別勒灘低品位鉀鹽固液轉(zhuǎn)化試驗(yàn)水動(dòng)力與水化學(xué)條件分析

王文祥，李文鵬，劉振英，郝愛(ài)兵，王石軍，焦鵬程

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊 050031；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；5.青海鹽湖集團(tuán)，青海 格爾木 816000；6.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037)

察爾汗鹽湖首采區(qū)的采鹵實(shí)踐證明，隨著抽鹵的不斷進(jìn)行，晶間鹵水的水位不斷下降，目前埋深已經(jīng)下降到4～5m，如果繼續(xù)發(fā)展下去，上層的固體鉀礦勢(shì)必成為“呆礦”[1]。水溶法開(kāi)采地下鹽類(lèi)礦床在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)外水溶法開(kāi)采鹽礦主要是鉆井水溶開(kāi)采。已有資料顯示[2]，察爾汗礦區(qū)部分固體鉀鹽因1989年特大洪水已被溶解轉(zhuǎn)化為液體礦，即天然的低品位固體鉀鹽發(fā)生液化，進(jìn)入了鹵水中，自然界發(fā)生的固體鉀鹽的液化現(xiàn)象，為人工液化開(kāi)采低品位固體鉀鹽打開(kāi)了思路。

一些研究者曾對(duì)溶解驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了室內(nèi)外試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[3-6]，并得到了一些重要認(rèn)識(shí)。

驅(qū)動(dòng)溶解固體鉀礦就是在鹽層的某一位置注入合適的溶劑，溶劑在流動(dòng)的過(guò)程中與圍鹽接觸并不斷溶解固體鉀礦。文章首先描述了溶礦過(guò)程中的水動(dòng)力條件變化，再通過(guò)分析S2T1孔的水化學(xué)變化，揭示了溶礦過(guò)程中的水動(dòng)力和水化學(xué)變化規(guī)律，并對(duì)補(bǔ)水渠至S2T1孔之間的區(qū)域所處的溶礦階段進(jìn)行了劃分。

1 研究區(qū)概況

察爾汗鹽湖位于青海柴達(dá)木盆地中東部新生代沉積區(qū)，地理坐標(biāo)東經(jīng)94°～96°，北緯36°40′～37°10′，東西長(zhǎng)168km，南北寬20～40km，面積4705km2，大致呈“啞鈴”狀東西向展布，兩端大而中間小[7-8]。

試驗(yàn)區(qū)位于察爾汗鹽湖別勒灘區(qū)段澀聶湖東側(cè)。別勒灘礦區(qū)面積約1500km2[9]，巖鹽屬蒸發(fā)巖沉積，主要由石鹽組成，局部地段含有光鹵石、鉀石鹽、石膏、芒硝、水氯鎂石及碎屑沉積物等，光鹵石與石鹽各自成細(xì)層平行相間排列，似層狀構(gòu)造。由于巖鹽在沉積過(guò)程中結(jié)晶條件的不均勻性，所形成的石鹽晶體大小不等，晶體不完整，常呈不規(guī)則聚晶狀，鹽晶相互鑲嵌，其晶面間相互直接吸附或由細(xì)粒鹽、碎屑不溶物質(zhì)膠結(jié)。鹽層的這種結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特點(diǎn)，使其在一定的水動(dòng)力條件下，極易形成溶孔或巖(鹽)溶管道，并沿水平方向形成連通性較好的孔隙，而成為富水性、滲透性較強(qiáng)的鹵水含水層，鹽層空隙度大者達(dá)15%～35%。察爾汗別勒灘地層中固體鉀礦層或含鉀礦層氯化鉀品位很低，氯化鉀含量通常在2%～6%之間，部分在0.2%～2.0%[10]。

別勒灘區(qū)段鹵水密度1.23～1.26g/cm3，礦化度337.76～379.19g/L，K+含量可達(dá)14.3g/L，已濃縮演化為石鹽結(jié)晶析出后的飽和鹵水，屬于石鹽水及富鉀石鹽水、富鉀光鹵石水，為氯化物型水和硫酸鎂亞型水。別勒灘區(qū)段中部富水性最好，單位涌水量達(dá)1270～439m3/(d·m)，滲透系數(shù)114～368m/d[11]。往外圍鹽層賦水性逐漸變?nèi)?，單位涌水?05～868m3/(d·m)，滲透系數(shù)33～270m/d。李文鵬通過(guò)環(huán)狀槽試驗(yàn)得到滲透系數(shù)為89m/d[12]。

2 試驗(yàn)場(chǎng)布置

試驗(yàn)場(chǎng)位于供鹵渠和采鹵渠之間。供鹵渠是新開(kāi)挖的一條渠，渠深4m，寬2m，試驗(yàn)過(guò)程中水位較高，穩(wěn)定后保持在地表以下0.2m，其作用是從澀聶湖引湖水作溶劑進(jìn)行溶礦，向鹽層中補(bǔ)給鹵水；采鹵渠是青海鹽湖集團(tuán)的一條生產(chǎn)用渠，渠深20m，寬6m，試驗(yàn)過(guò)程中水位較低，一般保持在地表以下5～6m，相當(dāng)于試驗(yàn)場(chǎng)的排泄區(qū)。

試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)共設(shè)置了4列×5排共20個(gè)位置的監(jiān)測(cè)孔，如圖1所示。4列分別為S1、S2、S3、S4，以S開(kāi)頭的稱之為列。例如，第一列為S1列。它包括的孔位有：S1T1、S1T2、S1T3、S1T4、S1T5共5個(gè)位置的監(jiān)測(cè)孔；5排分別為T(mén)1、T2、T3、T4、T5，以T開(kāi)頭的稱之為排，例如，第1排的監(jiān)測(cè)孔為T(mén)1，它包括的孔位有：S1T1、S2T1、S3T1、S4T1共4個(gè)位置的監(jiān)測(cè)孔。監(jiān)測(cè)孔根據(jù)監(jiān)測(cè)深度(孔深)的不同可分為3種類(lèi)型的監(jiān)測(cè)孔：A孔、B孔、C孔，A孔的孔深為4m，B孔的孔深為8m，C孔的孔深為16m，A孔的取樣深度為3m，B孔的取樣深度為5m、7m，C孔的取樣深度為5m、7m、10m、13m。如果沒(méi)有特別指出，本文中所提到的監(jiān)測(cè)孔均指B孔，用來(lái)對(duì)比的樣品均指B孔7m深度取到的樣品。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)孔布置圖

3 水動(dòng)力條件分析

試驗(yàn)開(kāi)始之前，試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均水力坡度在0.04%左右，等水位線分布比較均勻[13]。試驗(yàn)開(kāi)始后，溶劑進(jìn)入地層，晶間鹵水水位開(kāi)始上升，水位上升到一定程度時(shí)達(dá)到平衡，水位停止上升。

筆者做了不同列上各孔的水位埋深歷時(shí)曲線，其變化趨勢(shì)是一致的，現(xiàn)在以S4列為例來(lái)分析各孔的水位歷時(shí)變化。如圖2所示，圖2中6條曲線從上到下依次為供鹵渠、S4T1、S4T2、S4T3、S4T4、S4T5孔的水位埋深歷時(shí)曲線，曲線在圖中的位置代表了水位的高低，即對(duì)于同一時(shí)刻來(lái)說(shuō)，最上邊的曲線水位最高，最下邊的曲線水位最低。第0天(6月8日)的數(shù)據(jù)是試驗(yàn)開(kāi)始前天然條件下的水位埋深，試驗(yàn)于6月9日開(kāi)始。

試驗(yàn)開(kāi)始后，澀聶湖中的湖水開(kāi)始進(jìn)入供鹵渠，第1～24天內(nèi)，供鹵渠的水位一直處于上升狀態(tài)，到第24天(7月2日)時(shí)達(dá)到最高，這種高度一致保持到第71天(8月18日)，之后由于停止供鹵，渠水位開(kāi)始下降，直至供鹵渠干涸。

從圖2中可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始后，S4T1孔的水位一直升高，在試驗(yàn)開(kāi)始第9天(6月17日)時(shí)達(dá)到最高值。從第9天之后，渠水位繼續(xù)上升，但是S4T1孔的水位發(fā)生下降，這一點(diǎn)可解釋為：①試驗(yàn)開(kāi)始一段時(shí)間后，渠壁發(fā)生結(jié)鹽，影響了渠水的入滲能力，所以，雖然渠水位上升，但是鹵水的入滲流量減?。虎谌軇┻M(jìn)入鹽層后，由于地層中光鹵石的溶解，將伴隨大量石鹽的析出，這將導(dǎo)致鹽層中有效孔隙度的減小[14]，從而減弱了溶劑從上游向下游的補(bǔ)給作用。T2排的水位在第1～24天時(shí)一直處于上升階段，在第24天時(shí)達(dá)到最高值，之后慢慢發(fā)生下降， T2排水位的這種反應(yīng)可視為對(duì)供鹵渠的滯后響應(yīng)，其主要原因是由于T2排距供鹵渠距離較遠(yuǎn)，受供鹵渠的影響滯后于T1排。從圖2可以看出，T3、T4、T5排水位的變化與T2排基本一致。

圖3是T1排各孔的水位歷時(shí)曲線，從圖3中可以看出，S2T1孔的最高水位明顯低于S1T1、S3T1、S4T1孔，即，在試驗(yàn)進(jìn)行到第10天左右時(shí)，S1T1、S3T1孔和S4T1孔的水位升上來(lái)了，S2T1孔的水位沒(méi)有能夠升上來(lái)。4個(gè)監(jiān)測(cè)孔距離供鹵渠的距離是相同的，但是水位最高值不同，這一點(diǎn)可用巖(鹽)溶管道來(lái)解釋?zhuān)和茰y(cè)在S2T1孔附近存在較大的溶孔或巖(鹽)溶管道，鹽層滲透性好，從供鹵渠補(bǔ)給過(guò)來(lái)的溶劑迅速流向下游，從而導(dǎo)致水位難以上升到一個(gè)較高的高度。

圖2 S4列各孔水位埋深歷時(shí)曲線

圖3 T1排各孔水位歷時(shí)曲線

4 晶間鹵水水化學(xué)條件分析

試驗(yàn)開(kāi)始后，向供鹵渠中注入溶劑，溶劑迅速滲入地層，這些溶劑的去向可分為兩種，一是填充晶間鹵水水面以上的地層；二是驅(qū)替晶間鹵水水面以下原有的晶間鹵水，在晶間鹵水與溶劑的接觸面附近混合并推動(dòng)原晶間鹵水向下游流動(dòng)。

試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，溶劑快速進(jìn)入地層并與鹽層中的礦物進(jìn)行短暫的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)，此時(shí)水位變化較大，應(yīng)屬非穩(wěn)定階段。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，晶間鹵水水位不斷升高，到一定階段后，供鹵渠中的溶劑穩(wěn)定的補(bǔ)給地層中的晶間鹵水并與地層中的礦物發(fā)生固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)，晶間鹵水水位變幅較小，試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定階段。

4.1 同排對(duì)比

圖4a為試驗(yàn)開(kāi)始前(6月8日)T3排監(jiān)測(cè)孔中所取樣品，該樣品的離子濃度可代表試驗(yàn)區(qū)本底濃度。圖4b為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(9月18日)T3排監(jiān)測(cè)孔中所取樣品，將圖4a與圖4b做對(duì)比，可看出在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T3排監(jiān)測(cè)孔中鹵水在相圖上的位置與試驗(yàn)開(kāi)始前基本相同，可說(shuō)明在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T3排晶間鹵水變化不大，基本未受溶劑的影響。

圖4c為第11天(6月19日)T1排各孔離子濃度樣品及渠水樣品，從相圖中可以看出， T1排各孔晶間鹵水所在區(qū)域非常靠近溶劑，且與本底值相比有較大變化，表明溶劑已經(jīng)到達(dá)T1排。圖4d為第17天(6月25日)時(shí)T2排各孔樣品與渠水樣品對(duì)比圖，從相圖中可以看出S2T2孔晶間鹵水所在位置最接近溶劑，說(shuō)明此時(shí)S2T2孔受溶劑的影響最大；S4T2孔晶間鹵水離溶劑最遠(yuǎn)，與圖4a相比較，可以看出S4T2孔晶間鹵水仍處于本底濃度所在區(qū)域，說(shuō)明S4受溶劑的影響較小。以上兩點(diǎn)說(shuō)明：①溶劑在S2列的地層中流動(dòng)較快；②在S4列的地層中流動(dòng)較慢。結(jié)論①與上文結(jié)論一致。鹽層中存在巖(鹽)溶管道或溶孔時(shí)，晶間鹵水會(huì)優(yōu)先從溶孔中通過(guò)，如果晶間鹵水不飽和，則會(huì)溶解管道邊上的鹽礦，從而使管道變得更大，從而通過(guò)更多的溶劑，直至將鹽層骨架溶塌。事實(shí)也證明，在試驗(yàn)結(jié)束后，S2T1孔處發(fā)生了嚴(yán)重的溶塌。

到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，T4、T5排各孔中晶間鹵水離子濃度幾乎沒(méi)有變化。

圖4 同排各孔離子濃度對(duì)照?qǐng)D

4.2 不同深度對(duì)比

圖5a是天然條件下S2T1孔不同深度晶間鹵水對(duì)比圖，圖5b是試驗(yàn)開(kāi)始第5天時(shí)S2T1孔晶間鹵水對(duì)比圖，通過(guò)圖5a和圖5b可以看出，在天然條件下和試驗(yàn)條件下，S2T1孔B孔5m深、7m深和C孔5m深、7m深的晶間鹵水所在區(qū)域幾乎一致，說(shuō)明不論在天然條件下還是試驗(yàn)條件下，5m深和7m深的晶間鹵水濃度是幾乎相同的。從圖5a可以看出天然條件下10m深和13m深晶間鹵水與5m深和7m深的晶間鹵水有一定差異。

通過(guò)圖5b可以看出，試驗(yàn)進(jìn)行到第5天(6月13日)時(shí)，C孔埋深7m和10m的晶間鹵水已經(jīng)與溶劑基本相同(在圖5b中的位置非常接近)，但是埋深13m的地層仍然保持本底狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)溶劑到達(dá)了10m深的地層但是尚未到達(dá)13m深的地層。通過(guò)圖5c可以看出，在第26天(7月4日)時(shí)，13m深的晶間鹵水仍然保持本底值，說(shuō)明溶劑仍未到達(dá)13m深的地層。通過(guò)圖5d可以看出，在第37天(7月15日)時(shí)，13m深的晶間鹵水較本底值已經(jīng)有了明顯變化，其離子濃度已向溶劑靠近，但是10m深的晶間鹵水濃度也遠(yuǎn)離了溶劑濃度，并且10m與13m的晶間鹵水比較接近。分析其原因，可能是溶劑沒(méi)有到達(dá)13m深的鹽層，10m與13m的晶間鹵水變化是由上層溶劑與下層原晶間鹵水彌散混合及固液轉(zhuǎn)化所致。

通過(guò)以上分析可以得出，在進(jìn)行液化溶礦時(shí)，溶劑進(jìn)入地層的深度有限，在試驗(yàn)初期溶劑填充鹽層的階段，溶劑進(jìn)入鹽層后具有垂向的流速，溶劑會(huì)入滲到較大的深度(該試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示10m)，但是溶劑充滿鹽層，流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定后，溶劑以水平流為主，在垂向上主要以彌散混合作用為主。

4.3 S2T1孔離子濃度歷時(shí)曲線

通過(guò)離子濃度歷時(shí)曲線我們可以看出不同時(shí)刻的晶間鹵水離子濃度值，同樣可以對(duì)比不同時(shí)刻鹵水中離子濃度的變化。下面以S2T1孔為例，分析T1排晶間鹵水中各離子濃度隨時(shí)間的變化。

試驗(yàn)開(kāi)始后，溶劑進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)地層，開(kāi)始引起試驗(yàn)區(qū)內(nèi)水化學(xué)場(chǎng)的變化，如圖6所示為S2T1孔離子濃度歷時(shí)曲線。第0天(6月8日)的離子濃度為S2T1孔離子濃度的本底值，其中K+、Na+、Mg2+濃度分別是0.67moL/L、1.47moL/L、2.26moL/L，試驗(yàn)開(kāi)始后，K+、Mg2+濃度降低，Na+濃度升高，到第11天時(shí)，晶間鹵水中各離子濃度分別為0.15moL/L、5.09 moL/L、0.36moL/L，溶劑中K+、Na+、Mg2+的濃度分別為0.058moL/L、5.303moL/L、0.229moL/L，經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)開(kāi)始后，晶間鹵水各離子濃度向溶劑的離子濃度靠近。其原因很容易解釋?zhuān)軇┻M(jìn)入地層中后，驅(qū)替了原來(lái)的晶間鹵水，經(jīng)過(guò)固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)后，鹵水中各離子特征仍與溶劑非常接近。這個(gè)階段是溶解驅(qū)動(dòng)前階段[1]。

對(duì)比S2T1孔晶間鹵水中各離子濃度與溶劑中各離子濃度的差異，便可以知道供鹵渠至S2T1孔的地層中礦物發(fā)生的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)。用S2T1孔不同時(shí)刻的K+、Na+、Mg2+濃度減去溶劑的K+、Na+、Mg2+濃度，便可以得到S2T1孔K+、Na+、Mg2+濃度增量歷時(shí)曲線，如圖7所示。上文中得到，試驗(yàn)進(jìn)行到第11天時(shí)，溶劑到達(dá)T1排，所以濃度增量從第11天時(shí)開(kāi)始計(jì)算。從圖中可以看出，K+、Mg2+濃度增量是正值，Na+濃度增量是負(fù)值，說(shuō)明S2T1孔晶間鹵水中K+、Mg2+濃度比溶劑中高，Na+濃度比溶劑中低，也就是說(shuō)溶劑從供鹵渠到達(dá)S2T1孔的過(guò)程中溶解了光鹵石，析出了石鹽。

圖5 S2T1孔不同深度離子濃度對(duì)比圖

圖6 S2T1孔離子濃度歷時(shí)曲線

圖7 S2T1孔K+、Na+、Mg2+濃度增量歷時(shí)曲線

光鹵石的化學(xué)式是KMgCl3·6H2O，溶解1moL的光鹵石后，如果沒(méi)有離子析出，液相中將會(huì)增加1moL的K+和1mol的Mg2+[1]，即K+和Mg2+的增加量應(yīng)是相同的，但是從圖7中可以看出，Mg2+的濃度增量曲線位于K+的上方，即鹵水中Mg2+的濃度增加量要大于K+。究其原因，是因?yàn)辂u水中溶解光鹵石后，K+、Mg2+和Cl-的濃度增加，增加到一定程度時(shí)，KCl的活度積達(dá)到溶度積，造成KCl以鉀石鹽的形式析出，但是MgCl2的溶解度非常大，其溶度積并沒(méi)有達(dá)到活度積，并不會(huì)析出。鉀石鹽的析出導(dǎo)致鹵水中Mg2+的濃度增加量要大于K+。從第11天到第80天的階段以溶解鹽層中的光鹵石為主，屬于光鹵石階段[1]。

5 總結(jié)

1) 試驗(yàn)開(kāi)始后，供鹵渠中進(jìn)入溶劑，T1排首先對(duì)供鹵渠的水位變化做出響應(yīng)，T1排水位升高，但是由于供鹵渠渠壁結(jié)鹽，溶劑入滲量減小，T1排的水位又發(fā)生降低，后面各排對(duì)供鹵渠的響應(yīng)滯后于T1排。

2) 由于鹽溶通道的存在，導(dǎo)致同排的監(jiān)測(cè)孔的水位及水質(zhì)有一定差異。

3) 原始狀態(tài)和試驗(yàn)條件下的晶間鹵水，其5m深和7m深晶間鹵水中各離子濃度幾乎一致，與10m深和13m深的晶間鹵水有一定差異。試驗(yàn)開(kāi)始后，溶劑對(duì)迅速影響到了S2T1孔5m和7m深的晶間鹵水，第5天時(shí)影響到了10m深的晶間鹵水，第37天時(shí)影響到了13m深的晶間鹵水，說(shuō)明隨著時(shí)間的進(jìn)行，溶劑不斷影響到深層的晶間鹵水。

4) 對(duì)于供鹵渠與S2T1孔之間的鹽層，第1～11天，處于溶解驅(qū)動(dòng)前階段，第12～100天，處于光鹵石階段。

致謝感謝野外工作過(guò)程中陳永志老師、劉萬(wàn)平主任、嚴(yán)志師傅工作上的支持和生活的照顧，并對(duì)其他為本文的完成作出貢獻(xiàn)的工作者一并表示感謝。

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