開采條件下馬海鹽湖地下鹵水水化學演化特征

趙英杰，胡舒婭，趙全升，李波，路來君

1.吉林大學 地球科學學院，長春 130061；2.青島大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266071；3.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590

0 引言

地下鹵水屬于較為特殊的地下水，作為一種可供開發(fā)利用的液體礦產資源，已被各國學者所公認[1]。中國已探明的鉀鹽儲量絕大部分分布于青海省柴達木盆地和新疆羅布泊等幾個現(xiàn)代鹽湖中，且主要以液體鹵水礦為主[2-4]。

柴達木盆地中鹽湖含水層賦存鹵水的孔隙介質骨架礦物(石鹽、石膏和光鹵石等)具有較強的易溶性，地下鹵水又具有高礦化度、多組分、易析出等特點[5-6]。天然狀態(tài)下含鹵水層中鹵水運移極為緩慢，鹽巖孔隙介質與鹵水間處于相對穩(wěn)定的化學平衡狀態(tài)[7-9]。但在開采過程中，滲流場、化學場劇烈波動變化，打破了原有平衡，導致鹵水化學組分及動態(tài)不斷變化且持續(xù)演化，研究鹵水水化學動態(tài)及其演化規(guī)律對于及時掌握鹵水工業(yè)指標品位新變化、資源儲量計算與評價等方面具有重要的科學指導意義[10-14]。國內外學者對地下水鹵水水化學特征及其成因進行了大量的研究，Larsen D et al.研究了美國加利福尼亞州東南部特科帕盆地地下鹵水的水化學組成并利用同位素研究了鹵水的來源[15]。Eseme E et al.通過研究喀麥隆西南馬梅弗盆地5處鹵水井的水文地球化學特征，推測鹽源的礦物含量并結合地質特征分析了鹵水的成因[16]。Bo Y et al.通過研究中國西部塔里木盆地鹽泉水化學特征及其控制因素，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地的河流水組成與周圍巖石類型和強烈的蒸發(fā)作用密切相關，同時來自深部的熱液型鈣鹵化物在塔里木盆地的水化學演化中起著重要作用[17]。Ye C Y et al.基于鹵水化學成分和氫氧同位素研究了中國西北柴達木盆地尕斯庫勒鹽湖豐富鹽礦的起源[18]。劉溪溪等通過對柴達木盆地西部獅子溝深部鹵水水化學特征、物質來源的分析，發(fā)現(xiàn)獅子溝深部鹵水主要是鹽巖溶解作用形成的，其中不乏有沉積鹵水的加入[19]。但相關研究大多數(shù)側重于成巖作用對鹵水同位素組分和化學成分的控制作用，對于開采過程中鹵水水化學動態(tài)特征及其演化規(guī)律的研究較少[20]。本文以柴達木盆地馬海鹽湖為研究對象，選擇開采前、開采初期和開采中后期地下鹵水，采用多種方法分析馬海鹽湖地下鹵水水化學動態(tài)特征，探索其演化規(guī)律，為地下鹵水的合理開發(fā)與利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

馬海鹽湖位于柴達木盆地東北部(圖1)，是由褶皺和斷裂構造運動形成的一個次級盆地。盆地內廣泛分布第四系下更新統(tǒng)—全新統(tǒng)(Qp1-Qh)，其含鹵水層以鹽類沉積物為主并夾雜有黏性土、砂等碎屑物，主要賦存于中新統(tǒng)(Qp2)、上更新統(tǒng)(Qp3)和全新統(tǒng)(Qh)地層中。

圖1 馬海鹽湖位置及樣品點分布圖Fig.1 Location and sample distribution map of Mahai salt lake

該區(qū)域屬于典型的現(xiàn)代內陸鹽湖沉積平原，海拔2 743～2 750 m。多年平均氣溫2.1℃，多年平均降水量29.61 mm，多年平均蒸發(fā)量3 040 mm，屬典型的內陸干旱氣候，多風少雨，氣候寒冷，晝夜溫差較大[5-6]。

2 數(shù)據(jù)處理

馬海鹽湖自2000年開始開采潛鹵水，至2009年鹵水潛水含水層水位已出現(xiàn)較大范圍的降落漏斗。為研究開采過程中地下鹵水水化學動態(tài)特征，分別選取潛鹵水未開采前(1998年)、開采初期(2002年)和開采后期(2009年)三個時期的水化學數(shù)據(jù)進行分析研究。

表1 馬海鹽湖鹵水水化學參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of chemical parameters of Mahai salt lake

3 結果與討論

3.1 離子含量統(tǒng)計特征

3.2 離子含量相關性分析

表2 不同階段鹵水樣品離子含量相關系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of ionic content of brine samples in different stages

未開采前，K+與TDS及Na+，Mg2+，Cl-均具有較強的正相關性，表明天然狀態(tài)下，隨著鹵水的蒸發(fā)濃縮、TDS增大，K+含量也在不斷增加。而在開采后，K+與TDS及Na+，Mg2+，Cl-相關性均較小，并且從表1中也可以看出，開采后K+含量明顯下降，說明鹵水開采過程中K+補給較少。

鹵水樣品中Mg2+與 Cl-離子均表現(xiàn)出較強的正相關性，相關性系數(shù)分別為0.759、0.920、0.930，即隨著TDS的增大Mg2+含量在不斷增加。Mg2+與Na+均表現(xiàn)出較強的負相關性，3個階段的相關性系數(shù)分別為-0.987、-0.974、-0.959。Mg2+與Ca2+相關性較弱。

3.3 離子比例分析

從Na+、Ca2+與Mg2+含量比例散點圖中(圖2)可以看出，3個階段鹵水樣品中Na+、Ca2+與Mg2+含量比例系數(shù)大致相同，總體上表現(xiàn)為隨著Mg2+含量增加，Na+含量逐漸降低。Ca2+含量較小，且隨Mg2+含量的增加幾乎不變。說明當鹵水中的TDS達到一定值時，Na+開始與儲鹵介質中吸附的Mg2+進行離子交換，反應式可以寫成：

圖2 鹵水Na +、Ca2+與Mg2+含量比例散點圖Fig.2 Scatter diagram of content ratios of Na +, Ca2+ and Mg2+ in brine

Mg-X+2Na+→Mg2++Na-X

(1)

Ca2+含量遠小于Mg2+含量，開采中后期鹵水樣品中Mg2+平均含量高于未開采前鹵水樣品的Mg2+含量，說明鹵水在開采的過程中發(fā)生了白云石的溶解，方解石的沉淀。

(2)

(3)

3.4 鹵水水化學類型

圖3 不同階段鹵水水化學類型分布圖Fig.3 Distribution map of hydrochemical types of brine at different stages

4 結論

(2)鹵水樣品中Mg2+與Na+均表現(xiàn)出較強的負相關性，3個階段的相關性系數(shù)分別為-0.987、-0.974、-0.959,隨著Mg2+含量增加，Na+含量逐漸降低。存在Na+與儲鹵介質中Mg2+的離子交換，且鹵水開采的過程中存在白云石的溶解和方解石的沉淀。

(3)按照瓦利亞什科水化學分類方法，馬海鹽湖地下鹵水水化學類型主要為硫酸鎂亞型，局部有氯化物型地下鹵水。總體上，馬海鹽湖已經達到了石鹽析出階段，在開采過程中鹵水水化學類型并未發(fā)生較大改變。