成盐理论引领我国找钾取得重要进展

郑绵平,侯献华,于常青,李洪普,尹宏伟,张 震,邓小林,张永生,郭廷峰,韦 钊,王绪本,安莲英,乜 贞,谭筱虹,张雪飞,牛新生

1)中国地质科学院矿产资源研究所,国土资源部盐湖资源与环境重点实验室,北京 100037;2)中国地质科学院地质研究所,北京 100037;3)青海省柴达木综合地质矿产勘查院,青海格尔木 816000;4)南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210093;5)中化地质矿山总局地质研究院,河北涿州 072754;6)成都理工大学,四川成都 610059;7)云南省地质调查院,云南昆明 650051

钾盐是工农业重要原料,其中 90%左右用于作钾肥,其他工业等用途约占 10%。我国是一个拥有13亿多人口的农业大国。中国耕地资源与人口基数相比较少,为了保障我国粮食安全和对农产品需求需要不断增加作物的产量,形成了中国特有的化肥高量投入的耕地体系(郑绵平等,2010)。

随着我国经济快速发展,2014年我国钾盐消费量(K2O)达 1099万吨,折合 KCl为 1740万吨(中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会,2014),较 2001年钾盐(K2O)消费量343.5万吨相比,增加了3倍。我国生产的钾肥主要来自现代盐湖的钾盐,多年来钾盐自给率约30%左右。从2008年始,由于市场钾盐价格飙升,推动我国钾盐自给率大幅度提高,如2014年全国钾盐(K2O)产量达到554万吨(中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会,2014),而进口量507.4万吨(中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会,2014),我国钾盐自给率达52%,但与当年全国钾盐(K2O)消费量1099万吨(含工业用钾)(中国无机盐工业协会钾盐(肥)行业分会,2014),我国仍为世界主要钾盐进口国。

世界钾盐相当丰富,但资源和产量集中在少数国家。按钾盐储量(表1):加拿大、俄罗斯、白俄罗斯等为主,三国合计占世界钾盐 89%,其余按钾盐资源储量计,主要分布于美国、土库曼、泰国、老挝、哈萨克斯坦、巴西、以色列、约旦、英国、西班牙、智利国。中国实际探明钾盐储量要低于表 1所列数据。

面对我国钾盐的大宗需求和相对较少的钾盐储量,近几年来,中国地质调查局加大投入,组织相关部门大力协作,取得了钾盐找矿的初步成效。由于中国复杂成盐地质构造条件,在我国找寻古代钾盐的难度很大,成为长期以来找矿的“硬骨头”。中国的国土是由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的,既可与其他大陆对比,又有其特殊性,克拉通化时间也稍晚,多为活动带中的大型中间地块形成的“准地台”,故受周缘造山带较强烈的影响,而新生代高原碰撞成矿作用还相继形成大型陆相和海相盐盆地。

表1 世界钾盐(K2O)储量年变化表Table 1 Annual changes of sylvite (K2O) reserves in the world

图1 梁ZK05、梁ZK02、梁ZK06钻孔沉积对比图Fig.1 Comparative map of sediments from drill holes Liang ZK05,Liang ZK02 and Liang ZK06

上述因素导致中国海、陆相盐盆地成矿构造环境和成盐成钾的某些特殊性:成盐多期性与成盐时代差异性,成盐迁聚性、物质成分多样性、后期变动性与深埋藏、液态矿多和海相盐盆地规模较小以及形成青藏高原晚碰撞以来最年轻的陆相钾盐等基本特征。如何根据我国这些成盐地质特点,探索符合我国地质实际找钾的成功之路,还可能有很长的路要走,本文仅是作者群体在这个努力过程中取得的初步成果,更值得肯定还在将来！现将找钾调查若干新进展介绍如下。

1 柴达木盆地西部深层含钾卤水预测研究

2008—2010年的地质调查工作项目“青海柴达木西部第三系上新统富钾硼锂深循环卤水矿产普查”,其调查的目标层位仅限于“上新统”。

作者通过古气候和盐构造背景研究,认为柴达木盆地西部长期受下降干旱气流的影响,晚新生代以来处于我国西部寒旱中心(郑绵平,2001),推断下第四系(Q1)有成盐找钾前景。基于此,对该区已有钻孔岩心进行了综合研究(郑绵平等,2013b),由北而南选择大浪滩凹陷梁ZK05、梁ZK02和梁ZK06钻孔岩心进行年代学、盐类矿物学、古环境古气候等研究。建立了该区磁性地层年代框架(施林峰等,2010;秦永鹏等,2012),对梁 ZK05孔岩心古地磁测年,推算出钻孔330 m深处的年龄约为2 Ma(施林峰等,2010),该钻从孔深330 m一直到1025 m,岩性均为中粗砂和卵砾石沉积,沉积速率远大于前330 m,因此无法用沉积速率外推法推测钻孔底部1025 m处的年龄,但是,据此结果,可以推测该套砂砾石储卤层的结束年代至少为2 Ma。对梁ZK02孔岩心古地磁测年求得其底部 1000 m处年龄为2.58 Ma,岩性表现为黄褐色、棕红色、灰白色含粉砂粘土,而到梁ZK06孔,其底部1000 m处古地磁年龄为2.1 Ma,岩性为粗粒含粉砂石盐。以上表明,由北部阿尔金山前向南大浪滩干盐湖凹陷中心,岩相由扇三角洲前缘的砂砾逐渐过渡到浅湖的含粉砂粘土(梁ZK02),直至盐湖沉积(梁ZK06)。由此可知,这种新型砂砾层含钾卤水层开始堆积的时代为2.58～2.00 Ma,为Q1早期(图1)。据该调查区地震资料重新解释,在该套厚层砂砾层之下,还有至少一套类似砂砾层沉积,钻孔尚未揭露,容后报导。

由于该区深层含钾卤水(砂砾储卤层)埋藏深度一般在300 m以上,作者通过油田地震资料重新处理-解释-反演,总结砂砾储卤层反射特征,使布钻有充分科学依据。以梁 ZK05孔为例,储卤层段在03y31地震剖面上地震相表现为平均振幅强、频率低,同相轴连续性差,一般呈团块状分布(图2)。据此,连续布置了梁 ZK10、黑 ZK02、察 ZK01、察ZK02、察ZK03等中深钻孔,均收到了很好找矿效果。该新型砂砾层含钾卤水的发现,大幅度扩大了柴西钾盐资源远景,且揭示一种新构造成钾机制。

图2 柴达木盆地西部砂卵砾石含钾卤水层地震反射特征(据青海油田公司2D地震成果,有补充)Fig.2 Seismic reflection characteristics of potassium-bearing brine layer of sand and gravel in the western Qaidam Basin(supplementary after 2D seismic achievements by Qinghai Oil Field Company)

沿北部阿尔金山前从西边大浪滩凹地—黑北凹地,向东直至昆特依凹地,该套储卤层呈条带状分布,在该区先后施工 25个钻孔,“孔孔见矿”。KCl品位在0.31%～1.56%之间,为氯化物型卤水。

据现有工作,初步估算大浪滩凹地 KCl(334)孔隙度资源量1.42亿吨,KCl(333)资源量1.34亿吨,察汗斯拉图凹地 KCl(334)孔隙度资源量 0.34亿吨,昆特依凹地 KCl(334)孔隙度资源量 0.30亿吨,马海凹地KCl(334)孔隙度资源量0.10亿吨,合计3.5亿吨。

2 柴达木砂砾型含钾卤水成矿机制探讨

柴达木盆地位于阿尔金山、祁连山和昆仑山之间,是青藏高原发育的大型中新生代山间盆地。据盆地构造分析表明,柴达木盆地为典型拆离伸展盆地(崔军文等,1999),为岩石圈尺度的大型盆地,其形成主要与沿壳内拆离层和壳慢拆离层的拆离作用有关,其下地壳属于扬子地块,上地壳以塔里木—中朝地块为主。由于早喜玛拉雅山运动的影响,印度板块和欧亚板块相互的碰撞,四周山体不断抬升,中央坳陷盆地主体形成,在盆地西部逐渐形成“高山深盆”的沉积环境(袁见齐等,1983)。在走滑和挤压背景下,柴达木盆地西部形成一系列北西向逆冲断层,由北往南,可见元古代刘家台组(Pt1l)变质岩超覆于古近纪干柴沟组(E3N1g)沉积岩之上,古近纪干柴沟组(E3N1g)又超覆于新近纪油砂山组(N2y)含盐碎屑岩之上(图 3)(张雪亭等,2007),在北部阿尔金山前形成反冲构造,并导致上新世晚期含盐地层在地下与Q1冲洪积砂砾石层接触。

图3 柴达木西部深层含钾卤水调查区地质背景图(据张雪亭等,2007,略有补充)Fig.3 Geological background diagram of the survey area for deep potassium-abundant brine in the western Qaidam Basin (modified after ZHANG et al.,2007)

在第四纪早期,冲洪积砂砾层形成大资源量含钾卤水,为国内外所罕见。据其形成条件,初步分析有两个主要因素:(1)由于柴达木盆地西部长期受下降干旱气流的影响,新生代以来一直处于我国西部寒旱中心,从始新世至新近纪,在柴西不断接受盐类沉积,形成特殊“盐谷”背景,因而,砂砾层具有积聚“盐谷”中分散的盐类有利条件。(2)由于周围高山融水,由高往低沿阿尔金断裂潜入山前地带,常年溶滤 N2沉积的石盐层系而形成卤水,继而进入Q1时期冲洪积砂砾层大孔隙储存。在第四纪长期半干旱-干旱条件下,由于周围山地不断隆升,山前凹陷相对持续沉降,而形成了山前巨厚砂砾型含钾卤水矿。该砂砾型卤水化学特征有别于柴西现代盐湖硫酸镁亚型卤水,又不同于第三系油田水,是一种特殊的高钠、低硫酸根、硼、锂的含钾卤水(图4)。

由此,柴达木西部含钾卤水就包括三种类型:氯化物型(砂砾层含钾卤水)、氯化钙型(第三纪油田水)、现代盐湖型(硫酸镁亚型),前者与后两者的水质和水化学类型不同(表 2),不具有富含锂、硼、溴、碘、氨、锶等特征(付建龙等,2001;谭红兵等,2007;樊启顺等,2007),表明它的形成并非由第三系油田水受西南应力挤压迁移而形成(郑绵平等,2013a);亦非由上部现代盐湖向下渗入而成。

表2 柴达木盆地西部含钾卤水分类与水化学特征(单位:g/L)Table 2 Classification and hydrochemical characteristics of potassium-bearing brine in the western Qaidam Basin(unit:g/L)

图4 柴达木盆地西部砂砾层含钾卤水成因图解Fig.4 Genetic diagram of potassium-bearing brine of sandy gravel bed in the western Qaidam Basin

这种氯化钠型卤水水化学特征,从黑北凹地黑ZK02孔砂砾层含钾卤水野外蒸发实验结果可得到佐证,实验表明,卤水中主要成分为氯化钠,因此氯化钠结晶析出阶段很长(图5),直至光卤石析出。该含钾卤水盐类矿物组合比较简单,这也为将来生产提取工艺带来便利。

图5 Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O四元体系介稳相图Fig.5 Metastable phase diagram of Na+,K+,Mg2+//Cl-H2O quaternary system

图6 砂砾型含钾卤水概要图解Fig.6 Essential diagram of gravel type potassium abundant brine

综上所述,柴西砂砾层含钾卤水的成因机制,可概括如下(图6)。

由于柴西地区有很好的资源条件,近两年求得深层砂砾型新型卤水KCl资源量总计3.5亿吨,已经成为中国地质调查局完成358找钾任务的重点地区。随着勘查评价工作深入,柴西有望成为我国最大钾肥生产地察尔汗可靠的后备资源接替区(中国地质科学院,2015)。

3 滇西南找钾——“二层楼成矿模式”

在 3年前取得滇西南成钾规律认识基础上(郑绵平等,2010,2012),经地球物理和钻探验证,在勐野井矿外围 MK-1井深部中侏罗统花开左组(和平乡组)发现含钾盐层(垂厚70 m)(图7)。

KCl含量0.8%～6%,并以2%～3.6%为主;溴氯系数 0.1～0.6,钾氯系数 15～60;部分系数已达钾石盐沉积阶段。

在大量的地表地质调查基础上,进行了室内盐构造模拟实验,其盐构造演化有以下阶段(图8)。

1)特提斯海相盐层(J2hp)被晚侏罗—早白垩地层覆盖;

2)早白垩末期(K1p),岩盐沿北东东向正断层迁移至地表,以K1p为底板形成蘑菇状盐体;

3)古近纪晚期受强烈挤压作用影响,断层上盘抬升,部分蘑菇状盐体被剥蚀;

图7 勐野MK-1井含钾盐层Fig.7 Potassium-bearing salt bed of Well MK-1 in Mengye

4)断层下盘的残留蘑菇状盐体被古近纪—新近纪沉积覆盖保护形成现今的勐野井矿体。

4 塔里木白垩－第三纪盐盆地钾盐找钾取得实质性进展

通过“油钾兼探”,取得了66个含盐钻孔(累计进尺7万多米)岩屑样品和相应完井报告,羊塔4井发现100 m的钾矿化层位和41 m的钾盐矿层(图9)。

图9 羊塔4井中矿化段含钾盐层组合和岩屑Fig.9 Potassium-bearing salt bed groups and debris in mineralized beds of No.4 Well in Yangta

图10 溶解度随温度和压力变化Fig.10 Solubility resulting from pressure and temperature changes

国外钾盐水采深2000 m为下限,针对我国国情,作者提出探讨大于5000 m深溶采可行性。调查表明,中盐重庆长寿盐化工业有限公司钻井水溶采盐采用定向对接连通法,采盐最大深度为 3188 m,是目前国内在产最深钻井。山东黄河三角洲盐矿化工有限公司在建700万m3/年NaCl采输卤及地热能综合利用项目正在施工中。设计采盐深度3900 m,最大可到4300 m,是目前国内在建最深钻井。通过对钻井水溶开采盐矿资料综合分析,由于在＞30℃的温度条件下,氯化钾溶解度比氯化钠溶解度还大(图10),目前,首先进行室内模拟实验,着手部署在库车凹陷5200 m钻井水溶开采钾盐矿可能性研究工作。

5 开拓上扬子盆地找钾新方向

上扬子三叠纪蒸发岩系是一种特殊的多级次盐盆地成钾模式,它既是扬子盆地系最后的浓缩盐盆地,又是四周多源海水频繁补给的次盆地(图11)。并且位于构造准稳定区,成盐后期构造变化大,因而具有特殊的成钾特点:

1)中浅部多为溶滤液体矿,全盆地储卤层面积达13万km2以上,其中已知储卤构造159个,卤水可采资源量 109亿 m3以上,推测其钾资源量巨大(郑绵平等,2010)。近期分别对川中、川西南等7个地区的 13个储卤构造的富钾卤水矿进行资源量评估,获富钾卤水资源量 32.60亿方,氯化钾(KCl)资源量4916.93万吨。

图11 四川盆地三叠纪岩相古地理略图(据郑绵平等,2010,补充)Fig.11 Triassic lithofacies paleogeographic scheme of Sichuan Basin (modified after ZHENG et al.,2010)

2)含钾盐系在大部地区淡化-咸化频繁;

3)在上扬子中东部和西南局部地区,产出巨量准可溶性杂卤石矿石(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)。

四川杂卤石钾资源量(K2O)计算公式为:Q=A×H×D×8%;其中分区面积 A:各区最外的见矿钻井直线连接线为边界所圈定的面积值;矿体厚度H:见矿单井所见矿层的累计厚度;矿石比重D:2.7;K2O含量:8%(表3)。

表3 四川盆地杂卤石资源估算表Table 3 Resource estimation of polyhalite in Sichuan Basin

表4 杂卤石在水中的平衡液相组成Table 4 Balanced liquid phase compositions of polyhalite dissolved in water

表5 随温度变化的温度系数值Table 5 Temperature coefficient values changing with the temperature

图12 温度对杂卤石中钾溶解度的影响Fig.12 Influence of temperature on solubility of potassium in polyhalite

图13 杂卤石在水溶液中的Ksp随压力的变化关系Fig.13 Relationship between Ksp of polyhalite in aqueous solution and pressures

为杂卤石的开发利用和研究富钾卤水的成因联系,本项目进行了多年的杂卤石不同温压下的系列溶解行为研究和开发前期实验(表4,5)。计算了高温高压下杂卤石的溶解平衡常数,研究表明,高温高压有利于杂卤石中钾的溶解(图12,13)。

通过实验说明,CaCl2等溶剂对杂卤石溶解能力高于水(表 6)。实验条件为:固液比 1:1,反应时间48小时,反应温度105℃。

通过勘查和与当地矿业公司合作表明,赋存于石盐中的杂卤石有利于富钾卤水的形成;在溶采动力作用下,分散状杂卤石易溶于水中(图14)。

川东富钾卤水的勘探开发有新的突破。据四川恒成公司取得的恒成 7井的岩芯,发现含钾盐杂卤石 层;利用恒成1井和2井,采用注水方式,获得富钾卤水(表7)。四川佰瑞德矿业有限责任公司多年来对深部杂卤石进行试采,据称所用杂卤石溶剂有所突破。

表6 不同溶浸剂对液相组成的影响Table 6 Influence of different leaching agents on liquid phase composition

图14 杂卤石在石盐中的赋存状态Fig.14 Modes of occurrence of polyhalite in halite

图15 陕北盐盆中奥陶纪马五6亚段沉积期古构造图及下伏断裂(李明等,2010;张永生等,2013)Fig.15 Paleotectonic map of O2m56 stage in northern Shaanxi Salt Basin and the underlying faults(after LI et al.,2010;ZHANG et al.,2013)

表7 川东富钾卤水的组成Table 7 Composition of potassium-abundant brine in East Sichuan Province

以上表明,通过不懈的努力,四川盆地富钾卤水和巨量杂卤石具有开发利用前景。

6 陕北盐盆海相找钾取得重要进展,找钾靶区范围进一步缩小

2006年和2011年在陕北盐盆先后施工钾盐科探井2口(绥探1井和绥钾1井),分别钻获1.22 m达边界工业品位的钾石盐矿层(KCl含量2.00%～5.74%)(郑绵平等,2010;袁鹤然等,2010)和64.7 m 的厚层钾石盐高矿化段(KCl含量0.2%～2.37%)(张永生等,2014),取得了陕北找钾的重要进展。陕北盐盆到底能否找到海相大型固体钾盐矿床呢？近期地球物理资料最新解释成果表明:陕北盐盆含钾目的层中奥陶统马五 6亚段沉积期总体表现为“两坳夹一隆”的构造分异格局,次级成盐凹陷有5个,揭示陕北盐盆既不是“平底锅”,也不是单一的“尖底锅”,而是由多个次级凹陷组成的“复底锅”(图15)(张永生等,2013)。

鄂尔多斯盆地航磁异常解译表明,鄂尔多斯盆地基底陆核分布及其与蒸发盐盆耦合关系研究表明,鄂尔多斯盆地基底沿着大同—环县断裂分为两部分,至少存在两个陆核,即北部的伊盟陆核和南部的米脂陆核(Wang et al.,2014),陕北盐盆地与米脂陆核具有很好的耦合关系。陕北盐盆次级凹陷的延展方向与某些基底和盖层断裂呈现很好的一致性,尤其是与通过地震解译的断裂在位置和走向上几近一致,推测盐盆地中的次级凹陷还受到基底和/或盖层断裂的控制,盖层中同生断裂的活动可能有利于后期(含钾)卤水的迁聚,含钾凹陷分布在米脂陆核东南缘相对活动的绥德—子洲一带,有利成钾区范围已从全盐盆5.6万km2大幅缩小至2000 km2(图16)(张永生等,2014)。

图16 陕北盐盆奥陶纪马家沟组五段6亚段有利成钾区预测图Fig.16 Prognostic map of favorable potash deposit area in the O2m56sub-member of Ordovician,Northern Shaanxi salt basin

7 几点认识

总之,本计划项目实施过程中,充分调动了我国相关的找钾力量,采取“油钾兼探”技术路线,实行产学研相结合、多学科联合攻关,在统一学术思想指导下,密切联系中国地质实际情况,重视实地调查、采集第一手资料并同实验研究相结合,在此基础上,创建了适合中国地域特色的成钾理论框架。实际工作中始终遵照找钾研究—工程勘探—实验一体化原则。

基于柴西新近纪—第四纪盐谷的成盐观点,引领该区新型砂砾层含钾卤水大资源量的发现,揭示该区 Q1-N2有较大钾资源潜力,现已成为中国地质调查局实现“358”钾盐储量重点靶区之一,并有望成为我国最大钾盐矿山察尔汗的后备基地。本项目深入实际调查和实践,发现了大量新的科学问题和疑点,并从中国成盐地质构造实际出发,不为国内外传统成钾观点所限,通过调研提出滇西南勐野井成钾时代为中侏罗统的“二层楼成钾模式”,并得到钻探初步验证;通过岩屑录井发现库车凹陷古新统厚大钾盐矿层,并打破国外钾盐水采下限2000 m深的禁区,开展深层钾矿层试采研究;推进上扬子盆地富钾卤水和巨量杂卤石的应用研究新进展等,使长期困扰我国海相钾盐找矿难题崭露突破的曙光。对于我国急缺矿产找矿研究有一定的启发意义。

致谢:本项目贯彻“油钾兼探”过程中，承蒙中石油青海油田、塔里木油田、长庆油田、西南油气田、中石化四川南方分公司及中国盐业总公司等部门的大力支持;胡见义、胡文瑞、赵文智、孙龙德、苏义脑、康玉柱、马永生等院士热忱相助,在此一并表示由衷的感谢！

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