沉积学报  2019, Vol. 37 Issue (3): 532−540

扩展功能

文章信息

岳鑫, 刘溪溪, 路亮, 张晓冬, 范增林, 于小亮
YUE Xin, LIU XiXi, LU Liang, ZHANG XiaoDong, FAN ZengLin, YU XiaoLiang
马海盆地深部孔隙卤水矿床水化学特征及成因
Hydrochemical Characteristics and Origin of Deep Pore Brine Deposits in Mahai Baisn
沉积学报, 2019, 37(3): 532-540
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(3): 532-540
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.160

文章历史

收稿日期:2018-01-23
收修改稿日期: 2018-08-01
马海盆地深部孔隙卤水矿床水化学特征及成因
岳鑫1,2 , 刘溪溪1,2 , 路亮1 , 张晓冬1,2 , 范增林1,2 , 于小亮3     
1. 青海省柴达木综合地质矿产勘查院, 青海格尔木 816000;
2. 青海省柴达木综合地质矿产勘查院青藏高原盐湖及盐类矿产资源成矿规律及预测实验室, 青海格尔木 816000;
3. 青海省地质调查局, 西宁 810000
摘要: 通过数理统计、聚类以及离子特征系数等分析方法,对柴达木马海盆地的深部砂砾石层孔隙卤水水化学特征进行了分析。卤水离子浓度空间分布特征表现为pH、Cl-、TDS和Na+浓度值变化范围较小,分布均匀,而K+、Rb+以及Br-、Mg2+、Li+、Sr2+、I-、B2O3、Ca2+、Cs+、NO3-、SO42-等离子浓度分布不均匀,差异显著;Cl-、TDS、Na+、K+、Mg2+和Li+与SO42-聚为一个亚类,表明卤水演化过程中有酸性液体的参与;K+含量自西向东有增大的趋势,与Mg2+和Li+的变化具有相关性;离子特征系数反映出蒸发残余及盐岩溶解的多源性特征。研究区水化学类型为单一的氯化钠型,这种单一的物源可能与推测的更新统下伏盐岩层有关。
关键词: 马海盆地    砂砾石层    深部孔隙卤水    水化学特征    成因分析    
Hydrochemical Characteristics and Origin of Deep Pore Brine Deposits in Mahai Baisn
YUE Xin1,2 , LIU XiXi1,2 , LU Liang1 , ZHANG XiaoDong1,2 , FAN ZengLin1,2 , YU XiaoLiang3     
1. Qaidam Integrated Geological Exploration Institute of Qinghai Province, Golmud, Qinghai 816000, China;
2. The Metallogeny and Forecasting Laboratory of Qinghai-Tibet Plateau Salt and Salt Mineral Resources of Qaidam Integrated Geological Exploration Institute of Qinghai Province, Golmud, Qinghai 816000, China;
3. Qinghai Geological Survey, Xining 810000, China
Foundation: China Geological Survey Project, No. 121201103000150011; Project of Qinghai Geological Exploration Fund
Abstract: Analysis of the hydrochemical characteristics and origin of deep sandy gravel brine in Mahai Basin is based on mathematical statistics, cluster analysis, and ion characteristic coefficients. The spatial distribution characteristics of brine ion concentrations shows that the ion concentrations of pH, Cl-, TDS, and Na+ have a narrow range of change and uniform distribution, while the ion concentrations of K+, Rb+, Br-, Mg2+, Li+, Sr2+, I-, B2O3, Ca2+, Cs+, NO3-, and SO42- exhibit significant variation and uneven distribution. Cluster analysis indicates that Cl-, TDS, Na+, K+, Mg2+, Li+, and SO42- piled, which shows the evolution of brine is related to the joining of acid liquid. K+, which has correlation with Mg2+ and Li+, shows an increasing trend from west to east in the variety graph of ion contents. The characteristic coefficients and higher contents of trace ions suggest that the brine has multifocal features of evaporation residue and gypsum dissolution. The Na+, K+, and Mg2+//Cl--H2O four-element system mesostationary phase, as well as the analysis of ionic characteristic coefficients in brine, indicate that the hydrochemical type is the single chloride-type, which reflects the single provenance and may have a relationship with the stochastic underlying salt strata of the Pleistocene.
Key words: Mahai Basin    sandy gravel    pore brine    hydrochemistry characteristics    origin analysis    
0 引言

深部砂砾石层孔隙卤水是新型的钾盐矿资源,为我国近年来盐湖找钾的又一重大发现[1-3],具有水位埋藏浅,富水性强,矿化度高,结盐程度低,易开发等特点,具有重大研究意义,可作为我国钾盐开发的后备基地。

马海盆地位于柴达木盆地西北部,沿赛什腾山分布的巨大冲洪积扇群,为更新世以来的砂砾石,是深部孔隙卤水的储卤介质,前人研究了马海地区湖表卤水及盐类矿物[4],进行了蒸发实验[5-6]及高温梯级蒸发实验[7],分析地球化学特征成因[8]、沉积环境[9]、勘查研究进展[10]及第四纪沉积环境[11],但研究范围仅限于湖表及315 m以浅。自2011年我国首次在柴达木西部发现砂砾石层孔隙卤水以来,先后对柴达木盆地西部[12]的黑北凹地[13]及南翼山[14]地区该类型卤水做过水化学特征与成因分析,然而对马海地区深部新型的砂砾石层孔隙卤水矿床的研究还处于空白阶段。本文以马海地区深部200~2 000 m的新型砂砾石层孔隙卤水为研究对象,分析其化学特征及成因。

1 地质背景 1.1 水文地质环境

北东为柴达木北缘台缘褶带分布带之一,小赛什腾山、赛什腾山、绿梁山为柴北缘残山断褶带之西段,褶皱断裂构造发育。该残山断褶带南北为柴达木盆地台坳的一部分,褶皱断裂构造较发育,并分布着数个卤水湖。区内地下水按赋存介质不同分为松散岩类孔隙水、化学盐类晶间水和碎屑岩类裂隙孔隙水三个类型。各类型地下水按水力性质、赋存层位不同进一步可分为潜水和承压水,本文研究主要针对于松散岩类孔隙水的承压水层位。

马海盆地属于盆内盆地,研究区(图 1)分布地层为第四系,自赛什腾山南缘至冷七构造北缘分布岩性依次为全新统冲洪积相(Qhal+pl)的砂、砾石和碎屑堆积,湖沼化学沉积相(Qhch+h)的淤泥、黏土及含石盐(芒硝)的淤泥,上更新统湖积相(Qp3l)的含石膏的粉砂,中更新统湖积相(Qp2l)的含石膏粉砂之黏土,下更新统湖积相(Qp1l)的砂质泥岩夹砂岩。

图 1 马海盆地区域地质图 1.渐新统下干柴沟组;2.上新统狮子沟组;3.中新统上干柴沟组;4.中新统下油砂山组;5.全新统冲洪积物;6.中更新统湖积物;7.上更新统湖积物;8.全新统化学沉积;9.全新统湖沼化学沉积;10.下更新统湖积物;11.湖积相区;12.干盐湖区外缘;13.干盐湖区域;14.山前冲洪积扇;15.湖积相区外缘;16.钻孔位置;17.图 2位置;18.研究区;19.地质界限;20.背斜构造 Figure 1 Regional geological map of Mahai Basin
图 2 研究区地层纵剖面图 1.全新统冲洪积相;2.全新统化学沉积相;3.上更新统湖积相;4.中更新统洪积相;5.下更新统湖积相;6.含砾石(角砾)的中粗砂;7.含砾的中粗(细)砂;8.中粗(细)砂;9.黏土粉砂;10.钻孔位置及编号;11.地质界限 Figure 2 Stratigraphic longitudinal profile of the research area

通过研究区内钻孔(图 2)对地层的揭露,区内中部至西部属山前冲洪积相和盆地湖积相沉积,富水层位岩性分别为:上层全新世含砾的中粗砂、砾砂、含砂的角砾,中层晚更新世含砾的中细砂,下层中更新世中砂、细砂,为孔隙卤水的储卤介质。而区内东部钻孔揭露地层为滨湖相的黏土粉砂层。

1.2 卤水赋存特征

沿赛什腾山南缘由西向东呈直线分布的一系列浅部钻孔控制长度大于30 km,揭露了山前的晶间卤水矿层。该层特点是KCl品位高,储量大,现已处于开采阶段。

赛什腾山南缘山前由西向东分布的马ZK2413(1 500 m)、马ZK3212(800 m)、马ZK4010(1 400 m)、马ZK4007(1 500 m)、马ZK5608(1 400 m)、马ZK5602(1 600 m)、马ZK7220(1 250 m)及马ZK7212(2 000 m)等钻孔控制了该区域的孔隙卤水矿层。长度约48 km,宽约6~18 km,分布面积大于500 km2,含水层纯厚度除马ZK7220较薄外,纯厚度达85.81~823.54 m,矿化度达236.75~313.01 g/L,KCl品位0.13%~0.90%,NaCl品位16.60%~21.59%,MgCl2品位1.69%~3.42%,水化学类型为氯化物型,单井涌水量146.88~4544.64 m3/d,富水性强,降深38.19~112.17 m,具有水量大、不结盐、水位埋藏浅易开发的特点,利于开发研究。

2 采样及试验结果 2.1 采样位置及方法

钻孔完成取芯后,用拉活塞等方法洗孔,至水清砂净,进行抽水试验并采样。本次研究对象为深层卤水,为防止浅部水体的影响,在各施工钻孔150~300 m位置选择厚度较大的隔水层进行止水。样品在更新世至全新世的冲洪积相和湖积相沉积储卤地层中采集,详见表 1

表 1 研究区钻孔全分析离子含量 Table 1 Drilling multiple analysis results of sample ion contents in the research area
样号 K+ Na+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO42- B2O3 Li+ CO32- HCO3- Rb+ Cs+ Sr2+ Br- I- NO3- 密度
g/mL
TDS
ρ(B) g/L
pH
ρ(B) g/L ρ(B) mg/L
1 0.82 86.83 5.93 5.12 157.67 1.40 63.96 2.57 0.00 1.48 0.10 < 0.05 95.14 30.33 5.57 8.24 1.17 257.97 7.47
2 0.83 86.65 5.88 5.02 157.67 1.42 61.96 2.57 0.00 0.00 0.10 < 0.05 95.40 29.83 5.46 7.80 1.16 257.67 7.49
3 0.82 87.08 5.97 5.12 158.11 1.38 65.96 2.57 0.00 0.00 0.14 < 0.05 96.89 29.83 5.27 8.00 1.17 258.70 7.36
4 0.82 86.29 5.87 5.04 156.32 1.41 63.96 2.57 0.00 1.73 0.13 < 0.05 96.26 30.10 5.27 8.40 1.16 255.95 7.44
5 0.83 86.83 5.96 5.08 158.11 1.40 65.96 2.57 0.00 0.00 0.11 < 0.05 95.14 29.00 4.98 8.68 1.16 258.41 7.50
6 0.81 85.27 5.80 5.03 155.87 1.38 59.96 2.56 0.00 0.00 0.11 < 0.05 96.03 30.10 5.20 8.50 1.16 254.36 7.50
7 1.74 87.86 4.55 6.53 161.07 2.19 78.95 3.24 0.00 22.85 0.21 < 0.05 70.06 32.62 3.80 12.50 1.17 264.04 7.19
8 2.19 85.06 3.86 6.98 157.51 3.04 92.11 3.86 0.00 14.52 0.33 < 0.05 66.37 35.88 3.60 11.92 1.16 258.75 7.27
9 2.16 84.99 3.89 6.83 155.73 2.96 92.11 3.82 0.00 18.68 0.33 < 0.05 65.73 33.38 3.55 11.92 1.17 256.66 7.33
10 2.02 84.94 4.19 6.75 157.51 2.86 89.48 3.59 0.00 19.09 0.24 < 0.05 71.51 36.75 3.78 11.80 1.17 258.37 7.40
11 2.13 85.45 3.94 6.82 156.62 2.83 92.11 3.73 0.00 19.09 0.27 < 0.05 64.42 35.00 3.80 12.82 1.17 257.89 7.18
12 2.57 78.43 3.19 7.51 146.81 3.10 91.27 4.76 0.00 21.93 0.60 < 0.05 63.51 30.67 2.98 4.30 1.17 241.71 7.42
13 2.48 76.28 3.09 7.35 144.32 3.11 95.97 4.81 0.00 13.70 0.58 < 0.05 63.01 30.33 3.22 6.30 1.17 236.75 7.32
14 2.59 78.22 3.20 7.50 147.64 3.20 92.21 4.84 0.00 13.70 0.59 < 0.05 65.71 29.33 3.17 5.40 1.16 242.44 7.32
15 2.57 78.65 3.04 7.64 146.81 3.22 95.97 4.82 0.00 13.95 0.61 < 0.05 64.43 30.67 3.10 5.30 1.17 242.03 7.20
16 2.56 78.52 3.14 7.47 147.64 3.14 96.91 4.80 0.00 17.44 0.59 < 0.05 66.16 29.33 3.12 5.70 1.17 242.58 7.28
17 2.55 77.38 3.20 7.63 144.73 3.31 93.15 4.72 0.00 19.56 0.58 < 0.05 65.96 29.67 3.07 5.30 1.15 238.91 7.30
18 2.63 79.53 3.16 7.77 148.47 3.19 95.03 4.84 0.00 19.81 0.59 < 0.05 63.95 29.33 3.08 6.10 1.17 244.86 7.20
19 3.03 91.15 4.21 7.47 172.70 1.97 84.15 3.60 0.00 7.50 0.71 < 0.10 61.33 37.83 3.75 5.10 1.19 280.73 7.53
20 3.10 93.90 4.29 7.72 171.33 1.96 86.86 3.66 0.00 0.00 0.74 < 0.10 59.48 35.83 3.65 4.50 1.19 282.49 7.58
21 3.71 103.02 3.11 8.12 188.06 2.32 91.94 2.82 0.00 0.00 0.68 < 0.05 56.48 44.20 4.25 10.02 1.20 308.43 7.82
22 3.65 103.24 3.34 8.20 188.51 2.47 87.95 2.80 0.00 0.00 0.65 < 0.05 58.38 44.20 4.50 11.33 1.20 309.51 7.94
23 2.58 79.71 4.28 7.99 153.22 1.70 27.78 2.34 0.00 48.02 < 0.10 < 0.10 57.63 34.25 3.15 10.05 1.16 249.54 7.17
24 2.66 80.62 4.37 8.15 154.04 2.03 27.78 2.29 0.00 52.37 < 0.10 < 0.10 58.93 34.00 3.20 10.85 1.17 251.93 6.99
25 2.99 93.15 4.12 8.25 174.94 2.58 92.79 4.20 0.00 0.00 0.13 < 0.05 57.48 36.96 7.17 9.70 1.17 286.25 7.40
26 5.68 101.02 1.66 10.47 190.30 3.74 141.91 4.70 0.00 0.00 1.18 < 0.05 39.84 46.00 5.00 12.40 1.20 313.01 7.11
27 5.50 100.56 1.80 10.08 187.62 3.67 133.92 4.53 0.00 0.00 1.08 0.09 40.75 46.00 5.20 11.50 1.20 309.35 7.58
注:1~6:马ZK2413SQ01—马ZK2413SQ06(157~ 1 500 m);7~11:马ZK3212SQ01—马ZK3212SQ05(151~800 m);12~18:马ZK4007SQ01—马ZK4007SQ07(156~1 500 m);19~20:马ZK4010混ISQ01—马ZK4010混ISQ02(170~1 400 m);21~22:马ZK5608WI-1SQ01—马ZK5608WI-1SQ02(200~778 m);23~24:马ZK5602SQ01—马ZK5602SQ02(200~1 600 m);25:ZK7220混SQ01(170~1250 m);26~27:马ZK7212WI-1SQ01—马ZK7212WI-1SQ02(275~810 m);括号内为采样位置。

抽水试验过程中每隔4小时采集一个水样。用蒸馏水洗净的瓶子盛取1 000 mL后及时封瓶,注明编号,送至青海省柴达木综合地质矿产勘查院岩矿测试中心进行测试分析。

2.2 试验结果

本次卤水样品的测试项目有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+、B2O3、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、Rb+、Cs+、Sr2+、Br-、I-、NO3-等离子成分含量,溶液的pH值、密度以及矿化度(TDS)等。其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+、B2O3、Cl-、HCO3-等常量离子成分用常规重量法(误差0.5%)和滴定法(误差0.2%~0.3%)测定;Li+、Br-、Sr+等微量离子成分采用原子吸收光谱法(误差小于2%);B3+离子含量采用吸光光度发(误差小于1%)。具体试验结果见表 1

3 实验结果分析

为了解柴达木盆地马海地区深部卤水的离子分布规律,对研究区内8个钻孔内共计27组样品进行分析研究,运用统计学方法分析样品中K+、Na+、Ca2+、Cl-、SO42-、Mg2+、Li+、B2O3、Rb+、Cs+、Sr2+、Br-、I-、NO3-等离子的分布特征及TDS变化规律。

3.1 数理分析

深部卤水中各种元素呈离子状态,影响其分布的因素较多,元素含量及分布特征差异也较大,因此可运用均匀性以及判断其是否服从正态分布来衡量其分布特征[9, 15]

以马海地区深部卤水的全分析离子含量(表 1)为基础,通过数理统计计算其化学成分的变异系数(Cv)、偏差系数(Cs)和峰度系数(bk)(表 2),进而研究其分布特征。

表 2 研究区孔隙卤水离子分布特征 Table 2 Distribution characteristics of pore brine ions in the research area
成份 Cv/% Cs bk 特征
密度 1.20 1.03 3.49 弱变异正偏高峰态
pH 2.80 0.77 4.25 弱变异正偏高峰态
Cl- 8.82 1.05 3.01 弱变异正偏高峰态
TDS 8.82 1.11 3.12 弱变异正偏高峰态
Na+ 9.24 0.82 2.85 弱变异正偏低峰态
Br- 15.85 1.17 3.32 中等变异正偏高峰态
Mg2+ 19.91 0.13 3.26 中等变异正偏高峰态
Sr2+ 23.75 0.62 2.78 中等变异正偏低峰态
I- 25.99 0.96 3.52 中等变异正偏高峰态
Li+ 26.25 0.00 1.36 中等变异正态低峰态
B2O3 29.50 -0.19 4.64 中等变异负偏高峰态
Ca2+ 30.37 0.19 2.53 中等变异正偏低峰态
SO42- 31.38 -0.17 1.64 中等变异负偏低峰态
NO3- 32.46 -0.08 1.56 中等变异负偏低峰态
K+ 51.23 0.86 4.40 强变异正偏高峰态
Rb+ 67.56 0.63 2.91 强变异正偏低峰态
HCO3- 116.53 1.45 5.33 强变异正偏高峰态

变异系数Cv的计算公式:

    (1)
    (2)

其中,:X离子浓度的算术平均值;S:离子分析值的标准偏差;n:样品数量;Xi:某一离子浓度值(下同)。

Cv是衡量资料中各化学成分分析值变异程度的一个统计量,反映了分析值离散程度的绝对值,一般来说Cv值平均水平越高,则其离散程度的测度值就越大,反之越小。

偏差系数Cs与峰度系数bk的计算公式:

    (3)
    (4)

偏差系数Cs可以反映卤水中元素浓度的频率分布函数曲线的对称情况,即Cs的绝对值越大,其对应的函数曲线偏斜越严重,反之则越接近正态分布,峰度系数bk可以反映卤水中元素频数分布函数曲线顶端尖峭或扁平的程度。

利用数理统计方法中的偏差系数和峰度系数,判断卤水中各元素浓度的频率分布曲线是否符合正态分布以研究卤水中元素的分布特征,偏差系数Cs>0时称为正偏分配,Cs<0时称为负偏分配,峰度系数bk>3称分布具有过度的峰度,bk<3称分布具有不足的峰度,当Cs =0,bk =3时则认为属于正态分布。

将研究区内深部卤水各离子成分按照变异系数(Cv)由小到大顺序排列(表 2),以Cv值10%和50%为界,将卤水离子含量变化分为弱变异、中等变异和强变异三组,变异系数强弱的不同表明深部卤水中离子浓度的变化幅度不同,也就意味着具有强变异的离子分布不均匀。

3.2 离子含量特征

深部卤水常量离子中K+的含量在0.79~5.98 g/L之间,开采卤水矿中KCl边界品位为≥0.3%~0.5%,工业品位为≥0.5%~1%(据《盐湖和盐类矿产地质勘查规范》)。除钻孔马ZK2413的K+含量较低外,其余钻孔中K+的含量均达到边界品位,钻孔马ZK7212、马ZK5608及马ZK4010等已达到工业品位,且钻孔马ZK7212和马ZK5608中卤水KCl达0.95%和0.59%,远超工业品位。各钻孔中K+的含量呈现出赛什腾山南缘山前由西到东逐渐变大的趋势。常量离子Na+含量在76.28~102.27 g/L之间,达到工业品位。卤水中Mg2+含量在4.92~10.82 g/L之间,除钻孔马ZK2413较低外,其余均达到边界品位(MgCl2边界品位≥2%)。Ca2+含量在1.50~5.97 g/L之间,含量较低。Cl-含量在144.32~192.08 g/L之间,分布较为均匀。SO42-含量在1.31~4.94 g/L之间,含量较低。研究区各钻孔所揭露的深部卤水TDS介于236.75~316.79 g/L之间,分布较均匀,大体呈现出由西到东逐渐增大的趋势,卤水TDS除钻孔马ZK4007分布于236.75~244.86 g/L外,其余均大于250 g/L,属于高矿化度(表 1)。微量离子中Br-含量在18.62~46.50 mg/L之间,平均值33.61 mg/L,其含量较高;B2O3含量在57.97~147.91 mg/L之间,平均值为84.64 mg/L,含量较高;Sr2+含量在30.77~96.89 mg/L之间,平均值67.16 mg/L,其含量偏高;Rb+含量除马ZK5602、马ZK7220及马ZK2413孔较小外,一般在0.21~1.26 mg/L之间。I-含量3.01~8.25 mg/L之间,平均值4.13 mg/L。

3.3 离子分布及变化特征

表 2中可以看出密度、pH、Cl-、TDS和Na+呈弱变异,表明其在深部卤水的变化范围较小,分布均匀。青藏高原盐湖卤水的pH值一般集中在7~9,呈中碱性,其中以柴达木盆地地区卤水pH低[16]。Br-、Mg2+、Li+、Sr2+、I-、B2O3、Ca2+、Cs+、NO3-、SO42-等离子变异系数较前者稍大,表明这些离子在深部卤水中相对分布较不均匀。K+、Rb+两者变异系数大于50%,表明其在深部卤水中分布相对不均匀,即马海地区K+有迁移聚集情况,赛什腾山前施工钻孔揭露卤水显示K+含量呈现出西低东高,向湖积中心迁移的趋势。

表 2可见,深部卤水中密度、pH、Cl-、TDS及Na+呈弱变异,且密度、pH、Cl-及TDS呈正偏高峰态,Na+呈正偏低峰态,Br-、Mg2+、Sr2+、I-、Li+、B2O3、Ca2+、SO42-和NO3-呈中等变异,其中Br-、Mg2+及I-呈正偏高峰态,Sr2+和Ca2+呈正偏低峰态,SO42-和NO3-呈负偏低峰态,B2O3呈负偏高峰态,Li+呈正态的低峰态。K+、Rb+和HCO3-呈强变异,其中K+和HCO3-呈正偏高峰态,Rb+呈正偏低峰态。

综合研究区深部卤水主要离子种类,绘制其含量在赛什腾山南缘自西向东的变化曲线(图 3),可以看出赛什腾山南缘山前近50 km范围内,K+含量自西向东有一个增大的趋势,Na+、Cl-和TDS呈现相同的变化趋势,K+、Mg2+和Li+变化趋势相同,同时Cl-、TDS、K+、Mg2+和Li+与SO42-变化趋势较一致,Ca2+和Sr2+呈现相同的变化趋势。

图 3 研究区深层卤水主要离子含量纵向变化曲线 Figure 3 Longitudinal variation curve for the main ion contents of deep brine in the research area
3.4 聚类特征

从马海地区深部卤水基本成分聚类分析图(图 4)中可以看出,Cl-、TDS和Na+首先聚为一类,K+、Mg2+和Li+聚为一类,然后Cl-、TDS、Na+、K+、Mg2+和Li+与SO42-聚为一亚类。Ca2+和Sr2+聚为一类。

图 4 研究区孔隙卤水基本成分聚类分析 Figure 4 Pore brine basic component clustering analysis in the research area
3.5 卤水特征系数

综合分析研究区样品测试结果,推演其特征系数(表 3),钠氯系数值为0.80~0.85,钙镁系数为0.10~0.71,脱硫系数0.32~0.84,钾氯系数4.68~27.07,氯碘系数0.94×105~2.10×105,除0.94×105外其余数据均大于1.00×105,氯溴系数4 079~5 452。

表 3 研究区钻孔离子特征系数 Table 3 Ion characteristic coefficients from drilling in the research area
样号 钠氯系数 钙镁系数 脱硫系数 钾氯系数 氯碘系数 氯溴系数
1 0.84 0.42 0.50 9.79 1.04×105 5 197.76
2 0.83 0.34 0.71 12.63 1.03×105 5 284.88
3 0.84 0.35 0.70 12.59 1.06×105 5 299.93
4 0.83 0.38 0.67 11.64 1.07×105 5 193.29
5 0.84 0.35 0.67 12.31 1.13×105 5 452.23
6 0.82 0.26 0.78 15.89 1.01×105 5 178.36
7 0.82 0.25 0.80 15.60 1.36×105 4 937.66
8 0.82 0.26 0.80 15.88 1.47×105 4 389.83
9 0.83 0.24 0.81 15.85 1.48×105 4 665.29
10 0.82 0.25 0.79 15.70 1.40×105 4 285.91
11 0.82 0.25 0.84 15.97 1.36×105 4 474.78
12 0.83 0.25 0.79 16.07 1.78×105 4 786.69
13 0.85 0.70 0.33 4.74 1.75×105 4 758.31
14 0.85 0.71 0.33 4.80 1.78×105 5 033.66
15 0.85 0.71 0.32 4.68 1.83×105 4 786.69
16 0.85 0.71 0.33 4.74 1.80×105 5 033.66
17 0.85 0.71 0.33 4.75 1.85×105 4 878.14
18 0.84 0.70 0.33 4.72 1.81×105 5 061.94
19 0.81 0.34 0.42 15.92 1.65×105 4 564.63
20 0.85 0.34 0.42 16.38 1.68×105 4 781.25
21 0.82 0.30 0.54 15.52 1.47×105 4 254.84
22 0.82 0.10 0.72 27.07 1.51×105 4 264.95
23 0.83 0.11 0.72 26.56 2.13×105 4 473.51
24 0.84 0.23 0.46 17.88 2.10×105 4 530.63
25 0.84 0.25 0.48 17.58 0.94×105 4 733.35
26 0.80 0.33 0.41 15.29 1.10×105 4 136.90
27 0.81 0.32 0.49 15.64 1.06×105 4 078.64
3.6 介稳相图

深部卤水中的主要阴、阳离子的富含程度和相互作用决定了卤水的水化学类型,即不同水化学类型的卤水具有相应的主要离子组成及水盐平衡体系。

表 4中主要离子组成可以看出研究区的离子平衡体系为Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O[9, 17-18]。将研究区样品数据(表 4)投影在Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O四元体系介稳相图(图 5),可见研究区卤水分布在石盐区中低钾镁、高钠的区域,卤水类型为单一的氯化钠型。

表 4 Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O(25 ℃)介稳相图指数 Table 4 Na+, K+, Mg2+//Cl--H2O (25 ℃) of the interface stability phase diagram index
编号 水化学组分/% 相图指数/%
KCl/% NaCl/% MgCl2/% KCl% NaCl/% MgCl2/%
1 0.13 18.74 1.72 0.631 91.015 8.354
2 0.14 18.85 1.69 0.677 91.151 8.172
3 0.13 18.80 1.72 0.630 91.041 8.329
4 0.13 18.64 1.70 0.635 91.060 8.305
5 0.14 18.84 1.71 0.677 91.058 8.265
6 0.13 18.65 1.70 0.635 91.064 8.301
7 0.28 18.85 2.18 1.314 88.456 10.230
8 0.36 18.54 2.35 1.694 87.247 11.059
9 0.35 18.23 2.29 1.677 87.350 10.973
10 0.33 18.40 2.26 1.572 87.661 10.767
11 0.35 18.34 2.29 1.668 87.417 10.915
12 0.42 16.87 2.52 2.120 85.159 12.721
13 0.41 16.60 2.47 2.105 85.216 12.680
14 0.42 17.04 2.53 2.101 85.243 12.656
15 0.42 16.87 2.57 2.115 84.945 12.941
16 0.42 16.99 2.51 2.108 85.291 12.600
17 0.42 16.84 2.61 2.114 84.751 13.135
18 0.43 17.00 2.61 2.146 84.830 13.024
19 0.49 19.52 2.47 2.180 86.833 10.988
20 0.50 19.46 2.55 2.221 86.450 11.328
21 0.59 21.60 2.65 2.375 86.957 10.668
22 0.58 21.59 2.68 2.334 86.881 10.785
23 0.42 17.17 2.69 2.071 84.665 13.264
24 0.43 17.20 2.74 2.111 84.438 13.451
25 0.49 20.08 2.76 2.100 86.069 11.830
26 0.90 21.21 3.42 3.525 83.079 13.396
27 0.88 21.04 3.30 3.489 83.426 13.085
图 5 Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O(25 ℃)四元体系介稳相图 Figure 5 Na+, K+, Mg2+//Cl--H2O (25 ℃) from the interface stability phase diagram index table in the research area
4 卤水成因讨论

通过钻孔纵剖面显示,研究区东部地层显示为湖积相区,西部为冲—洪积相区,东南部地表被更新世以来化学沉积物覆盖。

通过数理统计分析,卤水离子浓度空间分布特征显示pH、Cl-、TDS和Na+浓度值变化范围较小,分布均匀,而K+、Rb+以及Br-、Mg2+、Li+、Sr2+、I-、B2O3、Ca2+、Cs+、NO3-、SO42-离子浓度分布不均匀,差异显著。说明卤水中的Cl-和Na+已饱和,即水—盐平衡状态,且随着地下水的运移有其他离子的迁入与迁出,同时,综合考虑卤水中离子的峰态分布及聚类特征,卤水演化后期有酸性液体的参与。

离子含量变化曲线图显示K+含量自西向东有增大的趋势,Na+、Cl-和TDS呈现相同的变化趋势,K+、Mg2+和Li+变化趋势相同,同时Na+、Cl-、TDS、K+、Mg2+和Li+与SO42-变化趋势较一致,Ca2+和Sr2+呈现相同的变化趋势,显示这些离子具有一定的相关性,在空间上伴随有离子的迁入与迁出。Ca2+和Mg2+呈现出相反的变化趋势,尤其在东部滨湖相地层中趋势更加明显,究其原因,可能是蒸发残余的古卤水大量析出石膏,从而导致Ca2+的大量减少和Mg2+的增加(Ca2++MgSO4=CaSO4↓+Mg2+)。西部由于地层疏松,有大量地表水的注入,碳酸盐胶结物、石膏溶解、白云岩及长石酸性淋滤等水—岩反应的发生,导致较高的Ca2+和Mg2+含量。

卤水中微量元素也是判断卤水来源的一项重要指标[19-20],Br元素通常以分散的状态存在于自然界,容易形成易溶于水的化合物,可作为盐湖矿产中最有效、灵敏的特征元素[21-22]。由于B的易溶性及其分布集中于水圈和上地壳沉积岩,因此其可作为有效的地球化学参数来判断沉积环境及物源[23-26]。Sr元素在自然界中主要分布在造岩矿物中,是典型的分散元素,可作为有效的地球化学参数来判断古沉积环境及水体补给来源[27]。因此较高含量的Br、B和Sr元素可间接证明马海盆地深部卤水具有溶盐卤水的补给。

分析卤水离子特征系数可以对其成因做出一定了解[28-31],海水中的钠氯系数值为0.85~0.87,岩溶地下卤水钠氯系数大于或者接近1,蒸发残余地下卤水一般小于0.85。脱硫系数反映地下卤水所处的封闭程度,脱硫系数越小,越接近0,封闭性越好,其还原性越强。钾氯系数反映钾的富集和地下卤水的浓缩程度,判断标准值是75。钙镁系数反映地下卤水变质程度,其数值越高,则反映封闭时间越长,封闭性越好,变质程度越好,其判断标准值为3。氯碘系数大于105为溶盐地下卤水特征,小于105为沉积地下卤水特征。新鲜的地表水或浅层地下水体中,氯溴系数为10~150;海洋水体中氯溴系数为299~289;典型的岩浆水体中氯溴系数为560~1 000;盐岩的溶解而形成的卤水中氯溴系数为1 000~10 000。

马海地区深部卤水钠氯系数为0.80~0.85,小于0.85,氯溴系数为4 079~5 452,钠氯系数反映其来源为蒸发残余的地下卤水,然而氯溴系数则反映盐岩的溶解的来源,脱硫系数及钙镁系数表明该地区封闭性较差,较低的钾氯系数也反映出研究区地下卤水浓缩程度较低[32-33],综上,马海地区深部卤水来源为蒸发残余的卤水,由于该地区封闭性较差,受地表淡水的影响,其浓缩程度较差,同时,地表淡水注入的过程中溶滤了大量盐岩,使卤水中Cl-含量增大,由此氯溴系数变大,简言之:马海地区深部卤水是蒸发残余卤水及盐岩溶滤卤水混合成因的多源性卤水。

Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O四元体系介稳相图中显示K+和Mg2+含量很低,Na+很高,卤水类型为单一的氯化钠型,因此推测卤水物质来源较为单一,流体运移距离较近,交换附近矿物离子,并溶滤研究区附近盐岩后富集成矿。

5 结论

(1) 马海地区砂砾石层孔隙卤水分布规模较大,水位埋藏浅,富水性强,矿化度较高,其中KCl含量达到了可开发利用的要求,加之研究区深部卤水结盐程度小,易开发等特点,马海盆地深部卤水可作为中国钾盐开发的后备基地。

(2) 马海地区深部卤水中钾的品位在横向上具有一定的变化规律,沿赛什腾山南缘山前自西向东,钾的品位越来越高,对今后找钾工作具有一定指导意义。

(3) 马海地区深部卤水既与酸性淋滤等因素有关,也有蒸发残余卤水和盐岩溶滤卤水特点,成因具有典型的多源性特征。

(4) 马海地区深部卤水成矿物质来源:赋存于更新统砂砾石层中的孔隙卤水有蒸发残余卤水特征,推测更新世之前该地区即有古卤水赋存,更新统下伏地层有可能存在盐岩层沉积,为马海盆地深部卤水的一主要物质来源。

参考文献
[1]
郑绵平, 张雪飞, 侯献华, 等. 青藏高原晚新生代湖泊地质环境与成盐成藏作用[J]. 地球学报, 2013, 34(2): 129-138. [ Zheng Mianping, Zhang Xuefei, Hou Xianhua, et al. Geological environments of the Late Cenozoic lakes and salt-forming and oil-gas pool-forming actions in the Tibetan Plateau[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2013, 34(2): 129-138.]
[2]
郑绵平. 论中国盐湖[J]. 矿床地质, 2001, 20(2): 181-189. [ Zheng Mianping. On saline lakes of China[J]. Mineral Deposits, 2001, 20(2): 181-189. DOI:10.3969/j.issn.0258-7106.2001.02.011]
[3]
郑喜玉, 刘建华. 新疆盐湖卤水成分及其成因[J]. 地理科学, 1996, 16(2): 115-123. [ Zheng Xiyu, Liu Jianhua. The composition and origin of salt lake brines in Xinjiang[J]. Scientia Geographica Sinica, 1996, 16(2): 115-123.]
[4]
刘卫国, 肖应凯, 孙大鹏, 等. 马海盐湖区卤水和盐类矿物的氯同位素特征及意义[J]. 盐湖研究, 1995, 3(2): 29-33. [ Liu Weiguo, Xiao Yingkai, Sun Dapeng, et al. Characteristics and significance of chlorine isotope of brine and deposits in the Mahai Salt Lakes[J]. Journal of Salt Lake Research, 1995, 3(2): 29-33.]
[5]
雷延智, 潘玉麟. 巴仑马海盐湖低品位卤水自然蒸发试验研究[J]. 化工矿物与加工, 2006(6): 11-14. [ Lei Yanzhi, Pan Yulin. Natural evaporation of low grade brine in Balunmahai Salt Lake[J]. Industrial Minerals & Processing, 2006(6): 11-14. DOI:10.3969/j.issn.1008-7524.2006.06.004]
[6]
郭爱武, 李刚. 马海盐湖卤水自然蒸发实验研究[J]. 盐湖研究, 2008, 16(3): 30-32. [ Guo Aiwu, Li Gang. Study on natural evaporation of brine in Mahai Salt Lakes[J]. Journal of Salt Lake Research, 2008, 16(3): 30-32.]
[7]
潘晓晨, 成怀刚, 程芳琴. 马海盐湖溶采卤水高温梯级蒸发实验研究[J]. 无机盐工业, 2013, 45(6): 15-18. [ Pan Xiaochen, Cheng Huaigang, Cheng Fangqin. Study on stepped high temperatrue evaporation of dissolved brine in Mahai Salt Lakes[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2013, 45(6): 15-18. DOI:10.3969/j.issn.1006-4990.2013.06.005]
[8]
汤玉兰.青海马海盐湖富钾卤水地球化学特征及其成因研究[D].北京: 中国地质大学(北京), 2015. [Tang Yulan. Study on geochemical characteristics and genesis of potassium-rich brine in Mahai Salt Lake in Qinghai province[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2015.] http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11415-1015391442.htm
[9]
马金元, 胡生忠, 田向东. 柴达木盆地马海钾盐矿床沉积环境与开发[J]. 盐湖研究, 2010, 18(3): 9-17. [ Ma Jinyuan, Hu Shengzhong, Tian Xiangdong. Sedimentary environment and exploitation of Maihai potash deposits in Qaidam Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2010, 18(3): 9-17.]
[10]
焦鹏程, 张建伟, 姚佛军, 等. 马海盐湖深部卤水钾盐勘查与研究进展[J]. 矿床地质, 2016, 35(6): 1305-1308. [ Jiao Pengcheng, Zhang Jianwei, Yao Fojun, et al. Potassium exploration and research progress of deep brine in Mahai Salt Lake[J]. Mineral Deposits, 2016, 35(6): 1305-1308.]
[11]
王宇涵.青海柴达木盆地马海盐湖第四纪沉积环境研究[D].北京: 中国地质大学(北京), 2016. [Wang Yuhan. Research on sedimentary environment of mohair salt lake in Quaternary in the Qaidam Basin Qinghai province[D]. Beijing: China University of Geosciences, 2016.]
[12]
李洪普, 郑绵平. 柴达木盆地西部深层卤水钾盐矿成矿地质特征[J]. 矿床地质, 2014, 39(S1): 935-936. [ Li Hongpu, Zheng Mianping. Mineralization geological characteristics of deep brine potassium mine in the west of Qaidam Basin[J]. Mineral Deposits, 2014, 39(S1): 935-936.]
[13]
李洪普, 郑绵平, 侯献华, 等. 柴达木黑北凹地早更新世新型砂砾层卤水水化学特征与成因[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 2014, 39(10): 1333-1342. [ Li Hongpu, Zheng Mianping, Hou Xianhua, et al. Hydrochemistry characteristics and origin of new brine sandy gravel in Early Pleistocene of Heibei Concave in Qaidam Basin[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2014, 39(10): 1333-1342.]
[14]
李洪普, 郑绵平, 侯献华, 等. 柴达木西部南翼山构造富钾深层卤水矿的控制因素及水化学特征[J]. 地球学报, 2015, 36(1): 41-50. [ Li Hongpu, Zheng Mianping, Hou Xianhua, et al. Control factors and water chemical characteristics of potassium-rich deep brine in nanyishan structure of western Qaidam Basin[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2015, 36(1): 41-50.]
[15]
田向东, 李洪普, 王云生, 等. 柴达木北部新盐带卤水水化学特征研究[J]. 盐业与化工, 2013, 42(12): 8-12. [ Tian Xiangdong, Li Hongpu, Wang Yunsheng, et al. Study on the hydrochemical characteristics of the Xinyandai latent brine in the north of Qaidam Basin[J]. Journal of Salt and Chemical Industry, 2013, 42(12): 8-12.]
[16]
郑绵平, 刘喜方. 青藏高原盐湖水化学及其矿物组合特征[J]. 地质学报, 2010, 84(11): 1585-1600. [ Zheng Mianping, Liu Xifang. Hydrochemistry and minerals assemblages of salt lakes in the Qinghai-Tibet Plateau, China[J]. Acta Geologica Sinica, 2010, 84(11): 1585-1600.]
[17]
张西营, 马海洲, 高东林, 等. 柴达木盆地西台吉乃尔盐湖矿区卤水水化学特征[J]. 盐湖研究, 2007, 15(2): 12-20. [ Zhang Xiying, Ma Haizhou, Gao Donglin, et al. Hydrochemical characteristics of brines in the mining area of West Taijinar Salt Lake in Qaidam Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2007, 15(2): 12-20. DOI:10.3969/j.issn.1008-858X.2007.02.003]
[18]
叶传永, 王志明, 赵世勤, 等. 青海省尕斯库勒盐湖卤水水化学特征初步研究[J]. 盐湖研究, 2013, 21(1): 14-23, 37. [ Ye Chuanyong, Wang Zhiming, Zhao Shiqin, et al. Priliminary study of the hydrochemical characteristics of brines in the Gas Hure Salt Lake, Qinghai province[J]. Journal of Salt Lake Research, 2013, 21(1): 14-23, 37.]
[19]
樊启顺, 马海洲, 谭红兵, 等. 柴达木盆地西部典型地区油田卤水水化学异常及资源评价[J]. 盐湖研究, 2007, 15(4): 6-12. [ Fan Qishun, Ma Haizhou, Tan Hongbing, et al. Hydrochemical anomaly and resources evaluation of the oil field brines in the typical area of western Qaidam Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2007, 15(4): 6-12. DOI:10.3969/j.issn.1008-858X.2007.04.002]
[20]
樊启顺, 马海州, 谭红兵, 等. 柴达木盆地西部卤水特征及成因探讨[J]. 地球化学, 2007, 36(6): 601-611. [ Fan Qishun, Ma Haizhou, Tan Hongbing, et al. Characteristics and origin of brines in western Qaidam Basin[J]. Geochimica, 2007, 36(6): 601-611. DOI:10.3321/j.issn:0379-1726.2007.06.008]
[21]
单慧媚, 马腾, 刘存富, 等. 有机溴化物的溴同位素测试技术及其生物地球化学指示意义[J]. 地球科学进展, 2011, 26(8): 811-821. [ Shan Huimei, Ma Teng, Liu Fucun, et al. An overview of analytical methods of bromine stable isotope (81Br) of BOCs and its significance to biogeochemical cycle[J]. Advances in Earth Science, 2011, 26(8): 811-821.]
[22]
曾昭华, 曾雪萍. 地下水中溴的形成及其与人群健康的关系[J]. 吉林地质, 2001, 20(1): 57-59. [ Zeng Zhaohua, Zeng Xueping. The formation of trace element of Br in groundwater and its relationship with the health of People's community[J]. Jilin Geology, 2001, 20(1): 57-59. DOI:10.3969/j.issn.1001-2427.2001.01.009]
[23]
李廷伟, 李建森, 马海洲, 等. 柴达木盆地西部油田卤水硼同位素地球化学研究[J]. 盐湖研究, 2013, 21(2): 1-9. [ Li Tingwei, Li Jiansen, Ma Haizhou, et al. Boron isotope geochemical study on oil-field brine in western Qaidam Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2013, 21(2): 1-9.]
[24]
肖荣阁, 大井隆夫, 蔡克勤, 等. 硼及硼同位素地球化学在地质研究中的应用[J]. 地学前缘, 1999, 6(2): 361-367. [ Xiao Rongge, Takao Oi, Cai Keqin, et al. Application of boron and boron isotopic geochemistry in the study of geological process[J]. Earth Science Frontiers, 1999, 6(2): 361-367. DOI:10.3321/j.issn:1005-2321.1999.02.015]
[25]
马万栋.塔里木盆地西部岩盐的地球化学特征及钾盐远景区预测研究[D].西宁: 中国科学院研究生院(青海盐湖研究所), 2004. [Ma Wandong. The research on geochemical characteristics and potass forecast of halite in western Tarim Basin[D]. Xining: Graduate School of Chinese Academy of Sciences (Qinghai Salt Lake Institute), 2004.] http://www.irgrid.ac.cn/handle/1471x/612668
[26]
刘勇平, 周敬, 韩凤清, 等. 青海可可西里东部盐湖水化学及沉积特征初步研究[J]. 盐湖研究, 2009, 17(3): 10-16. [ Liu Yongping, Zhou Jing, Han Fengqing, et al. Preliminary study of hydrochemistry and sedimentary characteristics of salt lakes in eastern Hoh Xil region[J]. Journal of Salt Lake Research, 2009, 17(3): 10-16.]
[27]
张西营, 马海洲, 谭红兵. Sr的地球化学指示意义及其应用[J]. 盐湖研究, 2002, 10(3): 38-44. [ Zhang Xiying, Ma Haizhou, Tan Hongbing. The indicative significance and application of strontium in geochemistry[J]. Journal of Salt Lake Research, 2002, 10(3): 38-44. DOI:10.3969/j.issn.1008-858X.2002.03.008]
[28]
樊启顺, 马海洲, 谭红兵, 等. 柴达木盆地西部卤水水化学特征与找钾研究[J]. 地球学报, 2007, 28(5): 446-455. [ Fan Qishun, Ma Haizhou, Tan Hongbing, et al. Hydrochemical characteristics of brines and potassium-prospecting researches in western Qaidam Basin[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2007, 28(5): 446-455. DOI:10.3321/j.issn:1006-3021.2007.05.005]
[29]
李廷伟, 谭红兵, 樊启顺. 柴达木盆地西部地下卤水水化学特征及成因分析[J]. 盐湖研究, 2006, 14(4): 26-32. [ Li Tingwei, Tan Hongbing, Fan Qishun. Hydrochemical characteristics and origin analysis of the underground brines in west Qaidam Basin[J]. Journal of Salt Lake Research, 2006, 14(4): 26-32. DOI:10.3969/j.issn.1008-858X.2006.04.005]
[30]
韩佳君, 周训, 姜长龙, 等. 柴达木盆地西部地下卤水水化学特征及其起源演化[J]. 现代地质, 2013, 27(6): 1454-1464. [ Han Jiajun, Zhou Xun, Jiang Changlong, et al. Hydrochemical characteristics, origin and evolution of the subsurface brines in western Qaidam Basin[J]. Geoscience, 2013, 27(6): 1454-1464. DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2013.06.025]
[31]
谭红兵, 曹成东, 李廷伟, 等. 柴达木盆地西部古近系和新近系油田卤水资源水化学特征及化学演化[J]. 古地理学报, 2007, 9(3): 313-320. [ Tan Hongbing, Cao Chengdong, Li Tingwei, et al. Hydrochemistry characteristics and chemical evolution of oilfield brines of the Paleogene and Neogene in western Qaidam Basin[J]. Journal of Palaeogeography, 2007, 9(3): 313-320. DOI:10.3969/j.issn.1671-1505.2007.03.009]
[32]
周训, 曹琴, 尹菲, 等. 四川盆地东部高褶带三叠系地层卤水和温泉的地球化学特征及成因[J]. 地质学报, 2015, 89(11): 1908-1920. [ Zhou Xun, Cao Qin, Yin Fei, et al. Characteristics of the brines and hot springs in the Triassic carbonates in the high and steep fold zone of the eastern Sichuan Basin[J]. Acta Geologica Sinica, 2015, 89(11): 1908-1920.]
[33]
周训. 四川盆地龙女寺储卤构造深层地下卤水的水文地球化学特征及成因[J]. 现代地质, 1993, 7(1): 83-92. [ Zhou Xun. Hydrogeochemical characteristics and formation of subsurface brines of deep aquifers in Longnu temple brine-bearing structure, Sichuan Basin[J]. Geoscience, 1993, 7(1): 83-92.]