柴达木盆地盐湖型锂矿床地质特征与地球物理探测

孟军海,林佳富,才智杰,薛国强，周楠楠,李洪普,马 龙,王丽君

(1.青海省第三地质勘查院，青海 西宁 810000;2.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室，北京 100029;3.中国科学院地球科学研究院，北京 100029;4.中国科学院大学 地球与行星科学学院，北京 100049；5.青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室，青海 格尔木 816000)

0 引 言

锂的化学性质十分活泼，广泛应用于包括航空航天在内的各个领域，被誉为“工业味精”、“21世纪的能源金属”、“白色石油”。近年来，在高新产业的带动下，锂行业市场高速发展，其战略地位逐渐凸显。仅过去5年，全球锂勘查投入涨幅达50倍，锂成为全球竞争的焦点。锂资源的重要性不亚于石油等战略性资源，一旦锂资源开采出现瓶颈，可能会跟石油一样成为战争的导火索。

锂矿床主要分为花岗伟晶岩型锂矿、盐湖(卤水)型锂矿和沉积型锂矿3种类型，国内有12个锂重点潜力区(表1)。盐湖卤水型锂矿是锂资源的重要来源(储量约占全球锂资源的2/3)，也是锂工业开采的主导方向，尤其是近些年来随着卤水提取锂技术不断进步，其产量也不断增加。盐湖卤水型锂矿集中分布在中国青藏高原和南美安第斯山脉，主要分为碳酸盐型、硫酸盐型和氯化物型3个亚类。青海盐湖的锂资源储量居全国首位，占世界盐湖锂资源储量的1/3，柴达木盆地的盐湖型锂储量约占全国总储量的48.5%。柴达木盆地中南部(图1)产出一里坪盐湖、西台吉乃尔盐湖和东台吉乃尔盐湖等重要锂矿床，主要为硫酸盐型。西台吉乃尔盐湖原勘探报告提交的氯化锂储量超过300×10t，其Li浓度为201.5 mg·L，镁锂比高达67.74，属于硫酸镁亚型；柴达木盆地西部南翼山、碱石山、鄂博梁等地区锂矿主要为氯化物型，具备成为重要产锂基地的潜力，极具研究价值(图1)，但整体研究和勘探程度低。

表1 中国成锂带划分表Table 1 Main Lithium Ore-forming Belts in China

图件引自文献[16],有所修改图1 柴达木盆地锂矿分布Fig.1 Distribution of Lithium Deposits in Qaidam Basin

为了更好地评价柴达木盆地盐湖卤水型锂矿的找矿潜力，本文采用地质与地球物理相结合的方法，首先总结柴达木盆地盐湖卤水型锂矿的成矿地质模型，经综合分析圈出成矿有利区，优选碱石山、鄂博梁背斜构造区，选择有效的地球物理勘探方法进行探测，并结合钻孔验证结果，对物探方法的有效性进行评价。

1 盐湖卤水型锂矿成矿地质模型

柴达木盆地盐湖卤水型锂矿属柴达木盆地Li-B-K-Na-Mg-盐类-石膏-石油天然气成矿区Ⅳ级成矿亚带。在阿尔金断裂、昆北断裂、赛南断裂影响下，柴达木盆地沿断裂边界快速下陷，边沉积边下陷形成坳陷沉积区。地层表现为深水湖相、浅水湖相沉积。在气候逐渐干燥炎热的条件下，湖水蒸发浓缩，矿化度不断升高，位于沉降中心的狮子沟、油泉子及南翼山一带浓缩为高矿化度的富钾锂卤水。到更新世晚期，由于新构造运动，盆地产生差异性沉降，发育浅层褶皱断裂，在坳陷中形成背斜构造，控制了区内含钾锂卤水的分布。其成矿地质模型如图2所示。

图2 柴达木盆地盐湖卤水型锂矿简化成矿地质模型Fig.2 Simplified Metallogenic Geological Model of Salt Lake Brine-type Lithium Deposits in Qaidam Basin

柴达木盆地背斜构造区卤水型锂矿以南翼山锂矿床(图1中蓝色虚线)为代表，属构造裂隙孔隙型卤水钾锂盐矿。成矿时代为古近纪—新近纪，含矿卤水最早形成于古近纪早期。该矿床位于柴达木盆地西北部坳陷，主体属柴达木盆地地层分区。矿区构造复杂，具多样性特点，主特征是对沉积洼地区有明显的隆拗控制。断裂方向以NWW、NE向为主(主要为逆断层)，其次为NEE向。构造活动形成的沉积地层中的断裂裂隙和地层孔隙，是导致古湖水运移和赋存的空间和场所，也是盐类钾矿床的主要控矿条件。

含锂卤水主要分布于油砂山组和干柴沟组中，在油砂山组中主要分布在219.05～1 800.00 m深度段，平均厚度274.1 m，在干柴沟组中主要分布在2 943～4 578 m深度段，平均厚度353.65 m。含矿卤水层岩性有钙质粉砂岩、泥质粉砂岩、泥灰岩、藻灰岩、细砂岩等。

柴达木盆地盐湖卤水型锂矿的成矿物源主要来自残留湖水、周边岩石的风化淋滤、火山-地热水的补给。柴达木盆地周围山前的岩石经过风化，通过水的淋滤作用，将其中的盐分溶解，补充到湖水中；同时，周缘山区的断裂带附近分布着许多新生代火山，火山-地热水中富含K、B、Li、Sr等元素，这些矿物成分以地热水为载体汇集到了柴达木盆地地势较低的西部。

2 地球物理探测实例

通过研究分析覆盖柴达木盆地的区域重力与航空磁测、地震资料及针对勘查深层卤水所进行的电磁类深部地球物理技术方法试验结果可以看出，区域重力异常信息能较好地圈定背斜、断裂构造及基底埋深起伏，划分出赋存深层卤水的有利背斜构造区;航空磁测异常场平静，未能反映出背斜构造；地震方法探测深度大、分辨率高，能有效识别地层界面及构造，但难以识别卤水；瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、音频大地电磁测深法，受线框大小及电流强弱、接地电阻过大、浅部低阻层屏蔽等因素影响，虽然寻找浅层卤水有一定效果，但探测深度限500 m以浅，且纵向上分辨能力总体较差；大地电磁测深法虽能达到1 500～2 300 m的探测深度，但效率低、纵向分辨率低；广域电磁法则对地层、构造、卤水赋存区反映较为灵敏，探测深度可超过4 000 m，结合地震方法能够在背斜构造有利区较好地圈定深层卤水赋存区。

2.1 电性特征

综合分析碱石山、鄂博梁、船型丘—那北、红三旱Ⅲ—Ⅳ号4个背斜构造区测井资料所反映的柴达木盆地西部主要地层深侧向视电阻率特征(表2),地层的沉积厚度从盆地边缘(如鄂博梁)到中心(如碱石山)整体在逐渐增大，每套地层的综合解释出水层数与厚度在不同的构造区变化较大，卤水赋存的油砂山组储层发育；沉积地层的视电阻率整体偏低，最大为260 Ω·m，且地层由新到老，视电阻率呈从小到大的变化趋势，视电阻率高值对应砂质岩、钙质泥岩或干层，低值对应泥岩层或水层。

表2 主要地层深侧向视电阻率特征Table 2 Characteristics of Deep Lateral Apparent Resistivity of Main Strata

2.2 碱石山背斜构造地区探测效果

碱石山背斜构造地区(图1中蓝色虚线)位于柴达木盆地西北部一里坪地区碱石山—落雁山构造带中部，出露地层主要为第四系。

柴达木盆地中、新生代以来经历了多次强烈的构造运动，在地震剖面上不整合现象明显，成为地震层序划分的基础。由于地震资料识别层序的精细程度及可靠性取决于地震资料的分辨率，所以在地震剖面上划分层序的能力是有限的，必须结合钻井和地面露头资料。本文将露头地层、钻井地层与地震地层三者相结合，利用地震层序的划分对比确定柴达木盆地中新生界各套沉积盖层的分布范围和厚度变化。

碱石山地区地震剖面连续性较强的反射显示地层层位整体较为稳定。剖面主要反映一背斜构造[图3(a)]，背斜两侧地层产状较陡，并发育多处陡产状的断裂构造，左侧地层推断的断裂整体向北倾，而右侧断裂倾向则相反。根据地震反射原理，能够形成连续反射的地质界面主要是地层界面和不整合界面。地层界面是残留的沉积作用面，即代表等时界面，其地震响应为年代地层界面的反射；不整合界面代表地质历史中的侵蚀面或无沉积作用面，是划分层序的主要依据，其地震响应也具有年代地层学意义。因此，能够在地震剖面上识别层序的边界，结合区内钻孔资料，对地震剖面划分地层结果见图3(a)。从图3(a)可以看出，地震剖面无法识别出含卤水地层。

为了推断锂矿的赋存位置，在碱石山背斜构造地区进行了广域电磁法探测。广域电磁二维反演成果图[图3(b)]解译的地层总体呈现出第四系(Q)与狮子沟组(N)地层基本水平分布、上新统上油砂山组(N)及中新统下油砂山组(N)地层显示为微背斜构造的产状特征，这与西北近邻的99136地震剖面解释基本一致。在剖面2 500 m以深，地震剖面反映为一高阻层位，该层位厚度较大，反演电阻率也较大，电阻率大于20 Ω·m。以往测井物性资料显示N地层电阻率最大26.17 Ω·m，最小1.0 Ω·m。依据物性成果，推测该高阻层为N地层。N地层在1 400～2 200 m深度段有一明显的低阻层，电阻率小于10 Ω·m；依据物性统计结果，推测为N地层，并为主要含卤水层。该层位在南、北两侧未封闭；N地层上覆有一中高电阻层，电阻率为十几至50 Ω·m，推测为N地层；浅部低阻层为Q地层。另外，依据视电阻率异常横向上的展布特征，推断存在3条均延伸至N地层中的陡产状断裂，其中南侧两条断裂北倾，北侧断裂南倾。碱石1孔[图3(a)]的钻孔资料表明711.5～2 506.0 m深度段存在出水层86层，累计厚度208.8 m；经样品分析，LiCl浓度为623.15～931.06 mg·L，验证了物探划分地层和推断含矿层位的正确性(图4)。

ρs为视电阻率图3 碱石山地震剖面和广域电磁法剖面Fig.3 Seismic and WFEM Profiles of Jianshishan

图4 碱石1孔自流现场Fig.4 Artesian Site of Borehole Jianshi1

2.3 鄂博梁背斜构造地区探测效果

鄂博梁构造带(图1中蓝色虚线)位于柴达木盆地中北部，构造上属于柴北缘走滑冲断系内部的次级走滑构造，呈NW—SE向展布，南部与一里坪坳陷相邻，北部与昆特依凹陷、伊北凹陷为界，包括Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号共3个构造带。该区地质条件十分复杂，地史过程中沉积中心不断变迁，后期构造运动改造作用强烈，断裂极为发育。

鄂博梁背斜构造区地震剖面[图5(a)]表现为连续性较差的反射，地层层位显示不明显。背斜北部整体呈一反“S”状皱褶构造。鄂博梁Ⅱ、Ⅲ号油井，鄂ZK01水文地质钻孔调查结果显示，在鄂博梁地区钻遇渐新统上干柴沟组(N)、N、N和N地层。地震剖面解释浅部发育1条主断裂和2条次级断裂，主断裂分布于背斜构造的核部偏北翼地区，向南缓倾，逆断层，对背斜构造的形成起控制作用，垂向上深部延伸约5 000 m，进入N地层，是深部卤水向上运移的重要通道，但地震剖面无法识别出含卤水地层。

图5 鄂博梁地震剖面和广域电磁法剖面Fig.5 Seismic and WFEM Profiles of Eboliang

广域电磁法剖面[图5(b)]整体从浅层到深部呈低、相对低、中低及高电阻的变化特征。深部高阻异常，顶部埋深2 400～3 600 m，电阻率大于100 Ω·m。根据以往测得的物性资料，推测为N地层，该地层整体显示南部埋深大，北部埋深相对较浅；埋深800～2 200 m明显展布一“厂”字形的似弧状相对低阻层，电阻率小于10 Ω·m，南部规模大于北部，结合以往地质及物性资料推测为N地层，为主要的含卤水矿层位，且朝SW向未封闭；其上部为一中低阻电性层，明显呈南翼陡、北翼稍缓的弧形展布，弧顶近地表，埋深0～1 200 m，电阻率10～20 Ω·m，依据地质资料及物性推测为N地层，亦为主要的赋卤水层位；浅部分布一低阻层，形态与下伏N地层同向展布，电阻率小于10 Ω·m，结合地质及物性资料推断为富含水的N地层与Q地层。另外，依据视电阻率异常横向上的展布特征，推断背斜构造北翼存在两条均南倾并延伸至N地层的断裂，其中南侧断裂规模大于北侧的隐伏断裂。鄂ZK01(图5)钻孔资料显示283.5～1 908.2 m深度段存在出水层30层，累计厚度89.8 m，且主要集中于N地层；经样品分析，LiCl浓度为116.08～140.51 mg·L，呈自上而下逐步增大的趋势，表明物探划分地层和推断含矿层位得到了验证。图6显示了同一构造带的鄂2井自流情况。

图6 鄂2孔自流现场Fig.6 Artesian Site of Borehole E2

3 结 语

柴达木盆地盐湖卤水型锂矿储量约占全球卤水锂资源的1/3，在中国卤水锂资源的占比更是超过63%。柴达木盆地构造复杂多样，对沉积洼地区具有明显的隆拗控制特点。构造活动导致沉积地层的断裂裂隙和地层孔隙，是古湖水运移和赋存的空间和场所，也是盐类钾矿床的主要控制条件。

如何实现盐湖锂资源的高效、精细勘查一直是困扰盐湖锂资源勘探开发的关键技术问题。通过碱石山和鄂博梁两个背斜构造区的勘探实践，初步认为地震方法效果较好，在划分地层、构造，确定产状、埋深等方面效果明显，是地表勘探深层卤水赋矿地层最有效的地球物理手段；含矿层位的定位则需要借助广域电磁法，含卤水层表现出明显的低阻特征，是电磁感应类方法的理想探测目标。