乜 貞, 董亞萍, 李 武, 卜令忠, 袁 偉, 烏志明, 張雪飛

1)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037; 2)中國科學(xué)院青海鹽湖研究所, 青海西寧 810008; 3)青海油田邊遠(yuǎn)油田開發(fā)公司, 甘肅敦煌 736202

我國鹽田首次產(chǎn)出南極石

乜 貞1), 董亞萍2), 李 武2), 卜令忠1), 袁 偉3), 烏志明1), 張雪飛1)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037; 2)中國科學(xué)院青海鹽湖研究所, 青海西寧 810008; 3)青海油田邊遠(yuǎn)油田開發(fā)公司, 甘肅敦煌 736202

南極石是極度干旱且寒冷氣候條件下的產(chǎn)物, 于1963年在南極首次被發(fā)現(xiàn), 并以發(fā)現(xiàn)地而被命名為南極石。在我國青海柴達(dá)木盆地, 也曾有發(fā)現(xiàn)南極石的報(bào)道。南極石化學(xué)式是CaCl2·6H2O, 可用來生產(chǎn)融雪劑, 干燥劑等, 具有廣泛的用途。本文在青海省柴達(dá)木盆地西部南翼山地區(qū), 利用1940 m深處的地下氯化物型富鉀油田水進(jìn)行鹽田蒸發(fā)試驗(yàn), 于冬季得到了南極石礦物。通過偏光顯微鏡下鑒定、X光粉晶衍射及化學(xué)分析, 并參照前人礦物數(shù)據(jù), 確定為南極石。以前沒有關(guān)于人工產(chǎn)出南極石的報(bào)道, 這是首次在野外人工鹽田條件下產(chǎn)出南極石, 這對認(rèn)識(shí)南極石的自然產(chǎn)出及賦存氣候環(huán)境條件, 對研究地區(qū)氣候變化, 具有重要指示意義。

南極石; 地下鹵水; 鹽田試驗(yàn); 青海柴達(dá)木; 氣候環(huán)境

南極石是極度干旱且寒冷氣候條件下的產(chǎn)物,其化學(xué)式是CaCl2·6H2O。天然南極石于1963年在南極Victoria Land的Don Luan Pond首次被發(fā)現(xiàn), 該地為一干旱山谷, 池水為高礦化度氯化物型富鈣鹵水(Torii et al., 1965)。礦物名根據(jù)其發(fā)現(xiàn)地, 由其發(fā)現(xiàn)者申請, 而被命名為南極石。之后, Dunning等人在美國加利福尼亞的Bristol Dry Lake也發(fā)現(xiàn)了南極石的存在(Dunning et al., 1969)。Harris等人通過研究南極Don Luan Pond湖水的周期性變化, 認(rèn)為該地產(chǎn)出南極石的首要因素當(dāng)屬極低的溫度(Harris et al., 1979)。在我國, 南極石于1983年首次發(fā)現(xiàn)于青海省柴達(dá)木盆地西部的昆特依鹽湖。李秉孝等人在此地地表以下10～40 cm, 于沒有晶間鹵水出露處, 采集到與紅色砂礫、碳酸鹽和少量石膏共生的白色團(tuán)塊狀南極石(李秉孝等, 1986), 說明我國柴達(dá)木盆地具有適于南極石賦存的氣候條件。鹽湖是氣候環(huán)境的靈敏記錄器, 通過研究鹽湖和鹽類礦物, 可以將今論古, 推知?dú)夂?、環(huán)境變遷(鄭綿平等, 1998), 南極石對于研究當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境變化, 具有很好的指示意義。

在國民經(jīng)濟(jì)中, 氯化鈣具有廣泛的用途。無水氯化鈣是工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室常用干燥劑, 可用于氮?dú)狻⒀鯕?、氫氣、氯化氫等氣體的干燥; 在無機(jī)工業(yè)中用作制造金屬鈣和各種鈣鹽的原料; 在日常生活中用作融雪劑, 廣泛應(yīng)用于冬季道路、立交橋、停車場、廣場等場所融雪及防凍劑; 在冶金行業(yè)中用作鋁鎂冶金的保護(hù)劑、精煉劑。氯化鈣溶液是致冷工業(yè)中重要的冷凍劑, 在建筑工業(yè)中用作防凍劑, 以加速混凝土硬化和增加建筑砂漿的耐寒能力。

筆者項(xiàng)目組于2012年在柴達(dá)木西部南翼山地區(qū)用采自地下約1940 m深度的油田水做鹽田試驗(yàn),提取鉀混鹽過程中, 發(fā)現(xiàn)于冬季在鹽田中析出了南極石。以前沒有關(guān)于人工產(chǎn)出南極石的報(bào)道, 這是首次在野外鹽田中產(chǎn)出南極石。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)地理氣候

本次鹽田試驗(yàn)在南翼山地區(qū)進(jìn)行, 南翼山位于柴達(dá)木盆地西部, 屬青海省海西蒙古族自治洲茫崖行委管轄。實(shí)驗(yàn)區(qū)位置東徑91°18′—91°35′, 北緯38°17′—38°25′, 距茫崖行委所在地花土溝鎮(zhèn)約120 km, 距格爾木市大約600 km。本地區(qū)海拔一般在2800～3200 m, 屬丘陵地帶, 風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈, 呈風(fēng)蝕殘丘及風(fēng)蝕丘陵等地貌, 地面鹽堿裸露, 無植被生長(圖1)。

柴達(dá)木盆地西部是我國典型寒旱區(qū), 南極石是其代表性冷相鹽類礦物(鄭綿平等, 2010, 2013)。南翼山地區(qū)是柴達(dá)木的寒旱中心, 本區(qū)域干燥寒冷,風(fēng)多雨少, 晝夜溫差大, 蒸發(fā)作用十分強(qiáng)烈。據(jù)茫崖氣象站多年觀測資料, 當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?5.3 mm, 且集中在6、7兩月; 年均蒸發(fā)量為2856.9 mm, 為降水量的51.6倍, 每年5—9月份為主要蒸發(fā)季節(jié)。年平均氣溫1.5℃, 從11月至次年3月為當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)期, 全年最冷月份為1月, 多年1月月均氣溫為–12.1℃(曹文虎等, 2004)。

2 礦物的取得

圖1 南翼山鹽田試驗(yàn)區(qū)位置示意圖Fig. 1 Location of the experiment solar ponds within the Nanyishan brine

南翼山油田水化學(xué)類型為氯化物型, 其特點(diǎn)是高鈣富鉀, 并富含有多種稀有元素, 具有很好的開發(fā)價(jià)值。本次鹽田試驗(yàn)用鹵為深度1940 m處的地下鹵水, 采自南13井, 原為石油生產(chǎn)井, 現(xiàn)已停產(chǎn)。原始鹵水化學(xué)組成列于表1, 礦化度為297.3 g/L,密度為1.1915 g/cm3(15℃)。鹵水中KCl含量接近1%, 達(dá)到工業(yè)開發(fā)品位要求, 而且該鹵水富含B、Li、Rb、Cs等元素, 開發(fā)利用價(jià)值很高。該鹵水中Ca/Cl比值為0.1, 遠(yuǎn)大于柴達(dá)木盆地除牛郎織女湖外的其它地表鹵水(李秉孝等, 1986)。

試驗(yàn)鹽田總面積10500 m2, 其中鉀鹽池面積3400 m2, 圖1中右下角即為正在試驗(yàn)中的鹽田曬池照片。鹵水經(jīng)過蒸發(fā)濃縮, 析出石鹽后, 于8月下旬排入鉀鹽池開始析出鉀石鹽, 從10月13日起至2013年2月底, 發(fā)現(xiàn)在鉀鹽池中斷斷續(xù)續(xù)析出了南極石礦物。本試驗(yàn)中析出南極石時(shí)鹵水組成及其與南極Don Luan Pond的鹵水組成對比見表2(Torii et al., 1965), 含南極石混鹽礦物組成見表3。其中, 序號(hào)12、14、17、22為南翼山的樣品, 其余為南極Don Luan Pond的樣品。從表2可見, 南翼山鹵水中Ca/Cl比小于Don Luan Pond鹵水, 而Na離子濃度高于Don Luan Pond鹵水, 說明Don Luan Pond鹵水已經(jīng)到了蒸發(fā)析鹽的后期, 而南翼山鹵水剛剛達(dá)到南極石析出初期。

表1 試驗(yàn)用原始油田水化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of the original oilfield brine used in the experiment

3 南極石物性

本次試驗(yàn)中的南極石與石鹽、鉀石鹽等礦物共同析出, 混鹽呈無色塊狀體, 其中主要為石鹽礦物,混鹽中南極石的品位不等, 通過在不同時(shí)間段取樣,品位分布在5%～14%。本試驗(yàn)中南極石在偏光顯微鏡下的形貌見圖2, 其X-射線衍射分析和與標(biāo)準(zhǔn)峰對比見圖3。

南極石晶體為無色, 鏡下常見為六邊形, 集合體常呈柱狀、粒狀。南極石晶體是極度干旱且寒冷氣候條件下的產(chǎn)物, 具有很強(qiáng)的吸濕性, 在20℃以下且較干燥環(huán)境中能存放。當(dāng)溫度升高時(shí), 易溶于自身的結(jié)晶水中。在顯微鏡下觀察時(shí), 隨著透射光亮度的增加, 引起溫度的升高, 視野中會(huì)出現(xiàn)水跡,南極石晶體會(huì)逐漸溶化。南極石也易溶于浸油中,其光性為一軸晶, 負(fù)光性。No=1.549, Ne≈1.498, No-Ne＝0.051, 屬于強(qiáng)干涉色。本試驗(yàn)中的南極石大多為六邊形自形-半自形晶, 因混鹽中主要為石鹽,另伴生有鉀石鹽和天然硼酸, 所以易于鑒別。

表2 南翼山析出南極石鹵水化學(xué)組成(%)Table 2 Composition of brine when it began to precipitate Antarcticite in Nanyishan solar ponds(%)

表3 南翼山鹽田試驗(yàn)中含南極石混鹽礦物組成(%)Table 3 Content of Antarcticite in the salts precipitated in Nanyishan solar ponds(%)

4 討論

南翼山油田水為富鈣氯化物型鹵水, 且富含鉀、硼, 按室內(nèi)15～20℃溫度范圍模擬蒸發(fā)實(shí)驗(yàn), 其析鹽次序?yàn)? 石鹽(NaCl)→石鹽+鉀石鹽(KCl)→石鹽+鉀石鹽+硼酸→石鹽+光鹵石→石鹽+光鹵石+南極石(李武等, 2012)?？梢钥吹侥蠘O石在蒸發(fā)的后期結(jié)晶析出, 且只能在干旱環(huán)境生成, 標(biāo)志鹵水演化已經(jīng)進(jìn)入尾聲。但是在本次實(shí)驗(yàn)過程中析鹽次序發(fā)生變化, 南極石提前至鉀石鹽階段析出, 分析原因, 主要為高氯化鈣鹵水受南翼山地區(qū)寒冷干旱氣候影響, 而提前于鹽田中析出。

這是首次在野外環(huán)境, 鹽田條件下產(chǎn)出南極石,此前沒有關(guān)于人工產(chǎn)出南極石的報(bào)道。本研究對認(rèn)識(shí)南極石的自然產(chǎn)出和賦存氣候環(huán)境, 對研究地區(qū)環(huán)境、氣候變遷, 具有重要指示意義。

圖2 南翼山油田水析出含南極石晶體混鹽的鏡下照片F(xiàn)ig. 2 Images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield brine

圖3 南翼山油田水析出的含南極石混鹽的X衍射照片F(xiàn)ig. 3 XRD images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield water

致謝:青海第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院蘇祖東高工、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所張永興碩士參加了部分鹽田試驗(yàn)工作;青海鹽湖研究所宣之強(qiáng)研究員、中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所鹽湖中心劉丹陽高工進(jìn)行了鹽礦鑒定工作; 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所鄭綿平院士、《地球?qū)W報(bào)》編輯部主任魏樂軍研究員和青海鹽湖研究所宋彭生研究員對文稿提出了寶貴修改建議, 在此一并致以衷心感謝！

曹文虎, 吳蟬. 2004. 鹵水資源及其綜合利用技術(shù)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社.

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The First Precipitation of Antarcticite in Solar Ponds in China

NIE Zhen1), DONG Ya-ping2), LI Wu2), BU Ling-zhong1), YUAN Wei3), WU Zhi-ming1), ZHANG Xue-fei1)
1) MLR Key Laboratory of Saline Lake Resources and Environments, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining, Qinghai 810008; 3) Remote Oilfield Development Company, PetroChina Qinghai Oilfield Company, Dunhuang, Gansu 736202

Antarcticite, formed in areas of very arid and cold climate, was first discovered in the Don Juan Pond in Victoria Land, Antarctica. The mineral is named after the place it was found. The Antarcticite was reported to be found in Qaidam basin in 1983. Nanyishan area of Qaidam basin is also extremely dry and very cold, especially in winter. A solar pond experiment was carried out to extract potash in Nanyishan from the underground brine at the depth of 1940 m, which is rich in calcium and potassium. In the experiment, the Antarcticite was crystallized out in the solar pond with halite and potash during the winter. The X-ray powder diffraction measurement, chemical analysis and crystal optical study of this mineral has proved that the mineral is Antarcticite. This is for the first time that the Antarcticite is reported in solar ponds because there was no such report before. Through the research, the climate environment for the formation of Antarcticite is determined. The results obtained by the authors will give some useful information to the study of the environment changes in Qaidam basin.

Antarcticite; underground brine; solar pond experiment; Qaidam basin; climate environment

P578.32; P462

A

10.3975/cagsb.2013.06.14

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào): 1212011085523)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41073050)和中國地質(zhì)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(編號(hào): C0908)聯(lián)合資助。

2013-05-28; 改回日期: 2013-08-20。責(zé)任編輯: 閆立娟。

乜貞, 男, 1972年生。研究員。主要從事鹽湖化學(xué)和鹽湖資源綜合利用研究。通信地址: 100037, 北京市百萬莊大街26號(hào)。電話: 010-68992231。E-mail: nieezhen518@163.com。