江汉盆地潜江凹陷王场地区深层卤水水化学特征及成因研究

薛 燕, 王春连, 刘殿鹤, 王九一,颜 开, 彭琰聪, 高绣纺

1)长江大学资源与环境学院, 湖北武汉 430100;2)中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037;3)北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871;4)冰岛大学地球科学学院, 冰岛雷克雅未克 101

卤水矿产中的锂、硼、铷、铯等物质是重要的战略新型资源(王学求等, 2020; 马厚明等, 2021; 龙鹏宇等, 2022), 我国每年对这类资源的进口量较多(刘成林等, 2010; 孙小虹, 2015; 刘成林等, 2016,2021)。我国地下卤水资源分布在江汉盆地、新疆罗布泊地区、柴达木盆地、四川盆地和吉泰盆地等(韩积斌等, 2018; 王春连等, 2020; 袁寰宇和吴立冉,2021; 常政等, 2022)。但随着一部分已经探明卤水资源的深度开发, 许多盆地的卤水资源面临消耗殆尽的问题(周训, 2013; 卢鋆等, 2021)。但江汉盆地目前卤水资源丰富且分布面积广泛, 晚始新世至早渐新世潜江凹陷作为江汉盆地卤水的汇集中心, 其矿化度普遍较高且富含多种微量元素, 均已达到工业开采品位, 开发利用前景广阔(陈新军和李倩文,2021; 王九一等, 2021)。

在沉积盆地中一些地质过程, 如油气的运移,水文地质条件的改变等, 地下卤水都起到了重要的作用(Eva et al., 1993; Yu et al., 2021), 所以研究卤水的成因具有重要的意义(Gupta, et al., 2015; Garcia,et al., 2019; Pierre et al., 2019)。于升松等(1994)研究结果表明在潜江凹陷内分布的地下卤水面积中超过75%属于高矿化度卤水, 潜江凹陷地下卤水以硫酸钠亚型为主, 并判断潜江凹陷是陆相成盐盆地, 且潜江凹陷内的深层卤水属于沉积埋藏卤水, 而不是淋滤卤水。但任福弘等(1998)研究认为潜江凹陷古盐湖具有双源补给, 该古盐湖既具有内陆盐湖的特点, 又具有海源湖盆地的印迹。马黎春等(2015)认为卤水的矿体展布具有“一洼两斜坡”的特征, 同时查明K、B、Li、Br等微量元素达到综合利用品位。黄华等(2015)研究得出潜江组砂岩卤水为氯化钠型,且具有锂、溴、硼、钾大型工业卤水矿床, 从而提出对油田钻井和油田伴生卤水进行综合利用, 提取食盐、碘、溴、氨水、氯化钾、硼砂、碳酸锂、氯化铷、氯化铯等产品。近年来针对潜江凹陷的研究主要集中在卤水的水化学一些价值较高的元素, 如锂、硼、钾、溴、碘等, 同时此类研究也集中在深层地下卤水的形成以及矿床特征, 为寻找和开发同类型卤水矿产资源提供一定的科学依据(付路路等,2018; 牛新生等, 2021; 余小灿等, 2022a, b)。王场地区位于潜江凹陷北部的王场背斜上, 地质构造特殊,不仅是重要的油气储藏位置, 也是高浓度卤水分布带, 研究该区域地下卤水水化学特征及其成因给面临枯竭的油田资源转型以及同类型高浓度地下卤水资源的勘探和开发提供一定科学参考。

1 区域地质背景

自侏罗纪以来, 太平洋板块向亚欧板块俯冲,印度板块同欧亚板块聚合碰撞, 两种作用交替活动,在中国东部形成强大的应力释放带, 裂解形成巨型裂谷系, 即中国东部裂谷系, 这个裂谷系包括松辽盆地, 华北裂谷盆地, 江汉盆地等(童崇光, 1980;王春连等, 2018)。由于板块运动的影响, 江汉盆地内形成多期次不同性质的构造变形, 塑造了复杂的断裂系统和构造格局(杨攀新等, 2009)共包含有枝江、江陵、陈沱口、潜江、小板、云应和沔阳七个次级凹陷(马黎春等, 2015)。卤水主要赋存于江陵凹陷沙市组和新沟嘴组以及潜江凹陷潜江组含盐系地层中(陈新军和李倩文, 2021)。

潜江凹陷位于江汉盆地中部(张永生等, 2005),面积约 2500 m2, 是双断型的菱形凹陷(图1), 潜江凹陷卤水矿体呈现“一洼两斜坡”的空间展布特征(马黎春等, 2015), “一洼”是中部的蚌湖—周矶洼陷, “两斜坡”指的是东斜坡和西斜坡。同时潜江凹陷是江汉盆地内基底埋藏最深、沉降速度最快的凹陷, 在沉积时期是整个盆地沉降、沉积及汇水中心, 由于具有高盐度、封闭性、强蒸发的环境条件,所以潜江凹陷也是江汉盆地的浓缩及成盐中心, 沉积了巨厚的盐系地层, 储存了大量的卤水资源, 卤水含矿面积达1630 m2(牛新生等, 2021)。江汉盆地潜江凹陷古近系潜江组是典型的内陆盐湖沉积,凹陷中沉积了碎屑岩、碳酸盐岩、蒸发岩及其过渡岩性, 其中碎屑岩主要以砂岩、泥岩为主, 潜江凹陷潜江组地层划分为潜一段、潜二段、潜三段和潜四段(具体岩性及厚度如图2所示), 砂岩渗流能力好, 潜江凹陷北部地区砂体厚度较大是深层卤水最主要和最有利用价值的赋存体(黄华等, 2015)。

图1 潜江凹陷构造位置图(据马黎春等, 2015修改)Fig. 1 Tectonic location map of Qianjiang depression (modified from MA et al., 2015)

图2 潜江凹陷地层剖面及岩性简图(据马黎春等, 2015修改)Fig. 2 Stratigraphic section and lithology diagram of the Qianjiang Depression (modified from MA et al., 2015)

根据潜江组的地层发育特征、断裂分布和构造形态特征, 将潜江凹陷划分为东部斜坡带、周矶向斜带、潜北陡坡带、蚌湖向斜带和西部斜坡带, 共五个三级构造单元(鲍云杰等, 2021)。王场背斜是蚌湖向斜带的一个次级构造, 位于潜江凹陷中北部(王国力等, 2004), 无明显断层发育, 主体构造格局呈北西低,南东高(苏苇等, 2020)。该背斜轴向北西, 西、北侧分别受到蚌湖和王场向斜的夹持, 而车垱、周矶两条大断层于南端将其切割, 因此王场背斜呈断背斜形态(李乐等, 2020)。王场背斜的底部潜四下段的地层厚度是两翼正常厚度的 2～3倍, 厚度在横向上也不是很稳定, 盐会发生一定的塑性流动, 下部的地层产状较陡, 浅层的地层产状逐渐变缓(唐文旭等,2007; 李志明等, 2020)。总体来说王场背斜构造是一个同生构造, 且具有早、陡、窄、高、断的特征(应维华, 1984)。本研究王场地区位置如图1所示。

2 样品采集与测试

本研究共采集潜江凹陷王场地区不同深度的深层卤水样品18件, 其中潜一段5件, 潜三段8件,潜四段5件(如图3所示)。采用洗净的聚乙烯桶盛装卤水原液, 取样时记录样品的特征信息与层位信息。对原样进行多次过滤, 去除油类等杂质, 制备测试样品。测试样品中的CO2–3和HCO–3采用滴定法,测试精度为 0.2%, 对于 K、Na、Ca、Mg、SO2–4、Cl–、Li、B、Br、I、Sr元素采用等离子光谱仪(ICP-OES)法进行测定。

图3 采样点位分布图Fig. 3 Distribution diagram of sampling boreholes

3 结果

3.1 卤水总体水化学特征

分析结果表明, 王场地区卤水样品矿化度数值为 49.64～337.50 g/L, 卤水总矿化度平均值为260.04 g/L。潜 1段 TDS为 165.99～337.50 g/L,平均值为265.45 g/L。潜3段为49.64～322.16 g/L,平均值为256.86 g/L。潜4段为188.80～303.32 g/L,平均值为259.74 g/L。对比盐湖和盐类矿产地质勘查规范, 王场地区卤水样品TDS大于250 g/L, 属于高矿化度深层卤水。样品pH值范围为7.03～8.014,平均值为7.23, 整体偏碱性。根据舒卡列夫分类-编号命名法, 断定王场地区卤水为 Cl-Na型卤水。卤水中具体的各元素含量如表1所示。

表1 潜江凹陷王场地区卤水样品水化学分析结果Table 1 Results of hydrochemical analysis of brine samples from Wangchang area, Qianjiang Depression

3.2 主量元素特征

常量阳离子 Na+、K+、Ca2+、Mg2+中, Na+含量为19.67～122.5 g/L, 平均值为97.12 g/L, 占据绝对的主导地位(如图4所示)。其中潜一段为59.18～122.50 g/L,平均值96.71 g/L; 潜三段为19.67～119.35 g/L, 平均值为96.02 g/L; 潜四段为73.34～115.64 g/L, 平均值为 99.28 g/L。K+含量为 0.19～2.08 g/L, 平均值为0.95 g/L。其中潜一段为0.34～0.82 g/L, 平均值0.65 g/L;潜三段为 0.19～1.86 g/L, 平均值为0.98 g/L; 潜四段为 0.69～2.08 g/L, 平均值为 1.21 g/L。Ca2+含量为68.08～507.40 mg/L, 平均值为 176.98 mg/L。其中潜一段为 68.08～284.34 mg/L, 平均值 154.00 mg/L;潜三段为81.40～269.04 mg/L, 平均值为155.60 mg/L;潜四段为 114.96～507.40 mg/L, 平均值为234.16 mg/L。Mg2+含量为 16.84～95.82 mg/L, 平均值为 40.46 mg/L。其中潜一段为 19.98～65.20 mg/L,平均值 37.62 mg/L; 潜三段为 16.84～59.78 mg/L,平均值为 36.51 mg/L; 潜四段为 26.34～95.82 mg/L,平均值为49.61 mg/L。

图4 潜江凹陷王场地区卤水样品主量离子质量浓度占比关系Fig. 4 Proportions of major ion concentration in brine samples from the Wangchang area of Qianjiang Depression

常量阴离子 Cl–、HCO–3、SO2–4中, Cl–的含量为26.98～177.16 g/L, 平均值为 137.09 g/L, 占主导地位(如图4所示)。其中潜一段为 91.88～169.29 g/L,平均值 130.08 g/L; 潜三段为 26.98～169.94 g/L,平均值为134.45 g/L; 潜四段为111.24～177.16 g/L,平均值为 148.33 g/L。SO2–4含量为 1.69～33.97 g/L,平均值为17.78 g/L。其中潜一段为10.36～33.97 g/L,平均值27.55 g/L; 潜三段为1.73～27.65 g/L, 平均值为 18.18 g/L; 潜四段为 1.69～13.14 g/L, 平均值为7.36 g/L。HCO–3含量为 119.06～1216.39 mg/L, 平均值为631.82 mg/L。其中潜一段为351.66～1065.27 mg/L,平均值766.38 mg/L; 潜三段为119.06～1216.39 mg/L,平均值为651.31 mg/L; 潜四段为363.44～570.72 mg/L,平均值为466.06 mg/L。

3.3 微量元素特征

Li是世界上最轻且极其活泼的碱金属元素, 具有比热和电导率高、化学活性强等独特物理化学特性(姜贞贞等, 2021)。Li在岩石圈的上部富集, 富集在岩浆演化的晚期阶段, 在沉积岩中, 富集在海相细粒沉积物中, 在火山喷气和热水中均有较高含量(樊启顺等, 2007)。王场地区 Li+的含量为5.36～55.68 mg/L, 平均值为26.04 mg/L。其中潜一段 7.56 mg/L, 平均值为 21.36 mg/L; 潜三段5.36～55.68 mg/L, 平均值为 30.10 mg/L; 潜四段11.62～47.04 mg/L, 平均值24.22 mg/L。绝大多数地下卤水样品Li+含量大于25 mg/L, 满足锂元素的综合利用品位, 部分样品甚至达到单独开采工业品位。同时王场地区卤水样品中 Mg/Li比值含量为0.41～4.11, 比值较低, 有利于卤水开发利用中镁锂的化学分离, 是十分优质的锂资源(余小灿等, 2022a)。

B是一种典型的非金属元素, B及其化合物具有耐高温、耐磨损、高强度、质轻和催化性等特殊物理化学性质(王春连等, 2021)。潜江凹陷王场地区B3+含量20.28～204.40 mg/L, 平均值为95.52 mg/L。其中潜一段为 42.26～81.54 mg/L, 平均值为70.19 mg/L; 潜三段20.28～156.00 mg/L, 平均值为94.96 mg/L; 潜四段 49.62～204.40 mg/L, 平均值121.75 mg/L。B3+的综合利用品位为124 mg/L, 潜三段3件样品, 潜四段2件样品满足综合利用品位。

Br–含量为46.94～329.92 mg/L, 平均值为197.06 mg/L。其中潜一段为 160.70～297.86 mg/L,平均值为228.26 mg/L; 潜三段46.94～266.36 mg/L,平均值为183.56 mg/L; 潜四段71.88～329.92 mg/L,平均值187.44 mg/L。Br–的综合利用品位为50～60 mg/L, 仅有 1件样品未满足综合利用品位,其他均达到综合利用品位的1～6.58倍。

I–含量为1.04～12.32 mg/L, 平均值为4.60 mg/L。其中潜一段为2.42～4.60 mg/L, 平均值为3.60 mg/L; 潜三段为1.04～6.80 mg/L, 平均值为4.35 mg/L; 潜四段为 3.26～12.32 mg/L, 平均值为5.98 mg/L。I–的综合利用品位为15 mg/L, 样品均未达到综合利用品位。

4 讨论

4.1 TDS变化与部分元素相关性分析

据前人测试数据发现 1994年潜江凹陷矿化度平均值为283.25 g/L(于升松, 1994), 2015年降到了280.94 g/L(马黎春等, 2015), 2021年为238.98 g/L(牛新生等, 2021), 王场地区矿化度平均值260.04 g/L大于潜江凹陷整体矿化度平均值, 进一步证明了王场地区位于高浓度卤水分布带, 而潜江凹陷的矿化度随着时间的变化, 整体呈下降趋势, 这与油田的开采注水以及地下卤水的封闭性较差都有一定的关系(牛新生等, 2021)。

由图5可见, 主量阳离子中Na+与TDS呈现较好的正相关性。同时 K+、Mg2+的含量都随着TDS的增加而表现出增加的趋势。但 Ca2+含量却随着 TDS的增加而呈现减少的趋势, 证明卤水在蒸发浓缩的过程中 Ca2+浓度降低, 有可能是因为石膏, 或者钙芒硝的沉淀(余小灿等, 2022b)。主量阴离子中只有Cl–与TDS呈现了显著的正相关性。随着TDS的增加, SO2–4和HCO–3的含量都随有升高的趋势。

图5 主量离子与TDS相关性图Fig. 5 Correlation diagram between principal ions and TDS

如图6所示, 微量离子中Li+和Br–的含量随着的TDS增加都呈上升的趋势。但B3+和I–的含量与TDS只呈现出很微弱的相关性。通过做卤水中元素B, Br, I的含量与Li的含量相关性图(如图7所示),可以发现B, Br, I的含量都随着Li的含量增加而呈现出明显的增加趋势, 这表明它们可能具有相似的成因或物源补给。

图6 微量元素与TDS相关性分析图Fig. 6 Correlation analysis diagram of trace elements and TDS

图7 卤水中Li和B、Br、I的关系Fig. 7 Relationship between Li and B, Br, I in brine

此外, 根据表2所示, Li和 Na、K、B、Cl、Br、I; Na和Cl、Br; K与 B、I; Sr与 Ca; B与Br; Cl与Br; Br与I; SO2–4与HCO–3都呈现很好的相关性。说明在卤水形成的过程中, 由于受到干旱的古气候影响, 随着古盐湖的蒸发浓缩, 这些元素在卤水中的含量也逐渐升高, 呈现显著相关性的元素可能是来自相同的石盐岩溶解或者其他的物源补给(王九一等, 2021)。

表2 王场地区卤水元素含量相关系数特征Table 2 Characteristic coefficient of brine samples in Wangchang area

4.2 特征系数及卤水成因讨论

综合前人研究, 计算和分析特征系数, 令 X离子的克当量浓度为γX, 质量浓度为ρX, 物质的量浓度为nX。通过计算地下卤水的特征系数(如表3所示), 从而揭示地下卤水的来源以及演化规律。

表3 王场地区卤水样品特征系数Table 3 Correlation coefficient characteristics of brine element content in Wangchang area

钠氯系数(γNa+/γCl–)能够反映地下卤水中钠盐的富集程度, 也是反映蒸发浓缩和盐岩溶滤的重要指标(樊启顺等, 2007; 牛新生等, 2021; 岳鑫等,2021), 王场地区钠氯系数为0.99～1.21, 平均值1.09,大于正常海水的系数 0.87, 且都接近于 1或者大于 1, 明显是有石盐溶解的贡献, 属于非海相沉积的卤水。

由于在卤水的蒸发过程中, 溴并不能形成独立的矿物, 仅有少部分的溴离子以替换的形式进入石盐或者氯化物晶格, 所以氯溴系数(ρCl–/ρBr–)是用来区分卤水中不同物质来源的良好指标, 溶盐地下卤水此系数值大于1000, 沉积地下卤水此系数值小于 400(樊启顺等, 2007), 王场地区此系数范围在480.00～1547.60之间, 仅潜四段一样品>1000, 其他地下卤水样品的此系数均在400～1000, 初步认为是沉积卤水与溶滤卤水部分混合, 或者是在油田开采过程中注水的影响, 这与牛新生等人的研究结论相一致(牛新生等, 2021)。

脱硫系数(100×nSO2–4/2nCl–)可以反映地下卤水的封闭性的好坏, 越接近于0证明封闭性越好(李廷伟等, 2006), 王场地区此系数为0.28～4.71, 其中潜三段和潜四段脱硫系数较小, 封闭性较好, 潜一段样品脱硫系数较大, 封闭性较差。同时由图8可见钠氯系数与脱硫系数呈正相关, 这意味着封闭性差是形成淋滤卤水的重要条件。

图8 钠氯系数与脱硫系数关系图Fig. 8 Diagram of relationship between sodium-chloride coefficient and desulfurization coefficient

钙镁系数(nCa2+/nMg2+)能够反映地层的变质程度, 封闭时间越长, 封闭性越好, 则变质程度越高,一般情况下深层水此系数值>3(李建森等, 2013; 邸贺等, 2016), 王场地区地下卤水样品钙镁系数为0.63～6.45, 其中 9个样品>3, 9个样品<3。潜一段为0.63～4.05, 共5个样品, 4个样品的钙镁系数>3。潜三段为1.38～4.78, 共8个样品, 3个样品的钙镁系数>3。潜四段为1.05～6.45, 共5个样品, 3个样品的钙镁系数>3。对比来说潜三段和潜四段的封闭性相对较好, 变质程度相对较高。其中样品王西4斜-8的钙镁系数高达 6.45, 考虑该样品可能受到白云石化, 钠长石化以及方解石、石膏的溶解有关(余小灿等, 2022b)。

钾氯系数(1000×ρK+/ρCl–)可以反映地下卤水的浓缩程度以及钾盐的富集程度下, 也是钾盐找矿的指标之一, 一般情况下钾氯系数大于 75时表明卤水富钾, 且卤水的演化时间较长(韩佳君等, 2013), 王场地区的钾氯系数为3.75～14.82。说明本研究区潜一段、潜三段和潜四段沉积时期还未达到钾盐析出阶段。

综上所述, 潜江凹陷王场地区潜江组地下卤水来自于早期的陆相盐湖沉积, 并且在形成的过程中体系较为开放, 变质程度一般, 封闭性较差, 发生水-岩反应, 有来自早期石盐的淋滤补给。

5 结论

(1)王场地区卤水为Cl-Na型卤水, pH值范围在7.03～8.014, 总矿化度平均值260.04 g/L, 高于整个潜江凹陷的总矿化度平均值 238.98 g/L, 位于高浓度卤水分布带, 但相较于早年间潜江凹陷总矿化度平均值, 呈下降趋势, 这与油田开采过程中的注水以及潜江凹陷地下卤水自身封闭性较差等具有一定的关系。

(2)潜江凹陷王场地区的部分微量元素达到工业品位或综合利用品位, 具有较高的利用价值。Li达工业或综合利用品位, 且 Mg2+与 Li+的含量比值较低, 是十分优质的锂资源; 部分地下卤水样品中的B达到综合利用工业品位; Br含量较高, 达到综合利用品位的 1～6.58倍。B、Br、I的含量和Li的含量呈正相关, 这四种元素很有可能有相同的物质来源。部分面临枯竭的油田井, 可以考虑通过经济合理的手段提取伴生卤水中的微量元素。

(3)综合分析特征系数认为潜江凹陷王场地区地下卤水样品可能来自于早期陆相盐湖沉积, 整体封闭性较差, 变质程度较低, 有来自淋滤卤水的物源补给。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. U20A2092 and 42002106), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. KK2005), and China Geological Survey (Nos. DD20190816 and DD20190606).