察爾汗鹽湖霍布遜區段資源開采過程中儲鹵層系統變化特征研究

韓 光, 袁小龍, 韓積斌, 劉久波,范增林, 胡 燕, 張西營

1)青海省柴達木綜合地質礦產勘查院, 青海省柴達木盆地鹽湖資源勘探研究重點實驗室, 青海格爾木 816099;2)河海大學水利水電學院, 江蘇南京 210098;3)中國科學院青海鹽湖研究所, 中國科學院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室,青海省鹽湖地質與環境重點實驗室, 青海西寧 810008

察爾汗鹽湖是我國超大型鉀鹽礦床之一, 鹽湖鉀礦以液態晶間鹵水和低品位固體鉀鹽兩種形態存在, 固體鉀鹽占 27.31%(王石軍, 2005)。近年來, 隨著鹽湖資源高強度開采, 我國鹽湖鉀鹽資源量驟減,低品位固體鉀鹽資源已成為填補鹽湖資源缺口的重要組成部分(鄭綿平和侯獻華, 2017)。然而, 由于柴達木盆地固體鉀礦品位低、分布不連續、呈薄層與浸染狀零星分布而難以直接開采(袁見齊等, 1985;龍鵬宇等, 2022)。當前, 低品位固體鉀礦液化開采被證實是一種有效的開采方法(王興富等, 2017), 國內學者在察爾汗鹽湖固體鉀鹽液化開采方面開展了相關研究(李文鵬, 1991; 劉喜業等, 2014; 焦鵬程和劉成林, 2020; 李瑞琴等, 2021; 常政等, 2022)。孫大鵬和呂亞萍(1995)利用察爾汗鹽湖外圍低濃度晶間鹵水進行溶解光鹵石實驗結果顯示: 隨著光鹵石的溶解和大量石鹽結晶析出, 導致鹽層中有效孔隙度減小, 從而影響晶間鹵水在孔隙中的流動。王文祥等(2010)對鹽湖低品位固體鉀礦液化開采方面通過多種手段做了相關研究, 分析了驅動溶液固體鉀礦過程中水動力與水化學條件變化特征。袁小龍等(2018)通過對昆特依鹽湖淺部儲鹵層的滲透特性及賦存鹵水水化學分析研究, 揭示了儲鹵層結構特征制約鹵水化學性質的規律?，F代鹽湖低品位固體鉀礦液化開采本質上是易溶鹽層(孔隙介質)和高濃度多組分鹵水系統中水動力對流擴散-化學平衡-多尺度孔隙結構演化相互耦合的物理化學過程。受到礦物分布、化學反應的非均一性、溫度、流速等多因素的影響, 多孔地質儲層介質中發生礦物溶解、流體化學性質改變、儲層孔隙性及滲透性等水文特性的時空演化等一系列復雜的物理化學過程(Molins et al., 2012; Noiriel et al.,2016; Pereira Nunes et al., 2016; Hommel et al., 2018)。

目前, 在鹽湖固體鉀鹽液化開采過程中, 儲鹵層系統變化特征的研究還缺少系統性研究。本文選取察爾汗鹽湖霍布遜區段鹽湖為研究對象, 以該研究區內鉀鹽液化開采為研究背景, 通過開展典型鉆孔巖芯孔隙度、固體鉀礦含量、鹵水組分變化特征對比研究, 探討了研究區鹽湖大規模開采前后低品位固體鉀鹽固液轉化規律及其成因, 為今后固體鉀礦高效開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

察爾汗鹽湖位于柴達木盆地的中東部, 東西長約168 km, 南北寬20～40 km, 面積5856 km2(蔡克勤和高建華, 1994; 郭新華等, 2006)。自東而西由霍布遜、察爾汗、達布遜、別勒灘四個連續的區段組成(圖1)。察爾汗蒸發鹽地層主要為全新統, 沉積物以鹽類為主, 碎屑沉積次之。依據巖性和成因類型可分為風積、化學沉積、沖洪積、湖積等四種沉積類型(圖2)。

圖1 察爾汗鹽湖霍布遜區段地理位置Fig. 1 The geographical location of the study area in Qarhan Salt Lake

圖2 研究區地層特征Fig. 2 Stratigraphic characteristics of the study area

霍布遜西段與察爾汗區段相接, 東部逐漸變薄乃至尖滅, 南段延伸至 Qh沖湖積平原前沿, 向北延展至啞叭爾構造東延隱伏尾部南翼盆地邊緣。沉積中心偏于區段西部, 主要由白色石鹽、粉砂石鹽、含粉砂的石鹽、石鹽粉砂組成, 多呈中粗粒自形-半自形單晶集合體, 固結松散, 厚度一般11.01～20.27 m,最大厚度 29.60 m, 最小厚度 4.46 m, 平均為14.73 m, 厚度變化系數為 28.99%, 總體呈中央厚,邊緣逐漸變薄的“半球狀”(楊謙, 1992; 蔡克勤和高建華, 1994)。

霍布遜區段固體鉀礦中 KCl含量在 0.05%～0.27%之間, 平均含量為 0.14%, 含鉀地質體分布面積737.98 km2, 平均厚度11.80 m, 經初步估算, 固體KCl資源量約為2.02×107t(王有德等, 2003)。這部分儲量可觀的固體鉀鹽資源通過液化開采的方式將其轉化為鹵水進行開采。

2 研究方法

2.1 樣品采集方法

本次工作選取研究區大規模開采前后典型鉆孔巖芯及鹵水樣品作為研究對象, 開展了化學分析和孔隙度測試工作。

固體樣品采集方法為: 在鉆孔中用劈心法按分層順序連續取樣, 每個樣品取樣長度為 0.3～0.5 m,取樣重量不少于500 g。人工補水液化開采固體鉀鹽前(2004年)的勘探工作中, 我們系統采集了8個鉆孔(ZK24802、ZK28002、ZK28004、ZK36002、ZK36006、ZK39203、ZK39205、ZK39207)(圖3)共計 210 件巖芯樣品。人工補水液化開采固體鉀鹽后(2019年), 在其中的 5個鉆孔(ZK28004、ZK28002、ZK36002、ZK24802、ZK39203)附近0.5 m距離進行二次鉆探并系統采集巖芯樣品進行分析測試(部分鉆孔進行了加深), 共采集固體巖芯樣品 197件, 本次研究工作利用其中同深度、同層位的 145件樣品進行了對比分析, 評價人工補水液化開采固體鉀的轉化效果。在鉆孔抽水實驗過程中, 每隔 4小時采集一次鹵水樣品,樣品體積500 mL。鹵水樣品采集后, 用聚乙烯塑料采樣瓶密封后盡快送至實驗室進行水化學分析。本文對巖芯樣品開展了孔隙度測試, 采集孔隙度樣品過程中, 按不同含水層不同巖性以 2 m為間距采取原狀固體樣品測試孔隙度, 剝去包裹在樣品表面的鹽粉或黏土, 用雙層棉紙包裹并用塑料膠帶包扎后蠟封, 樣品長度 10～15 cm, 共采集孔隙度樣品44個。由于2004年補充勘探時孔隙度測試樣品采集較少, 故本次研究工作選擇2011年儲量核實工作中同孔位采集的 44件孔隙度測試數據進行了對比分析。

圖3 鉆孔位置和固體鉀鹽含量等值線Fig. 3 The site of the borehole and the contour map of solid sylvite concentration

2.2 樣品測試方法

固體樣品經粗、中、細多級破碎篩分至100目后進行礦物種類及含量分析。實驗條件為: 電壓為40 kV, 電流為30 mA, Cu靶Kα輻射(λ =1.5406), 掃描角度(2θ)為 5°～80°, 掃描速度為 5°/min。各礦物種類的檢出及相對百分含量的確定由該儀器自帶的軟件X’ Pert High Score Plus完成。鹵水樣中K+、Na+用180-80原子吸收測定(EM); Mg2+用EDTA容量法; Cl–用 AgNO3容量法; 密度用波美質量密度(比重)儀或采用質量密度(比重)瓶測得。主要組分的檢測限如下: SO2–4<0.1 mg/L, Mg2+≤0.05 mg/L。

巖芯樣品孔隙度測試方法: 將樣品分離至單晶狀態加入同類型鹵水(反向法)測試給水度, 給水度與通過濕度換算出同類鹵水所占體積比之和為孔隙度。樣品測試單位為青海省柴達木綜合地質礦產勘查院巖礦測試中心, 該方法主要優點是鹵水能在短時間內充分進入樣品孔隙, 解決了原狀巖芯浸泡過程中排氣不及時孔隙不能充分被鹵水充填的問題,提高了測試結果精度。

3 結果分析

3.1 儲鹵層固體鉀鹽分布特征分析

通過對固液轉化前(2004年)采集的210件巖芯樣品進行固體鉀礦物及其含量分析(圖3), 結果表明, 在平面上, KCl含量在ZK28002孔和ZK28004孔品位較高, 平均品位為 0.19%, 最高值為 0.27%,而位于東北部的鉆孔ZK36002、ZK39205、ZK39203出現 KCl低值, 平均品位 0.11%。縱向上, 含鉀儲層厚度由沉積中心(20.51 m)至邊緣(12.35 m)逐漸減小, 而各孔中固體鉀沉積呈現出周期性波動變化特征, 其含量高值區段分別位于1.00～2.50 m、5.00～7.50 m、9.30～10.80 m、14.10～15.30 m等4個深度區段(圖4)。

圖4 垂向上鉆孔深度及固體KCl含量/%Fig. 4 The depth of the borehole and solid KCl concentration /% in the vertical direction

從以上分析結果可以看出, 儲層中固體鉀在空間上分布具有一定的規律性, KCl含量與含鉀層厚度存在正相關, 含鉀鹽層厚度越大, KCl平均含量越高; 外界補給源對固體鉀分布影響明顯, 越靠近補給源, KCl含量呈持續下降趨勢; 自西向東,KCl整體含量呈持續下降趨勢, ZK28002、ZK28004兩鉆孔位于礦區西南部, 含鉀鹽層厚度較大、鉀鹽品位相對較高。

3.2 開采前后儲鹵層系統變化特征

通過對2004年和2019年巖芯樣品固體鉀含量(<10 m)對比分析(表1), 研究發現, 溶采前, 鉆孔KCl含量最大值出現在鉆孔ZK28004的HJ03樣品(深度1.0～1.5 m)和鉆孔ZK28002的HJ04號樣品(深度 1.5～2.0 m), 其含量均為 0.27%, 與其對應的2019年采集的鉆孔QK28004-1的HJ03-1樣品(深度1.0～1.5 m)KCl含量為 0.09%, 鉆孔 QK28002-1的HJ04-1樣品(深度 1.5～2.0 m)KCl含量為 0.04%;2004年采集的 5個鉆孔中 KCl含量算術平均數為0.15%, 與其對應的 2019年獲取的該 5個鉆孔KCl含量算術平均數為 0.09%。由此可見, 經過15年大規模開采該地區鉀鹽資源后, 儲鹵層中固體鉀礦含量較2004年降低明顯, 降低約40%。水平方向上(圖5), KCl含量均呈現出明顯的降低趨勢, 但是降低幅度表現出不均勻的特點, 其中, 含量高值區段ZK28002和ZK28004鉆孔KCl平均品位較補水前降低了約75%, 相對低值區段的ZK24802、ZK36002孔中KCl平均品位降低了約40%。

表1 2004年和2019年研究區5個鉆孔固體鉀鹽含量變化對比Table 1 Comparison between the solid potash content of five boreholes during 2004 and 2019

圖5 補水前(2004年)后(2019年)水平方向上儲鹵層中KCl含量變化Fig. 5 Changes in KCl content in the brine reservoir before (2004) and after (2019) water replenishment

由于鉆孔 ZK28002(QK28002-1)樣品完整性及數量均優于其他鉆孔, 因此, 本文以該鉆孔為例分析了研究區儲鹵層固體鉀鹽開采前后在垂向上的變化(圖6)。在 2004—2019年開采過程中, 該孔固體鉀鹽溶解率最高為 92.96%, 最低為 37.50%, 平均溶解率達到80.47%。開發前, KCl含量最高值出現在儲層深度1.5 m處, 其含量為0.27%; KCl含量最低值位于儲層15.11 m, 其含量為0.14%。經過多年溶解抽鹵開采, 2019年, 采集同層位巖芯樣品, 與上述對應層位 KCl含量對比, 分別降至 0.019%和0.035%。分析得知, 在整個鉆孔中, KCl含量最高的層位, 其固液轉化率也是最大的。

圖6 鉆孔ZK28002(QK28002-1)開采前后固體鉀礦含量變化Fig. 6 Variation of the solid KCl concentration in ZK28002 (QK28002-1)

孔隙度是衡量地層儲水空間大小的重要指標。由孔隙度測試結果可以看出(圖7), 2011年各鉆孔樣品孔隙度最大值 25.23%, 最小值 13.82%, 平均孔隙度為 19.36%, 與之相對應, 2019年各鉆孔樣品孔隙度最大值29.13%, 最小值12.93%, 平均孔隙度為20.98%?？梢钥闯? 2019年平均孔隙度變化范圍更大, 儲層孔隙度總體呈增加趨勢, 部分鉆孔中樣品孔隙度相比2011年出現了降低的現象。相比2011年, 孔隙度增加的樣品共26件, 其孔隙度增加值為 31.23%。孔隙度減小的樣品 18件, 其孔隙度減小值為12.65%。

圖7 研究區2011年和2019年儲鹵層孔隙度變化Fig. 7 The porosity of brine reservoir in the study area in 2011 and 2019

隨著鹽湖資源開采力度逐漸增大, 儲鹵層中鹵水主要化學組分含量也發生了明顯的變化。從表2可以看出, 研究區液體 KCl平均品位從 2004年的0.65%下降至2019年的0.47%, 鹵水中NaCl濃度也發生了明顯下降, 從 2004年的 12.94%降低至2019年的 7.65%。與前二者相反, 研究區鹵水中MgCl2含量從 2004年的 9.47%增加至 2019年的15.08%。

表2 不同時期鹵水中主要組分含量Table 2 Differences in the main composition of brine in 2004, 2011, and 2019

3.3 綜合分析

霍布遜區段, 自西向東, 固體鉀鹽整體含量呈持續下降趨勢, 這一特征與整個察爾汗地區自西向東由別勒灘—達布遜—察爾汗—霍布遜鉀礦層厚度逐漸變薄的整體變化趨勢是一致的(袁見齊和霍承禹,1981)。察爾汗鹽湖的形成環境是典型的淺水沉積環境, 鹽類沉積是從別勒灘、達布遜、察爾汗、霍布遜發展推進的, 由此造成了各區段含鹽系的剖面不一致的情況。鹽湖鹵水濃縮演化過程中, 遠離鹽湖中心,鹽層沉積厚度變薄、鹵水濃縮程度相對較低, 反之,接近沉積中心, 鹽層沉積較厚, 鹵水濃縮程度相對較高。研究區東部地區為河流補給區, 每年有大量淡、咸水由此進入盆地, 溶解了部分固體鉀礦導致含量降低(楊謙, 1992)。察爾汗鹽湖的沉積模式類似于“淚滴式”(孫大鵬, 1974), 具有別勒灘、達布遜和察爾汗多個沉積中心?？拷练e中心, 沉積環境較為穩定, 鹵水富集濃縮程度較高, 因此含鉀鹽層厚度較大、品位相對較高。

通過對開采前后儲鹵層中固體鉀含量變化分析可知, 固體鉀鹽含量越高, 其固液轉化速率就越快,含量降低幅度就越大, 反之亦然。人工補給的水體由補水渠側向入滲徑流至下游采鹵渠的過程中, 由于儲鹵層孔隙結構存在差異性, 促使水體在高滲透區聚集并快速流動, 而在低滲透區流動緩慢或處于停滯狀態(袁小龍等, 2018)。這一現象說明在補水溶礦過程中, 固液轉化率存在空間不均一性, 孔隙度測試結果、抽水試驗等數據分析成果可以明確判定, 具有高含量KCl的儲鹵層滲透性大于低含量KCl的儲鹵層, 其固液轉化率大于后者。

研究區內固、液相鉀鹽礦的主要載體是固體石鹽層, 固、液相鉀鹽互相轉化, 當鹵水達到一定濃度時, 鉀鹽礦物結晶析出, 與含鉀鹵水共同分布在固體石鹽層孔隙中(吳必豪等, 1986)。鹽層的孔隙度會隨著鹵水濃度變化而發生變化, 當鹵水濃度增高時,部分鹽類礦物析出, 充填在石鹽晶間孔隙中, 導致鹽層孔隙度變小; 而當鹵水濃度降低時, 則會溶解鹽層中的鹽類礦物, 使晶間孔隙增大。通過抽水實驗及鹵水化學分析得知, 2011—2019年間, 大規模抽采鹵水以及人工補水溶礦工程將高礦化度鹵水抽出并將低礦化度水體補給儲鹵層, 導致晶間鹵水礦化度降低, 水位上升, 鹽層中固體鉀鹽等易溶鹽類礦物發生溶解, 使得晶間孔隙逐漸增大。通過孔隙度測試發現, 孔隙度低的樣品中細砂等碎屑礦物明顯高于孔隙度高的樣品。由此可見, 固液轉化過程中, 與鹽類礦物共存的細沙等碎屑物質隨鹵水發生橫向和垂向遷移并在高、低滲透區局部界面位置發生二次堆積, 或遷移至低滲透區而使得該區域儲層孔隙發生淤堵, 從而降低了儲鹵層的孔隙性和滲透性。

多年鹽湖資源開采行為使得低濃度補給水體不斷溶解石鹽層中的固體低品位鉀礦, 并與鹵水混合,鹵水中KCl總含量增加, 而KCl濃度卻由于稀釋作用而降低; 鹵水中 NaCl含量降幅較大, 是由于高NaCl鹵水大量抽取, 低礦化度水體不斷補給, 同層位環境條件下, 石鹽比光鹵石、鉀石鹽溶解緩慢。鹵水中 MgCl2含量逐漸增高, 這與人工補水溶解開采固體鉀鹽過程中老鹵回灌有關。老鹵是鹽田曬鹽后尾端殘余的含高濃度 MgCl2液體, 在鹽湖資源固液轉化開采過程中, 通過將淡水與老鹵以一定比例配制溶浸劑后注入鹽層溶解固體鉀鹽礦, 實現液化開采的目的。

4 結論

本文通過對研究區不同開采時段(2004年、2011年和2019年)鉀鹽含量變化、孔隙度變化以及鹵水組分變化等進行了對比分析, 得出以下結論:

(1)地下鹵水資源大規模開采, 大量高礦化度鹵水被帶出, 低礦化度水體補給儲鹵層, 促進了低品位鉀鹽類礦物的溶解, 增大了儲鹵層的孔隙度。局部區域儲鹵層孔隙度較開發前發生減小的現象。這是由于儲鹵層孔隙性具有空間非均一性, 存在高滲透區和低滲透區, 低濃度水體滲流溶解過程中, 在高滲透區持續溶解而孔隙度增大, 形成滲流通道; 低滲透區中流體相對停滯, 且孔隙發生淤堵, 孔隙度降低。

(2)對比不同時段固、液體KCl含量變化, 其KCl品位均發生了降低, 液體礦 KCl品位下降值小于固體 KCl品位下降值, 原因是低品位固體鉀礦發生了固液轉化, 使鹵水中 KCl總量增加, 但由于混合稀釋作用鹵水中品位 KCl品位表現為下降趨勢; 同時固體鉀礦溶解效率與KCl含量有關, KCl品位越高,溶解效果越好。

(3)鹵水中 KCl、NaCl含量均出現降低趨勢, 主要是由于大量鹵水開采以及低礦化度水體的補給作用, 使得鹵水出現了淡化現象; 鹵水中MgCl2含量明顯增多, 這與開采過程中老鹵(主要成分為MgCl2)回灌有較大關系。

致謝:野外工作過程中得到青海省柴達木綜合地質礦產勘查院李得剛總工程師、謝學光高級工程師等的大力幫助和支持, 項目組馬宗德、馬宏濤、李樹偉參加了本次野外工作; 論文修改過程中, 青海省地質礦產勘查開發局總工程師潘彤、青海省柴達木綜合地質礦產勘查院李東生教授級高級工程師在論文修改過程中提出了很多建設性的寶貴意見。在此一并表示衷心感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Qinghai Scholar Special Project (No. QHS201802), National Natural Science Foundation of China (No. 41807216), Chinese Academy of Sciences (No. ZDRW-ZS-2020-3),Applied Basic Research Project of Qinghai Province(No. 2020-ZJ-765), and The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research (No. 2019QZKK0805).