我国盐田首次产出南极石

乜 贞, 董亚萍, 李 武, 卜令忠, 袁 伟, 乌志明, 张雪飞

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部盐湖资源与环境重点实验室, 北京 100037; 2)中国科学院青海盐湖研究所, 青海西宁 810008; 3)青海油田边远油田开发公司, 甘肃敦煌 736202

我国盐田首次产出南极石

乜 贞1), 董亚萍2), 李 武2), 卜令忠1), 袁 伟3), 乌志明1), 张雪飞1)

1)中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部盐湖资源与环境重点实验室, 北京 100037; 2)中国科学院青海盐湖研究所, 青海西宁 810008; 3)青海油田边远油田开发公司, 甘肃敦煌 736202

南极石是极度干旱且寒冷气候条件下的产物, 于1963年在南极首次被发现, 并以发现地而被命名为南极石。在我国青海柴达木盆地, 也曾有发现南极石的报道。南极石化学式是CaCl2·6H2O, 可用来生产融雪剂, 干燥剂等, 具有广泛的用途。本文在青海省柴达木盆地西部南翼山地区, 利用1940 m深处的地下氯化物型富钾油田水进行盐田蒸发试验, 于冬季得到了南极石矿物。通过偏光显微镜下鉴定、X光粉晶衍射及化学分析, 并参照前人矿物数据, 确定为南极石。以前没有关于人工产出南极石的报道, 这是首次在野外人工盐田条件下产出南极石, 这对认识南极石的自然产出及赋存气候环境条件, 对研究地区气候变化, 具有重要指示意义。

南极石; 地下卤水; 盐田试验; 青海柴达木; 气候环境

南极石是极度干旱且寒冷气候条件下的产物,其化学式是CaCl2·6H2O。天然南极石于1963年在南极Victoria Land的Don Luan Pond首次被发现, 该地为一干旱山谷, 池水为高矿化度氯化物型富钙卤水(Torii et al., 1965)。矿物名根据其发现地, 由其发现者申请, 而被命名为南极石。之后, Dunning等人在美国加利福尼亚的Bristol Dry Lake也发现了南极石的存在(Dunning et al., 1969)。Harris等人通过研究南极Don Luan Pond湖水的周期性变化, 认为该地产出南极石的首要因素当属极低的温度(Harris et al., 1979)。在我国, 南极石于1983年首次发现于青海省柴达木盆地西部的昆特依盐湖。李秉孝等人在此地地表以下10～40 cm, 于没有晶间卤水出露处, 采集到与红色砂砾、碳酸盐和少量石膏共生的白色团块状南极石(李秉孝等, 1986), 说明我国柴达木盆地具有适于南极石赋存的气候条件。盐湖是气候环境的灵敏记录器, 通过研究盐湖和盐类矿物, 可以将今论古, 推知气候、环境变迁(郑绵平等, 1998), 南极石对于研究当地气候环境变化, 具有很好的指示意义。

在国民经济中, 氯化钙具有广泛的用途。无水氯化钙是工业和实验室常用干燥剂, 可用于氮气、氧气、氢气、氯化氢等气体的干燥; 在无机工业中用作制造金属钙和各种钙盐的原料; 在日常生活中用作融雪剂, 广泛应用于冬季道路、立交桥、停车场、广场等场所融雪及防冻剂; 在冶金行业中用作铝镁冶金的保护剂、精炼剂。氯化钙溶液是致冷工业中重要的冷冻剂, 在建筑工业中用作防冻剂, 以加速混凝土硬化和增加建筑砂浆的耐寒能力。

笔者项目组于2012年在柴达木西部南翼山地区用采自地下约1940 m深度的油田水做盐田试验,提取钾混盐过程中, 发现于冬季在盐田中析出了南极石。以前没有关于人工产出南极石的报道, 这是首次在野外盐田中产出南极石。

1 实验区地理气候

本次盐田试验在南翼山地区进行, 南翼山位于柴达木盆地西部, 属青海省海西蒙古族自治洲茫崖行委管辖。实验区位置东径91°18′—91°35′, 北纬38°17′—38°25′, 距茫崖行委所在地花土沟镇约120 km, 距格尔木市大约600 km。本地区海拔一般在2800～3200 m, 属丘陵地带, 风蚀作用强烈, 呈风蚀残丘及风蚀丘陵等地貌, 地面盐碱裸露, 无植被生长(图1)。

柴达木盆地西部是我国典型寒旱区, 南极石是其代表性冷相盐类矿物(郑绵平等, 2010, 2013)。南翼山地区是柴达木的寒旱中心, 本区域干燥寒冷,风多雨少, 昼夜温差大, 蒸发作用十分强烈。据茫崖气象站多年观测资料, 当地年平均降水量为55.3 mm, 且集中在6、7两月; 年均蒸发量为2856.9 mm, 为降水量的51.6倍, 每年5—9月份为主要蒸发季节。年平均气温1.5℃, 从11月至次年3月为当地冻结期, 全年最冷月份为1月, 多年1月月均气温为–12.1℃(曹文虎等, 2004)。

2 矿物的取得

图1 南翼山盐田试验区位置示意图Fig. 1 Location of the experiment solar ponds within the Nanyishan brine

南翼山油田水化学类型为氯化物型, 其特点是高钙富钾, 并富含有多种稀有元素, 具有很好的开发价值。本次盐田试验用卤为深度1940 m处的地下卤水, 采自南13井, 原为石油生产井, 现已停产。原始卤水化学组成列于表1, 矿化度为297.3 g/L,密度为1.1915 g/cm3(15℃)。卤水中KCl含量接近1%, 达到工业开发品位要求, 而且该卤水富含B、Li、Rb、Cs等元素, 开发利用价值很高。该卤水中Ca/Cl比值为0.1, 远大于柴达木盆地除牛郎织女湖外的其它地表卤水(李秉孝等, 1986)。

试验盐田总面积10500 m2, 其中钾盐池面积3400 m2, 图1中右下角即为正在试验中的盐田晒池照片。卤水经过蒸发浓缩, 析出石盐后, 于8月下旬排入钾盐池开始析出钾石盐, 从10月13日起至2013年2月底, 发现在钾盐池中断断续续析出了南极石矿物。本试验中析出南极石时卤水组成及其与南极Don Luan Pond的卤水组成对比见表2(Torii et al., 1965), 含南极石混盐矿物组成见表3。其中, 序号12、14、17、22为南翼山的样品, 其余为南极Don Luan Pond的样品。从表2可见, 南翼山卤水中Ca/Cl比小于Don Luan Pond卤水, 而Na离子浓度高于Don Luan Pond卤水, 说明Don Luan Pond卤水已经到了蒸发析盐的后期, 而南翼山卤水刚刚达到南极石析出初期。

表1 试验用原始油田水化学组成Table 1 Chemical composition of the original oilfield brine used in the experiment

3 南极石物性

本次试验中的南极石与石盐、钾石盐等矿物共同析出, 混盐呈无色块状体, 其中主要为石盐矿物,混盐中南极石的品位不等, 通过在不同时间段取样,品位分布在5%～14%。本试验中南极石在偏光显微镜下的形貌见图2, 其X-射线衍射分析和与标准峰对比见图3。

南极石晶体为无色, 镜下常见为六边形, 集合体常呈柱状、粒状。南极石晶体是极度干旱且寒冷气候条件下的产物, 具有很强的吸湿性, 在20℃以下且较干燥环境中能存放。当温度升高时, 易溶于自身的结晶水中。在显微镜下观察时, 随着透射光亮度的增加, 引起温度的升高, 视野中会出现水迹,南极石晶体会逐渐溶化。南极石也易溶于浸油中,其光性为一轴晶, 负光性。No=1.549, Ne≈1.498, No-Ne＝0.051, 属于强干涉色。本试验中的南极石大多为六边形自形-半自形晶, 因混盐中主要为石盐,另伴生有钾石盐和天然硼酸, 所以易于鉴别。

表2 南翼山析出南极石卤水化学组成(%)Table 2 Composition of brine when it began to precipitate Antarcticite in Nanyishan solar ponds(%)

表3 南翼山盐田试验中含南极石混盐矿物组成(%)Table 3 Content of Antarcticite in the salts precipitated in Nanyishan solar ponds(%)

4 讨论

南翼山油田水为富钙氯化物型卤水, 且富含钾、硼, 按室内15～20℃温度范围模拟蒸发实验, 其析盐次序为: 石盐(NaCl)→石盐+钾石盐(KCl)→石盐+钾石盐+硼酸→石盐+光卤石→石盐+光卤石+南极石(李武等, 2012)。可以看到南极石在蒸发的后期结晶析出, 且只能在干旱环境生成, 标志卤水演化已经进入尾声。但是在本次实验过程中析盐次序发生变化, 南极石提前至钾石盐阶段析出, 分析原因, 主要为高氯化钙卤水受南翼山地区寒冷干旱气候影响, 而提前于盐田中析出。

这是首次在野外环境, 盐田条件下产出南极石,此前没有关于人工产出南极石的报道。本研究对认识南极石的自然产出和赋存气候环境, 对研究地区环境、气候变迁, 具有重要指示意义。

图2 南翼山油田水析出含南极石晶体混盐的镜下照片Fig. 2 Images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield brine

图3 南翼山油田水析出的含南极石混盐的X衍射照片Fig. 3 XRD images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield water

致谢:青海第三地质矿产勘查院苏祖东高工、中国科学院青海盐湖研究所张永兴硕士参加了部分盐田试验工作;青海盐湖研究所宣之强研究员、中国地质科学院矿产资源研究所盐湖中心刘丹阳高工进行了盐矿鉴定工作; 中国地质科学院矿产资源研究所郑绵平院士、《地球学报》编辑部主任魏乐军研究员和青海盐湖研究所宋彭生研究员对文稿提出了宝贵修改建议, 在此一并致以衷心感谢！

曹文虎, 吴蝉. 2004. 卤水资源及其综合利用技术[M]. 北京: 地质出版社.

李秉孝, 王克俊. 1986. 我国的南极石[J]. 矿物学报, 6(1): 59-63.

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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

本文由中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212011085523)、国家自然科学基金项目(编号: 41073050)和中国地质科学院重点实验室基金项目(编号: C0908)联合资助。

2013-05-28; 改回日期: 2013-08-20。责任编辑: 闫立娟。

乜贞, 男, 1972年生。研究员。主要从事盐湖化学和盐湖资源综合利用研究。通信地址: 100037, 北京市百万庄大街26号。电话: 010-68992231。E-mail: nieezhen518@163.com。