焦　距

國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，北京100037

湖北江陵凹陷科探井現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)及其應(yīng)用?

焦距*

國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，北京100037

提要江陵凹陷是江漢斷陷盆地的一個(gè)面積寬廣、礦產(chǎn)資源豐富的次級(jí)凹陷。通過對(duì)比鉀鹽等蒸發(fā)巖的分析技術(shù)，X射線熒光光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱XRF）具有分析靈敏度高、樣品制備簡(jiǎn)單、分析速度快等特點(diǎn)，有效的避免了巖鹽和鉀鹽的易溶性和變化性所帶來的影響。現(xiàn)場(chǎng)采集江陵凹陷科探井（SKD2）蒸發(fā)巖發(fā)育層段（327.11～437.70m）的巖屑樣品，經(jīng)處理、測(cè)定，分析結(jié)果與蒸發(fā)巖系鹽類礦物成分具有較好的一致性。開展鉆井實(shí)時(shí)化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層、停鉆取心提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于蒸發(fā)巖勘查及鉀鹽找礦具有重要意義。

江陵凹陷蒸發(fā)巖勘查技術(shù)XRF巖性分析

1　引言

江陵凹陷位于江漢盆地西部，是江漢盆地的一個(gè)富烴凹陷。江漢盆地江陵凹陷從二十世紀(jì)六十年代開始，進(jìn)行了大量的油氣勘探，多個(gè)鉆孔揭示了沙市組為含鹽系地層，并發(fā)現(xiàn)賦存富鉀鹵水。2010年，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所在GK1井的科學(xué)鉆探中，于 3581.40m井深處，打出高溫、高壓、高濃度的富鉀鹵水，實(shí)現(xiàn)了江陵凹陷鉀鹽找礦的突破，2011～2012年又施工了崗鉀2井（井深4311m）和沙鉀3井（井深3880m），發(fā)現(xiàn)存在富鉀鹵水層，2012～2013年實(shí)施繼續(xù)開展科探井（SKD2）的鉆探。

從目前的鉆井資料發(fā)現(xiàn)，江陵凹陷古近系都有鹽類沉積，多數(shù)分布在古近系古新統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)了鉀石鹽礦物和富鉀鹵水，由于巖鹽和鉀鹽的易溶性和變化性，樣品不宜保存，但在鉆探過程實(shí)時(shí)快速檢測(cè)，可以馬上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層，為停鉆取心提供可靠依據(jù)。因此，開展鉆井實(shí)時(shí)化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)對(duì)于蒸發(fā)巖勘查及鉀鹽找礦具有重要意義。

2　江陵凹陷地質(zhì)特征

2.1構(gòu)造

江陵凹陷是新華夏裂谷帶江漢斷陷盆地的一個(gè)重要的次級(jí)凹陷【1，2】。凹陷的北部邊界是紀(jì)山寺斷層（圖1）；問安寺斷層是盆地的西部邊界；西南的洞庭盆地與江陵凹陷相通；盆地的南部邊界以白堊-新近系剝蝕線為界；清水口斷層及龍安斷層為其東部邊界，面積 6500km2【3】。江漢斷陷盆地的發(fā)展經(jīng)歷了眾多的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，盆地內(nèi)的斷裂十分發(fā)育【4，5】。

2.2地層

江陵凹陷白堊系以來的地層巖性如下。

2.2.1白堊系（K）上白堊系地層發(fā)育比較廣泛，厚度變化較大，以紅色細(xì)粒碎屑巖為主，局部有厚層狀的含膏，含鹽粉砂巖發(fā)育，其中下部的漁洋組的厚度有1000～2500m，沉積相主要是以河流相和濱淺湖相為主，沉積物總體垂向上從下到上粒度逐漸變細(xì)。

圖1　江陵凹陷區(qū)域構(gòu)造及科探井SKD2位置圖（據(jù)江漢油田研究院，2011?? 江漢油田研究院. 2011. 江陵古近紀(jì)鹽盆地富鉀鹵水調(diào)查評(píng)價(jià)。）Fig.1　The location of science exploration well SKD2 in Jiangling sag（Academy of Jianghan Oilfield， 2011）

2.2.2古近系（E）主要包括：①沙市組（Es）：是江陵凹陷的主要鹽湖沉積時(shí)期，主要發(fā)育各種蒸發(fā)巖，比如鹽巖，膏巖，鈣芒硝巖，泥膏巖等，也有碎屑巖發(fā)育，多與蒸發(fā)巖呈薄層狀互層出現(xiàn)。②新溝嘴組（Ex）：分上、下兩段。上段為棕紅、灰紫色泥巖夾粉砂巖、玄武巖，下段為砂泥巖互層，部分含硬石膏。屬三角洲、淺湖-半深湖相，該層是江陵凹陷的主要產(chǎn)油層。③荊沙組（Ej）：以棕紅、紫紅色泥巖為主，夾粉砂巖、玄武巖。下部泥巖含硬石膏，往上減少。屬?zèng)_積平原沉積相沉積，厚度和巖性變化大。④潛江組（Eq）：以灰綠、灰-深灰色泥巖為主，夾油頁(yè)巖、薄層泥灰?guī)r、粉砂巖及玄武巖。屬深湖-半深湖相、湖泊相沉積，該段地層最大厚度出現(xiàn)在江陵凹陷的東部和北部。⑤荊河鎮(zhèn)組（Ejh）：巖性為暗色細(xì)粒碎屑巖沉積為主，泥巖、粉砂巖夾灰?guī)r、油頁(yè)巖，屬淺湖相沉積。

2.2.3新近系（N）廣華寺組（Ng）：該段主要是河流相和湖泊相比較發(fā)育，沉積物多為紅色和暗色互層，由砂礫巖、粘土組成韻律層，從下到上沉積物粒度逐漸變粗，與下伏地層古近系地層呈不整合接觸。

2.2.4第四系（Q）第四系平原組（Qpp）：雜色砂礫層、灰色粘土層，凹陷內(nèi)普遍存在，與下伏新近系地層呈平行不整合接觸。

綜上所述，從白堊系到第四系以碎屑巖沉積為主，蒸發(fā)巖主要發(fā)育于古新統(tǒng)沙市組。

3　鉆井工程及地層巖性

3.1鉆井工程

科探井SKD2位于江陵凹陷西南部， 2014年12月至2015年2月開展鉆井地質(zhì)工作，終孔深度1200.43m。完成巖芯（屑）地質(zhì)編錄、采樣、資料整理等工作，本文主要依據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)采集的巖芯（屑）樣品，開展實(shí)時(shí)處理、測(cè)試，分析應(yīng)用效果。

3.2鉆井地層巖性

SKD2井鉆遇地層自上而下依次為：第四系平原組，新近系廣化寺組，古近系荊沙組、新溝嘴組、沙市組。由圖2可看出，從上至下可劃分為三大層段：上部地層0～195.0m，主要巖性為紫紅、棕紅、灰綠色砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖及灰黑色、棕紅色、灰白色等雜色礫巖。頂部主要為灰色粘土、雜色礫石、夾未成巖松砂層；中部層段195.0～499.0m，上部巖性主要為棕紅、灰綠、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖及灰白色膏泥巖；下部主要為白色、半透明石鹽、芒硝層，次為棕紅、灰綠色泥巖；下部層段195.00～1200.43m，巖性上部主要為棕紅、紫紅、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰白色、半透明膏泥巖。下部主要為棕紅色、灰綠色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。

圖2　SK D2井巖性柱狀圖Fig.2　Lithologic bar chart of well SKD2

4　鉀鹽勘查現(xiàn)場(chǎng)快速分析技術(shù)

4.1分析技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，元素的定性與定量分析技術(shù)方法越來越多，檢測(cè)技術(shù)水平不斷提高，支撐鉀鹽資源的勘查與研究能力越來越強(qiáng)。目前，鉀元素的主要分析技術(shù)包括重量法、容量滴定法等傳統(tǒng)化學(xué)方法，以及X射線熒光光譜法（XRF）、原子吸收光譜法（AAS）、原子發(fā)射光譜法（AES）等現(xiàn)代儀器分析法。

4.1.1傳統(tǒng)分析法四苯硼化鈉重量法是檢測(cè)常量鉀的最傳統(tǒng)的化學(xué)方法。微酸性溶液環(huán)境下，四苯硼化鈉與鉀離子反應(yīng)，生成晶態(tài)的白色沉淀，通過計(jì)算化學(xué)反應(yīng)生成的沉淀重量進(jìn)行對(duì)鉀元素的測(cè)定。該方法具有標(biāo)準(zhǔn)偏差小、回收率高、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，常用于化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、地質(zhì)、土壤、鹵水及鉀鹽等領(lǐng)域中鉀的常量檢測(cè)【6】。

四苯硼鈉-季胺鹽容量法測(cè)定鉀，是在堿性環(huán)境的溶液中，加入過量的四苯硼鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液與鉀生成穩(wěn)定的四苯硼鉀沉淀，過剩的四苯硼鈉同季銨鹽（溴化三甲基十六烷基銨）反應(yīng)生成四苯硼季銨鹽沉淀，用松節(jié)油使回滴過程中不讓沉淀解離，過量季銨鹽和達(dá)旦黃指示劑反應(yīng)形成粉紅色以指示終點(diǎn)。冉廣芬等簡(jiǎn)化了試驗(yàn)流程步驟，減小測(cè)定周期和檢測(cè)成本，用該方法測(cè)定 1%以上的鉀含量時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 1%，回收率為99.52%，比較適合鉀產(chǎn)品生產(chǎn)過程的分析以及快速測(cè)定鹽化工產(chǎn)品、鉀肥、鹵水中的鉀元素【7】。

4.1.2現(xiàn)代儀器分析法陳輝等應(yīng)用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測(cè)定巖鹽中鉀含量，其精密度小于2.11%，回收率在98%～102%之間，滿足地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范【8】；湯慶峰等建立一種采用ICP-AES測(cè)定新疆羅布泊盆地和潛江凹陷鹵水中的鉀、鈉、鈣等11 種元素含量的方法，制樣過程簡(jiǎn)單、便捷、效率高，檢測(cè)方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于2%，精密度高，可根據(jù)不同鹵水的實(shí)際情況稀釋后測(cè)得可靠的結(jié)果【9】。劉俊等應(yīng)用火焰原子吸收光譜法（FAAS）測(cè)定了老撾鉀鹽礦床樣品中鉀元素的含量，他們將鉀鹽溶液溶于2%～3%的鹽酸介質(zhì)，使用鉀的776.5nm主靈敏吸收線作為分析線，并與四苯硼酸鈉-季胺鹽法測(cè)定結(jié)果做了比較，結(jié)果表明AAS測(cè)定鉀元素比容量法測(cè)定鉀元素方法精密度高【10】。樊興濤等采用臺(tái)式偏振XRF檢測(cè)覆蓋層和基巖樣品中的鉀，并將儀器車載化滿足野外工作需要，為覆蓋區(qū)鉆探取

樣工作提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)支持，方法的RSD小于4.3%。方法的誤差符合地質(zhì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范規(guī)定的要求【11】。

4.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的選擇

目前通常采用的測(cè)定鉀元素方法主要有發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、火焰光度法等大型儀器，需要載氣、燃?xì)夂椭細(xì)獾葪l件；傳統(tǒng)分析方法中的重量法、容量法、電化學(xué)方法等，因操作繁瑣，測(cè)定周期長(zhǎng)，均達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)快速分析的目的。本文選用的 X射線熒光光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱XRF法）具有光譜干擾少、分析靈敏度高、可分析的元素種類多、測(cè)定的濃度范圍寬、樣品制備簡(jiǎn)單、分析速度快等特點(diǎn)，能滿足鉀鹽勘查樣品野外實(shí)時(shí)、快速分析的要求。

4.3EDXRF法現(xiàn)場(chǎng)分析

4.3.1儀器與實(shí)驗(yàn)條件Spectro XEPOS臺(tái)式偏振激發(fā)能量色散X射線熒光光譜儀，配備端窗Pd靶X射線管，鈹窗厚度15μm，最大功率50W，最高電壓50kV，最大電流2mA；配置鉬、鈀、鋯、鋅、鈰、鈷、HOPG、Al2O3等8種二級(jí)靶；硅漂移半導(dǎo)體探測(cè)器，能量分辨率＜148eV（5.9 keV處）；可分析元素的范圍：從Na到U的元素（除惰性氣體）。儀器的體積：69cm×60cm×32cm，冷卻采用風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷式。野外儀器電源是由發(fā)電機(jī)供給UPS，UPS穩(wěn)定電壓后再供給儀器。

4.3.2樣品的采集、處理與分析在SKD2井鉆探過程中采取巖屑樣品，選擇蒸發(fā)巖發(fā)育的層段（深度327.1m至437.7m）采樣，采樣間隔約為1m，共計(jì)111件。

采取的巖屑樣品經(jīng)用飽和 NaCl淋漓沖洗，晾曬后分取300g，使用微波爐或者烘箱烘干至無水分，約20min；取60g干樣品放入電磁粉碎機(jī)，碎樣時(shí)間2min，進(jìn)料粒度小于15mm，出料粒度0.075mm（200目），碎好的粉末分別裝入樣品袋中、編號(hào)。取4g碎好的樣品粉末置于樣品盒中，上機(jī)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)得到鉀、鈉、鈣、鎂、氯、溴、鍶、銣、鋁、硅等20余種元素的含量。

5　結(jié)果與討論

5.1SKD2井蒸發(fā)巖層段地球化學(xué)特征

SKD2井主要蒸發(fā)巖層段（327.1～437.7m）采集111件巖屑樣品，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的元素組成的平均值見表1。巖屑中ω（K）為1.55%～2.27%，平均值為0.91%，微量元素溴、銣、銫的平均值分別為8μg /g、56μg /g和66μg /g。

表1　SKD2井巖屑主要化學(xué)元素含量平均值Table.1　The average value of major elements in well SKD2

巖屑樣品的K、Cl、Br含量隨深度的變化規(guī)律如圖3。深度327.1m至437.7m區(qū)段，巖屑中K的含量變化呈逐漸增高趨勢(shì)，高值段（390.0～405.0m）與該段出現(xiàn)較多的泥巖有關(guān)；Cl含量由上往下逐漸降低，高值段位于 335.0～351.0m，也是該井石鹽發(fā)育層位，397.0m往下變幅較小，基本保持穩(wěn)定，巖性主要為細(xì)碎屑巖。Br的變化與鉀基本相同，最高值（14.5μg/g）位于389.0m處。

圖3　SK D2井蒸發(fā)巖層段鉀、氯、溴元素含量的垂向變化Fig.3　The changed trend of K、Cl、Br in evaporite segment of well SKD2

5.2SKD2井蒸發(fā)巖層段巖性與組分相關(guān)性分析

通過鉆井巖心（屑）地質(zhì)編錄分析，327.1～437.7m層段巖性可歸類為4種（表2），碎屑巖系（泥巖）比重最大，約占48.5%。蒸發(fā)巖系占51.5%，其中芒硝累計(jì)厚度37.1m，占32.8%，石鹽次之，占比15.3%，石膏厚度最少，僅3.9m，約占3.4%。

巖性統(tǒng)計(jì)K、Cl、Br、Sr、Mg含量的變化規(guī)律表明（表3），巖屑中的K含量高值出現(xiàn)在芒硝和泥巖層，石膏層Ca、Sr含量最大，Cl在石鹽層含量最高，Mg含量的高值出現(xiàn)在石鹽和碎屑巖層，微量元素Br含量較低，未顯示差異?，F(xiàn)場(chǎng)巖屑的測(cè)試結(jié)果與蒸發(fā)巖系鹽類礦物成分的一致性，揭示出EDXRF分析法適用于蒸發(fā)巖勘查及鉀鹽找礦項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、快速測(cè)定固體樣品元素組分含量。

表2　SKD2井主要蒸發(fā)巖層段巖性分布表Table2　The distribution of lithology in evaporite segment of well SKD2

表3　不同巖性的巖石中各元素含量統(tǒng)計(jì)表Table 3　The statistical table of elements content in different lithological rock

6　結(jié)論

通過比較鉀元素含量的現(xiàn)代常用分析技術(shù)，確定了EDXRF分析方法適合鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)K元素等的實(shí)施監(jiān)測(cè)，擴(kuò)展了該分析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)分析111件樣品的K、Ca、Mg、Sr、Br等20余種元素含量，揭示了江陵凹陷科探井（SKD2井）主要蒸發(fā)巖層段（327.1～437.7m）的地球化學(xué)特征及垂向變化規(guī)律。

分析與統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)巖屑的測(cè)試結(jié)果與蒸發(fā)巖系鹽類礦物成分的一致性較好，證明EDXRF分析法的測(cè)定結(jié)果有效性。解決了鹽巖和鉀鹽的易溶性和變化性導(dǎo)致的樣品不宜保存、室內(nèi)分析滯后的問題，可推廣應(yīng)用于蒸發(fā)巖勘查及鉀鹽找礦項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、快速測(cè)定固體、液體樣品元素組分。尤其在鉆探過程實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層，為停鉆取心提供可靠依據(jù)。

致謝：

感謝詹秀春研究員在現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)研發(fā)、數(shù)據(jù)整理分析等方面的精心指導(dǎo)，感謝劉成林研究員對(duì)論文提出的寶貴建議，感謝王春連博士提供鉆井巖心（屑）編錄等資料及提供野外便利的工作條件。樊興濤、石云峰、郭澍協(xié)助完成了樣品的采集、處理工作，張小梅完成了部分圖件的制作，在此表示誠(chéng)摯的感謝。

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Jiangling sag is a faulted basin that have broad area and rich mineral resources in Jianghan basin. Because of advantages such as high sensitivity， simple sample preparation， rapid analysis and so on， X ray fluorescence technology （XRF）， compared analysis technics for measuring evaporite， is appropriate for on-site analysis and can avoid influence by easy dissolubility and variability of rock salt and sylvite. Rock debris samples that existing -intervals （327.11-437.70m） o f ev aporite w ere c ollected in science exploration well （SKD2） in Jiangling sag and were measured by XRF. The result can be favourably compared with component of saline minerals of evaporite. The research and application of developing drilling monitoring technology can discover the target layer and can provide data support to drilling and coring. It is significance for prospecting potash evaporate in the future.

ON-SITE ANALYSIS FOR SCIENCE EXPLORATION WELL IN JIANGLING SAG AND APPLICATION

Jiao Ju
National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China

Jiangling sag，evaporite，prospecting technology，XRF，lithological distribution

TE244；O657.34

A

1006-5296（2016）03-0178-07

?中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“江陵鹽古近紀(jì)鹽盆地富鉀鹵水調(diào)查評(píng)價(jià)”（1212011085522）資助。

* 第一作者簡(jiǎn)介：焦距（1989～），男，分析化學(xué)專業(yè)，碩士研究生

2016-06-17；改回日期：2016-06-27