柴达木盆地宗马海湖地区钾盐矿床成矿规律与成矿预测研究

崔庆岗，侯新星，来永伟，赵淑芳，魏斌

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000；2.中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘查院，河北 邯郸 056004；3.新汶矿业集团泰山盐化工分公司，山东 泰安 271024；4.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271021)

0 引言

钾盐是中国最为紧缺的非金属矿产之一，钾是决定农业丰产的营养元素之一，世界钾盐产量的90%以上用作钾肥[1]。据统计，2003年，国内生产钾肥164.5万t，进口钾肥623.5万t，占市场消费量的79.1%[2]；2005年，我国钾肥消费量已达1000万t；2007年，中国进口钾肥597.2万t，占表观消费量的71.8%[3]；2008年，中国钾肥消费量已高达1300万t，而生产能力不足400万t，对外依存度达70%[4]；2012年，中国钾盐产量377.0万t，钾肥视消费量上升为795.4万t[5]。至2012年，随着塔里木盆地罗布泊盐湖钾盐及柴达木盆地察尔汗盐湖的开发、扩大产能[6]，钾肥对外依存度降为52.2%[7]。2014年1—8月，我国KCl进口总量达到525.3万t，较2013年同比增长15.63%[8]，钾盐资源严重不足的状况十分严峻。

盐湖是一种咸化水体，盐度ω(NaCl)>3.5%；也包括地表干涸、含盐沉积与晶间卤水组成的干盐湖[9]，遇到降水或冰雪融水可形成季节性湖泊[10-11]。专家学者对盐湖进行了详细的研究工作，认为全新世乃至更新世气候极不稳定，存在数百年至千年的干旱事件[12-15]。Ericksen[16]总结了66个干盐湖的名称和位置，著名的有玻利维亚乌尤尼盐湖、智利阿塔卡玛盐湖、阿根廷霍姆布雷托盐湖。盐湖资源开发利用发展迅速，如美国西尔斯盐湖利用相分离，盐田及溶剂萃取技术生产氯化钠、氯化钾、碳酸钠；智利、阿根廷、玻利维亚三国交界的三角地带富锂盐湖利用相分离、盐田、浮选及复分解等技术生产碳酸锂等[17-19]。国内分布着大量的干盐湖，如吐鲁番盆地乌尊布拉克盐湖[20]、阿拉善左旗吉兰泰盐湖[21]、柴达木盆地察尔汗湖[22]、塔里木盆地罗布泊[23-24]等。袁瑞强等[25]总结了我国盐湖基本特征及资源分布特点，讨论了盐湖资源开发利用面临的问题，袁见齐[26-30]提出了陆相地层寻找钾盐的线索、“陆相成钾理论”和“高山深盆成盐模式”，认为成盐盆地后期碎屑岩主导着地表水文条件，“高山深盆”是盐类矿床需要深入研究的重要课题。

中国地质科学院矿产资源研究所较早参与了马海盐湖的沉积演化研究，魏新俊等[31]分析了马海钾矿第四纪沉积及盐湖演化的特征，宣之强[32]探讨了马海盐湖钾镁盐矿床固体矿的成因、物质成分、矿床的规模及矿床的沉积特征，王弭力等[33]初步研究了马海钾盐矿床基本地质特征、形成条件，概述了马海盐湖钾矿床的地质成因和开发前景，李明慧[34]据矿物种类、组合和阳离子含量推断柴西部古卤水类型为Na-Cl型，盐层和碳酸盐黏土层的交替说明1Ma以来气候特征为干湿交替，焦鹏程[35]提出“陡倾集水廊道储卤模式”是深部卤水钾盐资源的主要赋存模式，可作为马海盐湖深部富钾卤水勘查和开发优先考虑的方向。

2012年，国家部署了柴达木盆地深层卤水钾盐资源整装勘查区，指赋存于前人已经评价提交储量矿层之下的高矿化度卤水矿层。依据盐湖钻井揭露分析，纵向上自渐新统—上新统至上更新统均有分布，深层卤水矿层埋深自几百米至上千米不等。该文依托“青海省冷湖行委宗马海湖地区J46E010015，J46E010016，J46E011016，J46E011017四幅1∶5万区域地质调查”项目，在宗马海湖地区开展的区域地质调查、二维地震测量、地球化学分析及收集钻探资料等工作基础上，总结了浅部、中深部及深层卤水钾盐储层特征，提出了深部富钾卤水的成矿规律及成矿模式。

1 区域地质背景

2 遥感地质解译

收集遥感图像ETM+7波段多光谱观察，图像分辨率1.5m，重点探测构造及隐伏构造。遥感影像显示，马海盐湖颜色呈浅绿、暗黑色，边缘呈棕红色，含水性不同，色彩差异较大，形态不规则，呈斑片、斑点状分布(图2)。从解译结果看，研究区褶皱、断裂两侧地形特征也具有明显的差别，主要褶皱4条，断层13条。褶皱表现为大型褶皱，为驼南背斜、小丘林-玛瑙背斜、冷湖六号背斜、冷湖七号背斜，被后期断层破坏及第四系覆盖，褶皱保留不完整，褶皱轴向以NW—SE向为主，与区域构造线方向基本一致，褶皱规模不等，大者可长达数千米，多为轴面近直立，枢纽近水平的紧闭褶皱。断层均为喜山晚期以来的新构造活动断裂，其中NW—SE向断裂为主要断裂构造，包括平南断裂F1，鹊南断裂F3，潜南断裂F6，冷湖六号断层F7，F8，F9，F10，冷湖七号断层F11，F12，F13等，断层数量多，规模大，地表常形成数十米至近百米的构造破碎带；近EW向断裂以驼南断裂F2为主，规模大，对测区内深层卤水钾盐的成矿具有重要意义，F4，F5为小型次生断裂(图2)。

3 二维地震解译

二维地震勘探数据采集接收道数241道，道间距25m，炮距100m，叠加次数30次，激发方式18T，可控震源×3台(MERTZ M-18P/612，平行测线一字组合)，震动次数6次×3台，震源出力70%，激发位置中间激发(3000-0-0-0-3000)，检波器主频10Hz(12只串联扎堆接收)，扫描频率10～120Hz，扫描方式线性扫描，接收频率全频段，仪器增益400mv，采样间隔1ms，记录长度4s，记录格式SEG-D(图3)。

A1—大柴旦-德令哈构造走滑构造带；A2—鱼卡红山凹陷；A3—赛什腾埃姆尼克走滑构造带；B1—平台凸起； B2—赛南凹陷；B3—冷湖走滑构造带；B4—昆特依凹陷；B5—伊北凹陷；B6—鄂博梁走滑构造带图1 研究区位置图

1—隐伏断层及编号；2—实测断层及编号；3—背斜图2 研究区构造单元划分及构造纲要图

1—二维地震剖面；2—钾盐勘探线位置及编号；3—整装勘查钻孔及编号；4—钾盐普查钻孔及编号图3 二维地震剖面及勘探线分布图

通过二维地震数据属性比对、研究，认为能量、频率属性相对敏感，富含卤水地层单元会出现高能低频的现象，同时利用前人对含油气、卤水的地层属性研究认识，预测了研究区含卤水地层的空间分布特征及赋存层位。研究区具有良好的钾盐层地震特征，顶底板厚度1000～1600m，钾盐层厚度约100m(图4)。

4 钾盐矿床特征

该次以浅层卤水钾盐、中深层卤水钾盐、深层卤水钾盐特征分别进行讨论。

4.1 浅层卤水钾盐特征

研究区采集浅层卤水样56件，由柴达木综合地质矿产勘查院测试中心检验，电感耦合等离子发射光谱仪715-ES完成。浅层卤水样K+含量0.04%～1.36%，矿化度ρ(B)315.66～590.70g/L，多已达到工业品位及边界品位(表1)。

图4 L2线地震剖面属性分析

依据所收集浅坑、小圆井等(1)柴达木综合地质勘查大队，青海省大柴旦镇马钾矿区普查报告，1991年。(2)柴达木综合地质勘查大队，青海省大柴旦镇巴仑马钾矿区普查报告，2001年。(3)柴达木综合地质矿产勘查院，青海省冷湖行委马海钾矿区北部矿段详查报告，2004年。(4)中国地质大学(武汉)地质调查研究院，青海省冷湖牛郎织女湖钾盐矿床生产勘查报告，2009年。化验数据资料、遥感影像，结合该次施工槽探浅层卤水样数据，将研究区划分为4个类型(图5)。

(1)工业品位区：KCl品位大于0.5%，主要集中在马海湖周边及织女湖东北部小区域出现，地势低洼，周边地势明显高于该区，为主要浅层卤水主要赋存区。

(2)边界品位区：KCl品位0.3%～0.5%，达到边界品位，但尚未达到工业品位。

(3)有浅层卤水区：地表或季节性河流赋存少量地表水，KCl含量小于0.1%，甚至为0，含有少量卤水或无卤水存在。

(4)无浅层卤水区：主要集中在古—新近纪地层等岩石出露区，位于北部及南部山区，未能采到浅层卤水样。

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表1 浅层卤水样测试数据

1—所收集的前人测试数据；2—本次测试数据及编号；3—无浅层卤水区；4—有浅层卤水区； 5—边界品位区；6—工业品位区图5 研究区浅层卤水KCl划分图

4.2 中深层钾盐特征

1987—1990年，柴达木综合地质矿产勘查院对马海盆地开展钾盐矿区普查(5)柴达木综合地质勘查大队，青海省大柴旦镇钾矿区普查报告，1991年。，施工了数百个钻孔，基准孔ZK4012深度达到613.33m，其他钻孔深度100～300m，计算深度达到297.22m。研究区钾盐矿分为固体钾盐矿、卤水型钾盐矿。其中，固体钾盐矿主矿体发育于全新统，分布于地表；卤水型钾盐矿分布于全新统—更新统，属中深层卤水矿(表2)。

表2 ZK4012孔测试数据

引自青海省大柴旦镇钾矿区普查报告，1991年。

固体钾盐矿产分布于58～79勘探线北部，按产出层位划分3个钾盐矿层：JⅣ矿层为主矿层，分布于全新统，底板埋深0.1～8.59m，包括6个钾盐矿体；JⅢ矿层分布于上更新统，底板埋深13.08～37.71m，包括6个钾盐矿体；JⅡ矿层分布于中更新统，底板埋深43.10～120.30m，包括17个钾盐矿体。矿层均近水平，除矿体JⅣ-1分布范围较广、规模较大，其他规模均较小。

卤水型钾盐矿分布于40线以东，80线以西，ZK5604～ZK7604孔以南，ZK4020～ZK8020孔以北。主要组分KCl，伴生组分NaCl,MgCl2,MgSO4，边缘及深部为孔隙(裂隙)型卤水，中部及地表浅部为晶间卤水。自上而下可划分5个卤水矿层：WⅠ为潜卤水矿层，厚度0.70～18.12m；WⅡ,WⅢ,WⅣ,WⅤ为承压卤水矿层，厚度0.96～47.64m；矿层之间隔水层岩性为含粉砂、粉砂黏土，厚度3.00～30.00m。经分割估算，研究区卤水型钾盐矿KCl(333+334)资源量4446.7万t。

4.3 深层卤水钾盐特征

中国地质科学院、柴达木综合地质矿产勘查院等(6)青海油田公司勘探开发研究院，柴达木盆地北缘地区西段构造形成演化的定量解析及其对油气成藏的控制研究，2000年。认为，马海盆地中东部，冷湖六号、冷湖七号构造以北地区，至少存在一层至数层的砂岩及砂砾岩层，富含卤水型钾盐矿产，赋存层位为更新统—上新统。底板最大埋深1800m，最小埋深550m，卤水层段厚50～250m，埋深由南东向北西变浅。

1987—1990年马海钾矿区普查中，ZK4007及ZK4010孔发现了巨厚层孔隙型卤水，全新统-上新统，大致圈闭在赛什腾山前冲洪积带内，北至驼南断裂，南至ZK4012孔一线，宽5～6km，延长35km，作为马海盆地寻找深层卤水型钾盐矿的重要区域之一。

截至2015年底，中国地质科学院实施柴达木盆地钾盐整装勘查(7)中国地质科学院与青海省柴达木综合地质矿产勘查院，青海省冷湖镇马海—巴仑马海一带卤水钾盐资源调查报告，2018年。，施工6个钾盐水文钻孔。其中，冷湖七号冷七ZK01终孔深度1302.43m，0～300m油砂山组上段含水岩层岩性以粉砂岩为主，单层含水层最厚8.91m，单位涌水量2.99m3/d，富水性弱，矿化度134.2g/L，KCl含量0.02%；300～1302.43m油砂山组下段含水岩层岩性以粉砂岩为主，单层含水层最厚3.76m，富水性弱，初步判断冷湖六号、冷湖七号构造带中，油砂山组深层孔隙水富水性差，KCl含量低，找钾前景较差。ZK7220位于马海盐湖沉积的近中心位置，ZK2413，ZK4007，ZK4010，ZK7220分布于盆地北部；ZK2413从157.00m始至终孔见孔隙含水层800.08m；ZK4007从162.29m始见孔隙含水层1265.14m；ZK4010孔隙含水层329.21m，ZK7220厚44.18m，厚度巨大。其中，ZK2413孔157～1500m进行了抽水试验，水质分析KCl品位0.14%，矿化度259g/L，密度1.162g/mL，具有较大储量的卤水钾盐矿床存在的潜力。

1—中深层孔隙卤水分布范围；2—钾盐勘探线位置及编号；3—整装勘查钻孔及编号；4—钾盐普查钻孔及编号图6 深层孔隙卤水分布范围图

5 成矿规律与成矿预测

察尔汗盐湖研究中[37]，钾盐矿依据产状分为层状钾盐矿和浸染状钾盐矿。层状钾盐矿在卤水不断浓缩的过程中，石盐大量析出，远离地表水补给的一侧形成富钾卤水，层状钾石盐、光卤石沉积，平面上呈泪滴式；浸染状钾盐矿又分2种，一种是在盐湖正常沉积阶段，卤水不断浓缩达到NaCl，KCl同时饱和，形成以石盐为主，钾盐呈浸染状产于石盐中；一种是进入干盐湖阶段，枯水期时地表浅层晶间卤水蒸发，光卤石等矿物发生结晶、析出钾盐，钾含量降低，钙镁离子增加，卤水比重增加便向下运动，下部的较淡卤水被挤到上部，继续接受蒸发，使钾盐继续沉淀。但是，马海盐湖钾盐矿产状有所不同，层状钾盐矿并不发育，仅出现浸染状钾盐矿，而且仅在靠近地表干盐湖阶段形成规模较大的矿体(主矿体JⅣ)，说明马海钾盐是在干盐湖阶段晶间卤水蒸发沉积于石盐层而形成。干盐湖阶段，盐层及夹层中存在大量晶间卤水，所含KCl达到卤水钾盐矿的指标，并伴生NaCl，MgCl2，MgSO4等有益组分；而作为晶间卤水层底部的北部山前斜坡地区，上新世以来沉积的巨厚砂砾石层是良好的储水层，直接与晶间卤水层相连，通过断裂与深部循环卤水相通，应当储藏了大量的富钾卤水。

综上所述，马海盐湖卤水型钾盐成矿模式在平面空间上近似于“泪滴式”展布，地表水补给主要来自东北部的赛什腾山区，流经研究区东南的马海最终汇入东部低洼地区。马海盆地在上新世末从柴达木古湖中分隔、封闭而形成，当时已是卤水湖，成矿物质来源除风化、淋滤、迁出的K+等物质及深部循环水之外，还继承了原古卤水湖的古卤水。更新世—全新世断裂活动加剧，驼南断裂和鹊南断裂等逆冲断裂在深部相连，形成了深部卤水向浅部运移的通道，使K+进入到盐层及附近的松散沉积层中(图7)。

6 结论

(1)浅部卤水钾盐，依据KCl品位，将研究区分为工业品位区、边界品位区、有浅层卤水区及无浅层卤水区等4个分区类型。

1—第四纪地层；2—新近纪地层；3—古近纪地层图7 马海地区钾盐矿成因模式图

(3)厚度较薄的深部卤水钾盐：在冷湖六号、冷湖七号构造以北地区存在一层至数层的砂岩及砂砾岩层，自南东至北西由深变浅，推测底板最大埋深约1800m，最小埋深约550m，含卤水层段厚约50～250m。

(4)厚度较大的深部卤水钾盐：在赛什腾山山前冲洪积带，北至驼南断裂，南大致至ZK4012孔一线附近，矿体宽约5～6km，延长约35km，孔隙含水层累计深度最大达1265.14m，地震波组显示最深可达1500m。

(5)深部卤水钾盐成矿模式在平面空间上近似于“泪滴式”展布，地表水补给主要来自东北部的赛什腾山区，流经马海盆地，最终汇入东部低洼地区。分布于全新统—上新统，是寻找深层卤水钾盐矿的重要区域。