钾盐成矿规律及研究方法论文

张玉君李昌国

（地矿部航空物探遥感中心，北京100083）

摘要中国由于钾肥的短缺，故而在近30多年中对于钾盐勘察的各种新方法研究，给予了巨大关注。这些新方法包括：伽马能谱测井、航空伽马能谱、遥感、重力等。本文简要总结我们在此领域所做研究工作的主要成绩。1963年提出并研究了伽马能谱测井方法和井中伽马能谱仪，80年代前该仪器经过了数次改型，伽马能谱测井仪器和方法在6个省得到成功使用。1995年开发了井中放射性能谱交互解释软件系统（HRSIS），该软件系统包括五组功能程序：预处理、定量解释、趋势分析、图形显示、综合解释。自1984年开始进行高灵敏度航空测量在中国西部勘察蒸发型钾盐矿产，通常测量4个参数：K、Th、U和磁场。为了对数据进行预处理、处理、稳谱及图像处理研制开发了航空多道伽马能处理软件包（AMGPSP）和航空物探数据图像处理软件包（AGIP-SP）。自80年代中期开始应用数字图像处理技术进行地球物理和遥感数据（MSS和TM）的综合解译，用以研究中国西部蒸发型含钾盐盆地。在1993年初开发了专门的重力场三维图像化软件包（3DIG），首先建立重力场的三维数据阵列，然后以各种形式进行显示，以揭示该重力场的内部特征。

关键词钾盐井中伽马能谱仪航空伽马能谱测量遥感重力场三维图像化

1伽马能谱测井方法

据统计世界钾盐总储量中50%是在钻孔中发现的。为了发现钾盐并区分含钍、铀泥质岩石对钾盐的干扰，在1963年研究了伽马能谱测井方法并研制了井中伽马能谱仪，80年代前该仪器经历了五次改型。

该方法的基础是自然放射性同位素40K。40K的同位素丰度为，其伽马量子的辐射系数为，能量适中为，适合探测和能谱分析。

所研制的四道井中伽马能谱仪用圆柱状碘化钠晶体探测伽马射线谱。这四道是（图1）：PK道（40K的峰的微分道，其能量阈为～）；LI道（左积分道，其能量阈为≥）；RI道（右积分道，其能量阈为≥）；及TC道（总计数道，其能量阈为≥）。在制作井中伽马能谱仪过程中研究了下述技术要点：

灵敏度

由于40K的同位素丰度和伽马辐射系数都很低，必须提高井中伽马能谱仪的灵敏度，为此将Nal晶体的长度加大到100～150mm，其直径由于受钻孔内径的限制而不能超过50mm。

图1四道井中伽马能谱仪用圆柱状碘化钠晶体探测伽马射线谱

4道是：PK道（40K的峰的微分道，其能量阈为～）；LI道（左积分道，其能量阈为≥）；RI道（右积分道，其能量阈为≥）；及TC道（总计数值，其能量阈为≥）

脉冲传输

为了保持仪器的分辨率，从光电倍增管输出的脉冲经前置放大器之后，必须在波形和幅度上无畸变地从井下仪器经3600多米长的电缆传至地面仪器。选用了电压—电流型传输方案。对137Cs的分辨率经3600m电缆传输之后保持了无长电缆的分辨率水平（10%）。

稳定性

地壳的垂直温度梯度约为每33m升高1℃，因此在钻孔中3500m深处的环境温度可能高达100℃。为了使能谱仪达到可靠的稳定性，采取了以下三个措施：选用高温NaI晶体和光电倍增管；用供给光电倍增管高压源的正温度系数补偿光电倍增管增益的负温度系数；采用137Cs的自动稳谱线路以保持谱峰位置的稳定。

某一同位素的任一光电峰叠加在更高能量光电峰的康普顿延续线上。40K光电峰下的本底正比于右积分RI（图1），这是对于K的剥谱法和主分量分析的理论基础。我们研究了利用主分量分析和剥谱法压制U、Th干扰以得到更纯的钾异常。方程组（1）展示了主分量分析的数学过程。其本征向量通过统计得到。

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式中：X为原变量；E为新变量，它们是原变量的线性函数；I为单位矩阵。

1995年研制成功井中放射性能谱解释软件系统（HRSIS），它由五组功能程序组成：预处理，定量解释，趋势分析，图形显示，及综合解释。第六组是HELPs（求助功能）。HRSIS系统在微机上用C语言写成。图2所示为青海省昆特依盆地位于沉积活动中心的一口钻孔测井结果的图像实例。在图2上KCl层表现为左积分（LI）高、峰顶微分（PK）高、总计数（TC）高、但右积分（RI）低，除了KCl层外还可以清晰地看到湖相沉积的三个阶段。

图2测井图像实例

此钻孔位于青海省昆特依盆地沉积活动中心

*最左边为原始伽马能谱测井曲线，经用本征向量调正了比例尺。

*中部为PK、LI及RI的合成三色图像。石盐层由于其放射性元素含量低而表现为暗色调，相反钾盐层或含杂卤石层为亮色调，泥质岩层由于含U、Th和K偏高也为亮色调。

*K趋势曲线及Th-U趋势曲线呈现出Th、U的递减及K的递增，反映出盆地演变的三个阶段：半咸水湖阶段；超咸水湖阶段；干盐湖与超咸水湖交替阶段。

*经主分量分析所获K曲线展现出在60m和130m深处的富含杂卤石层。

伽马能谱测井方法成功地在6个省（云南、湖北、四川、山东、新疆及青海）得到推广应用。厚度≥、KCl含量≥2%的含钾盐层在勐野井及其它矿区均可测出。石油部曾制定了“油盐兼探”的技术政策，在此政策的鼓舞下在江汉油田利用伽马能谱测并发现了一层厚的钾芒硝层，其KCl含量高达。在四川省发现一层厚度≥的杂卤石。在1991年云南省某新勘探区，第一口钻孔岩心全部丢失，唯有依靠伽马能谱测井才补救了钻孔资料，找到了数层含钾盐层，避免了重新打钻的经济损失。

2航空伽马能谱测量

自1984年起在中国西部开始进行以寻找蒸发型钾盐矿床为主的高灵敏度航空物探测量。通常记录四个参数：K、Th、U及磁场。可用多道（512道）或4道航空伽马能谱仪，所用方柱型碘化钠晶体的总体积可达50dm3，飞行高度约为90m，线距1～2km，测量比例尺1∶100000～1∶200000。

80年代曾开发了航空多道伽马能谱处理软件包（AMGPSP）及航空物探图像处理软件包（AGIPSP），皆用FORIRAN语言编写，使用这两个软件包可进行伽马能谱软件稳谱、预处理、处理以及航空物探数据的图像处理[1,2]。中国西部寻找钾盐的地区植被稀疏、地形平坦，是开展航放的理想地区。数据动态范围通常如下：K——0～8%,Th——（0～40）×10-6,U——（0～15）×10-6。

数字图像处理技术十分有助于提取下述各方面的地质信息：岩性填图；直接找钾；钾盐矿产沉积的研究；提取构造形迹；以及在某些情况下还能判断油气异常[3,4]。航空伽马能谱是少数几种可以直接探测某些元素的方法之一。

例如，做为航空伽马能谱测量结果的K、Th、U数据合成三元图像，实际上是一幅三元素区域地球化学图，与陆地卫星图像（TM或MSS）综合，K、Th、U三元素图像可借用监督或非监督分类方法达到岩性填图的目的。

含泥质岩石（砂岩、泥岩等）由于富含氧化钾，成为对直接找钾盐的主要干扰。通过分析K、Th双元素图像及其散布图发现，泥质岩石中K和Th含量之间存在一定线性相关性。为了直接确定KCl试用了一系列图像处理技术，如：主分量分析、彩色坐标系的转换、植被提取等。

据上述现象和试验成功地区分了KCl和第三纪砂岩中的氧化钾，这种砂岩富存于柴达木盆地测区的东北角。对此测区圈定了十处新KCl异常，其中一处经地面验证，固体KCl储量增加了3245000t。KCl卤水对于勘察据有特殊的重要性，将含K≥的地面水通过图像圈定为KCl卤水。

通过监督分类对原14种岩性分类的岩性图又增加了两类。不仅成功地区分了KCl与氧化钾，还成功地区分了KCl与含泥质KCl。

3遥感测量

7个波段的TM数据由于其更高的能谱和空间分辨率，对研究含钾蒸发盆地更为有用。

虽然为了提取地质信息总是希望使用尽可能多的波段，但是仍离不开一幅最佳显示的三元图像。最佳三元图像应包含信息量最多，而三个波段间相关性最低。利用组合相关因子Q做为最优化组合的量度和基础。

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式中：Si为i波段的变异；Ri是相关系数。

最佳三元图像应具有最大的Q值。例如昆特依盆地TM数据中以1、4、7三波段组合为最佳。昆特依盆地是一个现代盐湖，对于勘察钾盐有一定重要性，它位于青海省柴达木盆地的西北方向。图3a是一幅黑白图像，它清晰地展示出昆特依盆地的总体地貌景观，它是一个长80km、宽30km的菱形封闭干盐湖，一条公路横穿而过，干盐湖的北部有阿尔金山、东、西和南部有两组背斜环绕，有的背斜含具工业价值的油田。

图3昆特依盆地景观

a—TM数据的1、4、7波段组成的合成图像清晰地展现出中国西部昆特依盆地的总地貌景观，它是一个长80km宽30km的菱形封闭干盐湖；b—通过1、4、5、6、7波段数据的KL转换，得到一幅宝贵的异常图像，在其上KCl表现为白色亮斑

为了建立固体钾盐的异常标志进行了图像采样，在图像上选了14个地质目标，统计了它们各自的TM七个波段的亮度值。图像采样结果示于图4。固体KCl（编号12和13）具有明显的可分辨的波谱特征，为解译提供了基础。

基于波谱分析，通过KL转换（主分量分析）及分段切割拉伸提取了固体钾盐异常（图3b），这两种方法的结果十分接近。除了探测KCl，还进行了构造形迹研究、盐矿特征分析、盐盆物质来源的揭示研究等。

图4图像采样结果

曲线为14个地质目标TM7个波段的亮度值。固体KCl（编号12和13）具有明显的可分辨波谱特征，提供了建立固体钾盐异常标志的基础

图53DIG软件包解释结果之实例

a—云南省勐腊重力场第20号局部负异常的似“CT”图像；b—第20号负异常沿长轴方向的10个断面，它们揭示出该异常的内部形态，具体描绘出岩层变形情况及其与盆地断裂的立体关系

图6云南省物探人员手工计算的第20号局部负异常的解释结果

a—半径为r1、r2、r3、r4、r5的圆周上平均剩余重力差平面图；b—解释剖面；c—所获解释结果——石盐岩体；d—剖面之断面

图7勐腊重力场剖面

从北向南再经东南纵贯勐腊重力场全区的主切割剖面图像，并标有等值线。由于显示的限制将全剖面切成4段

4重力场三维图像化

盐层与周围介质的密度差通常均大于，而NaCl与KCl的密度差约为，所以重力勘探传统地用于盐类矿床勘察。

云南省物探人员经常用不同半径圆周上平均剩余重力之差来估价盐矿体的形状和大小（公式3）。

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式中：gr1、gr2为在半径为r1、r2的圆周上剩余重力场数据。n1、n2为半径为r1、r2圆周上供平均计算的点数。

原则上讲，此平均剩余重力差接近于重力一阶垂向导数。有数个利用此方法所解释的实例得到了钻探的验证。

我们工作的贡献在于对重力数据进行了三维图像化，以获得更好的可视性及更快的解释。在1993年用FORTRAN语言开发了一个专门用于重力场三维图像化的软件包（3DIG）。它利用上延、不同半径圆周平均剩余重力差分及其它方法建立重力场三维数据阵列，然后以不同形式加以显示。

利用此软件包对中国西南部含盐勐腊重力场进行了评价。该重力场动态范围为－×10-5～×10-5m/s2。有20个局部负异常。对每一个局部异常都进行了研究，其结果以断面组形式及似“CT”形式表示，可以揭示出剖面内部与周围介质的关系并具体描绘出岩层变形及其与盆地断裂的立体关系。图5为第20号局部负异常的此类图像的实例，对此异常还进行了手工计算，以进行对比。图6即为手工计算结果。图5及图6均揭示出第20号局部负异常的内部特征。图7展示出该重力场从北往南再到东南纵贯全区的主切割剖面，并标有等值线，由于显示的限制，全剖面切为4段。

利用钻探结果及断面数据通过相关分析（如最小二乘拟合）可以获得深度比例尺，一旦得到近似深度比例尺，此软件便可容易地算出钾盐或钠盐层的埋深、厚度及储量。

致谢感谢米双杰、李寿田、张明伦、陈云龙、李淑仪、陈显尧等同志参加了研制井中伽马能谱仪及方法研究。同样感谢云南省物探工作者在测量盐矿重力方面的努力。我们感谢朱月娥、史殿林和谢欣同志在软件开发方面的工作，以及徐东宸同志负责完成青海航空物探测量。同样感激高荣锦同志对于S600图像处理系统的支持。此外应感谢杨星虹和李毅同志对于本文文字和图件的排版打印。

参考文献

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周博

[中国地质大学(北京)]

钾盐是中国紧缺重要矿产资源之一。60年来寻找大型钾盐矿是中国地质科学界的一大难题。中国钾盐矿床是以第四纪盐湖液体卤水钾矿为土，缺少规模巨大的古代固体钾盐矿床。中国探明钾矿储量仅世界的2%左右，钾盐矿95%用途是生产农业用钾肥。由于中国缺少人型固体钾矿，钾肥产量受限制，缺口巨大，全国缺钾土地达亿亩。

宋代开始配制含硝酸钾黑色火药，中国农民使用农家草木灰肥获取钾元素。1940年，中国盐矿地质先驱袁见齐先生在川滇一带含盐地层作初步调查时，开始注意了钾盐的线索。1946年，袁先生在“西北盐矿概论”一文中提到：“在茶卡(盐湖)母液中，已证明钾之存在，但成分多寡，尚未测定，能否利用，亦未可必？查钾为制钾肥、炸药之重要原料，吾国尚未大量发现，尤宜特别注意”。若从袁先生重视找钾算起，到新中国成立以后钾盐工作正式起步，中国寻找钾盐已走过60多年历程。从时间上大致可以划分三大阶段，即1949～1977年为第一阶段，1978～1999年为第二阶段，2000年至今为第三阶段。

一、第一阶段(1949～1977)

1.中国首次发现钾盐矿

1951年兰州大学化学系戈福祥教授上书中央，要求调查青海盐湖资源。1956年中国政府和科学家制定的“中国12年国家重大科学技术长远规划”将考察中国盐湖列入之中，并于1957年以中国科学院和国家综合考察委员会为主，组成了“中国科学院盐湖科学调查队”，明确了以找钾、硼为主要的任务。

在1955～1956年，青海省交通厅公路局在察尔汗地区修筑敦格公路穿越柴达木盆地时，发现了闻名于世的察尔汗干盐滩。筑路工人挖坑取盐食用后，发现有不能食用的苦辣盐，送至正在那里的地质部西北地质局632队化验，证实含KCl，地质学家朱夏指出察尔汗为巨大盐库，其盐层含钾。为此，1956年化工部地质矿山局应部总工程师、盐矿专家李悦言指示，派郑绵平随普查组到大柴旦、马海和察尔汗考察，化验察尔汗盐湖晶间卤水含钾，并指出找钾有希望。以中国科学院化学研究所研究员柳大纲为队长，北京地质学院袁见齐教授和中国科学院综考会领导韩沉石为副队长的盐湖调查队奉命于1957年再次赴青海察尔汗。期间，郑绵平和高世扬在察尔汗卤坑中发现和鉴定了光卤石矿物以及原生盐湖沉积光卤石钾盐层。从此，揭开了中国钾盐历史新的一页。翌年秋天20多个民族青年多至5000人在茫茫无垠人迹罕至的察尔汗盐滩上，土法上马用原生卤光石生产出第一批含KCl 50%的953t钾肥。此时，距1860年世界最早开采钾盐的德国迟了100年。

2.古钾盐矿床的发现

1962年，在中国云南思茅地区，云南省地质局16队在勐野旧盐硐中发现了红色不能食用钾盐矿，成为发现的中国第一个中型古代固体钾盐矿床。为了加强找钾工作，1962年成立了四川省地质局钾盐地质队(1964年更名为210地质队，1968年又称第七普查勘探大队，1978年改为第二地质大队，现在名称为西南石油地质局第二地质大队)。该队前期主要从事中国东部白垩纪—古、新近纪、华北奥陶纪和四川寒武纪、三叠纪的钾盐找矿、成钾预测以及盐矿和卤水矿的勘查和评价，认为在埋藏3000m以内找到大型钾盐矿床前景不佳，但对盆地三叠系富钾卤水矿资源开发评价极高(林耀庭，1994)，预测四川液态含钾盐卤水潜在资源量高达4374亿m3。

3.油钾兼找

20世纪70年代初，当时的燃化部重视油气地质兼探盐(钾)工作，国家计委地质局地质科学院和江汉石油勘查院在湖北江汉油田发现钾芒硝钾盐层。但因埋藏大于3000m，定为暂无开采价值。1974年袁见齐先生发表了“陆相红层盆地盐矿成因”等论文三篇，强调了古代陆相碎屑岩层及含油盆地找钾的可能性。1976年，中国地质科学院郑直研究员等与国家地质总局西南所合作编制了1/400万“全国钾盐找矿远景图”及说明书，为全国进一步开展找钾提供了方向。从20世纪50～70年代，国外许多大型钾盐矿床在普查勘探石油时被发现。同期，中国也在重视石油勘探中探钾。如1977年，石油化工出版社出版《石油勘探中找钾盐矿的方法》一书。但以后由于体制分割等方面制约，使“油盐兼探”工作开展不理想，此时期，内部出版多本《钾盐矿床》、《钾盐专辑》及《钾盐资料选编》等书刊，及时供给全国找钾人员学习，为下一阶段找钾高潮准备了条件。从1958年起，到1978年由国家地质总局勘探查明钾矿产地仅有几处，KCl储量不足2亿t。和国外相比，中国钾资源严重匮乏，且主要为盐湖卤水钾矿。中国钾肥工业终因工艺落后和资源缺乏等原因，到1978年钾肥产量才达万t，远远满足不了农业增产需求和土地逐年贫钾的困难。此时，全国各地尤其南方各省开展了窑灰钾肥的生产和农田试用。为了提高钾肥的自给率，国家计委于1975年发文通知对开发青海察尔汗盐湖进行规划，是年8月国家计委、石油化学工业部等十部委完成开发规划报告，建议一期工程年产钾肥20万t，二期工程为80万t。表明中国政府及老一辈钾盐科学家对开发和生产钾肥的极大重视。总观中国钾盐事业发展的第一阶段特点是：在中国政府及老一辈钾盐科学家关心和参与下，全国开展了以找钾硼为主的盐矿地质普查和科学研究，取得了找钾突破，发现察尔汗钾镁盐湖矿床及一批K、B、Li、Rb、Cs及石盐、天然碱、芒硝、石膏、钠硝石、天青石等盐类矿产，从实践中产生了“陆相成盐成钾”等学说。全国形成了地质、化工、中国地质科学研究院、中国科学院和石油等不同系统多支找钾勘探和研究力量，实现了中国钾盐和钾肥零的突破。但这阶段的工作还远远满足不了农业上的需求。同期，世界各国找到众多大型海相为主的钾盐矿产。

二、第二阶段(1978～1999)

1976年化工部成立了化工矿山地质研究所，后改为矿产地质研究院，其内设立了钾盐研究室。1979年，在山东成立了化工部所属“钾盐地质勘探大队”表明化工部重视找钾勘探和研究队伍建设，与此同时，1979年国家地质总局在山东兖州成立了找钾为主的第三地质大队。两个部同时在山东成立找钾队伍，表明当时人们在中国东部地区，即山西、陕西奥陶系及山东、江苏、河南、安徽等古、新近系盆地中开展勘查钾盐的决心。

1980年袁见齐先生发表“钾盐矿床成矿理论研究的若干问题”，首次提出“高山深盆”陆相成盐成钾模式概念，1983年完善了该理论，发表了“高山深盆的成盐环境一种新的成盐模式剖析”，充实了陆相成盐成钾学说。1984年在青海西宁召开全国盐类沉积学术会议。为了迅速改变中国严重缺钾状况，地矿部在1985年开始的第七个五年计划中，安排了中国柴达木盆地西部和北部开展古、新近系和第四系钾盐普查项目。除完成地面普查外，还应用航空伽马能谱新技术遥感找钾。

1995年10月地科院矿床所王弭力研究员领导的“罗布泊远景区成钾”专题组，在“罗北凹地”发现卤水钾矿。从1995～1999年，由中国地质科学院矿床所牵头，新疆地矿局第二地质大队及地矿部遥感中心参加的“九五”国家项目课题组，冒着“死亡之海”恶劣的气候条件，在简陋的装备下，靠着为国为民找到大钾矿的决心，甘愿受苦，凭着聪明才智克服了重重困难，终于发现了大型卤水钾矿。按已控制面积、矿层厚度和平均品位计算，罗北凹地钾矿床已揭示的卤水KCI地质储量超过了亿t，达到大或特大型规模。中国盐湖钾盐从无到有，现保有K20资源量约5亿t。

三、第三阶段(2000～2011)

2010年8月，由中国地质科学院盐湖研究中心和矿产资源研究所为负责单位申报的钾盐国家重点基础研究“中国陆块海相成钾规律及预测研究”“973”计划项目，先后通过函审和2轮公开答辩，从全国430余项建议项目中脱颖而出，已获得国家科技部批准。

该项目是中国找钾研究队伍第一次联合作战，实现了中国找钾几代人联合找钾的梦想。中国找钾经历漫长60年，找到的钾盐资源仅能满足国内需求30%左右，而70%农业钾盐消费量仍然依靠进口。因此，钾盐是关系中国粮食稳产、增产重要战略矿产资源之一。为了扭转中国找钾瓶颈难题，袁见齐院士早在1988年就明确提出，“找钾工作的重点亦应转向海相层位”，袁见齐院士晚年的中国海相地层找钾理想，终于在20年后得到国家重视并以“973”工程计划实现。

在国土资源部科技司、中国地质调查局的直接领导和组织协调下，经国土资源部、中国地质调查局、中国科学院和青海省联合推荐，中国地质科学院矿产资源研究所的刘成林研究员为该项目首席科学家，专家顾问组组长是中国地质科学院资源所郑绵平院士。

该项目还有中国科学院青藏高原研究所，中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院。有30余名中青年学者，其中90%为博士将直接参与项目的研究。预计2011～2015年5年完成项目计划。“科学找钾”是本项目核心，找钾研究走向“定量化”、“定向化”和“定位化”三化，将是中国找钾成功之路。同时，在走出国门，寻求开发利用国际钾盐资源放置的引导下，中国多个企业组建力量，已在泰国、老挝、加拿大、刚果等国开展钾盐矿床地质勘查和矿山建设。

参考文献

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