馬海盆地深部孔隙鹵水礦床水化學特征及成因

岳鑫，劉溪溪，路亮，張曉冬，范增林，于小亮

1.青海省柴達木綜合地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海格爾木 816000 2.青海省柴達木綜合地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院青藏高原鹽湖及鹽類礦產(chǎn)資源成礦規(guī)律及預測實驗室，青海格爾木 816000 3.青海省地質(zhì)調(diào)查局，西寧 810000

0 引言

深部砂礫石層孔隙鹵水是新型的鉀鹽礦資源，為我國近年來鹽湖找鉀的又一重大發(fā)現(xiàn)[1-3]，具有水位埋藏淺，富水性強，礦化度高，結(jié)鹽程度低，易開發(fā)等特點，具有重大研究意義，可作為我國鉀鹽開發(fā)的后備基地。

馬海盆地位于柴達木盆地西北部，沿賽什騰山分布的巨大沖洪積扇群，為更新世以來的砂礫石，是深部孔隙鹵水的儲鹵介質(zhì)，前人研究了馬海地區(qū)湖表鹵水及鹽類礦物[4]，進行了蒸發(fā)實驗[5-6]及高溫梯級蒸發(fā)實驗[7]，分析地球化學特征成因[8]、沉積環(huán)境[9]、勘查研究進展[10]及第四紀沉積環(huán)境[11]，但研究范圍僅限于湖表及315 m以淺。自2011年我國首次在柴達木西部發(fā)現(xiàn)砂礫石層孔隙鹵水以來，先后對柴達木盆地西部[12]的黑北凹地[13]及南翼山[14]地區(qū)該類型鹵水做過水化學特征與成因分析，然而對馬海地區(qū)深部新型的砂礫石層孔隙鹵水礦床的研究還處于空白階段。本文以馬海地區(qū)深部200～2 000 m的新型砂礫石層孔隙鹵水為研究對象，分析其化學特征及成因。

1 地質(zhì)背景

1.1 水文地質(zhì)環(huán)境

北東為柴達木北緣臺緣褶帶分布帶之一，小賽什騰山、賽什騰山、綠梁山為柴北緣殘山斷褶帶之西段，褶皺斷裂構(gòu)造發(fā)育。該殘山斷褶帶南北為柴達木盆地臺坳的一部分，褶皺斷裂構(gòu)造較發(fā)育，并分布著數(shù)個鹵水湖。區(qū)內(nèi)地下水按賦存介質(zhì)不同分為松散巖類孔隙水、化學鹽類晶間水和碎屑巖類裂隙孔隙水三個類型。各類型地下水按水力性質(zhì)、賦存層位不同進一步可分為潛水和承壓水，本文研究主要針對于松散巖類孔隙水的承壓水層位。

通過研究區(qū)內(nèi)鉆孔(圖2)對地層的揭露，區(qū)內(nèi)中部至西部屬山前沖洪積相和盆地湖積相沉積，富水層位巖性分別為：上層全新世含礫的中粗砂、礫砂、含砂的角礫，中層晚更新世含礫的中細砂，下層中更新世中砂、細砂，為孔隙鹵水的儲鹵介質(zhì)。而區(qū)內(nèi)東部鉆孔揭露地層為濱湖相的黏土粉砂層。

1.2 鹵水賦存特征

沿賽什騰山南緣由西向東呈直線分布的一系列淺部鉆孔控制長度大于30 km，揭露了山前的晶間鹵水礦層。該層特點是KCl品位高，儲量大，現(xiàn)已處于開采階段。

圖1 馬海盆地區(qū)域地質(zhì)圖1.漸新統(tǒng)下干柴溝組；2.上新統(tǒng)獅子溝組；3.中新統(tǒng)上干柴溝組；4.中新統(tǒng)下油砂山組；5.全新統(tǒng)沖洪積物；6.中更新統(tǒng)湖積物；7.上更新統(tǒng)湖積物；8.全新統(tǒng)化學沉積；9.全新統(tǒng)湖沼化學沉積；10.下更新統(tǒng)湖積物；11.湖積相區(qū)；12.干鹽湖區(qū)外緣；13.干鹽湖區(qū)域；14.山前沖洪積扇；15. 湖積相區(qū)外緣；16.鉆孔位置；17.圖2位置；18.研究區(qū)；19.地質(zhì)界限；20.背斜構(gòu)造Fig.1 Regional geological map of Mahai Basin

圖2 研究區(qū)地層縱剖面圖1.全新統(tǒng)沖洪積相；2.全新統(tǒng)化學沉積相；3.上更新統(tǒng)湖積相；4.中更新統(tǒng)洪積相；5.下更新統(tǒng)湖積相；6.含礫石(角礫)的中粗砂；7.含礫的中粗(細)砂；8.中粗(細)砂；9.黏土粉砂；10.鉆孔位置及編號；11.地質(zhì)界限Fig.2 Stratigraphic longitudinal profile of the research area

賽什騰山南緣山前由西向東分布的馬ZK2413(1 500 m)、馬ZK3212(800 m)、馬ZK4010(1 400 m)、馬ZK4007(1 500 m)、馬ZK5608(1 400 m)、馬ZK5602(1 600 m)、馬ZK7220(1 250 m)及馬ZK7212(2 000 m)等鉆孔控制了該區(qū)域的孔隙鹵水礦層。長度約48 km，寬約6～18 km，分布面積大于500 km2，含水層純厚度除馬ZK7220較薄外，純厚度達85.81～823.54 m，礦化度達236.75～313.01 g/L，KCl品位0.13%～0.90%，NaCl品位16.60%～21.59%，MgCl2品位1.69%～3.42%，水化學類型為氯化物型，單井涌水量146.88～4544.64 m3/d，富水性強，降深38.19～112.17 m，具有水量大、不結(jié)鹽、水位埋藏淺易開發(fā)的特點，利于開發(fā)研究。

2 采樣及試驗結(jié)果

2.1 采樣位置及方法

鉆孔完成取芯后，用拉活塞等方法洗孔，至水清砂凈，進行抽水試驗并采樣。本次研究對象為深層鹵水，為防止淺部水體的影響，在各施工鉆孔150～300 m位置選擇厚度較大的隔水層進行止水。樣品在更新世至全新世的沖洪積相和湖積相沉積儲鹵地層中采集，詳見表1。

抽水試驗過程中每隔4小時采集一個水樣。用蒸餾水洗凈的瓶子盛取1 000 mL后及時封瓶，注明編號，送至青海省柴達木綜合地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院巖礦測試中心進行測試分析。

2.2 試驗結(jié)果

3 實驗結(jié)果分析

注：1～6：馬ZK2413SQ01—馬ZK2413SQ06(157～ 1 500 m)；7～11:馬ZK3212SQ01—馬ZK3212SQ05(151～800 m)；12～18：馬ZK4007SQ01—馬ZK4007SQ07(156～1 500 m)；19～20：馬ZK4010混ISQ01—馬ZK4010混ISQ02(170～1 400 m)；21～22：馬ZK5608WI-1SQ01—馬ZK5608WI-1SQ02(200～778 m)；23～24：馬ZK5602SQ01—馬ZK5602SQ02(200～1 600 m)；25：ZK7220混SQ01(170～1250 m)；26～27：馬ZK7212WI-1SQ01—馬ZK7212WI-1SQ02(275～810 m)；括號內(nèi)為采樣位置。

3.1 數(shù)理分析

深部鹵水中各種元素呈離子狀態(tài)，影響其分布的因素較多，元素含量及分布特征差異也較大，因此可運用均勻性以及判斷其是否服從正態(tài)分布來衡量其分布特征[9,15]。

以馬海地區(qū)深部鹵水的全分析離子含量(表1)為基礎(chǔ)，通過數(shù)理統(tǒng)計計算其化學成分的變異系數(shù)(Cv)、偏差系數(shù)(Cs)和峰度系數(shù)(bk)(表2)，進而研究其分布特征。

變異系數(shù)Cv的計算公式：

(1)

(2)

Cv是衡量資料中各化學成分分析值變異程度的一個統(tǒng)計量，反映了分析值離散程度的絕對值，一般來說Cv值平均水平越高，則其離散程度的測度值就越大，反之越小。

偏差系數(shù)Cs與峰度系數(shù)bk的計算公式：

(3)

(4)

偏差系數(shù)Cs可以反映鹵水中元素濃度的頻率分布函數(shù)曲線的對稱情況，即Cs的絕對值越大，其對應(yīng)的函數(shù)曲線偏斜越嚴重，反之則越接近正態(tài)分布，峰度系數(shù)bk可以反映鹵水中元素頻數(shù)分布函數(shù)曲線頂端尖峭或扁平的程度。

利用數(shù)理統(tǒng)計方法中的偏差系數(shù)和峰度系數(shù)，判斷鹵水中各元素濃度的頻率分布曲線是否符合正態(tài)分布以研究鹵水中元素的分布特征，偏差系數(shù)Cs>0時稱為正偏分配，Cs<0時稱為負偏分配，峰度系數(shù)bk>3稱分布具有過度的峰度，bk<3稱分布具有不足的峰度，當Cs=0，bk=3時則認為屬于正態(tài)分布。

將研究區(qū)內(nèi)深部鹵水各離子成分按照變異系數(shù)(Cv)由小到大順序排列(表2)，以Cv值10%和50%為界，將鹵水離子含量變化分為弱變異、中等變異和強變異三組，變異系數(shù)強弱的不同表明深部鹵水中離子濃度的變化幅度不同，也就意味著具有強變異的離子分布不均勻。

3.2 離子含量特征

3.3 離子分布及變化特征

圖3 研究區(qū)深層鹵水主要離子含量縱向變化曲線Fig.3 Longitudinal variation curve for the main ion contents of deep brine in the research area

3.4 聚類特征

圖4 研究區(qū)孔隙鹵水基本成分聚類分析Fig.4 Pore brine basic component clustering analysis in the research area

3.5 鹵水特征系數(shù)

綜合分析研究區(qū)樣品測試結(jié)果，推演其特征系數(shù)(表3)，鈉氯系數(shù)值為0.80～0.85，鈣鎂系數(shù)為0.10～0.71，脫硫系數(shù)0.32～0.84，鉀氯系數(shù)4.68～27.07，氯碘系數(shù)0.94×105～2.10×105，除0.94×105外其余數(shù)據(jù)均大于1.00×105，氯溴系數(shù)4 079～5 452。

3.6 介穩(wěn)相圖

深部鹵水中的主要陰、陽離子的富含程度和相互作用決定了鹵水的水化學類型，即不同水化學類型的鹵水具有相應(yīng)的主要離子組成及水鹽平衡體系。

據(jù)表4中主要離子組成可以看出研究區(qū)的離子平衡體系為Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O[9,17-18]。將研究區(qū)樣品數(shù)據(jù)(表4)投影在Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O四元體系介穩(wěn)相圖(圖5)，可見研究區(qū)鹵水分布在石鹽區(qū)中低鉀鎂、高鈉的區(qū)域，鹵水類型為單一的氯化鈉型。

表3 研究區(qū)鉆孔離子特征系數(shù)Table 3 Ion characteristic coefficients from drilling in the research area

圖5 Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O(25 ℃)四元體系介穩(wěn)相圖Fig.5 Na+,K+,Mg2+∥Cl--H2O (25 ℃) from the interface stability phase diagram index table in the research area

表4 Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O(25 ℃)介穩(wěn)相圖指數(shù)Table 4 Na+,K+,Mg2+∥Cl--H2O (25 ℃) of the interface stability phase diagram index

4 鹵水成因討論

通過鉆孔縱剖面顯示，研究區(qū)東部地層顯示為湖積相區(qū)，西部為沖—洪積相區(qū)，東南部地表被更新世以來化學沉積物覆蓋。

鹵水中微量元素也是判斷鹵水來源的一項重要指標[19-20]，Br元素通常以分散的狀態(tài)存在于自然界，容易形成易溶于水的化合物，可作為鹽湖礦產(chǎn)中最有效、靈敏的特征元素[21-22]。由于B的易溶性及其分布集中于水圈和上地殼沉積巖，因此其可作為有效的地球化學參數(shù)來判斷沉積環(huán)境及物源[23-26]。Sr元素在自然界中主要分布在造巖礦物中，是典型的分散元素，可作為有效的地球化學參數(shù)來判斷古沉積環(huán)境及水體補給來源[27]。因此較高含量的Br、B和Sr元素可間接證明馬海盆地深部鹵水具有溶鹽鹵水的補給。

分析鹵水離子特征系數(shù)可以對其成因做出一定了解[28-31]，海水中的鈉氯系數(shù)值為0.85～0.87，巖溶地下鹵水鈉氯系數(shù)大于或者接近1，蒸發(fā)殘余地下鹵水一般小于0.85。脫硫系數(shù)反映地下鹵水所處的封閉程度，脫硫系數(shù)越小，越接近0，封閉性越好，其還原性越強。鉀氯系數(shù)反映鉀的富集和地下鹵水的濃縮程度，判斷標準值是75。鈣鎂系數(shù)反映地下鹵水變質(zhì)程度，其數(shù)值越高，則反映封閉時間越長，封閉性越好，變質(zhì)程度越好，其判斷標準值為3。氯碘系數(shù)大于105為溶鹽地下鹵水特征，小于105為沉積地下鹵水特征。新鮮的地表水或淺層地下水體中，氯溴系數(shù)為10～150；海洋水體中氯溴系數(shù)為299～289；典型的巖漿水體中氯溴系數(shù)為560～1 000；鹽巖的溶解而形成的鹵水中氯溴系數(shù)為1 000～10 000。

馬海地區(qū)深部鹵水鈉氯系數(shù)為0.80～0.85，小于0.85，氯溴系數(shù)為4 079～5 452，鈉氯系數(shù)反映其來源為蒸發(fā)殘余的地下鹵水，然而氯溴系數(shù)則反映鹽巖的溶解的來源，脫硫系數(shù)及鈣鎂系數(shù)表明該地區(qū)封閉性較差，較低的鉀氯系數(shù)也反映出研究區(qū)地下鹵水濃縮程度較低[32-33]，綜上，馬海地區(qū)深部鹵水來源為蒸發(fā)殘余的鹵水，由于該地區(qū)封閉性較差，受地表淡水的影響，其濃縮程度較差，同時，地表淡水注入的過程中溶濾了大量鹽巖，使鹵水中Cl-含量增大，由此氯溴系數(shù)變大，簡言之：馬海地區(qū)深部鹵水是蒸發(fā)殘余鹵水及鹽巖溶濾鹵水混合成因的多源性鹵水。

Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O四元體系介穩(wěn)相圖中顯示K+和Mg2+含量很低，Na+很高，鹵水類型為單一的氯化鈉型，因此推測鹵水物質(zhì)來源較為單一，流體運移距離較近，交換附近礦物離子，并溶濾研究區(qū)附近鹽巖后富集成礦。

5 結(jié)論

(1) 馬海地區(qū)砂礫石層孔隙鹵水分布規(guī)模較大，水位埋藏淺，富水性強，礦化度較高，其中KCl含量達到了可開發(fā)利用的要求，加之研究區(qū)深部鹵水結(jié)鹽程度小，易開發(fā)等特點，馬海盆地深部鹵水可作為中國鉀鹽開發(fā)的后備基地。

(2) 馬海地區(qū)深部鹵水中鉀的品位在橫向上具有一定的變化規(guī)律，沿賽什騰山南緣山前自西向東，鉀的品位越來越高，對今后找鉀工作具有一定指導意義。

(3) 馬海地區(qū)深部鹵水既與酸性淋濾等因素有關(guān)，也有蒸發(fā)殘余鹵水和鹽巖溶濾鹵水特點，成因具有典型的多源性特征。

(4) 馬海地區(qū)深部鹵水成礦物質(zhì)來源：賦存于更新統(tǒng)砂礫石層中的孔隙鹵水有蒸發(fā)殘余鹵水特征，推測更新世之前該地區(qū)即有古鹵水賦存，更新統(tǒng)下伏地層有可能存在鹽巖層沉積，為馬海盆地深部鹵水的一主要物質(zhì)來源。