羅布泊北部大洼地硝酸鹽礦床成礦機制研究意義

吳春偉，田忠鋒，萬初發

（1.新疆地質礦產勘查開發局第三地質大隊，新疆庫爾勒841000；2.新疆維吾爾自治區地質礦產研究所，新疆烏魯木齊830000；3.新疆維吾爾自治區礦產資源儲量評審中心，新疆烏魯木齊830000）

1 硝酸鹽礦資源概況

我國的硝酸鹽分布區極少，只有山西和新疆兩地。而且山西只有極少量的硝酸鹽礦產。新疆是我國目前唯一的具有工業價值的大型硝酸鹽分布區，蘊藏著超大型鈉硝石礦床。近幾年，新疆吐—哈地區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發現了十幾處硝酸鹽礦床和礦化點，這些硝酸鹽礦床(點)大體沿蘭新鐵路東西向分布，綿延400km以上。2006年在該地區發現了面積達3000km2，平均品位達8%，儲量達1.84×108t的庫姆塔格鈉硝石礦床。2007年又在該地探明硝酸鹽儲量7090×104t。使該地區硝酸鹽總資源量達到了2.5×108t，其規模與智利Atacama超大型硝酸鹽礦床相當。

硝酸鹽是世界緊缺資源之一，據統計，國際上對硝酸鹽產品的需求總體以每年7%左右的速率增長。近年來，隨著我國國民經濟的發展，國內對硝酸鹽產品的需求增幅更大，對外依存度逐年增加，大量的硝酸鹽產品長期依賴進口。目前國內硝酸鉀的需求量約70×104t/a，其中80%用于工業及其它行業，20%用于農業。工業用硝酸鉀主要產于國內，市場售價在4500～4800元/t;農業上主要用在經濟作物煙草的肥料上，主要依靠進口。國內從智利進口天然硝酸鉀售價為550美元/t。國內硝酸鉀市場需求55×104t/a，每年需進口10多萬噸。我國硝酸鈉消費構成情況大致為輕工行業約占80%、化學工業占9%、機械工業占6%、其它行業占5%。據統計，2000年我國對硝酸鈉的需求20×104t左右，而2005年則上升到34×104t左右，年均需求增長率達14%，目前我國每年硝酸鈉產量要在36×104t/a左右，今后市場對硝酸鈉的需求將以每年5%～8%的速度增長(邱斌，2009)。由于硝酸鹽用途廣泛，國內資源缺乏，因此尋找更多有工業價值的硝酸鹽礦床是一項十分緊迫的重要任務。

2 大洼地硝酸鹽礦床

新疆已發現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，成礦受大地構造、氣候條件控制作用明顯，地表硝酸鹽礦床已基本全部發現。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，發現礦化離礦床的發現還有不少距離。目前液體鉀鹽勘查多依據礦床控制因素進行找礦，如綜合氣候條件尋找構造凹陷區，往往找礦地區大，工程驗證預算經費高，找礦效果不明顯，在新的形勢下，需要另辟蹊徑，從硝酸鹽的成礦物質來源入手，進一步圈定硝酸鹽富集區。

大洼地位于羅布泊東北，羅布泊是一個位于塔里木盆地內的次一級坳陷盆地，自第三紀以來，長期處于干旱炎熱的氣候條件下，湖水不斷濃縮，形成了第四紀現代鹽湖。在大鹽湖的邊緣地帶，發育了一系列與大鹽湖時通時斷的小鹽湖，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，盆地的大部分區域被湖水淹沒，沉積有數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動后期，伴隨新構造運動的活躍，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”。殘留湖水進一步蒸發結晶，形成次級全封閉盆地，在湖區石鹽殼頂部同時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、硝酸根等含量相對較高，是形成鉀硝石礦的特定的地球化學特征，大洼地鉀硝石礦周邊巖石、土壤具備這一特定的地球化學特征。據統計新疆的各類巖石中K2O的含量超過全國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4%以上，與儲鹽盆地相關土壤中普遍富含硝酸根，在某些土壤中硝酸根可達1%以上。這一地球化學特征為大洼地鉀硝石礦形成提供了物質來源。

汪文先（1987）研究發現，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給來源，該套上新統紅色薄層泥巖、砂巖，在羅布泊涸湖北部山前高臺地區，大洼地以北20km的紅土堡也有出露。

2016年筆者在對大洼地硝酸鹽礦床進行勘查評價的過程中發現，第三系桃樹園組地層在區內大面積分布，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，而大洼地湖盆區邊緣則是高出盆地40～60m的紅色雅丹臺地，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源之一。

同時地下水的補給對大洼地硝酸鹽的形成也是十分重要的物質來源，常年性、日積月累會形成大量的補給量，位于大洼地北部的堿泉子水中NO3-含量達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2400～3600mg/L，這些地下水年復一年的匯入大洼地鹽湖，是大洼地硝酸鹽的重要來源之一。

目前，對大洼地硝酸鉀礦床的中硝酸根來源仍停留在宏觀層面上，對于其物質來源多為一些概括性、描述性、趨向一般性的總結和認識，缺少系統的、詳實和具體的理論研究，而且在氮源這個根本問題上并無實質性的突破，因此，為進一步提高我國硝酸鹽資源尋找和評價力度，增進與硝酸鹽需求的下游產業的經濟安全，有必要深入研究新疆硝酸鹽富集區的沉積特征與富集規律，開展實質性的氮源研究和探討是十分必要的。

3 成礦機制研究意義

國內對硝酸鹽礦床的研究主要集中在礦床地質方面（熊先孝，1994；鄭玉喜，2000；黃鐵棟，2005；張義民等，2000）而關于硝酸鹽礦床中氮的來源問題一直是個爭論不休的問題，主要有以下觀點和認識：

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

關于地表水中的無機氮，很多人認為大氣氮是其重要的來源，尤其是酸雨，在一些地區更是其重要來源，Bickly等（1979）的實驗顯示，氧化氮是大氣條件或氧化條件下，N2在TiO2表面經光解作用形成的正常產物；后來，Kuliev等（1981）、韓建明（2006）、陳永志（2009）的類似實驗也得到了相同的結果。研究顯示，很少量的金屬氧化物（TiO2、Fe2O3等）可產生相當數量的光化學作用（Hautala et al1981），Bohlke等（1997）根據穩定同位素研究，證實智利Atacama盆地和美國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年韓建明通過對新疆羅布泊鐵礦灣硝酸鹽礦床氮源研究，認為金屬催化光化學反應是新疆地區固氮生氮的主要因素。

這些成因認識主要是在宏觀層面上的推斷和猜測，不論硝酸根來源于天上，或來源于地下，硝酸鹽是如何富集成礦的至今還是一個謎。

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、氧同位素研究無疑是示蹤硝酸鹽來源，揭示硝酸鹽礦床成因和形成機制的最有效方法。N在自然界以多種不同的形式和形態(氣態、液態和固態)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源，研究大氣光化學污染的形成機制、生物固氮機制，揭示氮循環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，對于示蹤其來源和形成條件，避免單種同位素分析結果的多解性具有重要意義。另外，硝酸鹽是地球上少數幾個具有明顯氧同位素非質量分餾效應的礦物之一。非質量同位素效應可以揭示一些元素濃度甚至單個同位素比值無法揭示的特殊現象和規律，是國際上同位素地球化學研究的前緣和熱點(李延河等，2002)，在國內尚屬空白。

因此，通過系統的鹽類礦物學、水鹽體系平衡、地球化學、氮氧同位素和年代學研究工作，綜合分析研究大洼地硝酸鉀礦床的氧同位素非質量分餾效應和氧、氮同位素組成特征和時空變化規律，結合礦床地質特征及成礦年代，對查明該礦床硝酸鹽的來源、硝酸鹽的傳輸路徑，揭示硝酸鹽礦床的形成機制和關鍵成礦條件，估算各種成因硝酸鹽的貢獻大小，建立成礦模式，指導找礦具有重要意義。

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