湖北江陵凹陷深层高温富钾卤水特征及其成因探讨

潘源敦 刘成林 徐海明

1 中国石化石油勘探开发研究院荆州勘查技术中心，湖北荆州，434100；

2 中国地质科学院矿产资源所，北京，100037

地质·矿床

湖北江陵凹陷深层高温富钾卤水特征及其成因探讨

潘源敦*1刘成林2徐海明2

1 中国石化石油勘探开发研究院荆州勘查技术中心，湖北荆州，434100；

2 中国地质科学院矿产资源所，北京，100037

江汉盆地江陵凹陷深处赋存高温富钾卤水，含卤地层主要是古新统沙市组。富钾卤水的分布受持续的继承性沉降中心（洼陷）、沙市组含盐系、石盐-硫酸盐沉积相的控制，聚集在砂岩、玄武岩、辉绿岩和白云岩等孔隙-裂隙内，裂隙的发育又与局部构造（背斜、盐构造等）枢纽部共轭裂隙带有关。古新世，盐湖已经蒸发浓缩到钙芒硝-石盐阶段，可能短暂达到硫酸镁盐和硫酸钾镁盐阶段。以后，原生的晶间卤水在成岩后期受到玄武岩侵入和高温流体影响，发生变质作用、去镁和去硫酸根作用，同时带入丰富的钾、铷、铯等元素，最后形成了高温富钾卤水。这种成矿过程可称为地下热事件激发成矿机制，值得进一步探讨。

江陵凹陷 高温卤水 钾盐 古近纪 玄武岩

0 引 言

江陵凹陷位于湖北省荆州市，面积8380km2，是江汉盆地的最大凹陷。盆内古近系古新统沙市组含盐系赋存高温富钾卤水。1967年江汉油田在公安县埠河沙4井深3288m处，发生高温、高压、高浓度卤水井喷，井口温度97℃，卤水浓度327g/L，其中KCl达到17g/L；1972年，江汉油田在沙4井附近施工沙15井，在井深3245～3297m处辉绿岩中，再次钻出高温、高压、高浓度卤水层；1980年江汉油田在松滋市涴市镇施工路9井时，至井深3551m处沙市组，发生自喷富钾卤水❶❷❶吴必豪，刘群，等，中国钾盐成矿条件与国外典型矿床的对比研究——中国钾资源战略性评估报告，1995❷中国石化勘探开发研究院荆州勘查技术中心，江陵盐盆地盐类矿产初步普查评价报告，2006。近年来，江陵盐盆盐矿勘查与富钾卤水分布特征研究又有进展❷❶吴必豪，刘群，等，中国钾盐成矿条件与国外典型矿床的对比研究——中国钾资源战略性评估报告，1995❷中国石化勘探开发研究院荆州勘查技术中心，江陵盐盆地盐类矿产初步普查评价报告，2006，在此基础上，笔者就深层富钾卤水的成因进行探讨研究。

地下卤水赋存于从新元古界至中新生界不同时代地层的孔隙和裂隙内。据统计【1】中国地下卤水主要储集于中生代和新生代地层中，这与中国盐类矿床主要分布于中新生界有关，全球的情况与此类似。按卤水形成时代与赋存地层等，可分为三大类：第一类，即现代（第四纪）卤水——主要赋存于第四系盐类沉积物及现代盐湖中，例如察尔汗盐湖卤水钾矿和罗布泊罗北凹地卤水钾矿等。第二类，古代卤水（深层地下水）——赋存于已成岩的前第四系沉积岩孔隙及裂隙中，大多属油田水。第三类，产于结晶岩断裂带中的高盐度卤水【2】。这些卤水大多属于低温卤水。然而，还有另一类高温卤水在地表或海底分布，例如，埃塞俄比亚盐湖（属于红海裂谷系）主要分布于达纳基尔坳陷，是由于地下冒出的热卤水泉形成的一些卤水池，同时伴随着很多钾盐等盐类析出【3】，一些热卤水泉由高温（达130℃）饱和MgCl2卤水构成，氯化钾含量约2%，卤水冒出后立即析出水氯镁石和光卤石，上述热卤泉应该与该区火山活动有关。在美国加利福尼亚州索尔顿海湖东南的科学钻探中，曾钻遇高温（270～370℃）热卤，盐度达332g/L，Na为5.2%，Ca 2.6%，K 1.6%，Cl 15.3%。在东非裂谷马加迪湖沿岸曾出现20多个热泉，矿化度15～30g/L，属重碳酸盐型水。所有的泉均与全新世火山活动有关，仅1万多年时间内，它们在湖底沉积出天然碱储量达30亿t【4】。乌干达境内断裂谷中盐湖（Katwe）火山口湖，有50多个泉水补给该湖，湖水K含量为2.2～45g/L，Br 0.5～2.55 g/L，F 0.1～0.5 g/L【5】。中东死海，面积1000多km2，死海到更新世时期才完全与海水隔绝。死海盐类物质来源：1/3来自约旦河，2/3来自高盐度泉水；3个泉水钾离子平均含量达15.99g/L；其KCl资源量达20亿t【6，7】。这些高温卤水可能来自地球内部的卤水或流体【8~11】，分布于上地幔和地壳深部；部分流体形成于地幔的排气作用，一部分是海水沿着俯冲带向下转移及随着“岛弧”火山向上返回地表【8】。

湖北江陵凹陷深部古近纪地层赋存有富钾卤水，而同期伴有大量火山活动，本文根据该区富钾卤水特征，类比国外高温卤水，就火山活动对富钾卤水的形成控制进行讨论。

1 研究区地质概况

江陵凹陷为上白垩统—古近系断陷盆地，是江汉盆地的一部分（图1）。凹陷的发育主要受万城断层、丫角断层、纪山寺断层、问安寺断层和公安断层控制，由NNE向万城断层切割组成地块，总体表现为“一凸、两洼”的构造格局。万城-采穴断凸将凹陷分为东西两个断凹，西为江口断凹，东为江陵断凹。江陵断凹受NW向断层切割，又表现为次极“一隆、两洼两斜坡”的格局。

现在发现的富钾卤水矿点、矿化点分布在古近系古新统沙市组内。沙市组蒸发岩主要分布于江陵断凹的洼陷内，成为一个相对独立盐盆（图1），江陵洼陷面积1600km2。富钾卤水分布区在江陵断凹中南部，有3处富钾卤水矿点、6处矿化点，控制面积960km2。

图1 江陵凹陷富钾卤水分布区（粗线为富钾卤水分布范围）Fig.1 The distribution area of the potassium-bearing brine in Jiangling depression（中国石化勘探开发研究院荆州勘查技术中心，2006）

2 富钾卤水特征

2.1 卤水化学

富钾卤水化学组成见表1。卤水矿化度达325g/L以上，其中阴离子C1-占绝对优势，占毫克当量数的99.3%～99.7%，阳离子中Na+＞Ca2+＞K+，三者之和也达到毫克当量数的99%，为卤水中的主要成分。

卤水中C1-及Na-是其主要离子成分，SO42-极低。但各井SO2-4含量相差较大。路9井可达996mg/L；而沙4、15井仅190～232mg/L。K+含量达9.1～9.6g/L，KCl为17.5～18.5g/L。此外，卤水富含微量元素Br-三井沙市组卤水中Br达228～312mg/L，高于上覆新沟咀组地层水Br-，平均值（94mg/L）的2.5～3.5倍；江陵盐盆各层地层水普通含I，但含量变化大，潜江组水层含I量几乎为零；新沟咀组水层含I量平均为21mg/L；沙市组富钾卤水含I-还平均达37mg/L；三井卤水平均Li+含量达63mg/L，折合LiCl为276mg/L；三井卤水Sr2+含量不均匀，沙4井16.3mg/L，而路9井达400mg/L；三井中Rb含量达65mg/L，Cs含量22mg/L。

表1 江陵凹陷及其他盆地深层富钾卤水化学组成Table 1 Chemical composition of the birne in Jiangling depression and other

由表1可见，江陵凹陷深层卤水与四川三叠系海相地层和柴达木盆地第三系深层卤水有相似之处，即高盐度、高钾及富含多种微量元素，埋藏深，卤水温度较高，它们在成因上可能受到相似机制控制。

2.2 卤水分布层位

沙市组含盐系按照岩性组合，可划分盐下碎屑岩段，含盐段和盐上硫酸盐段，盐类矿物分为碳酸盐（方解石、白云石、菱镁矿）、硫酸盐（硬石膏、钙芒硝、盐镁芒硝、钾石膏）和氯化物（石盐）三大类（据中石化研究院荆州勘查技术中心，2006）。

盐下碎屑岩段（沙一段），厚度700m～712m。主要岩性为紫红色、灰色泥质白云岩，局部夹薄层硬石膏岩、膏泥岩及粉砂岩，在洼陷顶部有含膏盐岩。

含盐段（沙二、三段）厚640m。主要为白色、灰白色含硬石膏盐岩，含钙芒硝盐岩与灰色泥岩，棕色白云岩、粉砂岩三层。基本韵律主要类型为：白云岩、泥岩、硬石膏岩、钙芒硝岩、石盐岩及粉砂岩六层结构型和泥岩、泥膏岩二层结构型。

盐上硫酸盐段（沙四段）厚295～312m。主要为深灰色白云岩、泥膏岩，钙芒硝岩及膏质粉砂岩，粉细砂岩薄层，夹棕红色泥岩。顶部为盐岩层。有两种基本韵律类型：一是白云岩岩、碳质泥岩、膏泥岩、钙芒硝岩结构类型，出现在剖面下部，成为剖面主体。另一类为白云岩岩、碳质泥岩、泥质盐岩、盐质泥岩、钙芒硝岩、盐岩结构，出现在剖面上部。

盐盆沉积中心与凹陷构造沉降中心一致。沉积中心沙市组含盐系演化序列完整，而盆地边缘次之。

2.3 富钾卤水储集特征

目前发现的富钾卤水矿点、矿化点都与盐系内的孔隙、裂隙岩石有关。卤水储集在砂岩、玄武岩、辉绿岩及白云岩多种介质内。

2.3.1 沙市组砂岩储集介质 沙市组一到三段砂岩，仅有荆州背斜带盐卡盐背斜沙市组二段一处资料。砂岩为长石石英砂岩，砂状结构，块状构造，孔隙-基底式胶结。以细、粉砂岩为主，多膏质胶结。少数为中粒砂岩，孔隙发育。

2.3.2 玄武岩储集介质 江陵盐盆沙市组发育溶岩状玄武岩，致密，气孔少，节理发育。陵2井、江深2井的高浓度卤水产于玄武岩发育裂隙之中。

2.3.3 辉绿岩储集介质 江陵盐盆井下多处见到辉绿岩，辉绿岩为与玄武岩同源的晚期浅成侵入岩，侵入玄武岩内。岩性为黑色，由拉长石，普通辉石及少量橄榄石组成，有典型辉绿结构，侵入围岩造成轻微蚀变。在辉绿岩内部也因冷却结晶速度不等，有中心相及边缘相之别，中心相结晶较粗，边缘相结晶较细，成为变余班状结构。辉绿岩呈脉状，受断裂控制，有一定方向性，真厚度不超过10m，一般3～5m。

2.3.4 白云岩裂隙储集体 松滋市涴市—弥陀寺一带的富钾卤水产于沙市组白云岩裂隙内，受层位、岩性和构造控制。白云岩岩层厚度几米～十几米不等，层状或透镜状。

2.3.5 裂隙储集体 裂隙储集体分布在背斜构造顶部和断裂的旁侧。江陵盐盆的裂隙储卤体，有明确记录的仅为沙市背斜转折端处的辉绿岩破碎带。它的特点为：①卤水明显受沙市组内的辉绿岩控制。但同一辉绿岩卤层，出卤情况却大相径庭。同一构造部位产卤量变化较大，反映出极不均匀的各向异性水动力特征，显现出裂隙主导控卤特征。②卤水富集地段与背斜顶部（枢扭带）有关，此处应力集中，断裂、裂隙发育。③储集岩基质孔渗条件差，无论是泥质岩、云质岩及膏盐岩都属低孔渗岩石。辉绿岩自身也是十分致密的不透水岩石。然而初产可达1500m3/d，超过岩石孔渗能力的几百倍。④在背斜顶部转折处，可出现纵张缝，并沿剖面的共轭扭裂带发生逆冲断层，也进一步诱导出拖曳羽状裂缝，沙市组1～3段，柔性岩石夹有刚性的泥质白云岩和辉绿岩。盐质岩石裂隙往往被次生盐填充，而在刚性厚层云质岩中的裂缝，形成了卤水富集带。

3 富钾卤水成因

3.1 卤水特征系数

沙4、沙15、路9三井卤水的特征系数，nNa/nCl、Br·103/Cl、K·103/Cl、SO4·102/Cl、K/Br等(表2)。从表2可以看出，江陵富钾卤水主要特征系数（nNa/nCl、Br·103/Cl、K·103/Cl、K/Br、nNa/nK）揭示其相当于海水蒸发到石盐沉积阶段的产物，但该区属于非海相沉积，说明物质来源丰富。而SO4·102/Cl反映了变质程度强烈。卤水中Rb、Sr、Li等微量元素含量比海浓缩海水至石盐沉积阶段高得多。有些连海水也难于检测出来的元素，如Cs和重金属（Mn、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn、Ag）等在卤水内较高，成为高异常。

总之，沙市组富钾卤水的特征系数以沉积水为主，由于镁离子和硫酸根很低，反映了沉积卤水已发生强烈变质，微量元素富集于石盐阶段，而一些特殊微量元素和重金属元素应有深部来源补给。

表2 富钾卤水特征系数Table 3 Chemical coefficent of the brine

3.2 富钾卤水形成——地下热事件激化机理

江陵凹陷火山岩非常发育，火山岩分布面积达3527km2，最大厚度为588.6m，平均厚度为122.7m，古近系火山岩大面积分布于凹陷内。

江陵凹陷玄武岩为大陆板内裂谷盆地型拉斑玄武岩，富含钾、铷和锶等微量元素（表3）。玄武岩主要分布在四个层位，即潜江组、荆沙组、新沟咀组及沙市组。通过玄武岩样品进行全岩K-Ar稀释法同位素年代测定，并对研究区内相同层位的各组样品的K-Ar年龄数据进行等时线处理，测定的年龄【14，15】为：沙市组（Es）62.4Ma，新沟咀组（Ex）51.2Ma，荆沙组（Ej）45.5Ma和潜江组四段（Eq4）41.0Ma，等时线的相关系数为0.9975～0.9998。而玄武岩喷发活动则为弱（古新世）→强（渐新世）→弱（中新世）。笔者发现潜江组沉积后期，有辉绿岩侵入，（岩体厚1.5～2m，倾角75°～80°，地表走向北东东。井下辉绿岩表现为视厚度很大（200余m）岩墙，可以分出边缘相、中间相。

表3 玄武岩与江陵凹陷拉斑玄武岩元素对比Table 3 Elemants comparision of basalts among Jiangling and others

卤水中Rb高达56.1～73.6mg/L，沙市组卤水Sr含量高达16～400mg/L，钾含量也比较一般地下卤水高，说明富钾卤水与玄武岩活动有一定联系，因为高温卤水与玄武岩接触反应可以释放Rb、Sr等元素。

对于江陵凹陷高温富钾卤水与玄武岩的关系，以前推测认为玄武岩为盐类沉积提供物质来源，主要是以下两方面：①玄武岩风化后可提供K、Na、SO42-等，第三纪玄武岩为钙碱性玄武岩，其K2O比一般玄武岩都高；②玄武岩活动后期的热水溶液将带来大量K、Na、Ca、Mg、S、F、Cl、I、Fe等组分和金属元素。此外，与江陵凹陷同处于新华夏大陆裂谷系中的在河南泌阳凹陷，古近系中沉积了多个天然碱矿层并有碱卤层，在含碱地层中出现水硅硼钠石，可能也是受到地壳深部流体补给形成的【17】，近年在泌阳凹陷发现第三纪玄武岩【18】，揭示深部流体在该区确实活动过【19】。认为四川深层富 K、B、Br 的卤水显示了海、陆相混合型卤水特征 ，某些元素的富集是在成盐成卤晚期外来卤水和地层水流入盐盆混合溶解盐层和蒸发浓缩起了重要作用【19】；该井卤水硼的富集绝不是单一海水蒸发 ，非海相因素起了主导作用。由于扬子地台西缘二叠-三叠纪海相火山强烈活动【20】，推测三叠系富钾卤水的形成与火山活动有密切的关系，这样才能更好解释卤水中硼锂铷铯等元素的来源，而现代富硼、锂、铯等微量元素盐湖矿床的形成均与火山热水补给有关【21，22】。

鉴于江陵凹陷深层富钾卤水与玄武岩及辉绿岩关系密切， 而且温度很高，因此，认为江陵高温富钾卤水的形成受到玄武岩活动的控制影响，主要表现在地层被加热，其次有热流体掺入，导致白云石化和硫酸盐还原作用强化，可以归结为火山活动热事件导致卤水变质和聚集钾及微量元素，火山活动的影响发生于古近纪-新近纪，早期盐湖沉积时期，可能有温热泉水补给，沉积后期含盐系地层受到岩浆侵入加热和流体灌入混合，其形成过程如下（图2）。

古近纪，古盐湖沉积时期，火山活动相对弱，但是可能有温热泉水活动，盐湖还受到老地层及玄武岩风化补给，根据矿物沉积组合，卤水化学类型为硫酸盐型。

图2 江陵型高温卤水形成模式示意图Fig.5 Sketch map of formation of the high-temperature brine in the Jiangling depression

盐湖沉积后期，尤其埋藏成岩过程中，晶间卤水受地层静压力作用逐渐迁移到孔隙发育的储层中。而火山活动强烈，玄武岩和辉绿岩侵入到含盐系中，扰乱了原来的盆地沉积系统。一方面，地层卤水被加热，加速了白云石化、硫酸盐还原，另一方面，卤水-玄武岩反应释放出更多钾离子和Rb等微量元素，卤水-含盐地层（沙市组盐系钾离子含量0.05%～0.18%）反应释放钾离子，此外，伴随岩浆活动还可能有深源流体的灌入。通过上述地质过程形成了富钾及多种微量元素（Rb、Cs、Mn、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn、Ag）的高温卤水。

新近纪，造卤活动进入尾声，富钾卤水形成后分别迁移到孔隙发育的断裂带、碎屑岩和玄武岩等构造空间中聚集成矿。

4 讨论及结论

自从江陵凹陷发现富钾卤水后，许多专家对对江陵盐盆富钾卤水成因进行了讨论。刘群等（1976）认为卤水成因是沉积卤水，且经过后来变质作用的影响。卤水来源有二：一个是古湖水的浓缩，沙市组的巨厚盐岩层经过后期的构造、沉积、压实等作用，将盐岩层中的孔隙水、晶间水挤压出来，储存到孔隙、裂隙发育的岩层中，保存下来；一个是沿深大断裂、构造裂隙上升的深部卤水补给，其证据是卤水温度高达100℃，稀有元素的含量丰富，比一般正常海水浓缩的卤水高出数倍至数十倍，说明与火山活动深源补给密切相关。吴必豪等（1995）进一步认为“江陵凹陷高产卤水井均位于构造接合部或两组断裂交叉带，那里为卤水富集提供了空间，也为深部流体向上运移提供了通道”。

江陵凹陷富钾卤水的分布受持续的继承性沉降中心（洼陷）、沙市组含盐系、石盐-硫酸盐沉积相的控制；富集在砂岩、玄武岩、辉绿岩和白云岩等孔隙裂隙岩石内，裂隙的发育又与局部构造（背斜、盐构造等）枢纽部共轭裂隙带有关。前古近系的含钾物资补給；盐盆自身已经浓缩到硫酸钠镁盐和硫酸钾镁盐阶段，原生的盐类沉积晶间卤水、后期淋滤卤水以及玄武岩喷发带入含钾和各种微量元素流体，岩浆带来的热能，在高温高压的封闭环境中脱SO4的正向变质作用等，这些都是富钾卤水形成的主要条件和因素。

总之，江陵凹陷盐类沉积时保留下来的沉积水及成盐期后盐类变质的脱出水与深部岩浆分异出的高温流体互相掺杂，并发生脱硫酸根和白云石化的地质作用，最终形成富钾及多种微量元素的高温高盐度卤水，因此，我们认为火山活动的热事件是江陵富钾卤水形成的激发机制，这种热事件成钾机制可能具有一定的普遍性。

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CHARACTERISTICS AND FORMATION OF POTASSIUM-BEARING BRINE IN THE DEEPER STRATA IN DEPRESSION IN HUBEI JIANGLING PROVINCE

Pan Yuandun1Liu Chenglin2Xu Haiming2
1．Exploration center of Institute of Exploring and Development under Petrochemical Corporation of China，Jinzhou，Hubei，434100,China；
2．Institute of Mineral Resources，CAGS，Bejing，100037,China

The potassium-bearing brine with higher temperature had been discovered since 1970s in Jiangling depression of Hubei Province，and the brine mainly being stored in Shashi group of Eocene series. The distribution of brine are controlled by the subsiding center，stratum，halite-sulfates phase. The brine is cumulated in pores and cranies of sand rock，basalt，diabase，dolomite rock; the growth of cranies has been related with conjugate fractures in hinges of anticlines and salt structures. During Eocene epoch，salt lake had evolved to the glauberite and halite-crystalizing stage，or maybe reaching the K-Mg sulfate stage in impermanency.Afterward， in diagenesis the primary intercrystal brine was impacted by the invading of basalt and high temperature fluid，in the result，the metamorphose of brine had taken place，resulting in the removal of Mg and sulfate from brine， meanwhile plenty of K，Rb，Cs and so on had been brought into the brine，thus，the potassium-beaing brine had been formed.The brine formation is activated by the underground hot event resulting from volcanic activites.

Jiangling depression，high-temperature brine，pleogene，Eocene，basalt

P641.464

A

1006–5296（2011）02–0065–08

* 第一作者简介：潘源敦（1938～），男，主要从事石油地质、数学地质与蒸发岩研究，教授级高工

2011-03-22；改回日期：2011-05-06