湖北江陵凹陷科探井现场分析技术及其应用❶

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国家地质实验测试中心，北京100037

湖北江陵凹陷科探井现场分析技术及其应用❶

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国家地质实验测试中心，北京100037

提要江陵凹陷是江汉断陷盆地的一个面积宽广、矿产资源丰富的次级凹陷。通过对比钾盐等蒸发岩的分析技术，X射线荧光光谱技术（简称XRF）具有分析灵敏度高、样品制备简单、分析速度快等特点，有效的避免了岩盐和钾盐的易溶性和变化性所带来的影响。现场采集江陵凹陷科探井（SKD2）蒸发岩发育层段（327.11～437.70m）的岩屑样品，经处理、测定，分析结果与蒸发岩系盐类矿物成分具有较好的一致性。开展钻井实时化学监测技术研发、应用，为及时发现目标层、停钻取心提供数据支撑，对于蒸发岩勘查及钾盐找矿具有重要意义。

江陵凹陷蒸发岩勘查技术XRF岩性分析

1　引言

江陵凹陷位于江汉盆地西部，是江汉盆地的一个富烃凹陷。江汉盆地江陵凹陷从二十世纪六十年代开始，进行了大量的油气勘探，多个钻孔揭示了沙市组为含盐系地层，并发现赋存富钾卤水。2010年，中国地质科学院矿产资源研究所在GK1井的科学钻探中，于 3581.40m井深处，打出高温、高压、高浓度的富钾卤水，实现了江陵凹陷钾盐找矿的突破，2011～2012年又施工了岗钾2井（井深4311m）和沙钾3井（井深3880m），发现存在富钾卤水层，2012～2013年实施继续开展科探井（SKD2）的钻探。

从目前的钻井资料发现，江陵凹陷古近系都有盐类沉积，多数分布在古近系古新统，并发现了钾石盐矿物和富钾卤水，由于岩盐和钾盐的易溶性和变化性，样品不宜保存，但在钻探过程实时快速检测，可以马上发现目标层，为停钻取心提供可靠依据。因此，开展钻井实时化学监测技术研发对于蒸发岩勘查及钾盐找矿具有重要意义。

2　江陵凹陷地质特征

2.1构造

江陵凹陷是新华夏裂谷带江汉断陷盆地的一个重要的次级凹陷【1，2】。凹陷的北部边界是纪山寺断层（图1）；问安寺断层是盆地的西部边界；西南的洞庭盆地与江陵凹陷相通；盆地的南部边界以白垩-新近系剥蚀线为界；清水口断层及龙安断层为其东部边界，面积 6500km2【3】。江汉断陷盆地的发展经历了众多的地质构造运动，盆地内的断裂十分发育【4，5】。

2.2地层

江陵凹陷白垩系以来的地层岩性如下。

2.2.1白垩系（K）上白垩系地层发育比较广泛，厚度变化较大，以红色细粒碎屑岩为主，局部有厚层状的含膏，含盐粉砂岩发育，其中下部的渔洋组的厚度有1000～2500m，沉积相主要是以河流相和滨浅湖相为主，沉积物总体垂向上从下到上粒度逐渐变细。

图1　江陵凹陷区域构造及科探井SKD2位置图（据江汉油田研究院，2011❶❶ 江汉油田研究院. 2011. 江陵古近纪盐盆地富钾卤水调查评价。）Fig.1　The location of science exploration well SKD2 in Jiangling sag（Academy of Jianghan Oilfield， 2011）

2.2.2古近系（E）主要包括：①沙市组（Es）：是江陵凹陷的主要盐湖沉积时期，主要发育各种蒸发岩，比如盐岩，膏岩，钙芒硝岩，泥膏岩等，也有碎屑岩发育，多与蒸发岩呈薄层状互层出现。②新沟嘴组（Ex）：分上、下两段。上段为棕红、灰紫色泥岩夹粉砂岩、玄武岩，下段为砂泥岩互层，部分含硬石膏。属三角洲、浅湖-半深湖相，该层是江陵凹陷的主要产油层。③荆沙组（Ej）：以棕红、紫红色泥岩为主，夹粉砂岩、玄武岩。下部泥岩含硬石膏，往上减少。属冲积平原沉积相沉积，厚度和岩性变化大。④潜江组（Eq）：以灰绿、灰-深灰色泥岩为主，夹油页岩、薄层泥灰岩、粉砂岩及玄武岩。属深湖-半深湖相、湖泊相沉积，该段地层最大厚度出现在江陵凹陷的东部和北部。⑤荆河镇组（Ejh）：岩性为暗色细粒碎屑岩沉积为主，泥岩、粉砂岩夹灰岩、油页岩，属浅湖相沉积。

2.2.3新近系（N）广华寺组（Ng）：该段主要是河流相和湖泊相比较发育，沉积物多为红色和暗色互层，由砂砾岩、粘土组成韵律层，从下到上沉积物粒度逐渐变粗，与下伏地层古近系地层呈不整合接触。

2.2.4第四系（Q）第四系平原组（Qpp）：杂色砂砾层、灰色粘土层，凹陷内普遍存在，与下伏新近系地层呈平行不整合接触。

综上所述，从白垩系到第四系以碎屑岩沉积为主，蒸发岩主要发育于古新统沙市组。

3　钻井工程及地层岩性

3.1钻井工程

科探井SKD2位于江陵凹陷西南部， 2014年12月至2015年2月开展钻井地质工作，终孔深度1200.43m。完成岩芯（屑）地质编录、采样、资料整理等工作，本文主要依据钻井现场采集的岩芯（屑）样品，开展实时处理、测试，分析应用效果。

3.2钻井地层岩性

SKD2井钻遇地层自上而下依次为：第四系平原组，新近系广化寺组，古近系荆沙组、新沟嘴组、沙市组。由图2可看出，从上至下可划分为三大层段：上部地层0～195.0m，主要岩性为紫红、棕红、灰绿色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩及灰黑色、棕红色、灰白色等杂色砾岩。顶部主要为灰色粘土、杂色砾石、夹未成岩松砂层；中部层段195.0～499.0m，上部岩性主要为棕红、灰绿、紫红色泥岩、砂质泥岩及灰白色膏泥岩；下部主要为白色、半透明石盐、芒硝层，次为棕红、灰绿色泥岩；下部层段195.00～1200.43m，岩性上部主要为棕红、紫红、灰绿色泥岩、砂质泥岩夹灰白色、半透明膏泥岩。下部主要为棕红色、灰绿色粉砂岩、砂质泥岩。

图2　SK D2井岩性柱状图Fig.2　Lithologic bar chart of well SKD2

4　钾盐勘查现场快速分析技术

4.1分析技术与发展现状

随着现在科学技术的发展，元素的定性与定量分析技术方法越来越多，检测技术水平不断提高，支撑钾盐资源的勘查与研究能力越来越强。目前，钾元素的主要分析技术包括重量法、容量滴定法等传统化学方法，以及X射线荧光光谱法（XRF）、原子吸收光谱法（AAS）、原子发射光谱法（AES）等现代仪器分析法。

4.1.1传统分析法四苯硼化钠重量法是检测常量钾的最传统的化学方法。微酸性溶液环境下，四苯硼化钠与钾离子反应，生成晶态的白色沉淀，通过计算化学反应生成的沉淀重量进行对钾元素的测定。该方法具有标准偏差小、回收率高、准确度高等特点，常用于化工、医药卫生、地质、土壤、卤水及钾盐等领域中钾的常量检测【6】。

四苯硼钠-季胺盐容量法测定钾，是在碱性环境的溶液中，加入过量的四苯硼钠标准溶液与钾生成稳定的四苯硼钾沉淀，过剩的四苯硼钠同季铵盐（溴化三甲基十六烷基铵）反应生成四苯硼季铵盐沉淀，用松节油使回滴过程中不让沉淀解离，过量季铵盐和达旦黄指示剂反应形成粉红色以指示终点。冉广芬等简化了试验流程步骤，减小测定周期和检测成本，用该方法测定 1%以上的钾含量时，相对标准偏差小于 1%，回收率为99.52%，比较适合钾产品生产过程的分析以及快速测定盐化工产品、钾肥、卤水中的钾元素【7】。

4.1.2现代仪器分析法陈辉等应用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定岩盐中钾含量，其精密度小于2.11%，回收率在98%～102%之间，满足地质矿产实验室测试质量管理规范【8】；汤庆峰等建立一种采用ICP-AES测定新疆罗布泊盆地和潜江凹陷卤水中的钾、钠、钙等11 种元素含量的方法，制样过程简单、便捷、效率高，检测方法的相对标准偏差低于2%，精密度高，可根据不同卤水的实际情况稀释后测得可靠的结果【9】。刘俊等应用火焰原子吸收光谱法（FAAS）测定了老挝钾盐矿床样品中钾元素的含量，他们将钾盐溶液溶于2%～3%的盐酸介质，使用钾的776.5nm主灵敏吸收线作为分析线，并与四苯硼酸钠-季胺盐法测定结果做了比较，结果表明AAS测定钾元素比容量法测定钾元素方法精密度高【10】。樊兴涛等采用台式偏振XRF检测覆盖层和基岩样品中的钾，并将仪器车载化满足野外工作需要，为覆盖区钻探取

样工作提供现场测试技术支持，方法的RSD小于4.3%。方法的误差符合地质行业标准地质矿产实验室测试质量管理规范规定的要求【11】。

4.2现场测试技术的选择

目前通常采用的测定钾元素方法主要有发射光谱法、原子吸收光谱法、火焰光度法等大型仪器，需要载气、燃气和助燃气等条件；传统分析方法中的重量法、容量法、电化学方法等，因操作繁琐，测定周期长，均达不到现场快速分析的目的。本文选用的 X射线荧光光谱技术（简称XRF法）具有光谱干扰少、分析灵敏度高、可分析的元素种类多、测定的浓度范围宽、样品制备简单、分析速度快等特点，能满足钾盐勘查样品野外实时、快速分析的要求。

4.3EDXRF法现场分析

4.3.1仪器与实验条件Spectro XEPOS台式偏振激发能量色散X射线荧光光谱仪，配备端窗Pd靶X射线管，铍窗厚度15μm，最大功率50W，最高电压50kV，最大电流2mA；配置钼、钯、锆、锌、铈、钴、HOPG、Al2O3等8种二级靶；硅漂移半导体探测器，能量分辨率＜148eV（5.9 keV处）；可分析元素的范围：从Na到U的元素（除惰性气体）。仪器的体积：69cm×60cm×32cm，冷却采用风扇强制风冷式。野外仪器电源是由发电机供给UPS，UPS稳定电压后再供给仪器。

4.3.2样品的采集、处理与分析在SKD2井钻探过程中采取岩屑样品，选择蒸发岩发育的层段（深度327.1m至437.7m）采样，采样间隔约为1m，共计111件。

采取的岩屑样品经用饱和 NaCl淋漓冲洗，晾晒后分取300g，使用微波炉或者烘箱烘干至无水分，约20min；取60g干样品放入电磁粉碎机，碎样时间2min，进料粒度小于15mm，出料粒度0.075mm（200目），碎好的粉末分别装入样品袋中、编号。取4g碎好的样品粉末置于样品盒中，上机检测，现场得到钾、钠、钙、镁、氯、溴、锶、铷、铝、硅等20余种元素的含量。

5　结果与讨论

5.1SKD2井蒸发岩层段地球化学特征

SKD2井主要蒸发岩层段（327.1～437.7m）采集111件岩屑样品，现场测试得到的元素组成的平均值见表1。岩屑中ω（K）为1.55%～2.27%，平均值为0.91%，微量元素溴、铷、铯的平均值分别为8μg /g、56μg /g和66μg /g。

表1　SKD2井岩屑主要化学元素含量平均值Table.1　The average value of major elements in well SKD2

岩屑样品的K、Cl、Br含量随深度的变化规律如图3。深度327.1m至437.7m区段，岩屑中K的含量变化呈逐渐增高趋势，高值段（390.0～405.0m）与该段出现较多的泥岩有关；Cl含量由上往下逐渐降低，高值段位于 335.0～351.0m，也是该井石盐发育层位，397.0m往下变幅较小，基本保持稳定，岩性主要为细碎屑岩。Br的变化与钾基本相同，最高值（14.5μg/g）位于389.0m处。

图3　SK D2井蒸发岩层段钾、氯、溴元素含量的垂向变化Fig.3　The changed trend of K、Cl、Br in evaporite segment of well SKD2

5.2SKD2井蒸发岩层段岩性与组分相关性分析

通过钻井岩心（屑）地质编录分析，327.1～437.7m层段岩性可归类为4种（表2），碎屑岩系（泥岩）比重最大，约占48.5%。蒸发岩系占51.5%，其中芒硝累计厚度37.1m，占32.8%，石盐次之，占比15.3%，石膏厚度最少，仅3.9m，约占3.4%。

岩性统计K、Cl、Br、Sr、Mg含量的变化规律表明（表3），岩屑中的K含量高值出现在芒硝和泥岩层，石膏层Ca、Sr含量最大，Cl在石盐层含量最高，Mg含量的高值出现在石盐和碎屑岩层，微量元素Br含量较低，未显示差异。现场岩屑的测试结果与蒸发岩系盐类矿物成分的一致性，揭示出EDXRF分析法适用于蒸发岩勘查及钾盐找矿项目现场实时、快速测定固体样品元素组分含量。

表2　SKD2井主要蒸发岩层段岩性分布表Table2　The distribution of lithology in evaporite segment of well SKD2

表3　不同岩性的岩石中各元素含量统计表Table 3　The statistical table of elements content in different lithological rock

6　结论

通过比较钾元素含量的现代常用分析技术，确定了EDXRF分析方法适合钻井现场对K元素等的实施监测，扩展了该分析技术的应用领域。现场分析111件样品的K、Ca、Mg、Sr、Br等20余种元素含量，揭示了江陵凹陷科探井（SKD2井）主要蒸发岩层段（327.1～437.7m）的地球化学特征及垂向变化规律。

分析与统计结果表明，现场岩屑的测试结果与蒸发岩系盐类矿物成分的一致性较好，证明EDXRF分析法的测定结果有效性。解决了盐岩和钾盐的易溶性和变化性导致的样品不宜保存、室内分析滞后的问题，可推广应用于蒸发岩勘查及钾盐找矿项目现场实时、快速测定固体、液体样品元素组分。尤其在钻探过程实时检测，及时发现目标层，为停钻取心提供可靠依据。

致谢：

感谢詹秀春研究员在现场分析技术研发、数据整理分析等方面的精心指导，感谢刘成林研究员对论文提出的宝贵建议，感谢王春连博士提供钻井岩心（屑）编录等资料及提供野外便利的工作条件。樊兴涛、石云峰、郭澍协助完成了样品的采集、处理工作，张小梅完成了部分图件的制作，在此表示诚挚的感谢。

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Jiangling sag is a faulted basin that have broad area and rich mineral resources in Jianghan basin. Because of advantages such as high sensitivity， simple sample preparation， rapid analysis and so on， X ray fluorescence technology （XRF）， compared analysis technics for measuring evaporite， is appropriate for on-site analysis and can avoid influence by easy dissolubility and variability of rock salt and sylvite. Rock debris samples that existing -intervals （327.11-437.70m） o f ev aporite w ere c ollected in science exploration well （SKD2） in Jiangling sag and were measured by XRF. The result can be favourably compared with component of saline minerals of evaporite. The research and application of developing drilling monitoring technology can discover the target layer and can provide data support to drilling and coring. It is significance for prospecting potash evaporate in the future.

ON-SITE ANALYSIS FOR SCIENCE EXPLORATION WELL IN JIANGLING SAG AND APPLICATION

Jiao Ju
National Research Center for Geoanalysis, Beijing 100037, China

Jiangling sag，evaporite，prospecting technology，XRF，lithological distribution

TE244；O657.34

A

1006-5296（2016）03-0178-07

❶中国地质调查局地质调查项目“江陵盐古近纪盐盆地富钾卤水调查评价”（1212011085522）资助。

* 第一作者简介：焦距（1989～），男，分析化学专业，硕士研究生

2016-06-17；改回日期：2016-06-27