羅布泊鹽湖地下含鉀鹵水動態(tài)特征及其影響因素研究

李文學 趙亮亮 馬寶成

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司礦產(chǎn)資源部，新疆 哈密 839000

羅布泊鹽湖地下含鉀鹵水動態(tài)特征及其影響因素研究

李文學*趙亮亮 馬寶成

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司礦產(chǎn)資源部，新疆 哈密 839000

在對礦區(qū)內(nèi)的地下水進行全面監(jiān)測的基礎(chǔ)上，利用羅北凹地鉀鹽礦區(qū)近十年來地下水水文觀測資料, 結(jié)合鉀鹽礦區(qū)水文地質(zhì)條件, 分析羅北凹地鉀鹽年礦區(qū)地下水水位變化的動態(tài)特征及成因，對區(qū)內(nèi)多年的地下水動態(tài)特征進行了綜合分析研究，研究顯示了羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下水位動態(tài)變化主要受人工開采、氣象、水文等因素的影響。

鹽湖 含鉀鹵水 地下與水動態(tài) 影響因素 羅布泊

羅布泊干鹽湖位于諾羌縣東北 150km，羅布泊干鹽湖鉀鹽礦床為一現(xiàn)代內(nèi)陸鹽湖礦床，屬于固、液相礦并存共生，以液體鉀鹽為主的綜合性大型—超大型礦床【1～3】。

羅布泊干鹽湖地下存在多層含鉀鹵水（已發(fā)現(xiàn)有7層含鉀鹵水），第一層為潛鹵水，下部6層為承壓鹵水。目前生產(chǎn)開采對象主要為埋藏較淺且易于開采的潛鹵水及承壓鹵水層中的彈性釋水，年均開采量約26000萬m3鹵水，遠大于羅布泊礦區(qū)周邊一年的補給量6712.12萬m3，導致了一系列問題，特別是地下水量減少迅速、水質(zhì)變化礦山服務(wù)年限減少等問題，受到國投羅鉀公司上下的普遍關(guān)注，在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天，掌握羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下含鉀鹵水動態(tài)特征，長期有效合理的利用地下鹵水資源已成為當務(wù)之急。

1 羅北凹地鉀鹽礦礦床地質(zhì)特征

羅北凹地鉀鹽礦礦區(qū)出露和已揭露的地層為第四系湖泊化學鹽類和碎屑沉積，根據(jù)地層出露特征和接觸關(guān)系，將礦區(qū)第四系地層（Q）分為中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

（1）中更新統(tǒng)龍城組（Q2ch）

羅北礦區(qū)地表僅見于東部、西部和北部，騰龍礦區(qū)大面積分布于大部分的地段，出露于地表，屬中更新世晚期沉積。揭露最大厚度159 m，與上覆地層上更新統(tǒng)羅北組為角度不整合接觸，在臺地上清晰可見。本組以湖泊化學沉積為主，鈣芒硝層和粘土層有規(guī)律的交替重復出現(xiàn)，反映出中更新世以鹽湖相化學沉積和湖相碎屑沉積有規(guī)律的形成為特征。

（2）上更新統(tǒng)羅北組（Q3ch）

羅北礦區(qū)不連續(xù)零星分布于雅丹殘丘的頂部，騰龍礦區(qū)分布在東部偏北地段以及中更新統(tǒng)龍城組雅丹殘丘的頂部，屬上更新世早期沉積。厚69～110m，分布較穩(wěn)定，由南向北厚度增大，以鈣芒硝、粘土沉積為主，上部夾有石膏、石鹽和淤泥等沉積，其與上覆地層全新統(tǒng)新湖組為整合接觸。

（3）全新統(tǒng)新湖組（Q4ch）

出露于地表，分布于整個羅北干鹽湖區(qū)、騰龍臺地南部及東部以及西部雅丹間部分地段，包括化學沉積層風積層和洪積層三部分。該地層為礦區(qū)的標志層，上部為含粉砂的石鹽層，該地層是主要的含礦地層【4～5】。

羅布泊干鹽湖地下存在多層含鉀鹵水礦床（已發(fā)現(xiàn)有7層含鉀鹵水），第一層為潛鹵水，下部 6層為承壓鹵水，其中承壓鹵水所包含的鉀資源量占羅布泊干鹽湖中鉀資源總量的 65%以上，潛鹵層鹵水的w(KCl)在0.92%～1.83%之間，平均1.52%，承壓層鹵水w(KCl)為1.40% ，鹵水水化學類型屬硫酸鎂亞型【6～7】。

2 羅北凹地鉀鹽礦礦區(qū)地下含鉀鹵水動態(tài)特征

圖1 2015年zk1002觀測孔水位動態(tài)變化曲線圖Fig.1 Water level change curve of the zk1002 observation hole，2015

羅北凹地是含鉀鹵水的主要開采區(qū)域，開采區(qū)地下水年動態(tài)受多種因素影響，呈現(xiàn)出不同的變化態(tài)勢，各種影響中，尤其以季節(jié)性人工開采影響最為明顯，地下水水位變化表現(xiàn)為典型的開采動態(tài)性【8～9】。

本區(qū)域地下水水位受本區(qū)域氣候、開采的影響，羅布泊地區(qū)降雨量時空分布極不均勻，年降水量僅 15～30mm之間，該地區(qū)降雨主要集中在7～8月，其中7月份降水最大，最大可達18.2mm，其它月份普遍較少。對照礦區(qū)2015年1月至12月羅北礦區(qū)典型觀測孔（zk1002、zk2002）采鹵時間與年內(nèi)地下水的動態(tài)曲線可以看出（圖1、圖2）；年內(nèi)羅北采區(qū)地下水水位受開采、降雨及滲漏的影響具有明顯的上升與下降階段。11月至次年 2月泵站停止抽取地下鹵水，采區(qū)受騰龍礦區(qū)、新慶礦區(qū)及北山地下裂隙水等周邊地下水的側(cè)向補給，羅北礦區(qū)地下鹵水水位處于緩慢上升，2月底達到年內(nèi)最高水位。3～5月份受采鹵量加大的影響，羅北采區(qū)地下水得不到有效的補給，采區(qū)水位持續(xù)下降。7月份雨季開始后，采區(qū)地下水得到降雨補給及輸鹵渠滲漏的影響，采區(qū)地下水水位下降幅度變小或者有的觀測孔水位還有上升的趨勢，雨季結(jié)束后，受國投羅鉀公司開始在開采區(qū)采取鹵水的影響，水位持續(xù)下降，到了11月中旬采區(qū)地下水水位達到年度開采期的最低值，11月底至來年2月份3個月羅北礦區(qū)的平均水位上升了6～8 cm，水位恢復至次年水位的最高值，采區(qū)水位恢復緩慢，說明周邊側(cè)向地下水補給量不大，礦區(qū)地下水水位主要受人工開采的影響礦區(qū)地下水水位總的趨勢是呈階梯狀下降的。

圖2 2015年zk2002觀測孔水位動態(tài)變化曲線圖Fig.2 Water level change curve of the zk2002 observation hole，2015

3 礦區(qū)地下含鉀鹵水水化學變化特征

我們只對鉀離子的變化趨勢做描述。從2015年 1～12月羅北礦區(qū)典型觀測孔鉀離子含量變化圖可以看出（圖 3），鉀離子含量變化較為明顯。一般在11月至來年的5月份，其鉀離子含量相對較高，平均值為 0.75%。7～9月份鉀離子含量較低，平均值為0.66%。主要原因是7～9月是羅布泊地區(qū)的雨季，由于淡水的大量補充使得鹵水中鉀離子得到了稀釋，降低了鹵水中鉀離子含量。

圖3 2015年1～12月羅北礦區(qū)典型觀測孔鉀離子含量變化圖Fig3 The curve of potassium ion content of typical observation hole in the Luobei mine area，from January to December 2015

4 羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下含鉀鹵水動態(tài)影響因素的分析

4.1 礦區(qū)地下水開采及補給對鉀鹽礦區(qū)地下水動態(tài)的影響

區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)排泄條件主要受地形地貌、地層巖性結(jié)構(gòu)諸因素約束。就羅北凹地鉀鹽礦區(qū)而言，地形和地層巖性結(jié)構(gòu)是控制地下水徑流排泄條件的局部因素，具有補給、徑流和排泄同時進行的特點。隨人工開采量的不斷加大，勢必導致羅北凹地的地下水位下降，蒸發(fā)量相對減少，人工開采將成為主要的排泄途徑。

4.1.1 大氣降水、凝結(jié)水及北部洪流對礦區(qū)的補給經(jīng)過計算，2015年度北部邊界洪流對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給量167.48萬m3，大氣降水對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給量約 622.17萬 m3，羅布泊周邊凝結(jié)水對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給量約 616.80萬m3，總計1406.45萬m3。

4.1.2 周邊礦區(qū)對礦區(qū)的補給

（1）新慶礦區(qū)地下水對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給

根據(jù)2011年完成的《新疆若羌縣新慶臺地鉀鹽礦詳查》報告，新慶臺地無淺層鹵水分布，深層承壓鹵水 WX2、WX3鹵水礦層經(jīng)東部邊界排泄至羅北凹地。根據(jù)2015年新慶臺地長觀資料，受羅北凹地采鹵影響，新慶臺地兩層鹵水礦層水位均有不同程度的降低，WX2平均將 0.217m，WX3平均降 0.805m。經(jīng)過計算：新慶臺地 2015年度Wx2層彈性釋水減少的K2SO4資源量為 24.65kt，Wx3層彈性釋水減少的K2SO4資源量為 64.61kt，合計為89.26kt，折合為KCl資源量為76.38kt，折合鹵水給水度資源量為373.50萬m3。

（2）騰龍礦區(qū)地下水對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給

根據(jù)2009年完成的《新疆若羌縣騰龍臺地鉀鹽礦詳查》報告，騰龍臺地北部WT1礦層鹵水經(jīng)西部邊界ZK0406—ZK0604—帶排泄至羅北凹地；騰龍臺地南部WT2、WT3礦層鹵水沿ZK0204—ZK0707排泄至羅北凹地（騰龍水位高于羅北水位）。根據(jù)本次觀測，騰龍臺地 WT1、WT2、WT3礦層鹵水水位均有不同程度的降低，WT1礦層水位平均降低0.99m，WT2礦層水位平均降低0.183m，WT3礦層水位平均降低0.258m。

騰龍臺地WT1礦層2015年度減少的鹵水孔隙度資源總量為9221.87萬m3，鹵水給水度資源總量為 4719.70萬 m3。南部承壓鹵水 WT2、WT3礦層釋放的K2SO4彈性儲存量（給水度）為50.78kt，折合 KCl為 43.45kt，折合鹵水給水度資源量為212.47萬m3，合計騰龍臺地減少鹵水給水度資源總量4932.17萬m3。

通過對均衡域內(nèi)地下水的補、徑、排條件的分析結(jié)果，均衡域內(nèi)的補給項包括大氣降水入滲補給（Q降）、凝結(jié)水補給（Q凝）、邊界的側(cè)向徑流補給（Q側(cè)補）和北部山區(qū)降雨洪流補給（Q洪）；排泄項包括潛水面蒸發(fā)（Q蒸）和近期人工開采。建立 2014.12～2015.12年均衡域內(nèi)地下水水量均衡方程，均衡方程為：

△Q＝∑Q補－∑Q排

∑Q補＝Q降＋Q凝＋Q側(cè)補＋Q洪

∑Q排＝Q蒸＋Q開

式中：

△Q―均衡期始末貯存量的變化量（104m3/a）；

∑Q補―地下水總補給量（104m3/a）；

∑Q排―地下水總排泄量（104m3/a）；

Q降―大氣降水入滲補給量（104m3/a）；

Q凝―凝結(jié)水補給量（104m3/a）；

Q側(cè)補―側(cè)向徑流補給量（104m3/a）；

Q蒸―潛水蒸發(fā)量（104m3/a）；

Q開―人工開采量（104m3/a）；

羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下水水位都在2m以下，潛水蒸發(fā)可以不予考慮。

據(jù)統(tǒng)計：2015年羅北凹地鉀鹽礦區(qū)抽鹵量為29603.02萬m3；據(jù)計算2015年周邊礦區(qū)補給量加上大氣降水、凝結(jié)水及北部洪流對礦區(qū)的補給合計補給量為6712.12萬m3，兩者之間相差22890.9萬m3，每年的地下鹵水的抽取量大于補給量，導致羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下水水位持續(xù)下降。

4.2 輸鹵渠滲漏及降雨補給對鉀鹽礦區(qū)地下水動態(tài)的影響

據(jù)2015年羅中氣象站監(jiān)測：羅北凹地鉀鹽礦區(qū)氣候炎熱干燥，晝夜溫差大，降水稀少，蒸發(fā)強烈，屬典型的大陸性干旱氣候。2015年降水量僅31.9mm，一般6～8月份為雨期，其中7月份降水最大，可達18.2mm；6～8月份為高溫季節(jié)，月平均氣溫29.2℃，7～8月份為全年最熱的月份，最高溫度46.0℃，月平均氣溫31.3℃。

羅北礦區(qū)7～8月份隨著氣溫升高及雨季的到來，采區(qū)地下水得到雨水的補給導致鹵水中鉀離子含量降低，據(jù)計算：2015年大氣降水對羅北凹地鉀鹽礦區(qū)的補給量約622.17萬m3。以及由于氣溫升高導致鹵水溫度也隨之升高，提高了鹵水的溶解度，溶解了渠底裂隙中的易溶鹽類，使得渠底隔水層被破壞，導致輸鹵渠滲漏量嚴重。據(jù)原料廠統(tǒng)計：2015年8月1、2、3、4、5、6號輸鹵渠共采集地下鹵水4537.78萬m3，1號輸鹵泵站緊送出鹵水 2272.6萬 m3,我們可以計算出輸鹵渠滲漏量為2265.32萬m3，占總采鹵量的49.91%，輸鹵渠滲漏十分嚴重的。

7～8月，羅北凹地鉀鹽礦區(qū)由于受到大氣降雨補給及輸鹵渠滲漏量嚴重的影響，導致礦區(qū)地下水水位下降速度減緩或者部分區(qū)域水位還有上升現(xiàn)象的發(fā)生（圖1、圖2）。

總之羅北采區(qū)鹵水受開采周期、季節(jié)的影響，地下水水位表現(xiàn)為典型的開采動態(tài)型；每年11月中旬至次年 2月泵站停止抽取地下鹵水，采區(qū)受騰龍礦區(qū)、新慶礦區(qū)及北山地下裂隙水等周邊地下水的側(cè)向補給，羅北礦區(qū)地下鹵水水位處于緩慢上升的趨勢，次年2月底達到年內(nèi)最高水位；3～6月份受持續(xù)抽取地下鹵水的影響，地下水水位持續(xù)下降；到了 7月份雨季，地下水有所補充及輸鹵渠滲漏的影響，地下水水位下降幅度變小或者還有所上升現(xiàn)象的發(fā)生；8～11月份持續(xù)大規(guī)模采取地下鹵水，開采區(qū)地下鹵水水位又持續(xù)下降，到采鹵期結(jié)束開采區(qū)地下水水位停止下降，根據(jù)計算年平均羅北凹地鉀鹽礦區(qū)采區(qū)地下鹵水水位平均下降0.735m左右。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下水水位受季節(jié)性人工開采影響最為明顯，地下水水位變化表現(xiàn)為典型的開采動態(tài)型。

（2）由于受到降雨補給及周邊山區(qū)洪流補給的影響，7～8月礦區(qū)地下鹵水鉀離子含量有所降低，這可能是由于淡水的大量補充使得鹵水中鉀離子得到了稀釋，降低了鹵水中鉀離子含量。

（3）受到 7～8月氣溫升高的影響，鹵水溫度也隨之升高，提高了鹵水的溶解度，溶解了渠底裂隙中的易溶鹽類，使得渠底隔水層被破壞，輸鹵渠滲漏量增大，導致礦區(qū)地下水水位下降速度減緩或者有的區(qū)域水位還有上升現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）羅北凹地鉀鹽礦區(qū)礦區(qū)年度采鹵量遠大于鹽湖周邊補給量，導致羅北凹地鉀鹽礦區(qū)地下水水位持續(xù)下降。

5.2 建議

根據(jù) 2006年新疆第二水文地質(zhì)大隊所做的（新疆若羌縣羅北凹地鉀鹽礦詳查）報告，開采區(qū)域W1層平均厚度17.88m，潛水所包含的鉀資源量占羅布泊干鹽湖中鉀資源總量的 35%左右，承壓鹵水的貯存介質(zhì)為結(jié)晶鹽層或粗碎屑層的孔隙或溶隙，成層分布，各層之間為細粒碎屑沉積層分隔包圍，相對獨立封閉，疏干采出難度較大。目前生產(chǎn)開采對象主要為埋藏較淺且易于開采的潛鹵水及承壓鹵水層中的彈性釋水，按照目前羅北礦區(qū)年平均開采量26000萬m3開采量計算，礦區(qū)的服務(wù)年限約為20年左右，現(xiàn)在已經(jīng)開采了8年。國投羅鉀公司擴能改造項目要完工后，預計硫酸鉀產(chǎn)量將要達到160萬t，礦區(qū)鹵水消耗量將進一步增大，加速了羅北礦區(qū)平均水位的下降，礦區(qū)的服務(wù)年限預計也只有 8年左右，因此合理的開發(fā)和使用地下鹵水資源延長礦區(qū)的服務(wù)年限成了當今的主要課題。

針對年度礦區(qū)地下水抽取量大于鹽湖周邊補給量，導致礦區(qū)地下水水位快速下降，礦區(qū)地下鹵水儲量快速減少的情況下，建議采取如下措施：

（1）進一步加強W2、W3、W4承壓鹵水的研究工作。

承壓鹵水所包含的鉀資源量占羅布泊干鹽湖中鉀資源總量的65%，承壓鹵水的貯存介質(zhì)為結(jié)晶鹽層或粗碎屑層的孔隙或溶隙，成層分布，各層之間被細粒碎屑沉積層分隔包圍，相對獨立封閉，疏干采出難度較大。為了找出從承壓含水層中大量采取地下鹵水的辦法，我部門2013年7月至2014年6月，實現(xiàn)深部含鉀承壓鹵水資源大規(guī)模有效采出，在1號渠五號泵站附近做了羅布泊（W2、W3、W4）深部鹵水疏干采鹵抽水試驗，通過試驗，我們發(fā)現(xiàn)在同一區(qū)域、同一承壓含水層通過抽水試驗求得水文參數(shù)比前期羅布泊礦區(qū)資源詳查時所取得的數(shù)據(jù)大了十幾個數(shù)量級。為了確認這種現(xiàn)象是否具有普遍性，我們準備擴大試驗規(guī)模及試驗區(qū)域，尋找出在減少工程投入、降低生產(chǎn)成本的條件下的最佳深部承壓鹵水開采布井方式，以達到提高資源利用率，并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)性開采，以延長礦區(qū)的服務(wù)年限。

（2）做好低品位固體鉀鹽礦的開發(fā)利用工作。

在液體鉀資源儲量越來越少的情況下，為了公司的生存，我們必須做好低品位固體鉀鹽礦的開發(fā)利用工作。我們發(fā)現(xiàn)羅布泊固體鉀鹽礦具有埋藏淺【10～12】、儲量大、易于開采的特點。

1 新疆地礦局第二水文地質(zhì)大隊. 新疆若羌縣羅北凹地鉀鹽礦詳查報告[R]. 昌吉：新疆地礦局第二水文地質(zhì)大隊，2006

2 新疆地勘局第三地質(zhì)大隊. 新疆若羌縣羅布泊地區(qū)鉀鹽資源調(diào)查地質(zhì)報告[R]. 庫爾勒市：新疆地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊，1989

3 王弭力，等. 羅布泊鹽湖鉀鹽資源，北京：地質(zhì)出版社. 2001

4 孟祥貴，焦鵬程，劉成林，等. 羅布泊鹽湖盆地結(jié)構(gòu)新發(fā)現(xiàn)及找鉀意義[J]. 礦床地質(zhì)，2010，29（4）：609～615

5 王弭力，劉成林，楊智琛，等. 羅布泊羅北凹地特大型鉀礦床特征及其成因初探[J]. 地質(zhì)論評，1997，43（3）：249

6 王弭力，劉成林，焦鵬程，等. 羅布泊鹽湖鉀鹽礦床調(diào)查科研進展與開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 地質(zhì)論評，2006，（6）：757～764

7 劉成林，焦鵬程，陳永志，王弭力. 羅布泊斷陷帶內(nèi)形成富鉀鹵水機理研究[J]. 礦床地質(zhì)，2010，29（4）：602～608

8 焦鵬程，劉成林，王弭力，等. 羅布泊鹽湖晶間鹵水運動特征及其動力學分析[J]. 地球?qū)W報，2003，24（3）：255～260

9 李文學. 新疆若羌縣羅北礦區(qū)地下鹵水位動態(tài)特征分析及其趨勢預測[J]. 華東科技（學術(shù)版），2016（7）：342～343

10 焦鵬程，顏輝，劉成林，等. 羅布泊鹽湖深部鉀鹽找礦新進展[J]. 礦床地質(zhì)，2012，3（增刊）：473～474

11 李文學. 羅布泊低品位光鹵石礦分布特點及其找礦規(guī)律探討化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2016，（2）：38～02

12 焦鵬程，劉成林，顏輝，等. 新疆羅布泊鹽湖深部鉀鹽找礦新進展. 地質(zhì)學報，2014，88（6）：1011～1023

Study on dynamic characteristics and influencing factors of potassium brine in Lop Nor salt lake

Li Wenxue Zhao Liangliang Ma Baocheng
Department of Mineral Resources, SDIC Xinjiang Luobupo Potash Co.,Ltd.Hami, Xinjiang 839000, China

Based on the comprehensive monitoring of the groundwater in the mining area, The paperanalyzed the dynamic characteristics and causes of the groundwater level changes in the potash mining area of the Luobei depression,which is by using groundwater hydrological observation data in recent ten years and combining the hydrogeological conditions of the Luobei potash mining area.On the other, comprehensive researches on the dynamic characteristics of groundwater in the area for many years conduct an conclusion that the dynamic changes of groundwater level in the Luobei depression area are mainly affected by artificial mining,meteorological and hydrological factors.

salt lake,potassium-bearing brine,groundwater regime,influence factor,Lop Nor

P619.211

A

1006–5296（2017）03–0163–05

* 第一作者簡介：李文學（1965～），男，主要從事鹽湖地質(zhì)及鹽湖鉀資源開發(fā)研究工作，工程師

2017-08-15；改回日期：2017-08-23