山東省大汶口盆地蒸發(fā)巖地球化學特征及找鉀標志

石厚禮，張鵬，姜赟赟

(山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安　271000)

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山東省大汶口盆地蒸發(fā)巖地球化學特征及找鉀標志

石厚禮，張鵬，姜赟赟

(山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安271000)

摘要：山東省大汶口盆地是我國著名的蒸發(fā)巖沉積盆地，盆地內蘊藏有豐富的石膏、巖鹽等沉積型礦產。巖鹽賦礦地層為古近系官莊群，控礦構造為同生正斷層。通過對盆地內巖鹽K，Mg等常量元素、δ34S同位素特征以及盆地內鹽泉鹵水鎂氯系數(shù)、鈉氯系數(shù)進行分析，總結出盆地內蒸發(fā)巖是在相對封閉、還原的沉積環(huán)境下形成的；根據(jù)元素特征、鎂氯系數(shù)及鈉氯系數(shù)，總結出盆地具備成鉀條件并確定找鉀標志。

關鍵詞：蒸發(fā)巖；地球化學特征；找鉀標志；大汶口盆地；山東省

引文格式：石厚禮，張鵬，姜赟赟.山東省大汶口盆地蒸發(fā)巖地球化學特征及找鉀標志[J].山東國土資源，2016,32(6)：41-45.SHI Houli，ZHANG Peng，JIANG Yunyun. Geochemical Characteristics of Evaporites and Criteria for Potassium Prospecting in Dawenkou Basin of Shandong Province[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(6)：41-45.

大汶口盆地是我國著名的蒸發(fā)巖沉積盆地，是魯西地區(qū)最大的沉積賦礦盆地，盆地內蘊藏有豐富的石膏、巖鹽等蒸發(fā)巖型礦產資源，累計查明資源量石膏151億t，巖鹽15億t[1-2]。大汶口盆地巖鹽礦床深藏于地下，在地表很難被發(fā)現(xiàn)，而地球化學找礦方法由于不受地表覆蓋物的限制，是找尋深部盲礦體較為有效的方法之一[3]，但是綜合整理大汶口盆地以往文獻資料發(fā)現(xiàn)，前人對大汶口盆地缺乏較為系統(tǒng)的地球化學研究。該文分析了盆地蒸發(fā)巖元素含量、穩(wěn)定同位素含量特征，總結了蒸發(fā)巖的地球化學特征，為利用地球化學方法尋找鉀鹽礦提供依據(jù)。

1區(qū)域地質背景

大汶口盆地位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)的中偏西部，東北部與新甫山凸起(Ⅴ)相接，西北部緊鄰肥城凹陷(Ⅴ)，東南部接蒙山凸起(Ⅴ)，東與汶東(Ⅴ)相通，為一北斷南超箕型盆地。

新太古界地層巖性以石榴石英巖、斜長角閃巖、黑云變粒巖為主；寒武-奧陶系九龍群，巖性以厚層鮞粒灰?guī)r、藻球灰?guī)r、藻凝塊灰?guī)r、藻屑灰?guī)r、中厚層礫屑細晶白云巖為主；奧陶系地層巖性以深灰色中厚層灰?guī)r及黃灰色中薄層泥晶白云巖為主；新生界古近系官莊群，巖性為砂巖、礫巖、泥巖、灰?guī)r等；新近系巖性以粘土巖為主。

自中生代以來，總體構造輪廓受NE—SW向構造控制，魯西隆起區(qū)位于西部聊考深大斷裂和東部沂沭斷裂帶之間。魯中隆起主要由NW和NNE向2組斷裂構造組成，呈“X”型斷裂組合，前者主要表現(xiàn)為鏟式正斷層，構成沂沭斷裂帶羽狀系統(tǒng)的左側翼；后者主要表現(xiàn)為走滑斷裂，大致平行于沂沭斷裂帶分布，為沂沭斷裂的平行構造。NW向斷裂是魯中隆起最重要的斷裂構造，控制了魯中隆起內中生代盆地北斷南超的構造格局，剖面上構成了具有特色的箕斗型斷塊構造。區(qū)域巖漿巖主要為新太古代、中元古代、古生代、中生代等侵入巖。

2礦區(qū)地質特征

2.1地層

礦區(qū)主要賦礦地層為官莊群大汶口組，為一套河湖相碎屑巖-化學巖-碎屑巖沉積建造，依據(jù)其巖性特征，自下而上可分為3段。

大汶口組下段：巖性以紫紅色泥巖、砂質泥巖為主，下部夾少量砂巖、灰質礫巖，上部夾少量硬石膏層。砂巖中發(fā)育水平層理，小型斜層理，為河湖相沉積。

大汶口組中段：為一套巨厚層泥灰?guī)r、泥巖、蒸發(fā)巖沉積，根據(jù)其巖性特征，自下而上可劃分為膏下泥巖段、鹽下膏層段、含鹽段、鹽上膏層段、膏上泥灰?guī)r段等5個巖性段。該段地層在盆地中心發(fā)育齊全，向盆地邊緣厚度變薄且發(fā)育不全。

大汶口組上段：巖性以灰色—褐紅色泥灰?guī)r、泥巖、砂巖、粉砂巖為主，局部夾石膏巖，邊部相變?yōu)榈[巖、礫巖夾砂巖、鈣質泥巖與礫巖互層等。

2.2構造

盆地內斷裂構造較為發(fā)育(圖1)，由南留斷層、王莊斷層和故縣店斷層組成的南留弧形斷裂控制了盆地發(fā)展的邊緣。斷層性質為正斷層，斷層走向主要為NNE向和NW向。斷層在始新世官莊群地層沉積時仍有活動，且邊活動邊沉積，形成同生斷層特有沉積特點，即下降盤沉積厚度明顯大于上升盤沉積厚度。至漸新世，除盆地邊緣斷層仍有活動外，盆地內斷層活動則減弱或基本停止，尤其是F2斷層，在始新世早期活動已停止，故僅穿越至大汶口組底部地層。

圖1　大汶口盆地巖相、構造示意圖

2.3巖漿巖

在盆地北部及中部通過鉆孔施工揭露喜山期超淺層侵入巖，侵入巖分3層呈巖床狀展布于大汶口組中、上段泥巖或泥灰?guī)r與石膏間的薄弱構造面中。第一、二層侵入巖巖性為輝長巖、輝綠玢巖等，第三層侵入巖性為輝綠巖、輝長巖[4]。

2.4巖鹽礦賦礦層位

盆地中巖鹽礦床賦存于古近紀始新統(tǒng)官莊群大汶口組中段地層中，分布地段為東向洼地和滿莊—大西牛洼地西南部與東向洼地接壤部位。礦層產狀與地層產狀一致，均自洼地邊緣緩傾斜于洼地中心。巖鹽礦層在東向洼地由邊部向中心含礦帶厚度逐漸增大，礦層層數(shù)由1層逐步增加到32層，礦層單層厚度由0.40m增加到15.89m。

礦層分布特點：①早期石鹽的沉淀中心在礦床北部的ZK6孔(東向洼地)和ZK01孔(滿莊—大西牛洼地)一帶，形成兩孔特有的第1層礦；晚期石鹽的沉淀中心向北西移至ZK9孔附近，形成該孔獨有的第31，32兩層礦。②垂向上礦層分布面積總體呈由小到大、然后又逐漸縮小的趨勢。③諸礦層沉積時其沉淀中心不斷的在發(fā)生位移，盆地內施工的所有見鹽鉆孔單孔均未控制全部礦層，說明大汶口盆地鹽類礦床沉積時其盆底形態(tài)和沉積中心在不斷的發(fā)生變化。

3地球化學特征與找鉀標志

3.1元素地球化學特征

在廣泛搜集資料的基礎上，對盆地內典型鉆孔常量元素進行系統(tǒng)分析，其鉆孔常量元素含量均值見表1。作為蒸發(fā)鹽類中常見元素，K,Mg元素含量特征直接反映了鉀鹽礦化程度和鹵水濃縮過程，是尋找鉀礦的重要直接指標[5]。研究表明，當石鹽中K元素含量大于0.09%時，成鹽鹵水中開始有鉀石鹽析出，當鹵水繼續(xù)蒸發(fā)時，就進入鉀鹽沉積階段，形成大量的光鹵石和鉀鹽[6]。由表1可以得知，K元素含量為0.008%～9.065%，一般元素含量為0.154%～0.618%。根據(jù)鉆孔K元素含量特征，說明大汶口盆地成鹽古鹵水具備了形成鉀鹽的前提條件。

表1　大汶口盆地蒸發(fā)巖常量元素含量均值

注：①山東省第一地質礦產勘查院，山東省泰安市大汶口盆地東向—漕河崖礦段巖鹽儲量升級勘探報告，1989年。②山東省第五地質礦產勘查院，山東省泰安市大汶口礦區(qū)漕河崖礦段巖鹽礦勘探報告，2013年。

成鹽鹵水中Mg含量也能夠間接反映鹵水濃度的變化，Mg離子主要以混入物的形式進入石鹽中，石鹽中的Mg含量主要取決于成鹽鹵水中Mg離子濃度的大小[7-8]。大汶口盆地巖鹽中，Mg含量為0.009%～5.690%，大部分為0.113%～1.664%。通過對大汶口盆地巖鹽中Mg含量規(guī)律進行總結分析，石鹽析出階段Mg含量小于等于0.616%，鉀鹽析出階段Mg含量大于1.6%。說明隨著鹵水不斷蒸發(fā)濃縮及鹽類物質地不斷析出，鹵水中Mg含量逐漸增多，在鉀鹽階段Mg含量達到最大值。因此，巖鹽中Mg含量對于成鹽古鹵水的濃縮蒸發(fā)和成礦具有良好的指示效果。

3.2同位素地球化學特征

近年來隨著元素分析技術不斷提高，同位素作為一種有效的示蹤手段，在地質研究過程中取得了廣泛應用[9-11]。在蒸發(fā)巖方面利用穩(wěn)定同位素變化規(guī)律來探討鉀鹽礦床沉積環(huán)境具有明確的指示作用。

硫有4種穩(wěn)定同位素，其相對豐度分別為32S 95.02%，33S 0.75%，34S 4.21%，36S 0.02%，34S和32S的相對質量差較小，而δ34S值的變化范圍可達180×10-3，說明硫是自然界同位素分餾效應最明顯的元素，因此，地球化學研究中一般采用δ34S表示[12]。

該文收集整理大汶口盆地鉆孔ZK9硬石膏中硫作為測定對象，進行硫同位素數(shù)據(jù)分析，其分析結果見表2。由表2可以看出，δ34S的含量范圍(24.9～42.5)×10-3，平均值為31.8×10-3。在陸緣水體弱細菌還原環(huán)境下硫酸鹽δ34S值一般不超過20×10-3，研究區(qū)δ34S高含量值說明大汶口盆地蒸發(fā)巖是在封閉環(huán)境、細菌還原作用下形成的[5]。

自晚白堊世以來，魯西地區(qū)以斷塊隆起為主，隆中有凹陷形成一系列內陸斷陷盆地，在盆地中沉積有巨厚的官莊群地層。鑒于始新世初期即官莊群朱家溝組地層以山麓堆積相粗碎屑巖沉積為特點；中期即大汶口組下段地層以河湖相泥巖、粉砂巖沉積為特點；晚期即大汶口組中段地層以咸化湖相蒸發(fā)巖沉積為特點；到漸新世初期即大汶口組上段地層以淡水湖相泥灰?guī)r、泥巖夾油頁巖沉積為主。

沉積相的變化，表明在始新世初期—漸新世早期，該區(qū)沉積環(huán)境為由動蕩到寧靜的沉積演化過程。同時，δ34S高含量值說明大汶口盆地蒸發(fā)巖是在封閉環(huán)境、細菌還原作用下形成的。在這種條件下，盆地外無大量淡水滲入，盆地內蒸發(fā)量大于補給量，有利于鹽類礦物在鹵水中結晶析出，進而形成具有工業(yè)價值的鹽類礦層。

3.3水化學特征

水化學找鉀方法是在含鹽系分布區(qū)通過對地下水，尤其是鹽泉鹵水進行化學組分調查的基礎上，對含鹽區(qū)是否存在鉀鹽遠景區(qū)，或對找鉀靶區(qū)做出評價的方法。研究蒸發(fā)巖礦物中特殊組分的含量及其變化特征，可作為水化學找鉀的重要標志[13-15]。

表2　硫酸鹽礦物中硫同位素地球化學特征*山東省第一地質礦產局，魯西南地區(qū)下第三系成鉀條件研究，1984年。

大汶口盆地巖鹽礦層埋深較大，一般在800～1000m之間，且上覆隔水層厚度較大(一般大于100m)。盆地內斷裂構造雖然較發(fā)育，但發(fā)育斷層均屬同生正斷層，兩盤巖性多為導水性和富水性較弱且差異不大的泥巖、泥灰?guī)r類等。該文選取漕河崖巖鹽礦段采集水樣進行分析，分析數(shù)據(jù)見表3。

由表3可以看出，大汶口盆地漕河崖巖鹽礦段水樣中礦化度最大值為2.3g/L，均值為1.5g/L，礦床礦化度較低。

鉀鹽水化學找礦主要是根據(jù)Na，Mg，Cl等計算相應特征系數(shù)；來判斷鹵水濃縮程度、探討沉積環(huán)境等[16]，主要是通過鎂氯系數(shù)和鈉氯系數(shù)來進行探討大汶口盆地是否存在鉀鹽成礦遠景區(qū)，鎂氯系數(shù)和鈉氯系數(shù)主要是通過離子當量的形式計算的。

表3　漕河崖巖鹽礦段水質分析結果

注：山東省第五地質礦產勘查院，山東省泰安市大汶口礦區(qū)漕河崖礦段巖鹽礦勘探報告，2013年。

鎂氯系數(shù)主要反應鹵水的濃縮程度，通常情況石膏開始沉積時鎂氯系數(shù)為0.15，而到鉀石鹽沉積階段，系數(shù)值為0.75～0.77。研究區(qū)鎂氯系數(shù)大部分≥0.56，少部分≥0.81，說明盆地具備鉀鹽成礦的條件。鈉氯系數(shù)反應鹵水變質程度，系數(shù)>1說明盆地有較強的淡水摻雜過程，系數(shù)<1說明盆地鹵水沒有受到外來淡水的干擾，鹵水處于持續(xù)蒸發(fā)濃縮的階段，并可能出現(xiàn)鉀鹽層。本盆地鈉氯系數(shù)一般<0.47，可作為本研究區(qū)尋找鉀礦間接找礦標志。

通過對大汶口盆地鎂氯系數(shù)和鈉氯系數(shù)等水化學特征進行分析，說明大汶口盆地古鹵水在濃縮過程中已具備形成鉀鹽礦的條件。

4結語

(1)古近紀官莊群大汶口組地層為盆地賦礦地層，盆地內同生正斷層為控礦構造。

(2)成鹽鹵水中K含量大于0.09%時，開始有鉀鹽析出，而大汶口盆地巖鹽中K含量一般為0.154%～0.618%，說明大汶口盆地巖鹽析出階段已具備成鉀條件；同時，隨著鹵水不斷蒸發(fā)濃縮及鹽類物質地不斷析出，由石鹽到鉀鹽析出階段Mg含量逐漸增多，巖鹽中Mg含量對于成鹽古鹵水的濃縮蒸發(fā)和成礦具有良好的指示效果。

(3)通過對蒸發(fā)巖硫同位素進行分析，說明盆地蒸發(fā)巖是在相對封閉、還原條件下形成的，這為鉀鹽形成創(chuàng)造了良好地質條件。

(4)通過對盆地內鎂氯系數(shù)及鈉氯系數(shù)水化學特征進行分析，說明盆地古鹵水在濃縮過程中具備形成鉀鹽的條件，并且利用該系數(shù)可以圈定成礦遠景區(qū)。

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Geochemical Characteristics of Evaporites and Criteria for Potassium Prospecting in Dawenkou Basin of Shandong Province

SHI Houli，ZHANG Peng，JIANG Yunyun

(No.5 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources，Shandong Taiˊan 271000，China)

Abstract：Dawenkou basin in Shandong Province is a famous evaporite sedimentary basin in China. There are abundant types deposition mineral resources, such as gypsum and halite．Halite-bearing strata are Paleogene Guanzhuang group，and ore-controlling structures are synsedimentary normal faults. In the basin，through analysis on K, Mg and δ34S isotopic characteristics, magnesium chloride brine coefficient and sodium chloride brine coefficient of salt spring, it is concluded that evaporates in the basin was formed in relatively closed and restoring sedimentary environments. According to characteristics of elements，magnesium chloride coefficient and sodium chloride coefficient，it is regarded that the basin has potassium condition and the criteria for prospecting potassium can be found.

Key words：Evaporites；geochemical characteristics；criteria for potassium；Dawenkou basin；Shandong province

收稿日期：2015-08-18；

修訂日期：2015-10-12；編輯：曹麗麗

基金項目：山東省地礦局地質科技攻關項目(KY201304)

作者簡介：石厚禮(1987—)，男，山東平原人，助理工程師，主要從事地球化學找礦研究工作；E-mail：809507425@qq.com

中圖分類號：P619

文獻標識碼：A