徐國(guó)盛,吳慶勛,孟昱璋,胡永宏,彭敬成,王憲剛,何曼如
(1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都理工大學(xué),四川成都 610059;2.邛崍市鴻豐鉀礦肥有限公司,四川成都 611541)
鉀是農(nóng)作物生長(zhǎng)所必須的三大元素之一,鉀鹽產(chǎn)品的最大用量在農(nóng)業(yè)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),同時(shí)又是嚴(yán)重缺鉀的國(guó)家。目前我國(guó)鉀肥產(chǎn)量只能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求的30%,已對(duì)我國(guó)的糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。2008年溫家寶總理批示:“建議有計(jì)劃有重點(diǎn)地對(duì)成鹽成鉀條件好的油氣區(qū),加強(qiáng)鉀鹽的勘查或復(fù)查工作”。我國(guó)采取了相關(guān)措施加快鉀硼等資源的探查,加強(qiáng)和周邊有資源儲(chǔ)量國(guó)家的合作開(kāi)發(fā),并大力支持油~鉀資源兼探[1、2]。
四川盆地是中國(guó)四大盆地之一,面積約十八萬(wàn)平方公里。盆周山地海拔多在1 000m~3 000m之間;盆底地勢(shì)低矮,海拔200m~750m,因?yàn)榈乇韽V泛出露侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)的紅色巖系,所以又稱(chēng)為紅色盆地。盆地內(nèi)有大量的探井,業(yè)已發(fā)現(xiàn)并證實(shí):三疊系下三疊統(tǒng)嘉陵江組和中三疊統(tǒng)雷口坡組為富鉀鹵水層[3~5]。
作者在本文將對(duì)四川盆地嘉陵江組重點(diǎn)含鹽層位進(jìn)行巖相古地理的恢復(fù),對(duì)嘉陵江組鹵水分布特征進(jìn)行分析,并預(yù)測(cè)與圈定富鹵中心和聚鉀中心。
沉積相是盆地形成、演化和消亡過(guò)程的歷史產(chǎn)物,既可反映相關(guān)地層和巖石類(lèi)型的形成條件,時(shí)空展布以及演化規(guī)律,也是分析沉積盆地性質(zhì)、構(gòu)造背景的依據(jù)。由于沉積相分析是進(jìn)行巖相古地理恢復(fù),富鉀鹵水儲(chǔ)層分布,預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ),所以它不僅決定了儲(chǔ)層的巖性特征和原生孔隙的發(fā)育,而且還影響儲(chǔ)層的成巖作用與孔隙演化。因此,沉積相分析不僅是富鉀鹵水儲(chǔ)層研究?jī)?nèi)容之一,也是有利儲(chǔ)鹵帶預(yù)測(cè)的重要依據(jù)。
據(jù)馬永生[6]等專(zhuān)家對(duì)全國(guó)、全川嘉陵江組沉積相研究可知:全國(guó)范圍內(nèi),西部由東向西,依次是龍門(mén)山陸緣海盆~巴顏喀拉海盆~甘孜理塘海盆,東部為浙贛湘前陸濁積盆地。即東西兩邊均為深水洋盆,中間為川鄂湘中上揚(yáng)子克拉通淺水盆地。就四川、重慶境內(nèi)而言,嘉陵江組是一個(gè)淺水碳酸鹽臺(tái)地沉積,其東部為宜昌~黔江~遵義開(kāi)闊臺(tái)地相,其西部主要為局限臺(tái)地相,局部夾蒸發(fā)臺(tái)地相,西南側(cè)因有康滇古陸,故出現(xiàn)宜賓~西昌海陸過(guò)渡相沉積物。
作者在本文中,利用鉆井、測(cè)井、錄井資料對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了單井沉積微相劃分。在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同地區(qū)剖面或鉆井之間的沉積相進(jìn)行了綜合對(duì)比,揭示出研究區(qū)不同時(shí)期沉積微相特征。
在下三疊統(tǒng)嘉陵江組縱向上,可分為五段及十一個(gè)亞段,各段、亞段間整合接觸,由海侵~海退序列沉積的白云巖、石灰?guī)r、石膏及鹽巖等,構(gòu)成二個(gè)主要沉積旋回,厚度約為600m~1 000m。為沉積早期第一個(gè)完整的旋回石灰?guī)r為海侵階段沉積石膏、白云巖夾石灰?guī)r,以海退沉積為主。為又一個(gè)完整的沉積旋回,石灰?guī)r為海侵階段沉積,石膏、白云巖夾石灰?guī)r以海退沉積為主(如圖1所示)。
根據(jù)區(qū)域大地構(gòu)造和巖相古地理背景分析,四川盆地嘉陵江組主要為碳酸鹽巖局限?!舭l(fā)臺(tái)地沉積體系,以局限海碳酸鹽巖與臺(tái)地蒸發(fā)巖(膏鹽巖)為沉積主體。在每一個(gè)沉積旋回中,都經(jīng)歷了海進(jìn)與高水位體系域的沉積。不同體系域沉積物截然不同,特別是高水位體系域又分早晚期,其沉積微環(huán)境的變化影響了礦產(chǎn)資源的分布。因此考慮到鹵水鹽巖層研究的需要,作者以體系域作為研究單元,將四川地區(qū)嘉陵江組主要?jiǎng)澐殖鋈齻€(gè)沉積相和多種亞相及其微相(如下頁(yè)表1所示)。
膏盆、鹽盆(或稱(chēng)膏、鹽質(zhì)瀉湖)在古地理位置上,處于局限海臺(tái)地~蒸發(fā)臺(tái)地的局部低凹地區(qū),水體循環(huán)差,蒸發(fā)作用強(qiáng),從而形成膏鹽沉積,層位上主要分布于晚期高水位體系域(LHST),如及部份地區(qū)的層位,即盆地內(nèi)重要的含鹽亞段。沉積物主要是灰色、灰白色及灰黑色厚層晶粒狀、泥晶粒狀及片狀、纖維狀硬石膏、石膏,常含云質(zhì)及泥質(zhì)而形成泥巖/膏質(zhì)條紋、條帶構(gòu)造或薄互層韻律。在垂向剖面結(jié)構(gòu)上,沉積物常表現(xiàn)為膏盆(石膏)/瀉湖(白云巖)韻律性互層的剖面結(jié)構(gòu)。從水體循環(huán)性及古地理位置上看,膏盆、鹽盆、瀉湖在本質(zhì)上并沒(méi)有很大的區(qū)別,它們往往是瀉湖在不同演化階段的表現(xiàn)形式。初期,在相對(duì)低凹處,形成以不含或少含底棲生物的泥晶灰?guī)r、白云巖等瀉湖沉積,隨著水體循環(huán)受限甚至閉塞,加之蒸發(fā)作用強(qiáng),便逐漸形成咸化瀉湖,沉積膏質(zhì)白云巖、泥云質(zhì)膏巖夾泥巖等,進(jìn)一步咸化,便形成了以石膏為主的膏盆沉積。如果水份繼續(xù)蒸發(fā)至90%以上,便有可能出現(xiàn)鹽巖及鉀鹽等。在這里,膏盆、鹽盆只是一種定性的名稱(chēng),在剖面上通過(guò)橫向?qū)Ρ?,把石膏連續(xù)沉積厚度較大的地區(qū)稱(chēng)膏盆,而厚度相對(duì)較小,且呈膏云巖互層的環(huán)境稱(chēng)之為膏盆邊緣相帶,把鹽巖連續(xù)沉積厚度較大的局部地區(qū)稱(chēng)為鹽盆。
圖1 四川盆地嘉陵江組綜合柱狀圖Fig.1 The comprehensive column of Jialingjiang formation in Sichuan basin
表1 四川盆地嘉陵江組沉積相及微相類(lèi)型劃分表Tab.1 Sedimentary facies and microfacies types of Jialingjiang formation in Sichuan basin
巖相古地理研究與編圖工作是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)地質(zhì)工作,其目的是通過(guò)研究沉積作用,重塑沉積環(huán)境,了解地質(zhì)歷史演變及構(gòu)造發(fā)育史,總結(jié)各時(shí)期的海陸變遷、古氣候變化、沉積區(qū)及剝蝕區(qū)的古自然地理景觀特征,分析在不同沉積環(huán)境下沉積物的特征及其分布規(guī)律,從而達(dá)到評(píng)價(jià)礦產(chǎn)資源,了解礦產(chǎn)規(guī)律和預(yù)測(cè)礦產(chǎn)遠(yuǎn)景之目的。作者結(jié)合前人區(qū)域性研究成果[7~15],在編制單井沉積相柱狀圖、地層厚度等值線圖等圖件的基礎(chǔ)之上,作者運(yùn)用沉積學(xué)基本原理及巖相古地理圖編制方法,首次對(duì)四川盆地下三疊統(tǒng)嘉陵江組九個(gè)儲(chǔ)層段進(jìn)行了巖相古地理的恢復(fù)。下面,作者將針對(duì)嘉陵江組四個(gè)重要含鹽亞段的巖相古地理圖,分析它們的分布特征及其演化歷程。
2.1.1 川東地區(qū)
川東地區(qū)相當(dāng)于第二層序早期高水位體系域(見(jiàn)下頁(yè)圖7)。海平面降低,海水變淺且封閉性增強(qiáng),但區(qū)內(nèi)沒(méi)有明顯的暴露剝蝕或風(fēng)化現(xiàn)象。表現(xiàn)在沉積物上,石膏較純且層厚或?qū)佣慰傮w厚度大,石膏/白云巖韻律厚度較大,巖性較單調(diào)。沉積厚度呈周邊薄,中部厚的格局,變化范圍10m~290m,平均40m。由于膏巖層在構(gòu)造形成時(shí)作為主要的滑脫及揉皺層系,因此沉積厚度失真較大,相鄰二口井厚度相差可達(dá)數(shù)十倍,這對(duì)恢復(fù)沉積環(huán)境起到限制和干擾作用。總體看來(lái),墊江~梁平~萬(wàn)州地區(qū)是膏盆的沉積中心,在其周?chē)植加袛?shù)個(gè)規(guī)模較小的膏盆,走向?yàn)楸睎|向,基本符合沉積~構(gòu)造格局。巖性在川東差別不大,以膏鹽巖為主夾薄層云巖或膏質(zhì)云巖,鹽巖主要發(fā)育在墊江~梁平~萬(wàn)州膏盆地周?chē)?,說(shuō)明在其周?chē)鸀楦臃忾]的小型凹陷。在川東南部底部石膏層之上有5m~10m的云巖,一般含有粒屑。
(1)膏盆。膏盆在川東中部,以大池干井~明月峽構(gòu)造帶之間為中心,沉積主體為石膏,夾有少許云巖薄層。石膏厚度較大,一般在60m以上,局部構(gòu)造T1j42底部石膏層之上有數(shù)米的鮞粒云巖分布。
(2)鹽盆。鹽盆與膏盆的區(qū)別,主要在于石膏層中間夾有鹽巖。從鹽巖沉積厚度看,川東西北部的雙石4井~七里28井(鹽巖40m)、云和廠~鐵山南(鹽巖20m~60m)、臥龍河~月東(鹽巖30m~50m)等鹽盆規(guī)模較大,其余鹽盆沉積厚度一般數(shù)米至十余米。鹽盆分布在膏盆的周邊,說(shuō)明鹽盆與膏盆之間存在地貌上的障壁,大潮期海水由膏盆進(jìn)入鹽盆,因此沉積條件比膏盆更為封閉。
(3)盆緣云膏坪(灘)。盆緣云膏坪(灘)主要分布在膏鹽盆周邊,沉積地貌相對(duì)較高,環(huán)境相對(duì)開(kāi)放,沉積物較薄,在石膏層中夾有數(shù)層云巖甚至灰?guī)r,部份地區(qū)發(fā)育鮞粒云巖,一般位于T1j42底部膏巖層之上。
2.1.2 川中地區(qū)
川中地區(qū)的地層沉積厚度為10m~40m。合川、龍女寺構(gòu)造區(qū)域?yàn)辂}盆沉積,其余地區(qū)為盆緣云膏坪沉積,主要巖性有石膏、鹽巖、白云質(zhì)石膏等。
2.1.3 川南地區(qū)
川南地區(qū)這個(gè)時(shí)段的部份地層已被剝蝕掉,盆緣云膏坪微相為主要沉積,在剝蝕線附近有一部份云坪微相,在付家廟構(gòu)造上還可見(jiàn)生物灘,地層沉積厚度為20m左右。
2.2.1 川東地區(qū)
川東地區(qū)相當(dāng)于第二層序高水位晚期(見(jiàn)圖8)。海平面降低,海水變淺且封閉性增強(qiáng),為局限封閉炎熱氣候條件下臺(tái)地蒸發(fā)巖相或蒸發(fā)潮坪相沉積。在區(qū)內(nèi),沒(méi)有明顯的暴露剝蝕或風(fēng)化現(xiàn)象。
在此地區(qū),沉積厚度呈周邊薄、中部厚的格局,變化范圍10m~260m,平均80m。與T1j42膏巖層相似,沉積厚度失真較大,這對(duì)恢復(fù)沉積環(huán)境有一定的影響??傮w看來(lái),沉積中心在川東中部,其周?chē)植加袛?shù)個(gè)規(guī)模較小的膏鹽盆。T1j44巖性在川東差別也不大,以膏鹽巖為主夾薄層云巖或膏質(zhì)云巖,鹽巖規(guī)模與厚度小于T1j42期,主要分布在高峰場(chǎng)~云安場(chǎng)~硐村、云和寨~鐵山、羅家寨、臥龍河、石寶寨、洋渡溪一帶。T1j44內(nèi)部夾有一到二層硅質(zhì)頁(yè)巖,呈高自然伽瑪尖峰,是區(qū)內(nèi)重要的對(duì)比標(biāo)志層及沉積等時(shí)面。在區(qū)內(nèi),主體沉積環(huán)境為臺(tái)地蒸發(fā)巖相,可細(xì)分為膏盆、鹽盆、盆緣云膏坪、膏云坪等微相環(huán)境。
(1)膏盆。膏盆在川東中西部,以大池干井~明月峽構(gòu)造帶之間為中心,沉積主體為石膏,夾有少許云巖薄層,石膏厚度較大,一般60m以上。
(2)鹽盆。鹽盆與膏盆的區(qū)別,主要在于石膏層中間夾有鹽巖。從鹽巖沉積厚度看,川東北羅家寨(35m)、高峰場(chǎng)~云安場(chǎng)(20m~50m)、鐵山~云和場(chǎng)(10m~30m)、臥龍河~月東(10m~30m)等鹽盆厚度較大,其余鹽盆鹽巖沉積厚度一般數(shù)米至十余米。鹽盆分布在膏盆的周邊,與期有一定的繼承性。
圖8 四川盆地嘉陵江組期巖相古地理圖Fig.8 The lithofacies-paleogeographic map of of Jialingjiang formation in Sichuan basin
(3)盆緣云膏坪。盆緣云膏坪主要分布在膏鹽盆周邊,沉積地貌相對(duì)較高,環(huán)境相對(duì)開(kāi)放,沉積物較薄,在石膏層中夾有數(shù)層云巖。膏云坪則主要為膏質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖夾石膏,部份地區(qū)也發(fā)育粒屑巖。
2.2.2 川中地區(qū)
川中地區(qū)地層沉積厚度為80m~120m,該時(shí)期發(fā)育膏盆、鹽盆、盆緣云膏坪等沉積微相。廣安構(gòu)造區(qū)發(fā)育鹽盆;磨溪構(gòu)造區(qū)發(fā)育膏盆,巖性主要有石膏、鹽巖、白云質(zhì)石膏等。
2.2.3 川南地區(qū)
川南地區(qū)地層沉積厚度為0m~60m,該時(shí)期主體相為盆緣云膏坪微相,主要巖性為白云質(zhì)石膏。
2.3.1 川東地區(qū)
2.3.2 川中地區(qū)
2.3.3 川南地區(qū)
圖9 四川盆地嘉陵江組T期巖相古地理圖Fig.9 The lithofacies-paleogeographic map of Tof Jialingjiang formation in Sichuan basin
圖10 四川盆地嘉陵江組T期巖相古地理圖Fig.10 The lithofacies-paleogeographic map of Tof Jialingjiang formation in Sichuan basin
作者利用單井鹵水層水化學(xué)分析數(shù)據(jù),以及重要的含鹽亞段巖相古地理的研究結(jié)果,對(duì)四川盆地嘉陵江組鹵水分布特征進(jìn)行分析,并根據(jù)富鉀鹵水的相關(guān)工業(yè)開(kāi)采指標(biāo)[16](見(jiàn)下頁(yè)表2),預(yù)測(cè)與圈定了富鹵中心和聚鉀中心(見(jiàn)下頁(yè)圖11),為四川盆地下三疊統(tǒng)嘉陵江組富鉀鹵水的勘探指明方向。
嘉陵江組鹽盆與聚鉀中心分布見(jiàn)下頁(yè)圖11,可以看出,鹽盆在平面上主要分布在四川盆地中部及東北部地區(qū),其內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造主要有川中的磨溪~龍女寺、潼南、廣安構(gòu)造,川東的臥龍河、龍門(mén)、高峰場(chǎng)構(gòu)造,川東北部的鐵山、黃金口、普光、通南巴構(gòu)造帶等。在縱向上,嘉陵江組鹽盆主要發(fā)育在嘉四2、嘉四4、嘉五1、嘉五2四個(gè)時(shí)期。其中,嘉四2期鹽盆最多,共十二個(gè),但分布較為零星,各鹽盆面積不大,其中面積最大的位于北部的通南巴構(gòu)造帶附近;嘉四4期鹽盆與嘉四2期具有一定的繼承性,發(fā)育位置變化不大,鹽盆個(gè)數(shù)有所減少(八個(gè)),但單個(gè)鹽盆的面積較嘉四2期有所增大,最大的鹽盆仍然分布在四川盆地北部邊緣;嘉五1期鹽盆發(fā)育較差,僅在川中磨溪構(gòu)造的西南部有所表現(xiàn);嘉五2期鹽盆發(fā)育較好,六個(gè)鹽盆連片分布,發(fā)育的位置與嘉四期相比差別不大,尤以川中樂(lè)至~廣安和川北巴中~通江鹽盆的面積最大。
因鉆探獲取的嘉陵江組鹵水層水化學(xué)分析數(shù)據(jù)(如后面表3所示),基本未將鈉和鉀含量分開(kāi),僅有二口井地層水有測(cè)鉀含量數(shù)據(jù)。首先,將鉀含量達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域圈定為聚鉀中心;然后將未明確鉀含量的井或鉀含量未達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的,而礦化度達(dá)到鹵水標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域圈定為富鹵中心。
嘉陵江組的聚鉀中心分布在川東北的宣漢~達(dá)州地區(qū),面積約為1 457.7km2。川25井鉀含量為25.96g/L,鈉含量為100.52g/L,礦化度為352.69g/L,鉀含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(3.24g/L),因此可以確定其所在的區(qū)域?yàn)榫垅浿行?。根?jù)搜集的嘉陵江組鹵水層水分析資料,盆地內(nèi)除川25井之外,磨溪構(gòu)造上有二口井—磨208井和磨160井也進(jìn)行了鉀含量的測(cè)試:鉀含量分別為0.77g/L和0.375g/L,均未達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但礦化度的值分別為95.94g/L和36.04g/L,已達(dá)到鹵水的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),溴的含量分別為0.36g/L和1.17g/L,已達(dá)到了相應(yīng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此,可將磨溪~龍女寺構(gòu)造帶圈定為富鹵中心,面積約為3 077.19km2,此富鹵中心具有溴資源的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景。
表2 富鉀鹵水工業(yè)開(kāi)采指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[16]Tab.2 The standard of rich potassium brine industrial production index
圖11 四川盆地嘉陵江組鹽盆與聚鉀中心分布圖Fig.11 The distribution of Salt basins and aggregate potash center of Jialingjiang formation in Sichuan basin
(1)下三疊統(tǒng)嘉陵江組在縱向上可分為五段十一個(gè)亞段,各段、亞段間整合接觸,由海侵~海退序列沉積的白云巖、石灰?guī)r、石膏及鹽巖等構(gòu)成二個(gè)主要沉積旋回。為沉積早期第一個(gè)完整的旋回,石灰?guī)r為海侵階段沉積,白云巖夾石灰?guī)r,以海退沉積為主。又一個(gè)完整的沉積旋回,石灰?guī)r為海侵階段沉積石膏、白云巖夾石灰?guī)r以海退沉積為主。
(2)膏盆、鹽盆(或稱(chēng)膏、鹽質(zhì)瀉湖)在古地理位置上處于局限海臺(tái)地~蒸發(fā)臺(tái)地的局部低凹地區(qū),水體循環(huán)差,蒸發(fā)作用強(qiáng),從而形成膏、鹽沉積,層位上主要分布于晚期高水位體系域(LHST)。其中,嘉陵江組鹽盆縱向上主要發(fā)育在四個(gè)時(shí)期。鹽盆在平面上主要分布在四川盆地中部及東北部地區(qū),其內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造主要有川中的磨溪~龍女寺、潼南、廣安構(gòu)造,川東的臥龍河、龍門(mén)、高峰場(chǎng)構(gòu)造,川東北部的鐵山、黃金口、普光、通南巴構(gòu)造帶等。
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(3)嘉陵江組的聚鉀中心分布在川東北的宣漢~達(dá)州地區(qū),面積約為1 457.7km2。而磨溪~龍女寺構(gòu)造帶圈定為富鹵中心,面積約為3 077.19km2,此富鹵中心具有溴資源的開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景。
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