成鹽理論引領我國找鉀取得重要進展

鄭綿平,侯獻華,于常青,李洪普,尹宏偉,張 震,鄧小林,張永生,郭廷峰,韋 釗,王緒本,安蓮英,乜 貞,譚筱虹,張雪飛,牛新生

1)中國地質科學院礦產資源研究所,國土資源部鹽湖資源與環境重點實驗室,北京 100037;2)中國地質科學院地質研究所,北京 100037;3)青海省柴達木綜合地質礦產勘查院,青海格爾木 816000;4)南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210093;5)中化地質礦山總局地質研究院,河北涿州 072754;6)成都理工大學,四川成都 610059;7)云南省地質調查院,云南昆明 650051

鉀鹽是工農業重要原料,其中 90%左右用于作鉀肥,其他工業等用途約占 10%。我國是一個擁有13億多人口的農業大國。中國耕地資源與人口基數相比較少,為了保障我國糧食安全和對農產品需求需要不斷增加作物的產量,形成了中國特有的化肥高量投入的耕地體系(鄭綿平等,2010)。

隨著我國經濟快速發展,2014年我國鉀鹽消費量(K2O)達 1099萬噸,折合 KCl為 1740萬噸(中國無機鹽工業協會鉀鹽(肥)行業分會,2014),較 2001年鉀鹽(K2O)消費量343.5萬噸相比,增加了3倍。我國生產的鉀肥主要來自現代鹽湖的鉀鹽,多年來鉀鹽自給率約30%左右。從2008年始,由于市場鉀鹽價格飆升,推動我國鉀鹽自給率大幅度提高,如2014年全國鉀鹽(K2O)產量達到554萬噸(中國無機鹽工業協會鉀鹽(肥)行業分會,2014),而進口量507.4萬噸(中國無機鹽工業協會鉀鹽(肥)行業分會,2014),我國鉀鹽自給率達52%,但與當年全國鉀鹽(K2O)消費量1099萬噸(含工業用鉀)(中國無機鹽工業協會鉀鹽(肥)行業分會,2014),我國仍為世界主要鉀鹽進口國。

世界鉀鹽相當豐富,但資源和產量集中在少數國家。按鉀鹽儲量(表1):加拿大、俄羅斯、白俄羅斯等為主,三國合計占世界鉀鹽 89%,其余按鉀鹽資源儲量計,主要分布于美國、土庫曼、泰國、老撾、哈薩克斯坦、巴西、以色列、約旦、英國、西班牙、智利國。中國實際探明鉀鹽儲量要低于表 1所列數據。

面對我國鉀鹽的大宗需求和相對較少的鉀鹽儲量,近幾年來,中國地質調查局加大投入,組織相關部門大力協作,取得了鉀鹽找礦的初步成效。由于中國復雜成鹽地質構造條件,在我國找尋古代鉀鹽的難度很大,成為長期以來找礦的“硬骨頭”。中國的國土是由若干小陸塊(克拉通)、微陸塊和造山帶拼合而成的,既可與其他大陸對比,又有其特殊性,克拉通化時間也稍晚,多為活動帶中的大型中間地塊形成的“準地臺”,故受周緣造山帶較強烈的影響,而新生代高原碰撞成礦作用還相繼形成大型陸相和海相鹽盆地。

表1 世界鉀鹽(K2O)儲量年變化表Table 1 Annual changes of sylvite (K2O) reserves in the world

圖1 梁ZK05、梁ZK02、梁ZK06鉆孔沉積對比圖Fig.1 Comparative map of sediments from drill holes Liang ZK05,Liang ZK02 and Liang ZK06

上述因素導致中國海、陸相鹽盆地成礦構造環境和成鹽成鉀的某些特殊性:成鹽多期性與成鹽時代差異性,成鹽遷聚性、物質成分多樣性、后期變動性與深埋藏、液態礦多和海相鹽盆地規模較小以及形成青藏高原晚碰撞以來最年輕的陸相鉀鹽等基本特征。如何根據我國這些成鹽地質特點,探索符合我國地質實際找鉀的成功之路,還可能有很長的路要走,本文僅是作者群體在這個努力過程中取得的初步成果,更值得肯定還在將來！現將找鉀調查若干新進展介紹如下。

1 柴達木盆地西部深層含鉀鹵水預測研究

2008—2010年的地質調查工作項目“青海柴達木西部第三系上新統富鉀硼鋰深循環鹵水礦產普查”,其調查的目標層位僅限于“上新統”。

作者通過古氣候和鹽構造背景研究,認為柴達木盆地西部長期受下降干旱氣流的影響,晚新生代以來處于我國西部寒旱中心(鄭綿平,2001),推斷下第四系(Q1)有成鹽找鉀前景?；诖?對該區已有鉆孔巖心進行了綜合研究(鄭綿平等,2013b),由北而南選擇大浪灘凹陷梁ZK05、梁ZK02和梁ZK06鉆孔巖心進行年代學、鹽類礦物學、古環境古氣候等研究。建立了該區磁性地層年代框架(施林峰等,2010;秦永鵬等,2012),對梁 ZK05孔巖心古地磁測年,推算出鉆孔330 m深處的年齡約為2 Ma(施林峰等,2010),該鉆從孔深330 m一直到1025 m,巖性均為中粗砂和卵礫石沉積,沉積速率遠大于前330 m,因此無法用沉積速率外推法推測鉆孔底部1025 m處的年齡,但是,據此結果,可以推測該套砂礫石儲鹵層的結束年代至少為2 Ma。對梁ZK02孔巖心古地磁測年求得其底部 1000 m處年齡為2.58 Ma,巖性表現為黃褐色、棕紅色、灰白色含粉砂粘土,而到梁ZK06孔,其底部1000 m處古地磁年齡為2.1 Ma,巖性為粗粒含粉砂石鹽。以上表明,由北部阿爾金山前向南大浪灘干鹽湖凹陷中心,巖相由扇三角洲前緣的砂礫逐漸過渡到淺湖的含粉砂粘土(梁ZK02),直至鹽湖沉積(梁ZK06)。由此可知,這種新型砂礫層含鉀鹵水層開始堆積的時代為2.58～2.00 Ma,為Q1早期(圖1)。據該調查區地震資料重新解釋,在該套厚層砂礫層之下,還有至少一套類似砂礫層沉積,鉆孔尚未揭露,容后報導。

由于該區深層含鉀鹵水(砂礫儲鹵層)埋藏深度一般在300 m以上,作者通過油田地震資料重新處理-解釋-反演,總結砂礫儲鹵層反射特征,使布鉆有充分科學依據。以梁 ZK05孔為例,儲鹵層段在03y31地震剖面上地震相表現為平均振幅強、頻率低,同相軸連續性差,一般呈團塊狀分布(圖2)。據此,連續布置了梁 ZK10、黑 ZK02、察 ZK01、察ZK02、察ZK03等中深鉆孔,均收到了很好找礦效果。該新型砂礫層含鉀鹵水的發現,大幅度擴大了柴西鉀鹽資源遠景,且揭示一種新構造成鉀機制。

圖2 柴達木盆地西部砂卵礫石含鉀鹵水層地震反射特征(據青海油田公司2D地震成果,有補充)Fig.2 Seismic reflection characteristics of potassium-bearing brine layer of sand and gravel in the western Qaidam Basin(supplementary after 2D seismic achievements by Qinghai Oil Field Company)

沿北部阿爾金山前從西邊大浪灘凹地—黑北凹地,向東直至昆特依凹地,該套儲鹵層呈條帶狀分布,在該區先后施工 25個鉆孔,“孔孔見礦”。KCl品位在0.31%～1.56%之間,為氯化物型鹵水。

據現有工作,初步估算大浪灘凹地 KCl(334)孔隙度資源量1.42億噸,KCl(333)資源量1.34億噸,察汗斯拉圖凹地 KCl(334)孔隙度資源量 0.34億噸,昆特依凹地 KCl(334)孔隙度資源量 0.30億噸,馬海凹地KCl(334)孔隙度資源量0.10億噸,合計3.5億噸。

2 柴達木砂礫型含鉀鹵水成礦機制探討

柴達木盆地位于阿爾金山、祁連山和昆侖山之間,是青藏高原發育的大型中新生代山間盆地。據盆地構造分析表明,柴達木盆地為典型拆離伸展盆地(崔軍文等,1999),為巖石圈尺度的大型盆地,其形成主要與沿殼內拆離層和殼慢拆離層的拆離作用有關,其下地殼屬于揚子地塊,上地殼以塔里木—中朝地塊為主。由于早喜瑪拉雅山運動的影響,印度板塊和歐亞板塊相互的碰撞,四周山體不斷抬升,中央坳陷盆地主體形成,在盆地西部逐漸形成“高山深盆”的沉積環境(袁見齊等,1983)。在走滑和擠壓背景下,柴達木盆地西部形成一系列北西向逆沖斷層,由北往南,可見元古代劉家臺組(Pt1l)變質巖超覆于古近紀干柴溝組(E3N1g)沉積巖之上,古近紀干柴溝組(E3N1g)又超覆于新近紀油砂山組(N2y)含鹽碎屑巖之上(圖 3)(張雪亭等,2007),在北部阿爾金山前形成反沖構造,并導致上新世晚期含鹽地層在地下與Q1沖洪積砂礫石層接觸。

圖3 柴達木西部深層含鉀鹵水調查區地質背景圖(據張雪亭等,2007,略有補充)Fig.3 Geological background diagram of the survey area for deep potassium-abundant brine in the western Qaidam Basin (modified after ZHANG et al.,2007)

在第四紀早期,沖洪積砂礫層形成大資源量含鉀鹵水,為國內外所罕見。據其形成條件,初步分析有兩個主要因素:(1)由于柴達木盆地西部長期受下降干旱氣流的影響,新生代以來一直處于我國西部寒旱中心,從始新世至新近紀,在柴西不斷接受鹽類沉積,形成特殊“鹽谷”背景,因而,砂礫層具有積聚“鹽谷”中分散的鹽類有利條件。(2)由于周圍高山融水,由高往低沿阿爾金斷裂潛入山前地帶,常年溶濾 N2沉積的石鹽層系而形成鹵水,繼而進入Q1時期沖洪積砂礫層大孔隙儲存。在第四紀長期半干旱-干旱條件下,由于周圍山地不斷隆升,山前凹陷相對持續沉降,而形成了山前巨厚砂礫型含鉀鹵水礦。該砂礫型鹵水化學特征有別于柴西現代鹽湖硫酸鎂亞型鹵水,又不同于第三系油田水,是一種特殊的高鈉、低硫酸根、硼、鋰的含鉀鹵水(圖4)。

由此,柴達木西部含鉀鹵水就包括三種類型:氯化物型(砂礫層含鉀鹵水)、氯化鈣型(第三紀油田水)、現代鹽湖型(硫酸鎂亞型),前者與后兩者的水質和水化學類型不同(表 2),不具有富含鋰、硼、溴、碘、氨、鍶等特征(付建龍等,2001;譚紅兵等,2007;樊啟順等,2007),表明它的形成并非由第三系油田水受西南應力擠壓遷移而形成(鄭綿平等,2013a);亦非由上部現代鹽湖向下滲入而成。

表2 柴達木盆地西部含鉀鹵水分類與水化學特征(單位:g/L)Table 2 Classification and hydrochemical characteristics of potassium-bearing brine in the western Qaidam Basin(unit:g/L)

圖4 柴達木盆地西部砂礫層含鉀鹵水成因圖解Fig.4 Genetic diagram of potassium-bearing brine of sandy gravel bed in the western Qaidam Basin

這種氯化鈉型鹵水水化學特征,從黑北凹地黑ZK02孔砂礫層含鉀鹵水野外蒸發實驗結果可得到佐證,實驗表明,鹵水中主要成分為氯化鈉,因此氯化鈉結晶析出階段很長(圖5),直至光鹵石析出。該含鉀鹵水鹽類礦物組合比較簡單,這也為將來生產提取工藝帶來便利。

圖5 Na+、K+、Mg2+//Cl--H2O四元體系介穩相圖Fig.5 Metastable phase diagram of Na+,K+,Mg2+//Cl-H2O quaternary system

圖6 砂礫型含鉀鹵水概要圖解Fig.6 Essential diagram of gravel type potassium abundant brine

綜上所述,柴西砂礫層含鉀鹵水的成因機制,可概括如下(圖6)。

由于柴西地區有很好的資源條件,近兩年求得深層砂礫型新型鹵水KCl資源量總計3.5億噸,已經成為中國地質調查局完成358找鉀任務的重點地區。隨著勘查評價工作深入,柴西有望成為我國最大鉀肥生產地察爾汗可靠的后備資源接替區(中國地質科學院,2015)。

3 滇西南找鉀——“二層樓成礦模式”

在 3年前取得滇西南成鉀規律認識基礎上(鄭綿平等,2010,2012),經地球物理和鉆探驗證,在勐野井礦外圍 MK-1井深部中侏羅統花開左組(和平鄉組)發現含鉀鹽層(垂厚70 m)(圖7)。

KCl含量0.8%～6%,并以2%～3.6%為主;溴氯系數 0.1～0.6,鉀氯系數 15～60;部分系數已達鉀石鹽沉積階段。

在大量的地表地質調查基礎上,進行了室內鹽構造模擬實驗,其鹽構造演化有以下階段(圖8)。

1)特提斯海相鹽層(J2hp)被晚侏羅—早白堊地層覆蓋;

2)早白堊末期(K1p),巖鹽沿北東東向正斷層遷移至地表,以K1p為底板形成蘑菇狀鹽體;

3)古近紀晚期受強烈擠壓作用影響,斷層上盤抬升,部分蘑菇狀鹽體被剝蝕;

圖7 勐野MK-1井含鉀鹽層Fig.7 Potassium-bearing salt bed of Well MK-1 in Mengye

4)斷層下盤的殘留蘑菇狀鹽體被古近紀—新近紀沉積覆蓋保護形成現今的勐野井礦體。

4 塔里木白堊－第三紀鹽盆地鉀鹽找鉀取得實質性進展

通過“油鉀兼探”,取得了66個含鹽鉆孔(累計進尺7萬多米)巖屑樣品和相應完井報告,羊塔4井發現100 m的鉀礦化層位和41 m的鉀鹽礦層(圖9)。

圖9 羊塔4井中礦化段含鉀鹽層組合和巖屑Fig.9 Potassium-bearing salt bed groups and debris in mineralized beds of No.4 Well in Yangta

圖10 溶解度隨溫度和壓力變化Fig.10 Solubility resulting from pressure and temperature changes

國外鉀鹽水采深2000 m為下限,針對我國國情,作者提出探討大于5000 m深溶采可行性。調查表明,中鹽重慶長壽鹽化工業有限公司鉆井水溶采鹽采用定向對接連通法,采鹽最大深度為 3188 m,是目前國內在產最深鉆井。山東黃河三角洲鹽礦化工有限公司在建700萬m3/年NaCl采輸鹵及地熱能綜合利用項目正在施工中。設計采鹽深度3900 m,最大可到4300 m,是目前國內在建最深鉆井。通過對鉆井水溶開采鹽礦資料綜合分析,由于在＞30℃的溫度條件下,氯化鉀溶解度比氯化鈉溶解度還大(圖10),目前,首先進行室內模擬實驗,著手部署在庫車凹陷5200 m鉆井水溶開采鉀鹽礦可能性研究工作。

5 開拓上揚子盆地找鉀新方向

上揚子三疊紀蒸發巖系是一種特殊的多級次鹽盆地成鉀模式,它既是揚子盆地系最后的濃縮鹽盆地,又是四周多源海水頻繁補給的次盆地(圖11)。并且位于構造準穩定區,成鹽后期構造變化大,因而具有特殊的成鉀特點:

1)中淺部多為溶濾液體礦,全盆地儲鹵層面積達13萬km2以上,其中已知儲鹵構造159個,鹵水可采資源量 109億 m3以上,推測其鉀資源量巨大(鄭綿平等,2010)。近期分別對川中、川西南等7個地區的 13個儲鹵構造的富鉀鹵水礦進行資源量評估,獲富鉀鹵水資源量 32.60億方,氯化鉀(KCl)資源量4916.93萬噸。

圖11 四川盆地三疊紀巖相古地理略圖(據鄭綿平等,2010,補充)Fig.11 Triassic lithofacies paleogeographic scheme of Sichuan Basin (modified after ZHENG et al.,2010)

2)含鉀鹽系在大部地區淡化-咸化頻繁;

3)在上揚子中東部和西南局部地區,產出巨量準可溶性雜鹵石礦石(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)。

四川雜鹵石鉀資源量(K2O)計算公式為:Q=A×H×D×8%;其中分區面積 A:各區最外的見礦鉆井直線連接線為邊界所圈定的面積值;礦體厚度H:見礦單井所見礦層的累計厚度;礦石比重D:2.7;K2O含量:8%(表3)。

表3 四川盆地雜鹵石資源估算表Table 3 Resource estimation of polyhalite in Sichuan Basin

表4 雜鹵石在水中的平衡液相組成Table 4 Balanced liquid phase compositions of polyhalite dissolved in water

表5 隨溫度變化的溫度系數值Table 5 Temperature coefficient values changing with the temperature

圖12 溫度對雜鹵石中鉀溶解度的影響Fig.12 Influence of temperature on solubility of potassium in polyhalite

圖13 雜鹵石在水溶液中的Ksp隨壓力的變化關系Fig.13 Relationship between Ksp of polyhalite in aqueous solution and pressures

為雜鹵石的開發利用和研究富鉀鹵水的成因聯系,本項目進行了多年的雜鹵石不同溫壓下的系列溶解行為研究和開發前期實驗(表4,5)。計算了高溫高壓下雜鹵石的溶解平衡常數,研究表明,高溫高壓有利于雜鹵石中鉀的溶解(圖12,13)。

通過實驗說明,CaCl2等溶劑對雜鹵石溶解能力高于水(表 6)。實驗條件為:固液比 1:1,反應時間48小時,反應溫度105℃。

通過勘查和與當地礦業公司合作表明,賦存于石鹽中的雜鹵石有利于富鉀鹵水的形成;在溶采動力作用下,分散狀雜鹵石易溶于水中(圖14)。

川東富鉀鹵水的勘探開發有新的突破。據四川恒成公司取得的恒成 7井的巖芯,發現含鉀鹽雜鹵石 層;利用恒成1井和2井,采用注水方式,獲得富鉀鹵水(表7)。四川佰瑞德礦業有限責任公司多年來對深部雜鹵石進行試采,據稱所用雜鹵石溶劑有所突破。

表6 不同溶浸劑對液相組成的影響Table 6 Influence of different leaching agents on liquid phase composition

圖14 雜鹵石在石鹽中的賦存狀態Fig.14 Modes of occurrence of polyhalite in halite

圖15 陜北鹽盆中奧陶紀馬五6亞段沉積期古構造圖及下伏斷裂(李明等,2010;張永生等,2013)Fig.15 Paleotectonic map of O2m56 stage in northern Shaanxi Salt Basin and the underlying faults(after LI et al.,2010;ZHANG et al.,2013)

表7 川東富鉀鹵水的組成Table 7 Composition of potassium-abundant brine in East Sichuan Province

以上表明,通過不懈的努力,四川盆地富鉀鹵水和巨量雜鹵石具有開發利用前景。

6 陜北鹽盆海相找鉀取得重要進展,找鉀靶區范圍進一步縮小

2006年和2011年在陜北鹽盆先后施工鉀鹽科探井2口(綏探1井和綏鉀1井),分別鉆獲1.22 m達邊界工業品位的鉀石鹽礦層(KCl含量2.00%～5.74%)(鄭綿平等,2010;袁鶴然等,2010)和64.7 m 的厚層鉀石鹽高礦化段(KCl含量0.2%～2.37%)(張永生等,2014),取得了陜北找鉀的重要進展。陜北鹽盆到底能否找到海相大型固體鉀鹽礦床呢？近期地球物理資料最新解釋成果表明:陜北鹽盆含鉀目的層中奧陶統馬五 6亞段沉積期總體表現為“兩坳夾一隆”的構造分異格局,次級成鹽凹陷有5個,揭示陜北鹽盆既不是“平底鍋”,也不是單一的“尖底鍋”,而是由多個次級凹陷組成的“復底鍋”(圖15)(張永生等,2013)。

鄂爾多斯盆地航磁異常解譯表明,鄂爾多斯盆地基底陸核分布及其與蒸發鹽盆耦合關系研究表明,鄂爾多斯盆地基底沿著大同—環縣斷裂分為兩部分,至少存在兩個陸核,即北部的伊盟陸核和南部的米脂陸核(Wang et al.,2014),陜北鹽盆地與米脂陸核具有很好的耦合關系。陜北鹽盆次級凹陷的延展方向與某些基底和蓋層斷裂呈現很好的一致性,尤其是與通過地震解譯的斷裂在位置和走向上幾近一致,推測鹽盆地中的次級凹陷還受到基底和/或蓋層斷裂的控制,蓋層中同生斷裂的活動可能有利于后期(含鉀)鹵水的遷聚,含鉀凹陷分布在米脂陸核東南緣相對活動的綏德—子洲一帶,有利成鉀區范圍已從全鹽盆5.6萬km2大幅縮小至2000 km2(圖16)(張永生等,2014)。

圖16 陜北鹽盆奧陶紀馬家溝組五段6亞段有利成鉀區預測圖Fig.16 Prognostic map of favorable potash deposit area in the O2m56sub-member of Ordovician,Northern Shaanxi salt basin

7 幾點認識

總之,本計劃項目實施過程中,充分調動了我國相關的找鉀力量,采取“油鉀兼探”技術路線,實行產學研相結合、多學科聯合攻關,在統一學術思想指導下,密切聯系中國地質實際情況,重視實地調查、采集第一手資料并同實驗研究相結合,在此基礎上,創建了適合中國地域特色的成鉀理論框架。實際工作中始終遵照找鉀研究—工程勘探—實驗一體化原則。

基于柴西新近紀—第四紀鹽谷的成鹽觀點,引領該區新型砂礫層含鉀鹵水大資源量的發現,揭示該區 Q1-N2有較大鉀資源潛力,現已成為中國地質調查局實現“358”鉀鹽儲量重點靶區之一,并有望成為我國最大鉀鹽礦山察爾汗的后備基地。本項目深入實際調查和實踐,發現了大量新的科學問題和疑點,并從中國成鹽地質構造實際出發,不為國內外傳統成鉀觀點所限,通過調研提出滇西南勐野井成鉀時代為中侏羅統的“二層樓成鉀模式”,并得到鉆探初步驗證;通過巖屑錄井發現庫車凹陷古新統厚大鉀鹽礦層,并打破國外鉀鹽水采下限2000 m深的禁區,開展深層鉀礦層試采研究;推進上揚子盆地富鉀鹵水和巨量雜鹵石的應用研究新進展等,使長期困擾我國海相鉀鹽找礦難題嶄露突破的曙光。對于我國急缺礦產找礦研究有一定的啟發意義。

致謝:本項目貫徹“油鉀兼探”過程中，承蒙中石油青海油田、塔里木油田、長慶油田、西南油氣田、中石化四川南方分公司及中國鹽業總公司等部門的大力支持;胡見義、胡文瑞、趙文智、孫龍德、蘇義腦、康玉柱、馬永生等院士熱忱相助,在此一并表示由衷的感謝！

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