深层地下卤水的基本特征与资源量分类

周 训

（1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.地下水循环与演化教育部重点实验室(中国地质大学(北京))，北京 100083）

富钾地下卤水多分布在一些含盐盆地的深层储卤层中，例如四川盆地、柴达木盆地西部和江汉盆地江陵凹陷的深层地下卤水，是调查、研究和开发钾矿资源的重要对象。近年来，中国开展国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“中国陆块海相成钾规律及预测研究”和中国地质调查项目“钾盐资源调查评价”，在全国范围内进行钾盐资源调查评价和研究工作，其中沉积盆地深层富钾地下卤水的资源量数据令人关注。深层地下卤水的资源量评价是一项难度大和探索性很强的工作，前人借鉴浅层地下水资源评价方法或者石油、天然气资源评价方法进行计算，研究取得了一定的进展［1～3］。由于地下卤水多是在石油、天然气勘探时发现的，即使是专门勘探富钾地下卤水，由于卤水埋藏深导致勘探费用昂贵，或者是地下卤水分布于西部偏远地区，再加上地下卤水分布、储集和富集的复杂性，致使地下卤水的勘探研究程度不高，对地下卤水资源量评价和预测方法的研究相对薄弱。对深层地下卤水资源的特征和资源量分类的认识模糊不清，也在一定程度上影响着地下卤水资源量评价研究的发展。本文从卤水的定义和分类出发，简要总结沉积盆地深层地下卤水的基本特征，在分析地下卤水资源的属性和构成的基础上，提出深层地下卤水资源量的分类方案。

1 卤水的定义与分类

卤水，是一种高总溶解性固体和富含一些微量组分的液体，可以用于制盐和提取溴、碘、锂、锶、钡、硼、钾、铯、铷等物质。在20世纪50年代前苏联学者把总溶解性固体大于等于50 g/L的水称为卤水，美国学者Carpenter在1978年把总溶解性固体大于等于100 g/L的水称为卤水［4］，中国学者考虑到正常海水的总溶解性固体(约35g/L)和海水蒸发到石膏开始沉淀的总溶解性固体(约145～150 g/L)和石盐开始沉积的总溶解性固体(约330～335 g/L)，把大于35 g/L的水称为卤水［1］。现在，人们逐渐趋向于接受如下按照总溶解性固体的分类:总溶解性固体小于1 g/L的水为淡水，1～＜10 g/L为微咸水，10～＜35 g/L为咸水，35～＜150 g/L为淡卤水，150～＜330 g/L为浓卤水，大于330 g/L为饱和卤水，而把总溶解性固体大于等于35 g/L的水统称为卤水［5］。

卤水常见的分类是按照埋藏条件的分类，可以分为地表盐湖卤水和地下卤水两大类。地表盐湖卤水分布在一些干旱地区的湖泊中，例如，柴达木盆地察尔汗盐湖的达布逊湖水总溶解性固体高达300 g/L以上［6］，美国犹他州的大盐湖也分布有大量的盐湖卤水。地下卤水分布于地表以下的岩石或沉积物中，又可以进一步分为浅层地下卤水和深层地下卤水。浅层地下卤水分布在地表以下直至数百米深的沉积物或储卤层中，包括(1)盐湖附近盐类沉积物中的晶间卤水，例如柴达木盆地察尔汗盐湖晶间卤水［7］，(2)海岸带地下卤水，例如山东莱州湾沿岸第四系地下卤水［8］，(3)沉积盆地浅部储卤层中的溶盐卤水和盐泉，它们的共同特点是或多或少地参与自然界的水循环。深层地下卤水是指分布于沉积盆地深部(通常数百米至数千米深)储卤层中的卤水，例如四川盆地中部的深层地下卤水和江汉盆地江陵凹陷的深层地下卤水，其特点是处于深埋、封闭状态，不参与自然界的现代水循环。

地下卤水按盐分的形成大体上分为同生沉积卤水和溶盐卤水两大类。同生沉积卤水是指大体与沉积物沉积时同时生成并保留下来的地下卤水，包括海相同生沉积卤水和陆相同生沉积卤水［9］。海相同生沉积卤水分布于海相地层中，来源于古海水，又以分布于海相蒸发岩中的卤水为常见，是古海水经过蒸发浓缩在蒸发岩沉积后残留下来的卤水，通常称为蒸发岩卤水。陆相同生沉积卤水分布于陆相地层中，来源于古大气降水。溶盐卤水是指大气起源的淡水入渗到含盐岩系中并溶滤可溶盐分形成的卤水，通常参与现代水循环。深层地下卤水多是同生沉积卤水。

2 深层地下卤水的基本特征

(1)分布特征

深层地下卤水多分布于大中型沉积盆地内的沉积物中，包括固结的沉积地层如碳酸盐岩、砂岩和少量火山岩等，以及松散的沉积物如砂、砂砾石等，通常有不透水的沉积地层覆盖在储卤层之上。沉积盆地在构造上处于一个相对稳定的区域，在地形上处于封闭或半封闭的低洼洼地，有利于各类沉积物的沉积和卤水的保存，在不同的地质历史时期出现的干旱、半干旱气候条件有利于高总溶解性固体卤水的形成，处于相对稳定的蒸发、浓缩、变质的还原环境有利于深层卤水的咸化。中国的四川盆地、江汉盆地和柴达木盆地西部等，美国的Michigan盆地、Illinois盆地和Palo Duro盆地以及加拿大的 Alberta盆地，都分布有深层地下卤水［10～11］。在一些沉积盆地内深层地下卤水常与石油、天然气或固体盐类矿产伴生。

(2)埋藏特征

沉积盆地内不同时代的储卤层受隔水层的分隔而多呈近似平行叠置。在四川盆地，地下卤水分布在自震旦系至白垩系的21个储卤层中。深层地下卤水处于深埋(地面以下几百米乃至几千米)、封闭和高压(几百个大气压或几十个兆帕)下，一部分钻井揭露储卤层时卤水能自流出地表。四川盆地老关庙储卤构造的关基井在井深5778～5801 m处揭露三叠系下统嘉陵江组第五段(T1j5)碳酸盐岩储卤层时自溢卤水，原始地层压力82.98 MPa，卤水初始最大自流量1728 m3/d。江汉盆地江陵凹陷某深井在井深3581 m附近钻达古近系新沟嘴组(Es)碎屑岩时喷涌富钾卤水，井口压力约30 MPa，卤水初始自流量4320 m3/d。柴达木盆地西部油墩子附近的ZK01井在井深474～1200 m处揭露新近系3层碎屑岩储卤层，地下卤水也能自流出井口。

(3)储集特征

地下卤水储集在沉积盆地内沉积物的空隙中，碳酸盐岩和碎屑岩是常见的储卤层。储卤层中的空隙既有原生的孔隙，也有次生的裂隙和溶穴，包括微孔隙和微裂隙。孔隙有粒内孔隙、粒间孔隙、晶间孔隙，溶穴有溶孔、溶隙、溶洞等，其中溶孔有粒内溶孔、粒间溶孔、晶间溶孔、针孔状溶孔等。储卤层中众多的微孔隙和微裂隙对地下卤水的储集有着重要的意义。例如，在四川盆地邓关储卤构造的三叠系中下统碳酸盐岩储卤层中平均孔径为0.146 mm的微孔隙占孔隙总数的95.4%，这类孔隙的岩样平均孔隙度为6.419%［1］。深埋的地下储卤层呈现低孔隙度、低渗透率的特点。在四川盆地大多数碎屑岩储卤层平均孔隙度为5.4%、渗透率小于0.01 μm2，碳酸盐岩储卤层岩样平均孔隙度小于 2.0%、渗透率小于 0.001 μm2［12］。储卤层和隔水层在沉积盆地中多呈层状展布。

(4)富集特征

深层地下卤水在有利的构造部位进一步富集，使得分布于储卤构造内的地下卤水具有实际的开采意义。这是因为在构造部位裂隙相对发育，不仅为地下卤水的富集提供了储存空间，而且也改善和提高了储卤层空隙的连通性。卤水富集的主要构造部位包括:①背斜圈闭范围，背斜构造通常是地下卤水相对富集的部位，构成背斜储卤构造；②断层带，断层在一定宽度和深度范围内产生断裂带，在岩层中形成了隙宽和密度均很大的裂隙带，有利于地下卤水的富集；③背斜与断层交汇带，在背斜构造上发育的断裂带，通常是地下卤水富集的重要地带；④断层与断层交汇带，两组断裂构造的交汇处，裂隙异常发育，常常是地下卤水富集的部位［3，13］。例如，位于四川盆地中部的蓬莱镇、龙女寺、磨溪等背斜储卤构造，揭露储卤构造内三叠系上统须家河组深层砂岩储卤层的钻井获得不同程度的卤水。在四川盆地自流井背斜储卤构造中［14］，在背斜的东北翼发育有黄葛坡断裂带，在该储卤构造的70%的卤水开采井大体上呈线状集中分布在此断裂带上，其产量占整个储卤构造总产量的74%。

(5)水动力特征

沉积盆地深层地下卤水在天然条件下处于停滞状态，不同储卤层之间和不同储卤构造之间无水力联系。上覆巨厚沉积地层的地静压力作用等致使卤水具有很高的测压水头，钻井揭露后多能自流出地表。例如位于四川盆地西部的平落坝背斜储卤构造的平落4井揭露三叠系中统雷口坡组第四段(T2l4)碳酸盐岩储卤层富钾卤水，测得储卤层中部埋深4515 m处原始地层压力91.79 MPa，井口标高821 m，卤水密度1.23695 g/cm3［15］，取重力加速度常数为 9.81 m2/s，折算储卤层初始水头高度为7564 m，换算成海拔高程为3870 m，高出地面3049 m。巨大的卤水水头使一些卤水井长期自流。例如位于四川盆地中部的蓬莱镇背斜储卤构造的蓬基井揭露三叠系上统须家河组第四段(T3xj4)砂岩储卤层地下卤水，自1959年起自流生产卤水达30余年。

(6)水化学和物理特征

深层地下卤水具有高总溶解性固体，且总溶解性固体变化较大，达35～＞400 g/L，常见为35～330 g/L，通常是海水总溶解性固体的数倍［16～17］。在阴离子中，Cl-是所有地下卤水中最主要的阴离子，在地下卤水中含量很低，含量更低；在阳离子中，Na+是地下卤水含量最高的阳离子，Ca2+通常是含量位居第二的阳离子，K+、Mg2+含量相对较低。随着卤水总溶解性固体的升高，Na+的相对含量逐渐降低，Ca2+的相对含量逐渐增高，当总溶解性固体达330～350 g/L以上时，卤水中阳离子以Ca2+为主，Na+已很少［5，18］。地下卤水富含多种微量组分(例如 Br-、I-、Sr2+、Ba2+、B3+、Li+等)。也存在少数富 K 卤水的特殊情形，例如四川盆地东北部川25井卤水K+含量达25.955 g/L，西部平落坝储卤构造平落4井揭露的地下卤水K+含量高达53.267 g/L［19］。地下卤水具有工业利用价值，可以从卤水中提取石盐及 Br、I、Sr、Ba、B、Li、K 等有用组分，因而是一种液体矿床［20］。

沉积盆地深层地下卤水具有较高的温度，多为30～80℃，少数近100℃，密度多达1.025～1.25 g/cm3。卤水的颜色以黄色和黑色居多，四川盆地三叠系上统须家河组第二段(T3xj2)、第四段(T3xj4)和第六段(T3xj6)砂岩储卤层卤水为黄色(黄卤)，柴达木盆地西部和江陵凹陷的新近系、古近系碎屑岩储卤层中的卤水也呈黄色，而广泛分布于四川盆地三叠系下统嘉陵江组和中统雷口坡组碳酸盐岩储卤层的卤水为黑色(黑卤)。

(7)形成机理

深层地下卤水通常为同生沉积水起源，包括海相同生沉积水和陆相同生沉积水起源，前者起源于(古)海水，后者起源于(古)大气水，其年代应与沉积物沉积的时代相当。或者存在不同起源水的混合。海相同生沉积水起源的卤水δ2H、δ18O数据点在δ2H-δ18O关系图上多落在SMOW的右下方或右侧，陆相同生沉积水起源的卤水δ2H、δ18O数据点多落在全球大气降水线的右下方［5，17，21～23］。

沉积盆地深层高总溶解性固体地下卤水的主要形成机理有蒸发浓缩作用和隔膜渗滤作用，也可能存在它们的混合情形［5］。海水在沉积盆地海相蒸发岩沉积过程中残留下来形成的蒸发岩卤水来源于海水，原始沉积环境为蒸发环境，随着海水的蒸发浓缩，残留卤水的总溶解性固体逐渐升高，盐类矿物按照碳酸盐、硫酸盐、氯化物盐类的次序依次沉积并形成蒸发岩，残留的卤水被埋藏封存起来。蒸发岩卤水是一种常见的海相同生沉积卤水，例如四川盆地三叠系中统雷口坡组和下统嘉陵江组碳酸盐岩储卤层中的黑卤。在缺乏蒸发岩的沉积盆地陆相地层中也分布有总溶解性固体较高的卤水，隔膜渗滤作用被认为是这种卤水形成的一种机理［24］，即沉积地层中的页岩、泥岩可以起到一种弱透水的地质隔膜作用，当水通过泥岩、页岩时，水中的化学组分被不同程度地阻留下来，使得进水一侧水的总溶解性固体逐渐升高。四川盆地三叠系上统须家河组第二段、第四段和第六段砂岩储卤层中的黄卤很可能是这种卤水的例子［5，16，25］。

(8)开采动态特征

地下卤水的开采历史已极其久远，在四川盆地自贡地区凿井采卤的历史可以追索到2000多年前。深层地下卤水的开采动态总体上呈衰减状态。单井卤水开采量不很大，开采时间比较长。如果是自喷井生产卤水，在初期和前期自喷流量比较稳定。长期开采会导致储卤层压力或水头大幅度降低，卤水资源趋于枯竭。虽然卤水的水化学组分在长期的形成和演变过程中是不断变化的，但是在人为开采卤水的数十年至数百年内，其水化学组分和物理特征几乎是不变的。四川盆地邓关储卤构造自1959年起大规模开采三叠系中统和下统碳酸盐岩储卤层中的黑卤，卤水的总溶解性固体、离子组分含量和颜色、密度等几乎不随时间发生变化［1］。

(9)资源特征

深层地下卤水是一种高总溶解性固体和富含一些微量组分的液体矿产资源，具有宝贵性。四川盆地中部蓬莱镇储卤构造的蓬基井自1959年起开采利用地下卤水，至2009年共采卤水768×104m3，生产食盐118 ×104t，二水氯化钙 30 ×104t，硫酸钡1.8 ×104t，溴素1.0×104t，碘素150 t，取得了显著的经济效益和社会效益［26］。

深层地下卤水由于处于深埋、封闭状态，不参与现代水循环，因此没有补给资源，不能补充恢复，不具有可恢复性和可更新性。深层地下卤水由于储卤层的分布空间大而具有较大的储存资源，这是经过漫长的地质演化后保留在储卤层中的，不受现代水循环的影响。储存资源包括弹性储存资源和非弹性储存资源(容积储存资源)。

深层地下卤水的开采资源由储存资源转化而来，包括部分弹性储存资源，或者部分弹性储存资源和部分非弹性储存资源。深层地下卤水资源由于只有储存资源没有补给资源，储存资源起不到调节作用，因而不具有调节性。在开采条件下深层地下卤水的储存资源逐渐减少趋于衰竭。例如，四川盆地自流井构造自公元六世纪至1990年共开采地下卤水约6.8×108m3［27］，卤水资源接近枯竭。

3 深层地下卤水资源量的分类

地下水资源的一种分类是将地下水资源分为补给资源、储存资源和可采资源。补给资源和储存资源是地下水系统天然存在的，属于天然资源。补给资源是一个地下水系统在一定时期(通常为一年)内获得的补给量，天然条件下在多年时间里每年获得的补给量与每年的排泄量接近相等。补给资源使地下水系统具有可恢复性和可更新性。储存资源是一个地下水系统内长期积累和保存的水量，取决于地下水系统的分布空间和储水、导水能力。储存资源使存在补给资源的地下水系统具有可调节性。可采资源是在一定的技术经济和环境条件下能够从地下水系统中开采出来的水量。可采资源并不是一个地下水系统独立存在的，而是由补给资源和(或)储存资源转化而来的。

地下卤水是一种特殊类型的地下水。深层地下卤水没有补给资源，只有储存资源，其开采资源是由储存资源转化而来的。显然，深层地下卤水的储存资源是天然存在，可以称为天然储存资源量，简称天然资源量，或者远景资源量或潜在资源量［3］。其中在一定的技术经济和环境条件下能够开采出来的卤水天然储存资源量称为可采资源量，简称可采量；其余为非可采量。可采量可以分为已采的资源量(已采量)和尚未开采的资源量(剩余可采量)，前者已被开采出来，后者有待开采。储集在储卤层中的地下卤水储存资源量可以分为弹性储存资源量和非弹性储存资源量，前者是水头降低后能从储卤层中弹性释放出来的，后者是重力作用下可以释放出来的，包括容积(体积)储存资源量。可采量可以小于弹性储存资源量，也可能大于弹性储存资源量而包含一部分非弹性储存资源量。另一方面，深层地下卤水分布于较大的沉积盆地内，并在局部储卤构造富集。另外，在盆地的一些区域内，或者局部储卤构造内，有时只有一个或若干单个钻井揭露地下卤水并加以开采利用。考虑到深层地下卤水的分布和开采状况，深层地下卤水资源量又可以分为盆地(区域)的、储卤构造(局部)的和单井的资源量三个层次。综上所述，深层地下卤水资源量的分类可以用图1表示。

图1 深层地下卤水资源量分类示意图Fig.1 Schematic diagram showing the classification of subsurface brine resources in deep-seated aquifers

图1中各类地下卤水资源量都可以用两个英文字母的组合来表示，其含义说明如下。

A×L:盆地(区域)的地下卤水天然(储存)资源量；

B×L:盆地(区域)的地下卤水可采(资源)量；

C×L:盆地(区域)的地下卤水非可采(资源)量；

D×L:盆地(区域)的地下卤水已采(资源)量；

E×L:盆地(区域)的地下卤水剩余可采(资源)量；

W×L(或Y×L):盆地(区域)的地下卤水弹性储存资源量；

X×L(或Z×L):盆地(区域)的地下卤水非弹性储存资源量；

A×J:储卤构造(局部)的地下卤水天然(储存)资源量；

B×J:储卤构造(局部)的地下卤水可采(资源)量；

C×J:储卤构造(局部)的地下卤水非可采(资源)量；

D×J:储卤构造(局部)的地下卤水已采(资源)量；

E×J:储卤构造(局部)的地下卤水剩余可采(资源)量；

W×J(或Y×J):储卤构造(局部)的地下卤水弹性储存资源量；

X×J(或Z×J):储卤构造(局部)的地下卤水非弹性储存资源量；

B×K:储卤构造内单井地下卤水可采(资源)量；

D×K:储卤构造内单井地下卤水已采(资源)量；

E×K:储卤构造内单井地下卤水剩余可采(资源)量；

B×M:盆地内(储卤构造外)单井地下卤水可采(资源)量；

D×M:盆地内(储卤构造外)单井地下卤水已采(资源)量；

E×M:盆地内(储卤构造外)单井地下卤水剩余可采(资源)量。

4 结论

深层地下卤水具有不同于浅层地下水的一些特点。深层地下卤水多分布于沉积盆地内，处于深埋、封闭和高压状态，无补给资源，不具有可恢复性和可更新性；具有较大的储存资源，不具有调节性。深层地下卤水具有高总溶解性固体和富含一些微量元素而具有开采利用价值。深层地下卤水的开采资源由储存资源转化而来，在开采条件下储存资源逐渐减少趋于衰竭。

深层地下卤水资源量可以分为盆地(区域)的、储卤构造(局部)的和单井的三个层次的资源量，包括天然资源量、可采资源量、剩余可采资源量等。了解深层地下卤水的基本特征和深层地下卤水资源的基本属性，并对深层地下卤水资源量进行合理分类，有助于认识地下卤水分布区的水文地质条件并进行合理概化，从而选择不同的适当的评价方法评价和预测计算不同类型的地下卤水资源量。

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