貴州銅仁中寒武統含鉀頁巖地質特征與鉀富集規律研究

摘要：鉀鹽是中國生產鉀肥的重要戰略性礦產資源，中國可用于生產鉀肥的可溶性鉀礦資源非常短缺，難以保障國家糧食安全生產之需，而難溶性鉀礦資源儲量豐富，尤其在貴州銅仁地區中寒武統含鉀頁巖廣泛發育。以銅仁地區中寒武統含鉀頁巖為研究對象，對含鉀頁巖地質特征、鉀賦存狀態和富集規律進行研究。結果表明：鉀富集層主要賦存于寒武系中統敖溪組第二段（∈₂a²）含炭質粉砂質頁巖中，厚度26～36 m，K₂O含量7%～14%，平均約9.59%。鉀元素主要賦存形式為微斜長石和伊利石，初步認為富鉀頁巖物源很可能來自陸源長英質含鉀長石的風化。微斜長石、伊利石等含鉀礦物主要在臺地邊緣斜坡偏氧化水體中發生沉積，最終形成富鉀頁巖。

關鍵詞：含鉀頁巖; 地質特征; 富集過程; 中寒武統; 貴州銅仁

中圖分類號：P612文獻標志碼：A鉀鹽是我國非常重要的戰略性緊缺非金屬礦產資源，也是生產鉀肥的重要來源，直接關乎國家糧食安全生產和保障供應［1-2］。但是，全球鉀鹽資源分布極不均衡［3］。據統計，截至2021年，全球鉀鹽總儲量為35億t（以K₂O為計），其中64.29%的鉀鹽資源高度集中在加拿大、俄羅斯、白俄羅斯，我國鉀鹽儲量3.5億t，占比僅10%［4］。從以上數據來看，我國可用于生產鉀肥的可溶性鉀礦資源非常短缺，難以保障國家糧食安全生產之需。

然而，我國難溶性鉀礦資源比較豐富，其中貴州銅仁地區寒武系中統敖溪組沉積了大量含鉀頁巖，且含礦層分布面積很大，主要沿銅仁—鳳凰汞礦帶呈北東向帶狀展布，即分布于鳳凰—銅仁—萬山—新晃一線，在南北長80 km、東西寬15～20 km的范圍內均有展布，面積達100 km²［1］。根據貴州省地質礦產勘查開發局一〇三地質大隊對銅仁萬山地區金家場、何坳田、蓋頂上等地區開展的含鉀砂頁巖普查報告成果，區內含鉀頁巖氧化鉀含量約為8%～11%，礦石資源量約1.937億t。另據預測區域內鉀礦資源遠景儲量有望達到50億t以上［5］。然而，為何這一時期銅仁地區頁巖中鉀含量如此之高，其地質特征、富集規律和控制因素是什么，這些問題目前尚不清楚，亟待開展深入地研究。

鑒于此，本文擬以貴州銅仁地區寒武系中統敖溪組為重點，針對賦存于該組的鉀礦資源開展野外調查和綜合研究，目的是初步摸清含鉀頁巖地質特征及其富集規律，以期為含鉀頁巖找礦提供關鍵技術支撐。

1區域地質背景

研究區位于揚子陸塊與華夏陸塊的過渡區。按《中國區域地質志 貴州志》［6］劃分方案，屬揚子陸塊—江南復合造山帶—榕江加里東褶皺區—銅仁復式褶皺變形區。

地處湖南與貴州交界之湘西—黔東地區，按照大地構造單元劃分，處于揚子準地臺和華南褶皺帶的過渡帶上，屬揚子準地臺貴陽復雜變形區的東緣，湘西武陵山早期華南褶皺斷裂帶西側（圖1）。

研究區出露地層從老至新有：青白口系清水江組，南華系下統鐵絲坳組、大塘坡組、上統南沱組，震旦系下統陡山沱組、上統留茶坡組；寒武系下統木昌組、烏訓組，寒武系中統敖溪組、花橋組，上統車夫組、比條組、追屯組及第四系等。巖石組合有陸源碎屑雜砂巖及炭質頁巖、硅質頁巖-碳酸鹽巖組合等，巖性和沉積厚度變化頻繁。

2礦床地質特征

礦體（層）賦存于寒武系中統敖溪組第二段（∈₂a²），其巖石類型以灰、深灰、灰黑色含炭質頁巖、含炭質粉砂質頁巖為主，根據巖性可細分為10層（圖2）：

中寒武統敖溪組一段（∈₂a¹）

①淺灰色雜紫紅色中厚層白云巖夾紫紅色薄層黏土巖。頂部具厚0.40 m中厚層白云巖，具波狀起伏面。厚度大于1.2 m。

中寒武統敖溪組二段（∈₂a²）

②灰黑、深灰色含炭質、粉砂質頁巖。厚0.7 m。

礦體底板：

③深灰色含炭質頁巖夾粉砂巖透鏡體。厚0.3 m。

④深灰、灰黑色雜灰黃色含炭質粉砂質含鉀頁巖。厚1.3 m。

⑤深灰色含炭質含鉀頁巖。厚1.2 m。

⑥深灰、灰色含炭質粉砂質含鉀頁巖，含鉀量最高，含鉀10%以上，偶見粉砂巖透鏡體。厚2.2 m。

⑦深灰、灰黑色含炭質含鉀頁巖。厚6 m。

⑧深灰、灰黑色雜灰黃色含炭質含鉀頁巖。厚6 m。

⑨深灰色含炭質含鉀頁巖。厚7 m。

中寒武統敖溪組三段（∈2a3）

⑩深灰、灰黃色鈣質頁巖，為礦體頂板。厚3.5 m。

3含鉀頁巖富集規律

3.1沉積古地理條件

依據萬山地區中寒武統代表性剖面巖性、巖相學特征，可將其劃分為局限臺地相、臺地邊緣淺灘相、臺地邊緣相、臺地前緣斜坡相，錦屏—荔波以東過渡為斜坡-盆地相（圖3）。研究區總體處于臺地邊緣相和臺地邊緣淺灘相區。從區域古地理演化規律來看，寒武紀臺江-牛車河期，包括研究區在內的整個貴州東部地區古地貌類型總體表現為北西高、南東低的態勢。海侵方向與之相反，表現為南東至北西。從圖3可以看出，研究區及其南部延伸區域，沿著北東、北北東走向的臺地邊緣相帶方向，發育了一系列的淺灘，其相互間隔在空間上形成多個類似海島鏈的古地理格局。其實，銅仁地區寒武紀敖溪組沉積期的古地理特征很大程度上繼承了寒武紀都勻期的古地理格局，受這一時期臺地邊緣淺灘相帶影響，富鉀頁巖空間分布存在橫向不連續現象，但其空間分布總體還是局限在臺地邊緣相帶。

3.2銅仁地區K2O含量空間分布

富鉀碎屑巖類在華南中寒武沉積系統中有著穩定的分布。在貴州地區主要分布于銅仁萬山區域中寒武熬溪組二段，其K₂O含量超過7%；在鄰近湖南地區下古生界寒武系中統中，發現有富鉀的頁巖或砂巖，其中K₂O含量約9%，主體賦存于黏土礦物中，主要分布于湘西吉首、懷化新晃等區域［8］。故認為富鉀頁巖型鉀礦在華南揚子板塊具有區域分布特征。

銅仁地區鉀異常主要分布在銅仁市萬山區境內，異常區長約25 km，寬約4 km，異常面積80 km²，異常峰值7.61%（圖4）。富鉀頁巖分布整體呈現北北東向特征，可能與沉積古地理有關，陸源物質經歷風化剝蝕由西北區域遷移向東南方向，并在萬山地區形成大量含鉀頁巖型鉀礦。

3.3鉀元素賦存形式

前人研究發現，含鉀頁巖中主要礦物包括石英、碳酸鹽礦物、黏土礦物及其他陸源碎屑礦物［7， 9-12］。李松濤等［13］運用XRD礦物相分析方法，確定研究區富鉀頁巖中礦物類型主要包括石英、白云石、方解石、微斜長石、黃鐵礦、針鐵礦及黏土礦物（伊利石、綠泥石、高嶺石）。分析結果見表1。一般而言，微斜長石、白云母及伊利石中均含有鉀元素［11］，而石英、白云石、方解石、黃鐵礦、針鐵礦及綠泥石和高嶺石中，理論而言不含鉀元素。因此，結合已有研究認為研究區富鉀頁巖中鉀元素的主要賦存形式為微斜長石和伊利石［7， 9， 11］。

3.4鉀富集規律探討

3.4.1物質來源

研究區熬溪組頁巖中鉀元素主要以硅酸鹽礦物（微斜長石和伊利石）形式存在，故確定研究區頁巖中物源物質特征具有重要作用。

碎屑巖中，Al₂O₃和TiO₂與陸源硅酸巖關系密切，故兩者相關特征可以用于判斷母巖的特征。一般而言，當Al₂O₃/TiO₂介于3～8之間時，物源可能是鐵鎂質巖石，當Al₂O₃/TiO₂介于8～21之間時，母巖主要為中性火成巖，當Al₂O₃/TiO₂介于21～70之間時，母巖主要為長英質巖石［14］。趙艷婷［11］分析發現銅仁萬山地區富鉀頁巖的Al₂O₃/TiO₂分布為23～33，均值為27，故認為源巖總體為長英質巖石來源。

碎屑巖中部分硅酸鹽類礦物可以為陸源碎屑來源［15］，也可為生物、熱水來源等，如熱水來源的硅質［16］。故確定研究區是否存在熱水的供給對鉀礦資源富集模式具有重要意義。SiO₂/Al₂O₃比值是重要的用于判斷碎屑巖中是否存在生物或熱水來源物質的參數［17］。趙艷婷［11］研究發現銅仁地區富鉀頁巖SiO₂/Al₂O₃比值分布為2.80～3.59，故認為物質來源主要為陸源風化碎屑。此外，Al/（Al+Fe+Mn）比值也可用于沉積巖中物質來源分析［15-16］。趙艷婷［11］研究發現，該研究區富鉀頁巖Al/（Al+Fe+Mn）比值分布為0.64～0.69，均大于0.5，表明樣品遠離熱水沉積區域，主要受陸源風化碎屑物質影響。

綜上所述，研究區富鉀頁巖物源來源主要為陸源長英質含鉀長石的花崗巖，極少有熱水或生物來源的元素或礦物。

3.4.2風化作用

本次研究我們發現，鉀元素主要以微斜長石和伊利石的形式賦存于頁巖中，而黏土礦物被認為可能是硅酸鹽類礦物經歷化學風化作用而形成的產物［18］，故探索研究區所經歷的風化作用對確定富鉀頁巖的形成具有重要意義。

前人研究提出華南板塊在早寒武世早期為溫暖濕潤的氣候條件，在中晚期氣候逐漸炎熱，并出現干旱氣候，中、晚寒武世華南板塊的氣候較早寒武世晚期進一步炎熱干旱，持續時間也相當長［19］。

眾多研究者發現，銅仁萬山地區中寒武統富鉀頁巖中存在一定的黏土礦物［11-12， 20］，暗示寒武紀中期時氣候條件可能總體呈現逐漸干旱、濕潤程度減弱的特征，風化作用強度中等，長石類等硅酸鹽礦物遭受風化，部分形成黏土礦物，部分仍以石英、長石、云母礦物形式存在。

3.4.3成礦過程

中寒武世時期，上揚子區西部地殼上升活動頻繁，西緣的古陸不斷擴大，并全部銜接，形成縱貫西部邊緣的川滇古陸［21］。其沉積相的展布，自西北至東南大致為：近岸混合坪、薩布哈鹽湖、局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣淺灘、臺地前緣斜坡［21］。黔東—湘西地區形成一系列褶皺基底，位于弧后盆地邊緣地帶。陸源物質由川滇古陸地區風化搬運至黔東地區。

該時期總體呈現相對干旱、濕潤程度減弱的氣候環境，母源物質經歷風化作用，形成了特定的陸源碎屑物質，包括微斜長石礦物顆粒、伊利石、綠泥石等黏土礦物。其中，黏土礦物類以懸浮物或膠體形式遷移、搬運，到達臺地邊緣斜坡或淺水陸棚時，水體總體為偏氧化的環境，沉積形成含白云質的頁巖。由于其中含有大量的含鉀礦物，包括微斜長石和伊利石，故形成富鉀頁巖。

4結論

1）銅仁萬山地區分布有富鉀頁巖，層位上主要分布于中寒武世熬溪組，區位上富鉀頁巖帶總體以北北東方向分布，鉀含量（K2O）超7%，鉀元素主要以微斜長石和伊利石形式存在。

2）依據主量元素特征發現，研究區含鉀頁巖中的硅酸鹽類礦物主要為陸源長英質含鉀長石的花崗巖，極少有熱水或生物來源的元素或礦物。

3）中寒武世時期研究區氣候總體呈現逐漸干旱、濕潤程度減弱的特征，陸源碎屑物質經歷的風化作用中等，故而鉀元素賦存形式包括微斜長石和伊利石。

4）初步構建富鉀頁巖的富集模式。中寒武世時期，華南揚子板塊總體呈現逐漸干旱、濕潤程度減弱的氣候條件，處于被動大陸邊緣的長英質陸源物質經歷中等風化作用后，搬運至臺地邊緣斜坡相環境中發生沉積，形成富鉀頁巖。參考文獻：

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（責任編輯：周曉南）

Study on the Geological Characteristics and Potassium

Enrichment of the Middle Cambrian Potassium-containing Shale

in Tongren， Guizhou Province

JIANG Tianrui PAN Wen SU Te SHI Chunhua TU Lingling ZHAO Shuang

HUANG Dan ZHOU Ling GAO Junbo

（1.103 Geological Party， Guizhou Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Tongren 554300， China;

2.College of Resources and Environmental Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China;

3.Key Laboratory of Karst Georesources and Environment， Ministry of Education， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： Potassium salt is an important strategic mineral resource for the production of potassium fertilizer in China. However， the soluble potassium mineral resources in China are very scarce， causing it difficult to meet the needs of national food security production. Luckily， the reserves of insoluble potassium mineral resources are abundant， especially the middle Cambrian potassium-containing shale widely developed in Tongren，Guizhou Province. In this study， we take this shale in Tongren as the research object， and focus on the geological characteristics， potassium occurrence， and enrichment rules. The results show that the potassium enriched layer mainly exists in the second section of the middle Cambrian Aoxi Formation （∈₂a²）， with the thickness of 26-36 m and the K₂O content of 7%-14% （avg.=9.59%）. The main occurrence of potassium is microcline and illite. and the source of potassium-containing shale is likely derived from the weathering of the terrestrial felsic potassium feldspar. Potassium containing minerals （e.g.， microcline and illite） mainly precipitated at the slightly oxidized water bodies on the slop of the platform margin， and formed the potassium-containing shale.

Key words： potassium-containing shale; geological characteristics; enrichment process; middle Cambrian; Tongren