素有“聚宝盆”之称的青海柴达木盆地盐湖众多，分布广泛，是我国最主要的盐湖矿产资源富集区.钾盐是重要的化工原料，农业生产必不可少，在工业上也有着广泛的用途.我国的可溶性钾盐资源贫乏，仅为世界储量的4.1%.故长期以来钾盐一直是我国的紧缺矿种之一.随着国民经济的迅速发展，农业生产规模逐渐扩大，对钾肥的需求量也越来越大，使钾肥工业面临着十分严峻的形势(曹文虎和吴蝉，2004).因此，合理寻找开发利用钾盐资源尤显重要.多年来前人在柴达木盆地盐湖区勘查卤水钾盐矿多以工程钻探、浅井等手段为主，方法单一，效率效益差，大规模普查和详查评价程度较低，勘查精度有限，而本次应用核磁共振测深(MRS)方法勘查盐卤水钾矿尚属首次.为此，笔者就核磁共振测深(MRS)方法在青海柴达木盆地盐湖区卤水钾矿勘查实例中进行分析、总结，以其达到抛砖引玉之期望.

由于盐湖区表层低阻屏蔽及接地电阻过大等因素影响，一般常规物探方法(如电阻率法、激电测深法、电磁法等)综合成果资料在卤水钾盐相对含量分析计算方面误差较大，推断结果不够直观，难以满足地质评价及钻探开采工程之要求.核磁共振测深方(MRS)方法是直接探查地下水的地球物理新技术，它的测量方式和测量参数，在一定探测深度范围内，可以给出定量解释，能直接反映出地下含水层的赋存状态和特征，不打钻比较直观的确定出各含水层深度、厚度、单位体积含水量等水文地质参数，信息量丰富，具有量化特点，可经济快速的划定卤水远景区(何胜和甘斌，2013；李新等，2013).

1 勘查区地形与地质概况

勘查区位于柴达木盆地东北部，北侧为塞什腾山，东部为绿梁山，海拔高度2730~2760 m，地形平坦，相对高差数米.盆地最低处形成现代盐湖(巴仑马海湖)，为区域地下水和地表水的汇集、排泄中心(何胜和甘斌，2013).

柴达木盆地是青藏高原北部大型内陆断陷构造形成的高山深盆，盆地周边为高山，盆地内地形起伏不大，在丘陵和沙漠间的较低洼地区形成彼此隔绝，大小不均一的封闭式内陆盐湖次级盆地.这些盐湖次级盆地是柴达木盆地的主要沉积区，沉积了大量的陆源碎屑和盐类物质，即K、Na、Mg、B、Br、I等.

勘查区内的主要矿产资源为卤水钾矿，主要组分是KCl，伴生组分为NaCl、MgCl₂、MgSO₄，而LiCl、B₂O₃、Br等仅零星分布，不具综合利用价值.根据以往资料按赋存层位和含水类型划分为5个含水矿层，分别为潜卤水、承压卤水、晶间潜卤水、晶间承压卤水、无晶间潜卤.

2 MRS方法原理及野外工作方法技术 2.1 MRS方法原理

MRS找水方法的原理是基于研究地下水中氢核弛豫特性的差异形成的核磁共振效应.MRS找水方法就是通过观测外加磁场去掉后，氢核在向激发状态恢复的过程中，旋进产生的交变磁场在接收线圈中引起电动势的变化来研究地下岩层的含水性.其中接收的自由衰减信号的初始振幅值的大小与水中质子的水量有关.通常在MRS方法探测深度范围内，在信噪比适宜的情况下，地层中有自由水存在，就有核磁共振信号响应.含水量越大，响应越强，即NMR信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，通过NMR信号反演将观测到的地球物理数据，转换成地下各含水层的深度、厚度、含水量和平均孔隙度等水文地质参数，这就构成了直接找水的新技术方法(戴苗等，2009；Bernard，2010；林君等，2010；朱庆俊等，2012)，而卤水钾矿为液体矿的一种，基于上述MRS方法原理并构成了地球物理勘查卤水钾矿新技术方法.

2.2 野外工作方法技术

本次工作使用的是法国IRIS公司核磁共振系统(NUMIS POLY)，该系统是输出功率高、接收灵敏度高并由PC机控制的当今世界上最先进的直接探测地下水的仪器.NUMIS POLY系统由直流电源(汽车电瓶2块)、DC/DC转换器、发射机、发射/接收天线、调谐单元、接收机、外接计算机及部分辅助连线构成，野外工作装置连线见图 1(Bernard，2010).本次工作参数：(1)野外激发线圈为方形，边长150×150 m；(2)激发频率f₀=0.04258×B₀(B₀—测点地磁场总强度)；(3)脉冲矩个数为16个；(4)供电电压为429 V、叠加次数64次、记录长度240 ms，脉冲持续时间40 ms.

图 1

Fig. 1

图 1 NUMIS POLY系统野外工作装置连线框图 Fig. 1 The filed device for NUMIS POLY system connection diagram

根据项目总体设计要求及现场实际情况，最大勘探深度满足设计要求(150 m).在季节性河流附近布设了3条勘测剖面，21条剖面沿211°方位布设于整个工区，共完成勘测剖面24条，点距500~1000 m不等，在遇到高压线、信号塔等电磁干扰和盐田地形干扰时点距做适当调整.为确保本次成果质量工作中严格执行《地面核磁共振法找水技术规程》(送审稿)和《物化探工程测量规范》DZ/T 0153—1995. 3 实例分析 3.1 资料解释

在勘查区本次工作共完成勘测剖面24条，物理点316个，点距500~1000 m不等.通过对本次核磁共振实测数据进行反演解释，可以获得含水体的埋深、厚度、单位体积含水量和视纵向弛豫时间(T₁^*)、渗透率(k^*)，其中视纵向弛豫时间(T₁^*)是直接反映渗透率(k^*)大小的参数(谢庆明等，2010；谢然红等，2011；蒋川东等，2011；肖立志等，2012).

通过分析对比，勘查区MRS初始振幅曲线类型有K型、KH型、G型、A型和Q型，但以K型曲线为主.通过反演结果分析，MRS法的初始振幅曲线类型为KH型、G型、A型和Q型的测点初始振幅E₀均小于57.4 nV、单位体积含水率均小于3.7%，据此在不考虑视纵向弛豫时间的情况下就可以推断以上各点富水性差.而初始振幅为K型的曲线富水性相对较好，故针对K型曲线的测点进行详细分析解释，以求重点突出，依此提供查明卤水钾矿的依据.其他类型测点在此不再赘述.

初始振幅K型曲线广泛分布于全工区，其峰值E₀²主要表现其含水量大小，峰值所对应脉冲矩大小反映其含水层埋深，再根据其含水直方图、T₁^*随深度变化曲线图可以很直观的判断富水性，通过反演分析全工区K型曲线测点，整个工区富卤存在于浅部，埋深小于20 m.如图 2为7822测点SNMR反演成果图，由图可知其峰值E₀²最大为362.5 nV，为含水层位之中心，峰值较尖表明其含水层较薄；根据其单位体积含水直方图可以看出该点只有浅部一含水层，在2~5 m之间其单位体积含水率为1.3%~3.3%，在5~12.3 m之间其单位体积含水率最大为7.7%；再根据T₁^*随深度变化曲线图可知在2~5 m之间其视纵向弛豫时间(T₁^*)较小为50 ms，表明该层段岩体颗粒较细、孔隙较小，不利于自由水的赋存，5~12.3 m之间其视纵向弛豫时间(T₁^*)较大其值为3000 ms，表明该层段岩体颗粒较粗、孔隙较大，有利于自由水的赋存；综上并结合其地质资料和周边钻孔资料，推测0~4 m为含粘土石盐之粉细砂，4~12.3 m为含粉砂的石盐，12.3~43.1 m为含粉砂的石盐粘土，43.1~150 m为含石膏的淤泥，其含水层埋深为5.0 m，含水层厚度为7.3 m，主要含水层岩性为含粉砂的石盐，为勘查区较富卤水测点.用上述解释方法同样解释于勘查区其他测点.

图 2

Fig. 2

图 2 7822测点SNMR反演成果图 (a)初始振幅拟合曲线图;(b)单位体积含水直方图;(c)T1*随深度变化曲线图. Fig. 2 7822 point SNMR inversion result map

核磁共振测深法资料解释误差评价主要依据钻孔验证，进行单点分析解释，推断其地质柱状图与钻孔资料对比验证.

以8012测点为例与钻孔ZK8012对比分析(如图 3).8012测点初始振幅曲线同样为K型，解释方法步骤如同7822测点，推测0~6.6 m为含粉砂的石盐，6.6~9.0 m为砂质粘土，9.0~12.3 m为含粘土的石盐，12.3~150 m为砂质粘土，其含水层埋深为2.5 m，含水层厚度为4.1 m，主要含水层岩性为含粉砂的石盐，为工区较富水测点.ZK8012钻孔深度为329.65 m，由于MRS只能测150 m的深度，所以在此把ZK8012钻孔深度截止150 m.通过钻孔揭露该孔含水层埋深为2.0 m，含水层厚度为4.3 m，主要含水层岩性为含粉砂的微细粒石盐.而对于钻孔揭露的地层岩性，地面核磁共振方法很难对薄层或物性差异较小的地层进行区分，只能对大概地层进行划分.通过对比其MRS推断解释误差：含水层埋深为+25.0%，含水层厚度为-4.65%.含水层埋深误差较大，究其原因为含水层埋深较浅，而核磁共振为16个脉冲矩探测并在反演时为16层反演，分层误差也会造成含水层埋深解释之误差.在这样的误差范围内利用MRS方法来查明本勘查区卤水钾矿资源分布范围、埋藏深度及厚度实为可靠.

图 3

Fig. 3

图 3 8012测点SNMR反演解释与已知钻孔对比图 Fig. 3 8012 point SNMR inversion with known borehole comparison chart

根据各测点及其主要含水层(埋深5~16.8 m)单位体积含水率和视纵向弛豫时间平面图(图 4、5)综合对比分析，整个勘查区浅层5~20 m为主要富卤含水层，20~150 m富水性较差，无含水层分布.勘查区的西南部(魔鬼城)视纵向弛豫时间和单位体积含水率都为低值显示，表明其富水性、透水性较差，整体不富卤(图 6).

图 4

Fig. 4

图 4 勘查区SNMR反演主要含水层累加单位体积含水率平面图 Fig. 4 Exploration area SNMR inversion mainly aquifer accumulation unit plan volumetric moisture content

图 5

Fig. 5

图 5 勘查区SNMR反演主要含水层(5~16.8 m)视纵向弛豫时间、富卤性推断平面图 Fig. 5 Exploration area SNMR inversion mainly aquifer(5~16.8 m)as the longitudinal relaxation time，the rich brine inference of planar graphs

图 6

Fig. 6

图 6 勘查区SNMR反演主要富卤性预测区平面图 Fig. 6 Exploration area SNMR inversion mainly the rich brine prediction area of planar graphs

通过对勘查区浅部含水层进行分析，共划分5个富卤异常区，根据其视纵向弛豫时间和单位体积含水率(视纵向弛豫时间和单位体积含水率都较大时富卤较好)，工区有2个富卤较好地段分别为Ⅲ、Ⅴ富卤区(图 6中玫红色区域)，3个一般富卤区，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ富卤区(图 6中紫色区域)，图 6中的黄色区域为基本不富卤地段，详见图 6预测区图.

4 小结与讨论

(1)实践证明核磁共振测深法(MRS)在盐湖区探测卤水钾矿效果良好，可以克服常规传统物探方法由于盐湖区低阻屏蔽及接地电阻过大等不利因素带来的影响，它具有直接找水、反演解释信息量丰富、图示直观明显、经济、快速等特点，是盐湖区目前物探探测卤水钾矿最具预见性的方法技术手段.

(2)根据MRS探测成果，本次勘查区共划分出5个富卤异常区，其中Ⅲ、Ⅴ为富卤较好区段，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ为一般富卤区段，为避免盲目布置钻探工作量、提高钻探勘查成功率及钾矿开发利用提供了依据.

(3)在本次探测的0~150 m深度范围内，富卤含水层主要集中在浅层5~20 m以内，单位体积含水率高，与钻孔揭露结果相吻合，该方法在探测含水层埋深、厚度等方面较为准确.

(4)虽然核磁共振测深法(MRS)在本次盐湖区勘查中取得了良好的应用效果，但探测最大深度仅有 150 m，对于大于150 m的目标层该方法仍无法探测.此外，由于仪器的接受灵敏度高，故易受电磁噪声干扰，在电磁噪声干扰强的区段不能开展工作.

(5)核磁共振测深法(MRS)测试的相位参数与介质的电阻率有关，但本次测试该参数与介质电阻率无明显的线性关系，有待今后对其适用性和深层次机理问题进一步探索研究.