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新疆吐—哈地区硝酸盐矿床氮、氧同位素研究及矿床成因

秦燕  
【摘要】:硝酸盐类矿产是重要的工业原料,被广泛应用于农业、化工、冶金、建材、轻工、医药及食品方面。近年来,随着我国国民经济的发展,国内对硝酸盐产品的需求增幅很大,对外依存度逐年增加,大量硝酸盐产品长期依赖进口。硝酸盐极易溶于水和被生物吸收,难以富集形成硝酸盐矿床。新疆是我国目前唯一的具有工业价值的大型硝酸盐矿床分布区。最近几年,我国新疆吐—哈盆地硝酸盐矿床的找矿工作取得了重大突破,该地区已探明的硝酸盐储量达到2.5亿吨,仅次于智利Atacama超大型硝酸盐矿床,位居世界第二。但前人对该地区硝酸盐矿床的研究程度较低,且主要集中在矿床地质方面,同位素地球化学方面的研究尚属空白。本文对该地区库姆塔格、小草湖、吐峪沟、沙尔钠硝石矿床和吾宗布拉克、大洼地钾硝石矿床进行了野外地质调查,并沿南北方向横跨吐-哈盆地的剖面,采集了不同空间位置和不同类型的硝酸盐矿石样品、盐土样品、地表水和含矿卤水样品。对样品的矿物成分、水溶组分的含量、光释光年龄、硝酸盐的氮、氧同位素等进行了系统分析。取得到以下创新成果:1.建立了水样及土样中硝酸盐和硫酸盐的提取纯化方法;建立了国内第一个硝酸盐的△17O分析方法;建立了硝酸盐的δ15N、δ18OΣO2分析方法,研制了以铂金丝为加热元件的石英反应炉,避免了硝酸盐与石英管之间的氧同位素分馏。分析精度达到国际同类实验室先进水平。2.新疆吐-哈地区硝酸盐的δ15N值变化范围很大,为0.7‰~27.6‰。不同类型硝酸盐矿床的氮同位素组成明显不同。盐湖沉积形成的乌宗布拉克钾硝石矿床δ15N值最高,15.0‰~27.6‰,平均22.7‰。其次是液-固共存的大洼地钾硝石矿床,δ15N=2.9‰~6.3‰,平均5.4‰。小草湖、库姆塔格、吐峪沟及沙尔钠硝石矿床的δ15N值相近,0.7‰~6.0‰,平均3.5‰,与大气及大气成因硝酸盐的δ15N相似。在横穿吐-哈盆地剖面上,硝酸盐的δ15N呈现北高南低的变化趋势。根据氮同位素提出吐-哈地区的硝酸盐主要来自大气沉降,乌宗布拉克钾硝石矿床的615N升高与其在搬运和演化过程中发生较强烈的生物反硝化作用有关,硝酸盐的δ15N在剖面上的变化也是由生物反硝化作用造成的。3.新疆吐-哈地区钠硝酸石矿床中硝酸盐矿物的δ18O值异常高,35.4‰~47.9‰,平均42.3‰,与生物等其它来源的硝酸盐明显不同,提出该地区硝酸盐主要是大气成因的。大洼地钾硝石矿床的氧同位素组成与钠硝石矿床的相似,δ180=44.9‰~46.0‰,平均45.3‰。乌宗布拉克钾硝石矿床的δ180值相对较低,为30.2‰~36.3‰,平均32.0‰,但仍较微生物形成的硝酸盐的δ180(-10‰~10‰)明显偏高。乌宗布拉克钾硝石矿床的δ18O值较低与其在迁移和演化过程中发生较强烈的生物反硝化作用有关。4.新疆吐-哈地区钠硝石矿床中硝酸盐矿物的△17O分布在12.2‰~27.9‰之间,平均18.4‰,存在非常明显的非质量分馏效应。大洼地钾硝石矿床的△17O值为14.3‰~18.4‰,平均16.2‰,较钠硝石矿床的值稍低。吾宗布拉克钾硝石矿床的△170值最低,3.9‰~12.4‰,平均7.4‰。吐-哈地区的硫酸盐矿物也存在弱的氧同位素非质量分馏效应,△17O=0.1‰~1.7‰,平均0.7‰。这是首次在国内发现氧同位素非质量分馏现象,也是国际上首次在内陆地区发现氧同位素非质量分馏效应。光化学反应被认为是地球上氧同位素非质量分馏效应的唯一形成机制。吐-哈地区硝酸盐氧同位素非质量分馏效应的存在,证明该地区硝酸主要来自大气,同时有少量硫酸盐也是大气成因的。根据全球大气成因硝酸盐的△170平均值24.7‰和吐-哈地区钠硝石矿床中硝酸盐的△17O平均值18.4‰,计算出大气成因硝酸盐所占比例为75%。考虑到硝酸盐在迁移和演化过程中的反硝化作用,75%代表大气成因硝酸盐所占比例的最小值。5.新疆吐-哈地区硝酸盐矿床中硝酸盐的δ180与δ15N之间具有较弱的反相关关系;△17O与δ15N之间呈现明显的反相关关系,表明二者的变化主要受同一种作用控制。与钠硝石矿床相比,乌宗布拉克钾硝石矿床的δ15N值由3.5%o升高到22.7%o,变化幅度为19.2%o;δ18O值由42.3‰降至32.0‰,变化幅度为10.3‰。二者的变化比例为刚好为2:1。硝酸盐的δ15N与△17O之间也按照2:1的比例同步变化。这表明该地区钠硝石矿床与钾硝石矿床具有相同的物质来源,二者氮、氧同位素的差异主要由生物反硝化作用引起。6.吐-哈地区钠硝石矿床含矿地层的光释光年龄约为350Ka,表明硝酸盐矿床成矿作用发生在350ka之后,中更新世晚期。7.在上述研究的基础上,建立了该地区硝酸盐的成矿模式。中更新世晚期,该地区地壳抬升,气候由冷湿转向干燥,至更新世晚期发展为极端干燥环境。大气成因硝酸盐通过雨水、气溶胶等方式沉降到地表,通过雨水、风力等形式发生短距离迁移。在极度干燥的条件下早期沉降在地层中的硝酸盐等易溶盐类随水溶液沿着砂砾的空隙或裂隙等毛细管向地表运移富集,溶解度较低的硫酸盐首先达到饱和,在矿体下部沉淀富集形成石膏等硫酸盐带,同时该阶段有部分钠硝矾形成;溶解度较大的氯化物和硝酸盐继续向上运移,在矿体的上部氯化物达到饱和,沉淀形成氯化物带;溶解度最大的硝酸盐最后沉淀,在矿体的最上部形成钠硝石带。部分硝酸盐等成矿物质,被地表水带到盐湖之中,经过长时间的生物作用、蒸发浓缩和分异演化,溶解度最大的硝酸钾在盐湖演化的最后阶段沉淀下来,形成钾硝石矿床。因此钾硝石矿床的成矿时代晚于钠硝石矿床。硝酸盐的成矿作用持续时间很长,硝酸盐品位与地形之间的关系可能就是硝酸盐二次搬运和富集的结果。


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