刚果(布)钾盐矿床晶间卤水赋存特征及成因分析

雷亚萍

(中国煤炭地质总局第三水文地质队，河北 邯郸 560001)

0 引 言

刚果(布)钾盐矿为固体矿床，位于大西洋两岸的南美洲巴西和非洲刚果—加蓬钾盐盆地，形成于南美与非洲板块裂开初期即大西洋开始打开时，盆地内蒸发岩大致沿大西洋两岸呈狭长分布。介于保护环境和矿井安全双重因素，开采方法采用房柱式，对顶板隔水层有一定影响，顶板隔水层的沉降变形较为均匀，水平变形和倾斜变形值不大，矿井在该开采方法下面临的直接充水水源为钾盐矿层晶间卤水，晶间卤水的存在对旱采固体矿井形成水害，影响开采正常进行。2010-2015年在该区进行水工环专项勘探过程中，钻孔进入盐岩地层后，多个钻孔出现晶间卤水涌水现象，分析晶间卤水的赋存特征，分析汇集规律，为矿井防治水措施的制定提供地质及水文地质依据。

1 地质及水文地质条件

刚果(布)成盐盆地范围较广，北起喀麦隆，南至安哥拉，自东向西由大陆边缘一直延伸至大西洋海底，形成了一个近南北向带状分布的巨型单元，见图1。从晚侏罗世冈瓦纳大陆分裂开始，盆地主要经历了晚侏罗世-早白垩世巴列姆期的裂谷阶段、早白垩世阿普第期的过渡阶段和早白垩世末期-新近纪的漂移阶段三个构造演化阶段，自下而上发育裂谷期的陆相河流-三角洲-湖相层序(裂谷层系)、过渡期的盐岩层序(过渡层系)、漂移期的浅海碳酸盐岩和深水碎屑岩层序。根据区域地质沉积特征，过渡期标志着从陆相环境逐步向海相环境转变，形成了裂谷层序与过渡层序之间的区域性不整合，后期大陆破裂，受维尔维斯脊的影响，南侧海水周期性涌入刚果(布)盆地，广泛发育蒸发盐岩，其原始沉积厚度一般可达1 000 m。

图1 研究区遥感地质图

1.1 地 层

刚果(布)钾盐矿床南部矿段位于非洲西部，刚果盆地中部，新生代地层广泛分布，该区东部为马永背山脉，出露元古界变质岩地层，中生代地层区内在东北、东南马永背山一带零星出露。区域上发育地层有古元古界、中元古界、新元古界、白垩系、新近系、第四系。钾盐矿即赋存于白垩系地层中部。该区盐矿床为钾盐矿和石盐矿共生矿床，矿床顶板埋深介于260.65～285.50 m之间，顶板岩性为硬石膏岩，局部为白云岩、沥青页岩；底板埋深介于826.20～909.30 m之间，底板岩性主要为沥青页岩，局部有少量硬石膏岩。矿层呈光卤石岩和石盐岩互层状、韵律状分布，夹沥青页岩薄层，局部见有水氯镁石岩。

1.2 构 造

1.2.1 断层

研究区属于断陷盆地，在盐类沉积形成之后，构造运动不强烈，主要以沉降为主，仅发育小的断裂、层间揉皱及溶腔等。南部矿段共解释断层55条，断层倾角较陡，大于60°；断层规模普遍较小，部分断层在地震时间剖面上反应异常特征不明显。白垩系的断层，总体以走向北西、倾向东为主，断层走向延伸较小。盐岩层顶部断层断穿层位较少，从第四系到白垩系，倾末于白垩系盐I段盐岩层内，断层走向以北西向为主，倾向以南西向为主。

1.2.2 褶皱

研究区位于刚果滨海成盐盆地的中部，该盆地自东向西，由大陆边缘一直延伸至海底，总体上呈一单斜构造，由北东向南西倾。岩层内无大的褶皱，仅石盐岩或光卤石岩由于局部应力作用或塑变，形成小的褶曲或挠曲。

1.3 水文地质条件

根据含水介质及埋藏条件将该区含水层总体划分为3层，分别为第四系-新近系孔隙、裂隙含水层，白垩系岩溶含水层和白垩系晶间卤水。

1.3.1 第四系-新近系孔隙、裂隙含水岩组

第四系-新近系孔隙、裂隙水补给来源主要为大气降水和河流渗漏补给，受地形地貌控制，地下水自盆地边缘向奎卢河及其支流汇集，大部分进入奎卢河后排向大西洋，部分由于人类活动取水而开采，少部分被蒸发。

1.3.2 白垩系碳酸盐岩岩溶含水岩组

白垩系碳酸盐岩岩溶含水岩组总体与地层倾向一致，由北东部与马永山山前断裂侧向接触，向南西倾斜进入大西洋中尖灭。水主要补给来源主要为北东部马永背山山前大断裂侧向补给，由北东部侧向南西径流汇集，最终排向大西洋。

1.3.3 白垩系晶间卤水

白垩系晶间卤水多为蒸发浓缩残余卤水，局部有因构造或凹陷等富集封存，多为静储量，因岩石致密完整，地下水径流通道不畅，一般不存在径流运动，天然状态下不排泄，当钾盐矿为人工开采后于井巷排泄。

2 晶间卤水的形成条件

位于大西洋两岸的南美洲巴西和非洲刚果—加蓬钾盐盆地，形成于南美与非洲板块裂开初期即大西洋开始打开时，盆地内蒸发岩大致沿大西洋两岸呈狭长分布，沉积物以同生沉积为主。随着非洲大陆漂移引起地面不断沉降变化，大西洋高浓度海水不断补给，周而复始，因此形成了石盐—钾镁盐的韵律性沉积，每一次沉积韵律代表一次岩性周期变化，这是一个正常的海退式沉积旋回特征。由于海水变化，也出现钾镁盐在下，石盐在上的逆向沉积，当处于海侵期，海水入侵沿有利构造部位汇集并溶解围岩中的盐分而形成的矿化度较高的卤水，通常也赋存于石盐晶间孔隙中。

根据含盐地层勘探过程成果，钻井液消耗异常部位对应岩芯编录，晶间卤水段岩性多为石盐岩，岩芯致密完整，仅局部石盐岩具溶蚀迹象，重结晶颗粒增大，为晶间卤水提供了赋存空间。测井解释晶间卤水赋存段自然电位负异常，视电阻率中高值，认为晶间卤水段岩性为石盐岩和光卤石岩。

3 晶间卤水分布特征

3.1 平面分布特征

为查明研究区晶间卤水赋存及分布，采用瞬变电磁法和EH4综合探测，对野外探测电阻率对比分析，获得了5个区块晶间卤水富水异常区分布成果图，分别为Ⅳ-2号顶板、Ⅳ-2号矿层、Ⅳ-2号底板至Ⅲ-11号矿层、Ⅲ-11号矿层顶板至Ⅲ-10号矿层底板及Ⅲ-10号矿层底板，平面上主要分布于北东部和南部，西部基本不发育，见图2。

3.2 垂向分布特征

将勘探钻孔涌水层段进行对比，见图3。可知晶间卤水自Ⅳ-2号矿层顶板至Ⅲ-10号矿层均有赋存，晶间卤水赋存层段需通过综合对比钻探和测井解释加以分析，比如BS-5号钻孔钻探过程中几乎无涌水情况，抽水试验中仍赋存一定地下水，测井解释也可对比出其出水层段，与石岩盐厚度有着密切的关系，较厚的石盐层代表了连续的蒸发浓缩环境，为晶间卤水提供了汇集较多空间。

图2 晶间卤水富集区块划分图Fig.2 Intergranular brine enrichment block division diagram

图3 钻孔晶间卤水垂向分布图

4 晶间卤水赋存成因分析

4.1 断层导通型

根据各层段晶间卤水富集区对比，区块2和区块4的相对富水异常区，自白垩系钾盐矿床Ⅳ-2顶板至Ⅲ-10底板对应较好，自上而下相对富水异常范围渐小见图4a。以区块2为例进行分析，区内BS-5号钻孔钻进至221.06～243.42 m间岩芯破碎(石灰岩和硬石膏岩层段)，其中222.56～225.59 m出现断层泥，下部硬石膏岩和石膏砾岩重复出现，多含灰黑色泥质，对比以往二维地震解释成果在ZK143和BS-5号孔一带发育24号断层。因断层影响其盐岩顶界面硬石膏岩层段破碎变薄，研究区东部ZK143号钻孔厚度仅5.11 m。断层的存在不仅破坏了盐岩顶界面隔水层厚度，同时也成为导通上下含水层的通道，为晶间卤水富集提供了空隙，构造破碎带下部随石岩盐等重结晶闭合晶间卤水逐步较少直到尖灭，此种情况下构造裂隙不甚发育，上覆岩溶水受重力作用沿断层破碎带向下渗流，进入易溶解的盐岩后，被封闭的地下水溶解围岩到一定程度，成为卤水，当卤水达到饱和甚至结晶，断层面得以闭合，最终封闭的地下水停止渗流运动，形成自上而下呈倒三角形赋存状态的封闭晶间卤水。

4.2 凹陷汇集型

ZK182号钻孔附近相对集中的富水异常区区块3自白垩系Ⅳ-2号矿层顶板至Ⅲ-10号矿层底板均存在，且自上而下相对富水异常范围扩大呈正三角形分布见图4b。同时根据图5 ZK182钻孔附近区域存在次级凹陷。在次级凹陷区内，晶间卤水汇流集中至凹陷处，且范围自下而上渐小。

4.3 断层凹陷复合构造导通型

研究区西南ZK241钻孔附近的相对富水异常区区块1，该区块自白垩系Ⅳ-2号矿层顶板至Ⅲ-10号矿层底板均存在，自下而上相对富水异常范围基本不变，且异常区域有自东向西偏移的趋势。说明沿断层面赋存的晶间卤水连续分布，断层具导水性，见图4c。(因区内地层较平缓，为使得分析更为直观，将纵向比例放大)在研究区西南ZK241附近为凹陷区，见图5，分析区块3处晶间卤水富集模式为构造导通多个次级凹陷所致，晶间卤水沿构造发育方向横向或纵向导通富集，形成了多个条带状裂隙富集区。

综上所述，晶间卤水仅局部富集，富集区有因构造导通富集模式、有因次级凹陷富集模式、有因以上两种成因复合型的条带状裂隙富集模式。富集区连续性差，零星分布。断层导通型与断层发育规模相关，当断距大于矿层顶部隔水层厚度，断层成为汇集通道，但是随着断层的逐步闭合而形成较小的静储量，凹陷型晶间卤水基本上为同生沉积的古水，其数量与凹陷规模相关，断层凹陷型由于凹陷区近似向斜构造区，裂隙相对发育，加上断层导通形成一定补给量，晶间卤水汇集量相对较大。

a 区块2各层段晶间卤水富水异常区对比

b 区块3各层段卤水富水异常区对比

c 区块1和区块4各层段间卤水富水异常区对比

图5 Ⅲ-10号矿层顶面形态示意图Fig.5 Schematic diagram of the top surface of No.III-10

5 结 语

1)刚果处于西非板块西南缘，基本被深大断裂围限，由于经历多期构造运动，钾盐区晶间卤水赋存宏观上受地形地貌、地质构造、地层结构等方面控制。

2)晶间卤水的赋存受构造部位、地层岩性组合影响，按照晶间卤水汇集空隙的成因划分，可分为断层型、凹陷型、断层凹陷复合型3大类。

3)刚果(布)钾盐矿床南部矿段晶间卤水平面上较为分散，主要分布于北东部和南部构造发育区，西部基本不发育，构造发育地带应做好晶间卤水探放工作。

4)盐岩顶板距地表较近地带，采掘过程有可能造成地面沉降，防治晶间卤水形成新的补给来源，因此要做好支护及回填工作，将地面沉降降到最低，确保矿层顶板含水层不进入矿井，基本保障矿井无水生产。