剛果(布)鉀鹽礦床晶間鹵水賦存特征及成因分析

雷亞萍

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 560001)

0 引 言

剛果(布)鉀鹽礦為固體礦床，位于大西洋兩岸的南美洲巴西和非洲剛果—加蓬鉀鹽盆地，形成于南美與非洲板塊裂開初期即大西洋開始打開時(shí)，盆地內(nèi)蒸發(fā)巖大致沿大西洋兩岸呈狹長(zhǎng)分布。介于保護(hù)環(huán)境和礦井安全雙重因素，開采方法采用房柱式，對(duì)頂板隔水層有一定影響，頂板隔水層的沉降變形較為均勻，水平變形和傾斜變形值不大，礦井在該開采方法下面臨的直接充水水源為鉀鹽礦層晶間鹵水，晶間鹵水的存在對(duì)旱采固體礦井形成水害，影響開采正常進(jìn)行。2010-2015年在該區(qū)進(jìn)行水工環(huán)專項(xiàng)勘探過(guò)程中，鉆孔進(jìn)入鹽巖地層后，多個(gè)鉆孔出現(xiàn)晶間鹵水涌水現(xiàn)象，分析晶間鹵水的賦存特征，分析匯集規(guī)律，為礦井防治水措施的制定提供地質(zhì)及水文地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

剛果(布)成鹽盆地范圍較廣，北起喀麥隆，南至安哥拉，自東向西由大陸邊緣一直延伸至大西洋海底，形成了一個(gè)近南北向帶狀分布的巨型單元，見圖1。從晚侏羅世岡瓦納大陸分裂開始，盆地主要經(jīng)歷了晚侏羅世-早白堊世巴列姆期的裂谷階段、早白堊世阿普第期的過(guò)渡階段和早白堊世末期-新近紀(jì)的漂移階段三個(gè)構(gòu)造演化階段，自下而上發(fā)育裂谷期的陸相河流-三角洲-湖相層序(裂谷層系)、過(guò)渡期的鹽巖層序(過(guò)渡層系)、漂移期的淺海碳酸鹽巖和深水碎屑巖層序。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)沉積特征，過(guò)渡期標(biāo)志著從陸相環(huán)境逐步向海相環(huán)境轉(zhuǎn)變，形成了裂谷層序與過(guò)渡層序之間的區(qū)域性不整合，后期大陸破裂，受維爾維斯脊的影響，南側(cè)海水周期性涌入剛果(布)盆地，廣泛發(fā)育蒸發(fā)鹽巖，其原始沉積厚度一般可達(dá)1 000 m。

圖1 研究區(qū)遙感地質(zhì)圖

1.1 地 層

剛果(布)鉀鹽礦床南部礦段位于非洲西部，剛果盆地中部，新生代地層廣泛分布，該區(qū)東部為馬永背山脈，出露元古界變質(zhì)巖地層，中生代地層區(qū)內(nèi)在東北、東南馬永背山一帶零星出露。區(qū)域上發(fā)育地層有古元古界、中元古界、新元古界、白堊系、新近系、第四系。鉀鹽礦即賦存于白堊系地層中部。該區(qū)鹽礦床為鉀鹽礦和石鹽礦共生礦床，礦床頂板埋深介于260.65～285.50 m之間，頂板巖性為硬石膏巖，局部為白云巖、瀝青頁(yè)巖；底板埋深介于826.20～909.30 m之間，底板巖性主要為瀝青頁(yè)巖，局部有少量硬石膏巖。礦層呈光鹵石巖和石鹽巖互層狀、韻律狀分布，夾瀝青頁(yè)巖薄層，局部見有水氯鎂石巖。

1.2 構(gòu) 造

1.2.1 斷層

研究區(qū)屬于斷陷盆地，在鹽類沉積形成之后，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，主要以沉降為主，僅發(fā)育小的斷裂、層間揉皺及溶腔等。南部礦段共解釋斷層55條，斷層傾角較陡，大于60°；斷層規(guī)模普遍較小，部分?jǐn)鄬釉诘卣饡r(shí)間剖面上反應(yīng)異常特征不明顯。白堊系的斷層，總體以走向北西、傾向東為主，斷層走向延伸較小。鹽巖層頂部斷層斷穿層位較少，從第四系到白堊系，傾末于白堊系鹽I段鹽巖層內(nèi)，斷層走向以北西向?yàn)橹?，傾向以南西向?yàn)橹鳌?/p>

1.2.2 褶皺

研究區(qū)位于剛果濱海成鹽盆地的中部，該盆地自東向西，由大陸邊緣一直延伸至海底，總體上呈一單斜構(gòu)造，由北東向南西傾。巖層內(nèi)無(wú)大的褶皺，僅石鹽巖或光鹵石巖由于局部應(yīng)力作用或塑變，形成小的褶曲或撓曲。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水介質(zhì)及埋藏條件將該區(qū)含水層總體劃分為3層，分別為第四系-新近系孔隙、裂隙含水層，白堊系巖溶含水層和白堊系晶間鹵水。

1.3.1 第四系-新近系孔隙、裂隙含水巖組

第四系-新近系孔隙、裂隙水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和河流滲漏補(bǔ)給，受地形地貌控制，地下水自盆地邊緣向奎盧河及其支流匯集，大部分進(jìn)入奎盧河后排向大西洋，部分由于人類活動(dòng)取水而開采，少部分被蒸發(fā)。

1.3.2 白堊系碳酸鹽巖巖溶含水巖組

白堊系碳酸鹽巖巖溶含水巖組總體與地層傾向一致，由北東部與馬永山山前斷裂側(cè)向接觸，向南西傾斜進(jìn)入大西洋中尖滅。水主要補(bǔ)給來(lái)源主要為北東部馬永背山山前大斷裂側(cè)向補(bǔ)給，由北東部側(cè)向南西徑流匯集，最終排向大西洋。

1.3.3 白堊系晶間鹵水

白堊系晶間鹵水多為蒸發(fā)濃縮殘余鹵水，局部有因構(gòu)造或凹陷等富集封存，多為靜儲(chǔ)量，因巖石致密完整，地下水徑流通道不暢，一般不存在徑流運(yùn)動(dòng)，天然狀態(tài)下不排泄，當(dāng)鉀鹽礦為人工開采后于井巷排泄。

2 晶間鹵水的形成條件

位于大西洋兩岸的南美洲巴西和非洲剛果—加蓬鉀鹽盆地，形成于南美與非洲板塊裂開初期即大西洋開始打開時(shí)，盆地內(nèi)蒸發(fā)巖大致沿大西洋兩岸呈狹長(zhǎng)分布，沉積物以同生沉積為主。隨著非洲大陸漂移引起地面不斷沉降變化，大西洋高濃度海水不斷補(bǔ)給，周而復(fù)始，因此形成了石鹽—鉀鎂鹽的韻律性沉積，每一次沉積韻律代表一次巖性周期變化，這是一個(gè)正常的海退式沉積旋回特征。由于海水變化，也出現(xiàn)鉀鎂鹽在下，石鹽在上的逆向沉積，當(dāng)處于海侵期，海水入侵沿有利構(gòu)造部位匯集并溶解圍巖中的鹽分而形成的礦化度較高的鹵水，通常也賦存于石鹽晶間孔隙中。

根據(jù)含鹽地層勘探過(guò)程成果，鉆井液消耗異常部位對(duì)應(yīng)巖芯編錄，晶間鹵水段巖性多為石鹽巖，巖芯致密完整，僅局部石鹽巖具溶蝕跡象，重結(jié)晶顆粒增大，為晶間鹵水提供了賦存空間。測(cè)井解釋晶間鹵水賦存段自然電位負(fù)異常，視電阻率中高值，認(rèn)為晶間鹵水段巖性為石鹽巖和光鹵石巖。

3 晶間鹵水分布特征

3.1 平面分布特征

為查明研究區(qū)晶間鹵水賦存及分布，采用瞬變電磁法和EH4綜合探測(cè)，對(duì)野外探測(cè)電阻率對(duì)比分析，獲得了5個(gè)區(qū)塊晶間鹵水富水異常區(qū)分布成果圖，分別為Ⅳ-2號(hào)頂板、Ⅳ-2號(hào)礦層、Ⅳ-2號(hào)底板至Ⅲ-11號(hào)礦層、Ⅲ-11號(hào)礦層頂板至Ⅲ-10號(hào)礦層底板及Ⅲ-10號(hào)礦層底板，平面上主要分布于北東部和南部，西部基本不發(fā)育，見圖2。

3.2 垂向分布特征

將勘探鉆孔涌水層段進(jìn)行對(duì)比，見圖3?？芍чg鹵水自Ⅳ-2號(hào)礦層頂板至Ⅲ-10號(hào)礦層均有賦存，晶間鹵水賦存層段需通過(guò)綜合對(duì)比鉆探和測(cè)井解釋加以分析，比如BS-5號(hào)鉆孔鉆探過(guò)程中幾乎無(wú)涌水情況，抽水試驗(yàn)中仍賦存一定地下水，測(cè)井解釋也可對(duì)比出其出水層段，與石巖鹽厚度有著密切的關(guān)系，較厚的石鹽層代表了連續(xù)的蒸發(fā)濃縮環(huán)境，為晶間鹵水提供了匯集較多空間。

圖2 晶間鹵水富集區(qū)塊劃分圖Fig.2 Intergranular brine enrichment block division diagram

圖3 鉆孔晶間鹵水垂向分布圖

4 晶間鹵水賦存成因分析

4.1 斷層導(dǎo)通型

根據(jù)各層段晶間鹵水富集區(qū)對(duì)比，區(qū)塊2和區(qū)塊4的相對(duì)富水異常區(qū)，自白堊系鉀鹽礦床Ⅳ-2頂板至Ⅲ-10底板對(duì)應(yīng)較好，自上而下相對(duì)富水異常范圍漸小見圖4a。以區(qū)塊2為例進(jìn)行分析，區(qū)內(nèi)BS-5號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至221.06～243.42 m間巖芯破碎(石灰?guī)r和硬石膏巖層段)，其中222.56～225.59 m出現(xiàn)斷層泥，下部硬石膏巖和石膏礫巖重復(fù)出現(xiàn)，多含灰黑色泥質(zhì)，對(duì)比以往二維地震解釋成果在ZK143和BS-5號(hào)孔一帶發(fā)育24號(hào)斷層。因斷層影響其鹽巖頂界面硬石膏巖層段破碎變薄，研究區(qū)東部ZK143號(hào)鉆孔厚度僅5.11 m。斷層的存在不僅破壞了鹽巖頂界面隔水層厚度，同時(shí)也成為導(dǎo)通上下含水層的通道，為晶間鹵水富集提供了空隙，構(gòu)造破碎帶下部隨石巖鹽等重結(jié)晶閉合晶間鹵水逐步較少直到尖滅，此種情況下構(gòu)造裂隙不甚發(fā)育，上覆巖溶水受重力作用沿?cái)鄬悠扑閹蛳聺B流，進(jìn)入易溶解的鹽巖后，被封閉的地下水溶解圍巖到一定程度，成為鹵水，當(dāng)鹵水達(dá)到飽和甚至結(jié)晶，斷層面得以閉合，最終封閉的地下水停止?jié)B流運(yùn)動(dòng)，形成自上而下呈倒三角形賦存狀態(tài)的封閉晶間鹵水。

4.2 凹陷匯集型

ZK182號(hào)鉆孔附近相對(duì)集中的富水異常區(qū)區(qū)塊3自白堊系Ⅳ-2號(hào)礦層頂板至Ⅲ-10號(hào)礦層底板均存在，且自上而下相對(duì)富水異常范圍擴(kuò)大呈正三角形分布見圖4b。同時(shí)根據(jù)圖5 ZK182鉆孔附近區(qū)域存在次級(jí)凹陷。在次級(jí)凹陷區(qū)內(nèi)，晶間鹵水匯流集中至凹陷處，且范圍自下而上漸小。

4.3 斷層凹陷復(fù)合構(gòu)造導(dǎo)通型

研究區(qū)西南ZK241鉆孔附近的相對(duì)富水異常區(qū)區(qū)塊1，該區(qū)塊自白堊系Ⅳ-2號(hào)礦層頂板至Ⅲ-10號(hào)礦層底板均存在，自下而上相對(duì)富水異常范圍基本不變，且異常區(qū)域有自東向西偏移的趨勢(shì)。說(shuō)明沿?cái)鄬用尜x存的晶間鹵水連續(xù)分布，斷層具導(dǎo)水性，見圖4c。(因區(qū)內(nèi)地層較平緩，為使得分析更為直觀，將縱向比例放大)在研究區(qū)西南ZK241附近為凹陷區(qū)，見圖5，分析區(qū)塊3處晶間鹵水富集模式為構(gòu)造導(dǎo)通多個(gè)次級(jí)凹陷所致，晶間鹵水沿構(gòu)造發(fā)育方向橫向或縱向?qū)ǜ患?，形成了多個(gè)條帶狀裂隙富集區(qū)。

綜上所述，晶間鹵水僅局部富集，富集區(qū)有因構(gòu)造導(dǎo)通富集模式、有因次級(jí)凹陷富集模式、有因以上兩種成因復(fù)合型的條帶狀裂隙富集模式。富集區(qū)連續(xù)性差，零星分布。斷層導(dǎo)通型與斷層發(fā)育規(guī)模相關(guān)，當(dāng)斷距大于礦層頂部隔水層厚度，斷層成為匯集通道，但是隨著斷層的逐步閉合而形成較小的靜儲(chǔ)量，凹陷型晶間鹵水基本上為同生沉積的古水，其數(shù)量與凹陷規(guī)模相關(guān)，斷層凹陷型由于凹陷區(qū)近似向斜構(gòu)造區(qū)，裂隙相對(duì)發(fā)育，加上斷層導(dǎo)通形成一定補(bǔ)給量，晶間鹵水匯集量相對(duì)較大。

a 區(qū)塊2各層段晶間鹵水富水異常區(qū)對(duì)比

b 區(qū)塊3各層段鹵水富水異常區(qū)對(duì)比

c 區(qū)塊1和區(qū)塊4各層段間鹵水富水異常區(qū)對(duì)比

圖5 Ⅲ-10號(hào)礦層頂面形態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the top surface of No.III-10

5 結(jié) 語(yǔ)

1)剛果處于西非板塊西南緣，基本被深大斷裂圍限，由于經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，鉀鹽區(qū)晶間鹵水賦存宏觀上受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)等方面控制。

2)晶間鹵水的賦存受構(gòu)造部位、地層巖性組合影響，按照晶間鹵水匯集空隙的成因劃分，可分為斷層型、凹陷型、斷層凹陷復(fù)合型3大類。

3)剛果(布)鉀鹽礦床南部礦段晶間鹵水平面上較為分散，主要分布于北東部和南部構(gòu)造發(fā)育區(qū)，西部基本不發(fā)育，構(gòu)造發(fā)育地帶應(yīng)做好晶間鹵水探放工作。

4)鹽巖頂板距地表較近地帶，采掘過(guò)程有可能造成地面沉降，防治晶間鹵水形成新的補(bǔ)給來(lái)源，因此要做好支護(hù)及回填工作，將地面沉降降到最低，確保礦層頂板含水層不進(jìn)入礦井，基本保障礦井無(wú)水生產(chǎn)。