王九一,刘成林,沈立建.2016.典型小陆块海相成钾机理——以西西里微陆块钾盐矿床为例[J].矿床地质,35(6):1269~1280WANG JiuYi,LIU ChengLin,SHEN LiJian.2016.Mineralization mechanism of potash salt in typical marine microplate: An example from the Sicily microplate potash salt deposit[J].Mineral Deposits35(6):1269~1280
DOi:10.16111/j.0258_7106.2016.06.011
典型小陆块海相成钾机理——以西西里微陆块钾盐矿床为例
（中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室， 北京10 0037）
第一作者简介王九一， 男， 1983年生， 助理研究员， 从事蒸发盐沉积与古气候研究。 Email： wjyhlx@163.com。
收稿日期2016_08_30；
改回日期2016_10_27
本文为国家自然科学基金项目（编号： 41302133）和国家重点基础研究发展计划“973” 项目（编号： 2011CB403007）资助成果
摘要:中国大陆是由多个小陆块经多期次离散碰撞拼合而成，而“小陆块是 否能成大 钾”一直是国内钾盐研究领域关注的科学问题。文章剖析了意大利西西里微陆块的典型海相 钾 盐矿床形成条件与机理，为中国小陆块成钾研究提供借鉴。在晚中新世墨西拿盐度危机（Me ssinian Salinity Crisis）最盛期（5.60～5.55 Ma），西西里岛的卡尔塔尼塞塔盆地聚 集 了高达2亿t的钾盐镁矾矿。通过对卡尔塔尼塞塔盆地钾盐矿的赋存地层格架、矿体特征、成 矿模式和机理进行梳理和总结，指出该矿床呈层状赋存于地中海“再沉积下石膏组”的原生 石盐岩中，形成于深水、分层的常年性盐湖环境；晚中新世中地中海碰撞挤压的构造活动导 致卡尔塔尼塞塔盆地强烈挠曲下凹，形成多个次级成矿凹陷；次级凹陷接受海水的周期性补 给；在墨西拿盐度危机最盛期，由于气候变冷变干、直布罗陀海峡关闭、海平面急剧下降， 远离补给源的次级凹陷变得更加封闭，从而在5万年的极短时间内经强烈蒸发，聚集为大规 模钾盐矿。西西里微陆块尽管陆块小、盆地小，但在满足封闭构造_干旱气候_充足物源三要 素耦合的特定时期内，同样形成了大型钾盐矿床。因此，西西里微陆块的钾盐成矿实例证明 海相小陆块同样具有形成大型钾矿床的潜力，这对中国海相小陆块汇聚区的找钾工作具有重 要的借鉴意义。
关键词:
地质学；西西里微陆块；晚中新世；墨西拿盐度危机；钾盐成矿机理
文章编号： 0258_7106 (2016) 06_1269_12 中图分类号： P619.21+1 文献标志码：A
Mineralization mechanism of potash salt in typical marine microplate:
An examp le from the Sicily microplate potash salt deposit
An examp le from the Sicily microplate potash salt deposit
(MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)
Abstract:Potash salt is one of the most required mineral resources in China; neverthe less, China s mainland is mainly composed of several microplates or small blocks which drifted, collided and coalesced together in different periods. Under this tectonic scheme, many scientists in China have doubted that whether large potas h salt deposits could be formed in these microplates. During Messinian Salinity Crisis Acme (5.60～5.55 Ma), up to 2×108 t kainite, an available potash sal t, wa s accumulated in the Caltanissetta Basin, the major foreland basin in Sicily, wh ich was a typical marine microplate. In this study, based on exploring stratigra phic framework, orebody characteristics, mineralization pattern and mechanism of kainite in the Caltanissetta Basin, the authors have reached two conclusions. F irst, kainite was preserved in the primary halite, which was the chief evaporite of Rresedimentary Lower Gypsum in the Caltanissetta Basin; kainite cryst alliz ed in deep, stratified, perennial saline marine setting, a rather saline pan env ironment. Second, late Miocene tectonic collision between African and Eurasia pl ates built flexural Caltanissetta Basin, and many sub_depressions were separated by intra_basinal anticlines, which provided pivotal reservoirs for late potash accumulation. During Messinian Salinity Crisis Acme (5.60～5.55 Ma), global cl ima te became cold, leading to closure of Gibraltar gateway. Consequently, serious s ealevel dropdown occurred in the middle Mediterranean Sea as well as in sub_depr essions of the Caltanissetta Basin. Due to pulsed transgression and retreat of s eawater in these sub_depressions, large quantities of kainite formed only in 50 ka (5.60～5.55 Ma). The potash_forming pattern and mechanism in Sicily suggest th at even in small basins in microplate, large potash deposits could form if these basins meet the requirement of restricted setting, arid climate, and sufficient potassium input. The observation and research conducted by the authors shed a g reat deal of light on exploration and prospecting of potash salt in China.
Key words:
geology, Sicily microplate, Late Miocene, Messinian Salinity Crisis, mineralization mechanism of potash salt
全球钾盐矿产资源主要分布在巨型、稳定的海相克拉通盆地（刘成林等，2015），而中国大 地构造是由多个小陆块经多期次拼合而成的（任纪舜，1994；万天丰等，2007；颜茂都等， 2014）。这种多个小陆块拼接的构造背景使得中国古代海相蒸发岩的沉积类型多、分布区域 分散，导致找钾难度大。基于中国构造格局的客观背景，深入开展中国海相小陆块找钾工作 是缓解中国钾盐紧缺形势的必然选择。而小陆块能否形成大钾矿，是矿床学界关注的问题。
地中海地区在晚中新世墨西拿期聚集了巨量的海相石盐、石膏等蒸发盐岩，是地球历史上著 名的地质事件，被称为“墨西拿盐度危机"。墨西拿盐度危机从提出至今，数十年来一直是 地球科学领域的研究热点（Selli, 1954; Decima et al., 1973; Schreiber et al., 1976 ; Hsü, et al., 1977; Butler et al., 1995; Clauzon et al., 1996; Lugli et al., 1 999; Hardie et al., 2004; Rouchy et al., 2006; CIESM, 2008; Garcia_Castellanos e t al., 2011; Manzi et al., 2012; Roveri et al., 2014, Lugli et al., 2015）。尽管 在墨西拿盐度危机时，地中海周缘及深海盆地广泛沉积石膏和石盐岩，但唯有地中海中部的 西西里岛富集以钾盐镁矾为主要含钾矿物的海相钾盐矿，矿床K2O总储量约2亿t（Garrett , 1996）。该矿床于20世纪20年代被发现，但直到60年代才开始建矿生产，大部分矿产于90年 代中期停产封存。多数矿山包含约6层不等厚度的钾矿层，含钾矿物主要为钾盐镁矾，其次 为极少量的钾石盐、光卤石和杂卤石。矿石品位大约在10%～16%（以K2O计），不可溶物 含量为0.4%～2.0%（Garrett, 1996）。矿带主要矿山包括Pasquasia、Realmonte、Racal müto等。
西西里岛面积只有25 711 km2，在构造上属于典型的海相小陆块（Serpelloni et al ., 2007; Devoti et al., 2008）。虽然西西里岛在晚中新世墨西拿盐度危机期间聚集了如 此巨量的钾盐矿，但长期以来，西西里岛钾盐矿的成矿模式和成矿机理等基本科学问题未受 关注， 阻碍我们深入认识海相小陆块的成钾机制，不利于中国海相小陆块的找钾工作。为此，本文 对前人在地中海地区开展的关于墨西拿盐度危机的研究成果进行梳理和总结，在厘清西西里 岛钾盐矿的赋存地层格架、矿床特征的基础上，建立西西里岛钾盐矿的成矿模式，并从构造 _气候_物源耦合的角度探讨其成矿机理，以期对中国海相小陆块找钾提供有益的启示和借鉴 。
成NW向的西西里岛裂谷（图1），从而使西西里岛逐渐与非洲板块分离，形成独立的小陆 块（Serpelloni et al., 2007）。
中地中海地区因受非洲板块的北向俯冲，形成复杂的卡拉布里亚_西西里_亚平宁前陆逆冲体 系（Butler et al., 1995; Faccenna et al., 2001）。在这种构造背景下，西西里岛抬升 并在内部形成一系列NE_SW向的前陆盆地。其中，位于西西里岛东南部的卡尔塔尼塞塔盆地 （图2）在晚中新世聚集了巨量的钾盐矿（Decima et al., 1973）。该盆地西北部为从非洲 北部延伸至亚平宁半岛的近东西向马格里布_西西里_亚平宁造山带；NE向的杰拉逆冲断裂的 北东向段将其与东南部的Hyblean高原分割开来；东北部为著名的埃特纳活火山。
卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐矿床自东北部埃特纳火山向西南延伸到地中海沿岸，矿带长115 km ，宽5～10 km，呈NE向分布于狭长的前陆盆地内（Decima et al., 1973），矿体呈孤立状 分布于盆地内的多个次级凹陷中（图2）。 2矿床特征
Rouchy et al., 2006; CIESM, 2008; Manzi et al., 2013; Roveri et al., 2008； 2014 ），发现盐度危机形成的 石膏_碎屑层韵律具有高度的一致性，并基本查明盐度危机发生的期次和地层序列（图3）。 墨西拿盐度危机共经历了3个演化阶段，每个阶段在地中海边缘、深海盆地均表现出不同的 沉积特征（Butler et al., 1999; Rouchy et al., 2006; CIESM, 2008; Roveri et al., 2014）。
（1） 阶段一（5.971～5.60 Ma）墨西拿盐度危机开始。边缘海盆（<200 m）沉积原生 下石 膏组（PLG）；在深水海盆，水体盐度没有达到石膏沉积期，仅形成白云石和页岩等初级的 蒸发岩。
（2） 阶段二（5.60～5.55 Ma）是墨西拿盐度危机最大化时期。海平面急剧下降，使 得早 先的边缘海盆暴露地表经受剥蚀，环地中海形成显著的地中海剥蚀面（Mediterranean Eros ion Surface）（图3）。在早先的深水海盆，海水变浅浓缩，堆积广布于地中海海底的碎 屑石膏岩、原生石盐岩和钾盐镁矾（再沉积下石膏组，RLG）。
（3） 阶段三（5.55～5.33 Ma）海平面上升，在深水海盆形成上石膏组（UG）和页岩 ，浅水海盆则堆积泥沙碎屑岩（图3）。
卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐镁矾矿床赋存于墨西拿盐度危机第二阶段（5.60～5.55 Ma）的再 沉 积下石膏组（RLG）。大多数矿体位于石盐沉积的中心地 带（图2），指示钾盐镁矾是在石盐结晶后析出，具有原生成因特征。
在卡尔塔尼塞塔盆地，Pasquasia矿床规模最大，面积达24 km2，矿体埋深300～800 m。 该矿 底部的再沉积下石膏组石盐岩中赋存5层钾盐镁矾矿层，均因盐岩塑性流动而受到强烈的褶 曲 变形，分布于高度扭曲的向斜和背斜构造中。其中，第二层钾盐镁矾是最厚的一层，平均厚 度达30 m，品位为10.5%～13.5%（以K2O计）。该矿山自1952年开始开采，1992年停产 关闭。
对盆地西南部的Realmonte矿床来说，墨西拿盐度危机形成的石盐、石膏和钾盐厚度高达400 ～600 m，再沉积下石膏组的厚层石盐岩中至少赋存6层钾盐镁矾矿层（Lugli et al., 1999 )。矿体厚层石盐岩A、B、C、D段的岩性特征（图4）如下：
A段（50 m）： 水平层理的灰色石盐岩夹白色硬 石膏结核或纹层，向上变为灰色块状石盐岩；
B段（100 m）： 灰色块状石盐岩与灰色钾盐镁矾 薄层，中夹毫米—厘米级的杂卤石球晶或纹 层，顶部硬石膏纹层频繁出现。上部含有6层浅灰色钾盐镁矾矿，总厚度约为12 m。矿区南 部的钾盐镁矾矿层多被溶蚀，代之以石盐_硬石膏_泥砾岩；
C段（70～80 m）：白色石盐岩，中间夹薄层灰黑色泥岩纹层和浅灰色杂卤石、硬石膏纹层 ；
D段（60 m）：灰色硬石膏质泥岩，向上渐变为硬石膏纹层和毫米—厘米级的石盐互层。
C段石盐多是由人字形晶体胶结而成，说明该段石盐 形成于浅水、不分层的常年性盐湖（Lowenstein et al., 1985）。
基于Realmonte矿区含矿盐系地层的岩相特征，笔者总结出卡尔塔尼塞塔盆地钾盐镁矾矿床 的成矿过程（图5）。由石盐岩A段至C段，盆地内次级凹陷的成矿卤水由于气候干旱、海平 面降低而持续蒸发浓缩，先后析出原生石盐和钾盐镁矾矿（A_B段）（图5a），而后在墨西 拿盐度危机最盛时（B/C界线）完全干涸。干涸的盐湖地表在强烈毛细蒸发作用下，形成如 现今柴达木盆地和罗布泊凹陷地表景观的“帐篷状”干盐壳和“泥裂”构造（图5b）。之后 ，陆地洪水或较淡的海水重新进入盆地，溶蚀地表干盐壳，在早先形成的“泥裂”中充填次 生石盐胶结晶体和碎屑（B/C界线的溶蚀面）。最后，随着蒸发作用的持续进行，盐湖再次 回到C段的石盐_碎屑层沉积旋回（图5c）。
晚中新世托尔顿期(～7.25 Ma)，卡尔塔尼塞塔盆 地开始挠曲下凹并抬升为浅海台地，沉积局 限海盆的藻灰岩建造；楔顶带和前隆区则形成猪背盆地，堆 积页岩、泥灰岩（Grasso et al ., 1982）。随着5.97 Ma墨西拿盐度危机的开始，原生石膏沉积首先堆积在位于浅海环境的 楔顶带和前隆区猪背盆地，组成原生下石膏组（图3）；而卡尔塔尼塞塔盆地仍处于较 深水环境，沉积类型仍以白云岩、泥灰岩为主（CIESM, 2008; Roveri et al., 2014）。在 ～5.60 Ma，中地中海地区构造运动十分活跃，卡尔塔尼塞塔盆地由于受到盆内逆冲断裂活 动影响，内部差异隆升形成一系列低缓背斜，盆地分割成多个封闭的次级凹陷（Pedley et al., 1993），为成盐成矿创造了有利的封闭空间。
在西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地，由于5.6 Ma海平面急剧下降，早先在楔顶带和前隆区形成 的 猪背盆地出露海平面并接受剥蚀（CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。这些猪背盆地在 盐度危机阶段一沉积的原生下石膏组也被剥蚀搬运到前渊的次级凹陷中（图2b），成为 再次沉积的碎屑石膏。同时，在各个次级凹陷中，原生颗粒石膏、原生石盐、原生钾盐镁矾 开始快速结晶，这些原生蒸发盐矿物与剥蚀搬运来的再沉积碎屑石膏共同组成了再沉积下石 膏组（CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。
现有观点认为墨西拿盐度危机极盛期的干旱气候是由全球变冷引起的 （CIESM, 2008; Rove ri et al., 2008; Manzi et al., 2012； 2013； 2016）。 深海氧同位素曲线 （Sh ackleton et al., 1995） 指示全球气候在5.60～5.55 Ma （TG12_TG14） 变冷， 温度 下降使得海平面降低 ， 切断地中海与大西洋的水体交换， 导致地中海地区气候急剧变干。 在干冷的气候格局 下， 卡尔塔尼塞塔盆地聚集了丰富的石盐和钾镁盐 （CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。 采 用最新测温方法的原生石盐流体包裹体测温数据表明， 墨西拿盐度危机最大化时期， 地中 海表 层海水温度平均为17～18℃（Speranza et al., 2013）， 也指示了相对干冷的气候状况。 另 一个强有力的证据来自西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地、西班牙索班斯盆地、塞浦路斯岛的旋回 地层学研究（Manzi et al., 2012；2013；2016）， 天体谐波分析指出这些地区的石膏_碎 屑层韵律严格受地球轨道参数岁差周期的控制， 沉积旋回在整个地中海地区具有高度一致 性， 表明环地中海地区的蒸发岩沉积严格受控于当时的干冷气候。
基于以上证据， 笔者认为中地中海地区的构造运动为卡尔塔尼塞塔盆地钾盐矿床提供了成 矿 空间和构造背景，但全球气候在5.60～5.55 Ma的快速变冷变干，触发了大规模钾盐镁矾 矿的聚集。
有关西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐镁矾矿的物源研究较少，一般认为，西西里岛的原生 钾盐镁矾矿成矿物质来自于海水（Decima et al., 1973; Garrett, 1996; Warren, 2010） 。在钾盐镁矾矿层结晶的石盐岩B段（图4），w(Br)可达130×10-6～250×1 0-6，指示其成矿卤水为海水（Lugli et al., 1999）。卡尔塔尼塞塔盆地的原生石 盐流体包裹体成分分 析（Cendón, 1998; Zimmermann, 2000）、下石膏组的原生石膏样品S和Sr同位素研究（Ga rcia_Veigas et al., 1995），均揭示出原生石盐和石膏的海相成因特征。Speranza等(201 3) 在卡尔塔尼塞塔盆地Realmonte矿再沉积下石膏组的石盐岩C段采集了原生石盐样 品，对原生石盐流体包裹体中的子晶进行扫描电镜_能谱仪（SEM_EDS）观察和激光拉曼光谱 鉴定，发现这些子晶主要是方解石、白云石、石膏、硬石膏、钾石盐、杂卤石以及其他Ca、 K、Mg的硫酸盐矿物，表明该段石盐岩成矿物质来自于Mg_SO4型卤水，这与新生代全球“ 文石海”海水组成（Lowenstein et al., 2001）是一致的。
唯一的特例来自于Rigaudier等 (2011)的研究，他们采集了20件位于Realmonte矿石盐岩B段 顶部的 原生石盐样品，并分析了原生石盐流体包裹体的氢、氧同位素组成，计算结果显示，氢、氧 同位素数值 分别为-70‰±10‰和-11.5‰±1.5‰，表明结晶卤水混杂有大量陆源淡水。但是，他们 采 样的位置位于Realmonte矿石盐岩B段的顶部，接近B/C溶蚀面（Lugli et al., 1999），此 时Realmonte地区的已演化为内陆浅水_干盐湖的沉积环境（图5c），因此，成盐卤水容 易受到陆源淡水的扰动，从而表现出陆源淡水和海水混合的特征。
另外一个需要关注的关键问题是，火山和断裂活动是否为钾盐镁矾矿的富集提供含钾物质来 源 。诸多研究表明，在构造活跃区，断裂和火山活动与深部富钾卤水密切相关，能够为成矿盆 地 提供丰富的K、Mg、B、Li、Rb、Cs等有用元素（Lowenstein et al., 2009；刘成林等，201 3）。西西里岛位于马格里布_西 西里_亚平宁逆冲碰撞造山带（图1），岛上断裂系统密布， 并且分布有众多火山（如埃特纳活火山）。然而，目前的研究并没有发现深部卤水参与了 卡尔塔尼塞塔盆地钾盐镁矾的成矿过程。
西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地的构造、古气候特征及其钾盐矿物质来源分析表明，非洲板块和 欧亚板块的碰撞俯冲导致卡尔塔尼塞塔强烈挠曲下凹，并分割成多个成矿次级凹陷。此后， 在墨西拿盐度危机最盛期（5.60～5.55 Ma），由于气候变冷变干，卡尔塔尼塞塔盆地的 次级 凹陷经海水的周期性补给，于5万年的时间内聚集数百米的厚层石盐岩和近2亿t（以K2O 计）的原生钾盐镁矾矿（图6）。
（1） 意大利西西里岛钾盐镁矾矿呈层状赋存于地中海地区再沉积下石膏组的原生石盐岩B 段 ，是原生海相钾盐。该矿于5.60～5.55 Ma晚中新世墨西拿盐度危机最盛期，在深水、分 层、常年性盐湖环境中富集成矿。
（2） 晚中新世中地中海碰撞挤压的构造运动导致西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地强烈挠曲下凹 ，形成多个次级成矿凹陷；在墨西拿盐度危机最盛期，全球变冷变干、直布罗陀海峡关闭、 海平面急剧下降，次级凹陷变得更加封闭；受海水的周期性补给，成矿次级凹陷在5万年的 极短时间内聚集近2亿t（以K2O计）的钾盐镁矾矿。
中国大陆是由小陆块经过多期次离散拼合而成，“小陆块是否能成大钾”一直是中国钾盐研 究和勘查的重点科学问题。意大利西西里岛作为典型的小陆块，面积仅有25 711 km 2，但西西里岛的卡尔塔尼塞塔盆地，却在墨西拿盐度危机最盛期的仅仅5万年（5.60～5. 55 Ma）时间内，沉积多达2亿t的原生海相钾盐镁矾矿。这说明，当满足封闭构造_干旱气候 _充足物 源三要素时，即使是小陆块也具有形成大型钾矿的巨大潜力，这对中国海相小陆块汇聚区的 找钾工作具有十分重要的借鉴意义。
地中海地区在晚中新世墨西拿期聚集了巨量的海相石盐、石膏等蒸发盐岩，是地球历史上著 名的地质事件，被称为“墨西拿盐度危机"。墨西拿盐度危机从提出至今，数十年来一直是 地球科学领域的研究热点（Selli, 1954; Decima et al., 1973; Schreiber et al., 1976 ; Hsü, et al., 1977; Butler et al., 1995; Clauzon et al., 1996; Lugli et al., 1 999; Hardie et al., 2004; Rouchy et al., 2006; CIESM, 2008; Garcia_Castellanos e t al., 2011; Manzi et al., 2012; Roveri et al., 2014, Lugli et al., 2015）。尽管 在墨西拿盐度危机时，地中海周缘及深海盆地广泛沉积石膏和石盐岩，但唯有地中海中部的 西西里岛富集以钾盐镁矾为主要含钾矿物的海相钾盐矿，矿床K2O总储量约2亿t（Garrett , 1996）。该矿床于20世纪20年代被发现，但直到60年代才开始建矿生产，大部分矿产于90年 代中期停产封存。多数矿山包含约6层不等厚度的钾矿层，含钾矿物主要为钾盐镁矾，其次 为极少量的钾石盐、光卤石和杂卤石。矿石品位大约在10%～16%（以K2O计），不可溶物 含量为0.4%～2.0%（Garrett, 1996）。矿带主要矿山包括Pasquasia、Realmonte、Racal müto等。
西西里岛面积只有25 711 km2，在构造上属于典型的海相小陆块（Serpelloni et al ., 2007; Devoti et al., 2008）。虽然西西里岛在晚中新世墨西拿盐度危机期间聚集了如 此巨量的钾盐矿，但长期以来，西西里岛钾盐矿的成矿模式和成矿机理等基本科学问题未受 关注， 阻碍我们深入认识海相小陆块的成钾机制，不利于中国海相小陆块的找钾工作。为此，本文 对前人在地中海地区开展的关于墨西拿盐度危机的研究成果进行梳理和总结，在厘清西西里 岛钾盐矿的赋存地层格架、矿床特征的基础上，建立西西里岛钾盐矿的成矿模式，并从构造 _气候_物源耦合的角度探讨其成矿机理，以期对中国海相小陆块找钾提供有益的启示和借鉴 。
1构造背景
西西里岛位于中地中海地区非洲板块和欧亚板块的碰撞汇聚带（图1），构造上属于非洲板 块北端的小陆块（Serpelloni et al., 2007; Devoti et al., 2008）。晚白垩世(95～85 Ma)，非洲板块与欧亚板块发生碰撞，整个地中海地区受到NW向快速挤压，亚平宁半岛和非 洲板 块北部褶皱隆起（Grasso et al., 1982; Faccenna et al., 2001）。渐新世晚期(～30 Ma )，随着爱奥尼亚洋壳深俯冲至撒丁岛_科西嘉岛，第勒尼安弧后扩张盆地开始形成（Dewey e t al., 1989），并在西西里岛东界形成了著名的马耳他断崖系（Grasso et al., 1982）。 晚中新世—早上新世，非洲板块岩石圈板片的北向俯冲导致西西里岛南部形
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图 1中地中海地区构造纲要图（据Faccenna et al., 2001; Serpelloni et al., 2007; Devoti et al., 2008修改） Fig. 1Tectonic structures in middle Mediterranean Sea (modified after Faccenna et al., 2001; Serpelloni et al., 2007; Devoti et al., 2008) |
中地中海地区因受非洲板块的北向俯冲，形成复杂的卡拉布里亚_西西里_亚平宁前陆逆冲体 系（Butler et al., 1995; Faccenna et al., 2001）。在这种构造背景下，西西里岛抬升 并在内部形成一系列NE_SW向的前陆盆地。其中，位于西西里岛东南部的卡尔塔尼塞塔盆地 （图2）在晚中新世聚集了巨量的钾盐矿（Decima et al., 1973）。该盆地西北部为从非洲 北部延伸至亚平宁半岛的近东西向马格里布_西西里_亚平宁造山带；NE向的杰拉逆冲断裂的 北东向段将其与东南部的Hyblean高原分割开来；东北部为著名的埃特纳活火山。
卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐矿床自东北部埃特纳火山向西南延伸到地中海沿岸，矿带长115 km ，宽5～10 km，呈NE向分布于狭长的前陆盆地内（Decima et al., 1973），矿体呈孤立状 分布于盆地内的多个次级凹陷中（图2）。 2矿床特征
2.1含矿地层格架
地中海周缘边缘海盆赋存有大量的石膏岩，早期的研究发现这些石膏岩的沉积时代相近，据 此提出“墨西拿盐度危机”的概念（Selli, 1954; Ogniben, 1957）。此后，地中海西部深 海盆的地震剖面揭示出同时期形成的“石盐_石膏_石盐”韵律旋回（Decima et al., 1973 ）。随着地中海西部海盆深海钻探计划（DSDP）的实施，许靖华对DSDP Leg 13获取的钻孔 进行蒸发岩岩相学分析，认为整个地中海在大约6 Ma时完全干涸，并提出了影响深远的“干 化深 盆”成盐模式（Hsü, 1972; Hsü et al., 1973）。最新的研究结果表明，在发生盐度危 机时，地中海并不是完全干涸的，很可能是深盆深水的成盐环境（Hardie et al., 2004; L ugli et al., 2015）。近年来，研究者对地中海地区蒸发盐岩系统地开展了地层年代学、 沉积学等研究 （Krijgsman et al., 1999; Butler et al., 1999;
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图 2西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地地质构造图(a)及A—A′剖面图(b)（改自Decima et al., 1973; Manzi et al., 2012） Fig. 2Schematic geological map (a) and cross section A—A′(b) of the Caltani ssetta Basin, Sicily (modified after Decima et al., 1973; Manzi et al., 2012) |
（1） 阶段一（5.971～5.60 Ma）墨西拿盐度危机开始。边缘海盆（<200 m）沉积原生 下石 膏组（PLG）；在深水海盆，水体盐度没有达到石膏沉积期，仅形成白云石和页岩等初级的 蒸发岩。
（2） 阶段二（5.60～5.55 Ma）是墨西拿盐度危机最大化时期。海平面急剧下降，使 得早 先的边缘海盆暴露地表经受剥蚀，环地中海形成显著的地中海剥蚀面（Mediterranean Eros ion Surface）（图3）。在早先的深水海盆，海水变浅浓缩，堆积广布于地中海海底的碎 屑石膏岩、原生石盐岩和钾盐镁矾（再沉积下石膏组，RLG）。
（3） 阶段三（5.55～5.33 Ma）海平面上升，在深水海盆形成上石膏组（UG）和页岩 ，浅水海盆则堆积泥沙碎屑岩（图3）。
卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐镁矾矿床赋存于墨西拿盐度危机第二阶段（5.60～5.55 Ma）的再 沉 积下石膏组（RLG）。大多数矿体位于石盐沉积的中心地 带（图2），指示钾盐镁矾是在石盐结晶后析出，具有原生成因特征。
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图 3墨西拿盐度危机地层沉积序列（改自Roveri et al., 2008; Manzi et al., 2013） 蒸发盐组： PLG—边缘海盆原生石膏沉积； RLG—再沉积下石膏组；UG—上石膏组； 标志性界线： 1—墨西拿盐度危机开始； 2—地中海剥蚀面； 3—上石膏组底界/石盐钾盐 顶界； 4—上石膏组粗碎屑岩与细碎屑岩分界； 5—上新统赞可尔阶底界 Fig. 3Messinian salinity crisis stratigraphic framework (modified after Roveri et al., 2008; Manzi et al., 2013) Evaporite units: PLG_Primary Lower Gypsum; RLG_Resedimented Lower Gypsum; UG_Upper Gypsum Key surfaces: 1—Mediterranean Salinity Crisis onset; 2—Mediterranean Erosion Surface; 3—Base of the Upper Gypsum/top of the halite; 4—Base of the p_ev2 unit; 5—Base of the Zanclean |
2.2矿体特征
西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐矿床虽然分布 于不同的孤立次级凹陷内，但成矿序列具有区域一 致性，并可进行对比（Decima et al., 1973; Lugli et al., 1999）。在盆地东 北部的Pasquasia矿山和西南部的Realmonte矿山（图2），再沉积下石膏组（RLG）主要表 现为 厚层石盐岩，其上部被上石膏组覆盖，其下为墨西拿盐度危机阶段一沉积的基底泥灰岩（图 4）。再沉积下石膏组的厚层石盐岩自下而上可划分为A、B、C、D 4段，钾盐镁矾呈层状 分布于石盐岩的B段内。在卡尔塔尼塞塔盆地，Pasquasia矿床规模最大，面积达24 km2，矿体埋深300～800 m。 该矿 底部的再沉积下石膏组石盐岩中赋存5层钾盐镁矾矿层，均因盐岩塑性流动而受到强烈的褶 曲 变形，分布于高度扭曲的向斜和背斜构造中。其中，第二层钾盐镁矾是最厚的一层，平均厚 度达30 m，品位为10.5%～13.5%（以K2O计）。该矿山自1952年开始开采，1992年停产 关闭。
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图 4卡尔塔尼塞塔盆地Realmonte矿区地层序列（改自Lugli et al., 1999） Fig. 4Stratigraphic column of the Realmonte salt mine, Caltanissetta Basin (modified after Lugli et al., 1999) |
A段（50 m）： 水平层理的灰色石盐岩夹白色硬 石膏结核或纹层，向上变为灰色块状石盐岩；
B段（100 m）： 灰色块状石盐岩与灰色钾盐镁矾 薄层，中夹毫米—厘米级的杂卤石球晶或纹 层，顶部硬石膏纹层频繁出现。上部含有6层浅灰色钾盐镁矾矿，总厚度约为12 m。矿区南 部的钾盐镁矾矿层多被溶蚀，代之以石盐_硬石膏_泥砾岩；
C段（70～80 m）：白色石盐岩，中间夹薄层灰黑色泥岩纹层和浅灰色杂卤石、硬石膏纹层 ；
D段（60 m）：灰色硬石膏质泥岩，向上渐变为硬石膏纹层和毫米—厘米级的石盐互层。
3沉积特征与环境
根据Lugli 等(1999)对Realmonte矿床的岩相学研究结果，下石膏组石盐岩A段和B段 由大小均一的颗粒状石盐晶体组成，几乎不含底部生长的人字形晶体，表明该石盐层形成于 深水、分层的常年性盐湖环境（Lowenstein et al., 1985）。B段的钾盐镁矾矿层多为纹层 状，层厚数毫米至2 m，晶体为大小均一的颗粒状，晶体之间表现为镶嵌态，表明其成因与 原生钾石盐相似（Lowenstein et al., 1990），均由海水蒸发而结晶析出。石盐岩B 段顶部出现较多连接状的晶筏、人字形石盐晶体、充填黏土的溶蚀空洞等，在B段和C段石盐 层界线，可以看到大量垂直状裂隙切开B段顶部石盐，这些裂隙中充填次生 石盐胶结物和碎屑，表明石盐岩B/C界线为干盐湖环境。
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图 5卡尔塔尼塞塔盆地钾盐镁矾矿成矿模式 a. 石盐岩A_B段沉积于深水、分层的常年性盐湖环境； b. 石盐岩B/C段界线，干盐湖沉积 ； c. 石盐岩C段沉积于浅水、 不分层的常年性盐湖环境 Fig. 5Mineralization model of kainite potash deposit in the Caltanissetta Basi n a. Halite unit A and B, deep, stratified, and perennial saline lake; b. transiti on between halite unit B and C, desiccated saline pan deposit; c. Halite unit C, shallow, non_stratified, perennial saline lake |
基于Realmonte矿区含矿盐系地层的岩相特征，笔者总结出卡尔塔尼塞塔盆地钾盐镁矾矿床 的成矿过程（图5）。由石盐岩A段至C段，盆地内次级凹陷的成矿卤水由于气候干旱、海平 面降低而持续蒸发浓缩，先后析出原生石盐和钾盐镁矾矿（A_B段）（图5a），而后在墨西 拿盐度危机最盛时（B/C界线）完全干涸。干涸的盐湖地表在强烈毛细蒸发作用下，形成如 现今柴达木盆地和罗布泊凹陷地表景观的“帐篷状”干盐壳和“泥裂”构造（图5b）。之后 ，陆地洪水或较淡的海水重新进入盆地，溶蚀地表干盐壳，在早先形成的“泥裂”中充填次 生石盐胶结晶体和碎屑（B/C界线的溶蚀面）。最后，随着蒸发作用的持续进行，盐湖再次 回到C段的石盐_碎屑层沉积旋回（图5c）。
4成矿机理
全球绝大部分钾盐矿均形成于满足封闭构造、干旱气候、充足物源条件的地区。封闭的地质 构 造为成盐成矿提供容纳空间和有利的蒸发浓缩环境；干旱的气候意味着蒸发量大于降雨量， 是盐类矿物结晶析出的必备要素；无论是海水还是陆地淡水，均需要源源不断地将成盐物质 运送至封闭成盐构造中。因此，钾盐成矿的构造、气候、物源三要素缺一不可。西西里岛卡 尔塔尼塞塔盆地的钾盐镁矾矿同样是在以上三要素的耦合下富集成矿的。
4.1封闭构造凹陷
西西里岛是在非洲板块和欧亚板块自晚白垩世发生碰撞的挤压环境中形成的（Grasso et al ., 1982; Faccenna et al., 2001），碰撞挤压环境导致在西西里岛内部沿NE向形成前陆盆 地系统，成为亚平宁_马格里布前陆冲断体系的一部分（Grasso et al., 1982; Butler et al., 1995）。西西里岛的前陆盆地系统包括楔顶带、前渊（卡尔塔尼塞塔盆地）以及前隆 的Hyblean高原（图2a）。晚中新世托尔顿期(～7.25 Ma)，卡尔塔尼塞塔盆 地开始挠曲下凹并抬升为浅海台地，沉积局 限海盆的藻灰岩建造；楔顶带和前隆区则形成猪背盆地，堆 积页岩、泥灰岩（Grasso et al ., 1982）。随着5.97 Ma墨西拿盐度危机的开始，原生石膏沉积首先堆积在位于浅海环境的 楔顶带和前隆区猪背盆地，组成原生下石膏组（图3）；而卡尔塔尼塞塔盆地仍处于较 深水环境，沉积类型仍以白云岩、泥灰岩为主（CIESM, 2008; Roveri et al., 2014）。在 ～5.60 Ma，中地中海地区构造运动十分活跃，卡尔塔尼塞塔盆地由于受到盆内逆冲断裂活 动影响，内部差异隆升形成一系列低缓背斜，盆地分割成多个封闭的次级凹陷（Pedley et al., 1993），为成盐成矿创造了有利的封闭空间。
4.2干旱气候
现有证据表明，5.60～5.55 Ma是墨西拿盐度危机最强盛时期，气候极端干燥。环地中海 的边 缘海盆，如法国东南部利翁湾（Lofi et al., 2011）、埃及尼罗河海底扇（Loncke et al. , 2006）、意大利波河谷地（Ghielmi et al., 2013）、以色列西海岸黎凡特海盆（Berton i et al., 2007）等都发现了显著的地中海剥蚀面（Mediterranean Erosion Surface）， 这一剥蚀面在地震剖面上表现为高差数百米至上千米的深下切边缘谷地，指示“深盆浅水” 的地质条件。在西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地，由于5.6 Ma海平面急剧下降，早先在楔顶带和前隆区形成 的 猪背盆地出露海平面并接受剥蚀（CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。这些猪背盆地在 盐度危机阶段一沉积的原生下石膏组也被剥蚀搬运到前渊的次级凹陷中（图2b），成为 再次沉积的碎屑石膏。同时，在各个次级凹陷中，原生颗粒石膏、原生石盐、原生钾盐镁矾 开始快速结晶，这些原生蒸发盐矿物与剥蚀搬运来的再沉积碎屑石膏共同组成了再沉积下石 膏组（CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。
现有观点认为墨西拿盐度危机极盛期的干旱气候是由全球变冷引起的 （CIESM, 2008; Rove ri et al., 2008; Manzi et al., 2012； 2013； 2016）。 深海氧同位素曲线 （Sh ackleton et al., 1995） 指示全球气候在5.60～5.55 Ma （TG12_TG14） 变冷， 温度 下降使得海平面降低 ， 切断地中海与大西洋的水体交换， 导致地中海地区气候急剧变干。 在干冷的气候格局 下， 卡尔塔尼塞塔盆地聚集了丰富的石盐和钾镁盐 （CIESM, 2008; Roveri et al., 2008）。 采 用最新测温方法的原生石盐流体包裹体测温数据表明， 墨西拿盐度危机最大化时期， 地中 海表 层海水温度平均为17～18℃（Speranza et al., 2013）， 也指示了相对干冷的气候状况。 另 一个强有力的证据来自西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地、西班牙索班斯盆地、塞浦路斯岛的旋回 地层学研究（Manzi et al., 2012；2013；2016）， 天体谐波分析指出这些地区的石膏_碎 屑层韵律严格受地球轨道参数岁差周期的控制， 沉积旋回在整个地中海地区具有高度一致 性， 表明环地中海地区的蒸发岩沉积严格受控于当时的干冷气候。
基于以上证据， 笔者认为中地中海地区的构造运动为卡尔塔尼塞塔盆地钾盐矿床提供了成 矿 空间和构造背景，但全球气候在5.60～5.55 Ma的快速变冷变干，触发了大规模钾盐镁矾 矿的聚集。
4.3充足物源
钾盐矿的富集需要充足的物源持续不断地补给封闭凹陷，其物质来源包括海水、陆地淡水以 及构造活跃带深部卤水补给的成矿元素（Hardie, 1990; Horita et al., 2002; Lowenstei n et al., 2009）。有关西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地的钾盐镁矾矿的物源研究较少，一般认为，西西里岛的原生 钾盐镁矾矿成矿物质来自于海水（Decima et al., 1973; Garrett, 1996; Warren, 2010） 。在钾盐镁矾矿层结晶的石盐岩B段（图4），w(Br)可达130×10-6～250×1 0-6，指示其成矿卤水为海水（Lugli et al., 1999）。卡尔塔尼塞塔盆地的原生石 盐流体包裹体成分分 析（Cendón, 1998; Zimmermann, 2000）、下石膏组的原生石膏样品S和Sr同位素研究（Ga rcia_Veigas et al., 1995），均揭示出原生石盐和石膏的海相成因特征。Speranza等(201 3) 在卡尔塔尼塞塔盆地Realmonte矿再沉积下石膏组的石盐岩C段采集了原生石盐样 品，对原生石盐流体包裹体中的子晶进行扫描电镜_能谱仪（SEM_EDS）观察和激光拉曼光谱 鉴定，发现这些子晶主要是方解石、白云石、石膏、硬石膏、钾石盐、杂卤石以及其他Ca、 K、Mg的硫酸盐矿物，表明该段石盐岩成矿物质来自于Mg_SO4型卤水，这与新生代全球“ 文石海”海水组成（Lowenstein et al., 2001）是一致的。
唯一的特例来自于Rigaudier等 (2011)的研究，他们采集了20件位于Realmonte矿石盐岩B段 顶部的 原生石盐样品，并分析了原生石盐流体包裹体的氢、氧同位素组成，计算结果显示，氢、氧 同位素数值 分别为-70‰±10‰和-11.5‰±1.5‰，表明结晶卤水混杂有大量陆源淡水。但是，他们 采 样的位置位于Realmonte矿石盐岩B段的顶部，接近B/C溶蚀面（Lugli et al., 1999），此 时Realmonte地区的已演化为内陆浅水_干盐湖的沉积环境（图5c），因此，成盐卤水容 易受到陆源淡水的扰动，从而表现出陆源淡水和海水混合的特征。
另外一个需要关注的关键问题是，火山和断裂活动是否为钾盐镁矾矿的富集提供含钾物质来 源 。诸多研究表明，在构造活跃区，断裂和火山活动与深部富钾卤水密切相关，能够为成矿盆 地 提供丰富的K、Mg、B、Li、Rb、Cs等有用元素（Lowenstein et al., 2009；刘成林等，201 3）。西西里岛位于马格里布_西 西里_亚平宁逆冲碰撞造山带（图1），岛上断裂系统密布， 并且分布有众多火山（如埃特纳活火山）。然而，目前的研究并没有发现深部卤水参与了 卡尔塔尼塞塔盆地钾盐镁矾的成矿过程。
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图 6典型海相小陆块——西西里微陆块钾盐成矿模式示意图 Fig. 6Schematic model for potash accumulation in Sicily marine microplate |
5结论
本文对意大利西西里微陆块卡尔塔尼塞塔盆地 晚中新世钾盐镁矾矿的赋存地层格架、沉积环境进行梳理和总结，研究钾盐镁矾矿的成矿模 式，得到如下认识：（1） 意大利西西里岛钾盐镁矾矿呈层状赋存于地中海地区再沉积下石膏组的原生石盐岩B 段 ，是原生海相钾盐。该矿于5.60～5.55 Ma晚中新世墨西拿盐度危机最盛期，在深水、分 层、常年性盐湖环境中富集成矿。
（2） 晚中新世中地中海碰撞挤压的构造运动导致西西里岛卡尔塔尼塞塔盆地强烈挠曲下凹 ，形成多个次级成矿凹陷；在墨西拿盐度危机最盛期，全球变冷变干、直布罗陀海峡关闭、 海平面急剧下降，次级凹陷变得更加封闭；受海水的周期性补给，成矿次级凹陷在5万年的 极短时间内聚集近2亿t（以K2O计）的钾盐镁矾矿。
中国大陆是由小陆块经过多期次离散拼合而成，“小陆块是否能成大钾”一直是中国钾盐研 究和勘查的重点科学问题。意大利西西里岛作为典型的小陆块，面积仅有25 711 km 2，但西西里岛的卡尔塔尼塞塔盆地，却在墨西拿盐度危机最盛期的仅仅5万年（5.60～5. 55 Ma）时间内，沉积多达2亿t的原生海相钾盐镁矾矿。这说明，当满足封闭构造_干旱气候 _充足物 源三要素时，即使是小陆块也具有形成大型钾矿的巨大潜力，这对中国海相小陆块汇聚区的 找钾工作具有十分重要的借鉴意义。
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