活动陆块背景下蒸发盆地后生阶段富钾区的演变
[陈科贵1 
, 李利1, * , 李春梅2 , 于静3 , 王林4 , 林新4 ]
, 李利, 李春梅引用本文
陈科贵, 李利, 李春梅, 于静, 王林, 林新. 活动陆块背景下蒸发盆地后生阶段富钾区的演变. 地球科学进展, 2014, 29(4): 515-522
Chen Kegui, Li Li, Li Chunmei, Yu Jing, Wang Lin, Lin Xin. Evolution of the Potash-Rich Areas in Evaporation Basin during the Epigenetic Stage with Continental Block Being Active. Advances in Earth Science, 2014, 29(4): 515-522
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Chen Kegui, Li Li, Li Chunmei, Yu Jing, Wang Lin, Lin Xin. Evolution of the Potash-Rich Areas in Evaporation Basin during the Epigenetic Stage with Continental Block Being Active. Advances in Earth Science, 2014, 29(4): 515-522
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活动陆块背景下蒸发盆地后生阶段富钾区的演变
作者简介:陈科贵(1959-),男,四川自贡人,教授,主要从事石油地质、测井储层评价技术、测井地质与工程测井应用研究和四川钾盐普查研究.E-mail:chenkegui@21cn.com
摘要
在分析四川盆地成钾地质背景的基础上,提出“成盐源控论”的思想,“成盐源”为早期符合成盐条件下的沉降中心。指出富钾区并不一定在最利成盐的沉降中心,可能经过卤水的运移沉积在凹陷边缘压力相对较低的地带。在成岩阶段,随着沉积凹陷的不断埋深,沉积厚度不断增厚,储卤层剩余压力持续增加,温度不断上升,钾盐的溶解度升高,以至于钾盐在深盆中只会不断地溶解而不会沉积,在压实作用下,压实卤水从凹陷中心流向凹陷边缘。富含钾的地下水运移至压力相对较低的位置,在一定的条件下得以析出或富集。以四川三叠系南充盐盆杂卤石和平落坝富钾卤水成矿特点为例作进一步详细说明。
关键词:
钾盐; 成盐源控论; 地下卤水运移; 四川盆地
中图分类号:P611.4+1
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2014)04-0515-08
Evolution of the Potash-Rich Areas in Evaporation Basin during the Epigenetic Stage with Continental Block Being Active
Abstract
Based on analysis of potash-forming background in the Sichuan Basin, the theory of “source control” for potash is proposed. The so-called source areas are referred to those sinking centers meeting the conditions of forming potash early while the potassium-rich areas are probably not the early potassium’s sedimentary centers and after migrating along with brine potassium possibly would deposit in the edge of the depression where formation’s pressure is relatively low. During the diagenesis stage, the sedimentary center increasingly subsided, resulting in larger depositional thickness, greater remaining pressure of potassium reservoir and higher temperature of formation. Under such conditions, the potash’s solubility increases so much that potash’s solution is prior to its accumulation in the deep depression’s center. Derived by the compaction force, the potassium-rich water in the sedimentary rock would flow from the center to the edge of depression. At last, the potassium-rich water would migrate to those areas with lower pressure, then precipitate and accumulate so as to develop potash deposit. In this paper, the ore-forming characteristics of both the Triassic Nanchong salt basin polyhalite and the Pingluo Dam potassium-rich brine in Sichuan Basin are taken as examples for further detailed discussion.
Keyword:
Potassium salt; Source control; Migration of underground water; Sichuan Basin.
1 引言
在早三叠世嘉陵江期上扬子克拉通海盆海侵,海水分别从东向西并从南向北侵入。由于海盆西缘存在龙门山古隆起和康滇古陆,北缘的秦岭和大巴山东段在晚古生代已上升为陆,东南有江南古陆呈岛链阻隔(图1),该海盆内海水总体是西浅东深[ 1]。在印支运动的影响下,地势由早三叠世西高东低向中三叠世东高西低变迁,至中三叠世末海水全部退出,结束了海相沉积的历史。王宓君等认为四川盆地早三叠世嘉陵江期继承性发育了碳酸盐岩台地沉积,并指出自西向东依次发育海陆过渡相、蒸发海台地相、局限海台地相和开阔海台地相。四川盆地广泛分布的杂卤石及几口高品位的富钾卤水,都说明四川盆地有成钾的可能性,但多年来一直未有大的突破。郑绵平[ 2, 3, 4]提出四川盆地三叠纪成盐后期的构造运动和地下水活动强烈, 其地下水淋滤作用深入盐体, 大量钾盐层已被淋滤成为地下卤水；得出中国蒸发盐盆地活动性较强、后期变化较大, 并导致深埋地下和形成液体矿的结论；并总结了我国海、陆相成盐盆地具有后期成盐盆地的变动性和多液态矿的特点,海陆相盐盆地后期变动较大等的基本地质原因。袁见齐[ 5]指出了传统成盐论的许多问题；并强调温度变化和卤水掺杂在一定条件下是促使盐类沉积的重要因素,但这些作用仍是在蒸发浓缩的基础上才能促使某些盐类沉积。因此,液态钾矿列为今后找钾的主要研究对象。
 | 图1 四川盆地早、中三叠世古构造图Fig.1 Early -middle Triassic paleotectonic map for the Sichuan Basin |
2 “成盐源控论”及源区地下卤水的运移探讨
成盐源控论中的“成盐源”并不是指的单纯意义上的海水中的钾,而是在早期符合成盐条件下的沉降中心。在对盆地沉积背景分析的基础上,利用地质勘探手段找到早期蒸发盆地中持续下沉的沉降中心。在蒸发作用下沉降中心沉积大量盐岩,残余古海水中钾离子含量增加,部分钾离子伴随固态物质如杂卤石等的形成而进入固相中。随着后期构造作用和物理化学条件的改变,流体溶滤含钾物质使钾元素重新进入液相中,并在适宜的构造环境和物理化学环境下保存下来形成富钾卤水或者形成固体钾盐。柴达木盆地盐湖的实际情况说明这里的钾盐沉积发生在周边水补给最丰富的位置[ 6]。东喀尔巴阡的情况则更复杂,有人认为含钾卤水曾经远距离搬运,达几百公里[ 7]。这都说明钾元素的富集具有迁移的特性。
地下水是流体,具有流动的趋势,受某些地质因素的作用被迫停止运移的状态是相对的。所以如何宏观上把握成盐源区地下水的运移方向是必要的。源区地下卤水的来源主要有2部分：一是沉积后残余的原生(沉积)卤水,二是沉积的盐岩再次被溶解形成的溶滤卤水。在同沉积作用时期,如果在适合的环境下有钾盐沉积,在未被深埋之前完全有可能被大气降水、陆表水等溶解。即便被深埋,被压实作用排出的晶间水、原生沉积卤水及地下热液等可进一步的溶滤固体钾盐。
地下卤水运移的主控因素主要有两个方面：①重力作用,古有水往低处流之说,加之卤水的密度较大,在重力分异作用下溶解有矿物元素的的卤水更易往下渗透。这亦是传统凹陷找钾的原因。②地层剩余压力,如果在连通的地层中的两个点之间存在压力差,则充满水的储集层孔隙空间中的流体将受到地层的剩余压力的作用,从剩余压力高的点流向剩余压力低的点[ 8]。
在同沉积过程中,卤水有往凹陷的深处运移的趋势。在成岩期后的构造运动使地层沉积水、晶间水等溶滤了早期沉积的盐层。随着沉积坳陷的不断埋深,沉积厚度不断增厚,储卤层剩余压力持续增加,温度不断上升,钾盐的溶解度升高,以致于钾盐在深盆中只会不断的溶解而不会沉淀。由于深坳陷内沉积厚度大,地层剩余压力高,在压实作用下,地层水宏观上是从凹陷中心流向凹陷边缘。在构造作用下,断层、破碎带、层间滑动带、裂缝发育带及构造高点的产出位置由于压力得以释放,是地下卤水聚集的有利场所。当地下卤水在压力相对较低的高点或裂缝处储集下来时,由于压力、温度相对降低,在一定的条件下钾离子析出,形成富钾岩石。源区卤水运移至边缘沉钾示意如图2。卤水的运移规律,毕竟是在宏观上把握成盐的动向,也会因为在具体构造特征和地貌的不同造成不同的结果。国外一些典型钾盐矿床也是分布于盆地斜坡上的次级凹地 , 而非最深的沉降区[ 9], 为源控论及地下卤水的运移提供佐证。
 | 图2 坳陷边缘沉钾示意图Fig.2 Schematic diagram of potash formationing at depression edge |
3 实例分析
四川盆地勘探主要的发现有杂卤石及富钾卤水。在前人研究基础上提出“源控理论”,并研究源区地下卤水的运移规律,通过南充凹陷与成都凹陷的钾盐发现及成钾特点说明此理论的一般适用性。
3.1 南充凹陷
南充凹陷内发现的农乐杂卤石矿区位于华蓥山背斜北端近倾末端的核部,核部主要出露地层为三叠系嘉陵江组和雷口坡组。南充盐盆成盐期为嘉四段、嘉五2—雷一1亚段、雷三2亚段。杂卤石主要赋存于下三叠统嘉五2亚段上部和中三叠统雷一1亚段下部；从地质录井资料和测井资料上都可以看出杂卤石并没有与石盐共生的现象,杂卤石交代硬石膏现象普遍。该层段蒸发岩缺乏,迄今为止除了杂卤石岩之外,没有迹象表明本区可能曾存在钾镁盐层[ 10]。因此可以认为形成杂卤石的富钾镁溶液是外来的。在剩余压力作用下,川中深凹陷内的卤水运移至此,在适合的构造环境下交代硬石膏而形成杂卤石[ 11, 12]。宏观上说,南充凹陷的东部边缘的鲜度河构造、广安构造、罗踱溪、华蓥山构造、龙女构造等都有杂卤石岩发育,而中部的磨溪构造及东部的遂宁构造、蓬莱构造都无杂卤石的发现(图3)。
 | 图3 南充凹陷构造简图Fig.3 Structural diagram for the nanchong depression |
南充凹陷为川西坳陷的一个持续下沉的继承性凹陷,四川盆地川西坳陷晚三叠世在海相碳酸盐岩基础上开始大量沉积陆相碎屑岩。中、上三叠世之间的印支运动使四川盆地东部隆升,西部沉降,从而在西部沉积了巨厚的碎屑岩,上三叠统碎屑岩向东逐渐减薄[ 13]。由于西部深坳陷内沉积厚度大,地层剩余压力高,地层水的流动方向是从剩余压力高的点流向剩余压力低的点(图4)。加之川中凹陷的地温梯度高为25~30 ℃/km,向川西、川北、川东降低为20 ℃/km[ 14]。温度高,溶解度升高,在凹陷中央含钾卤水更易溶解不易析出,从而在压实作用下运移至凹陷边缘地带时,由于压力降低,温度降低,含钾卤水很快达到饱和并在一个适合的构造条件下钾元素析出。
 | 图4 在楔状沉积物负荷下压实流体的排出方向Fig.4 The discharge direction of the compacted fluid loading wedge-shaped sediment |
伽马测井测量由核衰变产生并与地层相互作用的伽马射线；地层的自然伽马放射性主要是岩石中铀、钍和钾的含量确定的。钾有3个天然同位素,39K,40K和41K,其中40K是放射性同位素,它发射1.46 MeV的伽马光子[ 15]。在石油核测井中,铀和钍含量通常用μg/g为单位；而钾含量用0.01 g/g为单位,记作%。所以自然伽马能谱测得的钾的含量单位直接对应采矿部门的“品位”,1%=1×104g/t。从图5,图6的测井曲线可以看出南充盐盆东西部放射性的差异,从女X井的自然伽马测井曲线(GR)与自然伽马能谱中的K曲线匹配的相当好,说明四川盆地的嘉五2亚段至雷一1亚段的高放射性主要都是由于绿豆岩、杂卤石、以及卤水中的40K造成的。所以自然伽马测井曲线(GR)可以直接反应钾含量的品位高低。从表1中可以看出,南充盐盆的东边杂卤石较发育,最厚为10 m以上,而西部杂卤石几乎不发育；从放射性测井得出,南充盐盆的东边嘉五2亚段—雷一1亚段的伽马值极其的高,最高达274 API；而南充盐盆西部,自然伽马值一般为47~88 API；从而表明了源区地下卤水运移至此,交代硬石膏形成杂卤石的可能性。
 | 图5 南充盐盆西部测井曲线图Fig.5 logging curves in the west of Nanchong salt basin |
 | 图6 南充盐盆东部测井曲线图Fig.6 Logging curves in the east of Nanchong salt basin |
 | 表1 南充盐盆杂卤石分布厚度统计表 Table 1 Statistical list of the Polyhalite strata in the nanchong salt basin |
3.2 成都凹陷
平落坝潜伏构造高点略偏南钻探的平落4井,在钻遇雷四段时发现了高产高压的高浓度卤水,矿化度高达384 g/L,K+ 含量折合KCl 达100 g/L；阴离子以Cl-为主,占当量总数的96%以上；阳离子除Na+占当量总数的65%以上外,K+当量亦高达20%以上。按м·г·瓦里什科分类,属氯化物型水；按舒卡列夫分类 (以当量大于20%计),则属Cl-Na·K型水。
卤水为地下流体矿藏,其运移、聚集通道以岩石孔隙和裂缝为主。平落坝雷四段储卤层为低孔渗的致密白云岩。后期构造作用所形成构造裂隙发育带或破裂构造发育带,极大地改善了卤水的运移、聚集能力,为最终形成卤水藏创造了条件。由图7知,平落4井处共发育四条断层,对卤水储藏起控制作用主要是①和②号断层。卤水层在钻井过程中的表现主要为盐水浸、卤喷,由此便可以看出图中的卤水主要储集于雷四1亚段的白云岩中。雷四2亚段及上部雷五段未储集卤水的主要原因可能是由于雷四1亚段膏盐层的阻挡作用。
 | 图7 过平落4井深度偏移剖面Fig.7 Seismic depth migration section of pingluo 4 well |
雷四是四川盆地最后一个成盐期,泸州—开江古陆的抬升扩大和江南古陆的急速上升,迫使盐盆向西收缩至成都—蒲江地区,沉积了蒸发盐岩,成盐后受龙门山逆掩推覆构造的影响。盐盆下陷,上覆巨厚的陆相碎屑岩沉积,构造作用强烈,为含盐系的变质演化及卤水富集提供了条件。平落坝构造为川西凹陷南侧一潜伏构造,西邻雾中山背斜,东抵大兴构造,西北侧与大井坝等构造紧邻,呈北东展布[ 16](图8)。随着龙门山构造的活动,北西—南东向挤压增加,导致川西坳陷中的地层发生褶皱,形成背斜[ 17]。而平落坝构造为一潜伏高点构造,由于靠近龙门山前,构造挤压下断裂较发育,富钾卤水在剩余压力等多种因素的共同作用下向边缘运移,而平落坝构造的背斜轴部及断裂带为卤水的运移聚集创造了良好条件。
4 结论
提出“成盐源控论”的思想,并分析源区地下卤水的运移规律。指出钾盐的富集在早期满足成钾条件的源区附近,即沉降中心边缘压力相对降低的位置的可能性。
分析了目前四川盆地已发现的两处钾矿—农乐杂卤石和平落坝富钾卤水的成矿特点。得出南充凹陷的杂卤石,是在剩余压力作用下,川中深凹陷内的卤水运移至此,在适合的构造环境下交代硬石膏而形成的。而成都凹陷的富钾卤水同样是由构造挤压、剩余压力等多种因素的共同作用下向边缘运移,平落坝构造的背斜轴部及断裂带为卤水的运移聚集创造了良好条件。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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