柴达木盆地中西部碱石山背斜深层卤水赋存特征研究

何邦超

(江苏长江地质勘查院，南京 210046)

0 引言

柴达木盆地位于由昆仑山、祁连山、阿尔金山围成的封闭性的巨大山间断陷盆地内，蕴藏着丰富的矿产资源，例如石油、煤炭、天然气以及丰富的盐类矿产资源等，故有“聚宝盆”的美誉[1-4]。自中生代末—新生代初以来，板块运动导致柴达木盆地周围的山体不断隆升，造就了“高山深盆”的沉积环境，大量的盐类物质沉积，加之新近纪干旱封闭的气候环境，使柴达木盆地沉积了大面积的厚层盐岩，资源储量巨大，其中NaCl和KCl的探明储量分别为600多亿吨和2亿多吨，占我国总储量的97%，因此也被誉为“盐的世界”[5-7]。

自20世纪50年代开始，我国大量的高校、科研院所、企事业单位、勘探队伍围绕柴达木盆地盐类矿产资源的沉积环境、成矿模式、时空分布规律、储量评价与找矿远景进行了大量的测试与分析工作[8-9]。樊启顺等对柴达木盆地西部的卤水特征和成因机制进行了探讨，认为地表浅层卤水主要是由大气降水汇聚而形成的；并推测深部油田卤水来源于冰雪融水或雨水补给，沿断裂带下渗，在迁移的过程中发生变质作用和深部地热水体掺杂，形成了深部油田卤水[10]。刘兴起采用Pitzer模型对柴达木盆地盐湖形成与演化的地球化学过程进行了模拟，并提出了四种硫酸镁亚型盐湖的析盐途径[11]。刘溪溪等分析了柴达木盆地西部狮子沟背斜构造区深部卤水的水化学特征、物质来源及演化过程，认为该区域的深部卤水主要是岩盐溶解而成，伴有沉积卤水的参与，演化过程主要受控于蒸发和溶解的双重作用[12]。陈柳竹等根据柴达木盆地盐湖水、晶间卤水，以及格尔木河流域地表水、地下水化学组成，利用多元统计方法，得出了岩石风化淋滤是盆地区盐湖物质的主要来源[13]。王建功等开展了柴达木盆地西部地区渐新世下干柴沟组上段盐湖沉积特征研究，认为盐湖沉积相主要发育了两大类、五小类沉积相组合，盐湖沉积主控因素为气候、古地貌与构造运动[14]。甘会春查明了柴达木盆地小梁山至大风山区域以钾为主的浅层固液相盐湖矿体分布特征，认为该区域内分布着五个固体石盐矿层，且矿层厚度自东向西逐渐增加[15]。

由此可见，以往的研究工作主要是针对柴达木盆地某一特定区域的盐类矿产资源调查和评价[16-20]。本研究主要是依托“青海省茫崖行委碱石山钾盐矿预查”项目，对柴达木盆地碱石山区域的地层、构造特征、成矿模式、盐类沉积特点、岩相分布规律、物质来源等地质成矿背景进行深入分析，并在此基础上总结该区域的成盐地质条件以及深部卤水矿层的产出层位、赋存特征等，可以为该区域后期的盐类资源远景预测和开发利用提供依据。

1 区域地质背景及成矿条件

1.1 区域地层分布

碱石山地区位于柴达木盆地台坳的中西部，地表广泛出露有新近系和第四系，区域构造活动特征为褶皱强于断裂。区域地层由老至新出露有奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、古近系、新近系和第四系。

1.2 区域构造特征

受区域大地构造运动的影响，区域内发育的褶皱主要呈北西西-北-北北西向分布，绝大部分褶皱的形态并不完整，主要是受同期或后期的断裂构造作用的影响。区域内断裂构造发育，主要由北西向、近东西向、北北西向、北东向及南北向断裂组成(图1)。控制柴达木盆地形态的主要为北缘和南缘隐伏的深大断裂，对盆地的演化起着控制作用，同时这些断裂也控制着第四纪盐类物质的沉积。

图1 区域构造纲要图Figure1 Structural outline map of the region

1.3 区域沉积构造演化

柴达木盆地中、新生代沉积构造演化经历了四个阶段，分别是断陷沉积阶段、局部抬升剥蚀阶段、整体沉降坳陷阶段、强烈逆冲褶皱阶段。柴达木盆地中、新生代古湖位置演化过程如图2所示。

1.4 区域水文地质特征

柴达木盆地南部的那陵郭勒河是区域地下水的主要补给源，西北部的一系列背斜构造带，为区域地下水的天然屏障。在山前倾斜平原和湖积平原， 沉积了巨厚层的松散堆积物，成为地下水的良好储存空间。区域地下水和地表水汇聚于扇前低凹地带，形成了一系列大小不等的湖泊，并以强烈的水面和地面蒸发形式排泄，从而在湖区沉积了多种盐类矿产资源，并完成了内陆水循环的全过程。

a.古近纪渐新世早期； b.古近纪渐新世晚期； c.新近纪中新世； d.新近纪上新世中期图2 柴达木盆地中、新生代古湖位置演化过程Figure 2 Mesozoic, Cenozoic paleo-lakes positional evolution process in Qaidam Basin

2 碱石山地区地质条件

2.1 研究区地层分布

研究区位于柴达木盆地-里坪地区碱石山-落雁山构造带中部，研究区出露的地层主要为第四系，新近系仅在钻孔中见到。本次根据碱ZK01井、碱ZK02井、碱石1井，对区内地层进行了较为准确地划分(表1，图3)。

表1 研究区地层分布

2.2 研究区构造特征

研究区的主体构造为碱石山背斜，南侧还平行分布有规模相对平缓、规模较小的土林堡背斜构造。地震资料显示，研究区内分布有八条逆断层，且碱石山背斜轴部西南翼断层较发育。研究区的褶曲及断层构造地震时间剖面(图4)。

图4 研究区褶曲及断层构造地震时间剖面Figure 4 Seismic time section of fold and fault structures in study area

2.3 研究区水文地质特征

研究区主要为一抬升的背斜山体， 自柴达木盆地形成以来，又经历了多次构造运动，断裂和裂隙较发育，为深部卤水提供了重要的赋存空间。盆地内所出露的及钻孔揭露的新近系及第四系下、中更新统，由一套微胶结的湖泊相构成。具有由碎屑岩和灰岩、粉细砂及盐岩层所构成的含水层，由黏土、淤泥等阻水良好的隔水层，因而在其内部赋存着大量高矿化度卤水。在受到后期新构造运动影响，发生褶皱后，形成了碎屑岩类孔隙-裂隙水。

a.ZJ50型钻机现场施工图； b.碱ZK02井岩心； c.碱石1井自流现场；d.钻井井场全貌图3 施工现场地质环境Figure 3 Operation site geological environment

2.4 地下水水化学特征

上部孔隙-裂隙型卤水分布于碱石山整个区域，具高承压性、高矿化、富水性弱等特征，水化学类型为氯化物型，具有沉积水的特点。碱ZK01、碱ZK02井均见该层卤水分布，赋存于新近系上新统狮子沟组中。水化学类型为氯化钠型水，矿化度234.1～304.6g/L。

下部孔隙-裂隙型卤水主要分布于碱石山背斜构造部位，含水层埋深一般大于1 400m。含水层厚度、涌水量及水位埋深等各构造位置差异较大，富水性较弱。水化学类型为氯化钠型水，矿化度143.9～297.6g/L。

3 矿床赋存规律

3.1 控矿特征

柴达木盆地碱石山背斜构造区卤水型钾盐矿属沉积型地下卤水钾盐矿。成矿时代为古近纪—新近纪，最早形成于古近纪早期。柴达木盆地中西部坳陷为古近系、新近系在构造运动作用下发生褶皱、断层、裂隙形成的，促进了构造裂隙卤水矿的形成。构造方向以北西西、北东向，以逆断层为主，其次为北东东向断层。

研究区范围内地层基本由上而下依次揭露为第四系七个泉组，新近系上新统狮子沟组、上油砂山组，中新统下油砂山组、上干柴沟组，地层保存完整。其中，上新统狮子沟组有沉积多套含盐岩地层，是良好的成矿层位。

碱石山背斜构造的翼部发育有规模较小的逆断层，但背斜的生成并不受逆断层活动的控制，而是顺层挤压的结果，是喜马拉雅晚期挤压作用的产物，研究区向斜翼部附近深部断裂构造较为发育，主要发育在新近纪晚期和第四纪。构造活动导致沉积地层的隆起和坳陷，是导致古湖水运动方向和赋存空间的场所，也是盐类锂矿床的主要控制条件。构造裂隙卤水矿成矿构造为背斜构造和断裂构造、构造裂缝。

3.2 矿床地质特征

上部孔隙-裂隙卤水赋存于狮子沟组岩盐地层中，一般埋藏深度在1 400m以浅；下部孔隙-裂隙卤水赋存于上、油砂山组构造裂隙中。物质来源主要为残留海水、周边岩石的风化淋滤、火山-地热水的补给。盆地周围山前的岩石经风化和水的淋滤作用将其中的盐分溶解，同时周缘山区的断裂带附近分布着许多新生代—近代火山，而火山—地热水中含有丰富的钾、硼、锂、锶等组分。当时，盆地地形是东高西低，因此火山-地热水中的钾、硼、锂等元素均汇集到了盆地西部。

通过本次施工的碱ZK01井、碱ZK02井揭示的深层卤水分析，认为研究区锂矿形成主要有以下两种成因方式。

1)研究区含锂孔隙-裂隙卤水成因。在区域构造运动的作用下，上新世晚期盆地西部褶皱隆起，而盆地中、东部的楔形块体断陷不断下降，造成柴达木盆地西部高而东南低的地形。本勘查区作为凹陷区，沉积了多套含盐岩地层，锂矿也随卤水汇入，形成卤水锂矿床。

2)研究区深部断层孔隙-裂隙锂矿成因。可能是深部热源引发的对流促成高温热水从基底火山岩层中溶滤出大量的锂，经由活动水热场通道输送、热泉喷口喷涌到地表。300～350℃以上高温热水对区内火山岩溶蚀产生的大量锂离子经由热泉喷出地表，很可能构成洪水河和盐湖锂的主要起源区内几条活动断裂交汇地带的断层错动和地震活动频繁，有利于水热场活动的持续。深部含锂卤水沿深大断裂上涌，与残存卤水相互掺杂，促进了锂的富集成矿。

3.3 深层卤水赋存规律

1)背斜轴部。研究区内位于背斜轴部，应力相对集中，裂隙相对发育，卤水储层空间相对较大。如碱石1井的单日涌水量最大，初期阶段每日达200m3。而在碱ZK01施工过程中，在井深655m处发生了涌水现象。在地震时间剖面上表现为该段地震波能量较强，但连续性稍差，出现时强时弱的现象。对应脆性较强的含盐岩地层，可能代表背斜轴部裂隙发育(图5)。

图5 碱ZK01井地震时间剖面图Figure 5 Well Jian ZK01 seismic time section

2)断裂破碎带及保存条件。从目前施工的钻井发现，碱石1井和碱ZK01井皆在钻至断裂破碎带时，发生井涌现象。由此可见，断层破碎带一方面作为卤水存储空间，也对上下含卤水地层形成导通作用。但是，碱ZK02井深部尽管发育两条相对规模较大的断裂，深约1 650m揭露的断裂发生了涌水，断裂上下盘仅表现为地层倾角突变，未见明显的破碎带，深部基本沉积地层为泥岩，该断层裂隙不发育，因此，不能成为良好的储层。另外，该组断裂向上延伸至较浅部，因区内深部地层压力较大，卤水形成自涌，对于较大规模断裂，可能造成卤水流失。

3)背斜轴部与背斜翼部涌水特征。上述靠近背斜轴部两钻孔的水文情况可以看出，背斜轴部钻孔的涌水量稍高于背斜翼部。

4 结论

1)碱石山地区上部孔隙-裂隙型卤水分布于碱石山整个区域，具有高承压性、高矿化、富水性弱等特征，水化学类型为氯化物型，具有沉积水的特点。下部孔隙-裂隙型卤水主要分布于碱石山背斜构造部位，含水层埋深一般大于1 400m。含水层厚度、涌水量及水位埋深等各构造位置差异较大，富水性较弱。

2) 碱石山背斜构造区卤水型钾盐矿属沉积型地下卤水钾矿，成盐物质来源大致有三个方面：残留湖水中的固有元素；周边山区岩石中所含的元素经物理风化后经流水的冲刷、搬运至湖区；构造作用下，深部的古近系、新近系油田水沿构造裂隙上升到地表附近，从而富集成矿。

3)碱石山背斜轴部，应力相对集中，裂隙相对发育，卤水储层空间相对较大，断层破碎带一方面作为卤水存储空间，另一方面对上下含卤水地层形成导通作用。