Semi-quantitative Analysis of Magnetite and Fluorite by X-ray Powder Crystal Diffraction and Three-dimensional Distribution Model of Minerals in Bayan Obo Mining Area
-
摘要:
白云鄂博超大型铁-稀土-铌矿床，伴生大量萤石等资源。现阶段，矿山资源评价采用的是多元素定量分析方法，该方法存在不能客观的表征出可用资源的矿物组成和赋存状态的缺陷。为了较为准确地确定元素赋存形式及磁铁矿、萤石矿物含量，本研究选用粉晶X射线衍射K值法定量分析法，通过以白云鄂博白云石为参比物质分别调配1∶1比例产自白云鄂博的磁铁矿、萤石与白云石单矿物样品，获得以白云石为参比的磁铁矿参比强度KFe3O41 = 0.61、萤石参比强度KCaF21 = 2.51，同时，精选了白云鄂博其他常见共生矿物的K值，以实现对白云鄂博不同矿石类型中矿物含量的半定量分析，通过测试已知标样验证了改进优化K值的正确性和适用性。利用大量实际岩心矿石样品矿物定量分析数据，通过克里金插值法获得白云鄂博主矿磁铁矿和萤石矿物的空间分布三维模型，初步呈现了资源矿物的空间分布特征，推测在矿区深部仍存在巨大的找矿潜力。X射线粉晶衍射定量分析技术直接对可回收资源的矿物半定量分析研究，为矿山精准分采和资源综合利用探索了新的解决思路，也为选矿流程的优化提供的重要的技术参考。
Abstract:Bayan obo super large Fe-RE-Nb deposit, associated with a large amount of fluorite and other resources. At present, the multi-element quantitative analysis method is used in the evaluation of mine resources, which can not objectively characterize the mineral composition and occurrence state of available resources. In order to determine the occurrence form of elements and the content of magnetite and fluorite minerals more accurately, this study uses the powder crystal X-ray diffraction K-value method for quantitative analysis, and uses dolomite as the reference material to prepare 1∶1 proportion of single mineral samples of magnetite, fluorite and dolomite produced in Bayan Obo, the reference intensity of magnetite with dolomite as the reference is KFe3O4 = 0.61, and the reference intensity of fluorite is KCaF2 = 2.51. At the same time, the K value of other common co-minerals in Bayan Obo is selected. In order to realize the semi-quantitative analysis of the mineral content in different ore types of Bayan Obo, the correctness and applicability of the improved optimization K are verified by testing the known standard samples. Based on the quantitative analysis data of a large number of actual core ore samples, a three-dimensional model of spatial distribution of magnetite and fluorite minerals in Bayan Obo main mine was obtained by Kriegin interpolation method, and the spatial distribution characteristics of resource minerals were preliminarily presented. It is speculated that there is still a huge prospecting potential in the deep part of the mine area. X-ray powder diffraction quantitative analysis technology can directly study the semi-quantitative analysis of minerals in recoverable resources, which explores a new solution for precise mining and comprehensive utilization of resources, and also provides an important technical reference for the optimization of mineral processing process.
-
Keywords:
- Bayan Obo /
- magnetite /
- fluorite /
- powder X-ray diffraction /
- mineral compositions /
- semi-quantitative analysis
-
砂体构型研究是分析储层沉积体非均质性的一种非常有效的方法，它不仅反映沉积体外部几何形态和规律，而且强调沉积体内部构成，对于储层精细表征和剩余油挖潜具有重要的理论和现实意义（李阳等, 2007; 孙天建等, 2014; 蒋天昊等, 2020）。对于构型的概念，最早是由Allen在1977年的第一届国际河流沉积学研讨会上提出的，并将这一概念应用到沉积地质体的研究中，随后又有众多学者对沉积体内的构型界面进行研究，并提出了相应的构型界面分级划分方案（Allen, 1983; Miall, 1985, 1988, 1996），其中Miall的构型界面划分方案较详细，层次清楚（Miall, 1985, 1988），应用广泛，国内的很多学者也把它应用到中国沉积体构型分析当中（岳大力等, 2007; 王越等, 2016; 朱卫红等, 2016）。河流、三角洲砂体是陆相含油气盆地主要的储集类型，由于沉积物的搬运方式、沉积水动力条件的不同，砂体内部不同级次构成单元的形态、方向、规模及叠置关系也不同，这直接导致注水开发中水驱波及剩余油的分布模式的不同（赵伦等, 2016；罗旭东等，2024）。因此，砂体构型的研究是非常必要的。山西柳林成家庄山西组属于辫状河三角洲沉积，但三角洲前缘沉积受到海相潮汐影响（叶黎明等, 2008; 陈安清等, 2010; 陈洪德等, 2011），分布具有潮汐层理的砂体，其储层构型又有其特殊性。笔者通过对成家庄地区山西组典型露头实测分析，以Miall 的构型理论为指导，分级精细解剖，识别出了三角洲前缘砂体内部构型单元，建立露头构型分布样式，同时对不同级别的构型单元进行实测，建立各构型单元参数之间的定量关系，为鄂尔多斯盆地东部地区山西组储层构型精细解剖及剩余油挖潜提供地质依据。
1. 研究区概况
研究剖面位于山西省柳林县成家庄周边，在大地构造位置上属于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带（图1）（马晓军等, 2019; 孙宁亮等, 2019）。成家庄剖面是华北地区石炭系—二叠系典型露头，地层发育齐全且连续，为华北地区石炭系—二叠系沉积演化及储层构型分析提供了良好条件。本次研究的主要目的层段是二叠系下统山西组，按照岩性组合及沉积旋回山西组自下而上又可分为山2段和山1段，山2段以灰白色、灰色中细砂岩为主，中间夹深灰色泥岩、页岩及煤层，地层厚度约为40 m，山1段主要为灰色、灰白色含砾中细砂岩与深灰色泥岩互层，砂岩底部可见煤线，地层厚度约45 m（图2）。鄂尔多斯盆地在晚古生代发生了巨大的海陆变迁。其中，本溪组—太原组为陆表海沉积环境，很多学者已经研究证实（沈玉林等, 2009; 张敬霞等, 2011），但山西组沉积环境却存在争议，主要有海陆过渡环境，陆源近海湖盆及陆相湖盆3种解释（叶黎明等, 2008; 陈安清等, 2010）。通过文献调研（刘家铎等, 2006; 田雯, 2016）及野外剖面实测分析，认为研究区成家庄山西组为一套海陆过渡的三角洲沉积体系，山2段发育辫状河三角洲前缘沉积，但整体水体较浅，且三角洲前缘沉积砂体受到潮汐的影响，具脉状层理、透镜状层理及羽状交错层理等潮汐层理，主要发育分流河道、河口坝、潮汐砂坝、远砂坝及分流间湾等微相；山1段发育三角洲平原沉积，三角洲平原上的分流河道早期具有辫状河性质，晚期具有曲流河性质，主要发育分流河道、天然堤、决口扇和沼泽等微相。
![]()
图 1 山西柳林成家庄山西组露头位置示意图Figure 1. Location of Permian Shanxi Formation outcrop in Chengjiazhuang, Liulin, Shanxi Province![]()
图 2 柳林成家庄山西组露头岩性剖面及其沉积微相解释Figure 2. Lithological profile and sedimentary microfacies interpretation of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin2. 岩相类型
岩相是一定的沉积环境中形成的岩石或岩石组合，主要由岩石类型和沉积构造来表征（Miall, 1985），对于反映沉积岩的形成环境具有特定意义。通过对成家庄地区山西组典型剖面观测，结合颜色、粒度、岩性和沉积构造等标志，识别出了以下10种岩相类型。
2.1 块状层理含砾中粗砂岩相（Gm）
砾石分选中等，磨圆度为次棱角状–次圆状，呈叠瓦状排列，厚度一般为0.5～2 m，底部砾石层整体为块状，向上过渡为具交错层理的中砂岩（图3a），一般为河道底部充填沉积。
![]()
图 3 柳林成家庄山西组主要的岩相类型a. 底部块状层理含砾中粗砂岩相，顶部槽状交错层理中细砂岩相；b. 块状层理中细砂岩相；c. 槽状交错层理中细砂岩相；d. 板状交错层理中细砂岩相；e. 平行层理中砂岩相；f. 羽状交错层理细砂岩相；g. 透镜状层理细砂岩相；h. 流水沙纹层理细砂岩相；i. 薄煤层及深灰色泥岩Figure 3. Main lithofacies types of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin2.2 块状层理中细砂岩相（Sm）
整体为块状，不显任何层理（图3b），厚度约为0.5～3 m，岩性为灰白色中细砂岩，分选较好，成熟度较高，一般分布在分流河道及分流砂坝的下部。
2.3 槽状交错层理中细砂岩相（St）
中细砂岩中发育小型–中型槽状交错层理，纹层与层系平行，具有下凹的方向（图3c），反映了牵引流的沉积特征，为河道迁移、充填的结果。一般在河道砂体的下部见小型槽状交错层理，厚度约为0.4～1.0 m，上部见中型–大型槽状交错层理，厚度约为1～3 m。
2.4 板状交错层理中细砂岩相（Sp）
发育在中细砂岩中，纹层的下部与层系界面斜交（图3d），为水下波浪底形迁移的结果。一般发育在较高能的水动力条件下，为河道沉积的产物，厚度约为0.4～1.5 m。
2.5 平行层理中细砂岩相（Sh）
岩性一般为中细砂岩，各纹层之间彼此平行（图3e），一般为水浅、急流状态下的产物，反映了高流态的上部流动体态，在河道边部水浅环境中常见，厚度为0.3～2 m。
2.6 羽状交错层理细砂岩相（Spc）
岩性一般为细砂岩，是由涨潮流形成的前积层与退潮流形成的前积层交互而成，相邻层系的纹层倾向正好相反，形似羽毛状（图3f），一般在潮汐通道或潮汐砂坝中出现，厚度为1～3 m。
2.7 透镜状层理细砂岩相（Sf）
透镜状层理是潮汐层理的一种，是由砂、泥交互沉积形成的。当有较强的水流或波浪作用时，砂呈波浪状态被搬运沉积，泥则呈悬浮状态沉积在波谷里或沉积在波状起伏的砂层之上，砂质的沉积比泥好保存，就形成的透镜状层理（图3g），岩性以细砂岩、粉砂岩或泥质粉砂岩为主，厚度约为0.3～1.5 m。
2.8 流水沙纹层理粉细砂岩相（Fr）
岩性主要为粉细砂岩，主要是由流水波痕向前迁移形成的（图3h），发育在水动力较弱的环境中，河道两侧的漫溢沉积及堤岸沉积中常见，厚度约为0.3～0.8 m。
2.9 块状泥岩相（Mm）
灰黑色泥页岩整体呈块状，主要为细粒悬浮沉积物在低能静水环境中形成的，纹层呈薄层状，有时显水平层理，主要分布于水下分流间湾或河漫滩中，厚度为0.5～2 m。
2.10 煤层（C）
黑色煤层呈带状分布，主要形成于泥碳沼泽环境（图3i），厚度不等，为0.2～1.5 m，垂向上煤层与深灰色页岩、块状泥岩及粉砂质泥岩互层叠置，并可见到水平层理、波纹层理。
3. 构型要素综合分析
3.1 沉积单元及岩相类型组合
根据三角洲沉积特征，结合Maill 提出的河流、三角洲构型单元（Miall, 1985, 1988, 1996），同时根据已经较为成熟的三角洲沉积微相的划分方案，将研究区的沉积单元分为以下7种。
3.1.1 水下分流河道
分流河道砂体是研究区主要的沉积单元之一，岩性以灰色、灰白色中细砂岩为主，底部可见细砾，灰黑色泥砾（图3a），下部以块状层理为主，向上逐渐过渡为槽状交错层理、板状交错层理及平行层理，在底部可见冲刷充填构造，整体上显示为向上逐渐变细的正旋回，单个的分流河道砂体在剖面上呈“顶平底凸”的形态，并向两端逐渐变薄，单一厚度一般为1～10 m，宽度为10～100 m。岩相组合自下而上表现为Gm-St/Sp-Sh-Mm的组合（图4、图5）。
![]()
图 4 柳林成家庄山西组露头剖面基本沉积单元Figure 4. Basic sedimentary units of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin![]()
图 5 柳林成家庄山西组典型岩相组合Figure 5. Typical lithofacies associations of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin3.1.2 分流砂坝
分流砂坝是指河流入湖（海）后，由于流速骤减和潮流的顶托作用，河流砂体负载沉积形成水下浅滩，浅滩逐渐增大，露出水面，形成了砂坝（张昌民等, 2010; 朱卫红等, 2016）。岩性以灰白色中细砂岩为主，底部块状砂岩中可见细小的砾石，向上粒度逐渐变细，见槽状交错层理及平行层理，整体表现为正旋回的特性，剖面形态分为“底平顶凸”和“底平顶平”两种，其“底平顶平”的形态可能是砂体的顶部受到潮汐的改造作用形成。单一砂体厚度为1～8 m，宽度为10～90 m。岩相类型组合自下而上表现为Gm-St/Sp-Sh（图4a、图5b）。
3.1.3 潮汐砂坝
位于三角洲前缘的水下分流河道砂体和河口坝砂体受到潮汐水流作用的改造后逐渐沉积下来而形成的砂体，其明显的标志是具有双向楔形的斜层理（图4b、图5a）。此外，某些潮汐砂坝也具脉状、透镜状等潮汐层理。潮汐砂坝砂体一般粒度较细，成熟度较高，分布与海岸方向垂直，规模一般较小。
3.1.4 河口坝
当河流入海以后，由于海水抑制作用，使流速骤减，河流所携带的泥砂物质在河口处堆积下来形成河口坝。其粒度较细，分选磨圆较好，可见楔状斜层理、平行层理及流水沙纹层理。研究区河口坝砂体由于潮汐水流的改造作用，分布较少，其在剖面上呈透镜体状。单一河口坝砂体厚度较薄，厚度为0.3～1.5 m，宽度为5～30 m之间，可见Fr-Sh的岩相类型组合（图5c）。
3.1.5 远砂坝
位于河口坝砂体的前端位置，其粒度较细，主要为粉砂岩，可见波状层理、水平层理、递变层理及一些变形层理，砂体中可见植物碳屑。其厚度较薄，一般为0.1～1 m，但其横向延伸较远（图4c）。
3.1.6 前缘席状砂
为河口坝砂体被海浪或湖浪冲刷后再次搬运、分选而沉积的砂体，其粒度较细，主要为粉砂岩、泥质粉砂岩，分选较好，可见水平层理及波状层理。厚度较薄，一般为0.05～0.8 m，在剖面中主要孤立在较厚层的泥岩中，延伸较远（图4c）。
3.1.7 水下分流间湾
为水下分流河道之间的相对低洼地方的沉积，也可延伸到河口坝及远砂坝。岩性以灰色、深灰色泥岩为主，也可见灰色粉砂质泥岩及泥质粉砂岩（图3h），主要发育水平层理及透镜状层理。
3.2 构型界面级次划分
为进一步揭示三角洲沉积单元的内部结构及构型特征，借鉴Mill的河流构型分级划分方案（Miall, 1985, 1996），对研究区露头沉积体进行了构型界面识别及划分，由小到大可以分为5个等级（表1）。1级构型界面为交错层系界面，即因流体底形迁移形成的相同纹层组构成的界面，界面没有明显的侵蚀性。2级构型界面为交错层系组成的层系组界面，反映了流体动力或流动方向的变化，其表现为单一岩相，界面也不具侵蚀性，在剖面中表现为槽状交错层理、板状交错层理及平行层理之间的分界（图5b）。3级构型界面是大型底形增生体的顶、底界面，增生体的岩相组合基本相似，是由流体顺流加积或者侧向加积形成的沉积单元，界面的底部可见泥砾或薄层泥质夹层，并可见微弱的侵蚀作用，在剖面上主要表现为分流河道、分流砂坝及潮汐砂坝内的增生体，三角洲前缘河口坝内部的前积层。4级构型界面为较大型构型界面的上、下边界，即由多个增生体叠合形成的单成因沉积体界面，如单一的分流河道、单一的分流砂坝，界面上、下单元类型具明显变化，也具明显的侵蚀作用，但规模相对较小。5级构型界面为单一河道复合沉积体、潮汐砂坝复合沉积体及河口坝复合沉积体等的顶、底界面，表现为具有侵蚀界面的连续沉积体。界面底部为侵蚀面或洪泛面，可见滞留沉积，也是岩性和物性的分界面（图5a）。
表 1 研究区三角洲前缘露头沉积单元及构型界面级次划分Table 1. Sedimentary units and architecture boundary level division of delta front in the study area构型界面级别 构型沉积单元 沉积成因及特征 界面特征 1 层系 流体底形迁移 无明显侵蚀 2 层系组 流体底形迁移 无明显侵蚀 3 大型底形内部的增生体，如分流河道、分流砂坝及潮汐砂坝内的侧积体，三角洲前缘河口坝的前积体 流体顺流加积或者侧向加积 微弱侵蚀面 4 大型沉积底形，如分流河道、分流砂坝、潮汐砂坝、单一河口坝、单一远砂坝、单一席状砂等 由多个增生体在垂向或侧向加积形成的沉积单元 具明显侵蚀，可见侵蚀面 5 单一河道复合沉积体、潮汐砂坝复合沉积体、河口坝复合体、远砂坝复合体、席状砂复合体 具侵蚀界面的连续沉积体，表现为垂向加积、侧向加积及填积形成的复合沉积单元 具侵蚀的基底，底部滞留沉积，重要的岩性及物性界面 3.3 剖面构型要素综合解释成果
通过对研究区沉积单元及构型界面级次的详细分析，根据旋回特性和岩性组合特征对成家庄地区山西组较为典型的3个剖面进行了构型要素综合解释，对剖面中存在5级、4级、3级、2级构型界面进行了精细刻画，并对各个沉积单元的特征进行了分析。
剖面1近于垂直物源方向。因此，横切分流河道、分流砂坝及潮汐砂坝，剖面长度约为50 m，厚度为6～15 m。岩性主要为灰白色、土黄色块状中细砂岩及粉砂岩、灰色薄层泥岩。在垂向上可识别出3个5级构型界面，每期的5级构型单元由次一级构型沉积体复合而成（图6）。第1期5级构型单元由4期分流河道充填体复合而成，每期分流河道表现为自下而上由粗变细的正旋回，分流河道砂体内可见板状、槽状交错层理，总体呈近“顶平底凸”的剖面形态，5级构型界面的底部可见厚度不均但分布稳定的灰色薄层泥岩，厚度为5～10 cm，成为砂体之间的非渗流层，增加了储层的非均质性。第2期5级构型单元为2期潮汐砂坝复合形成的沉积单元，每期潮汐砂坝由方向相反的楔状增生体组成的3级构型单元复合而成，在3级增生体内可见槽状、楔状层系组构成的2级构型单元，底部可见微弱的侵蚀面，并没有非渗透性的泥质隔层。第3期5级构型单元由2期分流河道砂体复合构成，分流河道砂体整体为块状，不显层理，表现为由粗变细的正旋回，在5级构型界面的底部可见明显的底冲刷，整体呈“顶平底凸”的形态。剖面1在垂向上表现为由潮汐砂坝和分流河道相互叠置形成的2期正旋回组合，构型等级明确，界线清晰。
![]()
图 6 剖面1构型要素综合解释成果及W1构型单元垂向叠置关系Figure 6. Comprehensive interpretation results of field profile 1 and vertical stacking relationships of W1剖面2与古物源方向也近于垂直，剖面长度约为80 m，厚度为8～16 m。岩性主要为灰白色、土黄色中细砂岩、深灰色薄层泥岩。整个剖面在垂向上由2个5级构型单元组成，自上而下分别为单一复合河道沉积体和潮汐砂坝组成的复合沉积体（图7）。第1期5级构型单元为分流砂坝与分流河道组成的复合河道，河道的底界面为5级构型单元的界线，可见明显的底冲刷，并见深灰色泥岩隔层，成为分隔砂体之间的非渗流层。分流砂坝垂向叠置于分流河道之上，厚度约为8 m，整体为块状，其底界面为4级构型单元的界线，可见厚度较薄的泥岩隔层，内部识别出3级分流砂坝增生体，在垂向剖面上表现为“顶平底平”的形态。分流河道由多个3级河道增生体复合而成，见槽状交错层理，自下而上显正旋回，最厚可达15 m，河道增生体是由主河道侧向迁移形成的，内部界线较清晰，但没有明显的侵蚀界面。分流河道的底部见明显的冲刷面，与分流砂坝相区别，整体上呈“顶平底凸”的形态。第2期5级构型单元为2期潮汐砂坝复合而形成，潮汐砂坝内可见方向相反的3级构型楔状增生体，楔状增生体内又可识别出次一级的2级构型层系组，界线清晰。剖面2在垂向上体现出分流砂坝、分流河道及潮汐砂坝之间的相互叠置关系，内部5级、4级、3级、2级构型界线清晰，较好的体现了不同等级的构型单元特征。
![]()
图 7 剖面2构型要素综合解释成果及W2构型单元垂向叠置关系Figure 7. Comprehensive interpretation results of field profile 2 and vertical stacking relationships of W2剖面3近于顺物源方向，长度约为50 m，厚度近25 m。岩性主要为灰色、深灰色泥岩，灰色细砂岩、粉砂岩。在垂向上由2个5级构型单元及多个4级构型单元组成，自上而下分别为单一复合河道沉积体和三角洲前缘河口坝、远砂坝和席状砂复合体（图8）。顶部的5级构型单元为分流河道及分流砂坝组成的单一复合河道，分流河道和分流砂坝的界线为一4级构型界面，分流河道的底界面见侵蚀面，并有泥质隔层，成为分流河道和分流砂坝之间的非渗流层，增加了储层的宏观非均质性。分流河道砂体内部可识别出由河道侧向迁移形成的3级增生体，界面清晰，分流砂坝整体为块状，剖面形态表现为“顶平底平”。分流河道前端为河口坝，单一河口坝构成1个4级构型单元，河口坝内可见次一级增生体，河口坝前端为多套条带状的远砂坝沉积体，每1个远砂坝沉积体构成1个4级构型单元，远砂坝沉积体前端为席状砂沉积体，呈条带状，粒度比远砂坝砂体细，厚度较薄，每1期席状砂砂体也构成1个4级构型单元，其内部可见次一级的席状砂增生体，多个席状砂构成5级席状砂复合体。剖面3在垂向整体表现为一反旋回，构型界线清晰，各个沉积体特征明显。
![]()
图 8 剖面3构型要素综合解释成果及W3构型单元垂向叠置关系Figure 8. Comprehensive interpretation results of field profile 3 and vertical stacking relationships of W34. 构型单元组合样式
构型单元的组合样式是沉积环境、水动力特征及垂向演化的综合反映，它对储层的非均质性研究及剩余油分布有着重要影响（金振奎等, 2014; 封从军等, 2015）。通过对山西柳林成家庄地区山西组野外剖面的精细观察，总结出了各沉积单元的组合样式，主要有垂向叠置、侧向拼接及孤立式分布3种（图9、图10）。
![]()
图 9 柳林成家庄地区山西组露头剖面构型单元侧向拼接及孤立式分布样式a. 构型单元的侧拼接型细砂岩1.5 m；b. 构型单元的似侧拼接型；c. 构型单元的孤立式分布Figure 9. Lateral joining type and isolated type patterns of architecture units of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin4.1 垂向叠置
垂向叠置是指各沉积单元在垂向上的相互叠置关系，主要是指单一复合河道内沉积体的叠置，单一复合河道沉积体与潮汐砂坝复合体之间的叠置，多期潮汐砂坝之间的叠置、多期河口坝砂体之间的叠置及多期席状砂之间的叠置。
4.1.1 单一复合河道内沉积体的叠置
在研究区单一复合河道内沉积体的叠置关系可分为3种类型。分流河道与分流河道之间的叠置，或者是多期分流河道之间的叠置，如叠置样式①（图6），两期分流河道基本上向同一方向延伸，但是后期河道切割叠置在早期河道之上，可见两期河道的下切侵蚀面，一般早期形成的河道顶部的粉砂或泥质部分会被后期河道剥蚀掉，层序不完整，后期形成的河道保持了较完整的沉积序列，显示正旋回层序。分流砂坝和分流砂坝之间的叠置，或者是多期分流砂坝之间的叠置，如叠置样式④（图7），两期分流砂坝在垂向上相互叠置，分流砂坝底部没有明显的侵蚀面，但界线清晰，岩相组合也基本相似，显示两期正旋回的沉积韵律。分流砂坝与分流河道之间的叠置，可分为两种类型。①分流砂坝叠置于分流河道之上，如叠置样式⑤（图7），分流砂坝在垂向剖面上显示“顶平底平”的形态，而分流河道则显示“顶平底凸”的形态，其延伸方向基本一致，界线清晰，延伸较长，产状较缓，在界线之上可见泥质隔层。②分流河道切叠于分流砂坝之上，如叠置样式⑥（图8），上部分流河道下切较明显，底部粒度较粗，显示正旋回的沉积韵律，底部先形成的分流砂坝砂体粒度相对较细，显示“顶平底平”的形态，两个沉积单元之间界面清晰，延伸方向一致。
4.1.2 单一复合河道沉积体与潮汐砂坝复合体之间的叠置
单一复合河道沉积体与潮汐砂坝复合体之间的叠置是指分流砂坝与分流河道或者是分流河道与分流河道组成的5级构型单元与多期潮汐砂坝之间的垂向叠置，如叠置样式③（图6），分流河道底部下切侵蚀面明显，界限清晰，潮汐砂坝顶部的细粒沉积部分被分流河道下切剥蚀掉，顶部显示河道的下切底形，此种类型在研究区分布较少。
4.1.3 多期潮汐砂坝之间的叠置
多期潮汐砂坝之间的叠置是指由多个单一潮汐砂坝组成的复合体在垂向上的叠置关系，每一期之间的界线是4级构型界面的分界线，如叠置样式②（图6），两期潮汐砂坝在垂向上相互叠置，岩相类型基本一致，每期潮汐砂坝都发育方向相反的楔状沉积体，其之间的界线清晰，分割明显，上部后形成的潮汐砂坝对下部先形成的潮汐砂坝有一定的侵蚀作用，多期潮汐砂坝在垂向上的叠置在研究区也较常见。
4.1.4 多期河口坝之间的叠置
多期河口坝叠置是指多个单一的河口坝沉积体在垂向上的相互叠置，如叠置样式⑦（图8），多个透镜状的河口坝砂体在垂向上叠置，每个河口坝砂体都向同一方向延伸，岩性也基本一致，其之间的界线清晰。
4.1.5 多期席状砂之间的叠置
多期席状砂之间的叠置是指多期席状砂在垂向上的叠置关系，如叠置样式⑧（图8），多个席状砂砂体向同一个方向延伸，总体厚度较薄，粒度很细，也可见后形成的席状砂对先形成的席状砂的切割作用。
4.2 侧向拼接
侧向拼接是指各个构型单元在侧向上的拼接关系，各个构型砂体之间并没有明显的切割，通常侧向拼接构型砂体厚度不大，但宽度很大，可达几十米到几百米。根据构型单元之间的拼接程度，可分为侧拼接型和似侧拼接型两种。侧拼接型在研究区主要表现为相邻单河道砂体在侧向上的相互拼接，各个河道砂体之间的形态保持完整，侧向上紧密相邻（图9a），其间有较薄的泥岩阻隔，砂体之间不连通。似侧拼接型是指两条相邻单河道砂体之间距离很近，在侧向上相邻，甚至是有重叠，但是垂向上不相互切割，在两条单河道之间有泥岩阻隔，相互不连通（图9b）。这种形式的拼接样式是非常需要注意的形式，它们很容易认为是完全连通的同一层砂体，这样会在油藏开发过程中造成错误的导向。
4.3 孤立式分布
孤立式分布是指各构型单元砂体之间孤立出现，没有接触，四周常被泥岩阻隔。单河道砂体、河口坝砂体、远砂坝砂体及席状砂砂体均可出现（图8、图9c、图10）。孤立的单河道砂体厚度通常较薄，一般小于3 m，宽度可达数十米到百米，在三角洲前缘沉积中，河口坝、远砂坝及前缘席状砂沉积单元也常见孤立式分布，其周围被三角洲前缘泥包围，不连通，具有很强的非均质性。
![]()
图 10 柳林成家庄地区山西组露头剖面构型单元组合模式图Figure 10. Assemble patterns of architectural units of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin5. 储层构型单元的定量表征
对野外露头剖面构型单元的精细定量表征能够有效的指导地下相似储层构型体的解析，进而对储层非均质性及剩余油挖潜提供指导。结合野外剖面沉积构型单元的综合解释成果，对各类构型单元的规模进行了测量，包括构型单元砂体的厚度及宽度数据（表2），并对各参数之际的关系进行拟合，得到储层构型单元的定量表征公式。
表 2 柳林成家庄地区山西组露头剖面构型单元参数表Table 2. Architecture unit parameters of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin剖面
编号分流河道 分流砂坝 潮汐砂坝 河口坝 远砂坝 席状砂 宽（m） 厚（m） 宽/
厚宽（m） 厚（m） 宽/
厚宽（m） 厚（m） 宽/
厚宽（m） 厚（m） 宽/
厚宽（m） 厚（m） 宽/
厚宽（m） 厚（m） 宽/
厚剖面1 35 6 5.8 10 1.5 6.7 24.5 5 4.9 9 1.2 7.5 剖面2 87 11 7.9 26 6 4.3 13 2 6.5 12 1.5 8.0 剖面3 28 1.1 25.5 28 0.8 35.0 13 0.2 65.0 30 1.3 23.1 21 0.6 35.0 15.7 0.3 52.3 26 0.9 28.9 23 0.7 32.9 27.5 0.4 68.8 26 0.7 37.1 16 0.3 53.3 30 1 30.0 23 0.5 46.0 21 0.4 52.5
其他
剖面36 5.5 6.5 19 6.0 3.2 12 1.6 7.5 15 0.8 18.8 26 0.5 52.0 74 7.3 10.1 14 1.6 8.8 10 1.2 8.3 22 1.1 20.0 21 0.3 70.0 51 3.5 14.6 12 1.4 8.6 17 0.5 34.0 34 6.0 5.7 22 3.8 5.8 32 1.5 21.3 17 1.2 14.2 61 5.5 11.1 对分流河道砂体采集数据9组，厚度为1.2～11 m，平均为5.7 m；宽度为17～87 m，平均为46.6 m；宽厚比平均值为9，其宽度和厚度存在线性关系，相关系数为
0.6115 （图11a）。分流砂坝采集数据6组，厚度为1.4～6 m，平均为3.4 m；宽度为12～26 m，平均为17.5 m，宽厚比平均值为6.4，其宽度和厚度也存在线性关系，相关系数较高，达0.7511 （图11b）。潮汐砂坝采集数据较少，只有5组，厚度平均值为1.6 m，宽度平均值为10.7 m，宽厚比平均值为7.3；河口坝采集数据7组，厚度平均值为1.02 m，宽度平均值为24.3m，宽厚比平均值达24.5，其宽度和厚度存在线性关系，相关系数为0.7354 （图11c）；远砂坝采集数据7组，厚度平均值为0.65 m，宽度平均值为25 m，宽厚比值较大，为41.7，其宽度和厚度也存在线性关系，相关系数为0.6058 （图11d）。席状砂采集数据6组，厚度平均值为0.35 m，宽度平均值为19.4 m，宽厚比平均值达56.3。![]()
图 11 柳林成家庄地区山西组露头剖面构型单元参数相关性分析Figure 11. Correlation of architecture unit parameters of Shanxi Formation in Chengjiazhuang, Liulin通过对山西柳林成家庄地区山西组露头剖面构型单元定量分析表明，分流河道、分流砂坝、河口坝、远砂坝，砂体厚度和宽度之间存在线性关系，且具有较高的相关性，能够为地下构型单元的建模提供一定的依据。
6. 结论
（1）通过对山西柳林成家庄地区山西组三角洲前缘露头剖面的精细解析，识别出了10种岩相类型及7种沉积单元。对研究区露头沉积体构型界面进行识别和划分，根据沉积旋回及岩性组合特征，识别出分流河道、分流砂坝、潮汐砂坝、河口坝、远砂坝、席状砂6种4级构型单元，它们又以复杂的组合方式构成三角洲前缘5级构型单元。
（2）对研究区构型单元样式进行研究，主要有垂向叠置、侧向拼接及孤立式分布3种类型。垂向叠置又可进一步分为单一复合河道内沉积体的叠置，单一复合河道沉积体与潮汐砂坝的叠置，多期潮汐砂坝的叠置以及多期河口坝砂体及多期席状砂之间的叠置。垂向叠置构型单元一般在垂向上相互切割叠置，砂体厚度大，是良好的储集体。侧向拼接可分为侧拼接型和似侧拼接型。沉积构型单元之间一般有泥岩阻隔，砂体不连通，增强了储层的非均质性，孤立式分布一般为单河道砂体、河口坝砂体、远砂坝砂体及席状砂砂体的孤立出现，砂体之间不连通，中间有泥岩成为阻止流体之间的渗流屏障。
（3）通过对构型单元定量分析表明，分流河道、分流砂坝、河口坝、远砂坝，砂体厚度和宽度之间存在线性关系，且具有较高的相关性，能够为地下构型单元的建模提供一定的地质依据。
-
![]()
图 1 配制样品中矿物百分含量与K值法计算结果的线性相关分析（K值来源晶体学数据库）
Figure 1. Linear correlation analysis between the percentage of minerals in the prepared samples and the results calculated by the K value method (K-values sourced from the crystallography database)
![]()
图 2 配制样品中矿物百分含量与K值法计算结果线性相关分析（K值来源本次研究实测）
Figure 2. Linear correlation analysis between the percentage of minerals in the prepared samples and the results calculated by the K value method （K-values derived from measurements in this study）
![]()
图 3 采样钻孔位置在白云鄂博主矿区分布图 （据徐志豪等，2023修改）
Figure 3. Distribution map of sampling locations in the main pit of Bayan Obo
![]()
图 4 钻孔8-01化学分析全铁含量与K值法半定量分析矿物含量协同图
Figure 4. Synergistic diagram of full iron content analysis and semi-quantitative analysis of mineral content by K-value method in drill hole 8-01
![]()
图 5 K值法分析与化学元素全铁分析线性相关分析
Figure 5. Linear correlation analysis between K-value method analysis and total iron analysis of chemical elements
![]()
图 6 白云鄂博主矿萤石及磁铁矿分布模型（坐标轴字母代表方位S：南 E：东）
Figure 6. Distribution map of fluorite and magnetite ore deposits in the main pit of Bayan Obo
表 1 代表矿石类型样品中典型矿物种类
Table 1 Typical mineral species represented in samples of different ore types
勘探
线号钻孔号 样品原
始编号标高（m） 主要矿物种类（%）* 矿石类型 3副 3F-6 45 1339 磁铁矿（9.98 51.81）、霓石（61.13 26.93）、萤石（6.59 6.85）、白云石（12.63 8.16）、方铅矿（9.98 6.25） 霓石型磁铁矿矿石 4 4-4 50 1364 磁铁矿（17.66 57.80）、萤石（34.81 22.83）、白云石（9.83 4.00）、
重晶石（37.66 15.35）萤石型磁铁矿矿石 8 8-6 106 1210 磁铁矿（3.80 22.86）、萤石（11.33 13.65）、白云石（81.06 60.66）、重晶石（3.79 2.84） 白云石型磁铁矿矿石 9 9-5 30 1397 磁铁矿（18.89 62.08）、萤石（19.02 12.52）、白云石（15.26 6.24）、重晶石（46.84 19.16）、霓石、氟碳铈矿、独居石 萤石型磁铁矿矿石 8 8-7 23 1416 萤石（36.04 30.33）、磁铁矿（7.29 35.4）、赤铁矿（19.46 11.77）、
白云石（16.79 10.15）、重晶石（13.04 7.89）、石英（7.38 4.46）萤石型磁（赤）铁矿矿石 8 8-01 237 912 磁铁矿（7.28 38.08）、白云石（77.47 50.46）、萤石（3.8 3.98）、
重晶石（11.84 7.48）白云石型磁铁矿矿石 8 8-01 141 1157 磁铁矿（1.79 11.53）、云母（24.8 19.9）、萤石（11.42 18.8）、
白云石（5.78 4.64）、长石（56.24 45.13）云母型磁铁矿矿石 8 8-01 212 977 磁铁矿（21.65 54.73）、钠闪石（28.45 13.21）、萤石（21.78 19.01）、云母（24.38 11.32）、白云石（3.71 1.72） 萤石石型磁铁矿矿石 8 8-6 55 1348 磁铁矿（44.16 70.63）、钠闪石（15.18 4.46）、白云石（4.4 1.29）、
长石（5.51 1.62）、萤石（9.44 15.76）、云母（21.22 6.23）萤石石型磁铁矿矿石 8副 8F-12 110 1218 磁铁矿（56.19 72.98）、萤石（22.3 21.88）、白云石（8.43 2.01）、
云母（4.70 1.12）、钠闪石（8.37 2.00）萤石型磁铁矿矿石 9副 9F-12 120 1193 磁铁矿（11.27 47.92）、钠闪石（42.82 24.84）、萤石（1.72 1.61）、
云母（15.34 8.9）、白云石（4.04 2.34）、重晶石（24.81 14.39）钠闪石型磁铁矿矿石 13 WK13-01 10 1521 磁铁矿（16.47 43.27）、钠闪石（8.09 3.90）、萤石（33.09 32.39）、
白云石（25.33 12.22）、黄铁矿（13.78 6.65）、云母（3.24 1.56）萤石石型磁铁矿矿石 注:*未加粗的数值代表使用相关文献中的萤石与磁铁矿K值进行矿物含量半定量计算，而加粗显示的数值则基于本研究所获得的K值测定。鉴于目前尚未获取适宜于稀土矿物的K值，这些矿物未被纳入本研究的定量分析范畴。因此，含有稀土矿物的样品所得到的矿物半定量分析结果，实为除稀土矿物外其他组分的归一化结果。 
下载: 导出CSV
表 2 适用于白云鄂博矿区常见矿物的K值参数
Table 2 Selection parameters of different minerals’ K-values in Bayan Obo district
矿物种类 hkl 2θ （°） D（nm） K 值 来源 白云石 104 30.95 0.2886 2.64 SY/T 5163-2010 萤石 111 28.28 0.3150 2.51 本次实测 磁铁矿 113 35.44 0.2530 0.61 本次实测 石英 100 20.86 0.4255 0.91 SY/T 5163-2010 方解石 104 29.42 0.3034 2.86 SY/T 5163-2010 铁白云石 104 30.84 0.2894 2.60 SY/T 5163-2010 重晶石 211 31.56 0.2833 0.87 SY/T 5163-2010 黄铁矿 200 33.00 0.2712 2.06 SY/T 5163-2010 方铅矿 200 30.09 0.2968 4.95 PDF 65-0241 赤铁矿 104 33.09 0.7000 2.40 PDF 33-0664 霓（辉）石 −221 31.02 0.2985 0.80 PDF 41-1370 闪石（族） 110 — 0.82-0.85 1.36 PDF 89-7282 云母（族） 001 — 0.98-1.00 3.4 PDF 42-1437 长石（族） — — 0.32-0.33 1.22 俞旭等，1984 注：SY/T5163-2010来源中华人民共和国行业标准；PDF卡片来源为粉晶衍射数据库（ICDD）；2θ （°） 角度对应Cu靶数据。
下载: 导出CSV
-
迟广成, 肖刚, 汪寅夫, 等. 铁矿石矿物组分的X射线粉晶衍射半定量分析[J]. 冶金分析, 2015, 35（1）: 38−44. CHI Guangcheng, XIAO Gang, WANG Yinfu, et al. Semi-quantitative analysis of the mineral components of iron ores by X-ray powder diffraction[J]. Metallurgical Analysis,2015,35(1):38−44.
付伟, 彭召, 曾祥伟, 等. 基于XRD-Rietveld全谱拟合技术定量分析花岗岩风化壳中矿物组成[J]. 光谱学与光谱分析, 2018, 38（7）: 2290−2295. FU Wei, PENG Zhao, ZENG Xiangwei, et al. Quantitative Analysis of Mineral Composition in Granite Regolith Based on XRD-Rietveld Full-Spectrum Fitting Method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2018,38(7):2290−2295.
贾建业. 黄铁矿的X射线衍射谱及其找矿意义[J]. 西北地质, 1996（3）: 38−45. JIA Jianye. X-ray diffraction spectrum of pyrite and its prospecting significance[J]. Northwestern Geology,1996(3):38−45.
焦景慧, 陈天明. X射线法粉煤灰形成莫来石影响因素的研究[J]. 粉煤灰综合利用, 1996（3）: 6−11. JIAO Jinghui, CHEN Tianming. Research on the Transformation of Fly Ash into Mullite with X-Ray Diffractometry[J]. Fly Ash Comprehensive Utilization,1996(3):6−11.
柯昌辉, 李以科, 李立兴, 等. 白云鄂博矿区赋矿“白云岩”地质特征与成因再认识[J]. 中南大学学报（自然科学版）, 2021, 52（9）: 3047−3063. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.09.007 KE Changhui, LI Yike, LI Lixing, et al. Petrogenesis of ore-bearing “dolostone” in Bayan Obo deposit, Inner Mongolia, China: insights from geological features[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2021,52(9):3047−3063. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.09.007
李丹煜, 杨莉, 王金龙, 等. 白云鄂博萤石分布特征及放射性钍元素的影响[J]. 包钢科技, 2020, 46（3）: 6−9. doi: 10.3969/j.issn.1009-5438.2020.03.003 LI Danyu, YANG Li, WANG Jinlong, et al. Distribution Characteristics of Fluorite and Effects of Radioactive Element Thorium in Bayan Obo Deposit[J]. Science and Technology of Baotou Steel,2020,46(3):6−9. doi: 10.3969/j.issn.1009-5438.2020.03.003
李强, 杨占峰. 白云鄂博主矿各矿石类型稀土配分特征研究[J]. 稀土, 2021, 42（5）: 36−42. LI Qiang, YANG Zhanfeng. Study on REE Distribution Characteristics of Different Ore Types in Bayan Obo Main Orebody[J]. Chinese Rare Earths,2021,42(5):36−42.
刘玉龙, 杨刚, 陈江峰, 等. 白云鄂博超大型稀土-铌-铁矿床黄铁矿Re-Os定年[J]. 科学通报, 2005, 50（2）: 172−175. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2005.02.012 LIU Yulong, YANG Gang, CHEN Jiangfeng, et al. Re-Os Dating of pyrite from Baiyunebo Super Large REE-Nb-Fe Deposit[J]. Chinese Science Bulletin,2005,50(2):172−175. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2005.02.012
潘小菲, 张天福, 李岩, 等. 德兴斑岩铜（钼金）矿床蚀变岩石的X粉晶衍射分析及地质意义[J]. 矿床地质, 2012, 31（S1）: 335−336. PAN Xiaofei, ZHANG Tianfu, LI Yan, el al. X-ray powder diffraction analysis of altered rocks and its geological significance of Tongchang Cu(-Mo-Au) porphyric deposit, Jiangxi Province[J]. Mineral Deposits,2012,31(S1):335−336.
秦玉芳, 李娜, 王其伟, 等. 白云鄂博选铁尾矿稀土的工艺矿物学研究[J]. 中国稀土学报, 2021, 39（5）: 796−804. QIN Yufang, LI Na, WANG Qiwei, et al. Technological Mineralogy of Rare Earth in Bayan Obo Iron Tailings[J]. Journal of the Chinese Society of Rare Earths,2021,39(5):796−804.
王凯怡, 张继恩, 方爱民, 等. 白云鄂博矿床成因——矿体内霓长岩化成矿作用与赋矿白云岩的联系[J]. 岩石学报, 2018, 34（3）: 785−798. WANG Kaiyi, ZHANG Ji'en, FANG Aimin, et al. Genesis of the Bayan Obo deposit, Inner Mongolia: The f enitized mineralization in the ore bodies and its relation to the ore-bearing dolomite[J]. Acta Petrologica Sinica,2018,34(3):785−798.
王维维, 李二斗, 金海龙, 等. 白云鄂博萤石型稀土-铁矿石工艺矿物学研究[J]. 有色金属（选矿部分）, 2020（6）: 14−18. doi: 10.3969/j.issn.1671-9492.2020.06.003 WANG Weiwei, LI Erdou, JIN Hailong, et al. Study on the Technological Mineralogy of Fluorite Type REE-Fe Ores from Bayan Obo Mine[J]. Nonferrous metals (beneficiation part),2020(6):14−18. doi: 10.3969/j.issn.1671-9492.2020.06.003
徐志豪, 闫国英, 杨宗锋, 等. 白云鄂博矿床磁铁矿成分标型与深部富铁矿体预测[J]. 地学前缘, 2023, 30（2）: 426−439. XU Zhihao, YAN Guoying, YANG Zongfeng, et al. Typomorphic characteristics of magnetite and prediction of deep iron-rich orebody in the Bayan Obo ore deposit[J]. Earth Science Frontiers,2023,30(2):426−439.
薛雍, 江向峰, 钟玉锋. 标准曲线法X射线粉晶衍射直接分析滑石中微量石棉[J]. 岩矿测试, 2010, 29（3）: 322−324. doi: 10.3969/j.issn.0254-5357.2010.03.028 XUE Yong, JIANG Xiangfeng, ZHONG Yufeng. Quantitative Determination of Trace Asbestos inTalcum by X-ray Powder Diffraction with External Standardization[J]. Rock and Mineral Analysis,2010,29(3):322−324. doi: 10.3969/j.issn.0254-5357.2010.03.028
杨波, 杨莉, 孟文祥, 等. 利用探针片进行X射线粉晶衍射分析在白云鄂博矿床中的应用[J]. 有色金属（选矿部分）, 2021（6）: 34−42. YANG Bo, YANG Li, MENG Wenxiang, et al. Application of X-ray Powder Diffraction Analysis in Bayan Obo Deposit with Microprobe Slice[J]. Nonferrous Metals (Beneficiation Part),2021(6):34−42.
杨波, 于俊芳, 杨莉, 等. 白云鄂博主矿和东矿不同类型矿石中萤石矿物学特征[J]. 稀土, 2022, 43（1）: 90−97. YANG Bo, YU Junfang, YANG Li, et al. Mineralogical Characteristics of Fluorite in Different Kinds of Ores of Main and East Orebodies of Bayan Obo Deposit[J]. Chinese Rare Earths,2022,43(1):90−97.
俞旭, 江超华. 现代海洋沉积矿物及其X射线衍射研究[M].北京: 科学出版社, 1984. YU Xu, JANG Chaohua. Modern Marine sedimentary minerals and their X-ray diffraction studies[M]. Beijing:Science Press, 1984.
于俊芳, 沈茂森, 郭爱芳. 白云鄂博矿萤石浮选分析[J]. 现代矿业, 2018, 593（9）: 245−246. YU Junfang, SHEN Maosen, GUO Aifang. Flotation Analysis of Fluorite in Baiyunebo Mine[J]. Modern Mining,2018,593(9):245−246.
于俊芳, 沈茂森, 杨波, 等. 白云鄂博东矿白云石型矿石特征分析[J]. 包钢科技, 2022, 48（3）: 10−13. YU Junfang, SHEN Maosen, YANG Bo, et al. Analysis on Characteristics of Dolomite Type Orein East Mine of Bayan Obo[J]. Science and Technology of Baotou Steel,2022,48(3):10−13.
袁珂, 廖立兵, 万红波, 等. 膨润土中方石英和α-石英的定量相分析——X射线衍射外标法和K值法的对比[J]. 硅酸盐学报, 2011, 39（2）: 377−382. YUAN Ke, LIAO Libing, WAN Hongbo, et al. Quantitative Analysis of Cristobalite and α-Quartz in Bentonite by X-Ray Powder Diffraction-Comparison Between External Standard and K-Value Method[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society,2011,39(2):377−382.
Liu Yulong, Ling Mingxing, Williams I S, et al. The formation of the giant Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit, North China, Mesoproterozoic carbonatite and overprinted Paleozoic dolomitization[J]. Ore Geology Reviews,2018,92:73−83. doi: 10.1016/j.oregeorev.2017.11.011
Yang Kuifeng, Fan Hongrui, Pirajno Franco, et al. The Bayan Obo (China) giant REE accumulation conundrum elucidated by intense magmatic differentiation of carbonatite[J]. Geology,2019,47(12):1198−1202. doi: 10.1130/G46674.1
计量
- 文章访问数: 309
- HTML全文浏览量: 15
- PDF下载量: 71
