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礦產勘查院，青海格爾木 816000 2.青海省柴達木綜合地質礦產勘查院青藏高原鹽湖及鹽類礦產資源成礦規律及預測實驗室，青海格爾木 816000 3.青海省地質調查局，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現[1-3]，具有水位埋藏淺，富水性強，礦化度高，結鹽程度低，易開發等特點，具有重大研究意義，可作為我國鉀鹽開發的后備基地。

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，前人研究了馬海地區湖表鹵水及鹽類礦物[4]，進行了蒸發實驗[5-6]及高溫梯級蒸發實驗[7]，分析地球化學特征成因[8]、沉積環境[9]、勘查研究進展[10]及第四紀沉積環境[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現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]地區該類型鹵水做過水化學特征與成因分析，然而對馬海地區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 地質背景

1.1 水文地質環境

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，褶皺斷裂構造發育。該殘山斷褶帶南北為柴達木盆地臺坳的一部分，褶皺斷裂構造較發育，并分布著數個鹵水湖。區內地下水按賦存介質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、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。

通過研究區內鉆孔(圖2)對地層的揭露，區內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。而區內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，現已處于開采階段。

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

圖2 研究區地層縱剖面圖1.全新統沖洪積相；2.全新統化學沉積相；3.上更新統湖積相；4.中更新統洪積相；5.下更新統湖積相；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、不結鹽、水位埋藏淺易開發的特點，利于開發研究。

2 采樣及試驗結果

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礦產勘查院巖礦測試中心進行測試分析。

2.2 試驗結果

3 實驗結果分析

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)；括號內為采樣位置。

3.1 數理分析

深部鹵水中各種元素呈離子狀態，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分布來衡量其分布特征[9,15]。

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

變異系數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Cs與峰度系數bk的計算公式：

(3)

(4)

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

利用數理統計方法中的偏差系數和峰度系數，判斷鹵水中各元素濃度的頻率分布曲線是否符合正態分布以研究鹵水中元素的分布特征，偏差系數Cs>0時稱為正偏分配，Cs<0時稱為負偏分配，峰度系數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時則認為屬于正態分布。

將研究區內深部鹵水各離子成分按照變異系數(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

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

3.6 介穩相圖

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的主要離子組成及水鹽平衡體系。

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

表3 研究區鉆孔離子特征系數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 ℃)介穩相圖指數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，研究區東部地層顯示為湖積相區，西部為沖—洪積相區，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來判斷沉積環境及物源[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來判斷古沉積環境及水體補給來源[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可以對其成因做出一定了解[28-31]，海水中的鈉氯系數值為0.85～0.87，巖溶地下鹵水鈉氯系數大于或者接近1，蒸發殘余地下鹵水一般小于0.85。脫硫系數反映地下鹵水所處的封閉程度，脫硫系數越小，越接近0，封閉性越好，其還原性越強。鉀氯系數反映鉀的富集和地下鹵水的濃縮程度，判斷標準值是75。鈣鎂系數反映地下鹵水變質程度，其數值越高，則反映封閉時間越長，封閉性越好，變質程度越好，其判斷標準值為3。氯碘系數大于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，氯溴系數為10～150；海洋水體中氯溴系數為299～289；典型的巖漿水體中氯溴系數為560～1 000；鹽巖的溶解而形成的鹵水中氯溴系數為1 000～10 000。

馬海地區深部鹵水鈉氯系數為0.80～0.85，小于0.85，氯溴系數為4 079～5 452，鈉氯系數反映其來源為蒸發殘余的地下鹵水，然而氯溴系數則反映鹽巖的溶解的來源，脫硫系數及鈣鎂系數表明該地區封閉性較差，較低的鉀氯系數也反映出研究區地下鹵水濃縮程度較低[32-33]，綜上，馬海地區深部鹵水來源為蒸發殘余的鹵水，由于該地區封閉性較差，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，由此氯溴系數變大，簡言之：馬海地區深部鹵水是蒸發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，并溶濾研究區附近鹽巖后富集成礦。

5 結論

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

(2) 馬海地區深部鹵水中鉀的品位在橫向上具有一定的變化規律，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) 馬海地區深部鹵水既與酸性淋濾等因素有關，也有蒸發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) 馬海地區深部鹵水成礦物質來源：賦存于更新統砂礫石層中的孔隙鹵水有蒸發殘余鹵水特征，推測更新世之前該地區即有古鹵水賦存，更新統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來源。