柴达木盆地马海盐湖地下卤水地球物理探测及应用

赵全升, 孔智涵, 胡舒娅, 张建伟

青岛大学环境科学与工程学院,山东 青岛 266071

0 引言

钾是重要的战略性矿产资源,也是较为紧缺的矿产资源之一,目前我国50%以上的钾盐资源依赖进口[1]。我国可溶性钾盐仅占世界钾盐资源储量的1.80%,其中只有极少的钾盐资源以固体状态赋存且品位较低,约92%的可溶性钾盐资源以液体(卤水)状态赋存,其主要分布于柴达木盆地盐湖储卤层中[2]。由于柴达木盆地盐湖储卤介质具有较强的非均质和各向异性特征,且储卤介质的孔隙度较小,研究区内富卤水性能相差悬殊,使得目前对盐湖地下卤水资源的探测与开发面临较大的技术挑战[3-5]。

地下卤水与石油类似,都是以流体形式赋存于地下岩层中。岩层中赋存流体后会反映出不同的地球物理性质,因此对于地下卤水资源的勘探多借鉴石油勘探中积累的技术方法[6-7]。探测的主要依据为地层岩性、储层物性和填充孔隙流体性质的空间变化,以及由此产生的地震反射波变化[8]。王建功等[9]通过大量地质及地球化学资料,分析了柴达木盆地盐湖沉积特征。李世金等[10]通过对青海省矿产勘查结果进行系统总结分析,提出了具有找矿前景的成矿系列组并对矿区做了总结分析。潘彤等[11]全面系统地划分了柴达木盆地盐类矿产成矿单元。黄华等[12]利用地震探测法对钻孔储层进行了垂向高分辨率识别,对卤水矿层中地震探测波中的振幅、频率、波形等进行拟合,对江汉盆地江陵凹陷区富钾卤水进行预测,取得了较好效果;但由于不同储卤层类型的卤水反映出的地震敏感参数不同,故采用该方法进行预测时,需对卤水成因规律及储卤层沉积特征进行分析研究和综合评判。王晓燕等[13]提出了自动水位计在抽水试验中水头损失的解决方案。张兵等[14]对四川盆地白云岩储层进行了地球化学特征分析,确定了优质储层。董崇泽等[15]完善了抽水试验在水文地质参数研究领域的应用。杨震中等[16]基于高频大地电磁探测法对西藏芒康县盐井乡中高温、高矿化度盐卤水进行探测,发现高频大地电磁探测法在探测低阻盐矿层领域具有较好的效果;但该方法具有一定局限性,一方面是勘探的视电阻率值不能作为标定岩性强弱的指标,需要结合其他信息综合判定,另一方面,测区高压电线会对采集数据的准确性产生较大影响。

柴达木盆地盐湖地下卤水常规探测方法通常是采用沿勘探线布钻取心试验方法,缺乏有效的地面物探技术支持,且探测尺度较小,精度较低[17-21]。本研究基于地球物理探测信息集成技术,确定并建立了马海盐湖深层卤水首个试验开采区,并定位了富集卤水性能较好的水文地质钻探验证井位,以期实现深层地下卤水多尺度、多种物探方法(高精度重力探测法、音频大地电磁探测法、高分辨率地震探测法)的信息集成与创新应用。

1 研究区概况

马海盐湖位于柴达木盆地东北部,研究区为马海盐湖北部马海矿区(图1),由盐类沉积物构成含卤水层,黏性土、砂层等碎屑物构成弱透水层。由勘查资料[5]可知该区有2～5个含卤水层(组),各层(组)间通过砂层及弱透水层越流发生水力联系。由于各含卤水层(组)之间存在着较为密切的水力联系,可将本区地下卤水视为统一的含卤水系统,以潜卤水特征为主,局部呈微承压。钻孔深度为85.00～150.00 m,所揭露含卤水层厚度为20.11～51.35 m,平均厚度为39.56 m。

图1 马海盐湖及研究区位置图

卤水水位天然埋深为0.75～2.13 m,矿化度为307.72～463.50 g/L,平均为356.90 g/L。主要阳离子为K+、Na+、Mg2+,主要阴离子为Cl-、SO42-。水化学类型主要为硫酸盐型、氯化物型(又称氯化钙型)、硫酸盐型向氯化物型过渡型。

2 数据与方法

本文采用了高精度重力探测法、音频大地电磁探测法和高分辨率地震探测法3种方法,依据地球物理探测相关技术标准及要求,进行了测点与测线布置(图2)。

MHEH4-1①与MHEH4-1②属于勘探线MHEH4-1的两条分段。

高精度重力探测法以万有引力定律为基础,测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常。结合研究区地质资料,对重力异常进行定性或定量解释,以确定地质体存在的空间位置﹑规模及形状等,从而判断地质构造和矿产分布[22-26]。根据不同地层岩性密度性质的差异,可测定盆地基底特征、控制性断层及构造等[27-28]。根据研究需要,结合现场踏勘,重力勘探布设3条测线(MHZL-1、MHZL-2、MHZL-3),布置测点119个,测线长度18 000 m。

音频大地电磁探测法(EH-4探测)以地壳中岩石和矿石的导电性与导磁性差异为基础,分析电磁波在地下不同介质传播过程中表现出的不同特征,从而明确地下介质电性变化规律[19]。根据富卤水区与其他区域导电性的差异,可识别富卤水区与非富卤水区。音频大地电磁探测布设了4条测线(MHEH4-0、MHEH4-1、MHEH4-2、MHEH4-3),布置测点199个,测线长度15 900 m。

高分辨率地震探测法采用炸药或非炸药机械震源以激发地震波,向地下传播的地震波遇到介质弹性差异界面(结构面或地层界面)时产生反射、透射、折射等物理过程,在地表或钻孔中布置检波器,配合地震仪采集地下弹性界面地震反射波信号,并处理和分析相关记录,结合地质资料获取相关信息[20]。根据不同地层岩性弹性差异,充分利用该方法的分层优势[29-31],可识别断层构造和富卤水地层。浅层地震探测布设3条测线(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),布置测点199个,测线长度3 773 m。

3 结果与分析

3.1 高精度重力探测法

3.1.1 布格重力异常

各测点观测值经过校正后取得布格重力异常值,研究区布格重力异常变化范围为0.5～11.5(图3)。为进一步厘清研究区基底情况,对重力异常作了50、100、400、600、1 000、2 000 m等6个不同高度的向上延拓。由布格重力异常分布图得出基底形态,主体呈现东北、西南高,中间低的凹陷状。上层较陡、下层较缓,两层之间继承性较好。

图3 研究区布格重力异常等值线

3.1.2 断层划分

为探明研究区断层分布特征,采用水平与垂向导数方法处理。基于离散余弦变换重力异常水平、垂向一阶导数公式进行数据处理:

Δgx(x,0)=C-1[2πuΔGCπ/2(u,0)];

Δgz(x,0)=C-1[2πuΔG(u,0)];

式中:Δg为某点重力异常值,mGal;C-1为离散余弦反变换;u为x方向的波数;ΔGCπ/2(u,0)表示相位偏移π/2的离散余弦变换谱;c(k)为频谱索引;k,n=0,1,2,...,N-1;z为大于0的常量。

根据重力异常形态、水平一阶导数极值点以及垂向一阶导数零值点位置,结合欧拉反褶积(构造指数取0)进行断层分析。重磁异常的断层标志主要包括以下几条:1)线性的梯度变化带;2)异常特征的分界线;3)异常发生错动;4)异常等值线发生规律性扭曲;5)异常宽度发生突然变化形成梯度带;6)串珠状异常[30]。水平导数的极大值和垂向导数的零值与地质体边界对应。欧拉反褶积能自动估算场源位置,通过异常的空间导数和不同地质体特定的构造指数来反演场源位置。构造指数是欧拉反褶积方法的重要参数,构造指数值选择的正确与否直接影响到了场源深度反演解的准确性和稳定性。Fairhead 等[31]认为规模较大断层构造指数取值为0.5,规模较小断层构造指数取值较小,本次取0。

本次研究先通过对重磁等位场资料的边界识别处理了主要位场边界的分布,然后结合区域内的地质背景和其他技术手段识别的结果,在研究区推断出6条断层(图4)。

a. 布格重力异常; b. 一阶导数; c. 欧拉反褶积结果。

3.1.3 正演拟合

选择测线MHZL-1进行正演拟合(图5),图5a中黑点虚线为实测布格重力异常曲线,黑色实线为地下岩体拟合布格重力异常曲线。由图5a可知,两条曲线拟合效果较好,其曲线右侧急速上升,表明横向上密度在某一深度发生突变,推断该处存在正断层。图5b中的断层验证了模拟结果。

3.2 音频大地电磁探测法

分析钻孔K1、K7录井资料和MHEH4测线电阻率剖面(图6),得出本区地层与电阻率曲线特征,探测区划分出2个电性分区,其中富卤水区电阻率值为0～3 Ω·m,非富卤水区电阻率值>4 Ω·m,两区以电阻率3～4 Ω·m为分界线。根据研究区音频大地电磁探测构造解译图(图7),可知探测区内有明显断层构造。

3.2.1 富卤水区分布

分析图6可知,MHEH4-0测线180～380 m处,MHEH4-1测线50～250、950～1 100、1 750～1 850 m处,MHEH-4-2测线400～550、-300～-200、-600～-400 m处,MHEH-4-3测线1 000～1 100 m处,均有电阻率≤3 Ω·m,但其两翼电阻率高于4 Ω·m。结合本区地电特征,推断该区为富卤水区域。

3.2.2 控卤水构造分布区域

由图7可知,MHEH4-0测线200～300、900～1 050 m处,MHEH4-1①测线50～100、950～1 050 m处、MHEH4-1②测线1 750～1 950 m处,MHEH4-2测线400～550、-300～-100、-700～-600 m处,两翼电阻率明显高于4 Ω·m,推测该区域可能存在控水构造,命名为F0、F1和F2断层。

3.3 高分辨率地震探测法

3.3.1 地层标定

根据地质和钻孔资料,进行地震时间剖面向地质剖面转化,结合地震资料解释,建立地震剖面反射体(如地震反射波组)与地质体之间的对应关系,完成地层层位标定。

3.3.2 构造

根据地层标定结果和地震剖面对应的反射波场和速度场特征,建立其与地质构造几何参数之间的关系,推测地质构造及其空间展布。通过分析3条地震法测线探测结果得出:

1)通过K2钻孔的MHDZ-1线与通过K7钻孔的MHDZ-3线地层结构和地质构造情况类似(图2、图8)。

图8 研究区MHDZ-1测线地震解释剖面

2)以通过K2钻孔的MHDZ-1测线为例,测线的浅部存在一个小凹陷(图8),推断凹陷中心(剖面700 m处)以北存在正断层F1,倾角S85.2°;推断凹陷中心以南存在2个小的正断层(F1-1,F1-2),断层行迹存在于第四系,可能由断层F1活动诱发。

3)通过K7钻孔的MHDZ-3测线,由于测线偏南,未能控制MHDZ-1线解释的断层F1。高分辨率地震勘探结果表明,富卤水层可能受到断层构造控制,在断层及其次生断层附近更有利于地下卤水富集。

3.4 地球物理探测信息集成

3.4.1 地球物理探测模型

综合分析3种地球物理方法探测结果,针对探测目标分析地球物理响应,构建地下卤水探测地球物理模型(表1)。

表1 盐湖地下卤水探测地球物理模型

通过音频大地电磁勘查可知,马海盐湖富卤水区与非富卤水区电阻率分界线是3～4 Ω·m,富卤水区电阻率变化规律小于3 Ω·m,非富卤水电阻率大于4 Ω·m。

3.4.2 探测结果集成

构造是马海盐湖地下卤水资源勘探的重要地质要素。本次探测研究主要采用高精度重力探测法、音频大地电磁探测法和高分辨率地震探测法3种方法,对于研究区内断层构造均有不同程度的揭示。高分辨率地震探测法依据断层构造两翼电性差异进行判定,音频大地电磁探测法通过电阻率变化以追踪控卤水构造位置。在4条测线不同位置,出现了两翼电阻率明显高于4 Ω·m,而中间电阻率值较低的电磁异常特征;因而推测该区域可能存在控卤水构造(图7)。高分辨率地震勘探中,根据地层标定结果并考虑地震剖面对应的反射波场和速度场特征,建立其与地质构造几何参数之间的关系,进行勘探区域可能存在的断层构造及其空间展布推断。在研究区内布置了通过K2和K7钻孔并垂直构造走向,以及与盐田南边缘平行构造走向的3条测线(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),见图2。

结合地震剖面可知,通过K2和K7钻孔的2条测线所揭示地层结构和断层特征相似,盐田南边缘测线未解释出明显的断层行迹。通过K2钻孔地震测线揭示出3条断层构造(F1,F1-1,F1-2),凹陷中心以北存在正断层F1,凹陷中心以南存在2个小的正断层(F1-1,F1-2)(图8)。浅层高分辨率地震探测和音频大地电测探测(图9)结果显示有3条明显断层。由通过K7钻孔的地震勘探推断出3条断层,其中2条小断层(F1-1,F1-2)行迹与通过K2钻孔的断层F1表现特征一致,剖面北侧所揭示断层与音频大地电磁探测勘探出的断层F1相吻合。

图9 研究区浅层高分辨率地震与音频大地电磁探测结果

应用高精度重力勘探进行断层构造判定时,应先根据实测获取的重力异常,采用水平导数、垂直导数、欧拉反褶积等计算方法,求取曲线极值点和零点位置;再通过计算推断出断层位置(图4);最后利用重力布格异常曲线拟合区域地层结构(图5),以进一步验证计算所确定断层构造的可靠性。从不同勘探方法实际应用效果分析可知,音频大地电磁法可揭示0～200 m深度范围内控卤水构造展布,地震勘探可以精细确定一定深度范围(0～400 m)地层结构和控卤水构造展布,高精度重力勘探根据重力异常进行计算,从而可揭示区域断层构造位置。

根据钻孔K1、K2录井信息和音频大地电磁探测结果,通过分析区域地层与电阻率特征,研究区可划分出2个电性分区:富卤水区(电阻率0～3 Ω·m)和非富水卤区(电阻率大于4 Ω·m),两区以电阻率3～4 Ω·m为分界线。根据音频大地电磁探测构造解译(图7)能更加精确地判定断层深度,其中,MHEH4-0测线200、1 000 m处,MHEH4-1①测线50、1 050 m处、MHEH4-1②1 750 m处,MHEH4-2测线500、-200、-500 m处均有其电阻率≤3 Ω·m,两翼电阻率>3 Ω·m,推断上述测线区域存在断层构造。

通过高精度重力探测、音频大地电磁探测和高分辨率地震探测信息集成分析,在研究区内圈定出两处富卤水区,富卤水区Ⅰ和富卤水区Ⅱ(图10)。其中:富卤水区Ⅰ由K12、K13、K14、K16、K17、K21、K22、K25、K26井组成,呈近条带状分布;富卤水区Ⅱ由T1、K1、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10井组成,呈近椭圆型分布。

图10 研究区富卤水区及抽水试验孔位分布图

4 方法验证

在圈定的两处富卤水区,分别进行水文地质钻探和抽水试验验证(表2),富卤水区Ⅰ的平均出水量为37 297 m3/d,富卤水区Ⅱ的平均出水量为35 736 m3/d,根据《盐湖和盐类矿产地质勘察规范》(DZT 0212—2002)[32],出水量均达到富水性能强的水平。在圈定富水区内进行试验采卤,可保障3 a的持续性稳定开采。开采试验结果表明,在马海盐湖地下卤水勘查物探定井应用研究中,采用高精度重力探测法、音频大地电磁探测法、高分辨率浅层地震探测法等地球物理信息探测方法,实施先导性试验勘查,圈定地下卤水富集区域,精细划分出盐储层(含、隔卤水层)结构和岩盐层裂隙构造。这一关键集成技术可为盐湖精准探测找钾提供可靠的技术支撑。

表2 研究区富卤水区抽水试验结果

5 结论与建议

1)通过地球物理信息集成方法,对马海盐湖富卤水区进行探测,并构建地下卤水探测地球物理模型,可精细划分盐储层(含、隔卤水层)结构和岩盐层裂隙构造。即根据重力异常形态,计算标定出可能的断层构造位置;通过音频大地电磁探测方法,分析控卤水构造展布和储卤层分布;采用高精度地震探测方法,确定出深度0～400 m地层结构、控卤水构造以及富卤水层分布。

2)通过水文地质钻探和抽水试验,对地球物理信息集成方法圈定的两处地下卤水富集区域进行验证,结果表明两处卤水富集区均达到富水性能强的水平,出水量分别为37 297、35 736 m3/d,两处卤水富集区可实现持续与稳定开采。

3)本次的试验性探测研究,由于测点与测线间距偏大,所获结果尚不足以揭示局部的细微构造。今后研究中建议适当增加探测工作量,以实现对富卤水条带及细微构造的精准把控。