長江經(jīng)濟帶巖鹽礦特征與鹽穴儲庫適宜性評價

劉紅櫻， 姜月華， 楊國強， 金陽， 楊輝， 周權(quán)平

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016)

0 引言

長江經(jīng)濟帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、四川、重慶、云南和貴州11個省(直轄市)，面積約205.3萬km2。長江經(jīng)濟帶的巖鹽礦產(chǎn)資源十分豐富，分布廣泛，除上海和貴州外，其他9個省(直轄市)均發(fā)現(xiàn)有巖鹽礦床，其中90余個礦床具有工業(yè)價值[1-3]，已探明儲量約2.39萬億t，遠景儲量約13.2萬億t。巖鹽開采(或溶腔)后形成的鹽穴資源巨大，可用于長期存放石油和天然氣。與地面儲油儲氣設(shè)施相比，地下鹽穴油氣儲庫具有基建投資少、占地面積小、運行成本低和安全可靠等特征，故鹽穴又被稱為“具有高度戰(zhàn)略安全的儲備庫”[4]。目前世界上已有2 000多個鹽穴被開發(fā)利用，其中美國擁有數(shù)百座，德國也有近百座，且數(shù)量還在不斷增加[5-13]。本文旨在通過分析長江經(jīng)濟帶巖鹽礦空間分布、成礦時代、礦體與圍巖特征、影響鹽層建設(shè)儲庫的基本地質(zhì)條件等，對鹽穴儲庫建造進行適宜性評價，為長江經(jīng)濟帶地下鹽穴戰(zhàn)略油氣儲庫基地建設(shè)提供地學(xué)依據(jù)。

1 研究內(nèi)容和技術(shù)方法

1.1 研究內(nèi)容

本文在前人地質(zhì)調(diào)查和研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)分析了巖鹽礦特征，包括空間分布、成礦時代與層位、成鹽盆地范圍、礦體形態(tài)、產(chǎn)狀與規(guī)模、礦體埋藏深度、礦石組成、礦體頂?shù)装迮c夾層巖性等，并分析了鹽礦區(qū)域地質(zhì)特征、鹽礦基本地質(zhì)特征、建腔目的鹽層特性、巖鹽層頂?shù)装逍再|(zhì)和鹽礦區(qū)水文地質(zhì)特征等影響鹽穴儲庫建設(shè)的基本地質(zhì)條件。

1.2 鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價

鹽穴應(yīng)用的不斷推廣對鹽穴的穩(wěn)定性、安全性等方面提出了更高的要求。然而，由于不同國家、地區(qū)的地質(zhì)條件、建庫技術(shù)和實際運營等因素不同，鹽穴型地下儲庫建設(shè)適宜性評估還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前主要通過計算機數(shù)值模擬和大量室內(nèi)試驗相結(jié)合，評價地下鹽穴儲庫建設(shè)適宜性和預(yù)測鹽穴儲庫運營期間的穩(wěn)定性及其變化趨勢[14-15]。

1.2.1 評價遞階層次結(jié)構(gòu)

參照前人成果[16]，結(jié)合長江經(jīng)濟帶巖鹽礦地質(zhì)環(huán)境背景條件，確定14個二級因子，建立了鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價層次結(jié)構(gòu)模型。遵循綜合分析與主導(dǎo)因素相結(jié)合和可持續(xù)利用的原則，采用2步評判法評價巖鹽礦綜合地質(zhì)特征與條件對鹽穴儲庫建設(shè)的適宜性等級。

1.2.2 評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)及分值

依據(jù)鹽穴儲庫建設(shè)對巖鹽礦地質(zhì)特征和巖鹽層本身特性條件的要求，選擇5個B級因子下的14個C級因子進行分級和賦值(表1)。

表1 鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)及分值Tab.1 Classification standard and score of construction suitability evaluation factors for salt cave storage

注： ①為鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價因子分級賦予的分值。

1.2.3 評價因子權(quán)重值

依據(jù)各因子的重要性將其窮盡成對比矩陣，由式(1)計算出權(quán)重W(表1)。

(1)

式中：W為評價因子權(quán)重值;j為第j個重要性判斷；n為重要性判斷個數(shù)；i為第i個評價因子；m為評價因子個數(shù)；Vij為i評價因子j重要性判斷向量值。

1.2.4 適宜性評價等級劃分

采用綜合指數(shù)法，對長江經(jīng)濟帶主要巖鹽礦進行鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價，從地質(zhì)學(xué)角度，劃分出適宜性等級(表2)。

(2)

式中：P為各因子的綜合分值；Wi為i因子的權(quán)重；Pi為i因子的分值。

表2 鹽穴儲庫建設(shè)適宜性等級劃分Tab.2 Classification of constructionsuitability of salt cave storage

2 研究結(jié)果與討論

2.1 巖鹽礦特征

長江經(jīng)濟帶鹽礦床的分布，明顯受大地構(gòu)造條件控制，從時空分布規(guī)律來看，印支運動是最突出的分界線[3,17-23]。印支運動前主要為古地臺鹽類沉積發(fā)育期，鹽類礦床賦存于揚子地臺特別是地臺的海相碳酸鹽巖系中，鹽類沉積具有發(fā)育面積廣大、含礦層區(qū)域展布穩(wěn)定、含鹽系旋回少、剖面結(jié)構(gòu)簡單等特點； 印支運動后由于廣泛而強烈的裂陷活動，陸源碎屑巖-蒸發(fā)鹽巖極其發(fā)育，鹽類沉積分布廣泛，鹽層面積小而厚度大，成鹽旋回多，剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物質(zhì)成分多樣，礦床類型多。

2.1.1 空間分布

四川盆地內(nèi)以華鎣山深斷裂為界，以東為盆東成鹽帶，分布有萬縣、宣達、重慶、涪陵、瀘永、長寧和墊江等11個巖鹽礦體； 以西為盆西成鹽帶，分布有南充、成都、威西、自貢和通江等11個巖鹽礦體[24]。此外，于四川盆地外緣康滇古陸以西的成鹽帶，分布有鹽源鹽丘型巖鹽礦體[24-44]。

其余各省分布的鹽礦有： 滇南盆地普洱縣磨黑和鳳崗鹽礦、滇西南蘭坪—思茅盆地江城縣勐野井和洱源喬后鹽礦、滇中安寧盆地安寧和平浪鹽礦[45-51]； 云應(yīng)凹陷云應(yīng)鹽礦、襄陽凹陷棗陽王城鹽礦、潛江凹陷潛江鹽礦、小板凹陷天門小板鹽礦和江陵凹陷江陵鹽礦[52-57]； 衡陽盆地茶山坳、蔣家山、金甲嶺鹽礦，鹽井—申津渡—東港凹陷澧縣(津市)鹽礦[58-64]； 清江盆地洋湖凹陷清江(樟樹)鹽礦、會昌周田盆地鹽礦、吉泰盆地鹽礦[65-71]； 定遠—爐橋凹陷定遠(東興)鹽礦[72]； 金壇直溪橋凹陷金壇鹽礦，淮安凹陷(淮安、淮陰、洪澤、清河、清浦)鹽礦，洪澤凹陷趙集鹽礦和豐縣凹陷鹽礦[73-82](表3)。

2.1.2 巖鹽成礦時代及層位

長江經(jīng)濟帶在漫長的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，地殼振蕩頻繁，海水時進時退，氣候干濕交替，多次形成含鹽建造，成鹽時代及層位相當(dāng)廣泛，自震旦紀(jì)至中新生代均有厚度大、范圍廣的巖鹽礦形成，成鹽條件良好，重要成鹽時代為震旦紀(jì)、三疊紀(jì)、白堊紀(jì)和古近紀(jì)，鹽礦石NaCl儲量占總儲量的96%[24,55](表3)。

震旦紀(jì)的巖鹽礦體僅有四川長寧縣至敘永縣一帶分布的長寧(興文)鹽礦,是當(dāng)前世界上最古老的巖鹽[24]。寒武紀(jì)的巖鹽礦體分布在瀘州—永川和鄰水一帶，為我國首次發(fā)現(xiàn)[24]。

三疊紀(jì)巖鹽礦體分布地域最廣，共有21個，主要分布在四川和重慶。三疊紀(jì)巖鹽具有多期性特點，含鹽層位最為發(fā)育，成鹽時間最長，成鹽作用最強，是長江經(jīng)濟帶重要的成鹽地質(zhì)時代[24]。

侏羅紀(jì)鹽礦在云南有零星分布，如江城縣勐野井、洱源喬后和安寧等鹽礦[45-51]。

白堊紀(jì)和古近紀(jì)是長江經(jīng)濟帶的主要成鹽時期。前者如云南普洱縣磨黑、鳳崗，湖北棗陽縣王城，江西會昌縣周田，江蘇淮安等鹽礦[1,71,78-79]； 后者如云南平浪，湖北云應(yīng)，湖南衡陽、澧縣，江西清江，安徽定遠，江蘇金壇縣直溪橋及淮陰縣高堰、趙集、豐縣等鹽礦[1,52-55,58-70,72,75,78-82]。

2.1.3 成鹽盆地范圍

成鹽盆地面積10 000～25 000 km2范圍內(nèi)的有川東凹陷、川中凹陷和成都凹陷； 1 000～10 000 km2的有江陵凹陷、洋湖凹陷、云應(yīng)凹陷、云南蘭坪—思茅盆地、威西凹陷和墊江凹陷等(表3)。巖鹽礦面積一般為200～500 km2，最大的可達10 000 km2(成都—蒲江鹽礦)[21,23]，最小的僅有0.29 km2(郭家坳鹽礦)[26](表3)。

2.1.4 礦體形態(tài)、產(chǎn)狀和規(guī)模

礦體形態(tài)平面上多為橢圓形或似橢圓形，剖面上則為層狀、似層狀和透鏡狀。礦體產(chǎn)狀平緩，一般在礦體邊部傾角7°～10°，個別達20°以上。在礦體中心傾角3°～5°。

其礦體規(guī)模多數(shù)為3～30 km2，最大的達1 600 km2(潛江)[21,23](表3)。礦體由多層巖鹽

組成，一般為20～30層，多的達140多層(潛江)[18,20]，鹽層單層厚一般2～3 m，最厚達74 m(潛江)[21,23]，最薄僅10 cm。鹽層累計厚一般幾十至幾百m，薄的僅3.45 m(內(nèi)江資中)，最厚的達1 050 m(淮安)。

2.1.5 礦體埋藏深度

礦體埋藏深度一般在200～1 000 m，個別超過3 000 m，如墊江、成都—蒲江、萬州、高峰和長壽等鹽礦[21,23]，而埋藏深度小于400 m的主要為平浪、普洱縣磨黑與鳳崗和衡陽等鹽礦[45-51,58-61](表3)。

2.1.6 礦石組成

巖鹽礦石多數(shù)含有其他鹽類礦物或泥質(zhì)物，從而形成了多種礦石類型。礦石中NaCl含量一般為50%～60%，低的僅30%左右，高的達98%，巖鹽礦石中除石鹽外還有硬石膏和鈣芒硝(表3)。四川省的大部分鹽礦具有鹽層厚、品位富、規(guī)模大的特點，如威西、川中、墊江、成都—蒲江、自貢等鹽礦NaCl含量85%～95%[1]，此外含少量的方解石、白云石、菱鎂礦、天青石等碳酸鹽和硫酸鹽礦物。巖鹽礦石中常見的伴(共)生礦物有鈣芒硝、硬石膏、天然堿、鉀石鹽、雜鹵石、光鹵石、天青石、無水芒硝、石膏等[1]。巖鹽礦石的化學(xué)成分主要是NaCl，其次是Na2SO4和CaSO4，少數(shù)情況下為KCl、MgCl2、MgSO4、Na2CO3、MgCO3等[21,23]。

2.1.7 礦體頂?shù)装寮皧A層巖性

巖鹽礦床礦體頂?shù)装寮皧A層巖石主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，少量為灰質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r、細砂巖。個別鹽礦見有頁巖、油頁巖(潛江)、泥礫巖(會昌)和底板玄武巖(金壇)[21,23]。

2.2 鹽層建設(shè)儲庫的基本地質(zhì)條件分析

影響鹽層建設(shè)儲庫的基本地質(zhì)條件主要包括鹽層厚度、埋深、鹽巖礦層品位、鹽巖礦層夾層中水不溶物含量、蓋層厚度以及構(gòu)造穩(wěn)定性、充足的水源等[18-19]。

2.2.1 鹽層厚度

有利于建庫的厚度條件是鹽層總厚度大于80 m，鹽層平面分布范圍大且穩(wěn)定。區(qū)內(nèi)此類鹽礦有淮安(240～1 050 m)、宜賓涼山鹽源(775 m)、江城縣勐野井(150～750 m)、潛江(300～400 m)、衡陽(33～395 m)、長寧—興文(46～368.9 m)、瀘州(276 m)、自貢大山鋪—郭家坳(254 m)、金壇(144～237 m)、豐縣(230 m)、達州宣漢(74～232 m)、廣安(167.72～214.5 m)、安寧(193 m)、定遠(14.18～198.4 m)、南充(128～151 m)、川中(60～150 m)、趙集(103～130 m)、萬州(120 m)、成都—蒲江(11.5～123 m)等[17-82]。

2.2.2 鹽層埋深

巖鹽礦層的埋深直接影響到儲氣庫的密閉性及安全性，最適宜建造儲氣鹽穴庫的深度為400～1 500 m，這樣能保證鹽層的儲氣能力和建庫效率，縮減建庫成本。湖北云應(yīng)、天門小板、潛江，云南洱源喬后，湖南衡陽金甲嶺，江西清江、會昌，江蘇淮安、豐縣、金壇，重慶江津縣渝南，四川自貢、大山鋪、郭家坳、威西、內(nèi)江資中、威遠等鹽礦埋深適中； 重慶墊江、忠縣石寶寨、長壽、合川、萬州、高峰，四川成都—蒲江、廣安、南充、川中、宜賓長寧—興文等鹽礦埋深較大； 湖南澧縣、衡陽蔣家山，安徽定遠、四川涼山鹽源、瀘州、綿陽江油、宣漢、渠縣開江、巴中通江、廣元、劍閣、旺蒼，重慶云陽縣黃嶺、梁平、永川、涪陵，湖北江陵、棗陽王城，云南安寧、江城縣勐野井等鹽礦部分層位埋藏偏淺，對建造儲氣鹽穴不利，應(yīng)選擇更深部的鹽層空間[17-82]。

2.2.3 鹽巖礦層品位及其夾層中水不溶物含量

鹽巖品位高，不溶物含量低于25%，易于水溶造腔。石鹽層及夾層中水不溶物質(zhì)含量多少是決定溶腔有效體積大小的主要因素[5-6]。

江蘇金壇、湖南衡陽、湖北應(yīng)城、安徽定遠盆地等鹽礦夾層以鈣芒硝及泥巖為主，石鹽礦層中也含較多的鈣芒硝，夾層與石鹽層不等厚互層，由于夾層中含較多的鈣芒硝易溶于水而容易破碎，該類礦區(qū)為較易建造鹽穴儲氣庫的地區(qū)。

湖北潛江、小板、江陵，江蘇洪澤、淮安，湖南澧縣，江西清江盆地等鹽礦夾層以碎屑巖(泥巖、粉砂巖等)為主，含少量易溶鹽類，其與石鹽層不等厚互層，在水的浸泡中易發(fā)生破碎，呈泥質(zhì)沉淀于溶腔底部，一般只影響溶腔的有效體積，對建造鹽穴影響不大。但當(dāng)泥質(zhì)夾層太厚時，在巖鹽溶蝕造腔中不能完全破碎及坍塌，不易建造鹽穴。

江蘇豐縣、江西周田盆地等鹽礦夾層以石膏、硬石膏為主，含一定量泥質(zhì)及白云巖等水不溶物質(zhì)，與石鹽層不等厚互層，由于其不溶于水，且?guī)r石堅硬，在水中不易破碎，不易造腔，該類鹽礦區(qū)一般較難建造鹽穴儲氣庫。

2.2.4 蓋層厚度

蓋層厚度一般要求不小于90 m，以保證其穩(wěn)定性。區(qū)內(nèi)巖鹽礦大多數(shù)符合這一條件，僅云南江城縣勐野井、鳳崗、平浪和普洱縣磨黑鹽礦蓋層厚度較薄(表3)。

2.3 鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價

評價結(jié)果表明： 江蘇金壇、淮安、趙集、豐縣，江西清江、會昌，湖北云應(yīng)、天門小板、潛江，云南洱源喬后，湖南衡陽金甲嶺，重慶江津縣渝南，四川自貢、大山鋪、郭家坳、威西、內(nèi)江資中、威遠等鹽礦埋深適中，適合建造儲氣鹽穴庫； 重慶墊江、忠縣石寶寨、長壽、合川、萬州、高峰，四川成都—蒲江、廣安、南充、川中、宜賓長寧—興文等鹽礦埋深較大，基本適合建造儲氣鹽穴庫，但成本可能增加； 湖南澧縣、衡陽、蔣家山，安徽定遠，四川涼山鹽源、瀘州、綿陽江油、達州宣漢、渠縣開江、巴中通江、廣元、劍閣、旺蒼，重慶永川、涪陵、云陽縣黃嶺、梁平，湖北江陵、棗陽王城，云南江城縣勐野井等鹽礦部分層位埋藏偏淺，對建造儲氣鹽穴不利，應(yīng)選擇更深部的鹽層空間(圖1)。

圖1 長江經(jīng)濟帶巖鹽礦分布及其鹽穴儲庫建設(shè)適宜性評價Fig.1 Distribution of rock salt mines and construction suitability evaluationof salt cave storage in Yangtze River Economic Zone

金壇鹽礦是我國目前唯一建成鹽穴儲氣庫的礦區(qū)。利用了8口井的老腔進行改造建成鹽穴儲氣庫，每個腔體有效體積在10多萬m3到幾十萬m3左右[4]。該區(qū)巖鹽礦層平均累計厚度161 m，最厚達230 m以上，單層最大厚度52.91 m； 含鹽段NaCl 平均含量80%，南部地區(qū)高達85%； 鹽層中泥巖夾層少，含礦率高，厚度一般為1.5～2.5 m； 鹽層埋深在888.6～1 236.4 m； 鹽層頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定，密封性好； 在造腔中，溶腔有效體積理論值占總體積為74%～80.5%[2]； 地理位置優(yōu)越，交通方便，礦區(qū)地表條件好，水源豐富，區(qū)內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定。

豐縣鹽礦鹽層累計厚度大，頂?shù)装迓癫剡m中，物理強度大，含礦率較高，礦石品位中上等，硬石膏含量高且變化大，局部達20%； 鹽巖富集區(qū)構(gòu)造簡單，沉積穩(wěn)定。

云應(yīng)鹽礦區(qū)構(gòu)造簡單，褶皺、斷裂和裂隙均不發(fā)育； 鹽層展布穩(wěn)定，埋深適宜，品質(zhì)高，夾層少，水不溶物含量低； 礦床直接頂板為相對隔水層，水文地質(zhì)條件比較簡單。

安寧鹽礦礦區(qū)范圍廣，儲量大，品位較高，地質(zhì)條件和水文條件較好，適合大規(guī)模水采； 鹽巖沉積穩(wěn)定，成鹽期連續(xù)，斷層構(gòu)造不發(fā)育，埋深適宜，且主要組分易溶； 巖鹽蓋層巖性穩(wěn)定，是良好的保護層。

清江鹽礦區(qū)構(gòu)造簡單，褶皺平緩、規(guī)模小，斷裂也少，礦體連續(xù)性好； 清江組鹽層分布穩(wěn)定，埋深適宜，累計厚度變化大，品質(zhì)較好，礦石可溶性好，夾層含可溶性礦物高； 頂板泥質(zhì)巖主要為伊利石，力學(xué)性質(zhì)弱，易塌，但是新干礦段頂板巖石穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

(1)長江經(jīng)濟帶除上海和貴州外，其他9省(直轄市)均發(fā)現(xiàn)了巖鹽礦床，主要成鹽時代為震旦紀(jì)、三疊紀(jì)、白堊紀(jì)和古近紀(jì)； 成鹽盆地范圍0.29～10 000 km2； 鹽層累計厚度3～1 050 m； 礦體埋藏深度40～3 400 m； 礦石中NaCl含量20%～99.86%，其次是Na2SO4和CaSO4； 礦體頂?shù)装寮皧A層巖石主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖等。

(2)長江經(jīng)濟帶大部分地下鹽穴可以作為石油儲存庫?？紤]儲氣庫的密閉性及安全性，江蘇金壇、趙集、豐縣，湖北云應(yīng)，云南安寧等鹽礦建造儲氣鹽穴的地質(zhì)條件較好，其次江蘇淮安、湖南衡陽、湖北潛江、江西清江等鹽礦在合適的地段也可建造儲氣鹽穴。

(3)長江經(jīng)濟帶巖鹽礦產(chǎn)資源的分布覆蓋東部、中部和西部，不論是沿海發(fā)達地區(qū)，還是有戰(zhàn)略縱深的中西部均有分布，都十分有利于國家地下鹽穴戰(zhàn)略儲油儲氣庫基地建設(shè)的規(guī)劃布局。建議在長江經(jīng)濟帶中東部的江蘇金壇、淮安、趙集、豐縣，江西清江、會昌，湖北云應(yīng)、天門小板、潛江等鹽礦地優(yōu)先開發(fā)利用鹽穴。