内蒙古巴音戈壁盆地塔木素碱矿Na-碳酸盐成因模式

Genetic Model of Na-Cabonate in Tamusu Trona Deposit, Bayingobi Basin, Inner Mongolia

摘要

内蒙古巴音戈壁盆地哈日凹陷下白垩统巴音戈壁组沉积时期为典型的碳酸盐型碱湖，盆地咸化过程中发育大量的Na-碳酸盐类矿物.通过对巴音戈壁组碱矿层中似层状、斑点状和脉状Na-碳酸盐矿物开展了电子探针、X衍射、碳氧同位素和激光拉曼光谱等分析，结果表明碱矿层中Na-碳酸盐矿物主要为天然碱、苏打石、碳钠钙石、碳钠镁石和磷碳镁钠石.除Na-碳酸盐外，岩石中含少量黄铁矿、钠型菱沸石、硅硼钠石和钠长石等热液矿物.碳、氧同位素研究结果表明巴音戈壁盆地下白垩统碱矿层形成于封闭的碱湖环境，碳酸盐矿物形成温度为34~80 ℃（平均值57 ℃），受热水喷流沉积作用和蒸发作用双重控制，碱矿层中硅酸盐矿物首先形成，然后形成白云石和方解石，在Ca²⁺、Mg²⁺消耗殆尽后，天然碱和苏打石发生沉淀，由于热水带来充足的Na⁺，前期形成白云石和方解石发生交代作用形成碳钠钙石和碳钠镁石.在矿物学和地球化学综合分析基础上，建立了热水喷流和蒸发沉积双重控制下的碱湖Na-碳酸盐岩沉积模式，以期为碱矿勘查提供新的思路.

关键词

巴音戈壁盆地 / 巴音戈壁组 / 碱矿 / Na-碳酸盐 / 成因模式 / 矿床学

Key words

Bayingobi basin / Bayingobi Formation / trona deposit / Na-carbonate / genetic model / ore deposit geology

0 引言

Na-碳酸盐包括天然碱（Na₃（HCO₃）（CO₃）·2H₂O）、苏打石（Na（HCO₃））、碳钠钙石（Na₂Ca₂（CO₃）₃）、钙水碱（Na₂Ca（CO₃）₂·2H₂O）、单斜钠钙石（Na₂Ca（CO₃）₂·5H₂O）、磷碳镁钠石（Na₃Mg（PO₄）（CO₃））、氯碳钠镁石（Na₃Mg（CO₃）₂Cl）、碳钠镁石（Na₂Mg（CO₃）₂）和碳钠铝石（NaAl（OH）₂CO₃），它们被认为是一种形成于碱性湖泊中，pH值为9~12之间的蒸发矿物，与火山碎屑沉积、热液活动和高浓度极端环境生物关系密切.现代碱性湖泊存在于世界各地的干旱地区，但Na-碳酸盐湖泊分布主要在东非裂谷地区，由火山活动提供的富钠粗面熔岩主导，导致大量盐度、深度和化学成分不同的高碱性湖泊的形成（Renaut et al.， 1994； García-Veigas et al.， 2013；王力宝等， 2020），这些碱性湖泊水源可能来自深层热液系统（Renaut et al.， 2013），现代碱湖中Na-碳酸盐矿物为间歇性沉积物，大多未被保留下来.

第四纪以前地层中Na-碳酸盐较为罕见，国外仅有少数碱矿床中有此类矿物分布，如美国怀俄明州Bridger盆地始新统绿河组WilkinsPeak段（Jagniecki et al.， 2013）、科罗拉多高原PiceanceGreek盆地始新统绿河组PiceanceGreek段 （Smith et al.， 2008） 、土耳其安卡拉省Beypazari盆地中新统Hirka组 （İncı et al.， 1988； García-Veigas et al.， 2013） .我国也仅发现3个盆地中发育此类矿物：新疆准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组（曹剑等， 2015）、河南南襄盆地泌阳凹陷始新统桃园组和内蒙古巴音戈壁盆地白垩系巴音戈壁组（王吉平等， 1991），作为中国地质学会2020年度“十大地质找矿成果”之一“内蒙古阿拉善右旗塔木素矿区发现超大型天然碱矿”，获得固体天然碱矿石资源量1.078 Gt，矿物资源量（Na₂CO₃+NaHCO₃） 709.09 Mt，其中控制的天然碱矿石资源量608.84 Mt，矿物资源量406.33 Mt，是我国乃至亚洲目前已查明天然碱储量最大的碱矿.

前人普遍认为Na-碳酸盐矿物为蒸发成因，纵观世界上Na-碳酸盐沉积，不管是现代碱湖还是富Na-碳酸盐地层大多处于深大断裂盆地中，受深层热水影响（Helvacı， 2019； 李玉龙等，2021）.大多数现代碱湖中没有Na-碳酸盐矿物沉积或者只是短暂沉积.我国学者文冬光和曾建华（1997）在泌阳碱矿研究中发现天然碱和苏打石常呈似层状和团块状，Na-碳酸盐矿物之间交代现象常见，用蒸发沉积模式难以解释，认为可能是特定水-岩反应后生矿床.准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组和巴音戈壁盆地白垩系巴音戈壁组下伏多为火山岩，更为特别的是塔木素碱矿在盆地中仅分布在底部为火山岩区域.国内外碱矿多是石油勘探过程中偶然发现，按照传统蒸发模式到碱湖中心寻找碱矿难以成功，目前的Na-碳酸盐蒸发成因机制还存在诸多疑问.因此，本文以巴音戈壁组Na-碳酸盐矿物为研究对象，通过显微镜下观察、X衍射、电子探针、激光拉曼和同位素地球化学等分析，探讨Na-碳酸盐矿物成因模式，以期为碱矿勘查提供新的思路.

1 地质背景

巴音戈壁盆地位于中蒙两国的边境处，内蒙古高原巴丹吉林沙漠的东北部.属于塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和华北四大板块构造陆-陆碰撞的结合部位，横跨4个性质不同的大地构造单元，盆地整体近东西向(童勤龙等，2023).哈日凹陷位于盆地中北部（图1），东部与巴布拉海凸起相接，南部与宗乃山隆起相邻，西部与洪吉尔凸起相邻，北部为中蒙边界.在平面上，哈日凹陷呈北东向的近“S”形，具有东断西超的结构特征，次级构造单元可分为东部陡坡带、中央深凹带和西部斜坡带.哈日凹陷中生代在盆地整体构造演化的基础上，经历了4期重要的构造运动，包括三叠纪-侏罗纪的热拱隆升、早白垩世早期的断陷、早白垩世晚期的断坳和晚白垩世坳陷.这些构造运动导致凹陷内张性断裂发育，其中以凹陷边界的基底断裂和控制凹陷发展的同沉积断裂规模最大，同时伴随着多期岩浆活动和火山喷发.

盆地基底在太古界、元古界时期形成，主要为变质岩.盖层由中生代沉积所形成，发育有侏罗系、白垩系和第四系地层，其中侏罗系沉积地层主要为含煤粗碎屑岩，岩性以杂色砾岩、砂岩为主，底部发育有细砂岩，偶夹砾岩及泥页岩；顶部为深灰色及黑色凝灰岩夹火山角砾岩.白垩系地层是盖层的沉积主体.下白垩统发育巴音戈壁组和苏红图组，上白垩统发育乌兰苏海组.巴音戈壁组底部为一套厚层火山岩，其上覆为滨浅湖和半深湖灰色-暗灰色白云质泥岩沉积，苏红图组为深灰色、灰色、褐色含灰质或含白云质泥岩不等厚互层，夹薄层粉砂岩.碱矿赋存于下白垩统巴音戈壁组，岩性为白云质泥岩夹碱矿层.

2 样品采集及研究方法

本次研究的样品取自塔木素碱矿zky001、zky203、zk40和zky03等钻井岩心，岩心进行观察描述后制作岩石薄片，通过牙钻将样品中浅色和深色矿物进行粉碎，薄片采用偏光显微镜鉴定、激光拉曼光谱分析和电子探针分析，粉末样进行全岩X衍射分析和碳、氧同位素分析，所有测试均在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成.激光拉曼光谱采用英国RENISHAW-RM2000型激光拉曼光谱仪，测试温度20 ℃，Si标准样品拉曼位移值为520 cm^-1，选用的激光波长为532 nm，激光器为风冷式Ar离子激光器，扫描时间30 s，扫描次数1~2次，扫描范围100~5 000 cm^-1，精度1 cm^-1.电子探针仪器型号为JEOLJXA-8800M，测试工作条件为：加速电压15 kV，加速电流20 nA，束斑直径1 μm.所有测试数据均进行了ZAF校正处理.Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe元素特征峰的测量时间为10 s，Ti和Mn元素特征峰的测量时间为20 s，上下背景的测量时间分别是峰测量时间的一半.所使用的标样如下：透长石（K），镁铝榴石（Fe，Al），方解石（Ca）、白云石（Mg），硬玉（Na），蔷薇辉石（Mn），橄榄石（Si），金红石（Ti），石盐（Cl）.碳氧同位素的实验仪器为MAT-253气体同位素比值质谱仪，首先将样品研磨至200目，加热去除吸附水后，置于真空反应器中，采用磷酸法，在25 ℃恒温条件下反应24 h，然后纯化、收集生成的CO₂气体，在稳定同位素质谱仪上测定碳和氧同位素组成，最后测试结果以相对V-PDB值的形式给出.分析过程中采用标样GBW04417（δ¹³C=1.61‰；δ¹⁸O=-11.59‰，PDB标准）和NBS-19（δ¹³C=1.92‰； δ¹⁸O=2.19‰，PDB标准）进行质量监控，分析误差±0.2‰.

3 分析结果

3.1　碱矿层岩石学特征

塔木素碱矿区位于巴音戈壁盆地哈日凹陷内，天然碱矿层赋存于下白垩统巴音戈壁组二段，岩性为白云质泥岩夹碱矿层，碱矿可分为7个矿组和19个矿层；矿层总体呈北东向，埋深沿走向在盆地中心变化不大，向盆地边缘埋深逐渐变浅.矿层厚度总体表现出湖盆中心厚度大，向湖盆边缘逐渐变薄.各矿组之间层位相对稳定，特别是Ⅱ、Ⅲ矿组，层间距大且稳定，层间距约20 m；天然碱矿在垂向上，沉积韵律较为明显，其中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ矿组矿石类型以苏打石为主，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ矿组以天然碱为主；成碱周期表现为下部苏打石，上部天然碱，周而复始，从而形成Ⅰ和Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ、Ⅶ共计4个大的成碱周期（图2a）.矿组内部结构复杂，部分矿体呈脉状和透镜状，白云质泥岩夹层厚度大于单层矿体的厚度，单个矿层内岩性韵律分布，底部为暗色纹层状白云质泥岩，中部为斑点状白云质泥岩，上部为苏打石或天然碱矿层（图2b，2c）.

3.2　矿物镜下特征和X衍射分析

塔木素碱矿床中矿物主要由Na-碳酸盐、方解石、白云石和长石组成，Na-碳酸盐主要为天然碱、苏打石、碳钠钙石、碳钠镁石、氯碳钠镁石和碳钠铝石等（图3），除Na-碳酸盐外还发育有硅硼钠石、硼砂和针状黄铁矿等矿物（图4a~4c），矿物成因较为复杂，如苏打石和天然碱既有似层状，又有团块状分布（图4d），苏打石在岩心中呈棱柱状集合体，晶体无色透明，呈簇状集合体的形式生长.天然碱在岩心中多呈无色-白色的板柱状集合体，硬度较小，板状晶体之间常有硬石膏分布，镜下多呈板状巨形晶（图3），与天然碱伴生的矿物有代表热液成因的硅硼钠石，天然碱边缘明显被溶蚀，晶间生长有硅硼钠石，硅硼钠石的晶型受天然碱所控制，其形成晚于天然碱.碳钠钙石在岩心中大多以蠕虫状或斑状出现在细纹层中或均匀分布于白云质泥岩中（图3），矿物晶体具粗-巨晶结构，多呈板条状，具定向性，局部为集合体产出，常与氯碳钠镁石伴生，碳钠钙石在矿物生长过程中造成纹层软沉积变形，为准同生作用的产物（图4e）.碳钠镁石在岩心中多呈粗斑状，晶体无色较粗大，晶体长度约在30~50 μm，宽度约在20~30 μm（图3）.Na-碳酸盐矿物之间交代现象常见，如碳钠钙石交代天然碱、碳钠镁石交代碳钠钙石等（图4f）.暗色纹层状泥岩X射线粉晶衍射分析结果如图5所示，矿物以白云石和钠长石为主.

3.3　激光拉曼光谱分析

针对不同的Na-碳酸盐矿物采用激光拉曼分析进行进一步的精确识别，分析位置如图3中红点所示，点位干净且无明显裂隙和包体.激光拉曼光谱谱图（图3）显示塔木素巴音戈壁组天然碱具有188 cm^-1与1 062 cm^-1两个特征峰，与美国Wyoming州绿河组产出天然碱激光拉曼光谱谱图中的特征峰基本一致 （https://rruff.info/trona/display=default/R050228）；苏打石具有685 cm^-1、1 045 cm^-1和1 268 cm^-1等多个特征峰，与美国Colorado州产出苏打石激光拉曼光谱谱图中的特征峰基本一致 （http://rruff.info/euclase/display=default/R070237）；碳钠钙石具有265 cm^-1、1 069 cm^-1和1 089 cm^-1等多个特征峰，与美国Wyoming州产出碳钠钙石激光拉曼光谱谱图中的特征峰基本一致（https://rruff.info/shortite/display=default/R040184）；碳钠镁石仅具有1 089 cm^-1这个特征峰，与美国Wyoming州Greenriver产出碳钠钙石激光拉曼光谱谱图中的特征峰基本一致（http://rruff.info/euclase/display=default/R110214）.碳钠铝石具有260 cm^-1、588 cm^-1和1 090 cm^-1等多个特征峰，与加拿大Québec省产出的碳钠铝石激光拉曼光谱谱图中的特征峰基本一致（https://rruff.info/dawsonite/display=default/R050641）.

3.4　电子探针特征

本次探针分析选取了10种测试元素或化合物（Cl、CaO、FeO、F、SiO₂、MgO、SO₃、P₂O₅、Na₂O、B₂O₃）.样品中的CaO含量范围为30%~60%，Na₂O含量范围为3%~29%，平均为11.6%；部分测点含SiO₂，含量范围为38%~60%；部分测点含少量B₂O₃，含量范围为1%~5%；MgO、P₂O₅、SO₃与F含量总体较低（表1）.表明样品中含Na-Ca-型碳酸盐矿物，少数样品含硅酸盐矿物，无硫酸盐矿物.

3.5　碳氧同位素分析

研究区样品碳、氧同位素结果如下表2所示.巴音戈壁组δ¹³C值介于-2.63‰~8.88‰，平均值为3.17‰，δ¹⁸O值介于-10.25‰~-0.78‰，平均值为-5.72‰；天然碱和苏打石δ¹³C值介于1.20‰~8.88‰，均值为3.65‰，δ¹⁸O值介于-10.25‰~-0.78‰，平均值为-4.83‰；碳钠钙石δ¹³C值介于-2.63‰~8.88‰，均值为3.17‰，δ¹⁸O值介于-10.25‰~-0.78‰，平均值为-5.72‰；白云质泥岩δ¹³C值介于-2.63‰~7.22‰，均值为2.74‰，δ¹⁸O值介于-9.68‰~-2.47‰，平均值为-7.28‰.17个样品中δ¹⁸O值均大于-12‰，表明测试结果受成岩作用的影响较小，其碳、氧同位素组成代表了沉积时期原始湖水的碳氧同位素组成特征，能够用来反映原始的沉积环境信息，三者碳、氧同位素值十分相近，代表具有相同的沉积和成岩环境.

4 讨论

4.1　沉积环境

元素地球化学目前已被广泛应用于研究沉积岩的古环境特征（Keith et al.， 1964；Zuo et al.，2023）.本文将利用碳氧同位素的特征来研究分析巴音戈壁盆地下白垩统碳酸钠盐岩的沉积环境.湖泊沉积的碳酸盐矿物中δ¹³C和δ¹⁸O受气候因素和外来水体的影响（刘安等，2021）.①气温升高促进水体蒸发，富含δ¹²C的CO₂易从湖水中散失，造成湖水δ¹³C含量增加，封闭型湖盆中δ¹³C含量易受此因素影响（刘庆， 2017）；同时湖水每降低温度1 ℃，碳酸盐矿物中δ¹⁸O值降低0.4‰（伊海生等， 2007）.②当有大量外来水体注入时，湖泊的碳酸盐岩δ¹⁸O值变低；水生生物在进行光合作用时，优先与较轻的δ¹²C反应，δ¹³C就会在水体中富集，造成了同位素之间的分馏.

4.1.1　湖泊的封闭与开放性

处于强蒸发的沉积环境湖相原生碳酸盐矿物中碳、氧同位素的变化规律受到水体开放程度的影响（曲长胜等， 2017）.碳氧同位素投点常用来鉴别湖泊的开放性或者封闭性，国内外典型的封闭型咸水、半咸水湖泊中，δ¹⁸O值和δ¹³C值的投点大多落在第1、第2象限（Talbot， 1990； 王春连等， 2013），在δ¹³C和δ¹⁸O坐标系中（图6），研究区碱矿层样品碳氧同位素绝大多数位于第2象限内的大盐湖周边，表明早白垩世哈日凹陷为一个封闭性较强的陆内断陷湖盆，沉积期湖盆面积较小，约2 400 km².与大盐湖相比，碳同位素基本相近，但氧同位素存在一定差别，白云质泥岩氧同位素偏负，Na-碳酸盐氧同位素偏正，显示白云质泥岩和Na-碳酸盐形成不同阶段.个别样品投点落在第3象限内，可能是在沉积过程中，岩石中的矿物会发生一系列譬如生烃、生物降解的化学反应，造成同位素的变化（Hendy， 1971）.

4.1.2　古盐度

古湖泊的盐度指数可以通过湖相碳酸盐的碳氧同位素反映，Keith et al. （1964）提出利用碳酸盐岩的δ¹⁸O和δ¹³C区分侏罗世及时代更新的咸水碳酸盐岩和淡水碳酸盐岩的公式（1）：

Z=2.048(δ¹³C+50)+0.498(δ¹⁸O+50) ，(1)

式中：δ¹⁸O和δ¹³C的单位为‰；Z值小于120时，为淡水沉积环境；Z值大于120时，为海相沉积环境或陆相咸化湖泊（刘志波等，2021；许亚鑫等，2022）.通过对研究区碱矿层碳酸盐矿物碳氧同位素计算Z值（表2），巴音戈壁组碱矿层样品Z值范围在120.7~142.8之间，平均值为130.95，为咸水环境.Sr/Ba和Rb/K比值也是介质盐度良好的标志之一，可作为判定环境古盐度的重要指标，陈志鹏（2018）通过哈日凹陷巴音戈壁组元素分析，Sr/Ba和Rb/K比值分别为0.39~1.45和0.002 1~0.006 3，平均分别为0.740 0和0.004 6，表明早白垩世哈日凹陷湖盆为咸水的沉积环境.

4.1.3　古温度

δ¹⁸O与水体温度关系最为密切，在盐度较为稳定的条件下，δ¹⁸O随温度升高而降低.本文采用O’Neil（1969）提出的适用于0~500 ℃无机成因碳酸盐-水之间的氧同位素温度分馏方程公式（2）：

t=16.9-4.38（δ¹⁸O_V-PDB,C-δ¹⁸O_V-PDB,p）+0.10（δ¹⁸O_V-PDB,C+δ¹⁸O_V-PDB,p）² ，(2)

式中：t表示温度，单位为℃；δ¹⁸O_V-PDB，C为样品的δ¹⁸O值，单位为‰；δ¹⁸O_V-PDB，P为古水体的δ¹⁸O值，单位为‰.由于直接获取沉积期同时期湖水的δ¹⁸O值的难度较大，常采用借鉴或类比的方法.前人在计算青藏高原及邻近盆地白垩纪水体温度时，常借鉴青海湖实测的δ¹⁸O值（3.078‰）作为同期湖水氧同位素值，因为青海湖是我国内陆最大的封闭湖泊，湖水的pH值为9.2，盐度为16‰，为碱性咸水，青海湖地区在早白垩世与研究区具有类似的湖盆环境（卢凤艳和安芷生，2010；文华国等，2014；陈志鹏和任战利，2018；许亚鑫等，2022），因此，本次计算公式中沉积同期湖水的氧同位素含量也采用青海湖实测δ¹⁸O_V-PDB为3.078‰（卢凤艳和安芷生，2010）.计算结果表明，巴音戈壁盆地早白垩世碳酸盐矿物形成温度为34~80 ℃（平均值57 ℃）.酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组热水沉积形成温度为57~105 ℃，平均为79 ℃（文华国等， 2014）；哈日凹陷下白垩统热水沉积岩温度为44~86 ℃，平均为62 ℃（陈志鹏和任战利等， 2018）.经对比，研究区温度明显低于酒泉盆地，与陈志鹏（2018）计算温度相近.

4.2　Na-碳酸盐与热水沉积关系

热水沉积岩研究近年来取得极大进展（侯增谦等， 1996； 郑荣才等， 2018； 钟大康等， 2018）.准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组大部分学者认同热水沉积岩观点（蒋宜勤等， 2012； 赵研等， 2020； Guo et al.， 2021），巴音戈壁盆地白垩系巴音戈壁组也有学者提出热水沉积观点（陈志鹏等， 2018； 向龙等， 2019； 许亚鑫等， 2022），风城组与巴音戈壁组在岩石学和矿物学上具有非常相似的特征：白云石+斜长石+碳钠钙石+碳钠镁石+硅硼钠石，同时风城组和巴音戈壁组多存在碱矿层，多种证据表明Na-碳酸盐的成因与热水喷流沉积存在着密切关系.风城组硅硼钠石硼同位素分析结果显示，硅硼钠石样品的δ¹¹B值介于0.33‰~2.13‰，平均值为1.08‰（赵研等， 2020），其δ¹¹B特征明显不同于海相蒸发岩及碳酸盐岩的特征，反而与陆相沉积物、滇藏地热带热水体系以及国内外较多的热水沉积矿床的δ¹¹B特征相一致.更为特别的是，塔木素碱矿在盆地中仅分布于底部火山岩区域，含矿层岩性较单一，除Na-碳酸盐矿物外，暗色部分纹层发育，主要成分为白云石（69%）和钠长石（31%），另外发育少量热液矿物，如针状黄铁矿和硅硼钠石，基本未见黏土矿物，与正常湖相沉积差异明显，巴音戈壁组暗色泥岩可定名为热水沉积白云质钠长石岩.

4.3　Na-碳酸盐成因模式

4.3.1　成矿物质来源

碱矿形成需要充足的Na⁺和CO₂，Eugster（1965）通过对肯尼亚Magadi湖和美国加利福尼亚州Searles湖的研究发现，Na-碳酸盐的物源来自岩浆和热液活动中富Na⁺和富CO₂的高碱性水，这两者对于能够形成沉淀出纯碱矿床的卤水非常重要.Smith（2008）认为岩浆热液在水-岩反应过程中带来富CO₂热水对Na-碳酸盐形成起到决定性作用，Hammond et al.（2019）通过对Bridger盆地绿河组古地理分析，得出该盆地绿河组Na-碳酸盐成矿物质来源于科罗拉多成矿带，火山活动对注入湖泊水体的化学组成产生了重要影响.

巴音戈壁盆地发育多个次级凹陷，仅哈日凹陷内发现有碱矿沉积，该凹陷在平面上可划分为西部斜坡带、北部次凹和南部次凹三个构造单元，北部次凹和南部次凹平面上沿着东部断裂带分布，火山岩厚度受东部断裂带控制，碱矿层分布与火山岩分布基本一致（图7），早白垩世火山活动应该能为碱矿形成提供充足的Na⁺和CO₂，火山物质为塔木素碱矿主要成矿物质来源.

4.3.2　矿物形成过程及Na-碳酸盐成因模式

塔木素碱矿共发育8个成碱周期（图2a），每一个周期代表着一次喷流事件，单个矿层内岩性韵律分布，具有由暗色纹层状白云质泥岩、斑点状白云质泥岩和苏打石或天然碱矿层组成岩性组合特征（图2b），主要矿物形成可划分为4个阶段：

第1阶段：湖盆在一个缺氧的弱碱性湖泊深部，热液喷流与湖底沉积物接触，来自深部喷流的火山物质以及外来黏土矿物与碱性湖水接触反应先形成钠型菱沸石与钠长石等硅酸盐矿物（图8a）（Surdam et al.， 1972），使得湖盆中心基本未见黏土矿物，与正常陆相盆地存在较大差别.

第2阶段：在湖盆蒸发过程中，随着水体盐度的增加，形成化变层，盐湖半结晶分层，而此时陆源碎屑物质又不能及时供应，底部卤水处于一个静止低温的缺氧环境，此时Mg²⁺和Ca²⁺优先和水体中丰富的CO₃ ^2-结合形成白云石和方解石（图8b）.

第3阶段：白云石和方解石的沉淀消耗了卤水中的Ca²⁺和 Mg²⁺，湖盆处于碱性环境，Na⁺浓度较高.由于热液上涌，热液活动携带较高浓度的CO₂进入湖盆之中，为天然碱和苏打石的成盐提供碳源.当湖底温度较高时，不利于天然碱的沉淀（Eugster et al.， 1965），因此，苏打石率先沉淀出来，而随着热液的停歇，湖底温度逐渐下降，天然碱沉淀发生沉淀（图8c），随着湖水和热液的进一步混合，其物质浓度不再满足天然碱的沉淀，因此在单个成碱周期内，苏打石位于下部而天然碱位于上部.

第4阶段：湖泊进一步蒸发干涸，在埋藏过程中，沉积物尚未被压实，水体中剩余的Na⁺与方解石发生水-岩反应形成碳钠钙石，挤压原始纹层，造成碳钠钙石生长过程中使得纹层发生软沉积变形（图4e）.而后部分碳钠镁石交代碳钠钙石（图4f， 图8d）.Jagniecki et al.（2013）通过对美国怀俄明州绿河盆地Wilkins Peak段中碳钠钙石的实验研究，模拟Na₂CO₃-CaCO₃-H₂O体系中碳钠钙石的形成得出：在1个大气压下，Na₂Ca（CO₃）₂•2H₂O+CaCO₃=Na₂Ca₂（CO₃）₃+2H₂O反应形成温度约55±2 ℃.平衡温度低于先前由Smith et al.（2008）确定的90±25 ℃.这项研究也表明，由于地表温度过低，碳钠钙石不会出现在地表的碱性环境中，是热液交代的结果.

在巴音戈壁组矿物形成过程和地球化学分析基础上，建立了Na-碳酸盐成因模式（图8），碱矿形成与热水喷流沉积作用相关，成矿物质来源于地球内部热水系统，热水喷流形成富Na⁺卤水池，矿床形成由热水沉积和蒸发作用双重控制.碳酸盐矿物表现出白云石/方解石→天然碱→苏打石→碳钠钙石→碳钠镁石的形成序列，碳钠钙石和碳钠镁石形成于最后阶段，可作为找碱矿标志性矿物，在将来碱矿勘查工作中，应重点关注陆相湖盆中热水沉积岩发育区域.

5 结论

（1）塔木素碱矿床中矿物主要由Na-碳酸盐、方解石、白云石、长石组成，除Na-碳酸盐外还发育有硅硼钠石、硼砂和针状黄铁矿等热液矿物，与正常湖相沉积差异明显，巴音戈壁组暗色泥岩可定名为热水沉积白云质钠长石岩.

（2）碳、氧同位素数据表明塔木素地区下白垩统巴音戈壁组形成于封闭的咸湖环境，形成温度介于34~80 ℃，平均值57 ℃.

（3）建立了热水喷流和蒸发沉积双重控制下的碱湖Na-碳酸盐岩沉积模式，碳酸盐矿物表现出白云石/方解石-天然碱-苏打石-碳钠钙石-碳钠镁石的形成序列.

（4）塔木素碱矿Na-碳酸盐矿物成因模式可以指导碱矿勘查，碳钠钙石和碳钠镁石形成于最后阶段，热水沉积地层中发育此类矿物代表成矿过程中Na⁺充足，地层中可能存在碱矿层，因此，碳钠钙石和碳钠镁石可以作为碱矿找矿标志性矿物.

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基金资助

国家自然科学基金(42302044)

国防科技工业局项目(科工二司[2014]1587号)

中国铀业有限公司-东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金(2022NRE-LH-01)