青海別勒滩试验区低品位固体钾盐液化开采的野外实验研究

李瑞琴，刘成林，赵艳军，刘万平，王石军，江雨彤

(1. 中国地质科学院 矿产资源研究所 成矿作用与资源评价重点实验室， 北京 100037； 2. 北京大学 地球与空间科学学院， 北京 100871； 3. 青海盐湖工业股份有限公司， 青海 格尔木 816000； 4. 沈阳工业大学， 辽宁 沈阳 110870)

钾是农作物生长必需的营养元素，钾盐主要用作生产钾肥，是重要的农肥资源，然而钾盐资源是我国七种大宗紧缺矿产之一(王弭力等， 2001； 孙小虹， 2013)。长期以来，我国土壤普遍缺钾，据不完全统计，截至2014年，我国缺钾土壤已经达到4.5亿亩(郭海飞， 2014； 王栋等， 2017)，钾肥的短缺已成为制约我国农业发展的瓶颈因素之一。作为全球最大的钾肥消费市场，2016年中国整体消费量达1.47×107t，进口量7.04×106t，约50%需要依靠进口(王栋， 2019； 王春连等， 2020)，这对我国在国际钾肥市场提高竞争力不利。钾盐找矿，无论在国内还是国外，都是一件不容易的工作，尤其在我国，钾盐找矿难度更大。经过50多年的勘查，盐湖找钾已很难取得新的大突破。为了缓解国内钾肥严重依赖进口局面，我国政府大力支持钾盐资源勘探，并施行油钾兼探策略，但至今尚未取得重大突破(王栋等， 2017)。不过，值得重点关注是，察尔汗盐湖、马海、昆特依、罗布泊还有数亿吨低品位固体钾盐，这些资源相当于一个超大型钾矿，仅別勒滩地区S4盐层就储存有1.8×108t的低品位固体钾盐(牛雪， 2014； 牛雪等， 2015)。因此，对盐湖地层中数亿吨的低品位固体钾盐进行开发是解决中国钾盐短缺重要的、可行的方向。

20世纪90年代以来，国内开始有专家针对固体钾盐液化开发进行研究，如1990年青海省盐湖勘查开发研究院做了淡卤水回灌溶解驱动实验，设计了室内静态、动态溶矿实验以及野外小型封闭盐田溶矿实验，主要取得以下成果：固体KCl的溶矿率与溶矿时间长短无直接关系；固体KCl的溶解率与溶剂中KCl浓度有关；溶剂溶度越低，溶矿效果越好；溶剂流量越大，溶矿效果越好(青海省盐湖勘查开发研究院，1990)(1)青海省盐湖勘查开发研究院. 1990. 青海省察尔汗盐湖淡卤水回灌溶解驱动实验报告.；孙大鹏等(1995)对察尔汗盐湖首采区卤水溶解光卤石进行了初步研究，发现光卤石的溶解使卤水中K+含量升高，该过程伴随着大量石盐的析出；李文鹏(1991)、李文鹏等(1994)、Li Wenpeng(2008)进行了固液转化数值模拟研究，发现溶矿过程中晶间卤水可分为溶矿驱动后浓度带、弥散交换影响浓度带和原晶间卤水浓度带，固体盐层也相应分为溶矿驱动后浓度带、溶矿驱动影响带和原固相浓度带，模拟结果显示K+呈波浪式前进；郝爱兵等(2003)进行了有关固体钾盐变温高浓卤水体系的地球化学平衡研究，通过溶解驱动开采固体钾矿的室内实验所用溶剂的化学平衡计算，分析了各溶剂的溶矿能力，提出溶剂中光卤石不饱和是其溶解固相钾矿的关键所在；安莲英等(2005)进行了察尔汗盐湖固液矿转化实验研究，得出的主要结论为钾均可从固相向液相转化，钾转化率和转化速率随温度的升高而增大，随固液矿种钾浓度差异增加而增大；王有德(2006)对马海盐湖的低品位固体钾矿溶解开采进行了探讨，认为对马海盐湖低品位固体钾矿完全可以进行水溶开采，并就水溶开采的必要性及可行性进行了论述；周训等(2006)对察尔汗盐湖別勒滩区段晶间卤水进行了数值模拟，建立了晶间卤水非稳定流数学模型并进行数值计算，对別勒滩区段卤水开采过程进行模拟，结果表明该模型可以反映盐湖晶间卤水流畅的变化；安莲英等(2010)对深埋藏的杂卤石的溶浸开采进行过可行性研究及溶浸动力学模拟，指出溶浸开采可能成为深埋藏杂卤石开发的有效途径；王文祥等(2010， 2013a)对察尔汗盐湖低品位固体钾矿液化开采进行了探讨，得出了溶解驱动过程中水动力场和水化学场的部分变化规律，结果表明，作为溶解驱动溶剂，盐田老卤的溶解钾矿效果明显，但溶矿过程中部分NaCl析出结盐，减弱了地层的渗透性；中国地质科学院矿产资源研究所(2013)(2)中国地质科学院矿产资源研究所. 2013. 青海別勒滩低品位固体钾盐液化开发的关键技术.对青海別勒滩低品位固体钾盐液化开发关键技术进行了研究，对別勒滩区段的矿床地质特征进行了详细描述，建立了钾盐矿床的三维模型，并对低品位固体钾矿的液化率与可液化资源量进行了评价，提出了增程驱动模式及开发方案；刘喜业等(2014)对察尔汗盐湖表层低品位固体钾矿溶矿实验及数值模拟进行了分析，建立了稳态渗流有限模型；周桓等(2015)对大浪滩低品位钾矿溶浸富钾规律进行了研究，指出不同溶剂对固体钾矿的溶浸效果不同； Li等(2020)对察尔汗盐湖低品位固体钾盐矿物特征及其溶解机理进行了研究，野外实验显示老卤和淡水配制的具有高镁低钠低钾的溶剂溶矿效果相对较好。

上述研究取得了一些重要认识，首先证明了低品位固体钾盐可以通过固液转化的方法进行开发利用，其次多个数值模拟获得了部分适用于低品位固体钾盐溶矿模拟分析的参数及条件，还获得了低品位固体钾盐溶矿过程中水动力场和水化学场的部分变化规律。但是，关于低品位固体钾矿溶解机理尚不完全清楚，数值模拟方面仍需补充大量数据，溶矿过程中的水动力学和水化学变化仍需要更深入的研究。本文在前人研究基础上，以青海別勒滩为研究对象，进行了野外溶矿实验，研究低品位固体钾盐固液转化过程中的水动力学和水化学变化问题，欲为低品位固体钾盐的开发提供科学参考。

1 矿区地质特征

別勒滩位于察尔汗盐湖的最西部(图1)，地层完整，总的趋势是南高北低(于升松， 2000； 李波涛等， 2010)，面积约1 500 km2(杨谦等， 1993)，岩盐属蒸发岩沉积，主要由石盐组成，局部地段含有杂卤石、光卤石、钾石盐、石膏、芒硝、水氯镁石及碎屑沉积物等(图2)。钾盐矿物主要分布于最上部的S4和S5盐层(图3)，地层中固体钾矿层或含钾矿层KCl品位较低，通常含量在2%～6%之间，部分在0.2%～2.0%之间(袁见齐等， 1995； 王文祥等， 2013b)，属于低品位固体钾盐。別勒滩区段为湖积平原，地面较为平坦，出露地层及地下与盐层有关的地层均为第四系，岩性特征见图3。別勒滩区段主要为干盐湖，其晶间卤水的补给来源主要是外围松散层孔隙水的侧向补给、来自下部的越流补给和大别勒湖、涩聂湖湖水的补给。

图 1 察尔汗盐湖各区段划分示意图 (据孙大鹏等， 1988； 李波涛等， 2010)

图 2 察尔汗盐湖钾盐沉积分布图(据孙大鹏等， 1988)

图 3 別勒滩地层剖面示意图(改自袁见齐等， 1995)

2 矿区溶矿工程部署

本次溶矿试验区位于别勒滩地区西部,涩聂湖东岸，涩北公路以西。该区盐层孔隙发育好,厚度大，2017年5月～10月在实验区开展了针对埋深3 m以上浅矿层的溶解转化实验，主要溶解转化区域面积约为27 km2，具体的工程部署详见图4。本次溶矿采用的是分形加密渠道布置，平均每200 m开挖一条渗水支渠，与单级驱动和增程驱动溶矿相比，能增加有效溶矿面积。

为了监测溶矿过程中试验区的水位和水质变化规律，本次溶矿共在试验区开挖探坑32个(图4、图5)，试验区西南侧以支渠A1-A3、A4-A5和A6-A7为界分为3个单元。单元1内有1#～6#探坑，单元2内有7#～15#探坑，单元3内有16#～21#探坑，同时，在6号渠西南侧开挖探坑11个(编号22#～32#)。探坑到渗水渠的平均距离为178 m，根据观测探坑中的水位和水质变化来判断溶矿效果。

图 4 別勒滩试验区溶剂渗水渠道分布图

图 5 试验区探坑照片

溶矿需要采用一定浓度的卤水，如果采用淡水或低浓度卤水，会在盐层内部形成大量溶解而形成空洞，造成盐层垮塌(梁卫国等， 2003； 王石军等， 2013)，或者形成优势通道；如果采用卤水浓度较高，又会造成渠壁结盐。本次溶矿采用老卤与淡水掺兑的方法配制溶剂，KCl含量平均值为0.44%，NaCl含量平均值为1.29%，MgCl2含量平均值为19.09%，呈低钠低钾高镁的特点，因符合Na+、K+、Mg2+/Cl--H2O四元水盐体系，投在该四元水盐体系相图上的位置见图6。

图 6 溶矿溶剂在25℃的Na+、K+、Mg2+/Cl--H2O四元水盐体系相图上投点

本次溶矿采用的是浸泡式溶解方法，即忽略流场条件。2017年5月份开始向实验区输送大量溶剂时，实验区水位为3 m，经过两个月的补给，渗水渠平均水位抬升1 m左右(7月12日观测)，从现场观测看，渗水渠和探坑的水位基本持平，至10月份共向实验区注入溶剂8.372×107m3(图7)。

图 7 试验区注入溶剂量统计图

3 溶矿实验过程及讨论分析

3.1 探坑潜水位变化规律

根据试验区重点探坑潜水位历时曲线图(图8)分析可知，6月15日探坑1#～21#平均水位为2.0 m，最浅水位为1#探坑，水位为1.6 m，最深水位为11#探坑，水位为2.2 m； 7月28日探坑1#～21#平均水位为1.31 m，最浅水位为3#和4#探坑，水位为0.5 m，最深水位为12#探坑，水位为1.8 m；8月16日探坑1#～21#平均水位为1.17 m，最浅水位为4#探坑，水位为0.38 m，最深水位为12#探坑，水位为1.6 m；9月9日探坑1#～21#平均水位为1.04 m，最浅水位为1#探坑，水位为0.2 m，最深水位为12#探坑，水位为1.4 m。

从图7可知，从5月份开始至9月份每日进水量是逐渐增大的，若溶矿过程顺利，则探坑水位应按照一定的速度稳步上升，而实际情况并非如此。图8显示，至6月15日进水34 d，试验区探坑平均水位上升约1 m；至7月28日再进水43 d，试验区平均水位上升0.69 m；至8月16日再进水19 d，试验区平均水位上升0.14 m；至9月9日再进水24 d，试验区平均水位仅上升0.13 m。试验区探坑水位变化整体情况表明,平均水位1.31 m以深，溶剂进入试验区含矿层相对比较顺利，然后在1.31 m以浅溶剂量没有减少的情况下水位上升明显减缓。这可能是以下原因导致： 1.31 m以浅矿层孔隙度和给水度整体条件较差，物性变差导致溶剂无法在含钾矿层中很好地流通，这不仅降低了溶矿效率，大量的溶剂必然从试验区域内的优势通道向地势低洼处快速迁移，导致在试验区东南侧溶剂大量聚积，形成了一个“溶剂湖”。

图 8 试验区探坑水位变化历时曲线

不同监测时间点各探坑潜水位平面等值线图见图9。由于受取样数据所限，导致在点位一致的情况下，图9中部分等值线范围不一致。在溶剂注入过程中，探坑1#～4#始终是水位埋深的一个低值区域，水位稳步上升； 7月13日之前，另一个水位上升较快的区域为探坑15#的东北侧，而其他区域水位则上升较慢； 至7月13日，除探坑7#～15#外，其它区域都有较明显的水位抬升； 7月28日，试验区内水位抬升最高的位置为探坑1#～4#，水位抬升最差的为探坑12#，此时，试验区东北部大片区域水位埋深都比较深，进水效果较差；8月16日，东北部依然是试验区水位抬升效果最差的区域；至9月9日，试验区西南部区域整体水位都抬升至埋深1.1 m以浅，但东北部效果依然不好。截止11月中旬，在6号渠西南一侧出现了大量溶剂沿优势通道向6号渠方向快速推进的问题，给试验区的溶矿工作带来较大压力，水位抬升每天仅仅能达到1 cm，而且在6号渠出现了多个涌水点，为了保证安全生产，溶剂不得不停止注入。其主要原因可能是6号渠西南侧大片区域浅部含矿层(约1.5 m以浅)溶矿效果不佳，溶剂无法注入含矿层与固体钾矿发生反应，随着注水量的增大而选择从优势通道向6号渠方向快速运移。

图 9 试验区水位埋深等值线图

水位埋深变化的等值线图表明，试验区含矿层以埋深约1.5 m为界，在地质结构、构造、孔隙度方面存在较大差异，特别是晶间孔隙的连通性等卤水储集空间的质量方面发生了明显变化，导致水位抬升的进程在7月中旬以后发生了明显变化。

3.2 探坑水化学变化规律

探坑中水位与KCl含量变化见图10。单元1内探坑水位整体上随着时间变化稳步上升，特别是探坑1#～4#水位埋深高过0.5 m。不同的是，8月16日之后，探坑3#和4#水位埋深有一定幅度的下降；9月9日，探坑5#和6#水位埋深为1.2 m，且其水位变化趋势基本一致。因此，在溶矿过程中，虽然单元1整体上水位上升情况最佳，但不同区位之间也存在一定差异。探坑中水质的变化明显与水位不同，各探坑水质都表现为一定幅度的波动，1#和2#探坑中KCl含量呈先升后降的趋势，4#和5#探坑中KCl含量呈先降后升的趋势，3#探坑中KCl含量波动最大，整体上没有统一的变化规律，这可能与盐层的均质性和该区域固体钾矿的类型及含量有关。

单元2内除探坑15#水位埋深以较快速度在8月16日上升至0.2 m外，7#～14#探坑的水位埋深变化相对较为一致，不同之处在于7#、8#、9#和14#探坑在8月16日之后水位埋深略有下降，其原因是由于该区域探坑中溶剂没有得到补充，而探坑中卤水强烈蒸发引起水位埋深逐步下降。单元2内，从进溶剂开始至9月9日水位埋深最高1.1 m，且多数探坑在7月28日之后没有明显变化，表明该单元在埋深1.1 m以浅溶矿效果较差，这可能是矿层地质特征有差异的原因。该单元探坑水质在7月28日之前波动幅度较小，之后7#和14#探坑KCl含量明显增高，7#探坑从1.13%增加至2.40%，在9月9日又降低至1.18%；14#探坑从0.8%增加至2.14%，在9月9日又降低至0.57%。探坑11#、12#和13#则正好相反，KCl含量先急剧降低再急剧增加至1.83%～2.49%。单元2内，各探坑水质变化无统一规律。

图 10 溶矿过程中试验区探坑中水位和KCl含量变化图

单元3内有6个探坑在溶剂注入过程中水位埋深变化几乎完全一致，至9月9日探坑水位埋深均为1.1 m，表明该单元浅部(1.1 m以浅)溶矿效果较差，但区域内3 m以浅矿层均质性较好。与该单元内探坑的水位波动趋势一致，在溶剂注入过程中探坑内卤水水质的变化相对单元1和单元2明显较小，6个探坑在监测时间内KCl含量平均值分别为6月1.70%、7月2.02%、8月1.76%和9月1.49，表明该单元溶矿效果相对比较稳定。不足之处在于水位在1.1 m以浅上升难度较大，造成浅部低品位固体钾矿开采困难。

试验区不同时间段探坑内卤水的KCl含量变化等值线图详见图11(该图受取样数据所限，导致在点位一致的情况下，部分等值线范围不一致)。探坑内卤水的KCl含量变化与水位埋深变化基本上相反，水位抬升效果最好的1#～4#探坑(单元1西南部)，卤水品质始终较差；试验区的东北部水位抬升效果较差，但该区域卤水品质较好；9月9日，试验区内探坑中KCl含量平均值约1.3%，且不同单元探坑之间差异较小。随着溶剂的不断补充，经过一段时间的反应，区内卤水KCl含量整体趋于平均，但整体上含量均较低，可能是因为“青海盐湖低品位钾盐增程驱动开采技术”及“青海别勒滩低品位固体钾盐液化开发关键技术”两大课题曾在该区做过野外溶矿实验，加之青海盐湖集团近几年的开采，地层中钾盐矿物含量降低，因此溶矿后区内卤水中KCl含量相对偏低。

3.3 应用PHREEQC软件分析溶矿过程

饱和指数(saturation indices，缩写为SI)是水文地球化学研究中应用最多的一个指标，它研究的是矿物在水溶液中的饱和状态。矿物在水溶液中的饱和指数(SI)定义为：SI=lgIAP-lgKsp，式中，IAP为矿物溶解反应中相关离子的活度积，Ksp为矿物在某温度下溶解反应的平衡常数。当SI=0时，矿物在水溶液中处于平衡状态；当SI<0时，表明矿物在水溶液中未达到饱和状态，矿物将发生溶解反应；当SI>0时，表明矿物在水溶液中处于过饱和状态，矿物将会沉淀析出(Mark and Nicolas, 1984)。

PHREEQC软件可计算矿物在水溶液中的饱和状态，计算之前需要确定可能的矿物相。察尔汗盐湖最常见的盐类矿物为石盐、杂卤石、光卤石、石膏、钾石盐，偶见极少量的方解石和白云石，碎屑矿物有石英、云母、钠长石、绿泥石(李波涛等， 2010， 2012；中国地质科学院矿产资源研究所， 2013(3)中国地质科学院矿产资源研究所. 2013. 青海別勒滩低品位固体钾盐液化开发的关键技术.； 王文祥， 2010， 2013a； 牛雪， 2014； 牛雪等， 2015)。碎屑矿物为难溶矿物，方解石和白云石为非贯通性矿物且量极少，因此确定察尔汗盐湖的矿物相为石盐、杂卤石、光卤石、钾石盐。溶矿过程中1#～21#探坑溶液中各矿物相的饱和指数变化情况详见图12。

图12中5月份代表的是原溶剂中各矿物相的饱和指数。从图12中可以看出，各探坑溶液中石盐的矿物饱和指数整体上较高且呈上升趋势，说明溶剂进入地层后溶解了微量的石盐，部分探坑中石盐矿物饱和指数呈先升后降再上升趋势，主要是受溶剂补给影响。光卤石和钾石盐的矿物饱和指数整体上呈增高趋势，溶剂进入地层后溶解了盐层中的光卤石和钾石盐；部分探坑中光卤石和钾石盐的矿物饱和指数有一定的波动，主要是受溶剂补给的影响。

杂卤石的矿物饱和指数整体上呈先增加后下降的趋势，主要是因为光卤石和钾石盐为易溶蒸发岩矿物，溶剂进入地层后先溶解这两种矿物，随着光卤石和钾石盐的矿物饱和指数的增加，但溶液对钾盐矿物并未达到饱和，理论上溶液对杂卤石的溶解能力增强，部分探坑中杂卤石的矿物饱和指数有一定的波动，主要是受溶剂补给的影响。

由上述分析可知，溶矿后卤水中钾盐矿物未达到饱和，因此推测本次溶矿后溶液KCl含量整体偏低的原因与地层中钾盐矿物含量有关。

图 12 试验区探坑溶液中各矿物饱和指数历时曲线图

4 结论

(1) 溶矿过程中，试验区内不同时间不同单元水位变化有较大区别，探坑中水位变化的等值线图表明，实验区内含矿层以埋深约1.5 m(或1.31～1.5 m)为界，表明別勒滩地区在地质结构、构造，特别是孔隙度等方面存在较大差异。

(2) 溶矿过程中，试验区内不同时间不同单元卤水的KCl含量有差异；在溶矿初期，探坑内卤水的KCl含量变化与水位埋深呈相反趋势，水位抬升效果最好的区域其卤水品质较差。随着溶剂的不断补充，与固体钾盐矿物反应时间的增加，区内卤水KCl含量整体趋于平均，但含量均较低。

(3) 试验区探坑中卤水KCl含量较低，可能是以下原因的结果。一是因为“青海盐湖低品位钾盐增程驱动开采技术”及“青海别勒滩低品位固体钾盐液化开发关键技术”两大课题曾在该区做过野外溶矿实验，加之青海盐湖集团近几年的开采，导致地层中钾盐矿物含量降低，本次溶矿后卤水中KCl含量低；二是因为可能与盐层的均质性和该区域固体钾矿的类型及含量有关。

5 问题与建议

(1) 溶矿时，溶剂注入过程中试验区水位变化表明不同深度和不同区域内卤水储层的连通性存在较大差异。因此，必须在大规模工业化开发前加大对储卤层特征研究，以此为基础开展溶采单元的划分，并根据储层结构在垂向上的变化控制溶剂进入的总量和速度。

(2) 该区域已经过多轮溶采，固体钾矿的品位发生了较大变化，这导致溶剂注入后卤水的水质变化较慢，溶矿效果较差，因此目前必须对浅部固体钾矿矿床地质特征进行精准评估，精细化管理，以避免盲目补给溶剂造成无效溶解，使得溶采工程低效率运行，生产成本提高。

(3) 存在明显的优势通道。6号渠在溶剂注入过程中出现多处“管涌”现象，明显存在优势通道，优势通道的存在造成溶剂与矿体的接触时间较短，使溶矿后水质达不到工业要求就直接进入采卤渠。建议根据地质情况，补充一定的工程勘查，对溶采区优势通道情况进行摸底，进行技术攻关，变弊为利。

致谢感谢青海盐湖工业股份有限公司王罗海、严群雄、刘斌山等在本次研究中提供的大力支持，并对其他为本文的完成做出贡献的工作者一并表示感谢。