我國鹽田首次產出南極石

乜 貞, 董亞萍, 李 武, 卜令忠, 袁 偉, 烏志明, 張雪飛

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室, 北京 100037; 2)中國科學院青海鹽湖研究所, 青海西寧 810008; 3)青海油田邊遠油田開發公司, 甘肅敦煌 736202

我國鹽田首次產出南極石

乜 貞1), 董亞萍2), 李 武2), 卜令忠1), 袁 偉3), 烏志明1), 張雪飛1)

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室, 北京 100037; 2)中國科學院青海鹽湖研究所, 青海西寧 810008; 3)青海油田邊遠油田開發公司, 甘肅敦煌 736202

南極石是極度干旱且寒冷氣候條件下的產物, 于1963年在南極首次被發現, 并以發現地而被命名為南極石。在我國青海柴達木盆地, 也曾有發現南極石的報道。南極石化學式是CaCl2·6H2O, 可用來生產融雪劑, 干燥劑等, 具有廣泛的用途。本文在青海省柴達木盆地西部南翼山地區, 利用1940 m深處的地下氯化物型富鉀油田水進行鹽田蒸發試驗, 于冬季得到了南極石礦物。通過偏光顯微鏡下鑒定、X光粉晶衍射及化學分析, 并參照前人礦物數據, 確定為南極石。以前沒有關于人工產出南極石的報道, 這是首次在野外人工鹽田條件下產出南極石, 這對認識南極石的自然產出及賦存氣候環境條件, 對研究地區氣候變化, 具有重要指示意義。

南極石; 地下鹵水; 鹽田試驗; 青海柴達木; 氣候環境

南極石是極度干旱且寒冷氣候條件下的產物,其化學式是CaCl2·6H2O。天然南極石于1963年在南極Victoria Land的Don Luan Pond首次被發現, 該地為一干旱山谷, 池水為高礦化度氯化物型富鈣鹵水(Torii et al., 1965)。礦物名根據其發現地, 由其發現者申請, 而被命名為南極石。之后, Dunning等人在美國加利福尼亞的Bristol Dry Lake也發現了南極石的存在(Dunning et al., 1969)。Harris等人通過研究南極Don Luan Pond湖水的周期性變化, 認為該地產出南極石的首要因素當屬極低的溫度(Harris et al., 1979)。在我國, 南極石于1983年首次發現于青海省柴達木盆地西部的昆特依鹽湖。李秉孝等人在此地地表以下10～40 cm, 于沒有晶間鹵水出露處, 采集到與紅色砂礫、碳酸鹽和少量石膏共生的白色團塊狀南極石(李秉孝等, 1986), 說明我國柴達木盆地具有適于南極石賦存的氣候條件。鹽湖是氣候環境的靈敏記錄器, 通過研究鹽湖和鹽類礦物, 可以將今論古, 推知氣候、環境變遷(鄭綿平等, 1998), 南極石對于研究當地氣候環境變化, 具有很好的指示意義。

在國民經濟中, 氯化鈣具有廣泛的用途。無水氯化鈣是工業和實驗室常用干燥劑, 可用于氮氣、氧氣、氫氣、氯化氫等氣體的干燥; 在無機工業中用作制造金屬鈣和各種鈣鹽的原料; 在日常生活中用作融雪劑, 廣泛應用于冬季道路、立交橋、停車場、廣場等場所融雪及防凍劑; 在冶金行業中用作鋁鎂冶金的保護劑、精煉劑。氯化鈣溶液是致冷工業中重要的冷凍劑, 在建筑工業中用作防凍劑, 以加速混凝土硬化和增加建筑砂漿的耐寒能力。

筆者項目組于2012年在柴達木西部南翼山地區用采自地下約1940 m深度的油田水做鹽田試驗,提取鉀混鹽過程中, 發現于冬季在鹽田中析出了南極石。以前沒有關于人工產出南極石的報道, 這是首次在野外鹽田中產出南極石。

1 實驗區地理氣候

本次鹽田試驗在南翼山地區進行, 南翼山位于柴達木盆地西部, 屬青海省海西蒙古族自治洲茫崖行委管轄。實驗區位置東徑91°18′—91°35′, 北緯38°17′—38°25′, 距茫崖行委所在地花土溝鎮約120 km, 距格爾木市大約600 km。本地區海拔一般在2800～3200 m, 屬丘陵地帶, 風蝕作用強烈, 呈風蝕殘丘及風蝕丘陵等地貌, 地面鹽堿裸露, 無植被生長(圖1)。

柴達木盆地西部是我國典型寒旱區, 南極石是其代表性冷相鹽類礦物(鄭綿平等, 2010, 2013)。南翼山地區是柴達木的寒旱中心, 本區域干燥寒冷,風多雨少, 晝夜溫差大, 蒸發作用十分強烈。據茫崖氣象站多年觀測資料, 當地年平均降水量為55.3 mm, 且集中在6、7兩月; 年均蒸發量為2856.9 mm, 為降水量的51.6倍, 每年5—9月份為主要蒸發季節。年平均氣溫1.5℃, 從11月至次年3月為當地凍結期, 全年最冷月份為1月, 多年1月月均氣溫為–12.1℃(曹文虎等, 2004)。

2 礦物的取得

圖1 南翼山鹽田試驗區位置示意圖Fig. 1 Location of the experiment solar ponds within the Nanyishan brine

南翼山油田水化學類型為氯化物型, 其特點是高鈣富鉀, 并富含有多種稀有元素, 具有很好的開發價值。本次鹽田試驗用鹵為深度1940 m處的地下鹵水, 采自南13井, 原為石油生產井, 現已停產。原始鹵水化學組成列于表1, 礦化度為297.3 g/L,密度為1.1915 g/cm3(15℃)。鹵水中KCl含量接近1%, 達到工業開發品位要求, 而且該鹵水富含B、Li、Rb、Cs等元素, 開發利用價值很高。該鹵水中Ca/Cl比值為0.1, 遠大于柴達木盆地除牛郎織女湖外的其它地表鹵水(李秉孝等, 1986)。

試驗鹽田總面積10500 m2, 其中鉀鹽池面積3400 m2, 圖1中右下角即為正在試驗中的鹽田曬池照片。鹵水經過蒸發濃縮, 析出石鹽后, 于8月下旬排入鉀鹽池開始析出鉀石鹽, 從10月13日起至2013年2月底, 發現在鉀鹽池中斷斷續續析出了南極石礦物。本試驗中析出南極石時鹵水組成及其與南極Don Luan Pond的鹵水組成對比見表2(Torii et al., 1965), 含南極石混鹽礦物組成見表3。其中, 序號12、14、17、22為南翼山的樣品, 其余為南極Don Luan Pond的樣品。從表2可見, 南翼山鹵水中Ca/Cl比小于Don Luan Pond鹵水, 而Na離子濃度高于Don Luan Pond鹵水, 說明Don Luan Pond鹵水已經到了蒸發析鹽的后期, 而南翼山鹵水剛剛達到南極石析出初期。

表1 試驗用原始油田水化學組成Table 1 Chemical composition of the original oilfield brine used in the experiment

3 南極石物性

本次試驗中的南極石與石鹽、鉀石鹽等礦物共同析出, 混鹽呈無色塊狀體, 其中主要為石鹽礦物,混鹽中南極石的品位不等, 通過在不同時間段取樣,品位分布在5%～14%。本試驗中南極石在偏光顯微鏡下的形貌見圖2, 其X-射線衍射分析和與標準峰對比見圖3。

南極石晶體為無色, 鏡下常見為六邊形, 集合體常呈柱狀、粒狀。南極石晶體是極度干旱且寒冷氣候條件下的產物, 具有很強的吸濕性, 在20℃以下且較干燥環境中能存放。當溫度升高時, 易溶于自身的結晶水中。在顯微鏡下觀察時, 隨著透射光亮度的增加, 引起溫度的升高, 視野中會出現水跡,南極石晶體會逐漸溶化。南極石也易溶于浸油中,其光性為一軸晶, 負光性。No=1.549, Ne≈1.498, No-Ne＝0.051, 屬于強干涉色。本試驗中的南極石大多為六邊形自形-半自形晶, 因混鹽中主要為石鹽,另伴生有鉀石鹽和天然硼酸, 所以易于鑒別。

表2 南翼山析出南極石鹵水化學組成(%)Table 2 Composition of brine when it began to precipitate Antarcticite in Nanyishan solar ponds(%)

表3 南翼山鹽田試驗中含南極石混鹽礦物組成(%)Table 3 Content of Antarcticite in the salts precipitated in Nanyishan solar ponds(%)

4 討論

南翼山油田水為富鈣氯化物型鹵水, 且富含鉀、硼, 按室內15～20℃溫度范圍模擬蒸發實驗, 其析鹽次序為: 石鹽(NaCl)→石鹽+鉀石鹽(KCl)→石鹽+鉀石鹽+硼酸→石鹽+光鹵石→石鹽+光鹵石+南極石(李武等, 2012)。可以看到南極石在蒸發的后期結晶析出, 且只能在干旱環境生成, 標志鹵水演化已經進入尾聲。但是在本次實驗過程中析鹽次序發生變化, 南極石提前至鉀石鹽階段析出, 分析原因, 主要為高氯化鈣鹵水受南翼山地區寒冷干旱氣候影響, 而提前于鹽田中析出。

這是首次在野外環境, 鹽田條件下產出南極石,此前沒有關于人工產出南極石的報道。本研究對認識南極石的自然產出和賦存氣候環境, 對研究地區環境、氣候變遷, 具有重要指示意義。

圖2 南翼山油田水析出含南極石晶體混鹽的鏡下照片Fig. 2 Images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield brine

圖3 南翼山油田水析出的含南極石混鹽的X衍射照片Fig. 3 XRD images of salt with Antarcticite precipitated from the oilfield water

致謝:青海第三地質礦產勘查院蘇祖東高工、中國科學院青海鹽湖研究所張永興碩士參加了部分鹽田試驗工作;青海鹽湖研究所宣之強研究員、中國地質科學院礦產資源研究所鹽湖中心劉丹陽高工進行了鹽礦鑒定工作; 中國地質科學院礦產資源研究所鄭綿平院士、《地球學報》編輯部主任魏樂軍研究員和青海鹽湖研究所宋彭生研究員對文稿提出了寶貴修改建議, 在此一并致以衷心感謝！

曹文虎, 吳蟬. 2004. 鹵水資源及其綜合利用技術[M]. 北京: 地質出版社.

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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

本文由中國地質調查局地質調查項目(編號: 1212011085523)、國家自然科學基金項目(編號: 41073050)和中國地質科學院重點實驗室基金項目(編號: C0908)聯合資助。

2013-05-28; 改回日期: 2013-08-20。責任編輯: 閆立娟。

乜貞, 男, 1972年生。研究員。主要從事鹽湖化學和鹽湖資源綜合利用研究。通信地址: 100037, 北京市百萬莊大街26號。電話: 010-68992231。E-mail: nieezhen518@163.com。