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    铜的富集机制一直是学术界关注的热点。新疆库车蒸发岩盆地不仅广泛发育地表卤水及结晶盐花,并且浅部地层碎屑岩节理面、破碎带可见绿色含铜矿物与石膏、石盐大范围共生产出的现象,该现象一直未能得到合理解释。为此,中国地质调查局矿产资源研究所(以下简称“资源所”)曹养同副研究员及其合作者开展了矿物学研究,确定绿色含铜矿物为副氯铜矿,相关共生矿物为石膏、钙芒硝、石盐,其形成受控于卤水中盐类矿物结晶序列规律。同位素研究进一步证实,来源于蒸发岩地层的溶滤卤水通过对含铜碎屑岩地层进行淋滤形成含铜卤水,随后又通过蒸发浓缩作用在地表快速(周期尺度以月计)富集成铜。该研究成果不仅揭示了表生铜矿富集新机制,同时也为区域找矿勘查工作提供了新思路。

    上述成果受到中央级科研院所基本科研业务费(项目编号:YYWF201716)及自然科学基金面上项目(项目编号:41972082)共同资助,分别发表于国际地学权威期刊《Geofluids》和《Chemical Geology》。

     

    图1 新疆库车蒸发岩盆地盐丘、盐泉、铜(矿)化点分布

     

    图2 地表铜富集与卤水、石盐、石膏关系   

       

    图3 副氯铜矿与石膏、钙芒硝、石盐共生及其铜同位素特征

    论文信息:

    Yangtong Cao*, Haiming Xu. 2021. A Rapid Cu Enrichment Mechanism from Cu-Bearing Brine in Kuqa Basin, Xinjiang, China: Controlled by Crystallized Sequence of Saline Minerals. Geofluids. 2021: 5550271.

    Yangtong Cao. 2022. Origin of paratacamite in the Kuqa Basin, Xinjiang, China: Defined by Cu isotope values. Chemical Geology. 602: 120902.

     
    蒸发岩盆地中与膏盐有关的地表铜富集机制获得新认识

    近日,由中国地质调查局岩溶地质研究所承担的《湘江上游岩溶流域1:5万水文地质环境地质调查》查清新田县富锶矿泉的成因模式。

    岩石中的锶是地下水锶元素的物质来源。新田县富锶矿泉顶板泥盆系锡矿山组地层下段灰岩岩石锶元素含量平均为244毫克/千克,富锶矿泉区泥盆系佘田桥组地层泥质灰岩、泥灰岩、灰岩夹层岩石中锶元素含量平均为365.56毫克/千克,最高为838毫克/千克,底板泥盆系棋子桥组地层上段灰岩岩石中锶元素含量平均为289.5毫克/千克,佘田桥组地层岩石高锶含量是富锶矿泉形成的地质条件。

    佘田桥组岩溶以弱发育为主,地面见有溶沟、溶蚀裂隙、石芽、溶孔,溶缝等岩溶现象,地下水补给形式以降雨面状分散补给为主,含水介质为裂隙,降水入渗系数偏低使地下水在运移过程中与含有锶元素的围岩长时间接触,水-岩相互作用使地下水锶元素含量不断增高,是富锶矿泉水形成的水文地质基础。

    富锶矿泉含水层垂向上自上向下可以分为渗流带(包气带)、季节变动带、浅潜流带、深潜流带,地下水锶元素含量具有逐步增加的趋势。渗流带地下水常年以向下运动为主,大气降水进入地层后通过岩溶溶隙、风化裂隙等垂直入渗进入下部岩层;季节变动带的水位随着季节不同而发生上下变动,在枯水期、平水期地下水流以向下运动为主,洪水期部分水流转为水平运动,通过岩溶裂隙、溶隙网络出流于地形转折处,为雨后泉或季节型泉。由于泉点汇水面积小,水流交换频繁,缺乏与岩层的有效接触时间,出露的泉点锶含量较低,多为非富锶泉;浅潜流带地下水以水平渗流为主,受地层中弱透水夹层制约,地下水径流趋于缓慢,水岩作用时间加长,岩层中的锶元素溶滤进入地下水中,地下水逐步被锶化,形成浅层低锶地下水区;深潜流带长年以近水平流动为主,上层低锶地下水垂直入渗进入该层后,水动力循环条件减弱,水岩作用时间加长,岩层中的锶元素浓度逐渐溶滤进入地下水,随着溶滤时间的加长,形成深层高锶地下水区。深潜流带高锶地下水通过断裂通道涌入浅部,与上层低锶地下水混合以泉的形式排泄。

     

                                                           

    富锶矿泉补径排运动方式示意图 

    新田县扶贫区富锶矿泉成因模式查清

    地下水是全球经济一体化的重要资源保障,为支撑“一带一路”国家战略,中国地质调查局部署了“中国及周边地区地下水资源与地质环境系列图编制”子项目,由中国地质调查局水文地质环境地质研究所承担,主要目标任务是通过亚洲重大地质环境问题研究,与亚洲主要国家合作编制《亚洲地下水系列图》和续编《亚洲地下水环境系列图》工作,中国地质科学院岩溶地质研究所参与开展了中泰岩溶水文地质对比研究。项目周期为2013年至2016年,是“全国系列基础地质综合编图项目”的子项目,实施单位为中国地质调查局发展研究中心。

    中国及周边地区地下水资源与地质环境系列图编制”项目取得重要成果主要包括《亚洲地下水系列图》、《亚洲地下水环境系列图》2套6张1:800万国际性地质制图系列图件;编写了《亚洲地下水与环境》1部专著;完成“澜沧江-湄公河流域跨界含水层研究”、“克鲁伦河流域地下水资源与环境地质”与“黑龙江-阿穆尔河流域生态地质环境”3份专题报告;编制《亚洲地下水与环境图集》1部。该系列研究成果,重要的洲际性文献资料,可为绿色“一带一路”建设、资源开发和重大基础设施建设提供水文地质、地下水资源与地热资源的重要的资料和数据依据,对于亚洲地下水资源、地热能源和环境地质研究具有推动性作用。该系列成果尤其是《亚洲地下水系列图》被联合国教科文组织在跨界含水层研究与管理中应用,被作为亚洲跨界含水层管理的基础数据;诸多成果已被国内和亚洲国家许多科研院所、大学作为水文地质、地下水资源、地热研究和自然资源开发利用的基础资料广泛应用。《亚洲地下水环境系列图》可为保障我国与周边国家和谐的地质环境关系提供重要依据,为合理开发利用资源和更好地保护环境提供科技支撑,该系列成果还填补了许多国际上的空白,对亚洲乃至世界水资源研究将起到重要作用,对解决国际资源环境矛盾和生态环境问题具有深远的科学与政治意义。

    一、出版《亚洲地下水系列图》(1:800万)填补了洲际地下水资源及地热图件亚洲地区的空白,建立亚洲地下水资源与环境信息平台,为亚洲各国自然资源开发利用、水资源规划、地质环境保护防灾减灾提供科学依据。

    《亚洲地下水资源图》是通过亚洲地下水系统的划分,提出气候地貌为主控依据的宏观地下水系统划分的准则,综合气候地貌、地质构造、水文地质结构、地表水系等因素,划分了亚洲11个地下水系统36个子系统,并评估了不同类型地下水的补给和可采资源量,是首个亚洲地下水资源分布的成果图件。

    《亚洲水文地质图》是在张宗祜院士1992年主编的“亚洲水文地质图”和地质所最新编制的“国际亚洲地质图”基础上,重新划分了亚洲地下水赋存类型及富水程度,将亚洲地下水划分为孔隙水、岩溶水、裂隙孔隙水和裂隙水,更为准确地揭示了亚洲地下水的水文地质特征的循环规律。

    《亚洲地热图》反映了亚洲的地热存储类型,将亚洲热储类型划分为现代火山型、隆起断裂型和沉积盆地型,并且反映了大地热流及其分布规律,表示了3000 m深度地温场及其地热资源分布的内在规律。

    二、编制《亚洲地下水环境系列图》(1:800万)以资源可持续利用和地质环境保护并重为理念,应用地下水与环境地图时空认知理论,通过国际间合作总结了亚洲地下水与地质环境关系特征和规律,开展了与地下水相关地质环境问题研究,剖析了亚洲地下水质量状况,归纳了地下水过量开发的地质环境负面效应,地下水与生态环境的依存关系,探索了地下水环境地图时空认知及变化规律总结研究亚洲地下水与地质环境的特征和规律,开展地质环境系列图件编制及相关地质环境问题研究,剖析我国及周边国家地下水资源开发所引发的环境地质问题,开展黑龙江(阿穆尔河)流域主要地质环境问题专题研究。工作是在研究国际编图技术与亚洲地质环境编图特点基础上,借鉴已出版的国际编图成果,特别是美国和欧洲等国家地质环境的编图模式,同亚洲地质环境特征及其问题相结合开展的。

    《亚洲地下水环境系列图》由亚洲地下水质量图,亚洲地下水开发地质环境效应图,亚洲地下水生态环境图三张图件和说明书组成,该成果分析了原生地质环境与现代全球变化及其人类活动的关系,将亚洲地质环境背景与地下水环境问题联系起来,建立了新的亚洲地质环境编图理念,反映与地下水密切相关的地质环境,揭示了地质环境时空特征及分布规律。走在了国际同类编图研究成果前列,在编图内容和表现形式上体现出亚洲地质环境特色。

    《亚洲地下水质量图》亚洲地下水水质分带受到气候和地形地貌的主导和控制。地下水循环交替条件决定着地下水质量优劣,通过综合评价亚洲地下水质量编制的,研究了地质环境对地下水质量的影响以及对生命健康的危害。地下水的溶滤淡化和浓缩盐化作用的程度,划分出亚洲四大水质分带,其空间分布特征主要是由南北向中间的阶梯状地势、海岸带走向和气候的综合影响的结果,自补给区淡水带,到径流区淡水-微咸水带,逐渐演变成微咸水-咸水带,直至到大陆盐化作用的咸水带。

    亚洲地下水开发地质环境效应图首先根据地下水开发利用所引起的地质环境负面效应,作出单要素分析图件,然后以地下水开采引起的地质环境负效应为依据,以不同的地形地貌和含水岩组类型作为重要判断标准,划分出地下水开采的6个地质环境效应分区是:平原盆地地下水强烈开采大范围缓变危害效应区;平原盆地地下水一般开采无明显危害效应区;岩溶地下水局部开采易发突变性危害效应区;矿区地下水疏干开采易发突变性危害效应区;丘陵山地地下水分散开采无明显危害效应区;其他地下水零星开采常态效应区。归纳出地下水不合理开发引起的地质环境负效应主要危害有:区域地下水位持续下降、地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、海水入侵、油田地下水开采水位下降和矿区采空塌陷等7大危害。

    《亚洲地下水生态环境图》是用系统理论将地下水与生态环境建立起有机的联系,反映地下水生态环境主要类型、时空特征分布规律。揭示大气圈、岩石圈、水圈与生物圈之间的物质迁移和能量转换关系尤其是气候地貌对地下水生态环境的控制作用,结合人类和其他生物的改造作用,确定出地下水生态环境三大类型分别是:地下水调蓄支撑生态环境、地下水涵养维持生态环境、地下水贫乏脆弱生态环境。主要分区有:沿海口岸三角洲与滨海低地地下水调蓄支撑区,平原、盆地及丘陵低地地下水调蓄支撑区,低山丘陵地下水涵养区,高原山地地下水涵养区,高寒冻原地下水(生态)涵养区,沙漠、戈壁地下水贫乏区,黄土高原地下水贫乏区,岩溶石漠化地下水贫乏区。

    完成“澜沧江-湄公河流域跨界含水层研究”、“克鲁伦河流域地下水资源与环境地质”专题研究报告,对亚洲主要跨界含水层进行了评价,创建了跨界含水层和谐度定量评价的数学模型,建立了湄公河流域跨界含水层和谐度定量评价模型和指标体系,功能指标-社会经济管理指标-法律效应指标权重迭加的数学模型,并进行了跨界含水层定量评价,为跨界含水层研究提供了示范。

    三、实现亚洲地下水资源与环境地质空间信息技术共享建立了亚洲地下水资源与环境空间信息系统,解决了流域、国家、地区和单元等多尺度的信息元在洲际尺度上的信息处理问题;协调了不同年纪、不同时段等多时态的空间信息认知;规范了10种气候地貌类型、4种含水类型、3种地下水资源类型和3种热储类型等多类型的图面表达;图面结构合理、表现形式精细、色彩协调美观、科学普适易读。

    四、参与地调局《“一带一路”地质矿产资源图集》编制,服务国家决策。水环所与岩溶所共同参与编制了《“一带一路”地质矿产资源图集》中的地下水资源和地热资源图件,为服务国家决策提供了科学依据。

    五、中国与中南半岛岩溶地质对比研究,国际间专家携手共同提高科研水平。岩溶所与泰国自然资源与环境部地下水资源厅合作,在泰国中西部典型岩溶区开展了岩溶水文地质调查与碳循环监测、地球物理探测技术应用试验与研究工作,并建立了2个地下水与碳循环中泰联合监测站,对比中泰岩溶形态组合特征与发育环境差异,初步估计了泰国岩溶作用与碳循环强度。

    六、开展黑龙江(阿穆尔河)流域生态地质环境研究通过不同时段卫星遥感数据解译对比分析和实地考察验证,一是原生地质环境问题主要有地方病、多年冻土与冻胀融陷、界河坍塌等;二是次生地质环境问题主要有江河水质污染、城市地下水超采地下水位持续下降、矿山开采地面塌陷等;三是人类与自然共同作用下的生态地质环境问题包括土壤盐渍化、土地沙化、湿地退化、草场退化、森林退化、水土流失以及冻结层退缩等,这些问题的存在一方面是气候变化下自然生态缓慢的发展趋势,更重要的一方面是人类在发展社会经济的同时违背了自然规律,给大自然和人类造成重大损失。

    七、亚洲地下水与环境专著出版发行在即通过项目研究的不断深入,对大量的信息资料归纳分析,编撰了亚洲地下水与环境专著。

    八、《亚洲地下水与环境图集》即将付梓。为了更广泛体现编图成果的应用性,编辑了亚洲地下水与环境图集

     

    图片1_副本

    亚洲地下水系列图 

    图片2_副本

    亚洲地下水资源与环境空间信息系统 

    图片3_副本

    地下水与碳循环中泰联合监测站

    亚洲地下水与环境专著

    亚洲地下水与环境图集

    中国及周边地区地下水资源与地质环境编图成果支撑绿...

    摘要:柴达木盆地西部发现大储量新型砂砾富钾卤水资源,估算资源量3.5亿t,可望成为新的钾 矿后备基地。研究表明,勐野井钾盐成矿时代为中侏罗世,建立“二层楼”成钾模式。同时,发现 塔里木盆地古新统含钾石盐矿层。揭示,四川盆地三叠系富钾卤水和杂卤石开发利用前景大。

    1.项目概况

    中国的国土具有由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的地质构造背景,造就成中国海、陆相盐盆地的成矿构造环境,成 盐成钾具有某些特殊性,且成矿难度大。中国地质科学院矿产资源研究所、柴达木综合地质 矿产勘查院、中化地质矿山总局地质研究院等 单位,在地质矿产调查评价专项“钾盐资源调 查评价”(我国油钾多能源资源综合调查评价) (2010—2014年)、国家自然科学基金项目“中 国西南地区钾盐矿成矿机理及开发”(2009— 2013年)资助下,采取多学科联合和油钾兼探, 取得了钾盐找矿重要进展。

    2.成果简介

    (1)柴达木盆地西部深层富钾卤水资源综合调查取得突破。2008—2010年“青海柴达木 西部第三系上新统富钾硼锂深循环卤水矿产普 查”项目,其目标层位仅限于上新统。基于古 气候和盐沉积构造背景研究,揭示柴达木盆地为新近纪一第四纪盐谷,将找钾目的层从新近 系扩大到下更新统,经地震和钻探得以验证。 对梁ZK05孔等岩心进行古地磁测年,推算其 上部新型砂砾富钾卤水层堆积时间为2.58~2Ma (图1)。该新型砂卵砾石富钾卤水的发现,大 幅度扩大了柴达木西部钾盐资源远景,且揭示一种新构造成钾机制。通过该区地震资料重新处理一解释一反演,预测该套储卤层沿北 部阿尔金山前从西边大浪滩凹地向东至察汗 斯拉图,呈条带状分布(图1)。KCl品位在 0.31 %~ 1.56%之间,为氯化物型卤水。根据25个钻孔所控制范围,推算KCl资源量 3.5 亿 t(图2)。

    (2)滇西南成钾时代新认识一一二层楼成钾模式。在对滇西勐野井地表和矿山深入的实地调查表明,勐野井推覆构造十分复杂,钾盐 矿层呈马尾丝状,与周围碎屑层直接接触,缺 乏任何化学沉积物过渡。同时,对西部新特提斯沉积构造的演化分析表明,该区古新统无可 靠的海相沉积的证据等。由此对以往认为的勐 野井成矿时代提出了质疑,并根据对勐野井盐 体构造受F3断层控制的特征,推测勐野井钾盐 矿体是由深部挤上来,其时代可能不是前人所 认为的古近纪。进而通过地球物理和钻探验证, 在勐野井矿外围MIK-1井深部中侏罗统花开左 组发现含钾盐层(垂厚70m)。在岩心中所见 含钾矿物主要为钾石盐,与石盐共生,呈橘 红色,具不规则条带状或脉状,穿插在泥砾 中,呈交织角砾结构,反映其受构造挤压作 用(图3)。

    (3)塔里木盆地库车凹陷古新统发现厚 层钾石盐。通过油钾兼探,取得了66个含盐钻孔(累计进尺7万余米)岩屑样品和相应完 井报告,首先发现羊塔4井含钾石盐岩层厚达百米,其中达到KCl工业品位(7%~10%)厚 41m(图4)。

    在探索“古凹今隆”找中浅部钾盐矿的同 时,从实际出发打破国外钾盐水采深2000m的 下限,探索5000m以上溶采可行性。目前,我 国重庆采盐(NaCl)深度已达3188m;山东东 营在建NaCl溶采达4300m;四川平落坝已在深 5000余米处采卤提钾,卤水上涌堵孔已得到技术解决。由于KCl溶解度比NaCl大,因此在库 车坳陷5200m溶采钾石盐具有可能性。

    (4)开拓上扬子盆地找钾新方向。上扬 子盆地三叠系业经50多年找钾未获突破,经过 综合分析认为,该区是一种特殊的多级次盐盆地成钾模式。既是最后的浓缩次盐盆,又是四 周海水频繁补给的次盐盆地,且成盐后期变化 大,因此中深部多成溶滤液体矿,全盆地含卤 层面积达13万km2,且KCl含量很高,值得高度 重视。如仅对13个储卤构造的富钾卤水矿进行资源量评估,获富钾卤水资源量32.60亿m3,氯 化钾(KCl)资源量4916.93万t。在上扬子中东 部和西南局部地区,产出巨量“准可溶性”杂 卤石矿石。据估算1(2〇资源量逾90亿t,是一种 可利用的缓释硫酸钾镁肥。通过多年不同温压、 溶剂实验和当地矿业公司工业性试采表明,上扬子盆地杂卤石是一种宝贵的缓释钾肥,是富 钾卤水的重要来源。在溶采动力作用和高温压 条件下有利于杂卤石中钾的溶解,尤其赋于石 盐中分散状杂卤石更易溶于水中。上扬子盆地富钾卤水和巨量杂卤石,具 有远大的开发利用前景。

    (5)进一步缩小陕北盐 盆找钾靶区。近期地质地球物理资料综合研究表明,陕 北盐盆含钾目的层马五6亚段 沉积期总体表现为“两坳夹 一隆”的构造分异格局,次 级成盐凹陷有5个,揭示陕北 盐盆既不是“平底锅”,也不是单一的“尖底锅”,而是由 多个次级凹陷组成的“复底 锅”。据此,初步锁定了有利 成钾区,提出钾盐钻探靶区, 范围已从盐盆地的50000km2 缩小至2000 km2以内。

    3.成果意义

    基于柴西新近纪一第四纪盐谷的成盐观 点,引领该区新型砂砾型富钾卤水大资源量的发现,揭示该区Q「N2有较大的钾资源潜力,有 望成为我国最大钾盐矿山察尔汗的后备基地, 成为中国地质调查局实现“358”钾盐储量重点 靶区之一。深入实际调查和实践,发现大量新的科学问题和疑点,从中国成盐地质构造实际 出发,不为国内外传统成钾观点所限,从而提 出滇西南勐野井成钾时代为中侏罗世的“二层 楼”成钾模式,并得到钻探初步验证;通过岩屑录井发现库车凹陷古新统厚大钾盐矿层,并 打破国外钾盐水采下限2000m深的禁区开展深 层钾矿层试采研究;推进上扬子盆地富钾卤水 和巨量杂卤石的应用研究新进展等,使长期困 扰我国海相钾盐找矿难题崭露突破的曙光,对于我国急缺矿产找矿研究有一定的启发意义。(中国地质科学院矿产资源研究所 郑绵平侯献华张震供稿)


    成盐理论引领钾盐找矿取得重要进展