柴達木盆地中西部堿石山背斜深層鹵水賦存特征研究

何邦超

(江蘇長江地質(zhì)勘查院，南京 210046)

0 引言

柴達木盆地位于由昆侖山、祁連山、阿爾金山圍成的封閉性的巨大山間斷陷盆地內(nèi)，蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，例如石油、煤炭、天然氣以及豐富的鹽類礦產(chǎn)資源等，故有“聚寶盆”的美譽[1-4]。自中生代末—新生代初以來，板塊運動導(dǎo)致柴達木盆地周圍的山體不斷隆升，造就了“高山深盆”的沉積環(huán)境，大量的鹽類物質(zhì)沉積，加之新近紀(jì)干旱封閉的氣候環(huán)境，使柴達木盆地沉積了大面積的厚層鹽巖，資源儲量巨大，其中NaCl和KCl的探明儲量分別為600多億噸和2億多噸，占我國總儲量的97%，因此也被譽為“鹽的世界”[5-7]。

自20世紀(jì)50年代開始，我國大量的高校、科研院所、企事業(yè)單位、勘探隊伍圍繞柴達木盆地鹽類礦產(chǎn)資源的沉積環(huán)境、成礦模式、時空分布規(guī)律、儲量評價與找礦遠景進行了大量的測試與分析工作[8-9]。樊啟順等對柴達木盆地西部的鹵水特征和成因機制進行了探討，認(rèn)為地表淺層鹵水主要是由大氣降水匯聚而形成的；并推測深部油田鹵水來源于冰雪融水或雨水補給，沿斷裂帶下滲，在遷移的過程中發(fā)生變質(zhì)作用和深部地?zé)崴w摻雜，形成了深部油田鹵水[10]。劉興起采用Pitzer模型對柴達木盆地鹽湖形成與演化的地球化學(xué)過程進行了模擬，并提出了四種硫酸鎂亞型鹽湖的析鹽途徑[11]。劉溪溪等分析了柴達木盆地西部獅子溝背斜構(gòu)造區(qū)深部鹵水的水化學(xué)特征、物質(zhì)來源及演化過程，認(rèn)為該區(qū)域的深部鹵水主要是巖鹽溶解而成，伴有沉積鹵水的參與，演化過程主要受控于蒸發(fā)和溶解的雙重作用[12]。陳柳竹等根據(jù)柴達木盆地鹽湖水、晶間鹵水，以及格爾木河流域地表水、地下水化學(xué)組成，利用多元統(tǒng)計方法，得出了巖石風(fēng)化淋濾是盆地區(qū)鹽湖物質(zhì)的主要來源[13]。王建功等開展了柴達木盆地西部地區(qū)漸新世下干柴溝組上段鹽湖沉積特征研究，認(rèn)為鹽湖沉積相主要發(fā)育了兩大類、五小類沉積相組合，鹽湖沉積主控因素為氣候、古地貌與構(gòu)造運動[14]。甘會春查明了柴達木盆地小梁山至大風(fēng)山區(qū)域以鉀為主的淺層固液相鹽湖礦體分布特征，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)分布著五個固體石鹽礦層，且礦層厚度自東向西逐漸增加[15]。

由此可見，以往的研究工作主要是針對柴達木盆地某一特定區(qū)域的鹽類礦產(chǎn)資源調(diào)查和評價[16-20]。本研究主要是依托“青海省茫崖行委堿石山鉀鹽礦預(yù)查”項目，對柴達木盆地堿石山區(qū)域的地層、構(gòu)造特征、成礦模式、鹽類沉積特點、巖相分布規(guī)律、物質(zhì)來源等地質(zhì)成礦背景進行深入分析，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)該區(qū)域的成鹽地質(zhì)條件以及深部鹵水礦層的產(chǎn)出層位、賦存特征等，可以為該區(qū)域后期的鹽類資源遠景預(yù)測和開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及成礦條件

1.1 區(qū)域地層分布

堿石山地區(qū)位于柴達木盆地臺坳的中西部，地表廣泛出露有新近系和第四系，區(qū)域構(gòu)造活動特征為褶皺強于斷裂。區(qū)域地層由老至新出露有奧陶系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、古近系、新近系和第四系。

1.2 區(qū)域構(gòu)造特征

受區(qū)域大地構(gòu)造運動的影響，區(qū)域內(nèi)發(fā)育的褶皺主要呈北西西-北-北北西向分布，絕大部分褶皺的形態(tài)并不完整，主要是受同期或后期的斷裂構(gòu)造作用的影響。區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要由北西向、近東西向、北北西向、北東向及南北向斷裂組成(圖1)?？刂撇襁_木盆地形態(tài)的主要為北緣和南緣隱伏的深大斷裂，對盆地的演化起著控制作用，同時這些斷裂也控制著第四紀(jì)鹽類物質(zhì)的沉積。

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖Figure1 Structural outline map of the region

1.3 區(qū)域沉積構(gòu)造演化

柴達木盆地中、新生代沉積構(gòu)造演化經(jīng)歷了四個階段，分別是斷陷沉積階段、局部抬升剝蝕階段、整體沉降坳陷階段、強烈逆沖褶皺階段。柴達木盆地中、新生代古湖位置演化過程如圖2所示。

1.4 區(qū)域水文地質(zhì)特征

柴達木盆地南部的那陵郭勒河是區(qū)域地下水的主要補給源，西北部的一系列背斜構(gòu)造帶，為區(qū)域地下水的天然屏障。在山前傾斜平原和湖積平原， 沉積了巨厚層的松散堆積物，成為地下水的良好儲存空間。區(qū)域地下水和地表水匯聚于扇前低凹地帶，形成了一系列大小不等的湖泊，并以強烈的水面和地面蒸發(fā)形式排泄，從而在湖區(qū)沉積了多種鹽類礦產(chǎn)資源，并完成了內(nèi)陸水循環(huán)的全過程。

a.古近紀(jì)漸新世早期； b.古近紀(jì)漸新世晚期； c.新近紀(jì)中新世； d.新近紀(jì)上新世中期圖2 柴達木盆地中、新生代古湖位置演化過程Figure 2 Mesozoic, Cenozoic paleo-lakes positional evolution process in Qaidam Basin

2 堿石山地區(qū)地質(zhì)條件

2.1 研究區(qū)地層分布

研究區(qū)位于柴達木盆地-里坪地區(qū)堿石山-落雁山構(gòu)造帶中部，研究區(qū)出露的地層主要為第四系，新近系僅在鉆孔中見到。本次根據(jù)堿ZK01井、堿ZK02井、堿石1井，對區(qū)內(nèi)地層進行了較為準(zhǔn)確地劃分(表1，圖3)。

表1 研究區(qū)地層分布

2.2 研究區(qū)構(gòu)造特征

研究區(qū)的主體構(gòu)造為堿石山背斜，南側(cè)還平行分布有規(guī)模相對平緩、規(guī)模較小的土林堡背斜構(gòu)造。地震資料顯示，研究區(qū)內(nèi)分布有八條逆斷層，且堿石山背斜軸部西南翼斷層較發(fā)育。研究區(qū)的褶曲及斷層構(gòu)造地震時間剖面(圖4)。

圖4 研究區(qū)褶曲及斷層構(gòu)造地震時間剖面Figure 4 Seismic time section of fold and fault structures in study area

2.3 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)主要為一抬升的背斜山體， 自柴達木盆地形成以來，又經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動，斷裂和裂隙較發(fā)育，為深部鹵水提供了重要的賦存空間。盆地內(nèi)所出露的及鉆孔揭露的新近系及第四系下、中更新統(tǒng)，由一套微膠結(jié)的湖泊相構(gòu)成。具有由碎屑巖和灰?guī)r、粉細(xì)砂及鹽巖層所構(gòu)成的含水層，由黏土、淤泥等阻水良好的隔水層，因而在其內(nèi)部賦存著大量高礦化度鹵水。在受到后期新構(gòu)造運動影響，發(fā)生褶皺后，形成了碎屑巖類孔隙-裂隙水。

a.ZJ50型鉆機現(xiàn)場施工圖； b.堿ZK02井巖心； c.堿石1井自流現(xiàn)場；d.鉆井井場全貌圖3 施工現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境Figure 3 Operation site geological environment

2.4 地下水水化學(xué)特征

上部孔隙-裂隙型鹵水分布于堿石山整個區(qū)域，具高承壓性、高礦化、富水性弱等特征，水化學(xué)類型為氯化物型，具有沉積水的特點。堿ZK01、堿ZK02井均見該層鹵水分布，賦存于新近系上新統(tǒng)獅子溝組中。水化學(xué)類型為氯化鈉型水，礦化度234.1～304.6g/L。

下部孔隙-裂隙型鹵水主要分布于堿石山背斜構(gòu)造部位，含水層埋深一般大于1 400m。含水層厚度、涌水量及水位埋深等各構(gòu)造位置差異較大，富水性較弱。水化學(xué)類型為氯化鈉型水，礦化度143.9～297.6g/L。

3 礦床賦存規(guī)律

3.1 控礦特征

柴達木盆地堿石山背斜構(gòu)造區(qū)鹵水型鉀鹽礦屬沉積型地下鹵水鉀鹽礦。成礦時代為古近紀(jì)—新近紀(jì)，最早形成于古近紀(jì)早期。柴達木盆地中西部坳陷為古近系、新近系在構(gòu)造運動作用下發(fā)生褶皺、斷層、裂隙形成的，促進了構(gòu)造裂隙鹵水礦的形成。構(gòu)造方向以北西西、北東向，以逆斷層為主，其次為北東東向斷層。

研究區(qū)范圍內(nèi)地層基本由上而下依次揭露為第四系七個泉組，新近系上新統(tǒng)獅子溝組、上油砂山組，中新統(tǒng)下油砂山組、上干柴溝組，地層保存完整。其中，上新統(tǒng)獅子溝組有沉積多套含鹽巖地層，是良好的成礦層位。

堿石山背斜構(gòu)造的翼部發(fā)育有規(guī)模較小的逆斷層，但背斜的生成并不受逆斷層活動的控制，而是順層擠壓的結(jié)果，是喜馬拉雅晚期擠壓作用的產(chǎn)物，研究區(qū)向斜翼部附近深部斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要發(fā)育在新近紀(jì)晚期和第四紀(jì)。構(gòu)造活動導(dǎo)致沉積地層的隆起和坳陷，是導(dǎo)致古湖水運動方向和賦存空間的場所，也是鹽類鋰礦床的主要控制條件。構(gòu)造裂隙鹵水礦成礦構(gòu)造為背斜構(gòu)造和斷裂構(gòu)造、構(gòu)造裂縫。

3.2 礦床地質(zhì)特征

上部孔隙-裂隙鹵水賦存于獅子溝組巖鹽地層中，一般埋藏深度在1 400m以淺；下部孔隙-裂隙鹵水賦存于上、油砂山組構(gòu)造裂隙中。物質(zhì)來源主要為殘留海水、周邊巖石的風(fēng)化淋濾、火山-地?zé)崴难a給。盆地周圍山前的巖石經(jīng)風(fēng)化和水的淋濾作用將其中的鹽分溶解，同時周緣山區(qū)的斷裂帶附近分布著許多新生代—近代火山，而火山—地?zé)崴泻胸S富的鉀、硼、鋰、鍶等組分。當(dāng)時，盆地地形是東高西低，因此火山-地?zé)崴械拟洝⑴?、鋰等元素均匯集到了盆地西部。

通過本次施工的堿ZK01井、堿ZK02井揭示的深層鹵水分析，認(rèn)為研究區(qū)鋰礦形成主要有以下兩種成因方式。

1)研究區(qū)含鋰孔隙-裂隙鹵水成因。在區(qū)域構(gòu)造運動的作用下，上新世晚期盆地西部褶皺隆起，而盆地中、東部的楔形塊體斷陷不斷下降，造成柴達木盆地西部高而東南低的地形。本勘查區(qū)作為凹陷區(qū)，沉積了多套含鹽巖地層，鋰礦也隨鹵水匯入，形成鹵水鋰礦床。

2)研究區(qū)深部斷層孔隙-裂隙鋰礦成因。可能是深部熱源引發(fā)的對流促成高溫?zé)崴畯幕谆鹕綆r層中溶濾出大量的鋰，經(jīng)由活動水熱場通道輸送、熱泉噴口噴涌到地表。300～350℃以上高溫?zé)崴畬^(qū)內(nèi)火山巖溶蝕產(chǎn)生的大量鋰離子經(jīng)由熱泉噴出地表，很可能構(gòu)成洪水河和鹽湖鋰的主要起源區(qū)內(nèi)幾條活動斷裂交匯地帶的斷層錯動和地震活動頻繁，有利于水熱場活動的持續(xù)。深部含鋰鹵水沿深大斷裂上涌，與殘存鹵水相互摻雜，促進了鋰的富集成礦。

3.3 深層鹵水賦存規(guī)律

1)背斜軸部。研究區(qū)內(nèi)位于背斜軸部，應(yīng)力相對集中，裂隙相對發(fā)育，鹵水儲層空間相對較大。如堿石1井的單日涌水量最大，初期階段每日達200m3。而在堿ZK01施工過程中，在井深655m處發(fā)生了涌水現(xiàn)象。在地震時間剖面上表現(xiàn)為該段地震波能量較強，但連續(xù)性稍差，出現(xiàn)時強時弱的現(xiàn)象。對應(yīng)脆性較強的含鹽巖地層，可能代表背斜軸部裂隙發(fā)育(圖5)。

圖5 堿ZK01井地震時間剖面圖Figure 5 Well Jian ZK01 seismic time section

2)斷裂破碎帶及保存條件。從目前施工的鉆井發(fā)現(xiàn)，堿石1井和堿ZK01井皆在鉆至斷裂破碎帶時，發(fā)生井涌現(xiàn)象。由此可見，斷層破碎帶一方面作為鹵水存儲空間，也對上下含鹵水地層形成導(dǎo)通作用。但是，堿ZK02井深部盡管發(fā)育兩條相對規(guī)模較大的斷裂，深約1 650m揭露的斷裂發(fā)生了涌水，斷裂上下盤僅表現(xiàn)為地層傾角突變，未見明顯的破碎帶，深部基本沉積地層為泥巖，該斷層裂隙不發(fā)育，因此，不能成為良好的儲層。另外，該組斷裂向上延伸至較淺部，因區(qū)內(nèi)深部地層壓力較大，鹵水形成自涌，對于較大規(guī)模斷裂，可能造成鹵水流失。

3)背斜軸部與背斜翼部涌水特征。上述靠近背斜軸部兩鉆孔的水文情況可以看出，背斜軸部鉆孔的涌水量稍高于背斜翼部。

4 結(jié)論

1)堿石山地區(qū)上部孔隙-裂隙型鹵水分布于堿石山整個區(qū)域，具有高承壓性、高礦化、富水性弱等特征，水化學(xué)類型為氯化物型，具有沉積水的特點。下部孔隙-裂隙型鹵水主要分布于堿石山背斜構(gòu)造部位，含水層埋深一般大于1 400m。含水層厚度、涌水量及水位埋深等各構(gòu)造位置差異較大，富水性較弱。

2) 堿石山背斜構(gòu)造區(qū)鹵水型鉀鹽礦屬沉積型地下鹵水鉀礦，成鹽物質(zhì)來源大致有三個方面：殘留湖水中的固有元素；周邊山區(qū)巖石中所含的元素經(jīng)物理風(fēng)化后經(jīng)流水的沖刷、搬運至湖區(qū)；構(gòu)造作用下，深部的古近系、新近系油田水沿構(gòu)造裂隙上升到地表附近，從而富集成礦。

3)堿石山背斜軸部，應(yīng)力相對集中，裂隙相對發(fā)育，鹵水儲層空間相對較大，斷層破碎帶一方面作為鹵水存儲空間，另一方面對上下含鹵水地層形成導(dǎo)通作用。