鉀鹽大礦何處尋？中國(guó)小板塊（陸塊）找鉀探索

文/劉成林 宣之強(qiáng)（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所）

鉀元素是生命之必需元素，是糧食及農(nóng)作物生長(zhǎng)的大量 “營(yíng)養(yǎng)素”之一。

六十年前，中國(guó)還沒有發(fā)現(xiàn)鉀鹽礦床。農(nóng)民多用草木灰來(lái)補(bǔ)充農(nóng)田對(duì)鉀的需求。如今，中國(guó)鉀肥年產(chǎn)量數(shù)百萬(wàn)噸，自給率達(dá)到50%。這些鉀鹽主要從鹽湖鹵水中提取，而己探明的鹽湖鉀鹽儲(chǔ)量有限，難以支撐中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

世界上鉀肥主要從古代固體鉀鹽礦石中制取，已查明地球古生代海相固體鉀礦多埋藏在加拿大、俄羅斯、美國(guó)及德國(guó)等地下數(shù)百到上千米的深處地層中，并已形成數(shù)千萬(wàn)噸產(chǎn)能；而中生代海相固體鉀鹽主要分布于中亞地區(qū)、泰國(guó)、老撾及剛果等地，儲(chǔ)藏量巨大，但多數(shù)尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。

目前，中國(guó)僅發(fā)現(xiàn)少量的中生代白堊紀(jì)固體鉀鹽礦。那么，我們要去哪里才能找到大型鉀鹽礦呢？

到古老的特提斯海相去找！

古老的特提斯海在哪里？

西方世界有一個(gè)非常古老的神秘傳說(shuō)：很久很久以前，在一片茫茫古地中海中，有片大陸上曾經(jīng)有一個(gè)非常發(fā)達(dá)的古代文明世界，稱為“亞特蘭蒂斯”文明，由于某一天地殼發(fā)生巨大裂陷和火山噴發(fā)等變化運(yùn)動(dòng)，最終使其沉入海底消失了。

據(jù)不同學(xué)者考證，這個(gè)發(fā)育了古代文明的陸地（Atlantic，或譯大西洲）在地質(zhì)學(xué)中稱小板塊，它就位于現(xiàn)今的地中海一帶，也就是古老的特提斯海或洋的殘余海地區(qū)。

圖1：2億多年前（三疊紀(jì)）特提斯洋及中國(guó)小陸塊（引自Scotese 板塊運(yùn)動(dòng)網(wǎng)站，有修改）

那么，古老的特提斯海又是一個(gè)什么樣的海洋呢？它在哪里？有多大？為什么現(xiàn)在消失了？它給人類留下了什么……要回答這些問題，就得從地球地殼板塊運(yùn)動(dòng)中探求謎底。

100多年前，由著名的奧地利地質(zhì)學(xué)家徐士(E.Suess) 提出，遠(yuǎn)在二億年前古老地質(zhì)歷史中，在歐亞與非洲、印度等陸地之間，曾存在過橫貫赤道附近的古大洋（圖1）， 并以古希臘神話中一位大洋神（Okeanos）的妻子（Tethys）的名字來(lái)命名為“特提斯”洋（海）。

從此以后，特提斯地質(zhì)的研究成為世界各國(guó)地球科學(xué)界經(jīng)久不衰的研究課題。搞大地構(gòu)造的、找金屬礦或找石油天然氣的眾多專家、學(xué)者等，樂此不疲的探索多年。中國(guó)鉀鹽科技界幾十年來(lái)也曾長(zhǎng)期扎根于“特提斯洋”研究。

地球表層上殼體的漂移或板塊運(yùn)動(dòng)是特提斯海的催生婆

大約46億年前，地球在太陽(yáng)系中形成。原始地球經(jīng)歷“地外星球”多次猛烈撞擊，產(chǎn)生巨大熱能……最終形成地球表面呈巖漿構(gòu)成的“熔巖海洋”，炙熱的巖漿在地球表面翻滾，泛起波濤和巨浪，其形態(tài)特征可能與現(xiàn)代的“藍(lán)色液態(tài)水狀海洋”很相似。

隨著時(shí)間推移，地球表面熱量逐漸散失，地表也慢慢冷卻，在表面形成薄層的硬殼，即地殼……就像一杯加熱牛奶冷卻后，表面出現(xiàn)一層薄奶皮。

地殼下的巖漿冷卻并逐漸分層，如地幔層上部有的形成巖漿對(duì)流層，或稱軟流層。地殼就像南極巨大冰塊，懸浮在流動(dòng)的軟流層巖漿上漂移，約在25億年前，板塊運(yùn)動(dòng)開始了。

圖2：晚侏羅紀(jì)特提斯洋及中國(guó)小陸塊（引自Scotese 板塊運(yùn)動(dòng)網(wǎng)站，有修改）

板塊運(yùn)動(dòng)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，某些時(shí)段70%以上的大陸會(huì)聚集一起，形成超級(jí)大陸。地球上的大陸一直處于“分久必合、合久必分”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，與人類社會(huì)國(guó)家或各民族之間“分分合合”的狀態(tài)很相似。在地質(zhì)歷史上所形成的統(tǒng)一大陸，被稱為“超級(jí)大陸”，按時(shí)間從近期到遠(yuǎn)古時(shí)代，分別出現(xiàn)盤古（潘基）超級(jí)大陸，地質(zhì)歷史時(shí)代在二疊紀(jì)～三疊紀(jì)；羅迪尼亞超級(jí)大陸，時(shí)代在新元古代末；更古老時(shí)期，約在18.5億年前后，形成為哥倫比亞超級(jí)大陸，等等。

有學(xué)者認(rèn)為，地球板塊從分離到匯集成超級(jí)大陸的時(shí)間，大致與太陽(yáng)系在銀河系中的公轉(zhuǎn)周期相一致。

自古生代以來(lái)，地球上一直有兩個(gè)最大的板塊或大陸，其中一塊是岡瓦納大陸，它多數(shù)位于南半球；另一塊是勞亞大陸，它位于北半球。在勞亞大陸與岡瓦納大陸之間的海洋，可能由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等多種原因，促使南、北半球的板塊向赤道附近匯集，這些大小不同的板塊圈閉起來(lái)呈向東敞開的喇叭口狀，這就是古特提斯海（洋）（圖2）。

當(dāng)時(shí)的特提斯海無(wú)比廣闊，最寬達(dá)到9000公里，向東2萬(wàn)公里延伸到古太平洋。它的遺跡，大體沿阿爾卑斯—喜馬拉雅造山帶的走向，自南歐的比利牛斯山、亞平寧山、阿爾卑斯山、喀爾巴阡山、高加索山，到小亞細(xì)亞、興都庫(kù)什山、帕米爾和喜馬拉雅山而轉(zhuǎn)向云南，過緬甸和中南半島及馬來(lái)亞，延伸到蘇門答臘和帝汶，與環(huán)太平洋海域相連。今天，歐洲和非洲之間的地中海，就是她的殘余海。

在中國(guó)，特提斯海的東部曾經(jīng)延伸分布在西部的四川盆地、西藏羌塘高原、喜馬拉雅山脈、新疆塔里木西部以及云南中西部等地，向南到達(dá)老撾—泰國(guó)?，F(xiàn)今，這些地方不是高山峽谷，就是大沙漠或戈壁灘等地理景觀，成為人們旅游或戶外登山運(yùn)動(dòng)勝地。

地球上地表滄海桑田的巨大演變，是什么自然力量造成的呢？在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，地殼水平板塊移動(dòng)或稱板塊運(yùn)動(dòng)，使不同陸地（板塊或陸塊）碰撞、連接和擠壓，造成陸地巖石地層上升運(yùn)動(dòng)，亦稱為隆起，形成如地球第三極的青藏高原等；同時(shí)地球上隆起的高原上的巖石體，經(jīng)漫長(zhǎng)地質(zhì)構(gòu)造褶皺變形、斷裂切割和物理化學(xué)等風(fēng)化剝蝕作用，才變化成千奇百怪的高山峽谷、荒涼的戈壁沙漠和鹽湖，還有丹霞、雅丹、喀斯特等不同地貌景觀遺跡。

東特提斯海為何向西退縮和消亡？

板塊繼續(xù)漂移、拼合并碰撞，導(dǎo)致特提斯東段的海水向西退卻。為什么東特提斯海水向西退縮，而不是向東前進(jìn)？這首先與遭遇中國(guó)小陸塊碰撞有關(guān)。

我國(guó)科學(xué)家朱日祥等研究發(fā)現(xiàn)，東特提斯的中國(guó)華北和華南陸塊，在圈閉特提斯海過程中，它們首先在東部拼合、碰撞，東部自然抬升成陸地，阻擋了海水向東移動(dòng)，必然導(dǎo)致古特提斯海水向西退卻。如，蘭坪—思茅盆地、羌塘盆地及塔里木莎車盆地中膏鹽礦形成，也都受益于東部碰撞抬升所導(dǎo)致海水向西的退縮。

特提斯殘留海水給中國(guó)小陸塊上盆地帶來(lái)豐富的鹵素及鉀元素

當(dāng)特提斯海關(guān)閉及海退時(shí)，例如，在四川和羌塘盆地殘留了大量海水，為形成鉀鹽礦提供了充沛的鹵素和K、Na、Ca、Mg、S等物質(zhì)來(lái)源?，F(xiàn)代海水查明有80多種元素，每公升海水約有35克鹽，其中鉀元素有0.38克；因海水總體積相當(dāng)大，所以蘊(yùn)藏有5億億噸鹽，其中鉀有5百萬(wàn)億噸。

所以，由于全球性的海平面升降運(yùn)動(dòng)，特提斯海水可能會(huì)多次重新漫過大陸，在一些盆地匯集，形成石鹽或鉀鹽礦。

例如，云南的蘭坪—思茅盆地等，在侏羅紀(jì)時(shí)，蘭坪—思茅陸塊已成為陸地，但在白堊紀(jì)時(shí)代又發(fā)生陸地內(nèi)部裂谷斷陷作用，正好趕上白堊紀(jì)海水入侵事件，使大量特提斯海水不斷進(jìn)入盆地中，再加上裂谷深部“幔汁”上涌帶入大量熱鹵水和K、Na、Ca、Mg、B、Li、Rb、Cs等元素，在干旱炎熱的白堊紀(jì)氣候控制下，海水不斷濃縮、結(jié)晶沉積，鉀鹽礦床就形成了。

此外，古“特提斯?！标P(guān)閉之后，還形成多金屬礦產(chǎn)富集，如金、銅、鉛、鋅、錫，以及石油、天然氣及鈾礦等。這些礦產(chǎn)，就是當(dāng)年古老特提海向西退卻后，留給地球人類繁榮生存的重要礦藏資源。

東特提斯域內(nèi)的中國(guó)小陸塊能形成大型鉀鹽礦嗎？

東特提斯域內(nèi)的中國(guó)小陸塊主要有揚(yáng)子陸塊，即四川盆地及長(zhǎng)江中下游地區(qū)、蘭坪—思茅陸塊及羌塘陸塊等，此外，塔里木盆地西部也屬于特提斯域北支。這些盆地和陸塊已出現(xiàn)大量的石膏、石鹽沉積，并發(fā)現(xiàn)小型固體鉀鹽礦床和深層熱鹵水鉀礦。

從古生代末及中生代以來(lái)，特提斯海域自西向東廣泛發(fā)育一系列陸地上“陸表邊緣海盆”等負(fù)地形，由于地處干旱的北半球副熱帶高壓帶，這些盆地大多已演化到鹽湖沉積環(huán)境，尤其在中、新生代重大構(gòu)造地質(zhì)事件時(shí)期，出現(xiàn)了巨量鹽類以及巨量鉀鹽沉積。例如，中段的中亞卡拉庫(kù)姆盆地，鉀鹽資源量達(dá)百億噸級(jí)；東段東南部的中南地塊呵叻盆地也沉積有百億噸級(jí)的鉀鹽資源量；西段的德國(guó)、法國(guó)、西班牙、摩洛哥和意大利等相關(guān)盆地，也沉積有數(shù)億噸級(jí)鉀鹽礦床。

然而，占據(jù)特提斯東段大部的中國(guó)境內(nèi)，目前云南僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)資源量只有2千萬(wàn)噸級(jí)的小型勐野井鉀鹽礦床（張嘉澍，1980）、四川富鉀鹵水（林耀庭，2002）與雜鹵石礦（黃宣鎮(zhèn)，1996）以及新疆庫(kù)車盆地的鉀鹽礦物（劉成林等，2013），等等，這些“貧鉀”狀況與位于特提斯其東、西兩側(cè)的呵叻和中亞盆地均沉積有巨量鉀鹽礦床形成了強(qiáng)烈反差。

那么，中國(guó)境內(nèi)的東特提斯域盆地是否能形成大規(guī)模鉀鹽礦床呢？這個(gè)關(guān)系到中國(guó)鉀鹽資源是貧是富的挑戰(zhàn)性問題，拷問了中國(guó)幾代地質(zhì)學(xué)家及找鉀專家。

中國(guó)東特提斯海成鉀模式

為了解釋特提斯海域鉀鹽礦是如何神奇般形成并深埋在大山或戈壁及裂谷盆地中，我們提出東特提斯成鉀模式（圖3）。鉀鹽礦的形成需要一些“能工巧匠”協(xié)同“制造”，即大自然中氣候、物質(zhì)及構(gòu)造“三位能工巧匠”。

在二疊紀(jì)末、三疊紀(jì)中期、白堊紀(jì)中期、古近紀(jì)初等時(shí)期，地球上均發(fā)生過高溫氣候事件，并導(dǎo)致生物滅絕。經(jīng)科學(xué)家長(zhǎng)期研究，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的火山噴發(fā)活動(dòng)是“罪魁禍?zhǔn)住?，主要原因是火山噴發(fā)大量二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入大氣層，引起溫室效應(yīng)，水溫上升最高達(dá)60～70多度。

氣溫的升高對(duì)于大多數(shù)動(dòng)植物是致命的，但對(duì)于鉀鹽礦的沉積卻非常有利。高溫氣候時(shí)，湖盆中咸水蒸發(fā)強(qiáng)烈，達(dá)到極端干旱氣候，有利于海水蒸發(fā)持續(xù)進(jìn)行到最后階段，析出鉀鹽。

圖3：東特提斯海的成鉀模式（引自Scotese 板塊運(yùn)動(dòng)網(wǎng)站，有修改）

通常海水蒸發(fā)析鹽順序是：半干旱氣候下——碳酸鹽、石膏沉積，干旱氣候——石鹽沉積，極端干旱氣候可以導(dǎo)致鉀鹽沉積。

經(jīng)過國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家對(duì)世界各地海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：首先是難溶的碳酸鹽（方解石、文石或白云石）沉積，其數(shù)量約占海水總鹽量的1%，其次沉積出石膏、其數(shù)量約占海水總鹽量的3%。當(dāng)海水濃縮到12倍，也就是100克海水蒸掉91.7克的水分以后，便開始析出石鹽。從石鹽析出開始，一直到濃縮為63.6倍、都為石鹽沉積。其析出的石鹽約占海水總鹽量的69%。當(dāng)海水濃縮到63.6倍時(shí)，開始鈉、鎂硫酸鹽和鉀鹽的沉積。

正如圖3所示，東特提斯海成鉀模式怎樣解讀呢？

我們都知道中國(guó)有幾千年池鹽和海鹽生產(chǎn)歷史，遠(yuǎn)古年代，我們祖先很早就懂得修筑鹽田，利用太陽(yáng)熱能來(lái)蒸發(fā)濃縮鹽池或海洋中咸水，最后得到晶瑩純凈的食鹽，滿足了百姓味覺和健康需求。

地球上鹽礦和鉀鎂鹽礦等蒸發(fā)鹽巖形成后，雖然深埋地底下近百或上千公尺，規(guī)模達(dá)千萬(wàn)噸或億噸以上，也都離不開起碼三個(gè)成因條件：（1）有充足含礦鹵水，（2）像人工鹽田的負(fù)地形（3）長(zhǎng)期的干燥日曬氣候。

我們?cè)趫D1、2、3中可以看到，遠(yuǎn)古特提斯海有足夠大的體積，提供充足的含鹽海水；當(dāng)特堤斯海經(jīng)歷板塊運(yùn)動(dòng)中，致使某地長(zhǎng)時(shí)的海水入侵，使海水侵入陸地上負(fù)地形（盆地、拗陷、裂谷等）中，由于盆地間有水下阻擋（礁、堤等隆起），在東、西不同方向盆地中，海水經(jīng)過長(zhǎng)期干旱氣候蒸發(fā)，其鹵水成分或濃度發(fā)生微妙變化；在反復(fù)海侵和海退事件中，海水變成含礦濃鹵水。不同成分的鹵水在不同洼地先后形成了碳酸鹽巖、硫酸鹽巖及氯化物石鹽巖，多數(shù)鉀鎂鹽巖沉積在遠(yuǎn)離海水補(bǔ)給方向或巨大陸表海盆的沉積中心。

當(dāng)然，地殼深部巖漿或稱幔源物質(zhì)會(huì)在板塊邊緣下沿著斷裂冒出地表，給洼地帶入豐富的鹵素和堿金屬以及還有高溫?zé)崮艿龋瑢?duì)特提斯海盆鉀鹽礦床形成的貢獻(xiàn)不可忽視。

實(shí)際上，鉀鹽礦床的形成遠(yuǎn)比上述成鉀模式復(fù)雜得多，還有如構(gòu)造變動(dòng)、鹵水變質(zhì)、淡水摻和及后期改造等復(fù)雜因素影響。為此，我們需要大力開展中生代以來(lái)特提斯域盆地研究，找出特提斯海域聚集鉀鹽的規(guī)律，以期指導(dǎo)中國(guó)境內(nèi)特提斯成礦域找鉀突破。

致謝：本文是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）“中國(guó)陸塊海相成鉀規(guī)律及預(yù)測(cè)研究”【2011CB403000】項(xiàng)目研究成果的科普文章；本文撰寫過程中973項(xiàng)目組成員參與了討論與修改，文中插圖由丁婷、王鳳蓮及樊莉清繪，在此一并表示感謝！