长江经济带岩盐矿特征与盐穴储库适宜性评价

刘红樱， 姜月华， 杨国强， 金阳， 杨辉， 周权平

(中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016)

0 引言

长江经济带覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、四川、重庆、云南和贵州11个省(直辖市)，面积约205.3万km2。长江经济带的岩盐矿产资源十分丰富，分布广泛，除上海和贵州外，其他9个省(直辖市)均发现有岩盐矿床，其中90余个矿床具有工业价值[1-3]，已探明储量约2.39万亿t，远景储量约13.2万亿t。岩盐开采(或溶腔)后形成的盐穴资源巨大，可用于长期存放石油和天然气。与地面储油储气设施相比，地下盐穴油气储库具有基建投资少、占地面积小、运行成本低和安全可靠等特征，故盐穴又被称为“具有高度战略安全的储备库”[4]。目前世界上已有2 000多个盐穴被开发利用，其中美国拥有数百座，德国也有近百座，且数量还在不断增加[5-13]。本文旨在通过分析长江经济带岩盐矿空间分布、成矿时代、矿体与围岩特征、影响盐层建设储库的基本地质条件等，对盐穴储库建造进行适宜性评价，为长江经济带地下盐穴战略油气储库基地建设提供地学依据。

1 研究内容和技术方法

1.1 研究内容

本文在前人地质调查和研究成果的基础上，系统总结分析了岩盐矿特征，包括空间分布、成矿时代与层位、成盐盆地范围、矿体形态、产状与规模、矿体埋藏深度、矿石组成、矿体顶底板与夹层岩性等，并分析了盐矿区域地质特征、盐矿基本地质特征、建腔目的盐层特性、岩盐层顶底板性质和盐矿区水文地质特征等影响盐穴储库建设的基本地质条件。

1.2 盐穴储库建设适宜性评价

盐穴应用的不断推广对盐穴的稳定性、安全性等方面提出了更高的要求。然而，由于不同国家、地区的地质条件、建库技术和实际运营等因素不同，盐穴型地下储库建设适宜性评估还没有统一标准，目前主要通过计算机数值模拟和大量室内试验相结合，评价地下盐穴储库建设适宜性和预测盐穴储库运营期间的稳定性及其变化趋势[14-15]。

1.2.1 评价递阶层次结构

参照前人成果[16]，结合长江经济带岩盐矿地质环境背景条件，确定14个二级因子，建立了盐穴储库建设适宜性评价层次结构模型。遵循综合分析与主导因素相结合和可持续利用的原则，采用2步评判法评价岩盐矿综合地质特征与条件对盐穴储库建设的适宜性等级。

1.2.2 评价因子分级标准及分值

依据盐穴储库建设对岩盐矿地质特征和岩盐层本身特性条件的要求，选择5个B级因子下的14个C级因子进行分级和赋值(表1)。

表1 盐穴储库建设适宜性评价因子分级标准及分值Tab.1 Classification standard and score of construction suitability evaluation factors for salt cave storage

注： ①为盐穴储库建设适宜性评价因子分级赋予的分值。

1.2.3 评价因子权重值

依据各因子的重要性将其穷尽成对比矩阵，由式(1)计算出权重W(表1)。

(1)

式中：W为评价因子权重值;j为第j个重要性判断；n为重要性判断个数；i为第i个评价因子；m为评价因子个数；Vij为i评价因子j重要性判断向量值。

1.2.4 适宜性评价等级划分

采用综合指数法，对长江经济带主要岩盐矿进行盐穴储库建设适宜性评价，从地质学角度，划分出适宜性等级(表2)。

(2)

式中：P为各因子的综合分值；Wi为i因子的权重；Pi为i因子的分值。

表2 盐穴储库建设适宜性等级划分Tab.2 Classification of constructionsuitability of salt cave storage

2 研究结果与讨论

2.1 岩盐矿特征

长江经济带盐矿床的分布，明显受大地构造条件控制，从时空分布规律来看，印支运动是最突出的分界线[3,17-23]。印支运动前主要为古地台盐类沉积发育期，盐类矿床赋存于扬子地台特别是地台的海相碳酸盐岩系中，盐类沉积具有发育面积广大、含矿层区域展布稳定、含盐系旋回少、剖面结构简单等特点； 印支运动后由于广泛而强烈的裂陷活动，陆源碎屑岩-蒸发盐岩极其发育，盐类沉积分布广泛，盐层面积小而厚度大，成盐旋回多，剖面结构复杂，物质成分多样，矿床类型多。

2.1.1 空间分布

四川盆地内以华蓥山深断裂为界，以东为盆东成盐带，分布有万县、宣达、重庆、涪陵、泸永、长宁和垫江等11个岩盐矿体； 以西为盆西成盐带，分布有南充、成都、威西、自贡和通江等11个岩盐矿体[24]。此外，于四川盆地外缘康滇古陆以西的成盐带，分布有盐源盐丘型岩盐矿体[24-44]。

其余各省分布的盐矿有： 滇南盆地普洱县磨黑和凤岗盐矿、滇西南兰坪—思茅盆地江城县勐野井和洱源乔后盐矿、滇中安宁盆地安宁和平浪盐矿[45-51]； 云应凹陷云应盐矿、襄阳凹陷枣阳王城盐矿、潜江凹陷潜江盐矿、小板凹陷天门小板盐矿和江陵凹陷江陵盐矿[52-57]； 衡阳盆地茶山坳、蒋家山、金甲岭盐矿，盐井—申津渡—东港凹陷澧县(津市)盐矿[58-64]； 清江盆地洋湖凹陷清江(樟树)盐矿、会昌周田盆地盐矿、吉泰盆地盐矿[65-71]； 定远—炉桥凹陷定远(东兴)盐矿[72]； 金坛直溪桥凹陷金坛盐矿，淮安凹陷(淮安、淮阴、洪泽、清河、清浦)盐矿，洪泽凹陷赵集盐矿和丰县凹陷盐矿[73-82](表3)。

2.1.2 岩盐成矿时代及层位

长江经济带在漫长的地质历史发展过程中，地壳振荡频繁，海水时进时退，气候干湿交替，多次形成含盐建造，成盐时代及层位相当广泛，自震旦纪至中新生代均有厚度大、范围广的岩盐矿形成，成盐条件良好，重要成盐时代为震旦纪、三叠纪、白垩纪和古近纪，盐矿石NaCl储量占总储量的96%[24,55](表3)。

震旦纪的岩盐矿体仅有四川长宁县至叙永县一带分布的长宁(兴文)盐矿,是当前世界上最古老的岩盐[24]。寒武纪的岩盐矿体分布在泸州—永川和邻水一带，为我国首次发现[24]。

三叠纪岩盐矿体分布地域最广，共有21个，主要分布在四川和重庆。三叠纪岩盐具有多期性特点，含盐层位最为发育，成盐时间最长，成盐作用最强，是长江经济带重要的成盐地质时代[24]。

侏罗纪盐矿在云南有零星分布，如江城县勐野井、洱源乔后和安宁等盐矿[45-51]。

白垩纪和古近纪是长江经济带的主要成盐时期。前者如云南普洱县磨黑、凤岗，湖北枣阳县王城，江西会昌县周田，江苏淮安等盐矿[1,71,78-79]； 后者如云南平浪，湖北云应，湖南衡阳、澧县，江西清江，安徽定远，江苏金坛县直溪桥及淮阴县高堰、赵集、丰县等盐矿[1,52-55,58-70,72,75,78-82]。

2.1.3 成盐盆地范围

成盐盆地面积10 000～25 000 km2范围内的有川东凹陷、川中凹陷和成都凹陷； 1 000～10 000 km2的有江陵凹陷、洋湖凹陷、云应凹陷、云南兰坪—思茅盆地、威西凹陷和垫江凹陷等(表3)。岩盐矿面积一般为200～500 km2，最大的可达10 000 km2(成都—蒲江盐矿)[21,23]，最小的仅有0.29 km2(郭家坳盐矿)[26](表3)。

2.1.4 矿体形态、产状和规模

矿体形态平面上多为椭圆形或似椭圆形，剖面上则为层状、似层状和透镜状。矿体产状平缓，一般在矿体边部倾角7°～10°，个别达20°以上。在矿体中心倾角3°～5°。

其矿体规模多数为3～30 km2，最大的达1 600 km2(潜江)[21,23](表3)。矿体由多层岩盐

组成，一般为20～30层，多的达140多层(潜江)[18,20]，盐层单层厚一般2～3 m，最厚达74 m(潜江)[21,23]，最薄仅10 cm。盐层累计厚一般几十至几百m，薄的仅3.45 m(内江资中)，最厚的达1 050 m(淮安)。

2.1.5 矿体埋藏深度

矿体埋藏深度一般在200～1 000 m，个别超过3 000 m，如垫江、成都—蒲江、万州、高峰和长寿等盐矿[21,23]，而埋藏深度小于400 m的主要为平浪、普洱县磨黑与凤岗和衡阳等盐矿[45-51,58-61](表3)。

2.1.6 矿石组成

岩盐矿石多数含有其他盐类矿物或泥质物，从而形成了多种矿石类型。矿石中NaCl含量一般为50%～60%，低的仅30%左右，高的达98%，岩盐矿石中除石盐外还有硬石膏和钙芒硝(表3)。四川省的大部分盐矿具有盐层厚、品位富、规模大的特点，如威西、川中、垫江、成都—蒲江、自贡等盐矿NaCl含量85%～95%[1]，此外含少量的方解石、白云石、菱镁矿、天青石等碳酸盐和硫酸盐矿物。岩盐矿石中常见的伴(共)生矿物有钙芒硝、硬石膏、天然碱、钾石盐、杂卤石、光卤石、天青石、无水芒硝、石膏等[1]。岩盐矿石的化学成分主要是NaCl，其次是Na2SO4和CaSO4，少数情况下为KCl、MgCl2、MgSO4、Na2CO3、MgCO3等[21,23]。

2.1.7 矿体顶底板及夹层岩性

岩盐矿床矿体顶底板及夹层岩石主要为泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，少量为灰质泥岩和泥灰岩、细砂岩。个别盐矿见有页岩、油页岩(潜江)、泥砾岩(会昌)和底板玄武岩(金坛)[21,23]。

2.2 盐层建设储库的基本地质条件分析

影响盐层建设储库的基本地质条件主要包括盐层厚度、埋深、盐岩矿层品位、盐岩矿层夹层中水不溶物含量、盖层厚度以及构造稳定性、充足的水源等[18-19]。

2.2.1 盐层厚度

有利于建库的厚度条件是盐层总厚度大于80 m，盐层平面分布范围大且稳定。区内此类盐矿有淮安(240～1 050 m)、宜宾凉山盐源(775 m)、江城县勐野井(150～750 m)、潜江(300～400 m)、衡阳(33～395 m)、长宁—兴文(46～368.9 m)、泸州(276 m)、自贡大山铺—郭家坳(254 m)、金坛(144～237 m)、丰县(230 m)、达州宣汉(74～232 m)、广安(167.72～214.5 m)、安宁(193 m)、定远(14.18～198.4 m)、南充(128～151 m)、川中(60～150 m)、赵集(103～130 m)、万州(120 m)、成都—蒲江(11.5～123 m)等[17-82]。

2.2.2 盐层埋深

岩盐矿层的埋深直接影响到储气库的密闭性及安全性，最适宜建造储气盐穴库的深度为400～1 500 m，这样能保证盐层的储气能力和建库效率，缩减建库成本。湖北云应、天门小板、潜江，云南洱源乔后，湖南衡阳金甲岭，江西清江、会昌，江苏淮安、丰县、金坛，重庆江津县渝南，四川自贡、大山铺、郭家坳、威西、内江资中、威远等盐矿埋深适中； 重庆垫江、忠县石宝寨、长寿、合川、万州、高峰，四川成都—蒲江、广安、南充、川中、宜宾长宁—兴文等盐矿埋深较大； 湖南澧县、衡阳蒋家山，安徽定远、四川凉山盐源、泸州、绵阳江油、宣汉、渠县开江、巴中通江、广元、剑阁、旺苍，重庆云阳县黄岭、梁平、永川、涪陵，湖北江陵、枣阳王城，云南安宁、江城县勐野井等盐矿部分层位埋藏偏浅，对建造储气盐穴不利，应选择更深部的盐层空间[17-82]。

2.2.3 盐岩矿层品位及其夹层中水不溶物含量

盐岩品位高，不溶物含量低于25%，易于水溶造腔。石盐层及夹层中水不溶物质含量多少是决定溶腔有效体积大小的主要因素[5-6]。

江苏金坛、湖南衡阳、湖北应城、安徽定远盆地等盐矿夹层以钙芒硝及泥岩为主，石盐矿层中也含较多的钙芒硝，夹层与石盐层不等厚互层，由于夹层中含较多的钙芒硝易溶于水而容易破碎，该类矿区为较易建造盐穴储气库的地区。

湖北潜江、小板、江陵，江苏洪泽、淮安，湖南澧县，江西清江盆地等盐矿夹层以碎屑岩(泥岩、粉砂岩等)为主，含少量易溶盐类，其与石盐层不等厚互层，在水的浸泡中易发生破碎，呈泥质沉淀于溶腔底部，一般只影响溶腔的有效体积，对建造盐穴影响不大。但当泥质夹层太厚时，在岩盐溶蚀造腔中不能完全破碎及坍塌，不易建造盐穴。

江苏丰县、江西周田盆地等盐矿夹层以石膏、硬石膏为主，含一定量泥质及白云岩等水不溶物质，与石盐层不等厚互层，由于其不溶于水，且岩石坚硬，在水中不易破碎，不易造腔，该类盐矿区一般较难建造盐穴储气库。

2.2.4 盖层厚度

盖层厚度一般要求不小于90 m，以保证其稳定性。区内岩盐矿大多数符合这一条件，仅云南江城县勐野井、凤岗、平浪和普洱县磨黑盐矿盖层厚度较薄(表3)。

2.3 盐穴储库建设适宜性评价

评价结果表明： 江苏金坛、淮安、赵集、丰县，江西清江、会昌，湖北云应、天门小板、潜江，云南洱源乔后，湖南衡阳金甲岭，重庆江津县渝南，四川自贡、大山铺、郭家坳、威西、内江资中、威远等盐矿埋深适中，适合建造储气盐穴库； 重庆垫江、忠县石宝寨、长寿、合川、万州、高峰，四川成都—蒲江、广安、南充、川中、宜宾长宁—兴文等盐矿埋深较大，基本适合建造储气盐穴库，但成本可能增加； 湖南澧县、衡阳、蒋家山，安徽定远，四川凉山盐源、泸州、绵阳江油、达州宣汉、渠县开江、巴中通江、广元、剑阁、旺苍，重庆永川、涪陵、云阳县黄岭、梁平，湖北江陵、枣阳王城，云南江城县勐野井等盐矿部分层位埋藏偏浅，对建造储气盐穴不利，应选择更深部的盐层空间(图1)。

图1 长江经济带岩盐矿分布及其盐穴储库建设适宜性评价Fig.1 Distribution of rock salt mines and construction suitability evaluationof salt cave storage in Yangtze River Economic Zone

金坛盐矿是我国目前唯一建成盐穴储气库的矿区。利用了8口井的老腔进行改造建成盐穴储气库，每个腔体有效体积在10多万m3到几十万m3左右[4]。该区岩盐矿层平均累计厚度161 m，最厚达230 m以上，单层最大厚度52.91 m； 含盐段NaCl 平均含量80%，南部地区高达85%； 盐层中泥岩夹层少，含矿率高，厚度一般为1.5～2.5 m； 盐层埋深在888.6～1 236.4 m； 盐层顶底板岩性稳定，密封性好； 在造腔中，溶腔有效体积理论值占总体积为74%～80.5%[2]； 地理位置优越，交通方便，矿区地表条件好，水源丰富，区内构造稳定。

丰县盐矿盐层累计厚度大，顶底板埋藏适中，物理强度大，含矿率较高，矿石品位中上等，硬石膏含量高且变化大，局部达20%； 盐岩富集区构造简单，沉积稳定。

云应盐矿区构造简单，褶皱、断裂和裂隙均不发育； 盐层展布稳定，埋深适宜，品质高，夹层少，水不溶物含量低； 矿床直接顶板为相对隔水层，水文地质条件比较简单。

安宁盐矿矿区范围广，储量大，品位较高，地质条件和水文条件较好，适合大规模水采； 盐岩沉积稳定，成盐期连续，断层构造不发育，埋深适宜，且主要组分易溶； 岩盐盖层岩性稳定，是良好的保护层。

清江盐矿区构造简单，褶皱平缓、规模小，断裂也少，矿体连续性好； 清江组盐层分布稳定，埋深适宜，累计厚度变化大，品质较好，矿石可溶性好，夹层含可溶性矿物高； 顶板泥质岩主要为伊利石，力学性质弱，易塌，但是新干矿段顶板岩石稳定性较好。

3 结论

(1)长江经济带除上海和贵州外，其他9省(直辖市)均发现了岩盐矿床，主要成盐时代为震旦纪、三叠纪、白垩纪和古近纪； 成盐盆地范围0.29～10 000 km2； 盐层累计厚度3～1 050 m； 矿体埋藏深度40～3 400 m； 矿石中NaCl含量20%～99.86%，其次是Na2SO4和CaSO4； 矿体顶底板及夹层岩石主要为泥岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩等。

(2)长江经济带大部分地下盐穴可以作为石油储存库。考虑储气库的密闭性及安全性，江苏金坛、赵集、丰县，湖北云应，云南安宁等盐矿建造储气盐穴的地质条件较好，其次江苏淮安、湖南衡阳、湖北潜江、江西清江等盐矿在合适的地段也可建造储气盐穴。

(3)长江经济带岩盐矿产资源的分布覆盖东部、中部和西部，不论是沿海发达地区，还是有战略纵深的中西部均有分布，都十分有利于国家地下盐穴战略储油储气库基地建设的规划布局。建议在长江经济带中东部的江苏金坛、淮安、赵集、丰县，江西清江、会昌，湖北云应、天门小板、潜江等盐矿地优先开发利用盐穴。