長江經濟帶巖鹽礦特征與鹽穴儲庫適宜性評價

劉紅櫻， 姜月華， 楊國強， 金陽， 楊輝， 周權平

(中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016)

0 引言

長江經濟帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、四川、重慶、云南和貴州11個省(直轄市)，面積約205.3萬km2。長江經濟帶的巖鹽礦產資源十分豐富，分布廣泛，除上海和貴州外，其他9個省(直轄市)均發現有巖鹽礦床，其中90余個礦床具有工業價值[1-3]，已探明儲量約2.39萬億t，遠景儲量約13.2萬億t。巖鹽開采(或溶腔)后形成的鹽穴資源巨大，可用于長期存放石油和天然氣。與地面儲油儲氣設施相比，地下鹽穴油氣儲庫具有基建投資少、占地面積小、運行成本低和安全可靠等特征，故鹽穴又被稱為“具有高度戰略安全的儲備庫”[4]。目前世界上已有2 000多個鹽穴被開發利用，其中美國擁有數百座，德國也有近百座，且數量還在不斷增加[5-13]。本文旨在通過分析長江經濟帶巖鹽礦空間分布、成礦時代、礦體與圍巖特征、影響鹽層建設儲庫的基本地質條件等，對鹽穴儲庫建造進行適宜性評價，為長江經濟帶地下鹽穴戰略油氣儲庫基地建設提供地學依據。

1 研究內容和技術方法

1.1 研究內容

本文在前人地質調查和研究成果的基礎上，系統總結分析了巖鹽礦特征，包括空間分布、成礦時代與層位、成鹽盆地范圍、礦體形態、產狀與規模、礦體埋藏深度、礦石組成、礦體頂底板與夾層巖性等，并分析了鹽礦區域地質特征、鹽礦基本地質特征、建腔目的鹽層特性、巖鹽層頂底板性質和鹽礦區水文地質特征等影響鹽穴儲庫建設的基本地質條件。

1.2 鹽穴儲庫建設適宜性評價

鹽穴應用的不斷推廣對鹽穴的穩定性、安全性等方面提出了更高的要求。然而，由于不同國家、地區的地質條件、建庫技術和實際運營等因素不同，鹽穴型地下儲庫建設適宜性評估還沒有統一標準，目前主要通過計算機數值模擬和大量室內試驗相結合，評價地下鹽穴儲庫建設適宜性和預測鹽穴儲庫運營期間的穩定性及其變化趨勢[14-15]。

1.2.1 評價遞階層次結構

參照前人成果[16]，結合長江經濟帶巖鹽礦地質環境背景條件，確定14個二級因子，建立了鹽穴儲庫建設適宜性評價層次結構模型。遵循綜合分析與主導因素相結合和可持續利用的原則，采用2步評判法評價巖鹽礦綜合地質特征與條件對鹽穴儲庫建設的適宜性等級。

1.2.2 評價因子分級標準及分值

依據鹽穴儲庫建設對巖鹽礦地質特征和巖鹽層本身特性條件的要求，選擇5個B級因子下的14個C級因子進行分級和賦值(表1)。

表1 鹽穴儲庫建設適宜性評價因子分級標準及分值Tab.1 Classification standard and score of construction suitability evaluation factors for salt cave storage

注： ①為鹽穴儲庫建設適宜性評價因子分級賦予的分值。

1.2.3 評價因子權重值

依據各因子的重要性將其窮盡成對比矩陣，由式(1)計算出權重W(表1)。

(1)

式中：W為評價因子權重值;j為第j個重要性判斷；n為重要性判斷個數；i為第i個評價因子；m為評價因子個數；Vij為i評價因子j重要性判斷向量值。

1.2.4 適宜性評價等級劃分

采用綜合指數法，對長江經濟帶主要巖鹽礦進行鹽穴儲庫建設適宜性評價，從地質學角度，劃分出適宜性等級(表2)。

(2)

式中：P為各因子的綜合分值；Wi為i因子的權重；Pi為i因子的分值。

表2 鹽穴儲庫建設適宜性等級劃分Tab.2 Classification of constructionsuitability of salt cave storage

2 研究結果與討論

2.1 巖鹽礦特征

長江經濟帶鹽礦床的分布，明顯受大地構造條件控制，從時空分布規律來看，印支運動是最突出的分界線[3,17-23]。印支運動前主要為古地臺鹽類沉積發育期，鹽類礦床賦存于揚子地臺特別是地臺的海相碳酸鹽巖系中，鹽類沉積具有發育面積廣大、含礦層區域展布穩定、含鹽系旋回少、剖面結構簡單等特點； 印支運動后由于廣泛而強烈的裂陷活動，陸源碎屑巖-蒸發鹽巖極其發育，鹽類沉積分布廣泛，鹽層面積小而厚度大，成鹽旋回多，剖面結構復雜，物質成分多樣，礦床類型多。

2.1.1 空間分布

四川盆地內以華鎣山深斷裂為界，以東為盆東成鹽帶，分布有萬縣、宣達、重慶、涪陵、瀘永、長寧和墊江等11個巖鹽礦體； 以西為盆西成鹽帶，分布有南充、成都、威西、自貢和通江等11個巖鹽礦體[24]。此外，于四川盆地外緣康滇古陸以西的成鹽帶，分布有鹽源鹽丘型巖鹽礦體[24-44]。

其余各省分布的鹽礦有： 滇南盆地普洱縣磨黑和鳳崗鹽礦、滇西南蘭坪—思茅盆地江城縣勐野井和洱源喬后鹽礦、滇中安寧盆地安寧和平浪鹽礦[45-51]； 云應凹陷云應鹽礦、襄陽凹陷棗陽王城鹽礦、潛江凹陷潛江鹽礦、小板凹陷天門小板鹽礦和江陵凹陷江陵鹽礦[52-57]； 衡陽盆地茶山坳、蔣家山、金甲嶺鹽礦，鹽井—申津渡—東港凹陷澧縣(津市)鹽礦[58-64]； 清江盆地洋湖凹陷清江(樟樹)鹽礦、會昌周田盆地鹽礦、吉泰盆地鹽礦[65-71]； 定遠—爐橋凹陷定遠(東興)鹽礦[72]； 金壇直溪橋凹陷金壇鹽礦，淮安凹陷(淮安、淮陰、洪澤、清河、清浦)鹽礦，洪澤凹陷趙集鹽礦和豐縣凹陷鹽礦[73-82](表3)。

2.1.2 巖鹽成礦時代及層位

長江經濟帶在漫長的地質歷史發展過程中，地殼振蕩頻繁，海水時進時退，氣候干濕交替，多次形成含鹽建造，成鹽時代及層位相當廣泛，自震旦紀至中新生代均有厚度大、范圍廣的巖鹽礦形成，成鹽條件良好，重要成鹽時代為震旦紀、三疊紀、白堊紀和古近紀，鹽礦石NaCl儲量占總儲量的96%[24,55](表3)。

震旦紀的巖鹽礦體僅有四川長寧縣至敘永縣一帶分布的長寧(興文)鹽礦,是當前世界上最古老的巖鹽[24]。寒武紀的巖鹽礦體分布在瀘州—永川和鄰水一帶，為我國首次發現[24]。

三疊紀巖鹽礦體分布地域最廣，共有21個，主要分布在四川和重慶。三疊紀巖鹽具有多期性特點，含鹽層位最為發育，成鹽時間最長，成鹽作用最強，是長江經濟帶重要的成鹽地質時代[24]。

侏羅紀鹽礦在云南有零星分布，如江城縣勐野井、洱源喬后和安寧等鹽礦[45-51]。

白堊紀和古近紀是長江經濟帶的主要成鹽時期。前者如云南普洱縣磨黑、鳳崗，湖北棗陽縣王城，江西會昌縣周田，江蘇淮安等鹽礦[1,71,78-79]； 后者如云南平浪，湖北云應，湖南衡陽、澧縣，江西清江，安徽定遠，江蘇金壇縣直溪橋及淮陰縣高堰、趙集、豐縣等鹽礦[1,52-55,58-70,72,75,78-82]。

2.1.3 成鹽盆地范圍

成鹽盆地面積10 000～25 000 km2范圍內的有川東凹陷、川中凹陷和成都凹陷； 1 000～10 000 km2的有江陵凹陷、洋湖凹陷、云應凹陷、云南蘭坪—思茅盆地、威西凹陷和墊江凹陷等(表3)。巖鹽礦面積一般為200～500 km2，最大的可達10 000 km2(成都—蒲江鹽礦)[21,23]，最小的僅有0.29 km2(郭家坳鹽礦)[26](表3)。

2.1.4 礦體形態、產狀和規模

礦體形態平面上多為橢圓形或似橢圓形，剖面上則為層狀、似層狀和透鏡狀。礦體產狀平緩，一般在礦體邊部傾角7°～10°，個別達20°以上。在礦體中心傾角3°～5°。

其礦體規模多數為3～30 km2，最大的達1 600 km2(潛江)[21,23](表3)。礦體由多層巖鹽

組成，一般為20～30層，多的達140多層(潛江)[18,20]，鹽層單層厚一般2～3 m，最厚達74 m(潛江)[21,23]，最薄僅10 cm。鹽層累計厚一般幾十至幾百m，薄的僅3.45 m(內江資中)，最厚的達1 050 m(淮安)。

2.1.5 礦體埋藏深度

礦體埋藏深度一般在200～1 000 m，個別超過3 000 m，如墊江、成都—蒲江、萬州、高峰和長壽等鹽礦[21,23]，而埋藏深度小于400 m的主要為平浪、普洱縣磨黑與鳳崗和衡陽等鹽礦[45-51,58-61](表3)。

2.1.6 礦石組成

巖鹽礦石多數含有其他鹽類礦物或泥質物，從而形成了多種礦石類型。礦石中NaCl含量一般為50%～60%，低的僅30%左右，高的達98%，巖鹽礦石中除石鹽外還有硬石膏和鈣芒硝(表3)。四川省的大部分鹽礦具有鹽層厚、品位富、規模大的特點，如威西、川中、墊江、成都—蒲江、自貢等鹽礦NaCl含量85%～95%[1]，此外含少量的方解石、白云石、菱鎂礦、天青石等碳酸鹽和硫酸鹽礦物。巖鹽礦石中常見的伴(共)生礦物有鈣芒硝、硬石膏、天然堿、鉀石鹽、雜鹵石、光鹵石、天青石、無水芒硝、石膏等[1]。巖鹽礦石的化學成分主要是NaCl，其次是Na2SO4和CaSO4，少數情況下為KCl、MgCl2、MgSO4、Na2CO3、MgCO3等[21,23]。

2.1.7 礦體頂底板及夾層巖性

巖鹽礦床礦體頂底板及夾層巖石主要為泥巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，少量為灰質泥巖和泥灰巖、細砂巖。個別鹽礦見有頁巖、油頁巖(潛江)、泥礫巖(會昌)和底板玄武巖(金壇)[21,23]。

2.2 鹽層建設儲庫的基本地質條件分析

影響鹽層建設儲庫的基本地質條件主要包括鹽層厚度、埋深、鹽巖礦層品位、鹽巖礦層夾層中水不溶物含量、蓋層厚度以及構造穩定性、充足的水源等[18-19]。

2.2.1 鹽層厚度

有利于建庫的厚度條件是鹽層總厚度大于80 m，鹽層平面分布范圍大且穩定。區內此類鹽礦有淮安(240～1 050 m)、宜賓涼山鹽源(775 m)、江城縣勐野井(150～750 m)、潛江(300～400 m)、衡陽(33～395 m)、長寧—興文(46～368.9 m)、瀘州(276 m)、自貢大山鋪—郭家坳(254 m)、金壇(144～237 m)、豐縣(230 m)、達州宣漢(74～232 m)、廣安(167.72～214.5 m)、安寧(193 m)、定遠(14.18～198.4 m)、南充(128～151 m)、川中(60～150 m)、趙集(103～130 m)、萬州(120 m)、成都—蒲江(11.5～123 m)等[17-82]。

2.2.2 鹽層埋深

巖鹽礦層的埋深直接影響到儲氣庫的密閉性及安全性，最適宜建造儲氣鹽穴庫的深度為400～1 500 m，這樣能保證鹽層的儲氣能力和建庫效率，縮減建庫成本。湖北云應、天門小板、潛江，云南洱源喬后，湖南衡陽金甲嶺，江西清江、會昌，江蘇淮安、豐縣、金壇，重慶江津縣渝南，四川自貢、大山鋪、郭家坳、威西、內江資中、威遠等鹽礦埋深適中； 重慶墊江、忠縣石寶寨、長壽、合川、萬州、高峰，四川成都—蒲江、廣安、南充、川中、宜賓長寧—興文等鹽礦埋深較大； 湖南澧縣、衡陽蔣家山，安徽定遠、四川涼山鹽源、瀘州、綿陽江油、宣漢、渠縣開江、巴中通江、廣元、劍閣、旺蒼，重慶云陽縣黃嶺、梁平、永川、涪陵，湖北江陵、棗陽王城，云南安寧、江城縣勐野井等鹽礦部分層位埋藏偏淺，對建造儲氣鹽穴不利，應選擇更深部的鹽層空間[17-82]。

2.2.3 鹽巖礦層品位及其夾層中水不溶物含量

鹽巖品位高，不溶物含量低于25%，易于水溶造腔。石鹽層及夾層中水不溶物質含量多少是決定溶腔有效體積大小的主要因素[5-6]。

江蘇金壇、湖南衡陽、湖北應城、安徽定遠盆地等鹽礦夾層以鈣芒硝及泥巖為主，石鹽礦層中也含較多的鈣芒硝，夾層與石鹽層不等厚互層，由于夾層中含較多的鈣芒硝易溶于水而容易破碎，該類礦區為較易建造鹽穴儲氣庫的地區。

湖北潛江、小板、江陵，江蘇洪澤、淮安，湖南澧縣，江西清江盆地等鹽礦夾層以碎屑巖(泥巖、粉砂巖等)為主，含少量易溶鹽類，其與石鹽層不等厚互層，在水的浸泡中易發生破碎，呈泥質沉淀于溶腔底部，一般只影響溶腔的有效體積，對建造鹽穴影響不大。但當泥質夾層太厚時，在巖鹽溶蝕造腔中不能完全破碎及坍塌，不易建造鹽穴。

江蘇豐縣、江西周田盆地等鹽礦夾層以石膏、硬石膏為主，含一定量泥質及白云巖等水不溶物質，與石鹽層不等厚互層，由于其不溶于水，且巖石堅硬，在水中不易破碎，不易造腔，該類鹽礦區一般較難建造鹽穴儲氣庫。

2.2.4 蓋層厚度

蓋層厚度一般要求不小于90 m，以保證其穩定性。區內巖鹽礦大多數符合這一條件，僅云南江城縣勐野井、鳳崗、平浪和普洱縣磨黑鹽礦蓋層厚度較薄(表3)。

2.3 鹽穴儲庫建設適宜性評價

評價結果表明： 江蘇金壇、淮安、趙集、豐縣，江西清江、會昌，湖北云應、天門小板、潛江，云南洱源喬后，湖南衡陽金甲嶺，重慶江津縣渝南，四川自貢、大山鋪、郭家坳、威西、內江資中、威遠等鹽礦埋深適中，適合建造儲氣鹽穴庫； 重慶墊江、忠縣石寶寨、長壽、合川、萬州、高峰，四川成都—蒲江、廣安、南充、川中、宜賓長寧—興文等鹽礦埋深較大，基本適合建造儲氣鹽穴庫，但成本可能增加； 湖南澧縣、衡陽、蔣家山，安徽定遠，四川涼山鹽源、瀘州、綿陽江油、達州宣漢、渠縣開江、巴中通江、廣元、劍閣、旺蒼，重慶永川、涪陵、云陽縣黃嶺、梁平，湖北江陵、棗陽王城，云南江城縣勐野井等鹽礦部分層位埋藏偏淺，對建造儲氣鹽穴不利，應選擇更深部的鹽層空間(圖1)。

圖1 長江經濟帶巖鹽礦分布及其鹽穴儲庫建設適宜性評價Fig.1 Distribution of rock salt mines and construction suitability evaluationof salt cave storage in Yangtze River Economic Zone

金壇鹽礦是我國目前唯一建成鹽穴儲氣庫的礦區。利用了8口井的老腔進行改造建成鹽穴儲氣庫，每個腔體有效體積在10多萬m3到幾十萬m3左右[4]。該區巖鹽礦層平均累計厚度161 m，最厚達230 m以上，單層最大厚度52.91 m； 含鹽段NaCl 平均含量80%，南部地區高達85%； 鹽層中泥巖夾層少，含礦率高，厚度一般為1.5～2.5 m； 鹽層埋深在888.6～1 236.4 m； 鹽層頂底板巖性穩定，密封性好； 在造腔中，溶腔有效體積理論值占總體積為74%～80.5%[2]； 地理位置優越，交通方便，礦區地表條件好，水源豐富，區內構造穩定。

豐縣鹽礦鹽層累計厚度大，頂底板埋藏適中，物理強度大，含礦率較高，礦石品位中上等，硬石膏含量高且變化大，局部達20%； 鹽巖富集區構造簡單，沉積穩定。

云應鹽礦區構造簡單，褶皺、斷裂和裂隙均不發育； 鹽層展布穩定，埋深適宜，品質高，夾層少，水不溶物含量低； 礦床直接頂板為相對隔水層，水文地質條件比較簡單。

安寧鹽礦礦區范圍廣，儲量大，品位較高，地質條件和水文條件較好，適合大規模水采； 鹽巖沉積穩定，成鹽期連續，斷層構造不發育，埋深適宜，且主要組分易溶； 巖鹽蓋層巖性穩定，是良好的保護層。

清江鹽礦區構造簡單，褶皺平緩、規模小，斷裂也少，礦體連續性好； 清江組鹽層分布穩定，埋深適宜，累計厚度變化大，品質較好，礦石可溶性好，夾層含可溶性礦物高； 頂板泥質巖主要為伊利石，力學性質弱，易塌，但是新干礦段頂板巖石穩定性較好。

3 結論

(1)長江經濟帶除上海和貴州外，其他9省(直轄市)均發現了巖鹽礦床，主要成鹽時代為震旦紀、三疊紀、白堊紀和古近紀； 成鹽盆地范圍0.29～10 000 km2； 鹽層累計厚度3～1 050 m； 礦體埋藏深度40～3 400 m； 礦石中NaCl含量20%～99.86%，其次是Na2SO4和CaSO4； 礦體頂底板及夾層巖石主要為泥巖、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖等。

(2)長江經濟帶大部分地下鹽穴可以作為石油儲存庫?？紤]儲氣庫的密閉性及安全性，江蘇金壇、趙集、豐縣，湖北云應，云南安寧等鹽礦建造儲氣鹽穴的地質條件較好，其次江蘇淮安、湖南衡陽、湖北潛江、江西清江等鹽礦在合適的地段也可建造儲氣鹽穴。

(3)長江經濟帶巖鹽礦產資源的分布覆蓋東部、中部和西部，不論是沿海發達地區，還是有戰略縱深的中西部均有分布，都十分有利于國家地下鹽穴戰略儲油儲氣庫基地建設的規劃布局。建議在長江經濟帶中東部的江蘇金壇、淮安、趙集、豐縣，江西清江、會昌，湖北云應、天門小板、潛江等鹽礦地優先開發利用鹽穴。