Metallogenic model for the coexistence of potassium-rich brine and natural gas in the same strata: An example from the Middle Triassic Leikoupo Formation in the Moxi Anticline, Central Sichuan Basin, Southwest China

doi:10.13745/j.esf.sf.2021.1.43

Abstract

Abstract: Various types of Middle Triassic potash developed in the Leikoupo Formation in the Sichuan Basin, a key target strata for potassium prospecting in China. Brine from the Leikoupo Formation in the Moxi gas field is rich in K, Li, Br and B and has been classified as high-quality industrial grade saline solution, with its contents of minerals including KCl, LiCl, Br^- and B₂O₃ exceeding the grade standards. The brine deposit in Leikoupo Formation shows great prospects for potash exploration. The seismic data interpretation results show that the top-boundary of the Leikoupo Formation appears as a complete anticline with few faults. Potassium-rich brine occurs in the wings of the anticline, while natural gas occupies the upper part of the anticline, both are stored together in the shoal dolomite with dissolved pores in the first member of the Leikoupo Formation, constituting a combined resources of nature gas and potassium-rich brine. Analogous to the concept of petroleum systems, we summarized the key factors affecting the formation, accumulation and preservation of potassium-rich brine into six key elements, namely the source of potassium, reservoir, sealing and trap conditions, transportation, and storage conditions. According to the collocation of these elements in time and space, we performed dynamic analysis of the formations of gas and brine in the same strata of the Leikoupo Formation. Hydrocarbons and halides are unusual substances found in groundwater. Controlled by groundwater dynamics, brine in the Leikoupo Formation continues to move towards the inherited palaeo-uplift upper part—the Moxi Anticline. Under the combined effects of formation water migration and gas reservoir pressure, the initial potassium-rich formation water, formed by gypsum dehydration and ancient seawater evaporation, continuously captures the potassium ions released by the underlying ‘green bean rock’, producing a secondary K⁺ enrichment, and finally forms the gas-potassium combined resources in the Moxi Anticline. The long-term inherited paleo-uplift is a favorable site not only for hydrocarbon accumulation, but also for secondary migration and accumulation of potassium-rich brine. The result of this research represents a novel approach for “simultaneous exploration of gas and potassium” in the Sichuan Basin and other basins alike.

Key words: Sichuan Basin, Leikoupo Formation, potassium-rich brine, combined resources of natural gas and brine, Moxi Anticline

CLC Number:

CHEN Xiao'er, ZHANG Bing, FAN Kun, YANG Kai, ZHANG Saimin. Metallogenic model for the coexistence of potassium-rich brine and natural gas in the same strata: An example from the Middle Triassic Leikoupo Formation in the Moxi Anticline, Central Sichuan Basin, Southwest China[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(6): 79-94.

References

[1] 郑绵平, 侯献华, 于常青, 等. 成盐理论引领我国找钾取得重要进展[J]. 地球学报, 2015, 36(2): 129-139.
[2] 刘成林, 余小灿, 赵艳军, 等. 华南陆块液体钾、锂资源的区域成矿背景与成矿作用初探[J]. 矿床地质, 2016, 35(6): 1119-1143.
[3] 邓军, 王庆飞, 李龚健. 复合造山和复合成矿系统: 三江特提斯例析[J]. 岩石学报, 2016, 32(8): 2225-2247.
[4] CHEN A Q, YANG S, XU S L, et al.Sedimentary model of marine evaporites and implications for potash deposits exploration in China[J]. Carbonates and Evaporites, 2019, 34(1): 83-99.
[5] 郑绵平, 袁鹤然, 张永生, 等. 中国钾盐区域分布与找钾远景[J]. 地质学报, 2010, 84(11): 1523-1553.
[6] SCHMALZ R F.Deep-water evaporite deposition: a genetic model[J]. AAPG Bulletin,1986, 53(4): 798-823.
[7] 袁见齐, 霍承禹, 蔡克勤. 高山深盆的成盐环境: 一种新的成盐模式的剖析[J]. 地质论评, 1983, 29(2): 159-165.
[8] 张永生, 邢恩袁, 陈文西. 国内外古陆表海盆成钾条件对比: 兼论华北成钾的可能性[J]. 矿床地质, 2014, 33(5): 897-908.
[9] 陈安清, 王立成, 姬广建, 等. 川东北早—中三叠世聚盐环境及海水浓缩成钾模式[J]. 岩石学报, 2015, 31(9): 2757-2769.
[10] 刘成林. 大陆裂谷盆地钾盐矿床特征与成矿作用[J]. 地球学报, 2013, 34(5): 515-527.
[11] BELL D R.Water in mantle minerals[J]. Nature, 1992, 357(6380): 646-647.
[12] PLANK T.The brine of the Earth[J]. Nature, 1996, 380(6571): 202-203.
[13] THOMPSON A B.Water in the Earth's upper mantle[J]. Nature, 1992, 358(6384): 295-302.
[14] 张成江, 徐争启, 倪师军, 等. 川西坳陷平落坝构造富钾卤水成因探讨[J]. 地球科学进展, 2012, 27(10): 1054-1060.
[15] 林耀庭, 许祖霖. 论盐类保存条件研究对四川盆地三叠系找钾工作的重要性[J]. 盐湖研究, 2009, 17(1): 6-12.
[16] 徐胜林, 曹珂, 雷涛, 等. 川东北中下三叠统流体动力场及成藏成钾耦合机理[J]. 地质学报, 2015, 89(11): 2187-2195.
[17] 刘成林, 王弭力, 焦鹏程, 等. 世界主要古代钾盐找矿实践与中国找钾对策[J]. 化工矿产地质, 2006, 28(1): 1-8.
[18] 袁见齐, 黄华盛. 油盐关系简述[J]. 化工矿山技术, 1975, 4(6): 7-18.
[19] 郑绵平, 张震, 张永生, 等. 我国钾盐找矿规律新认识和进展[J]. 地球学报, 2012, 33(3): 280-294.
[20] 刘成林, 吕凤琳. 国家973计划“中国陆块海相成钾规律及预测研究”项目简介[J]. 地质学报, 2015, 89(11): 1-2.
[21] 王春连, 刘成林, 王立成, 等. 钾盐矿床成矿条件研究若干进展[J]. 地球科学进展, 2013, 28(9): 976-987.
[22] 张慧民, 于常青. 滇西南勐野井地区固体钾盐地球物理响应特征分析[C]∥2018年中国地球科学联合学术年会论文集. 北京, 2018: 10-11.
[23] 蔡立国, 刘和甫. 四川前陆褶皱-冲断带构造样式与特征[J]. 石油实验地质, 1997, 19(2): 115-120.
[24] 刘和甫, 汪泽成, 熊保贤, 等. 中国中西部中、新生代前陆盆地与挤压造山带耦合分析[J]. 地学前缘, 2000, 7(3): 55-72.
[25] 郭正吾,邓康龄,韩永辉,等. 四川盆地形成与演化[M]. 北京:地质出版社, 1996:1-195.
[26] 罗志立. 龙门山造山带的崛起和四川盆地的形成与演化[M]. 成都: 成都科技大学出版社, 1994: 48-60.
[27] 吴应林, 朱忠发, 王吉礼. 西南地台区三叠纪成盐期岩相古地理研究[J]. 青海地质, 1983(3): 126-137.
[28] 刘成林, 吴驰华, 王立成, 等. 中国陆块海相盆地成钾条件与预测研究进展综述[J]. 地球学报, 2016, 37(5): 581-606.
[29] 戴朝成, 郑荣才, 朱如凯, 等. 四川类前陆盆地须家河组层序充填样式与油气分布规律[J]. 地质学报, 2010, 84(12): 1817-1828.
[30] 郑荣才, 戴朝成, 朱如凯, 等. 四川类前陆盆地须家河组层序岩相古地理特征[J]. 地质论评, 2009, 55(4): 484-495.
[31] 孙玮, 刘树根, 秦川, 等. 川中磨溪与龙女寺雷口坡组构造特征及油气成藏差异性[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2009, 36(6): 654-661.
[32] 全国矿产储量委员会办公室. 矿产资源工业要求手册[M]. 北京: 地质出版社, 2014: 1-948.
[33] 王东升. 富钾卤水的找钾指示意义: 试论卤钾标志的一般性标准[J]. 物探与化探, 1985, 9(6): 452-456.
[34] 王凯莹. 四川盆地三叠系卤水富钾机理研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2019.
[35] 李建森, 李廷伟, 马海州, 等. 柴达木盆地西部新近系和古近系油田卤水水化学特征及其地质意义[J]. 水文地质工程地质, 2013, 40(6): 28-36.
[36] 甘利灯, 张昕, 王峣钧, 等. 从勘探领域变化看地震储层预测技术现状和发展趋势[J]. 石油地球物理勘探, 2018, 53(1): 214-225, 11.
[37] 赵邦六, 王喜双, 董世泰, 等. 渤海湾盆地物探技术需求及发展方向[J]. 石油地球物理勘探, 2014, 49(2): 394-409, 224.
[38] 阎建国, 侯磊, 赵玉红, 等. 地震勘探方法在川东深层富钾卤水勘探中的应用[J]. 中国工程科学, 2013, 15(10): 59-65.
[39] 黄华, 刘成林, 张士万, 等. 深层富钾卤水的地球物理探测技术及应用: 以江陵凹陷为例[J]. 矿床地质, 2014, 33(5): 1101-1107.
[40] 宋鹏, 宋希利, 田明阳. 刚果盆地钾盐矿床地震反射波特征与沉积规律[J]. 地球物理学进展, 2016, 31(6): 2641-2648.
[41] 杨晓玉. 地震勘探方法在富钾卤水资源评价中的应用研究[D]. 成都: 成都理工大学, 2013.
[42] 廖磊. 地震资料在富钾卤水中的应用[D]. 荆州: 长江大学, 2018.
[43] 陈科贵, 李春梅, 李利, 等. 四川盆地含钾地层的地球物理测井标志、判别模型与应用: 以川中广安地区为例[J]. 地球学报, 2013, 34(5): 623-630.
[44] 张研,李萌,龚大兴,等. 四川盆地隐伏含钾层地球物理识别方法及分布预测研究[J]. 地质学报,2015,89(11):1970-1982.
[45] 赵文智, 何登发. 中国含油气系统的基本特征与勘探对策[J]. 石油学报, 2002, 23(6): 1-11, 7.
[46] 江平, 范小林. 敦煌盆地中、下侏罗统含油气系统分析[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 2005, 30(2): 211-214, 254.
[47] 万天丰, 朱鸿. 古生代与三叠纪中国各陆块在全球古大陆再造中的位置与运动学特征[J]. 现代地质, 2007, 21(1): 1-13.
[48] ZHANG B, YANG K, WANG X B, et al.Salt-gathering and potassium formation of potassium-rich brine during the Triassic in the Sichuan basin, China[J]. Acta Geologica Sinica, 2018, 92(6): 2233-2250.
[49] 林耀庭. 论四川盆地下中三叠统(T₁j-T₂l)地下水的形成[J]. 盐湖研究, 2005, 13(1): 1-6, 36.
[50] 安莲英, 杨站君, 刘宁, 等. 杂卤石地浸开采实验室模拟[J]. 化工矿物与加工, 2008, 37(10): 24-27.
[51] 程怀德, 海擎宇, 李俊, 等. 昆特依盐湖杂卤石矿“焙烧-热浸”溶钾实验研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(1): 26-28.
[52] 郑若锋. 绿豆岩钾赋存状态和石英的测定[J]. 四川化工, 1994(增刊2): 27-29.
[53] 余子昭. 关于“绿豆岩”地质意义之我见[J]. 盐业史研究, 1992(1): 77-78.
[54] 冯宝华. 酸性火-沉黏土岩的微量元素地球化学研究[J]. 矿物岩石地球化学通讯, 1993, 12(1): 3-6.
[55] 黄建国. 中国三叠纪钾盐沉积: 以四川为例[J]. 岩相古地理, 1998, 18(4): 23-43.
[56] 孙艳, 王登红, 高允, 等. 重庆铜梁地区富锂绿豆岩地球化学特征[J]. 岩石矿物学杂志, 2018, 37(3): 445-453.
[57] 汪华. 四川盆地中西部中三叠统天然气藏特征及成藏机理研究[D]. 成都: 成都理工大学, 2009.
[58] 甘学启. 川中雷口坡组风化壳岩溶储层特征及主控因素研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2012.
[59] 吕玉珍, 倪超, 张建勇, 等. 四川盆地中三叠统雷口坡组有利沉积相带及岩相古地理特征[J]. 海相油气地质, 2013, 18(1): 26-32.
[60] 谭秀成, 李凌, 刘宏, 等. 四川盆地中三叠统雷口坡组碳酸盐台地巨型浅滩化研究[J]. 中国科学: 地球科学, 2014, 44(3): 457-471.
[61] 宋文燕, 刘利清, 甘学启, 等. 川中地区雷口坡组风化壳岩溶作用研究[J]. 天然气地球科学, 2012, 23(6): 1019-1024.
[62] 谢云欣. 四川盆地雷口坡组油气聚集带特征及分布评价[D]. 成都: 成都理工大学, 2018.
[63] 杨绪充. 论含油气盆地的地下水动力环境[J]. 石油学报, 1989, 10(4): 27-34.
[64] 楼章华, 高瑞祺, 蔡希源. 论松辽盆地地下水动力场演化与油气运移、聚集[J]. 沉积学报, 1997, 15(4): 115-120.
[65] 楼章华, 金爱民, 朱蓉, 等. 论松辽盆地地下水动力场的形成与演化[J]. 地质学报, 2001, 75(1): 111-120.
[66] 楼章华, 朱蓉. 中国南方海相地层水文地质地球化学特征与油气保存条件[J]. 石油与天然气地质, 2006, 27(5): 584-593.
[67] 楼章华, 李梅, 金爱民, 等. 中国海相地层水文地质地球化学与油气保存条件研究[J]. 地质学报, 2008, 82(3): 387-396.
[68] 杨克明. 四川盆地西部中三叠统雷口坡组烃源岩生烃潜力分析[J]. 石油实验地质, 2016, 38(3): 366-374.
[69] 孙腾蛟. 四川盆地中三叠雷口坡组烃源岩特征及气源分析[D]. 成都: 成都理工大学, 2014.
[70] 田瀚, 王贵文, 段书府, 等. 四川盆地中三叠统雷口坡组储层特征及勘探方向[J]. 中国石油勘探, 2021, 26(05): 60-73.
[71] 徐世琦, 洪海涛, 师晓蓉. 乐山—龙女寺古隆起与下古生界含油气性的关系探讨[J]. 天然气勘探与开发, 2002, 25(3): 10-15, 62.
[72] 许海龙, 魏国齐, 贾承造, 等. 乐山—龙女寺古隆起构造演化及对震旦系成藏的控制[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(4): 406-416.
[73] 姜华, 汪泽成, 杜宏宇, 等. 乐山—龙女寺古隆起构造演化与新元古界震旦系天然气成藏[J]. 天然气地球科学, 2014, 25(2): 192-200.
[74] 杜金虎, 徐春春, 魏国齐. 四川盆地须家河组岩性大气区勘探[M]. 北京: 石油工业出版社, 2011: 1-179.