地质与矿化

矿区地质环境:

萨省的钾碱矿藏是个大型含钾肥结构的构成部分,该结构横穿萨省南部进入曼省和美国的蒙大拿州及北达科他州。钾肥存在于数层连续的岩盐和硬石膏矿层顶部附近,它们共同构成了萨省中上泥盆纪草原蒸发岩地层。该地层通常存在于地下400-2,700米处,最大厚度可达215米。钾石盐岩(Sylvinite)矿由岩盐(Halite)、钾盐(Sylvite)、光卤石(Carnallite)及含量各异的不溶性矿物(Insolubles)混合构成。其氧化钾含量平均为27-32%。

萨省中部区域地质层序柱状图如下所示(图1)。地质层序柱状图可以分成3个大的区间,通过检测加拿大钾肥公司勘探许可区内的钻井,各区间大致深度如下:

  • 最上面的地质层序:从地表到冰川碎屑、 砾石和粘土构成的地表之下大约125米至175米处,包含淡水蓄水层;
  • 中间地质层序:从冰川沉积物的底部到地表以下大约550米处,由白垩纪的(Cretaceous)页岩,粉砂岩以及含微咸水蓄水层的砂岩组成;
  • 最下面的地质层序:从大约550米深处的古生代(Palaeozoic)/中生代(Mesozoic)突变处到地下1900米以下, 包括一个覆盖在草原蒸发岩层上的由泥盆纪(Upper to Mid-Devonian)中后期碳酸盐和硬石膏组成的地质层序,以及一个类似的碳酸盐、蒸发盐、基底页岩和砂岩组成的地质层序,其地质年龄从泥盆纪(Middle Devonian)中期前溯到寒武纪(Cambrian)。

上述地质层序构成了覆盖在前寒武纪(Precambrian)片麻岩和花岗岩之上的显生宙(Phanerozoic)地质层序。

Central SK Correlation Chart

图1:萨省中部区域显生宙地质层序剖面图

在中间地质层序,特别是在被称为“ELK Point 地质群”的泥盆纪中期(Middle Devonian)地层中,发现了包含岩盐(Halite)、钾石盐(Sylvite)和光卤石(Carnillite)的,层状的,并向周边横向扩展的蒸发岩层(Evaporite Bed)。它从萨省南部地表以下大约2500米处,绵延至曼尼托巴省的西北部,并裸露于地表。这个地质层序始于志留纪后期(Upper Silurian)/泥盆纪中早期(Lower Middle Devonian)的交界处,向上终于泥盆纪中期Dawson Bay 地层的碳酸盐沉积层。

Elk Point 地质群沉积在一个被称为中泥盆纪(Middle Devonian)“Elk Point 航道”的地层中,这是一个宽而浅,地质状况稳定的内陆盆地 — Elk Point 盆地。它横跨南、北达科他州、蒙大拿州、马尼托巴省、萨省及阿尔伯特省(图2),萨省含钾碱矿的草原蒸发岩地层便位于此盆地内。

Praire Evaporation Potash_s

图2:Elk Point盆地及草原蒸发岩层图

如下图(图3)所示,与这些蒸发岩层特别相关的“草原蒸发地层”(Prairie Evaporite Formation)沉淀在更早期或可能同时形成的 Winnipegosis 地层上。草原蒸发岩地层与 Winnipegosis 地层连接处的矿物成分有一个明显的特点,即:从草原蒸发岩地层的岩盐突然过渡为 Winnipegosis 地层的石灰岩、白云石和硬石膏混合物。位于草原蒸发岩地层下面的 Winnipegosis 地层形成了一个容纳平台矿藏的宽而平坦的盆地,局部有形成石灰岩礁。不过就局部而言,其连接呈不规则状态,礁丘也穿入了覆于上方的蒸发岩。这些礁丘可以断开钾碱矿床,并形成可能对开采作业构成风险的区域。

位于草原蒸发岩地层和 Elk Point 结构群上面的岩石层序,通常被称为“马尼托巴结构群”(Manitoba Group)。马尼托巴结构群包含 Dawson Bay 地层,及位于其上方的 Souris River 地层(图1)。这两个层序内存在两种岩盐矿床:(1)哈伯德盐矿(Hubbard Salt),它是 Dawson Bay 最上层的矿床,以及(2)戴维森蒸发岩(Davidson Evaporite),它由两种以硬石膏矿床分隔开来的岩盐矿床组成。草原蒸发岩地层与 Dawson Bay 地层间最上部的接触部分由页岩和局部泥沙较多的风化层构成,被称为二类红色岩层(2nd Red Bed),见图(4)。

从采矿角度出发,此类盐床非常重要,因为它们形成了一道防洪保护地带,将 Prairie Lake 地层的开采与水及盐水层(存在于上方的 Mesozoic 砂岩中)分隔开来。若因哈伯德及戴维森岩盐矿的溶解及脱离而造成了此类盐床的缺失,则说明传统的地下开采存在潜在的困难,其具体表现是,可以溶解岩盐矿的盐水及水在某个时间接触了岩盐矿床,并因此而有可能穿入了开采层。除确定下层草原蒸发岩地层可能存在的溶解区外,此类情况并不影响溶浸开采法。地质柱内任何盐矿的溶解可能使传统的地下开采作业面临水灾风险,所以,萨省钾碱矿经营者们通常会避开此类区域。

praire evaporite profile

图3:草原蒸发岩地层区域横截面示意图(面北)

草原蒸发岩地层:

层状沉积且横向宽广的蒸发岩矿床内储有岩盐(Halite)、钾石盐(Sylvite)及光卤石矿(Carnallite),这些岩石共同构成了草原蒸发岩地层。草原蒸发岩地层的厚度从 Elk Point 盆地边缘的0米到中心部位的215米不等,并被分为了三个部分(图3,图4)。从顶部到底部,它们分别为:

Prairie Evaporite Formation

  1. Patience Lake 地层(PLM):位于含钾碱矿藏的草原蒸发岩地层最顶端部分,含有丰富的粘土矿物质,由几层富含钾石盐岩(Sylvinite)的矿层组成,其间穿插着富含岩盐(Halite)地层。Patience Lake 地层厚度及分布见右栏等厚线图。
  2. Belle Plaine 地层(BPM):位于 Patience Lake 地层的下面,两者之间以无矿的岩盐层分隔。Belle Plaine 地层由一系列分布广泛的岩盐(Halite)、钾石盐岩(Sylvinite)和粘土带组成,但与Patience Lake 地层(PLM)相比,粘土和不溶物质更少。Belle Plaine 地层厚度及分布见右栏等厚线图。
  3. Esterhazy 地层(EM):位于 Belle Plaine 地层之下,以白熊标志层(White Bear Marker Beds)(由粘土层、低品级钾石盐岩层及岩盐组成的层序)分隔开来。Esterhazy 地层在矿石等级、矿物结构以及厚度(平均厚度为15~18米)上表现出非常大的波动性,但其地层底部有非常大的结晶体,含有足够的钾碱,易于用水溶法开采。Esterhazy地层厚度及分布见右栏等厚线图。

图4:草原蒸发岩地层结构(不按比例)

草原蒸发岩地层内典型的钾石盐(Sylvite)由大量相互结合的半形和自形钾石盐晶体构成(见图5),这些晶体的颜色从粉红色到半透明状不等,其边缘可能嵌有灰绿色的粘土或鲜红色的铁不溶性物质,整个断面中无规则地散布着少许晶间岩盐(Halite)。钾石盐基质内乃至整个结构中可能局部存在大型的(大于2.0-2.5厘米),从立方形半透明状到云状的岩盐晶体,钾石盐岩(Sylvinite)的颜色从暗棕红色(品级较低,氧化钾纯度为23%-27%,不溶性物质的量有所增加)到亮而几乎半透明的粉红色偏橙色(品级高,氧化钾K2O纯度达到30%以上)。介于其间的无矿层通常由棕红色玻璃状到半透明状的岩盐矿构成,内含少量钾石盐和更多量的不溶性物质。

Sylvite from CPC

图5:草原蒸发岩地层中的钾石盐(Sylvite,标有”S”字样)和岩盐(Halite,标有”H”字样)

矿化

钾碱矿被称为钾石盐岩(Sylvinite),它由岩盐(Halite)、钾石盐(Sylvite)、光卤石(Carnallite)及一种不溶性粘土样物质(很大程度上由硬石膏和少量的石英、白云岩及粘土物质构成)的混合物构成。钾石盐是主要矿物。铁矿石的侵蚀作用无处不在,颜色从浅肉色到血红色不等。

  1. 岩盐(Halite,即矿物形态的NaCl)存在于厚矿床内,含微细到粗糙的晶体颗粒,颜色从清澈状到棕色和灰色不等。根据观测结果,晶体体积朝矿床顶部方向增大。
  2. 钾石盐(Sylvite,即矿物形态的KCl)是主要矿物,它以一厘米大小的晶体形式存在,颜色从白色到粉红色及浅橙色不等。晶体通常为劣形,虽然半形晶体也有被发现。
  3. 光卤石(Carnallite,即KMgCl3·6H2O)的体积为颗粒大小,从0.5厘米到10厘米以上不等,颜色有清白色和红色,局部偶有黑色光卤石。光卤石与盐层边缘的钾石盐岩和岩盐相连。
  4. 不溶成分(Insolubles,不溶物)以分散的微细颗粒形式存在于蒸发岩盐中,与厚度最大为1米的盐背相交插。颜色从棕色到灰色不等。不溶物包括粘土、硬石膏、石膏、白云石、石英、赤铁矿及云母或伊利石。在整个区域内系统寻找不溶物曾不容易,但不溶物可以在矿场或勘探区的局部范围内被系统地发现。

钾碱在矿化过程中形成了横向宽广的层控状矿床,矿物呈中等到粗糙状晶体样。铁矿石、钾石盐及光卤石可能共同存在,也可能独立存在。它们以散状晶体、高纯度薄层晶体或富钾矿床的形式存在于岩盐中。岩盐总是主要的矿物成分。矿物的分布由沉积的循环方式来决定,各矿层的中心区域由岩盐和钾石盐构成。横向而言,出现光卤石的地方会有骤变。这与氯化镁(盐)水溶液的淋洗和再活化作用有关。