淺談四川宣達(dá)盆地富鉀鹵水的成因

賈曉華，陳朝佳，張永松，李春林

(達(dá)州市恒成能源集團(tuán)有限公司，四川 達(dá)州 635000)

1 富鉀鹵水形成的背景條件

1.1 古地理環(huán)境

四川盆地古地理位于上揚(yáng)子臺地西北隅 ,早、中三疊世時(shí)，位置距來自東、南方向的海侵淡水補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，環(huán)境相對閉塞，在干旱氣候條件的配合下，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，水體濃度相對較高，盆地沉積陷幅度也相對較大，并具有范圍極大的石膏沉積區(qū)作為預(yù)備盆地，有利于成鹽作用進(jìn)行。在盆地東北部宣漢—達(dá)州地區(qū)地殼相對沉降，則形成高咸化成鹽環(huán)境，有鉀鎂鹽及富鉀鹵水產(chǎn)出，成為四川盆地固、液態(tài)鉀鹽礦遠(yuǎn)景最好的含鹽盆地之一。

1.2 古氣候條件

四川盆地早、中三疊在古緯度為 26°68′，與世界主要成鹽帶古緯度的統(tǒng)計(jì)資料基本吻合。古緯度控制了古氣候的基本特征。從成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所根據(jù)氧、碳同位素對盆地海相三疊系石灰?guī)r的溫度測算，四川盆地早、中三疊世的平均古溫度為34.6 ℃～36.9 ℃?？梢姰?dāng)時(shí)盆地古氣候干旱，有利T1j5-T2L1宣達(dá)鹽盆與外海聯(lián)系不暢的海水蒸發(fā)濃縮、形成石膏、石鹽及更高咸化的鉀鎂鹽沉積。

1.3 成鹽期后的地質(zhì)經(jīng)歷

盆地海相三疊系沉積后，至印支晚幕盆地整體上隆，海水全部退卻，并經(jīng)歷了不同程度古剝蝕，此后晚三疊世至中生代，盆地再次沉降，廣泛接受了5 000 m～6 000 m厚的內(nèi)陸湖沼砂泥巖沉積，三疊系含鹽系地層被深埋地腹，在上覆層的重荷及地?zé)崮艿淖饔孟? 鹽類沉積經(jīng)歷一個(gè)高溫、高壓的熱融水溶變質(zhì)改造,促成富鉀富礦鹵水的形成。

2 富鉀鹵水成因分析

地下鹵水通常有沉積型和溶濾型兩大成因類型，有疊加型和深源補(bǔ)給型。宣達(dá)鹽盆富鉀鹵水水溫為89 ℃，按四川盆地常年平均氣溫15 ℃計(jì)及盆地地溫梯度2.3 ℃/100 m推算，與該鹵水埋深3 300 m的地?zé)嵩鰷鼗鞠喈?dāng)，這無疑排除了該鹵水深源補(bǔ)給的可能性。既然該鹵水賦存于海相三疊系碳酸鹽—蒸發(fā)鹽巖系之中，則其形成當(dāng)與海水戚戚相關(guān)。但從富鉀鹵水化學(xué)組成含量特征來看，它與海水濃縮系列鹵水又有顯著差異，則其成因絕非單一的古海水蒸發(fā)濃縮的沉積鹵水。

2.1 沉積型

富鉀鹵水源于海成沉積水衍生而來，為深層地下鹵水。固體鉀鹽沉積是海水蒸發(fā)到末期才開始沉積的，海水蒸發(fā)到大概13%鹽度開始沉積石膏，隨后繼續(xù)蒸發(fā)到大概28%鹽度開始沉積石鹽，再繼續(xù)蒸發(fā)到33%鹽度才開始沉積高溶解度的鉀鹽。由于它在長期深埋封閉狀態(tài)下，由于溫度、壓力、溶液、生物等物理化學(xué)生物因素變化的影響，再經(jīng)歷多次復(fù)雜的改造，使原始沉積鹵水化學(xué)組分發(fā)生改變。富鉀鹵水中不僅僅K+濃度較高，且富含I-、Sr2+、Li+、B3+等組分。I-、Sr2+、Li+、B3+等組分是沉積水體中的穩(wěn)定組分，它必受鹵水蒸發(fā)濃縮發(fā)展和成巖后正向變質(zhì)作用影響，隨礦化度和變質(zhì)深度的升高而增高。

2.2 溶濾型

(1)如圖1所示，富鉀鹵水中的K·103/Cl和Br·103/Cl不協(xié)調(diào)對應(yīng)增高與固態(tài)鉀鹽礦溶濾有關(guān)。海水蒸發(fā)濃縮析出氯化物鹽時(shí)，溴并不形成獨(dú)立的礦物，而是以類質(zhì)同相的形式進(jìn)入氯化物鹽的晶格。由于溴在固、液相中的分配系數(shù)(比值)小于1，所以進(jìn)入固相的溴比留在液相中的溴要少。由此可見，富鉀鹵水K·103/Cl異常高，而Br·103/Cl顯著偏低，乃與固態(tài)鉀鹽礦的溶濾密切相關(guān)。

圖1 海水濃縮時(shí)K·103/Cl和Br·103/Cl關(guān)系圖Fig.1 The relationship diagram of K·103/Cl and Br·103/Cl for seawater concentration

(2)富鉀鹵水中Rb+的高異常是固態(tài)鉀鹽礦溶濾的又一佐證富鉀鹵水中的Rb+高達(dá)32.2 mg/L，較海水各濃縮階段顯著增高。Rb+和K+的離子半徑相近(分別為0.149 nm和0.133 nm), 地球化學(xué)習(xí)性相似。Rb+在自然界不形成獨(dú)立的礦物，而以類質(zhì)同相方式置換K+，進(jìn)入鉀鹽礦物晶格。因此，富鉀鹵水中Rb+的高異常K+的高含量同步，應(yīng)是固態(tài)鉀鹽礦溶濾的又一佐證。

3 富鉀鹵水形成機(jī)理

富鉀鹵水是在漫長的沉積、埋藏、成巖、溶濾等地質(zhì)歷史發(fā)展過程中逐漸演化形成的。它在長期深埋封閉狀態(tài)下，由于溫度、壓力、溶液、生物等物理化學(xué)生物因素變化的影響，再經(jīng)歷多次復(fù)雜的改造，使原始沉積鹵水化學(xué)組分發(fā)生改變，朝著深度變質(zhì)及高礦化度方向發(fā)展，并溶濾了固態(tài)鉀鹽，最終演化形成富鉀鹵水。

3.1 富鉀鹵水形成演化的深埋、成巖階段

富鉀鹵水為深層地下鹵水，其中深埋壓密是其發(fā)展經(jīng)歷中至關(guān)重要的方面，在上覆層的重荷下，各沉積層必然經(jīng)歷巖石被壓密，沉積水被擠出，蒸發(fā)巖結(jié)晶脫水的過程。一方面原始鹵水變質(zhì)作用不斷加深，對鹵水礦化度增高和穩(wěn)定組分的富集有著重要影響；另一方面使沉積層中的孔隙水被部分?jǐn)D出，鹽類結(jié)晶水也在高溫高壓下脫出，而這兩部分釋放出的水在運(yùn)移到巖層的儲層過程中，與鹽體接觸，將鹽體乃至鉀鹽體中的某些組分溶濾而轉(zhuǎn)移到沉積水體中，從而改變原始沉積水的化學(xué)成分。特別是鹽類物質(zhì)的地?zé)嶙冑|(zhì)脫水熔融，加強(qiáng)了鹽類的熱融和水溶變質(zhì)作用。使可溶鹽組分不斷轉(zhuǎn)入液相，乃至K+、Rb+的加入，使原始鹵水組成發(fā)生極大的改變，濃度增高，K+、Rb+含量增高，給富鉀鹵水提供鉀物質(zhì)的條件。

3.2 鹵水與圍巖的水—巖平衡作用及細(xì)菌作用

鹵水與圍巖的水—巖平衡作用及細(xì)菌作用使鹵水化學(xué)組分發(fā)生相應(yīng)改變，最為明顯的是碳酸鹽巖的白云巖化，使鹵水中Mg2+的含量減少，導(dǎo)致了鹵水的貧鎂。其化學(xué)反應(yīng)如下:

2CaCO3+Mg2+→CaMg(CO3)2↓+Ca2+

3.3 石膏的脫水熔融對富鉀鹵水形成產(chǎn)生巨大控制性影響

石膏和硬石膏在42 ℃時(shí)共存，高于此溫度沉淀硬石膏，在此溫度以下沉淀出石膏。宣達(dá)鹽盆硬石膏絕大部分源于潮上蒸發(fā)環(huán)境形成的石膏，由于長期處于深埋條件，在巨厚上覆層及高溫、高壓地?zé)崮艿淖饔孟?按宣達(dá)盆地地?zé)嵩鰷赜?jì)算, 地溫至少到達(dá)80 ℃～120 ℃，石膏發(fā)生脫水熔融轉(zhuǎn)化成硬石膏。宣達(dá)鹽盆硬石膏累厚10 m～40 m，其釋放出的水量十分驚人和龐大的?？扇茺}具有極強(qiáng)溶解能力的如此龐大水量，在向儲層轉(zhuǎn)移時(shí)，可導(dǎo)致鹽系或鹽盆中可溶鹽類乃至鉀鹽的溶解，必將對儲層水進(jìn)行改造，產(chǎn)生巨大的控制性影響，最終導(dǎo)致富鉀鹵水的形成。所以，石膏的脫水融溶作用對富鉀鹵水的形成產(chǎn)生巨大的控制影響。