加拿大具有世界上最大的可开采钾盐矿,已知钾盐矿产储量占全球的53%,其主要分布于萨斯喀彻温省(简称萨省)。钾肥生产是萨省的经济命脉之一,该省的钾肥产量约占全球总供应量的三分之一。萨省地处加拿大中部,东临曼尼托巴省,西接阿尔伯塔省,南与美国的蒙大拿州和北达科他州接壤,是加拿大第五大省,面积65.19万km2,钾盐矿藏位于萨省中南部,萨省最大的城市—萨斯卡通的东约100km处。
这些钾盐资源赋存于加拿大地台Elk Point盆地 中东部的萨斯喀彻温次级盆地,钾盐产于中泥盆统Elk Poin组草原(Prairie)蒸发岩的中上部,从上向下为帕西安斯湖(Patience Lake)钾盐段(K1)、贝莱普莱恩(Belle Plaine)钾盐段(K2)、埃斯特里奇(Esterhazy)钾盐段(K3)三个钾盐段。矿体埋深一般在800~1050米,总体呈北西西向,略向南南西倾斜,矿层产状平缓,沿走向略显波状起伏,并伴有小型褶曲,局部矿层近乎水平状。钾盐矿藏面积广阔,矿产储量居世界首位。
(a)Elk Point盆地及草原组蒸发岩层图;(b)草原蒸发岩地层区域横剖面图;(c)萨省中部区域地质层序柱状图(据互联网资料)
加拿大萨斯喀彻温省的钾盐矿藏结构横贯该省南部,延伸至曼尼托巴省以及美国的蒙大拿州和北达科他州。钾盐主要赋存在数层连续的岩盐和硬石膏矿层顶部附近,这些矿层共同构成萨省中上泥盆纪草原蒸发岩地层,分布于地下400-2700米深处,最大厚度可达215米。主要矿石类型为钾石盐岩(Sylvinite),由岩盐(Halite)、钾盐(Sylvite)、光卤石(Carnallite)及不同含量的不溶性矿物(Insolubles)组成,氧化钾(K₂O)含量平均为 27-32%。
萨省中部区域地层可以分为三个主要区间,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:
(1)最上面的地质层序:从地表到约125-175米深处,由冰川碎屑、砾石和粘土构成,含淡水蓄水层;
(2)中间地质层序:从冰川沉积物底部到约550米深处,主要为白垩纪页岩、粉砂岩和含微咸水的砂岩蓄水层;
(3)最下面的地质层序:从约550米深处的古生代/中生代突变处到地下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中期前溯到寒武纪。
上述地质层序构成覆盖在前寒武纪片麻岩和花岗岩之上的显生宙地质层序。
在中间地质层序中,特别是在被称为“Elk Point地质群”的泥盆纪中期地层中,发现岩盐(Halite)、钾石盐(Sylvite)和光卤石(Carnallite)组成的层状蒸发岩层,这些蒸发岩沿层序向周边横向扩展。该蒸发岩层位于萨省南部地下约2,500米处,向东延伸至曼尼托巴省西北部,并在局部地表裸露。该地质层序始于志留纪晚期与泥盆纪早中期的交界处,顶部终止于泥盆纪中期Dawson Bay地层的碳酸盐沉积层。
Elk Point 群沉积在中泥盆纪“Elk Point海道”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,萨省的钾盐资源正是赋存于该盆地内的草原蒸发岩地层中。
早在1800年,加拿大西部平原边缘就有盐泉出露的记录。1907年,阿尔伯塔的McMurray地区发现岩盐。1928年,萨斯喀彻温省Unity地区石油钻探时首次发现岩盐。而最早发现钾盐是在1913年,当时Norcallols石油天然气公司在Rodville附近勘探石油,依据钻井岩心分析,识别出厚10.37米、氧化钾含量11.72%的钾盐层。然而,由于矿层埋深超过2,000米,未能引起重视。
1946年,在Rodville西北约480公里处的钻井中,发现埋深1,057米、厚度3.35米、氧化钾含量21.64%的钾盐层。随着符合商业开采要求的钾盐矿层不断被发现,1950年开始进行专门的钾盐资源勘探。经过1950-1966年间的大规模勘测,初步查明了萨斯喀彻温省内赋存着巨型优质钾盐矿床。这些矿床的钾盐层厚度为1.5-3.0米,氧化钾含量平均为25-30%,主要矿石矿物为钾石盐,矿层埋深超过1,000米,总储量达到665亿吨 K₂O。50年代末至70年代初,经过十多年的开发建设,萨斯喀彻温省陆续建成并投产了10个钾盐矿山,成为全球最大的钾盐生产基地之一。
(a)加拿大萨斯喀彻温省艾斯特哈兹附近K1钾盐矿。(b)萨斯喀彻温省艾斯特哈兹附近K1钾盐矿。钾矿开采后遗留下来的废尾矿,它们是由粘土,盐和卤水组成。(c)(d)萨斯喀彻温省艾斯特哈兹附近K1钾盐矿。在地表以下一公里深处,大约45年的采矿活动中,已经钻通大约4700公里隧道。这些是采矿掘进设备和经过特别改装的用来在隧道中运输越野车(据互联网资料)。
草原群的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。这些晶体颜色从粉红色到半透明不等,边缘常嵌有灰绿色的粘土或鲜红色的铁质不溶性物质。在整体剖面中,还不规则地分布少量晶间岩盐(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)。位于两者之间的无矿层,通常由棕红色玻璃状至半透明状的岩盐组成,含少量钾石盐和较多的不溶性物质。