昆特依鹽湖淺部?jī)?chǔ)鹵層對(duì)鹵水組成的影響

袁小龍，盛金昌，張西營(yíng)，李斌凱，周同亮,3，高東林

(1.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所/中國(guó)科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，盆地中發(fā)育了大量現(xiàn)代鹽湖，這些鹽湖中K、B、Li等資源富集，是盆內(nèi)最重要的礦產(chǎn)資源。由于豐富的鹽類資源及在全球環(huán)境變化中的獨(dú)特地位，柴達(dá)木盆地已成為地學(xué)各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，眾多學(xué)者在盆地的鉀鹽、石油等資源的開發(fā)利用和全球環(huán)境變化領(lǐng)域開展了大量研究工作，并在地質(zhì)構(gòu)造、環(huán)境演化、礦產(chǎn)資源等多方面取得許多研究成果[1～5]。

由于盆地內(nèi)K、B、Li等資源主要賦存于干鹽湖地下鹵水中，這些鹵水也成為該區(qū)域鉀鹽勘探及開發(fā)的主要對(duì)象。鹽湖區(qū)地下鹵水系統(tǒng)是一個(gè)受到多種因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)，表現(xiàn)為以石鹽為骨架的儲(chǔ)集層的獨(dú)特性、高比重鹵水的粘滯性以及水-鹽相互作用的復(fù)雜性。陳柳竹等[6]對(duì)柴達(dá)木盆地鹽湖水、晶間鹵水，以及格爾木河流域地表水、地下水化學(xué)組成進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了盆地區(qū)鹽湖物質(zhì)來源問題。李文鵬等[7]在察爾汗鹽湖區(qū)利用環(huán)形槽排鹵的抽水試驗(yàn)方法獲取水文地質(zhì)參數(shù)，并論證了該方法在鹽湖地區(qū)的可行性。王文祥等[8]通過多種手段對(duì)鹽湖低品位固體鉀礦液化開采做了相關(guān)研究，分析了驅(qū)動(dòng)溶液固體鉀礦過程中水動(dòng)力與水化學(xué)條件的變化特征。張西營(yíng)等[9]對(duì)地下鹵水中K、B、Li含量與鹵水類型、采鹵過程等因素的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了較詳細(xì)的分析研究，論證了西臺(tái)吉乃爾鹽湖地下鹵水化學(xué)成分動(dòng)態(tài)變化與多種因素有關(guān)。韓風(fēng)清等[10～11]對(duì)鹽湖沉積物進(jìn)行了年代測(cè)定和氯同位素分析，重建了昆特依鹽湖的古環(huán)境演化過程。劉鑄等[12]對(duì)該區(qū)域雜鹵石沉積的分布特征及成因進(jìn)行了初步研究，初步揭示了雜鹵石沉積分布的特征。王弭力等[13]分析了昆特依干鹽湖中石鹽沉積層的空隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)鹵層內(nèi)溶蝕孔隙為主要儲(chǔ)鹵介質(zhì)。這些研究成果為昆特依鹽湖成礦作用過程研究及資源的開發(fā)利用奠定了重要基礎(chǔ)，但對(duì)于儲(chǔ)鹵層滲透性與鹵水化學(xué)成分之間耦合關(guān)系的研究則涉及較少。

鹽湖是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到鹵水體系的演化以及長(zhǎng)期地質(zhì)過程中的水-巖作用等諸多方面。其中，鹽湖儲(chǔ)層的滲透性及其與賦存鹵水水化學(xué)組成的關(guān)系直接涉及到鹵水資源的開采及固-液轉(zhuǎn)化等與生產(chǎn)實(shí)際相關(guān)的問題。因此，厘清鹵水組成與儲(chǔ)鹵層物性之間的關(guān)系具有重要意義。本文擬通過對(duì)昆特依鹽湖地下水動(dòng)力學(xué)和水化學(xué)關(guān)系的研究，嘗試揭示昆特依干鹽湖中含水介質(zhì)滲透性對(duì)賦存鹵水化學(xué)組成的影響，這對(duì)于該鹽湖鹵水資源的利用具有重要實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

昆特依盆地地處青藏高原柴達(dá)木盆地的北部(圖1)，本地區(qū)具有典型的內(nèi)陸寒冷干旱的氣候特點(diǎn)，多年平均降水量?jī)H15.7 mm，而蒸發(fā)量卻高達(dá)3 095.9 mm[14]。除清水河外匯入昆特依盆地的河流均為暫時(shí)性水流，而大鹽灘周邊沒有地表水流匯入，補(bǔ)給條件極差，為一封閉凹陷。研究區(qū)地層壓實(shí)度較高，總體富水性較差，但在同一含水層位不同點(diǎn)含水層的富水性差異較大，表現(xiàn)出明顯的非均一性。盆地北部為地勢(shì)相對(duì)低洼的新鹽帶，西為俄博梁Ⅰ號(hào)構(gòu)造，南為葫蘆山構(gòu)造，東臨冷湖構(gòu)造帶。南北較長(zhǎng)，東西較窄，整個(gè)地勢(shì)東高西低，南高北低。大鹽灘為盆地的沉積中心和沉降中心，為鹽灘平原，其表面為堅(jiān)硬的鹽殼，沒有植物生長(zhǎng)，鹽殼下儲(chǔ)存著豐富的鹵水資源。

昆特依盆地是在青藏高原區(qū)域性隆升構(gòu)造作用背景下，逐漸從統(tǒng)一的柴達(dá)木盆地中分隔出來而形成的次級(jí)盆地，受到新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，昆特依大鹽灘湖水與外界已無常年性水力聯(lián)系，由于補(bǔ)給減少，湖水不斷蒸發(fā)而鹽類則大量沉積[13]。1 Ma以來柴達(dá)木盆地北部區(qū)域氣候表現(xiàn)為干濕交替，昆特依鹽湖成鹽階段出現(xiàn)在0.97～0.03 Ma，厚鹽層集中出現(xiàn)在0.50～0.03 Ma，以石鹽和石膏為主，含有芒硝、雜鹵石等其他鹽類礦物[15～16]。研究區(qū)鹵水中所含礦物大致可以分為鹽類礦物及碎屑礦物兩大類，其中鹽類礦物在儲(chǔ)層中起著支撐骨架的作用，碎屑礦物多充填于鹽類礦物晶體之間，或呈層狀展布起隔水層的作用。按照儲(chǔ)鹵層性質(zhì)和形成時(shí)代以及儲(chǔ)存條件等，將礦區(qū)劃分為5個(gè)鹵水含礦層(圖2)，自上而下依次為1個(gè)潛水層(WⅠ)和4個(gè)承壓水層(WⅡ～WⅤ)[13]。其中，上部WⅠ石鹽層富水性強(qiáng)，是本文主要研究對(duì)象。

王弭力等[13]通過分析鹵水中氚同位素，測(cè)得研究區(qū)潛鹵水氚值分布范圍為15.0～94.0 TU，豐水、枯水季節(jié)位于湖盆中心的ZK3212潛鹵水氚值變異明顯(分別為77.7 TU和48.5 TU)，可見降水對(duì)其有補(bǔ)給作用。根據(jù)1992年及1993年研究區(qū)實(shí)測(cè)的潛鹵水氚值與全混模型計(jì)算的T(TU)～τm曲線擬合，結(jié)果得出研究區(qū)ZK3212一帶的潛鹵水平均年齡為16～61 a(±)。說明潛鹵水的更新速度快，可能主要?dú)w因于地下徑流補(bǔ)給及強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)平面簡(jiǎn)圖及鉆孔位置(據(jù)文[17])Fig.1 Hydrogeologic map and location of the hydrological boreholes in the study area (after[17])1—孔隙咸水；2—深部晶間鹵水；3—層間鹵水；4—裂隙油田水；5—08剖面線；6—鉆孔；7—淺部晶間鹵水；8—淡水；9—斷層；10—地名及道路

圖2 研究區(qū)08線水文地質(zhì)剖面(據(jù)文[17])Fig.2 Hydrogeologic profile of line 08 in the study area (after[17])

2 材料與方法

本次工作選取大鹽灘干鹽湖WⅠ儲(chǔ)鹵層已有的南北向布置的8個(gè)水文鉆孔作為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了野外抽水試驗(yàn)和室內(nèi)樣品化學(xué)分析工作。

2.1 樣品采集與分析

本文對(duì)研究區(qū)前期勘探鉆孔ZK3608第一含水層巖芯樣品進(jìn)行了礦物XRD分析。樣品經(jīng)烘干研磨至200目左右，利用荷蘭帕納科公司的X-pert Pro型粉晶X射線衍射儀對(duì)礦物種類及含量進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)條件為：電壓為40 kV，電流為30 mA，Cu靶Kα輻射(λ=1.540 6)，掃描角度(2θ)為5°～80°，掃描速度為5°/min。各礦物種類的檢出及相對(duì)百分含量的確定由該儀器自帶的軟件X’Pert High Score Plus完成。所有化學(xué)分析均在中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所鹽湖化學(xué)分析測(cè)試中心完成。

2.2 抽水試驗(yàn)與微水試驗(yàn)

本文運(yùn)用抽水試驗(yàn)和微水試驗(yàn)方法，于2013年7月對(duì)研究區(qū)8個(gè)潛水水文孔(圖1)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。對(duì)于涌水量較大的鉆孔進(jìn)行單孔穩(wěn)定流抽水(ZK01、ZK05、ZK08)，對(duì)于涌水量極小的鉆孔(ZK02、ZK03、ZK04、ZK06、ZK07)，抽水試驗(yàn)困難，選擇微水試驗(yàn)方法求取含水層滲透系數(shù)。

2.2.1抽水試驗(yàn)

在抽水試驗(yàn)之前，均進(jìn)行了試抽水，之后對(duì)涌水量較大的鉆孔采用了單井抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)分為抽水階段和水位恢復(fù)階段。抽水過程中當(dāng)涌水量及降深保持至少4 h不變時(shí)，結(jié)束抽水；停止抽水后立即進(jìn)行水位恢復(fù)觀測(cè)，以恢復(fù)水位達(dá)到或接近靜止水位時(shí)作為抽水試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志。

根據(jù)研究區(qū)特定的水文地質(zhì)條件，依據(jù)無界不帶觀測(cè)孔的穩(wěn)定抽水處理，假設(shè)含水層為均質(zhì)各向同性、無界無越流、隔水頂/底板及抽水前靜止水位呈水平狀，抽水孔為完整孔。對(duì)于單孔穩(wěn)定流抽水計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)常用的方法是借助于經(jīng)驗(yàn)公式與裘布依公式進(jìn)行迭代求解，但由于兩個(gè)公式中影響半徑(R)在性質(zhì)和數(shù)量上存在差異，并且在計(jì)算滲透系數(shù)時(shí)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，不同的滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)不同的R值，而裘布依公式認(rèn)為R為常量，將二者聯(lián)系起來求解滲透系數(shù)。本文依據(jù)勢(shì)函數(shù)疊加原理，利用無界含水層單孔穩(wěn)定抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)資料求取儲(chǔ)鹵層滲透系數(shù)。整個(gè)抽水試驗(yàn)過程可以看成是穩(wěn)定抽水過程和非穩(wěn)定注水過程這兩個(gè)相反過程的疊加[18～19]。對(duì)于穩(wěn)定抽水過程和非穩(wěn)定注水過程見式(1)～(2)，式(3)為兩個(gè)過程的疊加：

(1)穩(wěn)定抽水過程：

(1)

(2)非穩(wěn)定注水過程：

(2)

(3)水位恢復(fù)過程：

(3)

根據(jù)水位恢復(fù)資料繪制sr-lgt散點(diǎn)圖，擬合直線，求取直線斜率it，根據(jù)式(4)求取滲透系數(shù)K值。

(4)

式中：s0——穩(wěn)定水位降深/m；

si——水位回升值/m；

sr——剩余降深/m；

Q0——穩(wěn)定涌水量/(m3·d-1)；

H0——含水層厚度/m；

R0——影響半徑/m；

r——井半徑/m；

ti——從停止抽水開始計(jì)起的對(duì)應(yīng)于si的水位恢復(fù)時(shí)間/min。

2.2.2微水試驗(yàn)

微水試驗(yàn)指抽取一定體積的水后孔內(nèi)的壓力恢復(fù)或注入已知體積的水后孔內(nèi)壓力減小的過程。微水試驗(yàn)是滲透系數(shù)相對(duì)較小的地層常用的野外試驗(yàn)方法。本文采用瞬時(shí)抽水方法，具體過程是記錄孔內(nèi)的原始水頭，瞬時(shí)抽取孔內(nèi)一定體積的水，原始水頭下降至s0，然后隨著周圍地下水進(jìn)入孔內(nèi)，水位開始恢復(fù)。隨著時(shí)間增加水位的對(duì)應(yīng)變化都被記錄下來，相應(yīng)的s指任意時(shí)刻剩余降深。計(jì)算滲透系數(shù)過程中，利用式(5)計(jì)算滲透系數(shù)[20～21]。

(5)

式中：L——井慮管長(zhǎng)度/m；

T0——當(dāng)s/s0=0.37時(shí)水位恢復(fù)的時(shí)間/min。

3 結(jié)果分析

3.1 儲(chǔ)鹵層礦物組成

由XRD的測(cè)試結(jié)果可以看出，研究區(qū)鉆孔ZK3608的主要礦物成分為鹽類礦物和碎屑類礦物，其中石鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60%，多為半自形，粒狀，巨晶、中晶，部分石鹽晶體受到溶蝕，呈孔洞狀，其內(nèi)充填有雜鹵石、芒硝及碎屑礦物(表1)。芒硝多為粒狀細(xì)-中晶，其溶解度受溫度影響較大，冬季氣溫較低時(shí)以塊狀透明晶體析出。儲(chǔ)層中還存在一定的雜鹵石礦物，集合體一般呈纖維狀、毛氈狀，分布于石鹽晶體間，局部為層狀。石膏主要以細(xì)晶狀態(tài)分布于石鹽晶體之間以及泥巖中。儲(chǔ)鹵層中的碎屑物質(zhì)是鹽類沉積過程中在相對(duì)淡化時(shí)期被帶入的外源物質(zhì)，含量為2.54%～26.16%，主要為石英，含有少量鈉長(zhǎng)石、綠泥石和白云母等，一般充填于石鹽晶體之間或包裹于各種鹽類礦物中。

表1 研究區(qū)ZK3608巖心礦物學(xué)分析數(shù)據(jù)

3.2 儲(chǔ)鹵層滲透性特征

研究區(qū)儲(chǔ)鹵層特性有別于其它非鹽湖沉積的含水層孔隙介質(zhì)，主要在于二者的空隙結(jié)構(gòu)特征具有明顯的差異。后者的空隙類型單一，水流對(duì)其改造作用甚微，具有穩(wěn)定的水動(dòng)力特征；前者則是由各類空隙(孔隙、裂隙、溶隙)組成的復(fù)合體，它們對(duì)鹵水的動(dòng)態(tài)有著不同的貢獻(xiàn)。石鹽晶體之間的孔隙及微裂隙是儲(chǔ)鹵層空隙的主要部分，但其滲透性及連通性相對(duì)較差，它們?cè)邴u水運(yùn)動(dòng)中主要起儲(chǔ)水、釋水作用；鹽溶管道及寬裂隙占儲(chǔ)鹵層孔隙率的比例雖然不大，但其滲透性比前者大得多，因此它在地下鹵水運(yùn)動(dòng)中主要起導(dǎo)水作用。

從計(jì)算結(jié)果可以看出(表2)，各鉆孔的滲透系數(shù)(K)差異很大，由此可將WⅠ儲(chǔ)鹵層大致分為強(qiáng)滲透性儲(chǔ)層和弱滲透性儲(chǔ)層。其中，鉆孔ZK01、ZK05及ZK08的K值最大，分別為137.78 m/d、134.50 m/d、193.80 m/d，說明鉆孔所在的儲(chǔ)鹵層滲透性強(qiáng)，儲(chǔ)層溶隙、寬裂隙發(fā)育，具有良好的聯(lián)通性，為強(qiáng)滲透性儲(chǔ)層。相比之下，其余鉆孔滲透系數(shù)K均小于9.00 m/d，說明這些鉆孔所代表的儲(chǔ)鹵層空隙主要以石鹽晶間孔隙及可能存在的微裂隙為主，儲(chǔ)層導(dǎo)水作用差，導(dǎo)致孔隙之間連通性差，鹵水運(yùn)移不通暢，為弱滲透性儲(chǔ)層。

表2 研究區(qū)淺層鹵水主要成分及儲(chǔ)層水文參數(shù)

注：實(shí)測(cè)樣品采樣時(shí)間2013年7月下旬，文獻(xiàn)中采樣時(shí)間為1986年8月。

3.3 儲(chǔ)層滲透性對(duì)水化學(xué)組分的影響

由于石鹽晶體之間填充的其它鹽類礦物及碎屑礦物含量及種類所占比例不同，以及儲(chǔ)層中不同空隙結(jié)構(gòu)對(duì)鹵水流動(dòng)產(chǎn)生一定程度的制約作用，這就直接造成不同點(diǎn)鹵水水化學(xué)特征具有空間差異性。孔隙內(nèi)充填的雜鹵石遇到鹵水存在如下化學(xué)平衡：

(6)

圖3 鹵水中主要組分之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between the main components in the brines

昆特依大鹽灘凹陷在第四紀(jì)時(shí)期的沉積環(huán)境是由鹽湖和咸水-半咸水環(huán)境交替構(gòu)成，儲(chǔ)鹵層巖性為石鹽層與淤泥粉砂層交替出現(xiàn)[13]。以石鹽晶間孔隙為主的儲(chǔ)鹵層滲透性較小，孔隙之間連通性差，賦存于其中的孔隙鹵水運(yùn)動(dòng)緩慢甚至處于停滯狀態(tài)，為鹽湖蒸發(fā)濃縮、石鹽沉積時(shí)期封存下來的殘余古鹵水，受到外界改造作用(如降水、溶解稀釋)較弱，這可能表明鹽類沉積與賦存其中的鹵水基本達(dá)到了水-巖作用平衡。此外，一部分儲(chǔ)鹵層由于受到低鹽度水流作用影響(大氣降水、深部水的侵入作用、底部淤泥層水)，使得低鹽度水流向孔隙結(jié)構(gòu)的石鹽層，與石鹽晶體孔隙內(nèi)的鹵水混合，在鹵水運(yùn)動(dòng)過程中，通過溶蝕沖刷，將石鹽孔隙擴(kuò)大、聯(lián)通，從而形成較大孔喉的溶孔，最終形成大的鹽溶管道，具有極強(qiáng)的滲透性。因此，WI儲(chǔ)鹵層滲透性在空間上表現(xiàn)出極強(qiáng)的不均勻性，其鹵水受到孔隙結(jié)構(gòu)、填充礦物種類及水巖作用程度的影響而具有不同的水化學(xué)組成。

圖4 鹵水中主要組分及參數(shù)與lgK的關(guān)系Fig.4 Relationships between lgK and parameters in the brines

根據(jù)1990年青海省柴達(dá)木綜合地質(zhì)勘察大隊(duì)勘探報(bào)告[21]，對(duì)比在大鹽灘WI層2個(gè)鉆孔(ZK1608、ZK3212)中鹵水水化學(xué)數(shù)據(jù)和本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，除了Ca2+濃度、pH值變化較明顯外，其他離子濃度變化不明顯。本次實(shí)測(cè)鉆孔鹵水中Ca2+濃度最低為0.63 g/L，均高于前者的0.27 g/L；本次鹵水pH值最高值為7.44，均低于前者的7.50。說明后期鹵水開采對(duì)地下鹵水水化學(xué)組成產(chǎn)生了一定程度的影響，其影響機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。分析還發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)鉆孔中鹵水的K+、Mg2+濃度隨著滲透系數(shù)增大同樣有逐漸減小的趨勢(shì)。

對(duì)于滲透系數(shù)相近的儲(chǔ)鹵層，例如鉆孔ZK02、ZK03、ZK04、ZK06所代表的儲(chǔ)鹵層，其孔隙中鹵水水化學(xué)特征接近，與儲(chǔ)鹵層滲透性沒有明顯的耦合關(guān)系，可能由于石鹽孔隙中充填的鹽類礦物及其他碎屑物在種類和數(shù)量上存在不均勻性，與儲(chǔ)層孔隙大小或滲透性在較小尺度上沒有必然的聯(lián)系。而鉆孔ZK01、ZK05和ZK08所代表的強(qiáng)滲透性儲(chǔ)鹵層，它們?cè)邴u水運(yùn)動(dòng)中具有很強(qiáng)的水力聯(lián)系，其水化學(xué)性質(zhì)也較接近。另外，ZK08位于當(dāng)前采鹵中心，也是地下鹵水降落漏斗中心，水力坡度最大，儲(chǔ)鹵層受到鹵水沖刷強(qiáng)烈，形成更大的溶腔，其滲透性也最大。

4 結(jié)論

(1)昆特依盆地大鹽灘地區(qū)WⅠ潛鹵水層結(jié)構(gòu)具有各向異性特征，儲(chǔ)層滲透性在區(qū)域上的分異明顯，以石鹽晶體間孔隙為主的儲(chǔ)層滲透性較差，賦存于其中的鹵水運(yùn)移緩慢或處于停滯狀態(tài)；而滲透性相對(duì)較強(qiáng)的寬裂隙及溶孔結(jié)構(gòu)在鹵水運(yùn)動(dòng)中起主要導(dǎo)水作用。

(2)鹵水水化學(xué)組成與儲(chǔ)集層的滲透性具有明顯的相關(guān)性，儲(chǔ)集層的滲透性對(duì)賦存其中的鹵水化學(xué)組成產(chǎn)生明顯影響，這與外源水體的混合摻雜以及儲(chǔ)集層物性等有密切關(guān)系。

(3)研究區(qū)不同時(shí)期水化學(xué)成分對(duì)比分析表明，后期采鹵過程增大了地下鹵水徑流強(qiáng)度，打破了原有的水-巖作用平衡狀態(tài)，鹵水的化學(xué)組成發(fā)生了改變。

致謝：冷湖濱地鉀肥有限責(zé)任公司萬維漢總經(jīng)理在野外工作中給予了大力支持和幫助，在此表示衷心感謝！

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