陜北奧陶紀鹽盆厚層鉀石鹽高礦化段的發(fā)現(xiàn)及其找鉀啟示

張永生, 邢恩袁, 鄭綿平, 蘇 奎, 樊 馥, 龔文強, 袁鶴然, 劉建華

中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室, 北京 100037

陜北奧陶紀鹽盆厚層鉀石鹽高礦化段的發(fā)現(xiàn)及其找鉀啟示

張永生, 邢恩袁*, 鄭綿平, 蘇 奎, 樊 馥, 龔文強, 袁鶴然, 劉建華

中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室, 北京 100037

位于陜北奧陶紀鹽盆東二鹽凹東部的鉀鹽科學勘查井——綏鉀1井, 揭示了奧陶系馬家溝組馬五6亞段厚度為118.17 m, 其中巖鹽厚度累計100.38 m。本次工作將該井馬五6亞段劃分為4個成鹽韻律, 并利用示鉀微化反應和巖鹽樣品溴、氯、鉀元素分析為主要分析手段對綏鉀1井巖鹽段的含鉀性進行評價, 結果表明: 該井馬五6亞段發(fā)育累計厚度達64.7 m的厚層鉀石鹽高礦化段, 發(fā)育4套成鹽韻律, 含鉀石鹽分布在相對完整的韻律II和韻律III中大部分的褐紅色和褐色石鹽中, 以韻律II含鉀性最好, 石鹽頂部的泥質夾層起到了保護作用; 本井整體K＋含量在0.08%～1.24%之間, 一般在0.1%以上, 平均為0.23%, 局部井段鉀含量接近邊界工業(yè)品位; Br-含量在 90×10-6～400×10-6之間, 平均為 242×10-6; Br-×103/Cl-(溴氯系數(shù))在0.17～0.98之間, 平均為0.45。溴值和溴氯系數(shù)絕大部分達到鉀石鹽-光鹵石沉積階段。利用綏鉀1井和鹽盆內其他地區(qū)9口鹽探井的平均鉀含量數(shù)據(jù)編制了陜北奧陶紀鹽盆馬五6亞段K+含量(%)變化趨勢圖, 該圖指示東南部的東二鹽凹是研究區(qū)較有利的含鉀鹽凹。綏鉀1井馬五6亞段厚層鉀石鹽高礦化段的發(fā)現(xiàn), 不僅揭示了該鹽盆巨大的找鉀前景, 也為今后鉀鹽勘查工作部署指明了方向。

鉀石鹽; 奧陶紀; 馬家溝組; 成鹽韻律; 陜北鹽盆; 東二鹽凹

陜北奧陶紀鹽盆位于鄂爾多斯盆地東部, 具備有利于氯化物鹽類遷移富集的預備盆地發(fā)育的區(qū)域巖相古地理條件, 是世界上少有的具備鉀鹽資源潛力的奧陶紀含鉀蒸發(fā)巖盆地(鄭綿平等, 2006, 2010, 2012)。有關鄂爾多斯盆地蒸發(fā)巖礦床的巖相古地理研究證明該地區(qū)是鉀鹽資源的有利遠景區(qū): 馮增昭等(1999, 1998, 1991)對鄂爾多斯盆地巖相古地理環(huán)境做了較完整的分析, Feng等(1998)指出膏鹽湖中白云巖化的灰泥巖與石膏、巖鹽共生, 與鹽類礦床關系密切。筆者從通過對鄂爾多斯盆地馬四段砂糖狀白云巖的研究中指出引起埋藏白云化的成巖流體與陜北鹽盆早期殘余的地層鹵水有一定的聯(lián)系(張永生等, 1999, 1997; 張永生, 2000)。張吉森等(1991)、王澤中等(1993)學者利用局部隆起、坳陷控制的半封閉海域模式以及淺水臺地坳陷模式來解釋鄂爾多斯地區(qū)巖鹽的成因。包洪平等(2004, 2000)分析了鄂爾多斯盆地東部奧陶系的沉積微相, 為進一步精細刻畫鹽盆內部古地理條件奠定了基礎。陳文西等(2010)強調除了古氣候等條件外, 華北地臺西部的陜北奧陶紀鹽盆東部分別有3個相鄰的蒸發(fā)預備盆地, 明確了該鹽盆是鹵水蒸發(fā)沉積最后階段產物——氯化物鹽類匯集的有利區(qū)。直接針對陜北奧陶紀鹽盆巖鹽(鉀鹽)礦床的研究早有報道(鄭綿平等, 1974), 實際勘查則始于20世紀80年代。1986年至今, 長慶油田公司以及其他鹽業(yè)公司在陜北榆林等地區(qū)完鉆的各類探井中, 有11口井鉆遇馬五4亞段石鹽層、12口井鉆遇馬五6亞段鹽層, 其中多口井見到鉀鹽礦化顯示, 為本次研究提供了大量基礎數(shù)據(jù)。在總結前人研究成果與數(shù)據(jù)的基礎上, 本次研究工作于2011年度在東二凹陷的綏東鹽洼實施1口鉀鹽科學勘查井——綏鉀 1井, 其鉆探目的是對陜北鹽盆奧陶系馬家溝組重點含鉀目的層段——馬五6亞段進行“穿靴戴帽”式全取心, 建立該目的層段鹽韻律組合綜合地層柱, 通過對全套巖鹽巖心的K+-Br--Cl-等配套測試分析, 獲取完整可靠的含鉀第一性資料, 并建立一個可供對比的成鹽成鉀地質-地球化學主干剖面。該井于2011年12月7日完鉆, 鉆穿整個馬五段鹽系地層, 終孔層位為馬四段灰?guī)r,取心總進尺為263.33 m, 巖心總長度262.59 m, 總收獲率為 99.72%。該井主力鹽層馬五 6亞段井深2286.11—2404.28 m, 厚度118.17 m, 其中巖鹽厚度累計100.38 m。所收獲的連續(xù)完整的巖鹽巖心為后續(xù)分析測試和綜合研究提供了可靠的第一手實物資料。

鄂爾多斯盆地, 北起陰山、大青山, 南抵秦嶺,西至賀蘭山、六盤山, 東達呂梁山、太行山, 總面積37×104km2。陜北奧陶紀鹽盆位于鄂爾多斯盆地的中東部, 隸屬華北地臺; 其分布范圍大致在東經108°30′—111°, 北緯 36°10′—39°10′之間, 面積約5.6×104km2(圖 1)。含奧陶紀的陜北鹽盆地位于華北地臺西部的鄂爾多斯克拉通內部的坳陷盆地, 盆地沉積主要受北部伊盟古陸、西南部隆起帶(定邊—慶陽—渭北)和東部的呂梁隆起控制。在早古生代,位于華北地臺西部的鄂爾多斯地塊進入克拉通碳酸巖鹽臺地演化階段, 地塊主體以穩(wěn)定的淺水碳酸巖鹽、蒸發(fā)巖夾碎屑巖沉積為主(馮增昭等, 1991)。

馬家溝組巖石地層可以概括為一套碳酸巖鹽-蒸發(fā)巖沉積序列: 自下而上為馬一段至馬六段, 馬一、馬三和馬五段為含鹽段, 馬二、馬四和馬六段主要為碳酸巖鹽的淡化段, 構成了三個完整海退-海進的沉積旋回。其中, 重點巖鹽段馬五段又自上而下進一步分為10個亞段, 即馬五1—馬五10亞段。

1 綏鉀1井馬五6亞段巖相與鉀鹽礦化特征

1.1 馬五6亞段巖性特征

如圖2所示: 綏鉀1井馬五6亞段為含鉀鹽系地層, 現(xiàn)場微化反應和后期室內實驗分析證實含鉀巖鹽總厚度為 64.7 m, 主要分布在本段的中下部,少量在上部。含鉀石鹽整體多為褐色、褐紅色, 少量為煙灰色, 以細-中晶結構為主; 不含鉀石鹽多為煙灰色, 中粗-巨晶結構, 多呈半自形-它形晶, 空氣中易潮解。鹽系的頂?shù)追謩e為馬五 5亞段和馬五 7亞段的深灰色灰?guī)r; 鹽系中的夾層多為泥質云巖和含膏泥巖, 少量為白云巖。若以每套顯著的厚層(泥質)白云巖(淡化標志)為下一次成鹽韻律的開始和上一次成鹽韻律的結束, 則自下而上可以將綏鉀 1井馬五6亞段分為4個成鹽韻律, 其中韻律II和韻律III為主要的成鉀韻律, 具體巖性特征如下:

圖1 陜北奧陶紀鹽盆現(xiàn)今位置與區(qū)域構造圖Fig. 1 Present location and regional structure map of Northern Shaanxi Ordovician salt basin

韻律I: 厚20.87 m, 巖鹽16.95 m。以煙灰色、褐紅色和紅褐色巖鹽為主, 不含鉀。韻律底部為馬五 7鹽段深灰色灰?guī)r, 頂部為褐紅色巖鹽, 中部及上部多夾薄層灰綠色硬石膏、泥巖和少量深灰色泥質云巖。韻律I巖鹽以煙灰色和褐紅色/紅褐色石鹽層間互出現(xiàn)為特征, 細-中晶結構, 厚層狀構造, 半透明、質較純。巖鹽中部主要夾膏質巖鹽和2套薄層硬石膏, 其中硬石膏薄層狀構造, 條帶清晰, 致密堅硬。上部夾2套灰綠色泥巖和深灰色薄層白云巖, 泥巖為泥質結構、膠結差、易碎, 薄層狀構造,性軟、塑性較強; 白云巖隱晶結構, 厚層狀構造, 致密堅硬, 性脆, 局部發(fā)育的裂隙均被鹽巖充填。

韻律II: 厚25 m, 巖鹽19.52 m, 是主要含鉀韻律之一。以褐色、褐紅色和煙灰色石鹽為主, 其中褐色和少量褐紅色巖鹽含鉀, 厚層狀, 顯示了成鉀的氧化環(huán)境特征。韻律底部為深灰色白云巖, 頂部為煙灰色巖鹽。含鉀的褐色、褐紅色石鹽以細-中晶結構為主, 厚層狀構造, 半透明, 質較純; 不含鉀的煙灰色石鹽以中-粗晶結構為主, 厚層狀構造, 半透明, 質較純, 層面間多夾厚度小于1 cm的泥質物。巖鹽中夾 3套薄層泥質巖鹽和一套灰白色白云巖,其中泥質巖鹽為灰綠色, 石鹽主要為褐色, 泥巖與石鹽混合共生, 膠結差, 易松散破碎, 性軟; 白云巖隱晶結構, 中層狀構造, 致密堅硬。

韻律III: 厚64.39 m, 巖鹽55.30 m, 是主要含鉀韻律之一。以煙灰色、褐紅色石鹽為主, 含少量褐色、茶褐色及深灰色巖鹽, 其中褐紅色和少量褐色、煙灰色石鹽含鉀, 中-厚層狀。韻律底部為多套深灰色泥質白云巖, 與煙灰色石鹽間互出現(xiàn), 隱晶結構, 厚層狀構造, 致密堅硬, 性脆, 局部發(fā)育裂隙均被巖鹽充填, 反映了韻律早期海水侵入的波動性特征; 頂部為深灰色含膏泥巖與褐紅色巖鹽薄互層。本韻律巖鹽自下而上的特征依次為: 下部石鹽不含鉀, 為煙灰-灰色、褐色、褐紅色, 中-粗晶結構,局部為粗-巨晶結構, 厚層狀構造, 半透明-透明, 質較純; 中部石鹽大部分含鉀, 石鹽以煙灰色-褐紅色含鉀石鹽層反復出現(xiàn)為特征, 細-中晶結構, 中-厚層狀構造, 半透明, 質較純; 中部少量不含鉀石鹽為褐色、茶褐色石, 中-粗晶結構, 厚層狀構造, 半透明, 質較純; 上部以褐紅色厚層狀石鹽為主, 只有韻律頂部石鹽含鉀, 細-中晶結構, 其他不含鉀石鹽以粗-巨晶結構為主。巖鹽中多夾灰綠色含膏泥巖或泥巖, 泥質結構, 薄層狀構造, 性軟, 具塑性, 呈波層狀或條帶狀分布。僅在韻律中部夾有灰綠色薄層狀硬石膏, 性軟, 遇水易膨脹, 結構極松散, 薄層狀構造, 極具塑性, 性軟。

韻律Ⅳ: 厚10.41 m, 巖鹽8.61 m, 以灰色石鹽為主, 中部夾深灰色含膏云巖。韻律底部為深灰色泥質白云巖, 薄層狀, 隱晶結構, 泥質膠結; 頂部為淺褐色石鹽。本韻律未發(fā)育完整即被馬五5鹽段深灰色灰?guī)r覆蓋, 因此本韻律巖鹽不含鉀?；疑珟r鹽為細晶結構, 厚層狀構造, 半透明, 質較純; 淺褐色巖鹽為細-中晶結構, 局部為粗晶結構, 厚層狀構造,半透明, 質較純。

1.2 馬五6亞段鉀鹽礦化特征

圖2 綏鉀1井奧陶系馬家溝組馬五6亞段鹽系地層綜合柱狀圖Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of well SJ1 for Ordovician M56strata

圖3 綏鉀1井馬五6亞段巖鹽樣品含鉀程度微化反應特征Fig. 3 Microchemical analysis characterisitics of sulvite samples from M56strata in well SJ1

本次對綏鉀1井巖鹽段含鉀性的初判是先通過對鉆探現(xiàn)場收獲的巖心進行實時編錄的同時, 每隔5～10 cm取一個粉末樣, 再對馬五6亞段的巖鹽進行鉀鹽微化掃面分析。該方法適用于現(xiàn)場快速定性判斷鉀石鹽含量大小(曲懿華, 1975), 可排查鉀鹽礦化程度。微化反應試劑為亞硝酸銅鉛鈉, 該試劑遇到鉀離子發(fā)生反應生成亞硝酸銅鉛鉀(黑色方塊顆粒)。現(xiàn)場微化測試 651件樣品, 定性分為好、中、差三個級別, 評價中級以上則接近或超過邊界品位的鉀鹽礦石或者礦脈。劃分標準為: 試劑滴上后樣品瞬間出現(xiàn)大量連片黑色亞硝酸銅鉛鉀, 宏觀上呈深綠色、鏡下呈暗色霧狀的礦片為強級別(圖 3A); 試劑滴定后, 反應時間稍長, 宏觀上呈綠色為主帶有離散狀黑色斑點、鏡下目測仍有1%以上的黑色亞硝酸銅鉛鉀的礦片為中級樣品(圖 3B); 差級別的樣品礦片微化反應不明顯或無反應。

圖4 綏鉀1井第10回次第63(A)和64(B)塊含鉀石鹽高礦化段巖心照片F(xiàn)ig. 4 Photograph of the sylvite mineralized core from samples 63 (A) and 64 (B) from the tenth salt core in well SJ1

從微化反應結果看, 該井馬五 6亞段巖鹽普遍具有明顯的鉀鹽礦化現(xiàn)象。宏觀上, 鉀鹽礦化度較高的巖段呈褐紅色, 向頂?shù)锥祟伾饾u變淺(圖 4),微化反應強烈, 鏡下呈現(xiàn)大面積連片分布的黑色亞硝酸銅鉛鉀, 單偏光下可見鉀石鹽單礦物(圖5)。最終定性劃分出約70 m鉀鹽礦化段。

在初步確定了含鉀巖鹽段分布范圍的基礎上,對綏鉀1井馬五6亞段第5至12回次的103件巖鹽樣品進行K+、Br-、Cl-等3項測試, 其中K+的含量由GGX-600原子吸收分光光度計法測定, Br-的含量采用酚紅比色法測定, Cl-的含量采用硝酸銀容量法測定, 所有樣品由中國地質科學院鹽湖與熱水資源研究發(fā)展中心化驗室完成測試。為確保測試結果的可信度, 從中抽取 30件樣品送往中國地質科學院國家地質測試中心進行平行測試, 結果與前者一致,表明測試結果可靠, 數(shù)據(jù)與統(tǒng)計結果見圖2和圖6。

圖6顯示: 綏鉀1井馬五 6亞段K＋的含量在0.08%～1.24%之間, 平均為 0.23%, 其中 K＋＜0.1%的樣品數(shù)為 19件, 占總量的 18.5%, K＋含量在0.1%～1.0%的樣品數(shù)為 83件, 占 80.6%, K＋＞1.0%的樣品數(shù) 1件, 占總量的 1.0%。劉群等(1997)指出陜北鹽盆K＋＞0.99%即可在石鹽中出現(xiàn)鉀石鹽晶粒,若以 K＋含量 0.1%作為界定巖鹽鉀礦化的下限, 則所測巖鹽樣品的 81.6%達鉀石鹽礦化, 累計厚度達64.7 m, 局部井段鉀含量達邊界工業(yè)品位(KCl=2%)。本井 Br-含量在 90×10-6～400×10-6之間,平均為242×10-6; Br-×103/Cl-(溴氯系數(shù))在0.17～0.98之間, 平均為 0.45。本井溴值與溴氯系數(shù)整體較高,指示當時成鹽演化進入了鉀石鹽沉積階段(陳郁華, 1983), 鉀石鹽可以正常沉淀析出。

圖5 綏鉀1井第10回次第63塊(A)和64(B)塊巖鹽巖心鉀石鹽礦物鏡下照片F(xiàn)ig. 5 Photomicrographs of the sylvite in samples 63 (A) and 64 (B) from the tenth salt core of well SJ1

圖6 綏鉀1井奧陶系馬五6亞段K+(A)、Br-(B)、Br-×103/Cl-(C)頻率分布直方圖Fig. 6 K+(A) , Br-(B), Br-×103/Cl-(C) distribution stratigraphic column for the Ordovician M56-stage strata of well SJ1

1.3 馬五6亞段成鹽韻律與含鉀性

縱觀綏鉀1井馬五6亞段鹽系地層綜合柱狀圖(圖2), 本井鹽系頂、底巖相均為開闊臺地環(huán)境下的灰?guī)r, 是一種相對開放的淡化環(huán)境, 代表了馬五 6成鹽亞期的開始和結束。馬五6亞段鹽系沉積由4個成鹽韻律組成, 每個韻律均以淡化瀉湖環(huán)境下的泥質云巖(白云巖)為韻律的開始, 逐漸咸化為膏鹽湖、鹽湖、含鉀鹽湖沉積環(huán)境, 直至下一次大規(guī)模海水補給形成淡化瀉湖環(huán)境, 開始新的成鹽韻律。其中見鉀成鹽韻律II和韻律III均具有成鉀性, 并以韻律II的成鉀性最好。韻律I石鹽發(fā)育較好, 但未見成鉀顯示; 韻律Ⅳ則由于很快就被馬五5沉積亞期的大量海水淡化, 因此未形成完整韻律。成鹽韻律的含鉀段均以褐色、褐紅色等較深顏色的含鉀石鹽為主, 僅少量分布在煙灰色含鉀石鹽段且鉀含量低, 鉀含量隨著石鹽顏色變?yōu)楹旨t色石鹽或褐色才逐漸升高, 這反應了咸化成鉀過程中的淺水氧化環(huán)境才是有利的。進一步觀察每個成鉀高峰的巖鹽頂部都沉積有泥質層或泥巖層, 這表明該泥巖層對含鉀石鹽起到了一定的保護作用, 是有利的成鉀條件。值得注意的是韻律 III含鉀石鹽顏色不一, 有深有淺, 甚至在韻律頂部厚層狀褐紅色石鹽段僅少量細晶石鹽含鉀, 而巨、粗晶結構的褐紅色石鹽則不含鉀, 這是韻律 III晚期石鹽的重結晶作用, 表明該韻律晚期成鉀條件變差, 韻律 IV的快速結束也從一定程度上反映了本井馬五6亞期晚期整體成鉀條件變差。因此, 本井含鉀石鹽具有如下特征: 細-中晶結構為主, 顏色以褐紅色、褐色為主, 頂部有泥質層隔擋保護, 質較純、透明度好。最后, 本井沉積韻律中石膏含量較低, 這可能與早期預備盆地中大量石膏的析出有關(陳文西等, 2010)。

2 馬五6亞段巖鹽鉀鹽礦化對比分析

綏鉀1井馬五6亞段縱向鉀鹽礦化累計厚度是目前陜北鹽盆鉆井中最大的, 在該井中下部(韻律 II)和中上部(韻律III)各存在一組鉀鹽礦化峰值段(圖2),且橫向上可以與其西部的綏探 1井和其北部的榆 9井對比(圖7, 8, 9)。對比顯示: 它們均具備鉀鹽礦化隨井深呈明顯的雙峰式變化的特征, 即綏鉀 1井在馬五6亞段巖鹽層的中下部2371 m(K+=1.24%)附近和中上部2332 m(K+=0.67%)附近各存在一組鉀鹽礦化峰值段; 綏探1井在馬五6亞段巖鹽層的中下部2503 m(K+=4.92%)附近和中上部2406 m(K+=0.16%)附近各存在一組鉀鹽礦化峰值段, 其中該井中下部峰值附近發(fā)育了一層厚度約1 m達邊界工業(yè)品位和一層厚度 0.1 m 達工業(yè)品位的鉀石鹽(袁鶴然等, 2010); 榆9井在馬五6亞段巖鹽層的中下部2579 m (K+=2.50%)附近和中上部2540 m(K+=0.23%)附近各存在一組鉀鹽礦化峰值段, 其中該井中下部峰值接近邊界工業(yè)品位。三口井中接近邊界工業(yè)品位的鉀鹽礦化層位均發(fā)育在全段巖鹽層的中部或下部(圖 7), 三口井各自的 Br-含量和 Br-×103/Cl-(溴氯系數(shù))隨井深變化并非顯示出與 K+十分吻合的變化特征, 其中綏鉀1井吻合度較好, 雖然在K+峰值深度范圍內也出現(xiàn)相應的峰值, 但還顯示出上下波動的特征(圖8, 9)。

圖7 綏探1井、榆9井和綏鉀1井K+-井深相關性Fig. 7 The relationship between K+and the depth of well SJ1, ST1 and Y9

圖8 綏探1井、榆9井和綏鉀1井Br--井深相關性Fig. 8 The relationship between Br-and the depth of well SJ1, ST1 and Y9

綏鉀1井的這種地球化學的波動特征與巖相上的波動特征一致, 這一方面反應了綏鉀 1井所處位置雖然還不是鉀鹽最終匯聚的中心, 但綏鉀 1井64.7 m 的鉀鹽高礦化段和接近邊界品位的鉀含量(K+=1.24%)表明該井更加接近鉀鹽匯聚的中心; 另一方面, 綏鉀1井化學元素縱向變化(成鹽韻律II、III)的峰值在橫向上可作為與綏探1井和榆9井對比的標志, 表明馬五 6亞期內, 在這三口井限定的范圍內存在兩次有利的咸化成鉀過程。

圖9 綏探1井、榆9井和綏鉀1井Br-×103/Cl--井深相關性Fig. 9 The relationship between Br-×103/Cl-and the depth of well SJ1, ST1 and Y9

3 陜北奧陶紀鹽盆馬五6亞段巖鹽鉀鹽礦化平面分布特征

研究區(qū)地球物理資料最新解釋成果表明: 陜北鹽盆關鍵鹽層段馬五6亞段沉積期總體表現(xiàn)為“兩坳夾一隆”的古構造格局, 次級成鹽凹陷有5個, 確定了陜北鹽盆不是“平底鍋”, 而是由多個次級凹陷組成的“復底鍋”(張永生等, 2013), 奠定了今后在 5個次級鹽凹中尋找有利區(qū)聚鉀帶的勘查新格局。由于本次工作通過地質、地球化學綜合對比分析揭示了東二鹽凹是有利的成鉀凹陷, 具備潛在的鉀鹽資源。為進一步明確東二鹽凹及周邊含鉀性平面分布特征, 本文收集了1986年至今長慶油田公司及其他鹽業(yè)公司在陜北地區(qū)鉆穿馬五6亞段鹽系且見鉀的 9口主要鹽井的地球化學數(shù)據(jù), 它們分別是東南部的綏探1井、東北部的榆9井、吳堡1井和西部的佳縣1井、鹽1井、米探1井、龍?zhí)?井、魚探1井、鎮(zhèn)鉀1井?，F(xiàn)將這10口井的K+含量(%)、Br-含量(×10-6)、Br-×103/Cl-(溴氯系數(shù))及其與正常海水各沉積階段的地球化學特征參數(shù)(陳郁華, 1983;陳郁華等, 1998; 譚紅兵等, 2007)列于表 1中。

表1 陜北鹽盆主要鹽井馬五6亞段巖鹽和正常海水K+, Br-, Br-×103/Cl-分析數(shù)據(jù)對比表Table 1 The K+, Br-, Br-×103/Cl-content correlation between the salt from the M56-stage strata in the main drill holes of the Northern Shaanxi salt basin and the normal marine environment

上述所列的主要巖鹽探井中, 以綏探1井的含鉀顯示最好: K+含量為1.05%～3.02%(達邊界工業(yè)品位)的層段厚度1.0 m, K+含量為4.94%(達工業(yè)品位)的層段厚度0.10 m。K+含量平均值以綏鉀1井最高, 為0.23%; 綏探1井次之, 為0.18%; 吳堡1井、榆9井、佳縣1井再次, 為0.10%～0.11%; 鎮(zhèn)鉀1井最低, 為0.05%。這指示了綏探1—綏鉀1井一帶的東南部東二鹽凹成鉀顯示最好, 榆9井—吳堡1井所在的東北部地區(qū)成鉀顯示次之, 西部整體成鉀顯示差。溴與溴氯系數(shù)也顯示了同樣的特征: 現(xiàn)代海洋環(huán)境中鹽類沉積的化學元素行為特征參數(shù)對研究古代鹽類礦床有較好的對比和借鑒作用(Braitsch, 1971), 通過與正常海水的不同沉積階段作比照(陳郁華, 1983), 陜北鹽盆綏鉀 1井、綏探 1井、榆 9井、佳縣 1井、米探 1井的 Br-含量(×10-6)和Br-×103/Cl-(溴氯系數(shù))數(shù)據(jù)顯示: 這些井馬五6亞段已達到鉀石鹽(KCl)-光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)沉積階段, 具備成鉀條件, 其中以東部條件相對較好。在此分析基礎上, 根據(jù)表1中綏鉀1井等9口井的單井 K+含量均值, 初步編制陜北奧陶紀鹽盆馬五6亞段K+含量等值線圖(圖10)。

圖10 陜北奧陶紀鹽盆馬五6亞段K+含量等值線圖(%)Fig. 10 Contour map of the K+content in the O2M56sub-member of Northern Shaanxi salt basin (%)

該圖反映了單井實際數(shù)據(jù)和古構造條件的地質約束, 顯示出: K+平均含量＞0.1%的鉀鹽礦化異常區(qū)有2處, 即北部的佳縣1—鎮(zhèn)川7—鹽4井一帶西一含鉀鹽凹和東南部的綏探1—綏鉀1東二含鉀鹽凹, 后者顯示為更有利的含鉀鹽凹。綏鉀1井完整的含鉀成鹽韻律顯示了陜北鹽盆有利的成鉀前景, 該井與綏探1和榆9井地球化學數(shù)據(jù)的橫向對比也證實了該鹽凹及鄰區(qū)高含鉀段的普遍存在, 因此本次繪制的 K+含量變化趨勢圖從地球化學角度較直觀地顯示了當前見鉀鹽井所揭示的鉀鹽聚集區(qū)的分布趨勢, 縮小了研究區(qū)鉀鹽有利區(qū)帶的預測范圍。

4 厚層鉀石鹽高礦化段的發(fā)現(xiàn)與找鉀啟示

自20世紀80年代中期以來, 陜北奧陶紀鹽盆的找鉀工作已歷經近30年的歷程。從表2可以看出, 1986年, 長慶石油勘探局在鄂爾多斯東部榆林—綏德地區(qū)完鉆的洲1井、鎮(zhèn)川1井和米1井等天然氣探井中, 鉆遇奧陶系馬家溝組馬五段鹽層; 1987年7月在佳縣施工了一口“油鹽兼探”井——榆9井, 1989年完鉆后, 在馬五6亞段首次發(fā)現(xiàn)4 cm薄鉀鹽層(K+含量為2.5%); 進一步分析發(fā)現(xiàn)馬五6亞段及其上部含鉀石鹽為鉀鎂鹽沉積, 所見礦物有鉀石鹽、光鹵石、鉀鐵鹽(陳郁華等, 1998)。1992年施工的另一口鉀鹽普查井——陜鉀 1井, 發(fā)現(xiàn)含有鉀石鹽礦物的低礦化井段厚47 m, 但其 K＋含量普遍＜0.1%(楊全喜等, 1993; 蒙慶, 1996; 劉群等, 1997)。2007年完鉆的巖鹽探井—綏探1井在馬五6亞段發(fā)現(xiàn)厚度 1.0 m達邊界品位的薄鉀鹽礦層(K+含量為1.05%～3.02%)和厚度 0.1 m 達工業(yè)品位(K+含量為4.94%)的極薄鉀鹽礦層(除此之外的其它井段 K+含量一般＜0.1%), 再到 2011年的鉀鹽科學勘查井——綏鉀1井在馬五6亞段取得累計厚度達64.7 m的厚層鉀石鹽高礦化段(K+含量為 0.10%～1.24%), 陜北奧陶紀鹽盆的找鉀工作正不斷取得新的進展, 特別是綏鉀1井和綏探1井的鉆探, 取得了發(fā)現(xiàn)薄鉀石鹽礦層和厚層鉀石鹽高礦化段的重要新進展, 不僅揭示了該鹽盆巨大的潛在找鉀前景, 大大提高了人們尋找海相大型超大型固體鉀鹽礦床的信心, 同時將該鹽盆找鉀的目標區(qū)范圍縮小至 1000 km2之內, 為下一步鉀鹽勘查工作部署指明了明確的方向。

表2 陜北奧陶紀鹽盆海相找鉀進程與成果Table 2 Historical summary of Ordovician marine potash exploration in Northern Shaanxi salt basin

5 結語

綏鉀1井在馬五6亞段鹽系發(fā)育3套成鹽韻律,在韻律II和韻律III這兩套相對完整的含鉀成鹽韻律中發(fā)現(xiàn)累計厚達 64.7 m的大套厚層鉀鹽高礦化段,含鉀石鹽多為褐紅色或褐色, 中下部(韻律 II)局部層段K+含量接近邊界工業(yè)品位, 且K+縱向分布具有一定的規(guī)律性, 可結合地球化學特征和巖石學特征進行橫向對比。在鹽盆構造分異格局內(張永生等, 2013), 結合多口鹽探井地球化學數(shù)據(jù)編制了鹽盆馬五6亞段K+含量等值線圖, K+平面分布趨勢顯示東南部的綏探1-綏鉀1所在的東二鹽凹是有利含鉀凹陷。本次對綏鉀 1井的鉆探資料的綜合分析繼榆 9井、綏探1井之后陜北鹽盆鉀鹽勘查取得的新的重要進展, 該井顯示了陜北鹽盆東南部地區(qū)的含鉀前景; 但對陜北鹽盆鉀鹽平面分布規(guī)律的認識及有利目標區(qū)的預測還需要今后進一步地研究完善。

目前, 在面積約 5.6×104km2的陜北鹽盆中鉆穿馬五6亞段的探井尚不足20口, 且分布很不均衡;業(yè)已解剖出的、子洲—綏德一線以北的5個次級鹽凹仍有 2個鹽凹無任何鉆探資料, 該線以南的巖鹽探井資料亦很少; 成鉀顯示較好的東二鹽凹的地震資料僅限于油氣勘探采集的二維地震剖面, 且測線密度較稀, 地質資料和研究精細程度低, 缺少相關地質資料的精細刻畫與描述, 僅依據(jù)少量的單井巖相和地球化學數(shù)據(jù)確定有利次級成鉀鹽洼具有一定的局限性。鑒此, 建議下一步將陜北鹽盆鉀鹽勘查納入國家礦產資源整裝勘查規(guī)劃, 繼續(xù)給予大力支持, 以期早日取得陜北鹽盆海相固體鉀鹽礦床勘查的突破。

致謝: 中國地質科學院鹽湖與熱水資源研究發(fā)展中心化驗室司東新高工、崔錦高工及時提供相關鹽樣的測試數(shù)據(jù), 焦健博士協(xié)助部分制樣, 在此一并致謝！

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The Discovery of Thick-bedded Sylvite Highly Mineralized Section from the M56Sub-member of Ordovician Majiagou Formation in Northern Shaanxi Salt Basin and Its Potash Salt-prospecting Implications

ZHANG Yong-sheng, XING En-yuan*, ZHENG Mian-ping, SU Kui, FAN Fu, GONG Wen-qiang, YUAN He-ran, LIU Jian-hua
MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

Located on the east side of the Suide salt depression in Northern Shaanxi salt basin, the scientific potash prospecting well of SJ1 encountered 118.17 m of the M56member of the Ordovician Majiagou Formation. The cumulative thickness of the salt series in the member is 100.38 m. In this study, the M56member of well SJ1 was divided into 4 salt rhythms, and the potassium content in the salinastone section was evaluated by in-situ micro-chemical reaction testing and quantitative analysis in the laboratory. The data obtained indicate that the cumulative thickness of mineralized potash in the M56member is 64.7 m, comprising 3 salt rhythms. Potash salt monolayer is brownish red or brown in color in the relatively complete rhythm II and rhythm III, and potash salt in rhythm II has the highest content of potassium, with the argillaceous interlayer at the top playing the protective role. The potassium content for part of the section is close to industrial grade, with potassium ion content rangingfrom 0.08% to 1.24%, mostly in excess of 0.1% and averagely 0.23%. The Br-content is from 90×10-6to 400×10-6, averaging 242×10-6; the Br-×103/Cl-ratio ranges from 0.17 to 0.98, averaging 0.45. The content of Brand the Br-×103/Cl-ratio indicate that most of the samples have reached the precipitation stage for potash and carnallite. Using the average K+(%) content values for well SJ1 and the other eight boreholes in the salt depression, the authors drew a trend map for the change in the K+(%) content, which shows that the better potash depression is the second east salt depression. The discovery of the thick highly mineralized sylvite layer in the well not only supports the potential for potash prospecting in the area but also provides clear indications for the exploration of potash salt.

sylvite; Ordovician; Majiagou Formation; salt rhythm; northern Shaanxi salt basin; the second east salt depression

P588.247; P534.42

A

10.3975/cagsb.2014.06.04

本文由中國地質調查局地質調查工作項目“陜北奧陶紀鹽盆地鉀鹽資源調查評價”(編號: 1212011085516)和國家重大基礎研究計劃“973”課題“鄂爾多斯奧陶紀古陸表海盆成鉀條件、機理和后期演化”(編號: 2011CB403001)聯(lián)合資助。

2014-01-26; 改回日期: 2014-06-04。責任編輯: 閆立娟。

張永生, 男, 1963年生。研究員, 博士生導師。主要從事鹽類礦床和石油地質研究。E-mail: zys_601@126.com。

*通訊作者: 邢恩袁, 男, 1982年生。博士后。主要從事鹽類礦床和石油地質研究。E-mail: xing-enyuan@qq.com。

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