四川盆地東部三疊系嘉陵江組海相鉀鹽成礦分析及靶區預測

朱正杰，楊鄭州，張 雄，劉成林,，趙艷軍，崔志偉

(1. 百色學院， 廣西 百色 533000； 2. 重慶地質礦產研究院外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室， 重慶 400042； 3. 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心， 重慶 400042； 4. 中國地質科學院 礦產資源研究所， 北京 100037)

鉀鹽礦主要用于制造工業用鉀化合物和鉀肥，其中95%的鉀鹽產品用于制造鉀肥，5%應用于工業。已有土壤普查資料顯示全國約70%的耕地缺鉀，45%的耕地嚴重缺鉀。我國已探明鉀鹽資源相對消費量乃杯水車薪，因此鉀鹽是我國緊缺的重要戰略資源，2018年我國鉀肥自給率僅為52.5%，需要大量進口(亓昭英等， 2019)。世界鉀鹽資源豐富，基礎儲量為100億噸，資源和產量集中在少數國家(如加拿大、俄羅斯等)。由于我國成鹽地質構造條件復雜，尋找固體海相鉀鹽礦床一直是中國礦床學界的一大難題(劉成林等， 2010， 2015； 劉成林， 2013； 董娟等， 2015)。四川盆地是我國重要的成鹽盆地，下三疊統嘉陵江組是我國鉀鹽礦產勘查的重點層位(蔡克勤等， 1986； 林耀庭等， 2003； 鄭綿平等， 2015； 劉成林等， 2016)。自上世紀60年代以來，原地質礦產部等在四川盆地開展了大量的找鉀攻關工作，如川東北地區下中三疊統固液相鉀鹽普查、四川盆地東部三疊系成鹽成鉀條件分析、四川盆地東部三疊系淺部鉀鹽普查、四川盆地早中三疊世成鉀條件研究及找鉀遠景評價等(林耀庭， 1995； 林耀庭等， 1998； 黃建國， 1998)，取得了一些進展，初步闡明了四川盆地三疊系海相鉀鹽的主要賦存層位、沉積環境、古地理以及各成鹽期的成鹽特征等，發現了雜鹵石及一些富鉀鹵水礦點，但始終沒有找到鉀石鹽等礦物，未能取得可溶性海相鉀鹽找鉀的實質性進展，從而引起了四川盆地三疊紀到底能不能成鉀的爭論。基于此，隨著新一輪找鉀工作的開展，并伴著新測試分析方法的應用(如陳莉瓊等， 2010； 王淑麗等， 2014； 陳安清等， 2015； 張研等， 2015； 趙艷軍等， 2015； 周家云等， 2015； 孫小虹等， 2016； 唐清敏等， 2018； 張雄等， 2018， 2019； Liuetal., 2018; Dingetal., 2019)，對四川盆地找鉀開展了大量研究，但一直存在是否能形成鉀鹽的爭議。四川盆地東部三疊紀發現的主要鉀鹽礦物為雜鹵石，自生雜鹵石是巖鹽濃縮形成鉀石鹽的重要過渡礦物；前期的研究主要集中在雜鹵石是否能作為鉀鹽利用，未對雜鹵石成因及其指示的鉀鹽靶區預測進行研究，本文基于項目組的研究基礎，主要采用光薄片鑒定、掃描電鏡、Sr同位素分析及精細的巖相古地理、大地電磁測深、地震資料解譯等手段，在分析雜鹵石來源(自生還是次生)的基礎上，通過詳細的次級凹陷圈定，分析了四川盆地東部鉀鹽成礦靶區，為深入開展鉆孔驗證提供了科學依據。

1 區域地質背景

四川盆地在早三疊世嘉陵江期總體為海退的環境下，形成了一套由碳酸鹽巖、石膏、巖鹽為主的膏鹽湖相和鹽湖相沉積。同時，武隆隆起、石柱隆起、華鎣山隆起和瀘州隆起的形成和發展，以及墊江鹽盆、萬縣鹽盆等的形成，為三疊紀形成規模巨大的鹽湖創造了有利條件(王淑麗等， 2014)(圖1)。中三疊世雷口坡期，受湖南運動的影響，瀘州-開江古隆起的明顯上升導致凹陷形成，沉積了百余米的巖鹽(蔡克勤等， 1986)。中三疊世末海水全部退出，盆地結束了海相沉積的歷史。

四川盆地東部面積較大的含鹽盆地為南充鹽盆和墊江鹽盆，墊江鹽盆成鉀條件相對較好(Liuetal., 2018)，本文主要分析墊江鹽盆的成鉀條件并圈定成鉀靶區。根據墊江鹽盆已有巖性的分析，可將含鹽系剖面自下而上分為3個成鹽旋回(Dingetal., 2019)，以長平3井為例，第1旋回： Ⅰ鹽層巖芯地層剖面由白云巖-硬石膏巖-石巖鹽組成，為灰白色、灰褐色硬石膏巖，淺灰色、灰褐色白云巖及黑灰色鹽質硬石膏巖；第2旋回：Ⅱ鹽層巖芯地層剖面結構為白云巖-硬石膏巖-石巖鹽-硬石膏巖-石巖鹽，其中夾有2個硬石膏薄層，并有5個石巖鹽層位含有硬石膏團塊或斑塊；第3旋回：Ⅲ鹽層巖芯地層剖面結構為白云巖-硬石膏巖-白云巖，其中硬石膏巖中夾有3層白云巖薄層，同時還夾有1個約2.35 m厚的含鹽硬石膏層。

圖 1 四川盆地墊江鹽盆構造位置及采樣位置圖(龔大興等， 2015)

2 樣品采集與實驗方法

2.1 樣品采集

巖鹽樣品(圖2)采集主要來自四川盆地東部墊江鹽盆已有的巖鹽鉆孔，主要為長平3井、高探1井和興鹽1井(圖1)。鉆孔巖芯采樣法為劈芯法，施工單位沿礦芯長軸方向用劈樣機劈取1/2樣品，項目組在施工單位采取1/2樣品基礎上再采取一半樣品。本次主要對重點含鹽段按照15～20 cm間隔連續采樣，樣品采集后存放于自封袋中，密封袋口，以免巖鹽過多暴露在空氣中融化。

2.2 實驗方法

基于前期對已有的巖鹽鉆孔樣品進行的化學分析等測試(張雄等， 2018)，本次光薄片鑒定、掃描電鏡樣品采自長平3井、高探1井、興鹽1井。在國土資源部重慶礦產資源監督檢測中心利用帶能譜的高分辨率掃描電鏡對巖鹽中的礦物進行形貌觀察，加速電壓為20 kV，儀器型號Energy+JSM6610LV，分析精度為0.01%。

Sr同位素分析樣品主要為長平3井。Sr同位素分析在澳大利亞昆仕蘭大學完成，具體步驟為稱取0.1～1.0 g巖鹽樣品，置于聚四氟乙烯封閉容器中，直接用水浸取，利用陽離子交換法分離Rb和Sr，采用ISOPROBE-T熱電離質譜計(TIMS)進行分析。

地震及鉆井資料主要來源于中石油、中石化等在墊江鹽盆已開展的油氣鉆孔(圖1)，收集測線編號為：2008WXS001(AA′)、2008WXS005(BB′)、2008WXS008(CC′)、wlht500，鉆井為 wo132、wo54。首先開展地震資料品質評價，在此基礎上從已知井出發，通過井震結合，開展層位解釋。大地電磁測量采用加拿大PHOENIX(鳳凰)公司生產的V5-2000大地電磁觀測系統中的MTU-5A及MTU-2EA系列，測點布設主要采用手持GPS定點、森林羅盤+測繩布極的測地方式，測量精度能夠滿足大地電磁測深的技術規程要求，探測目標層深度3 000 m左右。

圖 2 典型的巖鹽照片

3 結果與分析

3.1 墊江鹽盆T1j4-2期沉積相特征

四川盆地三疊紀主要的成鹽期為嘉二2(T1j2-2)、嘉四2(T1j4-2)、嘉五2～雷一1(T1j5-2～T2l1-1)、雷一3(T2l1-3)、雷三2(T2l3-2)和雷四2(T2l4-2)等，前人(劉成林等， 2016； 張雄等， 2018)分析認為T1j4-2段具備較大的成鉀潛力。通過野外調查，結合對四川盆地東部墊江鹽盆已有油氣、巖鹽鉆孔的分析(龔大興等， 2015)，總結了四川盆地東部墊江鹽盆T1j4-2期的沉積相特征。T1j4-2期四川盆地東部以長壽墊江鹽盆、萬縣鹽盆及宣漢鹽盆面積較大，縱向上咸化持續時間較長。長壽雙龍、渠縣北東水口場一帶見有賦存于石巖鹽中的雜鹵石層，在長壽雙龍長平3井中發現有少量鉀石鹽，暗示其屬于小的沉積咸化中心(圖3)，可能是次級凹陷的存在。

3.2 巖鹽礦物學特征及雜鹵石成因

X衍射、光薄片鑒定及掃描電鏡結果顯示四川盆地東部墊江鹽盆三疊系含鉀巖鹽層礦物物質成分較單一，主要為石鹽、硬石膏、雜鹵石等(圖4)，并含少量鉀石鹽礦物。

雜鹵石主要集中在嘉陵江組四段二亞段(T1j4-2期)的上部。雜鹵石巖按其在剖面上的巖類組合和賦存特征，主要有層狀及層紋狀雜鹵石、賦存在巖鹽中的雜鹵石及浸染狀雜鹵石，這3種雜鹵石以層狀及層紋狀為主。層狀雜鹵石結構均勻，鏡下結構多呈顯微粒狀-微粒狀結構、纖維放射狀結構、不等粒結構；浸染狀雜鹵石在硬石膏中呈浸染狀、斑點狀、斑塊、團塊狀等不定形分布，與圍巖硬石膏接觸界面不清晰，呈過渡關系，成分不純，與硬石膏呈過渡巖類，兩者相對含量不定，互相穿插，界限不甚清楚，礦物結構雜亂，主要呈柱狀、板狀、雙晶較發育，與硬石膏呈港灣狀接觸，可見硬石膏的交代殘余現象。

墊江鹽盆早三疊世時期的雜鹵石主要分布在石鹽中，多呈薄層、條帶、團塊、細小斑點分布，細粒狀結構，正交偏光下干涉色可達二級藍，掃描電鏡下主要為長柱狀、針狀或放射狀集合體，結晶程度好，自形程度高，具有均勻的原生柱狀和板狀結構(圖5)，具原生雜鹵石特征。

圖 3 長壽雙龍地區T1j4-2成鹽期沉積相示意圖

圖 5 長平3井層狀雜鹵石掃描電鏡圖

3.3 巖鹽Sr同位素特征

長壽地區長平3井巖鹽樣品87Sr/86Sr值為0.708 151～0.708 286，平均值為0.708 201，Sr同位素值變化較小，分布較為均一。

Sr同位素能有效追蹤物質來源(Palmer and Edmond, 1989; Capoetal., 1998)。通過測定，發現長平3井鉀含量較高樣品Sr同位素組成與早三疊世海水87Sr/86Sr值變化范圍[0.708 176～0.708 299，黃思靜等(2011)]基本一致(圖6)，說明巖鹽和雜鹵石等的形成主要與海水有關，是海水高度濃縮的產物。因此，原生雜鹵石接近了鹽湖的濃縮中心，可以作為找鉀的重要指示性礦物。

圖 6 四川盆地東部嘉陵江組巖鹽樣品鍶同位素組成與全球海水鍶同位素組成對比圖(數據引自Song et al.， 2015)

4 討論

4.1 四川盆地東部成鉀條件分析

前人已經從不同角度對四川盆地東部三疊紀鉀鹽成鉀潛力進行了分析(劉成林等， 2016； 張雄等2018； 唐清敏等， 2018)，如長平3井整個巖鹽段石鹽的Br/Cl值為0.06～5.49，平均0.51，表明在嘉四期古鹵水濃縮達到了鉀鎂鹽析出沉積階段，具備成鉀條件。長平3井巖鹽Cl同位素值全部落于鉀石鹽和光鹵石區域，表明三疊紀嘉陵江期，巖鹽沉積時古鹵水已達到鉀石鹽析出階段。巖鹽化學成分分析顯示K+含量在0.02%～3.82%之間，平均值為0.53%，有10 m左右的巖鹽層達到鉀鹽邊界品位要求，最高含量達到鉀鹽工業品位要求，暗示其成鉀條件較好，具備較大成鉀潛力。

結合本文所觀測的巖鹽礦物學特征、雜鹵石成因以及Sr同位素結果，認為四川盆地東部墊江鹽盆巖鹽層中賦存的雜鹵石是自生的，是海水高度濃縮的產物，具備重要的找鉀指示意義，四川盆地東部具備尋找海相鉀鹽的良好條件。

4.2 海相鉀鹽成礦預測及靶區圈定

可溶性鉀鹽是蒸發巖濃縮的最終產物，與鹽盆中的次級凹陷密切相關，次級凹陷是鉀鹽形成和保存的重要部位(Liuetal., 2018)。

利用大地電磁測深(MT)資料推斷地層結構，通過對工作區地層結構的空間展布特征分析，編制了MT推斷三疊系嘉陵江組次級凹陷圖(圖7)。從圖中可以看出，三疊系嘉陵江組四段地層底部發育2處較為明顯的次級凹陷。 Ⅰ號次級凹陷位于墊江鹽盆北部，底界中心埋深約-3 050 m，面積約6.4 km2，結合地質資料推斷該凹陷區是由菩提山向明月峽背斜東南翼、斜北傾末端、梁平向斜南傾末端以、丹渡背斜北傾末端以及臥龍河背斜南傾末端共同圍陷形成； Ⅱ號次級凹陷位于墊江鹽盆東南部，中心埋深約-2 670 m，面積約5.8 km2，結合地質資料推斷該凹陷區是由丹渡背斜北傾末端、臥龍河背斜南傾末端、焦家場向斜北傾末端及雙龍背斜西北翼共同圍陷形成，與地震解譯資料推測的次級凹陷位置是一致的(圖8)。

墊江鹽盆三疊系嘉陵江-雷口坡期沉積相顯示其在三疊系嘉陵江組四段-雷口坡組一段時期均為鹽湖相和鹽湖中心相，墊江鹽盆在該時期為四川盆地濃縮中心之一。結合區內巖鹽厚度分布特征、剩余重力異常特征、大地電磁測深及地震解譯結果推測，墊江鹽盆三疊系嘉陵江晚期可能存在有利于鉀鹽成礦的次級凹陷，凹陷位于長壽雙龍-合興一帶和墊江董家場一帶。

從鉀鹽成礦的物源-構造-氣候三端員來看，四川盆地東部早三疊世物質來源主要為海水，物源條件是優越的。早三疊世，上揚子臺地處于18°～26°之間，屬于有利成鉀的副熱帶高壓帶氣候區(萬天豐等， 2007)。流體包裹體測溫表明早三疊世四川盆地東部古氣溫較高 (汪明泉等， 2015)，鹽湖鹵水發生了高強度蒸發濃縮，高溫可能導致了極端干旱氣候，在氣候條件上滿足鉀鹽濃縮成礦條件。早中三疊世時期瀘州-開江古隆起的形成，對四川盆地東部鹽盆形成封閉條件提供了重要基礎。古隆起相對周緣地形較高，其內部及邊緣發育的小鹽洼(如長壽雙龍地區)由于其水淺、盆小、蒸發速率快，有利于鹵水濃縮，形成次級凹陷，同時四川盆地存在數量較多的構造圈閉，因此在構造上也滿足了鉀鹽形成的條件。綜上，四川盆地東部早三疊世時期具備良好的“物源-構造-氣候”端員耦合，成鉀潛力較好，進而進一步圈定了勘查靶區。

圖 7 MT推斷次級凹陷位置圖

圖 8 AA′剖面次級凹陷的圈定

根據已獲得的鉆孔資料、巖鹽資料、地球化學分析成果及巖鹽同位素分析等，可以圈定鉀鹽成礦遠景區，根據成礦條件優越程度、已知礦化程度、成礦信息豐富程度、礦產工作程度進行靶區圈定。大地電磁測深、地震解譯等資料顯示區內次級凹陷位置與古鹽湖中心位置能夠較好地重疊，且在鹽湖中心邊緣的長平3井中發現了大量原生雜鹵石礦物和少量鉀石鹽礦物，化學成分分析顯示長平3井巖鹽中K+最高含量得到3.78%(張雄等， 2018)，證實了較大的成鉀潛力，巖鹽化學成分、Br/Cl值、Cl同位素、光薄片鑒定、掃描電鏡等分析認為長壽地區嘉四段四二亞段達到到鉀鎂鹽析出階段，初步圈定長壽雙龍-保合村一帶勘查靶區(圖9)。利用圈定的靶區和K含量計算了鉀鹽資源量，其中達到邊界品位的礦石總資源量9 889萬噸，折算KCl資源量達到336萬噸；達到綜合利用品位的礦石總資源量46 456萬噸，折算KCl資源量達到849萬噸。

圖 9 墊江鹽盆圈定的鉀鹽找礦靶區圖

5 結論

(1) 光薄片鑒定、掃描電鏡及Sr同位素等結果指示四川盆地東部早三疊世嘉陵江期賦存于巖鹽中的雜鹵石主要是自生成因的，是海水高度濃縮的產物，暗示該地區巖鹽沉積時古鹵水已經達到或接近鉀鹽析出階段，原生雜鹵石可以作為找鉀的重要指示性礦物。

(2) 地震解譯、大地電磁測深等地球物理手段明確了墊江鹽盆存在次級凹陷，主要位于長壽合興一帶和墊江董家場一帶。

(3) 原生雜鹵石分布特征、溴含量、溴氯系數(Br/Cl值)、巖鹽厚度、巖鹽頂板埋深、K+含量、古構造以及地球物理特征等指標圈定了長壽雙龍地區成鉀靶區，并進行了資源量預測，為下一步開展鉆孔驗證提供了科學依據。