浅谈四川宣达盆地富钾卤水的成因

贾晓华，陈朝佳，张永松，李春林

(达州市恒成能源集团有限公司，四川 达州 635000)

1 富钾卤水形成的背景条件

1.1 古地理环境

四川盆地古地理位于上扬子台地西北隅 ,早、中三叠世时，位置距来自东、南方向的海侵淡水补给源较远，环境相对闭塞，在干旱气候条件的配合下，蒸发作用强烈，水体浓度相对较高，盆地沉积陷幅度也相对较大，并具有范围极大的石膏沉积区作为预备盆地，有利于成盐作用进行。在盆地东北部宣汉—达州地区地壳相对沉降，则形成高咸化成盐环境，有钾镁盐及富钾卤水产出，成为四川盆地固、液态钾盐矿远景最好的含盐盆地之一。

1.2 古气候条件

四川盆地早、中三叠在古纬度为 26°68′，与世界主要成盐带古纬度的统计资料基本吻合。古纬度控制了古气候的基本特征。从成都地质矿产研究所根据氧、碳同位素对盆地海相三叠系石灰岩的温度测算，四川盆地早、中三叠世的平均古温度为34.6 ℃～36.9 ℃。可见当时盆地古气候干旱，有利T1j5-T2L1宣达盐盆与外海联系不畅的海水蒸发浓缩、形成石膏、石盐及更高咸化的钾镁盐沉积。

1.3 成盐期后的地质经历

盆地海相三叠系沉积后，至印支晚幕盆地整体上隆，海水全部退却，并经历了不同程度古剥蚀，此后晚三叠世至中生代，盆地再次沉降，广泛接受了5 000 m～6 000 m厚的内陆湖沼砂泥岩沉积，三叠系含盐系地层被深埋地腹，在上覆层的重荷及地热能的作用下, 盐类沉积经历一个高温、高压的热融水溶变质改造,促成富钾富矿卤水的形成。

2 富钾卤水成因分析

地下卤水通常有沉积型和溶滤型两大成因类型，有叠加型和深源补给型。宣达盐盆富钾卤水水温为89 ℃，按四川盆地常年平均气温15 ℃计及盆地地温梯度2.3 ℃/100 m推算，与该卤水埋深3 300 m的地热增温基本相当，这无疑排除了该卤水深源补给的可能性。既然该卤水赋存于海相三叠系碳酸盐—蒸发盐岩系之中，则其形成当与海水戚戚相关。但从富钾卤水化学组成含量特征来看，它与海水浓缩系列卤水又有显著差异，则其成因绝非单一的古海水蒸发浓缩的沉积卤水。

2.1 沉积型

富钾卤水源于海成沉积水衍生而来，为深层地下卤水。固体钾盐沉积是海水蒸发到末期才开始沉积的，海水蒸发到大概13%盐度开始沉积石膏，随后继续蒸发到大概28%盐度开始沉积石盐，再继续蒸发到33%盐度才开始沉积高溶解度的钾盐。由于它在长期深埋封闭状态下，由于温度、压力、溶液、生物等物理化学生物因素变化的影响，再经历多次复杂的改造，使原始沉积卤水化学组分发生改变。富钾卤水中不仅仅K+浓度较高，且富含I-、Sr2+、Li+、B3+等组分。I-、Sr2+、Li+、B3+等组分是沉积水体中的稳定组分，它必受卤水蒸发浓缩发展和成岩后正向变质作用影响，随矿化度和变质深度的升高而增高。

2.2 溶滤型

(1)如图1所示，富钾卤水中的K·103/Cl和Br·103/Cl不协调对应增高与固态钾盐矿溶滤有关。海水蒸发浓缩析出氯化物盐时，溴并不形成独立的矿物，而是以类质同相的形式进入氯化物盐的晶格。由于溴在固、液相中的分配系数(比值)小于1，所以进入固相的溴比留在液相中的溴要少。由此可见，富钾卤水K·103/Cl异常高，而Br·103/Cl显著偏低，乃与固态钾盐矿的溶滤密切相关。

图1 海水浓缩时K·103/Cl和Br·103/Cl关系图Fig.1 The relationship diagram of K·103/Cl and Br·103/Cl for seawater concentration

(2)富钾卤水中Rb+的高异常是固态钾盐矿溶滤的又一佐证富钾卤水中的Rb+高达32.2 mg/L，较海水各浓缩阶段显著增高。Rb+和K+的离子半径相近(分别为0.149 nm和0.133 nm), 地球化学习性相似。Rb+在自然界不形成独立的矿物，而以类质同相方式置换K+，进入钾盐矿物晶格。因此，富钾卤水中Rb+的高异常K+的高含量同步，应是固态钾盐矿溶滤的又一佐证。

3 富钾卤水形成机理

富钾卤水是在漫长的沉积、埋藏、成岩、溶滤等地质历史发展过程中逐渐演化形成的。它在长期深埋封闭状态下，由于温度、压力、溶液、生物等物理化学生物因素变化的影响，再经历多次复杂的改造，使原始沉积卤水化学组分发生改变，朝着深度变质及高矿化度方向发展，并溶滤了固态钾盐，最终演化形成富钾卤水。

3.1 富钾卤水形成演化的深埋、成岩阶段

富钾卤水为深层地下卤水，其中深埋压密是其发展经历中至关重要的方面，在上覆层的重荷下，各沉积层必然经历岩石被压密，沉积水被挤出，蒸发岩结晶脱水的过程。一方面原始卤水变质作用不断加深，对卤水矿化度增高和稳定组分的富集有着重要影响；另一方面使沉积层中的孔隙水被部分挤出，盐类结晶水也在高温高压下脱出，而这两部分释放出的水在运移到岩层的储层过程中，与盐体接触，将盐体乃至钾盐体中的某些组分溶滤而转移到沉积水体中，从而改变原始沉积水的化学成分。特别是盐类物质的地热变质脱水熔融，加强了盐类的热融和水溶变质作用。使可溶盐组分不断转入液相，乃至K+、Rb+的加入，使原始卤水组成发生极大的改变，浓度增高，K+、Rb+含量增高，给富钾卤水提供钾物质的条件。

3.2 卤水与围岩的水—岩平衡作用及细菌作用

卤水与围岩的水—岩平衡作用及细菌作用使卤水化学组分发生相应改变，最为明显的是碳酸盐岩的白云岩化，使卤水中Mg2+的含量减少，导致了卤水的贫镁。其化学反应如下:

2CaCO3+Mg2+→CaMg(CO3)2↓+Ca2+

3.3 石膏的脱水熔融对富钾卤水形成产生巨大控制性影响

石膏和硬石膏在42 ℃时共存，高于此温度沉淀硬石膏，在此温度以下沉淀出石膏。宣达盐盆硬石膏绝大部分源于潮上蒸发环境形成的石膏，由于长期处于深埋条件，在巨厚上覆层及高温、高压地热能的作用下(按宣达盆地地热增温计算, 地温至少到达80 ℃～120 ℃，石膏发生脱水熔融转化成硬石膏。宣达盐盆硬石膏累厚10 m～40 m，其释放出的水量十分惊人和庞大的。可溶盐具有极强溶解能力的如此庞大水量，在向储层转移时，可导致盐系或盐盆中可溶盐类乃至钾盐的溶解，必将对储层水进行改造，产生巨大的控制性影响，最终导致富钾卤水的形成。所以，石膏的脱水融溶作用对富钾卤水的形成产生巨大的控制影响。