柴達木盆地尕斯庫勒鹽湖區(qū)成鹽物質(zhì)的來源與水力遷移作用*

韓積斌，許建新，王國強，何天麗

(1:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074)(2:中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，西寧 810008)

柴達木盆地尕斯庫勒鹽湖區(qū)成鹽物質(zhì)的來源與水力遷移作用*

韓積斌1,2，許建新2，王國強2，何天麗2

(1:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074)(2:中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，西寧 810008)

水動力條件是鹽湖成鹽成礦的必要條件之一. 利用研究區(qū)各類水體的理化參數(shù)(pH、氧化還原電位、電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w)、水化學(xué)特征、元素比值等參數(shù)識別尕斯庫勒鹽湖成鹽元素的來源及水力遷移作用. 結(jié)果表明：尕斯庫勒鹽湖成鹽元素主要來源于蝕源區(qū)巖石風(fēng)化，其中冰川融水、硅酸鹽風(fēng)化、碳酸鹽風(fēng)化和蒸發(fā)鹽風(fēng)化分別占0.04%、0.15%、63.89%和35.92%，在祁漫塔格山前一帶，受到深部補給作用. 高山區(qū)到平原區(qū)，水動力條件總體上逐漸降低；而在垂向上隨著深度的增大含水層I～II之間水動力條件逐漸減弱，含水層III～V之間水動力條件變充足. 河流與溢出帶水體之間存在局部水流系統(tǒng)，與平原區(qū)含水層之間存在區(qū)域水流系統(tǒng). 水動力條件和水力聯(lián)系對元素的遷移和富集具有明顯的相關(guān)性，二者控制著元素的遷移速度以及元素在空間上的富集規(guī)律并影響著水化學(xué)類型.

物質(zhì)來源；水動力條件；水力聯(lián)系；尕斯庫勒鹽湖

尕斯庫勒鹽湖位于柴達木盆地西北緣，鹽湖內(nèi)富含芒硝、鉀鹽和鈾等重要的礦產(chǎn)資源. 通常認為干旱的氣候條件、封閉半封閉的古湖盆地以及充足的水源補給是鹽湖形成的必要條件[1]. 長期以來，學(xué)者們從地球化學(xué)[2-5]或古氣候特征[6-8]來研究成鹽物質(zhì)的來源以及氣候條件對鹽類礦物分布的影響. 然而，水力作用對成鹽元素的遷移研究還十分薄弱. 淋濾實驗表明，在弱酸性、常溫常壓下，K+遷出巖石中的量為0.20%[2]. 資料表明，晚更新世晚期尕斯庫勒鹽湖地形特征基本與現(xiàn)代鹽湖相似，在大約10萬年間尕斯庫勒鹽湖接受河流補給的鹽分超過鹽湖地層中KCl的儲量[3]. 可見水體對成鹽元素的遷移富集具有重要作用.

因此，本文在查明尕斯庫勒鹽湖成鹽元素物質(zhì)來源的基礎(chǔ)上，重點研究水力作用下成鹽元素在研究區(qū)空間上的分布規(guī)律, 對深刻認識成鹽元素在空間上的循環(huán)規(guī)律具有重要的意義.

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

本文選擇河流源頭至尕斯庫勒湖一個完整的地下水流系統(tǒng)進行研究(37°35′～38°19′N，87°58′～91°07′E; 圖1). 鹽湖北部為阿爾金山系的阿哈堤山，平均海拔4790 m；東北部為油砂山，平均海拔3500 m；南部為昆侖山系的祁漫塔格山，海拔約為4500 m，鹽湖位于盆地中央低洼地帶，海拔約為2860 m，是各類水體的排泄區(qū). 研究區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造普遍發(fā)育，其構(gòu)造形跡在鹽湖西北、東北部表現(xiàn)最為明顯，斷層大多為逆斷層(圖1). 鹽湖及周邊區(qū)的地層從震旦系到第四系都有出露[9-11](圖1). 震旦系地層主要分布于阿爾金山山前，巖性以綠泥石片巖、石英片巖、大理巖和千枚巖為主. 下古生界在阿爾金山和祁漫塔格均有出露，以硅質(zhì)巖、安山巖、石英和大理巖為主. 泥盆系出露在茫崖石棉礦一帶，以安山巖和灰黑色砂巖為主. 石炭系出露在鹽湖南部的祁漫塔格北坡，以砂巖、頁巖和石灰?guī)r為主. 三疊系在祁漫塔格地區(qū)發(fā)育，以頁巖和酸性火山巖為主. 而侏羅系廣泛分布在阿爾金山前，以頁巖、酸性火山巖為主. 白堊系分布于阿爾金山與油砂山之間，以砂巖為主，而在祁漫塔格缺失；古近系分布于鹽湖的獅子溝—干柴溝之間，以泥巖、石膏、芒硝和巖鹽為主. 新近系分布于鹽湖北部的阿爾金山及油砂山一帶，以泥巖夾石膏層為主；第四系發(fā)育廣泛，分布于河床及湖盆附近，含粉砂石鹽、泥巖夾巖鹽、芒硝和石膏.

鹽湖補給源主要為大氣降水補給、地表水滲漏補給、含水層越流補給[9]. 平原區(qū)年均降水量55.34 mm，年蒸發(fā)量高達2856.93 mm，大氣降水補給量較小. 地表水補給源主要是庫拉木勒克薩伊河(KLMH)和阿特阿特坎河(ATKH)，KLMH發(fā)源于阿爾金山南緣古爾岔山口，ATKH發(fā)源于祁漫塔格山，兩河在高山區(qū)以地表徑流為主，而在兩河流匯集的不遠處河流轉(zhuǎn)入地下補給地下水，是地下水最主要的補給來源，其滲漏量為2.93×108m3/a[9]，隨著徑流條件的改變和含水介質(zhì)的變細，地下水由單一潛水漸變?yōu)闈撍c承壓水的雙層水或多層水，承壓水通過越流補給鹽湖[12]，在出山口以泉的形式出露地表形成泉集河(ALEH)最終排泄至尕斯庫勒鹽湖.

2 采樣及分析方法

分別在2010年5-6月和2015年5-6月進行采樣，從高山區(qū)到平原區(qū)采集66件樣品，其中高山區(qū)：庫拉木拉克薩伊河水樣(KLMH)10件，阿提阿特坎河水樣(ATKH)4件；溢流區(qū)：阿拉爾河水(ALEH)3件，泉水樣(GQ)13件，溪水樣(GX)6件，民用井水樣(GJ)4件；平原區(qū)：鹽湖鹵水樣(GH)10件，晶間鹵水樣(GJJ)11件，鉆孔水(ZK06)5件，采樣點分布如圖1所示. 其中ZK06為完整井，鉆孔深度達102.69 m，分別在3.67、19.70、31.70、55.50和61.00 m深度處取樣，其剖面如圖1所示.

圖1 研究區(qū)采樣點分布(修改自文獻[13-14])Fig.1 Distribution of sampling spots of the Gas Hure salt lake

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

表1 尕斯庫勒鹽湖區(qū)不同水體的理化參數(shù)及常量元素濃度

總體上，從高山區(qū)—平原區(qū)，水化學(xué)特征從淡水逐漸過渡到咸水，在鹽湖沉積平原區(qū)強烈的蒸發(fā)作用下演化為鹵水；水體類型以碳酸鹽型水逐漸過渡到氯化鈉或氯化鎂型水.

圖2 尕斯庫勒鹽湖區(qū)不同區(qū)域水化學(xué)類型Fig.2 Piper plot of the chemical compositions for different regions in the Gas Hure salt lake

3.1.2 水體理化參數(shù) 水體理化參數(shù)可以反映水體流經(jīng)含水層的氧化還原條件和識別補、徑、排規(guī)律. 高山區(qū)—溢流區(qū)—鹽湖區(qū)pH值變化呈現(xiàn)出弱堿性—弱酸性(圖3). 庫拉木拉克薩伊河和阿特阿特坎河水體pH值范圍為8.01～8.93，平均值為8.29，溢出帶區(qū)pH值范圍為7.75～8.86，平均值為8.24，其大小與補給河水基本無變化，而在祁漫塔格山前局部地區(qū)pH較低. 在鹽湖區(qū)主要受蒸發(fā)作用水體演化為氯化物或氯化鎂型鹵水，pH范圍為6.20～7.81，平均值為7.35.

水體的Eh值對劃分含水層氧化還原帶具有重要的指示意義. 高山區(qū)河流水體Eh值呈強氧化特征，Eh值范圍為232.00～274.00 mV，平均值為256.58 mV；溢出帶水體的Eh值范圍為-113.00～237.67 mV，平均值為104.94 mV，其中GQ15-4、GQ15-9和GQ15-10的Eh<0，為還原性水體；平原區(qū)水體的Eh范圍為152.00～242.00 mV，平均值為174.70 mV(表1，圖3). 從采樣點的分布情況來看，阿爾金山前含水層大體上處于氧化帶，祁漫塔格山前局部含水層位于還原帶，而在平原區(qū)橫向上水體呈氧化環(huán)境，垂向上ZK06 I～V含水層呈氧化環(huán)境，說明ZK06含水層與周圍水體具有水力聯(lián)系.

EC是水體總?cè)芙怆x子的總體反映，在一定程度上反映水體在流域水循環(huán)過程中徑流路徑和滯留時間的長短. EC大體上從高山區(qū)—溢流區(qū)—平原區(qū)是由低到高的趨勢(平均值：0.91～6.02～155.97 mS/cm)(圖3). 根據(jù)資料表明[9]，高山區(qū)河流平均流速為3.754 m/s，KLMH河流和ATKH河流量分別為3.2～4.6和2.2～4.1 m3/s，水流速度較快，瞬時流量較大，水在運移過程中，在巖石中滯留時間較短，從而礦化度低. 在溢出帶，EC變化范圍為0.30～55.30 mS/cm，平均值為6.02 mS/cm，說明溢流區(qū)水巖之間的接觸時間較長，水流速度較慢. GJ10-4、GX15-4、GX10-1樣點的EC值較高(表1)，說明其水體徑流時間較長，可能具有區(qū)域循環(huán)水的特點. 而在平原區(qū)，由于受到蒸發(fā)作用，水體的陰陽離子得到極大的濃縮，EC值范圍為83.29～213.26 mS/cm，平均值為151.90 mS/cm.

圖3 研究區(qū)pH、Eh、EC和TDS等值線Fig.3 pH, Eh, EC and TDS isoline of the study area

TDS與EC值的分布規(guī)律基本一致(圖3). 高山區(qū)水體的TDS范圍為0.33～1.05 g/L，平均值為0.50 g/L；溢流區(qū)水體的TDS范圍為0.24～45.06 g/L，平均值為4.36 g/L，而在油砂山前GJ10-4、GX15-4、GX10-1樣點TDS值異常；平原區(qū)TDS值范圍為126.38～397.61 g/L，平均值為298.93 g/L.

圖4 元素比值之間的關(guān)系Fig.4 Relation graphs of elements (in meq/L) in different regions of the Gas Hure salt lake, Qaidam Basin(a) The plot of Cl- versus Na+; (b) the plot of HC versus (Ca2++Mg2+); (c) the plot of (Cl-+S) versus (Na++K+); (d) the plot of (Ca2++Mg2+-HC-S) versus (Na+-Cl-).

3.2 討論

圖5 柴達木盆地尕斯庫勒鹽湖區(qū)各類水體的Gibbs圖解 Fig.5 Gibbs plots indicating the mechanisms that determine major elements composition of different regions in the Gas Hure salt lake, Qaidam Basin

輸入源類型計算公式貢獻值(溢流區(qū))貢獻值(平原區(qū))冰川融水R冰川融水=(∑(陽離子)/Cl-)冰川融水×Cl-降水5.89%0.04%硅酸鹽風(fēng)化TZ+硅酸鹽風(fēng)化=2Ca2+硅酸鹽風(fēng)化+2Mg2+硅酸鹽風(fēng)化+Na+硅酸鹽風(fēng)化23.52%0.15%碳酸鹽風(fēng)化TZ+碳酸鹽風(fēng)化=2(Ca2+地下水-Ca2+硅酸鹽風(fēng)化-Ca2+蒸發(fā)-Ca2+降水)+2(Mg2+地下水-Mg2+硅酸鹽風(fēng)化)35.60%63.89%蒸發(fā)鹽風(fēng)化R蒸發(fā)鹽風(fēng)化=100%-(R大氣降水+R碳酸鹽風(fēng)化+R硅酸鹽風(fēng)化)34.99%35.92%

特定的水文地球化學(xué)參數(shù)可以刻畫水動力條件和水化學(xué)演化趨勢，其中γCl-/γCa2+比值和氯遷移系數(shù)(KCl-=(mCl-×100)/a·nCl-. 式中：mCl-為Cl-在水中的濃度(g/L)；a為水的礦化殘渣(g/L)；nCl-為Cl-在巖石中的百分含量, 為4.72×10-2[26])作為刻畫水動力特點的參數(shù)，可以反映不同水文地質(zhì)單元的水動力特征[27]. 分析結(jié)果表明(表3)，宏觀上從高山區(qū)到平原區(qū)水動力條件逐漸減弱，溢出帶地下水轉(zhuǎn)為地表水，在強烈的蒸發(fā)作用下，有利于Cl-的富集，TDS值升高. Ca2+是低TDS水體的主要離子，當水動力條件減弱時，其濃度降低，形成了在高山區(qū)以碳酸鹽型水體類型為主，在溢流區(qū)以HCO3·Cl-Ca·Na型水體為主，在平原區(qū)形成了富Cl-的高濃度鹵水.

ZK06顯示(表3)，γCl-/γCa2+值在含水層Ⅰ～Ⅱ呈增大趨勢，在含水層Ⅲ～Ⅴ之間，γCl-/γCa2+值減小，說明水動力條件在含水層Ⅰ～Ⅱ之間隨著深度的增加而減弱，在含水層Ⅲ～Ⅴ之間隨著深度的增大而增強. 據(jù)鉆孔資料[28]，含水層I～II之間的隔水層為黏土層，黏土層孔隙度很小，含水層I～II之間無越流補給；而Ⅲ～Ⅴ之間的隔水層為含石膏或石鹽的泥巖，孔隙度與黏土層較大，在含水層Ⅲ～Ⅴ之間可能存在越流混合現(xiàn)象.

從局部地區(qū)來看，在溢出帶GQ15-8、GJ10-3采樣點的γCl-/γCa2+比值小于1，說明在GQ15-8和GJ10-3采樣點附近貧Cl-、富Ca2+，水動力條件較好；GQ15-9、GJ15-2和GJ10-3樣點水體中Cl-濃度低于溢流區(qū)其他水體，這些水體主要集中在阿拉爾斷裂帶和祁漫塔格斷裂帶附近，說明此局部地帶水動力條件優(yōu)越，不利于Cl-的富集. 資料表明[9]祁漫塔格山前地下水較為豐富，含水層巖性為含礫粗中砂，孔隙度較大，富水性較強，這可能是該區(qū)水動力條件充足的原因.

總之，在整個水流系統(tǒng)中水體之間的水力聯(lián)系保證了蝕源區(qū)成鹽元素能夠從高山區(qū)最終富集到鹽湖區(qū)形成鹽類礦物，而水動力條件影響著成鹽元素在空間上的分布規(guī)律，從而在鹽湖區(qū)形成不同類型的水體. 因此，在鹽湖資源的開采過程中，必須充分考慮淡水的補給作用以及補給量等問題，否則可能出現(xiàn)鹽湖資源品位降低或水位埋深降低而出現(xiàn)死礦的現(xiàn)象.

表3 不同分區(qū)γCl-/γCa2+系數(shù)與KCl-遷移系數(shù)

圖6 區(qū)域地下水循環(huán)概念模式圖(a:黑線代表局部地下水流系統(tǒng)；紅線代表區(qū)域地下水流系統(tǒng))Fig.6 Conceptual plots of groundwater system (a: black line means local groundwater flow system; red line means regional groundwater flow system)

4 結(jié)論

本文從研究區(qū)整個流域系統(tǒng)內(nèi)各類水體的理化參數(shù)和水化學(xué)特征，探討尕斯庫勒鹽湖成鹽物質(zhì)的來源、水動力條件和水力聯(lián)系. 得出以下結(jié)論：

1)尕斯庫勒鹽湖中的成鹽物質(zhì)一部分來源于蝕源區(qū)的碳酸鹽、硅酸鹽和蒸發(fā)鹽的淋濾風(fēng)化作用所致，另一部分來源于深部火山熱水補給.

2)從高山區(qū)到平原區(qū)隨著含水層巖性的變細和地勢逐漸變緩，水動力條件逐漸變差；在平原區(qū)隨著深度的增大，在含水層Ⅰ～Ⅱ之間水動力條件呈現(xiàn)出隨著深度的增加而減弱，在含水層Ⅲ～Ⅴ之間水動力條件隨著深度的增大而變充足.

3)研究區(qū)水力聯(lián)系較為復(fù)雜，在溢流區(qū)出露地表而存在局部水流系統(tǒng)，而在油砂山前可能存在區(qū)域水流系統(tǒng)；而另一部分河流水體補給地下鹵水，與ZK06各含水層之間具有區(qū)域水力聯(lián)系，在干鹽灘南部靠近祁漫塔格山前接受深部地?zé)崴w的補給作用.

4)水動力條件與水力聯(lián)系影響著成鹽元素的遷移速度和含水層氧化還原帶，二者對元素及TDS值在空間上的分布規(guī)律及水體演化具有明顯影響.

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Thematerialsourcesandit’shydraulicmigrationintheGasHuresaltlake,QaidamBasin,China

HAN Jibin1,2, XU Jianxin2, WANG Guoqiang2& HE Tianli2

(1:SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,P.R.China)(2:KeyLaboratoryofSaltLakeGeologyandEnvironmentofQinghaiProvince,QinghaiInstituteofSaltLakes,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Xining810008,P.R.China)

Hydrodynamic is one of the most important conditions during the process of salt metallogenic. This study utilized the parameters such as pH, oxidation-reduction potential, electric conductivity, total dissolved solid, hydrochemical characters, elements rate to identify the material source and hydraulic migration in the Gas Hure salt lake. The result revealed that material source is due to rock weathering of erosion area, with the contribution of glacier melt water, silicate weathering, carbonate weathering and evaporation salt weathering as 0.04%, 0.15%, 63.89% and 35.92%, respectively. The piedmont of Qiman Tage mountain is recharged from deep aquifer. From the mountain to the plains the hydrodynamic is gradually decreased; for the hydrodynamic in vertical profile,from the aquifer I to aquifer II it is decreased, while increased from the aquifer Ⅲ to aquifer Ⅴ. The river water and overflow water has local water exchange and both of them have regional flow system. Hydrodynamic condition and hydraulic connection has obvious correlation to the migration and enrichment of elements and controls the speed and the migration of elements enrichment regularity of elements in space, and even affects the hydrochemical types.

Material source; hydrodynamic; hydraulic connection; Gas Hure salt lake

*青海省自然科學(xué)基金項目(2014-ZJ-703)資助. 2016-10-09收稿; 2017-01-17收修改稿. 韓積斌(1985～)，男，博士研究生，助理研究員； E-mail: hanjibinali@163.com.