剛果(布)鉀鹽礦床晶間鹵水賦存特征及成因分析

2019-08-07 07:11:12雷亞萍

有色金屬設計 2019年2期

雷亞萍

(中國煤炭地質總局第三水文地質隊，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，盆地內蒸發巖大致沿大西洋兩岸呈狹長分布。介于保護環境和礦井安全雙重因素，開采方法采用房柱式，對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，晶間鹵水的存在對旱采固體礦井形成水害，影響開采正常進行。2010-2015年在該區進行水工環專項勘探過程中，鉆孔進入鹽巖地層后，多個鉆孔出現晶間鹵水涌水現象，分析晶間鹵水的賦存特征，分析匯集規律，為礦井防治水措施的制定提供地質及水文地質依據。

1 地質及水文地質條件

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渡階段和早白堊世末期-新近紀的漂移階段三個構造演化階段，自下而上發育裂谷期的陸相河流-三角洲-湖相層序(裂谷層系)、過渡期的鹽巖層序(過渡層系)、漂移期的淺海碳酸鹽巖和深水碎屑巖層序。根據區域地質沉積特征，過渡期標志著從陸相環境逐步向海相環境轉變，形成了裂谷層序與過渡層序之間的區域性不整合，后期大陸破裂，受維爾維斯脊的影響，南側海水周期性涌入剛果(布)盆地，廣泛發育蒸發鹽巖，其原始沉積厚度一般可達1 000 m。

圖1 研究區遙感地質圖

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，該區東部為馬永背山脈，出露元古界變質巖地層，中生代地層區內在東北、東南馬永背山一帶零星出露。區域上發育地層有古元古界、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、瀝青頁巖；底板埋深介于826.20～909.30 m之間，底板巖性主要為瀝青頁巖，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，夾瀝青頁巖薄層，局部見有水氯鎂石巖。

1.2 構造

1.2.1 斷層

研究區屬于斷陷盆地，在鹽類沉積形成之后，構造運動不強烈，主要以沉降為主，僅發育小的斷裂、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°；斷層規模普遍較小，部分斷層在地震時間剖面上反應異常特征不明顯。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，斷層走向以北西向為主，傾向以南西向為主。

1.2.2 褶皺

研究區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，總體上呈一單斜構造，由北東向南西傾。巖層內無大的褶皺，僅石鹽巖或光鹵石巖由于局部應力作用或塑變，形成小的褶曲或撓曲。

1.3 水文地質條件

根據含水介質及埋藏條件將該區含水層總體劃分為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、裂隙水補給來源主要為大氣降水和河流滲漏補給，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，大部分進入奎盧河后排向大西洋，部分由于人類活動取水而開采，少部分被蒸發。

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向接觸，向南西傾斜進入大西洋中尖滅。水主要補給來源主要為北東部馬永背山山前大斷裂側向補給，由北東部側向南西徑流匯集，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濃縮殘余鹵水，局部有因構造或凹陷等富集封存，多為靜儲量，因巖石致密完整，地下水徑流通道不暢，一般不存在徑流運動，天然狀態下不排泄，當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，盆地內蒸發巖大致沿大西洋兩岸呈狹長分布，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給，周而復始，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，這是一個正常的海退式沉積旋回特征。由于海水變化，也出現鉀鎂鹽在下，石鹽在上的逆向沉積，當處于海侵期，海水入侵沿有利構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。

根據含鹽地層勘探過程成果，鉆井液消耗異常部位對應巖芯編錄，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，重結晶顆粒增大，為晶間鹵水提供了賦存空間。測井解釋晶間鹵水賦存段自然電位負異常，視電阻率中高值，認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

為查明研究區晶間鹵水賦存及分布，采用瞬變電磁法和EH4綜合探測，對野外探測電阻率對比分析，獲得了5個區塊晶間鹵水富水異常區分布成果圖，分別為Ⅳ-2號頂板、Ⅳ-2號礦層、Ⅳ-2號底板至Ⅲ-11號礦層、Ⅲ-11號礦層頂板至Ⅲ-10號礦層底板及Ⅲ-10號礦層底板，平面上主要分布于北東部和南部，西部基本不發育，見圖2。

3.2 垂向分布特征

將勘探鉆孔涌水層段進行對比，見圖3。可知晶間鹵水自Ⅳ-2號礦層頂板至Ⅲ-10號礦層均有賦存，晶間鹵水賦存層段需通過綜合對比鉆探和測井解釋加以分析，比如BS-5號鉆孔鉆探過程中幾乎無涌水情況，抽水試驗中仍賦存一定地下水，測井解釋也可對比出其出水層段，與石巖鹽厚度有著密切的關系，較厚的石鹽層代表了連續的蒸發濃縮環境，為晶間鹵水提供了匯集較多空間。

圖2 晶間鹵水富集區塊劃分圖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 斷層導通型

根據各層段晶間鹵水富集區對比，區塊2和區塊4的相對富水異常區，自白堊系鉀鹽礦床Ⅳ-2頂板至Ⅲ-10底板對應較好，自上而下相對富水異常范圍漸小見圖4a。以區塊2為例進行分析，區內BS-5號鉆孔鉆進至221.06～243.42 m間巖芯破碎(石灰巖和硬石膏巖層段)，其中222.56～225.59 m出現斷層泥，下部硬石膏巖和石膏礫巖重復出現，多含灰黑色泥質，對比以往二維地震解釋成果在ZK143和BS-5號孔一帶發育24號斷層。因斷層影響其鹽巖頂界面硬石膏巖層段破碎變薄，研究區東部ZK143號鉆孔厚度僅5.11 m。斷層的存在不僅破壞了鹽巖頂界面隔水層厚度，同時也成為導通上下含水層的通道，為晶間鹵水富集提供了空隙，構造破碎帶下部隨石巖鹽等重結晶閉合晶間鹵水逐步較少直到尖滅，此種情況下構造裂隙不甚發育，上覆巖溶水受重力作用沿斷層破碎帶向下滲流，進入易溶解的鹽巖后，被封閉的地下水溶解圍巖到一定程度，成為鹵水，當鹵水達到飽和甚至結晶，斷層面得以閉合，最終封閉的地下水停止滲流運動，形成自上而下呈倒三角形賦存狀態的封閉晶間鹵水。

4.2 凹陷匯集型

ZK182號鉆孔附近相對集中的富水異常區區塊3自白堊系Ⅳ-2號礦層頂板至Ⅲ-10號礦層底板均存在，且自上而下相對富水異常范圍擴大呈正三角形分布見圖4b。同時根據圖5 ZK182鉆孔附近區域存在次級凹陷。在次級凹陷區內，晶間鹵水匯流集中至凹陷處，且范圍自下而上漸小。

4.3 斷層凹陷復合構造導通型

研究區西南ZK241鉆孔附近的相對富水異常區區塊1，該區塊自白堊系Ⅳ-2號礦層頂板至Ⅲ-10號礦層底板均存在，自下而上相對富水異常范圍基本不變，且異常區域有自東向西偏移的趨勢。說明沿斷層面賦存的晶間鹵水連續分布，斷層具導水性，見圖4c。(因區內地層較平緩，為使得分析更為直觀，將縱向比例放大)在研究區西南ZK241附近為凹陷區，見圖5，分析區塊3處晶間鹵水富集模式為構造導通多個次級凹陷所致，晶間鹵水沿構造發育方向橫向或縱向導通富集，形成了多個條帶狀裂隙富集區。

綜上所述，晶間鹵水僅局部富集，富集區有因構造導通富集模式、有因次級凹陷富集模式、有因以上兩種成因復合型的條帶狀裂隙富集模式。富集區連續性差，零星分布。斷層導通型與斷層發育規模相關，當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量，凹陷型晶間鹵水基本上為同生沉積的古水，其數量與凹陷規模相關，斷層凹陷型由于凹陷區近似向斜構造區，裂隙相對發育，加上斷層導通形成一定補給量，晶間鹵水匯集量相對較大。