地面核磁共振法與高密度電阻率法在西藏鹽湖鹵水鉀礦勘查中的應(yīng)用

何勝，馬文鑫，甘斌

(1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局,青海 西寧 810008；2.青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810008；3.青海九零六工程勘察設(shè)計院,青海 西寧810008；4.青海省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，青海 西寧 810008)

0 引言

我國青藏高原分布有眾多鹽湖，其中在西藏地區(qū)面積大于1 km2的鹽湖有234個，絕大多數(shù)集中在藏北地區(qū)，僅阿里地區(qū)(7縣)就有100多個，該地區(qū)鹽湖平均海拔大于4 000 m，最高海拔大于5 100 m[1]。西藏北部高原有著獨特的地質(zhì)構(gòu)造條件和自然地理環(huán)境，尤其是眾多的內(nèi)陸封閉湖盆，憑借第四紀(jì)以來持續(xù)交替的干—濕氣候和充足的物質(zhì)來源與優(yōu)越的物理化學(xué)環(huán)境等有利條件，為星羅棋布的高原鹽湖的形成與演化打下重要基礎(chǔ)，特別是硼、鋰、鉀鹽湖及其鹽類資源的大量形成和沉積[2]，不僅為本區(qū)自然資源增添了寶貴的財富，在我國現(xiàn)代內(nèi)陸鹽湖中也具有明顯的優(yōu)勢和特色，其鹽湖硼、鋰資源儲量之多、含量之豐富，在世界同類鹽湖中亦是罕見。長期以來，由于西藏高寒缺氧及交通條件的限制，西藏鹽湖的地質(zhì)工作程度較為薄弱，眾多鹽湖僅完成了區(qū)域性勘探，且西藏鹽湖的勘查工作較為分散，未能突出重點，缺少總體規(guī)劃和布局。

鹽湖勘查通常將沉積盆地沉降中心和蒸發(fā)濃縮中心確定為富鹵水的找礦靶區(qū)，即尋找沉降中心較厚的晶間含水層[3]。鹵水與普通地下水一樣都是以流體的形式存在于地下巖石中，地層中含有鹵水與不含鹵水的地層反映出不同的地球物理性質(zhì)[4]。高密度電阻率法是利用地層的導(dǎo)電性差異來探測地下水的一種地球物理方法，該方法對巖層的含水情況特別敏感，若巖層含地下鹵水(或地下淡水、咸水)，則其視電阻率明顯降低。這種方法圖像直觀、清晰，是一種分辨率較高的物探方法，但是，也與其他物探方法一樣，反演結(jié)果具有多解性。新近發(fā)展的地面核磁共振法(SNMR)，是目前行之有效的直接探測地下水體的物探方法[5-6]，將其與高密度電阻率法相結(jié)合，做到優(yōu)勢互補(bǔ)，可獲得更加全面準(zhǔn)確的地下鹵水埋藏信息。本次這兩種物探方法在西藏阿里地區(qū)革吉縣的扎倉茶卡鹽湖和茶里錯鹽湖進(jìn)行探測，目的是查明兩大鹽湖晶間鹵水、孔隙鹵水含水層的富水性及埋藏深度和厚度，劃分富鹵水(礦)區(qū)段，為西藏扎倉茶卡鹽湖和茶里錯鹽湖的勘查開發(fā)總體布局提供數(shù)據(jù)支撐。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系地層，分布于現(xiàn)代湖盆邊緣及各大小流域和山間盆地中，可劃分出沖積、湖積、沼澤沉積、化學(xué)沉積及風(fēng)積等5種成因類型。出露海拔相對較低，一般高出當(dāng)?shù)厍治g面0～100 m，其中以沖洪積、湖積分布最廣。

扎倉茶卡鹽湖所處湖盆為第四紀(jì)更新世時期東西相連的古湖泊，賦礦層位為第四系全新統(tǒng)湖相化學(xué)沉積。該鹽湖東西長32 km，南北寬3～6 km，表鹵水總面積為132.5 km2，由3個湖泊組成，湖水深0.15～1.20 m，湖面海拔4 347 m，屬硫酸鎂型鹽湖，pH為9.3，是一個綜合鹽類沉積礦床。液體礦有硼、鋰、鉀等鹽類，其中以硼酸鹽最具特色，構(gòu)成固液相兩種硼礦類型。富礦體B2O3平均品位26.63%，礦體品位穩(wěn)定。

茶里錯湖盆鹽類沉積礦物以全新世晚期沉積為主，局部沿現(xiàn)代湖泊兩岸的湖濱地帶展布，東西寬2.2～6.1 km，南北長14.9 km，表鹵水面積為55.18 km2，湖水平均深度1.99 m，湖面海拔4 577 m。該鹽湖無色、味極咸微澀；pH為8.7，密度1.025 g/cm3。該湖四周化學(xué)沉積發(fā)育，鹵水礦主要有硼、鋰、鉀等鹽類，據(jù)淺坑揭露，部分鹽樣硼達(dá)到最低工業(yè)品位，為固液并存的鹽湖礦床。湖盆有不同程度鹽類礦化顯示，呈現(xiàn)為灰白色粒狀晶體。地表B2O3單樣最高品位26.012%,最低1.716%。

1.2 地球物理特征

鹵水是富含以硼、鋰、鉀鹽為主的溶液或飽和溶液，屬于強(qiáng)電解質(zhì)、離子導(dǎo)電，導(dǎo)電離子濃度越大，礦化度越高，電阻率則越低。圖1給出了溶液電阻率與其礦化度的關(guān)系：相同巖性礦化度由0.5 g/L增加20倍至10 g/L時，其電阻率值減小為原來的1/20，礦化度高則電阻率相對低值、礦化度低則電阻率相對高值[7-8]。因此，電阻率越低處，賦存高礦化度鹵水的可能性就越大。

圖1 各種溶液的電阻率與其礦化程度的關(guān)系(根據(jù)B.H.達(dá)赫諾夫)

根據(jù)收集的物性、地質(zhì)資料，扎倉茶卡視電阻率值普遍較低，茶里錯視電阻率值普遍較高。在扎倉茶卡鹽湖最低阻為含鹵水的淤泥和粉砂(ρ=0.5～2 Ω·m)，芒硝和含礫粉砂黏土呈現(xiàn)出相對中高阻；茶里錯鹽湖最高阻層為砂卵礫石層，其值為200～500 Ω·m，淤泥和粉砂層為該區(qū)最低阻層，其值為20～90 Ω·m，該區(qū)最低值依然大于扎倉茶卡鹽湖最高值，差異極為明顯。每個區(qū)內(nèi)探測的目標(biāo)層電阻率也存在明顯差異。因此，采用高密度電阻率法進(jìn)行探測鹵水富水層具有較好的物性前提，再配合地面核磁共振法(SNMR)，就能準(zhǔn)確地定位富鹵水層段。

2 工作方法及布置

2.1 基本原理

SNMR找水方法的原理是基于研究地下水中氫核弛豫特性的差異形成的核磁共振效應(yīng)。SNMR找水方法就是通過觀測外加磁場去掉后，氫核在向激發(fā)狀態(tài)恢復(fù)的過程中旋進(jìn)產(chǎn)生的交變磁場在接收線圈中引起電動勢的變化來研究地下巖層的含水性(圖2)，其中接收的自由衰減信號的初始振幅值的大小與水中質(zhì)子的水量有關(guān)。通常在SNMR方法探測深度范圍內(nèi)，在信噪比適宜的情況下，地層中有自由水存在就有核磁共振信號響應(yīng)，含水量越大響應(yīng)越強(qiáng)。鹵水礦是液體礦的一種，基于上述工作原理，SNMR成為了一種勘查鹵水鉀礦的新技術(shù)方法[9-11]。

圖2 SNMR找水工作原理

高密度電阻率法是以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，觀測和研究人工電場的分布規(guī)律，進(jìn)而確定地下介質(zhì)相關(guān)信息的一種陣列電探方法，其物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。工作時，通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N電極間測量電位差ΔUMN(圖3)，通過ρs=KΔUMN/I(K為裝置系數(shù))求得M、N電極間的視電阻率。根據(jù)實測的視電阻率剖面進(jìn)行計算分析，可以獲得地下地層中的電阻率分布情況，進(jìn)而進(jìn)行地層劃分、異常判定[12-13]。

圖3 高密度電法電極排列示意

2.2 工作布置

在革吉縣扎倉茶卡鹽湖以56°方位布置1條點距5 m的高密度電阻率法剖面(1剖面)，剖面總長590 m。根據(jù)該剖面探測成果，在1剖面380 m處布置了1個地面核磁共振法測點(圖4)。

圖4 扎倉茶卡鹽湖工作布置示意

在革吉縣茶里錯鹽湖東南角分別以104°、88°方位布置了2條點距5 m的高密度電阻率法剖面(2剖面、3剖面)，剖面長度分別為890、510 m。根據(jù)剖面探測成果，在2剖面240 m處和3剖面180 m處各布置了1個地面核磁共振測點(圖5)，用以查明高密度電法推斷異常位置地下水的富貧情況。

圖5 茶里錯鹽湖工作布置示意

3 資料解釋及成果驗證

3.1 資料解釋分析

高密度電法數(shù)據(jù)在剔除原始數(shù)據(jù)中電阻率為負(fù)值或突變點后，基于RES2DINV反演軟件采用最小二乘法進(jìn)行反演，利用Surfer軟件成圖，得到反演電阻率斷面。地面核磁共振法在資料反演之前，根據(jù)高密度電法測量結(jié)果，計算形成一個矩陣，用吉洪諾夫正則化的經(jīng)典最小二乘反演方法，對于每個SNMR測點的一組NMR信號實測數(shù)據(jù)由計算機(jī)自動地確定一個解，根據(jù)反演結(jié)果最終利用CAD成圖解釋。

圖6 高密度電法1剖面綜合成果

圖7 地面核磁共振法(SNMR)1號點綜合成果

綜上所述，在革吉縣扎倉茶卡鹽湖物探工區(qū)范圍內(nèi)鹵水礦含量較少。以高密度電阻率法1剖面380 m為界，西南側(cè)富水性相對好于東北側(cè)，但其核磁共振探測結(jié)果顯示鹵水層較薄，故該鹽湖鹵水礦較為一般。

圖8 高密度電法2剖面綜合成果

圖9 地面核磁共振法(SNMR)2號點綜合成果

3.2 成果驗證

為了更好地研究上述兩大鹽湖的開發(fā)前景并驗證物探成果，在扎倉茶卡鹽湖布置了2個地質(zhì)淺井、茶里錯鹽湖布置了5個地質(zhì)淺井，淺井資料(表1)顯示物探推測成果基本與其吻合。綜合研究表明：在革吉縣扎倉茶卡鹽湖研究區(qū)范圍內(nèi)鹵水礦含量較少，該鹽湖地下鹵水開發(fā)潛力較為一般；革吉縣茶里錯鹽湖研究區(qū)范圍內(nèi)不含鹵水礦，地下鹵水不具備開發(fā)潛力。

表1 研究區(qū)地質(zhì)淺井資料統(tǒng)計

4 結(jié)論

基于研究區(qū)地質(zhì)特征，采用地面核磁共振法與高密度電法相結(jié)合的物探手段，查明了研究區(qū)地下鹵水分布情況，為西藏扎倉茶卡鹽湖和茶里錯鹽湖的勘查開發(fā)總體布局提供了依據(jù)。通過地質(zhì)淺井對比驗證，表明基于SNMR與高密度電法聯(lián)合勘探較為準(zhǔn)確地揭示了研究區(qū)地下鹵水分布范圍，體現(xiàn)了上述兩種物探方法優(yōu)勢互補(bǔ)的特點，避免了單一方法的局限性和片面性，為探測地下鹵水提供了一種高效、精準(zhǔn)的勘探模式。