柴達(dá)木盆地鹽湖型鋰礦床地質(zhì)特征與地球物理探測(cè)

孟軍海,林佳富,才智杰,薛國(guó)強(qiáng)，周楠楠,李洪普,馬 龍,王麗君

(1.青海省第三地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000;2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029;3.中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049；5.青海省柴達(dá)木盆地鹽湖資源勘探研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 格爾木 816000)

0 引 言

鋰的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，廣泛應(yīng)用于包括航空航天在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，被譽(yù)為“工業(yè)味精”、“21世紀(jì)的能源金屬”、“白色石油”。近年來(lái)，在高新產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)下，鋰行業(yè)市場(chǎng)高速發(fā)展，其戰(zhàn)略地位逐漸凸顯。僅過(guò)去5年，全球鋰勘查投入漲幅達(dá)50倍，鋰成為全球競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。鋰資源的重要性不亞于石油等戰(zhàn)略性資源，一旦鋰資源開(kāi)采出現(xiàn)瓶頸，可能會(huì)跟石油一樣成為戰(zhàn)爭(zhēng)的導(dǎo)火索。

鋰礦床主要分為花崗偉晶巖型鋰礦、鹽湖(鹵水)型鋰礦和沉積型鋰礦3種類(lèi)型，國(guó)內(nèi)有12個(gè)鋰重點(diǎn)潛力區(qū)(表1)。鹽湖鹵水型鋰礦是鋰資源的重要來(lái)源(儲(chǔ)量約占全球鋰資源的2/3)，也是鋰工業(yè)開(kāi)采的主導(dǎo)方向，尤其是近些年來(lái)隨著鹵水提取鋰技術(shù)不斷進(jìn)步，其產(chǎn)量也不斷增加。鹽湖鹵水型鋰礦集中分布在中國(guó)青藏高原和南美安第斯山脈，主要分為碳酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物型3個(gè)亞類(lèi)。青海鹽湖的鋰資源儲(chǔ)量居全國(guó)首位，占世界鹽湖鋰資源儲(chǔ)量的1/3，柴達(dá)木盆地的鹽湖型鋰儲(chǔ)量約占全國(guó)總儲(chǔ)量的48.5%。柴達(dá)木盆地中南部(圖1)產(chǎn)出一里坪鹽湖、西臺(tái)吉乃爾鹽湖和東臺(tái)吉乃爾鹽湖等重要鋰礦床，主要為硫酸鹽型。西臺(tái)吉乃爾鹽湖原勘探報(bào)告提交的氯化鋰儲(chǔ)量超過(guò)300×10t，其Li濃度為201.5 mg·L，鎂鋰比高達(dá)67.74，屬于硫酸鎂亞型；柴達(dá)木盆地西部南翼山、堿石山、鄂博梁等地區(qū)鋰礦主要為氯化物型，具備成為重要產(chǎn)鋰基地的潛力，極具研究?jī)r(jià)值(圖1)，但整體研究和勘探程度低。

表1 中國(guó)成鋰帶劃分表Table 1 Main Lithium Ore-forming Belts in China

圖件引自文獻(xiàn)[16],有所修改圖1 柴達(dá)木盆地鋰礦分布Fig.1 Distribution of Lithium Deposits in Qaidam Basin

為了更好地評(píng)價(jià)柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦的找礦潛力，本文采用地質(zhì)與地球物理相結(jié)合的方法，首先總結(jié)柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦的成礦地質(zhì)模型，經(jīng)綜合分析圈出成礦有利區(qū)，優(yōu)選堿石山、鄂博梁背斜構(gòu)造區(qū)，選擇有效的地球物理勘探方法進(jìn)行探測(cè)，并結(jié)合鉆孔驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)物探方法的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 鹽湖鹵水型鋰礦成礦地質(zhì)模型

柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦屬柴達(dá)木盆地Li-B-K-Na-Mg-鹽類(lèi)-石膏-石油天然氣成礦區(qū)Ⅳ級(jí)成礦亞帶。在阿爾金斷裂、昆北斷裂、賽南斷裂影響下，柴達(dá)木盆地沿?cái)嗔堰吔缈焖傧孪?，邊沉積邊下陷形成坳陷沉積區(qū)。地層表現(xiàn)為深水湖相、淺水湖相沉積。在氣候逐漸干燥炎熱的條件下，湖水蒸發(fā)濃縮，礦化度不斷升高，位于沉降中心的獅子溝、油泉子及南翼山一帶濃縮為高礦化度的富鉀鋰鹵水。到更新世晚期，由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，盆地產(chǎn)生差異性沉降，發(fā)育淺層褶皺斷裂，在坳陷中形成背斜構(gòu)造，控制了區(qū)內(nèi)含鉀鋰鹵水的分布。其成礦地質(zhì)模型如圖2所示。

圖2 柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦簡(jiǎn)化成礦地質(zhì)模型Fig.2 Simplified Metallogenic Geological Model of Salt Lake Brine-type Lithium Deposits in Qaidam Basin

柴達(dá)木盆地背斜構(gòu)造區(qū)鹵水型鋰礦以南翼山鋰礦床(圖1中藍(lán)色虛線)為代表，屬構(gòu)造裂隙孔隙型鹵水鉀鋰鹽礦。成礦時(shí)代為古近紀(jì)—新近紀(jì)，含礦鹵水最早形成于古近紀(jì)早期。該礦床位于柴達(dá)木盆地西北部坳陷，主體屬柴達(dá)木盆地地層分區(qū)。礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，具多樣性特點(diǎn)，主特征是對(duì)沉積洼地區(qū)有明顯的隆拗控制。斷裂方向以NWW、NE向?yàn)橹?主要為逆斷層)，其次為NEE向。構(gòu)造活動(dòng)形成的沉積地層中的斷裂裂隙和地層孔隙，是導(dǎo)致古湖水運(yùn)移和賦存的空間和場(chǎng)所，也是鹽類(lèi)鉀礦床的主要控礦條件。

含鋰鹵水主要分布于油砂山組和干柴溝組中，在油砂山組中主要分布在219.05～1 800.00 m深度段，平均厚度274.1 m，在干柴溝組中主要分布在2 943～4 578 m深度段，平均厚度353.65 m。含礦鹵水層巖性有鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r、藻灰?guī)r、細(xì)砂巖等。

柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦的成礦物源主要來(lái)自殘留湖水、周邊巖石的風(fēng)化淋濾、火山-地?zé)崴难a(bǔ)給。柴達(dá)木盆地周?chē)角暗膸r石經(jīng)過(guò)風(fēng)化，通過(guò)水的淋濾作用，將其中的鹽分溶解，補(bǔ)充到湖水中；同時(shí)，周緣山區(qū)的斷裂帶附近分布著許多新生代火山，火山-地?zé)崴懈缓琄、B、Li、Sr等元素，這些礦物成分以地?zé)崴疄檩d體匯集到了柴達(dá)木盆地地勢(shì)較低的西部。

2 地球物理探測(cè)實(shí)例

通過(guò)研究分析覆蓋柴達(dá)木盆地的區(qū)域重力與航空磁測(cè)、地震資料及針對(duì)勘查深層鹵水所進(jìn)行的電磁類(lèi)深部地球物理技術(shù)方法試驗(yàn)結(jié)果可以看出，區(qū)域重力異常信息能較好地圈定背斜、斷裂構(gòu)造及基底埋深起伏，劃分出賦存深層鹵水的有利背斜構(gòu)造區(qū);航空磁測(cè)異常場(chǎng)平靜，未能反映出背斜構(gòu)造；地震方法探測(cè)深度大、分辨率高，能有效識(shí)別地層界面及構(gòu)造，但難以識(shí)別鹵水；瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法、音頻大地電磁測(cè)深法，受線框大小及電流強(qiáng)弱、接地電阻過(guò)大、淺部低阻層屏蔽等因素影響，雖然尋找淺層鹵水有一定效果，但探測(cè)深度限500 m以淺，且縱向上分辨能力總體較差；大地電磁測(cè)深法雖能達(dá)到1 500～2 300 m的探測(cè)深度，但效率低、縱向分辨率低；廣域電磁法則對(duì)地層、構(gòu)造、鹵水賦存區(qū)反映較為靈敏，探測(cè)深度可超過(guò)4 000 m，結(jié)合地震方法能夠在背斜構(gòu)造有利區(qū)較好地圈定深層鹵水賦存區(qū)。

2.1 電性特征

綜合分析堿石山、鄂博梁、船型丘—那北、紅三旱Ⅲ—Ⅳ號(hào)4個(gè)背斜構(gòu)造區(qū)測(cè)井資料所反映的柴達(dá)木盆地西部主要地層深側(cè)向視電阻率特征(表2),地層的沉積厚度從盆地邊緣(如鄂博梁)到中心(如堿石山)整體在逐漸增大，每套地層的綜合解釋出水層數(shù)與厚度在不同的構(gòu)造區(qū)變化較大，鹵水賦存的油砂山組儲(chǔ)層發(fā)育；沉積地層的視電阻率整體偏低，最大為260 Ω·m，且地層由新到老，視電阻率呈從小到大的變化趨勢(shì)，視電阻率高值對(duì)應(yīng)砂質(zhì)巖、鈣質(zhì)泥巖或干層，低值對(duì)應(yīng)泥巖層或水層。

表2 主要地層深側(cè)向視電阻率特征Table 2 Characteristics of Deep Lateral Apparent Resistivity of Main Strata

2.2 堿石山背斜構(gòu)造地區(qū)探測(cè)效果

堿石山背斜構(gòu)造地區(qū)(圖1中藍(lán)色虛線)位于柴達(dá)木盆地西北部一里坪地區(qū)堿石山—落雁山構(gòu)造帶中部，出露地層主要為第四系。

柴達(dá)木盆地中、新生代以來(lái)經(jīng)歷了多次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在地震剖面上不整合現(xiàn)象明顯，成為地震層序劃分的基礎(chǔ)。由于地震資料識(shí)別層序的精細(xì)程度及可靠性取決于地震資料的分辨率，所以在地震剖面上劃分層序的能力是有限的，必須結(jié)合鉆井和地面露頭資料。本文將露頭地層、鉆井地層與地震地層三者相結(jié)合，利用地震層序的劃分對(duì)比確定柴達(dá)木盆地中新生界各套沉積蓋層的分布范圍和厚度變化。

堿石山地區(qū)地震剖面連續(xù)性較強(qiáng)的反射顯示地層層位整體較為穩(wěn)定。剖面主要反映一背斜構(gòu)造[圖3(a)]，背斜兩側(cè)地層產(chǎn)狀較陡，并發(fā)育多處陡產(chǎn)狀的斷裂構(gòu)造，左側(cè)地層推斷的斷裂整體向北傾，而右側(cè)斷裂傾向則相反。根據(jù)地震反射原理，能夠形成連續(xù)反射的地質(zhì)界面主要是地層界面和不整合界面。地層界面是殘留的沉積作用面，即代表等時(shí)界面，其地震響應(yīng)為年代地層界面的反射；不整合界面代表地質(zhì)歷史中的侵蝕面或無(wú)沉積作用面，是劃分層序的主要依據(jù)，其地震響應(yīng)也具有年代地層學(xué)意義。因此，能夠在地震剖面上識(shí)別層序的邊界，結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔資料，對(duì)地震剖面劃分地層結(jié)果見(jiàn)圖3(a)。從圖3(a)可以看出，地震剖面無(wú)法識(shí)別出含鹵水地層。

為了推斷鋰礦的賦存位置，在堿石山背斜構(gòu)造地區(qū)進(jìn)行了廣域電磁法探測(cè)。廣域電磁二維反演成果圖[圖3(b)]解譯的地層總體呈現(xiàn)出第四系(Q)與獅子溝組(N)地層基本水平分布、上新統(tǒng)上油砂山組(N)及中新統(tǒng)下油砂山組(N)地層顯示為微背斜構(gòu)造的產(chǎn)狀特征，這與西北近鄰的99136地震剖面解釋基本一致。在剖面2 500 m以深，地震剖面反映為一高阻層位，該層位厚度較大，反演電阻率也較大，電阻率大于20 Ω·m。以往測(cè)井物性資料顯示N地層電阻率最大26.17 Ω·m，最小1.0 Ω·m。依據(jù)物性成果，推測(cè)該高阻層為N地層。N地層在1 400～2 200 m深度段有一明顯的低阻層，電阻率小于10 Ω·m；依據(jù)物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，推測(cè)為N地層，并為主要含鹵水層。該層位在南、北兩側(cè)未封閉；N地層上覆有一中高電阻層，電阻率為十幾至50 Ω·m，推測(cè)為N地層；淺部低阻層為Q地層。另外，依據(jù)視電阻率異常橫向上的展布特征，推斷存在3條均延伸至N地層中的陡產(chǎn)狀斷裂，其中南側(cè)兩條斷裂北傾，北側(cè)斷裂南傾。堿石1孔[圖3(a)]的鉆孔資料表明711.5～2 506.0 m深度段存在出水層86層，累計(jì)厚度208.8 m；經(jīng)樣品分析，LiCl濃度為623.15～931.06 mg·L，驗(yàn)證了物探劃分地層和推斷含礦層位的正確性(圖4)。

ρs為視電阻率圖3 堿石山地震剖面和廣域電磁法剖面Fig.3 Seismic and WFEM Profiles of Jianshishan

圖4 堿石1孔自流現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Artesian Site of Borehole Jianshi1

2.3 鄂博梁背斜構(gòu)造地區(qū)探測(cè)效果

鄂博梁構(gòu)造帶(圖1中藍(lán)色虛線)位于柴達(dá)木盆地中北部，構(gòu)造上屬于柴北緣走滑沖斷系內(nèi)部的次級(jí)走滑構(gòu)造，呈NW—SE向展布，南部與一里坪坳陷相鄰，北部與昆特依凹陷、伊北凹陷為界，包括Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)共3個(gè)構(gòu)造帶。該區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地史過(guò)程中沉積中心不斷變遷，后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造作用強(qiáng)烈，斷裂極為發(fā)育。

鄂博梁背斜構(gòu)造區(qū)地震剖面[圖5(a)]表現(xiàn)為連續(xù)性較差的反射，地層層位顯示不明顯。背斜北部整體呈一反“S”狀皺褶構(gòu)造。鄂博梁Ⅱ、Ⅲ號(hào)油井，鄂ZK01水文地質(zhì)鉆孔調(diào)查結(jié)果顯示，在鄂博梁地區(qū)鉆遇漸新統(tǒng)上干柴溝組(N)、N、N和N地層。地震剖面解釋淺部發(fā)育1條主斷裂和2條次級(jí)斷裂，主斷裂分布于背斜構(gòu)造的核部偏北翼地區(qū)，向南緩傾，逆斷層，對(duì)背斜構(gòu)造的形成起控制作用，垂向上深部延伸約5 000 m，進(jìn)入N地層，是深部鹵水向上運(yùn)移的重要通道，但地震剖面無(wú)法識(shí)別出含鹵水地層。

圖5 鄂博梁地震剖面和廣域電磁法剖面Fig.5 Seismic and WFEM Profiles of Eboliang

廣域電磁法剖面[圖5(b)]整體從淺層到深部呈低、相對(duì)低、中低及高電阻的變化特征。深部高阻異常，頂部埋深2 400～3 600 m，電阻率大于100 Ω·m。根據(jù)以往測(cè)得的物性資料，推測(cè)為N地層，該地層整體顯示南部埋深大，北部埋深相對(duì)較淺；埋深800～2 200 m明顯展布一“廠”字形的似弧狀相對(duì)低阻層，電阻率小于10 Ω·m，南部規(guī)模大于北部，結(jié)合以往地質(zhì)及物性資料推測(cè)為N地層，為主要的含鹵水礦層位，且朝SW向未封閉；其上部為一中低阻電性層，明顯呈南翼陡、北翼稍緩的弧形展布，弧頂近地表，埋深0～1 200 m，電阻率10～20 Ω·m，依據(jù)地質(zhì)資料及物性推測(cè)為N地層，亦為主要的賦鹵水層位；淺部分布一低阻層，形態(tài)與下伏N地層同向展布，電阻率小于10 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及物性資料推斷為富含水的N地層與Q地層。另外，依據(jù)視電阻率異常橫向上的展布特征，推斷背斜構(gòu)造北翼存在兩條均南傾并延伸至N地層的斷裂，其中南側(cè)斷裂規(guī)模大于北側(cè)的隱伏斷裂。鄂ZK01(圖5)鉆孔資料顯示283.5～1 908.2 m深度段存在出水層30層，累計(jì)厚度89.8 m，且主要集中于N地層；經(jīng)樣品分析，LiCl濃度為116.08～140.51 mg·L，呈自上而下逐步增大的趨勢(shì)，表明物探劃分地層和推斷含礦層位得到了驗(yàn)證。圖6顯示了同一構(gòu)造帶的鄂2井自流情況。

圖6 鄂2孔自流現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Artesian Site of Borehole E2

3 結(jié) 語(yǔ)

柴達(dá)木盆地鹽湖鹵水型鋰礦儲(chǔ)量約占全球鹵水鋰資源的1/3，在中國(guó)鹵水鋰資源的占比更是超過(guò)63%。柴達(dá)木盆地構(gòu)造復(fù)雜多樣，對(duì)沉積洼地區(qū)具有明顯的隆拗控制特點(diǎn)。構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致沉積地層的斷裂裂隙和地層孔隙，是古湖水運(yùn)移和賦存的空間和場(chǎng)所，也是鹽類(lèi)鉀礦床的主要控制條件。

如何實(shí)現(xiàn)鹽湖鋰資源的高效、精細(xì)勘查一直是困擾鹽湖鋰資源勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)堿石山和鄂博梁兩個(gè)背斜構(gòu)造區(qū)的勘探實(shí)踐，初步認(rèn)為地震方法效果較好，在劃分地層、構(gòu)造，確定產(chǎn)狀、埋深等方面效果明顯，是地表勘探深層鹵水賦礦地層最有效的地球物理手段；含礦層位的定位則需要借助廣域電磁法，含鹵水層表現(xiàn)出明顯的低阻特征，是電磁感應(yīng)類(lèi)方法的理想探測(cè)目標(biāo)。