川東北宣漢地區(qū)雷口坡組元素地球化學(xué)特征及其意義

秦騏瑞 徐爭(zhēng)啟 柏勇 楊凱 陳歡

摘 要：本文以川東北宣漢地區(qū)某鉆孔為依托，以雷口坡組為研究對(duì)象，對(duì)采集的巖心和巖屑樣品進(jìn)行分析測(cè)試，通過微量元素地球化學(xué)特征及元素比值研究，探討雷口坡組沉積時(shí)的鹽度及古氣候環(huán)境。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：雷口坡組元素的變化范圍很大，其中Co、Cr、Mo、Sr、Nb、Zr含量較高，顯著高于一般碳酸鹽巖中的平均值，也高于地殼平均值，Mn元素含量很低;樣品的Sr/Ba比值和Sr豐度值表明，研究區(qū)在雷口坡組沉積期間處于高鹽度環(huán)境，從下向上逐漸淡化;根據(jù)Sr/Ca，Mn/Fe，Mg/Ca，Al2O3/MgO多種元素的比值特征推測(cè)當(dāng)時(shí)的沉積古氣候?yàn)閺?qiáng)干熱蒸發(fā)氣候;利用V，Cr，Ni氧化還原敏感元素重構(gòu)當(dāng)時(shí)的氧化還原狀態(tài)，結(jié)果顯示沉積環(huán)境為氧化環(huán)境。

關(guān)鍵詞：地球化學(xué)特征;雷口坡組;古環(huán)境

中圖分類號(hào)：P618.13;P595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0081-05

Characteristics of Trace Elements in the Triassic potassium-rich Brine Reservoirs in the Xuanhan Area， Eastern Sichuan， and Their Relationship with Paleogeographic Changes

Abstract： Based on a borehole in Xuanhan area， northeastern Sichuan Province， and taking Leikoupo Formation as the research object， the core and cuttings samples collected were analyzed and tested. The salinity and paleoclimatic environment of Leikoupo Formation were discussed through the study of trace element geochemistry and element ratio. The results show that the elements of Leikoupo Formation vary widely， in which the contents of Co， Cr， Mo， Sr， Nb and Zr are higher， significantly higher than the average values of carbonate rocks， and higher than the average values of the crust， while the contents of Mn are very low. The Sr/Ba ratio and Sr abundance of the samples indicate that the study area is in a high salinity environment during the deposition of Leikoupo Formation and gradually desalinates from the bottom to the top， according to Sr/Ca， Mn. / The ratio characteristics of Fe， Mg/Ca， Al2O3/MgO elements suggest that the sedimentary paleoclimate at that time was a strong dry-hot evaporation climate， and the redox state was reconstructed by using V， Cr and Ni redox sensitive elements. The results show that the sedimentary environment was an oxidation environment.

Keywords： geochemical characteristics;Leikoupo Formation;paleoenvironment

鉀鹽是保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定與安全的重要資源。但目前，我國(guó)鉀鹽資源嚴(yán)重不足，需大量依賴進(jìn)口。根據(jù)中國(guó)化肥網(wǎng)數(shù)據(jù)可知，我國(guó)每年鉀鹽進(jìn)口量在500萬(wàn)t左右。鉀鹽資源分為固體鉀鹽和液態(tài)鉀鹽，液態(tài)鉀鹽主要為富鉀鹵水和鹽湖水。四川盆地是富鉀鹵水的重要儲(chǔ)存地區(qū)，主要賦存于三疊系嘉陵江組和雷口坡組。從前人對(duì)四川地區(qū)富鉀鹵水的研究可知，四川盆地是成鉀十分有利的地區(qū)[1-7]。富鉀鹵水的形成不僅僅只是單純的海水濃縮，還有對(duì)其儲(chǔ)層以及運(yùn)移條件的要求。前人對(duì)富鉀鹵水研究較多，對(duì)鹵水儲(chǔ)層的研究相對(duì)較少。加強(qiáng)對(duì)富鉀鹵水儲(chǔ)層的研究，對(duì)揭示富鉀鹵水的形成過程、進(jìn)而確定找鉀靶區(qū)有著十分重要的意義。

本文以川東北宣漢地區(qū)某鉆孔為研究對(duì)象，采集鉆孔雷口坡組巖芯和巖屑樣品，對(duì)雷口坡組鹵水儲(chǔ)層的微量元素特征進(jìn)行研究，通過元素及比值特征，揭示雷口坡組的形成條件，探討儲(chǔ)層與富鉀鹵水的關(guān)系，以期為四川盆地富鉀鹵水富集規(guī)律、鉀資源的勘查和評(píng)價(jià)提供參考。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子地塊的西北部，西以青藏高原東緣的松潘-甘孜褶皺帶和龍門山?jīng)_斷帶為界，北以秦嶺造山帶南緣的米倉(cāng)山穹隆和大巴山?jīng)_斷帶為界，東側(cè)為華南造山帶外緣的雪峰隆起和黔渝湘鄂褶皺帶，整體呈現(xiàn)出長(zhǎng)軸沿北東方向展布的菱形外貌。川東地區(qū)指的是華鎣山斷裂以東、七曜山-大婁山斷裂帶以西區(qū)域。本文的主要研究區(qū)在盆地東北部。

川東地區(qū)以結(jié)晶基底和褶皺基底構(gòu)成雙基底為特征，發(fā)育一系列背斜和向斜相間的侏羅山式褶皺及相關(guān)逆沖疊瓦推覆構(gòu)造，為揚(yáng)子板塊西部重要的板內(nèi)變形，其中發(fā)育的斷裂、褶皺及其總體構(gòu)造形變特征等對(duì)鹵水的富集有著極為密切的關(guān)系[4-8]。宣漢地區(qū)地腹地層可以分為三個(gè)相互差異、相互獨(dú)立構(gòu)造層，其巖性組合為碳酸鹽巖與蒸發(fā)巖，硬石膏互層。

綜合前人研究[1-3]，雷口坡組巖性特征主要為四川盆地海相沉積及地臺(tái)發(fā)展階段的最后一套沉積蓋層，為一套石灰?guī)r、白云巖、泥頁(yè)巖及石膏沉積，縱向可分五段。研究區(qū)雷口坡組發(fā)育一至三段，四、五段缺失，與下伏地層嘉陵江組平行不整合接觸。在研究鉆孔中雷一段在3 458～3 480m夾有厚度約為3～10m的鹽巖，為鹽度不正常（鹽度較高）-蒸發(fā)較強(qiáng)環(huán)境下的產(chǎn)物，雜鹵石豐富。巖石結(jié)構(gòu)有粒屑結(jié)構(gòu)、泥-微晶結(jié)構(gòu)等，其他沉積構(gòu)造少見。

2 樣品采集與分析測(cè)試

本次研究以近年來某新施工鉆孔揭露的雷口坡組為對(duì)象，采集巖心和巖屑樣品。該孔從上到下的巖性見圖1，采樣避開了方解石脈、黃鐵礦晶體和重結(jié)晶部位，沿鉆孔剖面上連續(xù)采樣42個(gè);巖屑樣品，同樣控制巖性層位的變化，連續(xù)采樣28個(gè)。共測(cè)試樣品70個(gè)。

將樣品預(yù)先研磨成粉末，過200目篩。樣品由中國(guó)冶金總局第一地質(zhì)勘查院測(cè)試中心進(jìn)行分析，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在ME-MS61電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）上進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果經(jīng)過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD質(zhì)量控制，相對(duì)誤差<0.1。

測(cè)試結(jié)果見表1。

<C：＼Users＼hnkj＼Desktop＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第02期_103618＼Image＼image1_2.jpeg>[2 900][3 000][3 100][3 300][3 300][3 400][3 500][42][24][4][系][組][段][深度（m）][巖心巖性][三段][二段][一段][三疊系][雷口坡組][樣品個(gè)數(shù)（個(gè)）][二亞段為泥質(zhì)灰?guī)r含石膏][一亞段為灰色白云質(zhì)灰?guī)r][一亞段為深灰色白云質(zhì)灰?guī)r，夾石膏][灰色灰質(zhì)白云巖夾石膏層][灰黑色微晶白云巖夾石膏][深灰色微晶白云巖夾

3 元素地球化學(xué)特征及其意義

3.1 元素總體特征

由表1研究可知，川東北宣漢地區(qū)鉆孔巖心及巖屑樣品中元素的變化范圍很大，部分元素甚至超過100倍。其中，Co、Cr、Mo、Sr、Nb、Zr含量較高，Mn元素含量較低;含量較高的Co、Cr、Mo、Sr、Nb、Zr顯著高于一般碳酸鹽巖中的平均值，其平均值在雷口坡組二段達(dá)到最高水平，元素的高峰值在雷二段的YX601-12樣品和雷二段與雷三段分界的ZK601-3樣品?？傮w上而言，微量元素隨深度的變化較為相似，相關(guān)性較好，雷口坡組微量元素含量從下到上呈上升趨勢(shì)（見圖2）。Co、Cr、Mo、Sr、Nb、Zr元素在雷口坡組一段到二段是一個(gè)上升的趨勢(shì)，二段到三段有略微的下降，在一段中部有一個(gè)高的旋回，在雷口坡二段，微量元素迅速升高，在雷口坡三段中部下降，形成另一個(gè)旋回，且第二個(gè)旋回的值顯著大于第一次變化。

3.2 元素對(duì)古鹽度的指示

采用Sr/Ba比值法和Sr豐度值對(duì)研究區(qū)雷口坡組沉積時(shí)的古鹽度進(jìn)行示蹤。含Sr化合物的溶解度比Ba高，當(dāng)介質(zhì)鹽度逐漸升高時(shí)，Ba會(huì)以BaSO4沉淀析出，鹽度繼續(xù)升高到某一程度后，Sr會(huì)以SrSO4沉淀析出[9，10]。因此，Sr豐度和Sr/Ba比值可以用來確定水體古鹽度。一般來說，Sr/Ba比值在淡水沉積物中小于0.6，而海相（鹽湖）沉積物則大于1，半咸水為0.6～1[11]。宣漢地區(qū)雷口坡組Sr/Ba比值及Sr元素豐度結(jié)果見表2。從表2來看，整個(gè)雷口坡組是鹽湖沉積形態(tài)，古鹽度極高，雷一段為富鉀鹵水主要賦存區(qū)，比值相對(duì)最高，均值高達(dá)普通海相沉積比值80倍，從雷口坡一段到三段比值在減小，是一個(gè)鹽湖淡化的過程。Sr元素豐度值在雷口坡組一直處于一個(gè)較高的狀態(tài)，說明雷口坡組沉積整個(gè)時(shí)期都相對(duì)高度咸化，可能氣候較為干旱環(huán)境，但是具有從濃縮向淡化演變的趨勢(shì)。

3.3 元素對(duì)古氣候的指示

根據(jù)元素的比值特征推測(cè)當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境古氣候[13，14]。本文選擇Sr/Cu、Sr/Ca、Mn/Fe、Mg/Ca、Al2O3/MgO進(jìn)行古氣候干濕程度的判斷。

3.3.1 Sr/Cu值。Sr/Cu比值是判別古氣候的靈敏標(biāo)志。一般在海相沉積中，其比值為1～10時(shí)，指示成巖條件為濕潤(rùn)氣候，而當(dāng)Sr/Cu值大于10時(shí)，為干旱氣候[9，14]。研究區(qū)雷口坡組Sr/Cu比值為10.6～856.76（見表3和圖3），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于干旱氣候的界限，表明該地區(qū)當(dāng)時(shí)在部分時(shí)期處于一種強(qiáng)干旱蒸發(fā)環(huán)境。

3.3.2 Sr/Ca、Mn/Fe、Mg/Ca、Al2O3/MgO值。水體中碳酸鹽溶解相對(duì)低，比含Sr鹽類更早析出，因此，在氣候干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈時(shí)，其比值明顯上升;而比值下降，則表明氣候相對(duì)濕潤(rùn)。同樣的，Mn在干旱環(huán)境下含量較高，而Fe在潮濕環(huán)境以Fe（OH）3膠體沉淀，所以Mn/Fe比值高指示干熱氣候，比值低指示潮濕氣候;Mg/Ca比值高指示干旱氣候，比值低指示潮濕氣候[12]。Al2O3/MgO比值大小與前面三個(gè)比值呈負(fù)相關(guān)，比值越大，則是潮濕氣候;比值越小，則表明干熱氣候[9]。

圖4為四個(gè)比值隨深度變化圖。從圖4可知，雷一段至雷三段，Sr/Ca、Mn/Fe、Mg/Ca比值呈階梯式下降的趨勢(shì)，Al2O3/MgO比值正好相反，是階梯式上升關(guān)系。雖然整體上是處于一種強(qiáng)干旱環(huán)境，但有由干旱向相對(duì)潮濕轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)也和古鹽度的變化趨勢(shì)相吻合。

3.4 元素對(duì)古環(huán)境的指示

利用V、Cr、Ni是氧化還原敏感元素，V易于在氧化環(huán)境下吸附富集，Ni則在還原條件下富集的特性，可以用其比值來重構(gòu)當(dāng)時(shí)的氧化還原的狀態(tài)[15]，采用V/Cr和V/（V+Ni）兩種比值進(jìn)行氧化還原環(huán)境的判斷，比值區(qū)間見表4。

研究區(qū)V/Cr和V/（V+Ni）的比值如圖5和圖6所示。從圖上可以看出，V/Cr值最高為1.9，小于2，V/（V+Ni）值僅有7個(gè)樣品超過0.45，所以整體上宣漢雷口坡組沉積環(huán)境是一個(gè)富氧環(huán)境為主，即氧化環(huán)境。

3.5 雷口坡組與富鉀鹵水關(guān)系

綜上所述，雷口坡組處于一個(gè)強(qiáng)烈干旱蒸發(fā)氧化環(huán)境，這種環(huán)境對(duì)富鉀鹵水的形成有著至關(guān)重要的作用。鹵水的形成是一種海水的高度濃縮，而只有在強(qiáng)干旱蒸發(fā)環(huán)境中才能發(fā)生這個(gè)高度濃縮的情況，使得水中K+離子含量升高而形成含鉀鹵水。同時(shí)，后期的熱液改造使得固相鉀鹽（雜鹵石等）溶濾，使得液相K元素含量再度升高形成富鉀鹵水。因此，雷口坡組海相干旱蒸發(fā)的氧化環(huán)境是能夠指示富鉀鹵水的勘探方向。

4 結(jié)論

宣漢地區(qū)雷口坡組微量元素含量由下向上呈陡坡式上升，表明雷口坡組處于一個(gè)地殼抬升的過程。雷口坡組海相中干旱蒸發(fā)的氧化環(huán)境對(duì)富鉀鹵水的形成具有重要的意義。

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