；趙憲福，2017)。此時石鹽、光鹵石開始結(jié)晶析出，并伴生鉀石鹽，最后溶解度最大的鉀鎂鹽和鎂鹽類礦物，如溢晶石和水氯鎂石，開始結(jié)晶析出(圖4)。

圖 4 南加蓬、剛果、安哥拉鹽巖剖面對比圖(引自Ruiter，1979)

圖 3 ZK101鉆孔柱狀圖

綜上所述，布谷馬西地區(qū)鹽類礦物沉積順序應(yīng)為：首先沉積硫酸鹽類(硬石膏)，其后沉積鹵化物類(石鹽、光鹵石、次生鉀石鹽)，最后沉積鉀鎂鹽和鎂鹽類(溢晶石或水氯鎂石)。

研究區(qū)蒸發(fā)巖礦物中出現(xiàn)的溢晶石是罕見的鹽類礦物，相鄰的南加蓬、安哥拉等盆地均沒有發(fā)現(xiàn)或較少發(fā)現(xiàn)溢晶石。溢晶石只有當(dāng)溫度大于35℃時，溢晶石才能從鹵水中結(jié)晶析出(Wardlaw，1972)。而且，正常蒸發(fā)過程中，大量鈣離子在蒸發(fā)過程的前期便以石膏和硬石膏的形式沉積下來，在蒸發(fā)過程后期不會有大量的鈣離子出現(xiàn)并形成溢晶石。因此，溢晶石的出現(xiàn)說明研究區(qū)在溢晶石沉積階段，氣候干旱炎熱，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于補給量，蒸發(fā)沉積時期水體溫度較高，且高溫持續(xù)時間很長，波動不大。

3.3 微量元素地球化學(xué)特征

3.3.1 溴元素

溴在自然界中主要以離子的形式聚集在海水中,一般溴在海水中的含量為65.0×10-6～65.5×10-6，而河水中的含量僅為0.006×10-6(林耀庭，1995)。溴在鹵水的蒸發(fā)過程中不能形成獨立的礦物，而是以氯的類質(zhì)同像混入氯化型礦物中。隨著鹵水不斷蒸發(fā)、濃縮，溴以類質(zhì)同像置換鹽類礦物中的氯，且置換量與共沉淀的溶液中的溴含量呈正比。因此，溴是很重要的找鉀直接標(biāo)志。由表2分析，溴在石鹽巖中含量最高值為19.440%，最小為3.368%。溴在光鹵石巖中含量最高值為48.803%，最小為16.482%。

3.3.2 鍶元素

鍶在海洋中分布均一，不受緯度、海洋盆地和水深的影響，而且在化學(xué)、生物化學(xué)過程中不會發(fā)生同位素分餾(張西營等，2002)。在鹽類礦床沉積的過程中，鍶在硫酸鹽的咸化階段會以類質(zhì)同像的形式代替鈣，因此鍶元素常富存于石膏和硬石膏中，同樣鍶也很有可能會進入鹽類礦物沉積的各個階段。所以隨著鹽類礦床沉積的時間增加，鹵水濃縮程度也不斷增高，而鍶的含量也會隨之升高。因此，可以利用鍶的含量間接指示成鉀的可能性。由表2可知，鍶在石鹽巖中含量最高值為0.460%，最小為0.053%；鍶在光鹵石巖中含量最高值為2.268%，最小為0.001%。

3.3.3 硼元素

現(xiàn)代海水中硼的含量為4.7×10-6，淡水中一般不含硼元素，海相沉積物中硼含量為100×10-6(錢自強等，1994)。在鹽沉積過程中硼以3種形式賦存：以吸附態(tài)富集在含鹽粘土中，以絡(luò)合物的形式混入硬石膏晶格，以硼酸鹽形式出現(xiàn)(李善平等，2010)。海水中硼含量與海水鹽度呈正比，具有線性關(guān)系。因此，硼含量可以作為分析古鹽度的一個重要指標(biāo)(李國勝等，1992)。硼在鹵水濃縮初期階段含量較低，隨鹵水不斷蒸發(fā)、濃縮，硼含量逐漸增高，所以硼也可以指示成鉀的可能性。由表2分析，硼在石鹽巖中含量最高值為0.302%，最小為0.019%。硼在光鹵石巖中含量最高值為3.601%，最小為0.016%。

3.3.4 銣元素

在鉀鎂鹽沉積初期，銣主要存在于液相中，隨著鹵水濃度不斷增高，銣在鹵水中逐漸富集，以類質(zhì)同像的形式替換鉀從而進入鹽類礦物的晶格中；銣還會以吸附的形式存在于碳酸鹽和粘土礦物中(張彭熹等，1993)。根據(jù)高度濃縮鹵水中銣與鉀的替代關(guān)系，鹽類沉積物中銣的含量會隨著鹵水的濃度變高而增高。銣含量的增加表明鹵水蒸發(fā)濃縮已經(jīng)到晚期階段，另一方面也說明鹵水中鉀含量的增加，因此，銣的含量變化可以預(yù)測成鉀前景(譚紅兵，2005)。由表2分析，銣在石鹽巖中含量最高值為15.722%，最小為0.064%。銣在光鹵石巖中含量最高值為35.948%，最小為1.112%。

在鹽類礦物蒸發(fā)析出過程中，根據(jù)陳郁華(1983)在25℃恒溫條件下模擬海水蒸發(fā)的實驗結(jié)果，表明從石鹽沉積到光鹵石沉積階段，Br的含量范圍為110×10-6～2 080×10-6，Sr的含量范圍為3×10-6～35×10-6，Rb的含量范圍為0.32×10-6～3.60×10-6。從表2可看出，研究區(qū)內(nèi)光鹵石巖和石鹽巖的巖石中Br、Sr、Rb的含量范圍符合海水蒸發(fā)過程中Br、Sr和Rb在石鹽和光鹵石中的分布規(guī)律。而且正常海水石鹽-光鹵石析出于兩個階段之間，溴氯系數(shù)的變化范圍為0.11～0.60(林耀庭，1995)，而研究區(qū)溴氯系數(shù)的平均值為5.9，高于海水析出光鹵石時的溴氯系數(shù)，說明該礦區(qū)鹽類礦物沉積時鹵水處于高度濃縮的狀態(tài)。

表 2 石鹽和光鹵石中微量元素一覽表 wB/%

鹽類礦物樣品的礦物成分和巖相學(xué)分析均沒有發(fā)現(xiàn)粘土礦物，微量元素含量不會受到粘土的影響，說明鹽類礦物中的微量元素是以類質(zhì)同像的方式進入其中的。巖心樣品中溴、鍶和銣的含量及溴氯系數(shù)符合海水蒸發(fā)過程的分布規(guī)律，因此可以確定該鉀鹽礦的成鹽物質(zhì)主要來源于海水。同時較高的溴氯系數(shù)和罕見鹽類礦物溢晶石的發(fā)現(xiàn)，說明該礦區(qū)鹽類礦物沉積時鹵水已經(jīng)達(dá)到高度濃縮的狀態(tài)。鹽類沉積時的氣候條件應(yīng)該為干旱、高熱，有利于鹵水蒸發(fā)、濃縮而形成鹽類礦物沉積。

4 結(jié)論

(1)剛果盆地西南部地區(qū)白堊系蒸發(fā)巖礦物主要為：硫酸鹽類礦物(硬石膏)、鹵化物(石鹽、光鹵石、次生鉀石鹽)、鉀鎂鹽和鎂鹽類礦物(溢晶石或水氯鎂石)。

(2)蒸發(fā)巖沉積階段氣候極為干旱炎熱，蒸發(fā)量大于補給量，沉積水體溫度較高，高溫環(huán)境持續(xù)時間長且波動較小。

(3)研究區(qū)溴氯系數(shù)的平均值為5.9，高于海水析出光鹵石時的溴氯系數(shù)，說明該礦區(qū)鹽類礦物沉積時鹵水濃縮程度已經(jīng)很高，鹽類沉積時的氣候條件應(yīng)該為干旱、高熱，有利于鹵水蒸發(fā)、濃縮而形成鹽類礦物沉積。