王彬瑋，陳科貴**，張婭會，齊 文

（1 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500；2 中國石化勘探分公司，四川成都 610041；3 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037）

鉀鹽是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鉀肥的主要原料，對于國家經(jīng)濟發(fā)展和糧食安全至關(guān)重要。世界鉀鹽資源極為豐富，但主要集中在加拿大、俄羅斯等少數(shù)國家，中國探明儲量不多，約占世界的2.2%（鄭綿平等，2012）。中國是農(nóng)業(yè)大國，人口眾多，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，鉀鹽消費量增長迅速，而鉀資源的限制使得中國鉀鹽對外依存度較高，因此需要加強對國內(nèi)鉀鹽的研究。四川盆地中、下三疊統(tǒng)鹽層廣布，位于東北部的宣漢-達州地區(qū)（簡稱“宣達地區(qū)”）是中國的找鉀潛力區(qū)，目前已完成數(shù)口鉀鹽勘查鉆孔，取得了系統(tǒng)的含鹽系巖芯與含鉀量66 g/L的富鉀鹵水，為該區(qū)鉀鹽地質(zhì)研究提供了重要的樣本。充分利用地球物理、地球化學(xué)等方法對宣達地區(qū)中、下三疊統(tǒng)進行固態(tài)鉀鹽雜鹵石的研究，可以為四川盆地鉀鹽勘探開發(fā)提供借鑒意義。

對于鉀鹽的來源及組成特點，黃思靜等（1997）認為鹵水蒸發(fā)濃縮和含鹽礦物溶濾形成鉀，Peryt 等（1998）、林耀庭等（2004）認為富鉀含鎂鹵水交代硬石膏形成雜鹵石，孫宏偉等（2014）認為原生沉積附加離子補給、后生交代作用2 種方式形成雜鹵石，但這些研究均未對含鉀礦物含量進行定量分析。通過地球化學(xué)指標來研究礦床物質(zhì)來源、沉積環(huán)境等，可以更好地揭示礦床形成規(guī)律（商雯君等，2020），X 射線衍射法對于白云石、方解石等礦物離子組成的分析效果較好（Gary，1994；Georgia et al.，2008）。確定鉀鹽沉積層位是找鉀的重要基礎(chǔ)（劉成林等，2010），近年來，學(xué)術(shù)界對鉀鹽識別的研究頗多，有地球物理方法（Sanfirov et al.，2013；梁光河，2016），鉀-釷比值法（王建波，2018），但曲線出現(xiàn)不間斷回零現(xiàn)象，難以用于定量分析和評價。隨著國內(nèi)油鉀兼探工作的進行，測井資料被廣泛用于巖性識別，如測井曲線綜合識別法（陳科貴等，2013）、多礦物組合測井（王旭，1994），為四川盆地鉀鹽勘探打下了良好的基礎(chǔ)。李新虎（2007）運用支持向量機算法，需要對參數(shù)集進行多次搜索，效率不高；曹飛等（2012）基于成像測井資料進行巖性識別，準確度高，但成本較高，難以廣泛使用；陳科貴等（2016）利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與測井結(jié)合識別雜鹵石，效果較好，但需要不斷修改權(quán)值，收斂速度較慢。低成本、高效率的找鉀方法有待進一步研究，地質(zhì)與測井結(jié)合的方法在本研究區(qū)應(yīng)用較少。本文基于巖芯樣品、測井等資料，通過實驗測試，對宣達地區(qū)XXZK001井樣品含鉀鹽系典型礦物組成及含量、巖石測井響應(yīng)等特征進行分析，最后運用測井資料對雜鹵石進行識別，收到了較好的效果。

1 研究區(qū)概況

宣達地區(qū)位于四川省東北部，屬上揚子臺地，由于受到來自不同方向的擠壓及不同層次和方向的滑脫作用，區(qū)內(nèi)形成上、中、下形變層，構(gòu)造復(fù)雜，褶皺密度大，斷裂發(fā)育（圖1）。三疊系地層自下而上分飛仙關(guān)組、嘉陵江組、雷口坡組。下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組和嘉陵江組，地層呈整合接觸；中三疊統(tǒng)雷口坡組，與嘉陵江組以“綠豆巖”為界；上三疊統(tǒng)須家河組，大部分地區(qū)與雷口坡組地層呈假整合接觸。因古剝蝕作用的影響，研究區(qū)地層厚度變化較大。飛仙關(guān)組主要由石灰?guī)r夾泥灰?guī)r組成，厚400 m 左右；嘉陵江組由碳酸鹽巖與蒸發(fā)巖交替組成，厚700 m 左右；雷口坡組由碳酸鹽巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖夾少量蒸發(fā)巖組成。中、下三疊統(tǒng)嘉陵江組-雷口坡組是本文研究的目的層。根據(jù)前人研究，四川盆地中、下三疊統(tǒng)雷口坡組和嘉陵江組地層被劃分為9個段、18個亞段。

前人通過大量地質(zhì)資料表明此地層蒸發(fā)巖極為發(fā)育、廣泛分布且含高礦化度富溴、鉀等元素的鹵水，具有有利的成鉀地質(zhì)條件（仲佳愛等，2018），但一直未實現(xiàn)找鉀突破。

2 測試方法及巖性特征

X 射線粉晶衍射法（XRD）是研究礦物組成的重要手段。本文對研究區(qū)XXZK001 井樣品借助D/max-ra12KW陽極旋轉(zhuǎn)X射線衍射儀進行測試，其轉(zhuǎn)靶為銅靶，掃描儀掃描旋轉(zhuǎn)速率為8°/min，樣品掃描角度為0°～90°，掃描結(jié)果用JADE軟件進行定性分析。利用等離子光譜儀（PE8300）、紅外碳硫儀、等離子質(zhì)譜儀（PE300Q）對巖芯樣品進行元素含量測試。鹽礦化學(xué)分析常采用水溶、酸溶法（林耀庭等，2003），巖石中某些難溶組分僅用水溶不能完全溶解，需加以酸溶分析，本文酸溶采用硝酸，將測試結(jié)果結(jié)合巖礦鑒定及XRD分析進行配礦。遵從定比定律、“條件最充分者優(yōu)先”、“鹽類析出順序”的原則，按溶解度從小到大配礦。如陽離子Ca2+首先與陰離子CO結(jié)合為Ca‐CO3；若剩余Ca2+，則與HCO結(jié)合形成Ca(HCO3)2；若Ca2+還有剩余，再與SO結(jié)合形成CaSO4，直到Ca2+配完為止，然后配Mg2+，依此類推（王淑麗等，2014）。

根據(jù)野外考察和上述各類研究分析，研究區(qū)典型礦物可分為氯化鹽礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物3類，另外還有部分碎屑與黏土礦物。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

2.1 氯化鹽礦物特征

結(jié)合X射線粉晶衍射實驗、元素含量測試及配礦分析（圖2，表1）可知，XXZK001-4-2樣品石鹽特征峰明顯，與標準峰位吻合，為含少量雜鹵石石鹽巖，石鹽含量高達96.22%，雜鹵石含量2.31%，化學(xué)分析顯示其成分主要為Cl-、Na+，含少量K+、Ca2+、SO石鹽巖層段易溶，井徑曲線上表現(xiàn)為突然增大且較平穩(wěn)；基本不含放射性，伽馬值較低；密度較低，一般為1.80～2.10 g/cm3；聲波時差值較高，一般為67 μs/ft；由于其不導(dǎo)電，電阻率值較高（圖7b）。

2.2 碳酸鹽礦物特征

碳酸鹽類礦物對于指示水體濃縮程度有重要意義。方解石、白云石、菱鎂礦隨蒸發(fā)濃縮依次析出，方解石既可作為水體開始濃縮的標志，也可作為水體淡化的標志；菱鎂礦可作為水體咸化的標志，對指示鉀鹽有重要意義。巖芯樣品經(jīng)實驗分析后，發(fā)現(xiàn)三者均存在。

（1）方解石

XXZK001-33-1 樣品X 射線衍射能譜（圖3）顯示，樣品中方解石特征峰明顯，與標準峰位吻合較好，最強峰所對應(yīng)的衍射角在29°左右，強度在1.7×104N左右。

（2）白云石

XXZK001-35-1 樣品X 射線衍射能譜（圖4）顯示，樣品中主要成分為白云石，特征峰明顯，與標準峰位吻合較好，最強峰所對應(yīng)的衍射角在31°左右，強度在1.6×104N左右。

（3）菱鎂礦

“小表姐正生氣二表哥偷懶，卻聽見柴垛的后面有響動，然后，居然聽到了女人的喘息聲。小表姐的臉色變得難看起來，已經(jīng)是大姑娘的她，知道那是什么聲音，于是奔到柴垛后面一看，呆住了。

結(jié)合X 射線衍射實驗及配礦分析（圖5a，表1）。XXZK001-24-6樣品中菱鎂礦特征峰明顯，含量高達61.41%，化學(xué)分析顯示主要為Mg2+、Ca2+、Br-、Li-、B3+、SO

圖2 XXZK001-4-2樣品X射線衍射能譜H—石鹽；Pol—雜鹵石Fig.2 XRD patterns of sample XXZK001-4-2 H—Halite;Pol—Polyhalite

表1 樣品化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Chemical analyses of sample

含菱鎂礦泥巖與普通泥巖的測井曲線很相似（圖5b），均有擴徑現(xiàn)象，具有高伽馬、高中子、低電阻率、低聲波時差的特征，但前者密度偏大，且隨泥質(zhì)含量增多而減小。

2.3 硫酸鹽礦物特征

（1）硬石膏

結(jié)合X射線衍射實驗、元素含量測試和配礦結(jié)果進行分析（圖6，表1），XXZK001-39-2 樣品中硬石膏特征峰明顯，含量高達95%，含少量方解石，化學(xué)分析顯示主要成分為Ca2+、B3+、SO，含少量Mg2+、Br-。硬石膏巖無擴徑現(xiàn)象；由于無放射性使得伽馬值較低，位于15～30 API之間；密度在2.93～3.00 g/cm3之間；聲波時差值一般為50 μs/ft；電阻率非常高，一般在幾千Ω?m到幾萬Ω?m之間（圖7b）。

（2）雜鹵石

經(jīng)X 射線粉晶衍射及配礦分析（圖7a，表1），XXZK001-5-4樣品中雜鹵石（K2MgCa2(SO4)4·2H2O）特征峰明顯，含量高達32.69%，樣品化學(xué)分析顯示主要為Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Br3+、SO，其中w(K+)高達4.24%。

雜鹵石層段因極難溶而無擴徑現(xiàn)象；伽馬值表現(xiàn)為高異常，通常大于50 API；能譜曲線上表現(xiàn)為高K，低U、Th；聲波時差呈高值，一般大于45 μs/ft；因含結(jié)晶水而補償中子呈高值，一般大于18%；密度高，一般在2.72～2.78 g/cm3之間；電阻率較大（圖7b）。

圖3 XXZK001-33-1樣品X射線衍射能譜Ca—方解石；Do—白云石Fig.3 XRD patterns of sample XXZK001-33-1 Ca—Calcite；Do—Dolomite

圖4 XXZK001-35-1樣品X射線衍射能譜Fig.4 XRD patterns of sample XXZK001-35-1

圖5 含菱鎂礦泥巖測井響應(yīng)特征及XXZK001-24-6樣品X射線衍射能譜a.XXZK001-24-6樣品X射線衍射能譜；b.巖石測井響應(yīng)特征Mag—菱鎂礦；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 綠豆巖特征

綠豆巖（K2O·Al2O3·10SiO2）為含黏土礦物的一種火山巖，為鉀肥的生產(chǎn)提供了重要資源。可分為富鉀凝灰?guī)r和水云母凝灰?guī)r2 類，前者主要分布在川東北地區(qū)，后者主要分布在川南、川西南地區(qū)（陳靜，2000）。

研究區(qū)綠豆巖具有高伽馬、高中子、高聲波時差、低密度、低電阻，即“三高兩低”的特點，能譜曲線上表現(xiàn)為高K、Th、U，其中K 含量異常偏高（圖8）?；瘜W(xué)組分顯示：w(SiO2)為62.59%；w(Al2O3)為14.59%；w(K2O) 為8.18%；w(MgO) 為2.72%；w(Fe2O3) 為1.47%；w(Na2O)為0.34%；w(FeO)為0.28%；w(CaO)為0.14%，顯示出含鉀性較好（關(guān)建哲，1990）。

圖6 XXZK001-39-2樣品X射線衍射能譜Fig.6 XRD patterns of XXZK001-39-2

3 宣達地區(qū)含鹽系鉀鹽研究

研究區(qū)地層主要由一套三疊系海相沉積的碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖組成，巖性復(fù)雜。研究區(qū)含鹽系地層埋深一般大于3000 m，所以測井成為該地鉀鹽研究的重要手段。巖性不同，測井曲線特征不同，相似巖類由于成分等差異，曲線特征也有所區(qū)別。

研究區(qū)主要固態(tài)鉀鹽礦物為雜鹵石，可采用測井曲線綜合識別法識別。首先根據(jù)自然伽馬值鑒別是否含放射性，其次根據(jù)井徑及電阻率鑒別溶解性，再根據(jù)密度、聲波、中子、電阻率區(qū)分灰?guī)r、白云巖和硬石膏巖，最后根據(jù)自然伽馬能譜曲線進行識別（表2）。

雜鹵石識別也可以采用測井曲線重疊法，先找到標準泥巖層段，再將2 條測井曲線進行重疊，根據(jù)幅度差判斷。實驗表明，選取伽馬曲線分別與聲波及密度曲線重疊效果較好，對研究區(qū)X6井進行雜鹵石識別，如4068.60～4071.05 m、4074.02～4075.68 m層段（圖9），幅度差越大，雜鹵石含量越高。伽馬、密度曲線重疊時，石鹽巖層也會出現(xiàn)幅度差（圖9b），可根據(jù)石鹽巖層放射性低、密度低的特點進行區(qū)分。

雜鹵石巖與泥巖的自然伽馬均呈高值，含結(jié)晶水的雜鹵石巖與泥巖中子均呈高值，但二者在密度、井徑、電阻率、自然伽馬能譜曲線上均有差異。泥巖易垮塌而有擴徑現(xiàn)象，密度低、電阻率低、高K、Th和低U（圖10a）；雜鹵石巖則表現(xiàn)為高密度、高電阻率、高K和低Th、U的特征（圖10b）。

表2 碳酸鹽巖-蒸發(fā)巖剖面主要巖石骨架測井響應(yīng)特征Table 2 Logging response of rock matrix of carbonatite-evaporites profiles

圖7 測井響應(yīng)特征及XXZK001-5-4樣品X射線衍射圖譜a.XXZK001-5-4樣品X射線衍射能譜；b.巖石測井響應(yīng)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

根據(jù)上述方法，對研究區(qū)不同構(gòu)造上的3 口井進行了雜鹵石識別（表3）。

XX2位于川東斷褶帶老君山構(gòu)造巖性復(fù)合圈閉北端，在嘉陵江組四段二亞段（T1j4-2）識別出4 層雜鹵石層（圖11），厚度在1.50～4.55 m 之間，2層純雜鹵石層，2 層雜鹵石夾石鹽巖層，后者密度、補償中子值、K值略低，聲波時差值相對較高。

圖8 綠豆巖測井特征Fig.8 Logging response characteristics of mung bean rock

圖9 曲線重疊法識別雜鹵石a.GR-AC重疊；b.GR-DEN重疊Fig.9 Overlap identification of polyhalitea.Overlap of GR and AC;b.Overlap of GR and DEN

X6 井位于川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶普光-雙石廟背斜帶普光構(gòu)造南部，識別出的4 層雜鹵石層均位于T1j4-2（圖12），厚度在1.48～2.75 m之間，2層純雜鹵石層，2 層雜鹵石夾石鹽巖層，后者伽馬值相對較低。

圖10 泥巖（a）和雜鹵石巖（b）測井響應(yīng)特征Fig.10 Logging response characteristics of mudstone(a)and polyhalite(b)

圖11 XX2井雜鹵石定性識別Fig.11 Qualitative identification of polyhalite of XX2

XX3 井位于川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶毛壩場-雙廟場潛伏背斜帶毛壩場背斜構(gòu)造南部，該井在T1j5-2（圖13）共識別出5 層雜鹵石層，厚度在1.10～13.75 m 之間，其中有2 層純雜鹵石層，一層雜鹵石夾硬石膏巖層、一層雜鹵石夾石鹽巖層和一層雜鹵石石鹽巖層。雜鹵石石鹽巖層厚度較大，為13.75 m，部分層段擴徑現(xiàn)象明顯，電阻率值、K 值較其他層段略低；雜鹵石夾硬石膏巖層、雜鹵石夾石鹽巖層伽馬值、中子值、K 值略低；純雜鹵石層，K 值最高。

綜上可知，研究區(qū)雜鹵石主要分布于T1j4-2和T1j5-2，主要發(fā)育在黃金口構(gòu)造帶毛壩場-雙廟場潛伏背斜和普光-雙石廟背斜及老君山構(gòu)造巖性復(fù)合圈閉。區(qū)內(nèi)雜鹵石埋藏較淺，厚度在1.10～13.75 m之間，多見雜鹵石夾石鹽巖層，局部見雜鹵石夾硬石膏巖層。測井響應(yīng)特征隨礦物組成、含量不同而不同。

4 結(jié) 論

圖12 X6井雜鹵石定性識別Fig.12 Qualitative identification of polyhalite of X6

表3 解釋結(jié)果Table 3 Interpretation result

本文根據(jù)巖芯樣品、測井等資料，結(jié)合地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、測井知識，運用元素含量測試、配礦分析、XRD 等方法對川東宣達地區(qū)典型礦物特征、巖石測井響應(yīng)特征進行綜合分析，結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)典型礦物主要包括石鹽、硬石膏、雜鹵石、方解石、白云石、菱鎂礦。

（2）研究區(qū)存在潛在鉀鹽資源，含鉀性較好的固態(tài)鉀鹽為雜鹵石，測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為高電阻率、高密度、高伽馬值、高K值。

（3）研究區(qū)雜鹵石主要分布在T1j4-2和T1j5-2層段，主要發(fā)育在黃金口構(gòu)造帶毛壩場-雙廟場潛伏背斜和普光-雙石廟背斜以及老君山構(gòu)造巖性復(fù)合圈閉，區(qū)內(nèi)雜鹵石埋藏較淺，厚度在1.10～13.75 m之間，多見雜鹵石夾石鹽巖層，局部見雜鹵石夾硬石膏巖層。礦物組成、含量不同，測井響應(yīng)特征略有差別。

圖13 XX3井雜鹵石定性識別Fig.13 Qualitative identification of polyhalite of XX3