马海盆地深部孔隙卤水矿床水化学特征及成因

岳鑫，刘溪溪，路亮，张晓冬，范增林，于小亮

1.青海省柴达木综合地质矿产勘查院，青海格尔木 816000 2.青海省柴达木综合地质矿产勘查院青藏高原盐湖及盐类矿产资源成矿规律及预测实验室，青海格尔木 816000 3.青海省地质调查局，西宁 810000

0 引言

深部砂砾石层孔隙卤水是新型的钾盐矿资源，为我国近年来盐湖找钾的又一重大发现[1-3]，具有水位埋藏浅，富水性强，矿化度高，结盐程度低，易开发等特点，具有重大研究意义，可作为我国钾盐开发的后备基地。

马海盆地位于柴达木盆地西北部，沿赛什腾山分布的巨大冲洪积扇群，为更新世以来的砂砾石，是深部孔隙卤水的储卤介质，前人研究了马海地区湖表卤水及盐类矿物[4]，进行了蒸发实验[5-6]及高温梯级蒸发实验[7]，分析地球化学特征成因[8]、沉积环境[9]、勘查研究进展[10]及第四纪沉积环境[11]，但研究范围仅限于湖表及315 m以浅。自2011年我国首次在柴达木西部发现砂砾石层孔隙卤水以来，先后对柴达木盆地西部[12]的黑北凹地[13]及南翼山[14]地区该类型卤水做过水化学特征与成因分析，然而对马海地区深部新型的砂砾石层孔隙卤水矿床的研究还处于空白阶段。本文以马海地区深部200～2 000 m的新型砂砾石层孔隙卤水为研究对象，分析其化学特征及成因。

1 地质背景

1.1 水文地质环境

北东为柴达木北缘台缘褶带分布带之一，小赛什腾山、赛什腾山、绿梁山为柴北缘残山断褶带之西段，褶皱断裂构造发育。该残山断褶带南北为柴达木盆地台坳的一部分，褶皱断裂构造较发育，并分布着数个卤水湖。区内地下水按赋存介质不同分为松散岩类孔隙水、化学盐类晶间水和碎屑岩类裂隙孔隙水三个类型。各类型地下水按水力性质、赋存层位不同进一步可分为潜水和承压水，本文研究主要针对于松散岩类孔隙水的承压水层位。

通过研究区内钻孔(图2)对地层的揭露，区内中部至西部属山前冲洪积相和盆地湖积相沉积，富水层位岩性分别为：上层全新世含砾的中粗砂、砾砂、含砂的角砾，中层晚更新世含砾的中细砂，下层中更新世中砂、细砂，为孔隙卤水的储卤介质。而区内东部钻孔揭露地层为滨湖相的黏土粉砂层。

1.2 卤水赋存特征

沿赛什腾山南缘由西向东呈直线分布的一系列浅部钻孔控制长度大于30 km，揭露了山前的晶间卤水矿层。该层特点是KCl品位高，储量大，现已处于开采阶段。

图1 马海盆地区域地质图1.渐新统下干柴沟组；2.上新统狮子沟组；3.中新统上干柴沟组；4.中新统下油砂山组；5.全新统冲洪积物；6.中更新统湖积物；7.上更新统湖积物；8.全新统化学沉积；9.全新统湖沼化学沉积；10.下更新统湖积物；11.湖积相区；12.干盐湖区外缘；13.干盐湖区域；14.山前冲洪积扇；15. 湖积相区外缘；16.钻孔位置；17.图2位置；18.研究区；19.地质界限；20.背斜构造Fig.1 Regional geological map of Mahai Basin

图2 研究区地层纵剖面图1.全新统冲洪积相；2.全新统化学沉积相；3.上更新统湖积相；4.中更新统洪积相；5.下更新统湖积相；6.含砾石(角砾)的中粗砂；7.含砾的中粗(细)砂；8.中粗(细)砂；9.黏土粉砂；10.钻孔位置及编号；11.地质界限Fig.2 Stratigraphic longitudinal profile of the research area

赛什腾山南缘山前由西向东分布的马ZK2413(1 500 m)、马ZK3212(800 m)、马ZK4010(1 400 m)、马ZK4007(1 500 m)、马ZK5608(1 400 m)、马ZK5602(1 600 m)、马ZK7220(1 250 m)及马ZK7212(2 000 m)等钻孔控制了该区域的孔隙卤水矿层。长度约48 km，宽约6～18 km，分布面积大于500 km2，含水层纯厚度除马ZK7220较薄外，纯厚度达85.81～823.54 m，矿化度达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%，水化学类型为氯化物型，单井涌水量146.88～4544.64 m3/d，富水性强，降深38.19～112.17 m，具有水量大、不结盐、水位埋藏浅易开发的特点，利于开发研究。

2 采样及试验结果

2.1 采样位置及方法

钻孔完成取芯后，用拉活塞等方法洗孔，至水清砂净，进行抽水试验并采样。本次研究对象为深层卤水，为防止浅部水体的影响，在各施工钻孔150～300 m位置选择厚度较大的隔水层进行止水。样品在更新世至全新世的冲洪积相和湖积相沉积储卤地层中采集，详见表1。

抽水试验过程中每隔4小时采集一个水样。用蒸馏水洗净的瓶子盛取1 000 mL后及时封瓶，注明编号，送至青海省柴达木综合地质矿产勘查院岩矿测试中心进行测试分析。

2.2 试验结果

3 实验结果分析

注：1～6：马ZK2413SQ01—马ZK2413SQ06(157～ 1 500 m)；7～11:马ZK3212SQ01—马ZK3212SQ05(151～800 m)；12～18：马ZK4007SQ01—马ZK4007SQ07(156～1 500 m)；19～20：马ZK4010混ISQ01—马ZK4010混ISQ02(170～1 400 m)；21～22：马ZK5608WI-1SQ01—马ZK5608WI-1SQ02(200～778 m)；23～24：马ZK5602SQ01—马ZK5602SQ02(200～1 600 m)；25：ZK7220混SQ01(170～1250 m)；26～27：马ZK7212WI-1SQ01—马ZK7212WI-1SQ02(275～810 m)；括号内为采样位置。

3.1 数理分析

深部卤水中各种元素呈离子状态，影响其分布的因素较多，元素含量及分布特征差异也较大，因此可运用均匀性以及判断其是否服从正态分布来衡量其分布特征[9,15]。

以马海地区深部卤水的全分析离子含量(表1)为基础，通过数理统计计算其化学成分的变异系数(Cv)、偏差系数(Cs)和峰度系数(bk)(表2)，进而研究其分布特征。

变异系数Cv的计算公式：

(1)

(2)

Cv是衡量资料中各化学成分分析值变异程度的一个统计量，反映了分析值离散程度的绝对值，一般来说Cv值平均水平越高，则其离散程度的测度值就越大，反之越小。

偏差系数Cs与峰度系数bk的计算公式：

(3)

(4)

偏差系数Cs可以反映卤水中元素浓度的频率分布函数曲线的对称情况，即Cs的绝对值越大，其对应的函数曲线偏斜越严重，反之则越接近正态分布，峰度系数bk可以反映卤水中元素频数分布函数曲线顶端尖峭或扁平的程度。

利用数理统计方法中的偏差系数和峰度系数，判断卤水中各元素浓度的频率分布曲线是否符合正态分布以研究卤水中元素的分布特征，偏差系数Cs>0时称为正偏分配，Cs<0时称为负偏分配，峰度系数bk>3称分布具有过度的峰度，bk<3称分布具有不足的峰度，当Cs=0，bk=3时则认为属于正态分布。

将研究区内深部卤水各离子成分按照变异系数(Cv)由小到大顺序排列(表2)，以Cv值10%和50%为界，将卤水离子含量变化分为弱变异、中等变异和强变异三组，变异系数强弱的不同表明深部卤水中离子浓度的变化幅度不同，也就意味着具有强变异的离子分布不均匀。

3.2 离子含量特征

3.3 离子分布及变化特征

图3 研究区深层卤水主要离子含量纵向变化曲线Fig.3 Longitudinal variation curve for the main ion contents of deep brine in the research area

3.4 聚类特征

图4 研究区孔隙卤水基本成分聚类分析Fig.4 Pore brine basic component clustering analysis in the research area

3.5 卤水特征系数

综合分析研究区样品测试结果，推演其特征系数(表3)，钠氯系数值为0.80～0.85，钙镁系数为0.10～0.71，脱硫系数0.32～0.84，钾氯系数4.68～27.07，氯碘系数0.94×105～2.10×105，除0.94×105外其余数据均大于1.00×105，氯溴系数4 079～5 452。

3.6 介稳相图

深部卤水中的主要阴、阳离子的富含程度和相互作用决定了卤水的水化学类型，即不同水化学类型的卤水具有相应的主要离子组成及水盐平衡体系。

据表4中主要离子组成可以看出研究区的离子平衡体系为Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O[9,17-18]。将研究区样品数据(表4)投影在Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O四元体系介稳相图(图5)，可见研究区卤水分布在石盐区中低钾镁、高钠的区域，卤水类型为单一的氯化钠型。

表3 研究区钻孔离子特征系数Table 3 Ion characteristic coefficients from drilling in the research area

图5 Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O(25 ℃)四元体系介稳相图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 ℃)介稳相图指数Table 4 Na+,K+,Mg2+∥Cl--H2O (25 ℃) of the interface stability phase diagram index

4 卤水成因讨论

通过钻孔纵剖面显示，研究区东部地层显示为湖积相区，西部为冲—洪积相区，东南部地表被更新世以来化学沉积物覆盖。

卤水中微量元素也是判断卤水来源的一项重要指标[19-20]，Br元素通常以分散的状态存在于自然界，容易形成易溶于水的化合物，可作为盐湖矿产中最有效、灵敏的特征元素[21-22]。由于B的易溶性及其分布集中于水圈和上地壳沉积岩，因此其可作为有效的地球化学参数来判断沉积环境及物源[23-26]。Sr元素在自然界中主要分布在造岩矿物中，是典型的分散元素，可作为有效的地球化学参数来判断古沉积环境及水体补给来源[27]。因此较高含量的Br、B和Sr元素可间接证明马海盆地深部卤水具有溶盐卤水的补给。

分析卤水离子特征系数可以对其成因做出一定了解[28-31]，海水中的钠氯系数值为0.85～0.87，岩溶地下卤水钠氯系数大于或者接近1，蒸发残余地下卤水一般小于0.85。脱硫系数反映地下卤水所处的封闭程度，脱硫系数越小，越接近0，封闭性越好，其还原性越强。钾氯系数反映钾的富集和地下卤水的浓缩程度，判断标准值是75。钙镁系数反映地下卤水变质程度，其数值越高，则反映封闭时间越长，封闭性越好，变质程度越好，其判断标准值为3。氯碘系数大于105为溶盐地下卤水特征，小于105为沉积地下卤水特征。新鲜的地表水或浅层地下水体中，氯溴系数为10～150；海洋水体中氯溴系数为299～289；典型的岩浆水体中氯溴系数为560～1 000；盐岩的溶解而形成的卤水中氯溴系数为1 000～10 000。

马海地区深部卤水钠氯系数为0.80～0.85，小于0.85，氯溴系数为4 079～5 452，钠氯系数反映其来源为蒸发残余的地下卤水，然而氯溴系数则反映盐岩的溶解的来源，脱硫系数及钙镁系数表明该地区封闭性较差，较低的钾氯系数也反映出研究区地下卤水浓缩程度较低[32-33]，综上，马海地区深部卤水来源为蒸发残余的卤水，由于该地区封闭性较差，受地表淡水的影响，其浓缩程度较差，同时，地表淡水注入的过程中溶滤了大量盐岩，使卤水中Cl-含量增大，由此氯溴系数变大，简言之：马海地区深部卤水是蒸发残余卤水及盐岩溶滤卤水混合成因的多源性卤水。

Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O四元体系介稳相图中显示K+和Mg2+含量很低，Na+很高，卤水类型为单一的氯化钠型，因此推测卤水物质来源较为单一，流体运移距离较近，交换附近矿物离子，并溶滤研究区附近盐岩后富集成矿。

5 结论

(1) 马海地区砂砾石层孔隙卤水分布规模较大，水位埋藏浅，富水性强，矿化度较高，其中KCl含量达到了可开发利用的要求，加之研究区深部卤水结盐程度小，易开发等特点，马海盆地深部卤水可作为中国钾盐开发的后备基地。

(2) 马海地区深部卤水中钾的品位在横向上具有一定的变化规律，沿赛什腾山南缘山前自西向东，钾的品位越来越高，对今后找钾工作具有一定指导意义。

(3) 马海地区深部卤水既与酸性淋滤等因素有关，也有蒸发残余卤水和盐岩溶滤卤水特点，成因具有典型的多源性特征。

(4) 马海地区深部卤水成矿物质来源：赋存于更新统砂砾石层中的孔隙卤水有蒸发残余卤水特征，推测更新世之前该地区即有古卤水赋存，更新统下伏地层有可能存在盐岩层沉积，为马海盆地深部卤水的一主要物质来源。