宣达地区中、下三叠统含杂卤石蒸发岩测井响应及岩性识别*

2020-11-04王彬玮陈科贵张娅会

矿床地质 2020年5期

王彬玮，陈科贵**，张娅会，齐文

（1 西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；2 中国石化勘探分公司，四川成都 610041；3 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037）

钾盐是农业生产中钾肥的主要原料，对于国家经济发展和粮食安全至关重要。世界钾盐资源极为丰富，但主要集中在加拿大、俄罗斯等少数国家，中国探明储量不多，约占世界的2.2%（郑绵平等，2012）。中国是农业大国，人口众多，随着经济的快速发展，钾盐消费量增长迅速，而钾资源的限制使得中国钾盐对外依存度较高，因此需要加强对国内钾盐的研究。四川盆地中、下三叠统盐层广布，位于东北部的宣汉-达州地区（简称“宣达地区”）是中国的找钾潜力区，目前已完成数口钾盐勘查钻孔，取得了系统的含盐系岩芯与含钾量66 g/L的富钾卤水，为该区钾盐地质研究提供了重要的样本。充分利用地球物理、地球化学等方法对宣达地区中、下三叠统进行固态钾盐杂卤石的研究，可以为四川盆地钾盐勘探开发提供借鉴意义。

对于钾盐的来源及组成特点，黄思静等（1997）认为卤水蒸发浓缩和含盐矿物溶滤形成钾，Peryt 等（1998）、林耀庭等（2004）认为富钾含镁卤水交代硬石膏形成杂卤石，孙宏伟等（2014）认为原生沉积附加离子补给、后生交代作用2 种方式形成杂卤石，但这些研究均未对含钾矿物含量进行定量分析。通过地球化学指标来研究矿床物质来源、沉积环境等，可以更好地揭示矿床形成规律（商雯君等，2020），X 射线衍射法对于白云石、方解石等矿物离子组成的分析效果较好（Gary，1994；Georgia et al.，2008）。确定钾盐沉积层位是找钾的重要基础（刘成林等，2010），近年来，学术界对钾盐识别的研究颇多，有地球物理方法（Sanfirov et al.，2013；梁光河，2016），钾-钍比值法（王建波，2018），但曲线出现不间断回零现象，难以用于定量分析和评价。随着国内油钾兼探工作的进行，测井资料被广泛用于岩性识别，如测井曲线综合识别法（陈科贵等，2013）、多矿物组合测井（王旭，1994），为四川盆地钾盐勘探打下了良好的基础。李新虎（2007）运用支持向量机算法，需要对参数集进行多次搜索，效率不高；曹飞等（2012）基于成像测井资料进行岩性识别，准确度高，但成本较高，难以广泛使用；陈科贵等（2016）利用BP 神经网络与测井结合识别杂卤石，效果较好，但需要不断修改权值，收敛速度较慢。低成本、高效率的找钾方法有待进一步研究，地质与测井结合的方法在本研究区应用较少。本文基于岩芯样品、测井等资料，通过实验测试，对宣达地区XXZK001井样品含钾盐系典型矿物组成及含量、岩石测井响应等特征进行分析，最后运用测井资料对杂卤石进行识别，收到了较好的效果。

1 研究区概况

宣达地区位于四川省东北部，属上扬子台地，由于受到来自不同方向的挤压及不同层次和方向的滑脱作用，区内形成上、中、下形变层，构造复杂，褶皱密度大，断裂发育（图1）。三叠系地层自下而上分飞仙关组、嘉陵江组、雷口坡组。下三叠统飞仙关组和嘉陵江组，地层呈整合接触；中三叠统雷口坡组，与嘉陵江组以“绿豆岩”为界；上三叠统须家河组，大部分地区与雷口坡组地层呈假整合接触。因古剥蚀作用的影响，研究区地层厚度变化较大。飞仙关组主要由石灰岩夹泥灰岩组成，厚400 m 左右；嘉陵江组由碳酸盐岩与蒸发岩交替组成，厚700 m 左右；雷口坡组由碳酸盐岩、泥质碳酸盐岩夹少量蒸发岩组成。中、下三叠统嘉陵江组-雷口坡组是本文研究的目的层。根据前人研究，四川盆地中、下三叠统雷口坡组和嘉陵江组地层被划分为9个段、18个亚段。

前人通过大量地质资料表明此地层蒸发岩极为发育、广泛分布且含高矿化度富溴、钾等元素的卤水，具有有利的成钾地质条件（仲佳爱等，2018），但一直未实现找钾突破。

2 测试方法及岩性特征

X 射线粉晶衍射法（XRD）是研究矿物组成的重要手段。本文对研究区XXZK001 井样品借助D/max-ra12KW阳极旋转X射线衍射仪进行测试，其转靶为铜靶，扫描仪扫描旋转速率为8°/min，样品扫描角度为0°～90°，扫描结果用JADE软件进行定性分析。利用等离子光谱仪（PE8300）、红外碳硫仪、等离子质谱仪（PE300Q）对岩芯样品进行元素含量测试。盐矿化学分析常采用水溶、酸溶法（林耀庭等，2003），岩石中某些难溶组分仅用水溶不能完全溶解，需加以酸溶分析，本文酸溶采用硝酸，将测试结果结合岩矿鉴定及XRD分析进行配矿。遵从定比定律、“条件最充分者优先”、“盐类析出顺序”的原则，按溶解度从小到大配矿。如阳离子Ca2+首先与阴离子CO结合为Ca‐CO3；若剩余Ca2+，则与HCO结合形成Ca(HCO3)2；若Ca2+还有剩余，再与SO结合形成CaSO4，直到Ca2+配完为止，然后配Mg2+，依此类推（王淑丽等，2014）。

根据野外考察和上述各类研究分析，研究区典型矿物可分为氯化盐矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物3类，另外还有部分碎屑与黏土矿物。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area

2.1 氯化盐矿物特征

结合X射线粉晶衍射实验、元素含量测试及配矿分析（图2，表1）可知，XXZK001-4-2样品石盐特征峰明显，与标准峰位吻合，为含少量杂卤石石盐岩，石盐含量高达96.22%，杂卤石含量2.31%，化学分析显示其成分主要为Cl-、Na+，含少量K+、Ca2+、SO石盐岩层段易溶，井径曲线上表现为突然增大且较平稳；基本不含放射性，伽马值较低；密度较低，一般为1.80～2.10 g/cm3；声波时差值较高，一般为67 μs/ft；由于其不导电，电阻率值较高（图7b）。

2.2 碳酸盐矿物特征

碳酸盐类矿物对于指示水体浓缩程度有重要意义。方解石、白云石、菱镁矿随蒸发浓缩依次析出，方解石既可作为水体开始浓缩的标志，也可作为水体淡化的标志；菱镁矿可作为水体咸化的标志，对指示钾盐有重要意义。岩芯样品经实验分析后，发现三者均存在。

（1）方解石

XXZK001-33-1 样品X 射线衍射能谱（图3）显示，样品中方解石特征峰明显，与标准峰位吻合较好，最强峰所对应的衍射角在29°左右，强度在1.7×104N左右。

（2）白云石

XXZK001-35-1 样品X 射线衍射能谱（图4）显示，样品中主要成分为白云石，特征峰明显，与标准峰位吻合较好，最强峰所对应的衍射角在31°左右，强度在1.6×104N左右。

（3）菱镁矿

“小表姐正生气二表哥偷懒，却听见柴垛的后面有响动，然后，居然听到了女人的喘息声。小表姐的脸色变得难看起来，已经是大姑娘的她，知道那是什么声音，于是奔到柴垛后面一看，呆住了。

结合X 射线衍射实验及配矿分析（图5a，表1）。XXZK001-24-6样品中菱镁矿特征峰明显，含量高达61.41%，化学分析显示主要为Mg2+、Ca2+、Br-、Li-、B3+、SO

图2 XXZK001-4-2样品X射线衍射能谱H—石盐；Pol—杂卤石Fig.2 XRD patterns of sample XXZK001-4-2 H—Halite;Pol—Polyhalite

表1 样品化学分析结果Table 1 Chemical analyses of sample

含菱镁矿泥岩与普通泥岩的测井曲线很相似（图5b），均有扩径现象，具有高伽马、高中子、低电阻率、低声波时差的特征，但前者密度偏大，且随泥质含量增多而减小。

2.3 硫酸盐矿物特征

（1）硬石膏

结合X射线衍射实验、元素含量测试和配矿结果进行分析（图6，表1），XXZK001-39-2 样品中硬石膏特征峰明显，含量高达95%，含少量方解石，化学分析显示主要成分为Ca2+、B3+、SO，含少量Mg2+、Br-。硬石膏岩无扩径现象；由于无放射性使得伽马值较低，位于15～30 API之间；密度在2.93～3.00 g/cm3之间；声波时差值一般为50 μs/ft；电阻率非常高，一般在几千Ω·m到几万Ω·m之间（图7b）。

（2）杂卤石

经X 射线粉晶衍射及配矿分析（图7a，表1），XXZK001-5-4样品中杂卤石（K2MgCa2(SO4)4·2H2O）特征峰明显，含量高达32.69%，样品化学分析显示主要为Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Br3+、SO，其中w(K+)高达4.24%。

杂卤石层段因极难溶而无扩径现象；伽马值表现为高异常，通常大于50 API；能谱曲线上表现为高K，低U、Th；声波时差呈高值，一般大于45 μs/ft；因含结晶水而补偿中子呈高值，一般大于18%；密度高，一般在2.72～2.78 g/cm3之间；电阻率较大（图7b）。

图3 XXZK001-33-1样品X射线衍射能谱Ca—方解石；Do—白云石Fig.3 XRD patterns of sample XXZK001-33-1 Ca—Calcite；Do—Dolomite

图4 XXZK001-35-1样品X射线衍射能谱Fig.4 XRD patterns of sample XXZK001-35-1

图5 含菱镁矿泥岩测井响应特征及XXZK001-24-6样品X射线衍射能谱a.XXZK001-24-6样品X射线衍射能谱；b.岩石测井响应特征Mag—菱镁矿；An—硬石膏Fig.5 Logging response characteristics of magnesite mudstone and XRD patterns of sample XXZK001-24-6a.XRD patterns of sample XXZK001-24-6;b.Logging response characteristics of rockMag—Magnesite;An—Anhydrite

2.4 绿豆岩特征

绿豆岩（K2O·Al2O3·10SiO2）为含黏土矿物的一种火山岩，为钾肥的生产提供了重要资源。可分为富钾凝灰岩和水云母凝灰岩2 类，前者主要分布在川东北地区，后者主要分布在川南、川西南地区（陈静，2000）。

研究区绿豆岩具有高伽马、高中子、高声波时差、低密度、低电阻，即“三高两低”的特点，能谱曲线上表现为高K、Th、U，其中K 含量异常偏高（图8）。化学组分显示：w(SiO2)为62.59%；w(Al2O3)为14.59%；w(K2O) 为8.18%；w(MgO) 为2.72%；w(Fe2O3) 为1.47%；w(Na2O)为0.34%；w(FeO)为0.28%；w(CaO)为0.14%，显示出含钾性较好（关建哲，1990）。

图6 XXZK001-39-2样品X射线衍射能谱Fig.6 XRD patterns of XXZK001-39-2

3 宣达地区含盐系钾盐研究

研究区地层主要由一套三叠系海相沉积的碳酸盐岩和蒸发岩组成，岩性复杂。研究区含盐系地层埋深一般大于3000 m，所以测井成为该地钾盐研究的重要手段。岩性不同，测井曲线特征不同，相似岩类由于成分等差异，曲线特征也有所区别。

研究区主要固态钾盐矿物为杂卤石，可采用测井曲线综合识别法识别。首先根据自然伽马值鉴别是否含放射性，其次根据井径及电阻率鉴别溶解性，再根据密度、声波、中子、电阻率区分灰岩、白云岩和硬石膏岩，最后根据自然伽马能谱曲线进行识别（表2）。

杂卤石识别也可以采用测井曲线重叠法，先找到标准泥岩层段，再将2 条测井曲线进行重叠，根据幅度差判断。实验表明，选取伽马曲线分别与声波及密度曲线重叠效果较好，对研究区X6井进行杂卤石识别，如4068.60～4071.05 m、4074.02～4075.68 m层段（图9），幅度差越大，杂卤石含量越高。伽马、密度曲线重叠时，石盐岩层也会出现幅度差（图9b），可根据石盐岩层放射性低、密度低的特点进行区分。

杂卤石岩与泥岩的自然伽马均呈高值，含结晶水的杂卤石岩与泥岩中子均呈高值，但二者在密度、井径、电阻率、自然伽马能谱曲线上均有差异。泥岩易垮塌而有扩径现象，密度低、电阻率低、高K、Th和低U（图10a）；杂卤石岩则表现为高密度、高电阻率、高K和低Th、U的特征（图10b）。

表2 碳酸盐岩-蒸发岩剖面主要岩石骨架测井响应特征Table 2 Logging response of rock matrix of carbonatite-evaporites profiles

图7 测井响应特征及XXZK001-5-4样品X射线衍射图谱a.XXZK001-5-4样品X射线衍射能谱；b.岩石测井响应特征Fig.7 Logging response characteristics and XRD patterns of XXZK001-5-4a.XRD patterns of sample XXZK001-5-4;b.Logging response characteristics of rock

根据上述方法，对研究区不同构造上的3 口井进行了杂卤石识别（表3）。

XX2位于川东断褶带老君山构造岩性复合圈闭北端，在嘉陵江组四段二亚段（T1j4-2）识别出4 层杂卤石层（图11），厚度在1.50～4.55 m 之间，2层纯杂卤石层，2 层杂卤石夹石盐岩层，后者密度、补偿中子值、K值略低，声波时差值相对较高。

图8 绿豆岩测井特征Fig.8 Logging response characteristics of mung bean rock

图9 曲线重叠法识别杂卤石a.GR-AC重叠；b.GR-DEN重叠Fig.9 Overlap identification of polyhalitea.Overlap of GR and AC;b.Overlap of GR and DEN

X6 井位于川东断褶带黄金口构造带普光-双石庙背斜带普光构造南部，识别出的4 层杂卤石层均位于T1j4-2（图12），厚度在1.48～2.75 m之间，2层纯杂卤石层，2 层杂卤石夹石盐岩层，后者伽马值相对较低。

图10 泥岩（a）和杂卤石岩（b）测井响应特征Fig.10 Logging response characteristics of mudstone(a)and polyhalite(b)

图11 XX2井杂卤石定性识别Fig.11 Qualitative identification of polyhalite of XX2

XX3 井位于川东断褶带黄金口构造带毛坝场-双庙场潜伏背斜带毛坝场背斜构造南部，该井在T1j5-2（图13）共识别出5 层杂卤石层，厚度在1.10～13.75 m 之间，其中有2 层纯杂卤石层，一层杂卤石夹硬石膏岩层、一层杂卤石夹石盐岩层和一层杂卤石石盐岩层。杂卤石石盐岩层厚度较大，为13.75 m，部分层段扩径现象明显，电阻率值、K 值较其他层段略低；杂卤石夹硬石膏岩层、杂卤石夹石盐岩层伽马值、中子值、K 值略低；纯杂卤石层，K 值最高。

综上可知，研究区杂卤石主要分布于T1j4-2和T1j5-2，主要发育在黄金口构造带毛坝场-双庙场潜伏背斜和普光-双石庙背斜及老君山构造岩性复合圈闭。区内杂卤石埋藏较浅，厚度在1.10～13.75 m之间，多见杂卤石夹石盐岩层，局部见杂卤石夹硬石膏岩层。测井响应特征随矿物组成、含量不同而不同。