钾盐大矿何处寻？中国小板块（陆块）找钾探索

文/刘成林 宣之强（中国地质科学院矿产资源研究所）

钾元素是生命之必需元素，是粮食及农作物生长的大量 “营养素”之一。

六十年前，中国还没有发现钾盐矿床。农民多用草木灰来补充农田对钾的需求。如今，中国钾肥年产量数百万吨，自给率达到50%。这些钾盐主要从盐湖卤水中提取，而己探明的盐湖钾盐储量有限，难以支撑中国农业可持续发展。

世界上钾肥主要从古代固体钾盐矿石中制取，已查明地球古生代海相固体钾矿多埋藏在加拿大、俄罗斯、美国及德国等地下数百到上千米的深处地层中，并已形成数千万吨产能；而中生代海相固体钾盐主要分布于中亚地区、泰国、老挝及刚果等地，储藏量巨大，但多数尚未形成大规模生产能力。

目前，中国仅发现少量的中生代白垩纪固体钾盐矿。那么，我们要去哪里才能找到大型钾盐矿呢？

到古老的特提斯海相去找！

古老的特提斯海在哪里？

西方世界有一个非常古老的神秘传说：很久很久以前，在一片茫茫古地中海中，有片大陆上曾经有一个非常发达的古代文明世界，称为“亚特兰蒂斯”文明，由于某一天地壳发生巨大裂陷和火山喷发等变化运动，最终使其沉入海底消失了。

据不同学者考证，这个发育了古代文明的陆地（Atlantic，或译大西洲）在地质学中称小板块，它就位于现今的地中海一带，也就是古老的特提斯海或洋的残余海地区。

图1：2亿多年前（三叠纪）特提斯洋及中国小陆块（引自Scotese 板块运动网站，有修改）

那么，古老的特提斯海又是一个什么样的海洋呢？它在哪里？有多大？为什么现在消失了？它给人类留下了什么……要回答这些问题，就得从地球地壳板块运动中探求谜底。

100多年前，由著名的奥地利地质学家徐士(E.Suess) 提出，远在二亿年前古老地质历史中，在欧亚与非洲、印度等陆地之间，曾存在过横贯赤道附近的古大洋（图1）， 并以古希腊神话中一位大洋神（Okeanos）的妻子（Tethys）的名字来命名为“特提斯”洋（海）。

从此以后，特提斯地质的研究成为世界各国地球科学界经久不衰的研究课题。搞大地构造的、找金属矿或找石油天然气的众多专家、学者等，乐此不疲的探索多年。中国钾盐科技界几十年来也曾长期扎根于“特提斯洋”研究。

地球表层上壳体的漂移或板块运动是特提斯海的催生婆

大约46亿年前，地球在太阳系中形成。原始地球经历“地外星球”多次猛烈撞击，产生巨大热能……最终形成地球表面呈岩浆构成的“熔岩海洋”，炙热的岩浆在地球表面翻滚，泛起波涛和巨浪，其形态特征可能与现代的“蓝色液态水状海洋”很相似。

随着时间推移，地球表面热量逐渐散失，地表也慢慢冷却，在表面形成薄层的硬壳，即地壳……就像一杯加热牛奶冷却后，表面出现一层薄奶皮。

地壳下的岩浆冷却并逐渐分层，如地幔层上部有的形成岩浆对流层，或称软流层。地壳就像南极巨大冰块，悬浮在流动的软流层岩浆上漂移，约在25亿年前，板块运动开始了。

图2：晚侏罗纪特提斯洋及中国小陆块（引自Scotese 板块运动网站，有修改）

板块运动在漫长的地质历史时期，某些时段70%以上的大陆会聚集一起，形成超级大陆。地球上的大陆一直处于“分久必合、合久必分”的运动状态之中，与人类社会国家或各民族之间“分分合合”的状态很相似。在地质历史上所形成的统一大陆，被称为“超级大陆”，按时间从近期到远古时代，分别出现盘古（潘基）超级大陆，地质历史时代在二叠纪～三叠纪；罗迪尼亚超级大陆，时代在新元古代末；更古老时期，约在18.5亿年前后，形成为哥伦比亚超级大陆，等等。

有学者认为，地球板块从分离到汇集成超级大陆的时间，大致与太阳系在银河系中的公转周期相一致。

自古生代以来，地球上一直有两个最大的板块或大陆，其中一块是冈瓦纳大陆，它多数位于南半球；另一块是劳亚大陆，它位于北半球。在劳亚大陆与冈瓦纳大陆之间的海洋，可能由于地球自转运动等多种原因，促使南、北半球的板块向赤道附近汇集，这些大小不同的板块圈闭起来呈向东敞开的喇叭口状，这就是古特提斯海（洋）（图2）。

当时的特提斯海无比广阔，最宽达到9000公里，向东2万公里延伸到古太平洋。它的遗迹，大体沿阿尔卑斯—喜马拉雅造山带的走向，自南欧的比利牛斯山、亚平宁山、阿尔卑斯山、喀尔巴阡山、高加索山，到小亚细亚、兴都库什山、帕米尔和喜马拉雅山而转向云南，过缅甸和中南半岛及马来亚，延伸到苏门答腊和帝汶，与环太平洋海域相连。今天，欧洲和非洲之间的地中海，就是她的残余海。

在中国，特提斯海的东部曾经延伸分布在西部的四川盆地、西藏羌塘高原、喜马拉雅山脉、新疆塔里木西部以及云南中西部等地，向南到达老挝—泰国。现今，这些地方不是高山峡谷，就是大沙漠或戈壁滩等地理景观，成为人们旅游或户外登山运动胜地。

地球上地表沧海桑田的巨大演变，是什么自然力量造成的呢？在漫长的地质历史中，地壳水平板块移动或称板块运动，使不同陆地（板块或陆块）碰撞、连接和挤压，造成陆地岩石地层上升运动，亦称为隆起，形成如地球第三极的青藏高原等；同时地球上隆起的高原上的岩石体，经漫长地质构造褶皱变形、断裂切割和物理化学等风化剥蚀作用，才变化成千奇百怪的高山峡谷、荒凉的戈壁沙漠和盐湖，还有丹霞、雅丹、喀斯特等不同地貌景观遗迹。

东特提斯海为何向西退缩和消亡？

板块继续漂移、拼合并碰撞，导致特提斯东段的海水向西退却。为什么东特提斯海水向西退缩，而不是向东前进？这首先与遭遇中国小陆块碰撞有关。

我国科学家朱日祥等研究发现，东特提斯的中国华北和华南陆块，在圈闭特提斯海过程中，它们首先在东部拼合、碰撞，东部自然抬升成陆地，阻挡了海水向东移动，必然导致古特提斯海水向西退却。如，兰坪—思茅盆地、羌塘盆地及塔里木莎车盆地中膏盐矿形成，也都受益于东部碰撞抬升所导致海水向西的退缩。

特提斯残留海水给中国小陆块上盆地带来丰富的卤素及钾元素

当特提斯海关闭及海退时，例如，在四川和羌塘盆地残留了大量海水，为形成钾盐矿提供了充沛的卤素和K、Na、Ca、Mg、S等物质来源。现代海水查明有80多种元素，每公升海水约有35克盐，其中钾元素有0.38克；因海水总体积相当大，所以蕴藏有5亿亿吨盐，其中钾有5百万亿吨。

所以，由于全球性的海平面升降运动，特提斯海水可能会多次重新漫过大陆，在一些盆地汇集，形成石盐或钾盐矿。

例如，云南的兰坪—思茅盆地等，在侏罗纪时，兰坪—思茅陆块已成为陆地，但在白垩纪时代又发生陆地内部裂谷断陷作用，正好赶上白垩纪海水入侵事件，使大量特提斯海水不断进入盆地中，再加上裂谷深部“幔汁”上涌带入大量热卤水和K、Na、Ca、Mg、B、Li、Rb、Cs等元素，在干旱炎热的白垩纪气候控制下，海水不断浓缩、结晶沉积，钾盐矿床就形成了。

此外，古“特提斯海”关闭之后，还形成多金属矿产富集，如金、铜、铅、锌、锡，以及石油、天然气及铀矿等。这些矿产，就是当年古老特提海向西退却后，留给地球人类繁荣生存的重要矿藏资源。

东特提斯域内的中国小陆块能形成大型钾盐矿吗？

东特提斯域内的中国小陆块主要有扬子陆块，即四川盆地及长江中下游地区、兰坪—思茅陆块及羌塘陆块等，此外，塔里木盆地西部也属于特提斯域北支。这些盆地和陆块已出现大量的石膏、石盐沉积，并发现小型固体钾盐矿床和深层热卤水钾矿。

从古生代末及中生代以来，特提斯海域自西向东广泛发育一系列陆地上“陆表边缘海盆”等负地形，由于地处干旱的北半球副热带高压带，这些盆地大多已演化到盐湖沉积环境，尤其在中、新生代重大构造地质事件时期，出现了巨量盐类以及巨量钾盐沉积。例如，中段的中亚卡拉库姆盆地，钾盐资源量达百亿吨级；东段东南部的中南地块呵叻盆地也沉积有百亿吨级的钾盐资源量；西段的德国、法国、西班牙、摩洛哥和意大利等相关盆地，也沉积有数亿吨级钾盐矿床。

然而，占据特提斯东段大部的中国境内，目前云南仅发现一个资源量只有2千万吨级的小型勐野井钾盐矿床（张嘉澍，1980）、四川富钾卤水（林耀庭，2002）与杂卤石矿（黄宣镇，1996）以及新疆库车盆地的钾盐矿物（刘成林等，2013），等等，这些“贫钾”状况与位于特提斯其东、西两侧的呵叻和中亚盆地均沉积有巨量钾盐矿床形成了强烈反差。

那么，中国境内的东特提斯域盆地是否能形成大规模钾盐矿床呢？这个关系到中国钾盐资源是贫是富的挑战性问题，拷问了中国几代地质学家及找钾专家。

中国东特提斯海成钾模式

为了解释特提斯海域钾盐矿是如何神奇般形成并深埋在大山或戈壁及裂谷盆地中，我们提出东特提斯成钾模式（图3）。钾盐矿的形成需要一些“能工巧匠”协同“制造”，即大自然中气候、物质及构造“三位能工巧匠”。

在二叠纪末、三叠纪中期、白垩纪中期、古近纪初等时期，地球上均发生过高温气候事件，并导致生物灭绝。经科学家长期研究，发现大规模的火山喷发活动是“罪魁祸首”，主要原因是火山喷发大量二氧化碳气体进入大气层，引起温室效应，水温上升最高达60～70多度。

气温的升高对于大多数动植物是致命的，但对于钾盐矿的沉积却非常有利。高温气候时，湖盆中咸水蒸发强烈，达到极端干旱气候，有利于海水蒸发持续进行到最后阶段，析出钾盐。

图3：东特提斯海的成钾模式（引自Scotese 板块运动网站，有修改）

通常海水蒸发析盐顺序是：半干旱气候下——碳酸盐、石膏沉积，干旱气候——石盐沉积，极端干旱气候可以导致钾盐沉积。

经过国内外众多科学家对世界各地海水蒸发实验发现：首先是难溶的碳酸盐（方解石、文石或白云石）沉积，其数量约占海水总盐量的1%，其次沉积出石膏、其数量约占海水总盐量的3%。当海水浓缩到12倍，也就是100克海水蒸掉91.7克的水分以后，便开始析出石盐。从石盐析出开始，一直到浓缩为63.6倍、都为石盐沉积。其析出的石盐约占海水总盐量的69%。当海水浓缩到63.6倍时，开始钠、镁硫酸盐和钾盐的沉积。

正如图3所示，东特提斯海成钾模式怎样解读呢？

我们都知道中国有几千年池盐和海盐生产历史，远古年代，我们祖先很早就懂得修筑盐田，利用太阳热能来蒸发浓缩盐池或海洋中咸水，最后得到晶莹纯净的食盐，满足了百姓味觉和健康需求。

地球上盐矿和钾镁盐矿等蒸发盐岩形成后，虽然深埋地底下近百或上千公尺，规模达千万吨或亿吨以上，也都离不开起码三个成因条件：（1）有充足含矿卤水，（2）像人工盐田的负地形（3）长期的干燥日晒气候。

我们在图1、2、3中可以看到，远古特提斯海有足够大的体积，提供充足的含盐海水；当特堤斯海经历板块运动中，致使某地长时的海水入侵，使海水侵入陆地上负地形（盆地、拗陷、裂谷等）中，由于盆地间有水下阻挡（礁、堤等隆起），在东、西不同方向盆地中，海水经过长期干旱气候蒸发，其卤水成分或浓度发生微妙变化；在反复海侵和海退事件中，海水变成含矿浓卤水。不同成分的卤水在不同洼地先后形成了碳酸盐岩、硫酸盐岩及氯化物石盐岩，多数钾镁盐岩沉积在远离海水补给方向或巨大陆表海盆的沉积中心。

当然，地壳深部岩浆或称幔源物质会在板块边缘下沿着断裂冒出地表，给洼地带入丰富的卤素和碱金属以及还有高温热能等，对特提斯海盆钾盐矿床形成的贡献不可忽视。

实际上，钾盐矿床的形成远比上述成钾模式复杂得多，还有如构造变动、卤水变质、淡水掺和及后期改造等复杂因素影响。为此，我们需要大力开展中生代以来特提斯域盆地研究，找出特提斯海域聚集钾盐的规律，以期指导中国境内特提斯成矿域找钾突破。

致谢：本文是国家重点基础研究发展计划（973）“中国陆块海相成钾规律及预测研究”【2011CB403000】项目研究成果的科普文章；本文撰写过程中973项目组成员参与了讨论与修改，文中插图由丁婷、王凤莲及樊莉清绘，在此一并表示感谢！