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老挝万象钾盐矿床是一个典型的海相碎屑盐缺硫酸镁型蒸发盐,以石盐岩和光卤石盐岩为主,并含有钾石盐、水氯镁石、溢晶石等其他氯化物型盐类矿物。已有研究认为万象钾盐矿床的成因是“海源陆生”,但此说法长期以来存在争议。论文以相化学为研究手段,通过模拟蒸发和淋滤实验,首次深入开展老挝万象钾盐矿的地质和地球化学研究,对矿床的形成环境、物理化学条件、物质来源等地球化学行为进行了研究和探讨。
海相蒸发岩盐的矿物学特征、底部石盐微量元素含量特征、底部石盐包裹体组分特征等研究表明,显生宙以来海水化学组分是长期连续的发生变化,这种变化表现在“文石海”和“方解石海”在不同时期的交替出现,海水Mg/Ca比值的变化造成“文石海”以MgSO4型蒸发盐为主,“方解石海”以KCl型蒸发盐为主,Mg/Ca值的变化主要受海底扩张速率、大洋中脊热液流体循环、碳酸盐岩盐沉积循环等因素影响。在晚白垩纪到早古新世,古大洋处于“方解石海”,海水中缺SO4而富Ca,从而形成呵叻盆地缺硫酸盐型的钾镁盐矿床,是本论文相化学研究的物化基础。本论文确定以NaCl-KCl-MgCl2-CaCl2-H2O五元体系为相化学研究的理论基础,深入分析了呵叻盆地中MahaSarakham组蒸发盐底部石盐岩包裹体卤水水化学特征,通过模拟蒸发实验认为底部石盐岩包裹体卤水基本代表了沉积蒸发盐的古海水化学组分特征。
通过室内25℃、35℃、50℃三个温度条件的模拟蒸发实验,得到不同温度条件下析盐规律、结晶路线、微量元素在各析盐阶段分配、析出固相规律和数量等物化参数,利用微量元素分配的热力学性质建立了相关热力学模型,研究结果表明:(1)NaCl-KCl-MgCl2-CaCl2-H2O五元体系的蒸发过程符合形成老挝万象钾盐矿床的古海水演化过程,并且有别于现代海水蒸发途径,进一步说明古海水组分化学特征控制了老挝万象缺硫酸模型蒸发盐的形成特点;(2)古海水化学组分的改变影响蒸发过程中微量元素Br、Rb在含氯、含钾矿物中的分配系数,并且主要受温度的影响,继而造成相对于现代海水蒸发过程,老挝万象钾盐矿床盐类矿物具有Br高Rb低的特征;(3)通过模拟蒸发实验结合老挝万象瓮地钻孔岩芯中微量元素变化特征,认为在石盐结晶析出阶段,成盐环境为自然蒸发环境,在钾盐和其他含Mg或含Ca氯化物型矿物析出阶段,由于有外界淡水的补给,局部形成太阳池效应而使盐类矿物的结晶作用古温度提高,并通过微量元素的热力学模型和模拟蒸发实验数据验证了古温度,认为成盐环境为局部高温、干燥环境,卤水蒸发终点未达到干盐湖阶段;(4)从模拟蒸发实验固相析出数量与钻孔岩心厚度比较发现,成钾物源主要来源于海水,风化盐、再溶盐、岩浆活动盐、深层卤水盐等贡献甚小。
溢晶石的出现说明后期蒸发卤水中富含Ca,一般认为这种富含Ca卤水来源于非海相(CaCl2型热液卤水)。但是本论文模拟蒸发实验研究表明,在没有外界Ca的补给下,形成老挝万象钾盐矿床古海水中Ca的含量足以蒸发形成溢晶石,原始古海水蒸发浓缩后的Ca为溢晶石主要物源,后期含CaCl2型卤水(或来自深部或来自地表淋滤)贡献比较小,且溢晶石在比较高的环境温度下蒸发形成。
光卤石淋滤氯化镁形成次生钾石盐实验研究表明,光卤石淋滤去氯化镁形成钾石盐后,次生钾石盐具有低溴高铷的特征,与其伴生的石盐具有高溴低铷的特征,是判别次生钾石盐的一种指示。
本论文是首次利用相化学研究手段,通过模拟蒸发实验并与钻孔岩心地质地球化学特征比较,对缺硫酸镁型的异常蒸发盐成因和物源进行开拓性和探索性研究,研究成果对于进一步认识整个呵叻高原古钾盐蒸发盐的成盐机制和成矿过程具有重大意义。