察爾汗鹽湖察爾汗區段西部固體鉀礦溶采效果研究

魏進財，陳晶源，宋桂春，賈建團，龔國力

（1.格爾木藏格鉀肥有限公司，青海格爾木 816099；2.青海省柴達木綜合地質礦產勘查院，青海省柴達木盆地鹽湖資源勘探研究重點實驗室，青海格爾木 816099）

察爾汗鹽湖是一個以鉀為主、固液并存的超大型鉀鎂鹽礦床。固體礦有鉀鎂鹽礦、石鹽礦，別勒灘區段可見較穩定的雜鹵石礦體，液體礦有KCl、MgCl2、LiCl、B2O3、NaCl、Br、I、Rb、Cs 等9 種有益礦產，以KCl 為主。察爾汗區段固體鉀礦礦體有分布面積廣、不連續、品位低、呈薄層等特征難以直接開采［1-2］，而水溶開采被證實是一種有效的開采方法［3-7］。眾多學者在察爾汗鹽湖固體鉀礦水溶開采方面做了相關研究［8-18］。劉喜業等［9］根據溶礦試驗和數值模擬分析，發現采用配方為NaCl質量分數為15.0%、MgCl2質量分數為11.0%的鹵水進行溶礦，能保證鹵水生產正常進行，所得到的產品鹵水KCl質量分數為1.79%。王文祥等［10］認為增程驅動模式溶解效果要優于單級驅動溶礦模式。韓光等［12］通過典型鉆孔巖芯孔隙度、固體鉀礦含量、鹵水組分變化等特征分析，發現大規模采鹵使得大量高礦化度鹵水被帶出，而低礦化度水體補給儲鹵層孔隙并溶解巖層中鹽類礦物，使得儲鹵層孔隙率有逐漸增大的趨勢。劉琦等［15］認為一定質量分數的NaCl 溶液作為溶浸劑，可降低地下深部鉀石鹽中NaCl的溶出，達到選擇性溶采鉀的目的。LI等［19］通過數值模擬發現，在溶浸過程中晶間鹵水濃度具有明顯的分帶特征且K+濃度呈波浪式前進。WEISBROD 等［20］認為，巖鹽在滲流溶解過程中，其溶解通道的形成受到許多因素的影響，當溶劑流速低于臨界值時，溶劑析鹽會導致孔隙滲透系數降低，溶劑密度的差異性則會導致鹽類礦物發生不均一溶解并形成優勢通道。常政等［21］探究了不同滲透流速條件下儲鹵層物理結構變化特征及儲層中固體鉀礦物溶解規律，認為在定流速條件下受到礦物溶解及細粒泥沙遷移堆積雙重作用，滲透系數增加緩慢；增加流速后礦物溶解及細粒泥沙遷移能力增強，巖芯骨架部分坍塌引起礦物顆粒重組，增加了流體與礦物接觸面，從而增加了溶解速率，儲層滲透系數也迅速增加。

以上主要集中在溶劑選擇、儲鹵層變化等方面，且大部分研究以室內實驗和理論研究為主，缺少對固體鉀礦溶采效果的系統性評價。本文選取察爾汗區段西部為研究對象，通過野外勘查基礎上典型鉆孔固體鉀礦品位、厚度及鹵水組分變化特征分析，對固體鉀礦溶采效果進行系統評價，為今后固體鉀礦高效開發利用提供了科學依據。

1 研究區概況

察爾汗鹽湖位于柴達木盆地中東部，大致呈“啞鈴狀”東西向展布［22］，自西向東分為別勒灘、達布遜、察爾汗和霍布遜四個連續的區段，本次研究區為察爾汗區段西部。

研究區內依據地層劃分，地表出露和鉆孔揭露的地層均為一套全新統（Qh）湖泊化學沉積的地層，主要巖性為白色含光鹵石的石鹽、白色石鹽、水氯鎂石、淺黃色含粉砂的石鹽、土黃色粉砂石鹽所組成，該套地層是區內主要的賦鹵介質。察爾汗鹽湖是一個特大型固液并存的綜合性鉀鎂鹽礦床［23］，含鹽層主要的鹽類礦物為石鹽和少量石膏［24-25］，以鉀鹽為主，其次為鎂鹽和石鹽，其中發育的鹵水湖均是氣候轉暖時由外源性水體溶蝕更新世鹽灘形成的溶蝕湖，并含B、Li 等多種有益組分。格爾木河、烏圖美仁河、清水河和灶火河等河流及鹽湖北緣沿斷裂上涌的深部鹵水是察爾汗鹽湖的主要補給物源。

2 研究方法

2.1 樣品采集方法

選取察爾汗區段西部溶采后典型鉆孔固體化學樣開展化學分析。所有固體化學樣在鉆孔鹽層中采集，取樣間距為0.5 m，當取樣間距為0.3～＜0.5 m 時也單獨取樣，取樣時沿礦芯長軸將其劈分成兩份，取其中1份作為樣品，單個樣品取樣重量不少于500 g，分析項目為K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、水不溶物，本次研究在12 個鉆孔（H19206、H21204、H20810、H20813、H20815、B22401、B22403、B22405、B22407、B22409、H24802、H25201）共采集了334件固體巖芯樣品。

2.2 樣品測試方法

本次采集的樣品測試工作在青海省柴達木綜合地質礦產勘查院完成。固體樣品經粗、中、細多級破碎篩分至100目后進行礦物種類及含量分析。實驗條件：電壓為40 kV，電流為30 mA，Cu靶Kα輻射（γ=1.540 6），掃描角度為5°～80°，掃描速率為5 （°）/min。各礦物種類的檢出及含量的確定由該儀器自帶的軟件X′Pert High Score Plus完成。

3 測試結果分析

本次研究樣品測試結果通過配鹽程序計算為組分含量，單孔各主要組分的平均品位按樣品長度及品位加權平均求得，厚度為樣品長度算數求和值，具體結果見表1。圖1為品位和厚度的等值線圖。

表1 鉆孔中KCl、NaCl、MgCl2品位及厚度一覽表Table 1 Grade and thickness of KCl，NaCl，MgCl2 in boreholes

由表1 可知，大部分鉆孔的固體KCl 品位已降至0.5%以下，僅在個別孔內品位大于0.5%，礦體平均厚度為4.77 m；從圖1a、b 可以看出，北側靠近主溶區固體鉀礦的礦層厚度較薄品位較低，遠離主溶區厚度較厚品位較高，南側整體上厚度、品位與北側相比較小。固體NaCl 品位整體較高、厚度較大，NaCl 品位變化范圍為66.79%～81.61%，厚度變化范圍為7.25～18.00 m；固體MgCl2品位變化范圍為1.90%～4.10%，厚度變化范圍與固體NaCl 相同。從圖1c、d 可以看出，固體NaCl 品位呈現出中部帶較大、向東西兩側逐漸變小的趨勢，而固體MgCl2品位呈現出主溶區品位較大，向東西兩側逐漸變大、向南北兩側逐漸減小的趨勢。

3.1 溶采后水位及鹵水KCl品位、厚度變化對比

3.1.1 水位變化

溶采前，由于晶間鹵水的強力開采，打破了地下水自然條件下的動態平衡，致使研究區水文地質條件發生了變化，突出表現為潛水位普遍下降，形成了以采鹵工程為中心的降落漏斗。

溶采后，大規模的溶礦致使水文地質條件發生更大變化，突出表現在水位變化浮動大，對比2013年和2021年水位埋深數據，在溶礦區的水位整體抬升，水位最淺主要分布于主溶區，水位由主溶區向四周降低，這與主溶區溶礦水的灌入關系密切。

3.1.2 鹵水KCl品位、厚度變化

本次未采集鹵水樣品，溶采前后鹵水KCl 品位變化分析數據來自2013 年和2021 年長觀時采集的樣品測試結果（見表2）。對比結果顯示，H21609（CG26）、H23202、H24803（CG39）、H24802 孔鹵水KCl 品位較2013 年有所下降，品位最大下降值為1.70%，最小為0.47%，最大下降率為89.47%，最小下降率為40.87%，而在主溶區H21614、H21612（CG25）鉆孔鹵水KCl 品位有所上升，這是由于溶采過程中鹵水溶解了石鹽層中高品位固體鉀礦，使得鹵水中KCl含量上升；含水層厚度逐漸增大，這是由于溶礦水的灌入，導致水位抬升所致。

表2 鹵水KCl品位、厚度變化一覽表Table.2 Variation of grade and thickness of KCl in brine

3.2 溶采后固體鉀鹽、石鹽、鎂鹽變化對比

3.2.1 固體鉀礦變化對比

通過對比分析溶采前后固體鉀礦KCl 厚度、品位等數據特征，固體鉀礦礦體分布特征發生較大變化。圖2 為溶采前后224線固體鉀礦剖面圖。圖3 為鉆孔溶采前后固體鉀礦KCl 品位、厚度變化對比。

a—224線溶采前固體鉀礦剖面圖；b—224線溶采后固體鉀礦剖面圖。圖2 溶采前后224線固體鉀礦剖面圖Fig.2 Profile of solid potassium ore at line 224 before and after liquefaction mining

圖3 鉆孔溶采前后固體鉀礦KCl品位、厚度變化對比圖Fig.3 Variation of grade and thickness of solid potassium KCl before and after liquefaction mining exploitation

由圖2可知，以往固體鉀礦由中部厚度較厚，向南、北邊緣有逐漸變薄的趨勢（圖2a），現階段固體鉀礦礦體分布不連續，主要分布在中上層（圖2b）。由圖3 可知，固體鉀礦KCl 厚度、品位下降明顯，其中KCl 品位下降值為0.13%～1.52%，厚度下降值為2.12～15.08 m（H25201因兩次施工深度不同，導致厚度有所上升）。

對部分鉆孔溶采前后固體鉀礦賦存層位及KCl品位、厚度做了詳細對比，圖4為固體鉀礦賦存層位變化圖。由圖4可知，1）H20810：溶采前固體鉀礦富集于0～2.80 m、3.80～6.40 m、6.70～7.70 m、8.20～8.70 m、9.70～10.20 m、11.70～12.20 m，平均品位分別為1.62%、0.98%、0.50%、0.57%、0.34%、0.23%，總厚度為7.70 m，平均品位為1.05%，總體上呈現由上至下逐漸減小的趨勢；溶采后，孔內僅在上部的1.80～2.80 m、3.80～4.30 m、4.90～5.40 m賦存少量的KCl，厚度為2.00 m，平均品位為0.23%，其余大部分地段KCl品位小于0.20%，10.20 m以下品位已降至0.10%以下。2）H20813：溶采前固體鉀礦分布于全孔，厚度為15.60 m，平均品位為1.69%，中下部的品位高于上部；溶采后，固體鉀礦主要分布在0.50～1.00 m、1.50～2.13 m、3.60～12.70 m、13.70～14.20 m、14.70～15.20 m，厚度為11.23 m，平均品位為1.52%，該層固體鉀礦主要分布在中上層，在15.20～17.90 m 時KCl 品位小于0.10%，其余地段品位在0.10～0.20%。3）H21204：溶采前固體鉀礦厚度為10.60 m，平均品位為0.61%；溶采后，固體鉀礦主要分布在0～8.10 m，厚度為6.56 m，平均品位為0.36%，中部的品位略高于頂、底部。4）H24802：溶采前固體鉀礦分別在0～0.50 m、0.90～2.30 m、3.20～12.30 m，厚度為11.00 m，平均品位為0.57%，中下部的品位略高于上部；溶采后，固體鉀礦在0～0.36 m、1.90～2.30 m、10.90～12.59 m賦存少量的KCl，厚度為2.45 m，平均品位為0.24%，其余地段為0.36～2.70 m、7.90～10.90 m的KCl品位為0.10～0.20%，2.70～7.90 m的KCl品位小于0.10%。

圖4 固體鉀礦賦存層位變化圖Fig.4 Changes in ore-bearing horizon of solid potassium ore

由于鉆孔B22407 樣品完整性及數量均優于其他鉆孔，本文以該孔為例分析了固體鉀鹽在垂向上的變化，圖5 為鉆孔B22407 溶采前后固體鉀礦垂向上的KCl 品位的變化對比圖。由圖5 可知，在溶采過程中該孔固體鉀礦溶解率最高為94.0%（3.00～3.50 m），最低為7.4%（0～0.50 m），平均溶解率可達63.5%。溶采前該孔0～8.00 m KCl 品位為1.00%～2.30%，平均品位為1.50%，明顯高于8.00～17.00 m的0.18%～1.70%，平均品位為0.48%，溶采后上部1.00～8.00 m平均溶解率為90.2%，下部8.00～17.00 m的平均溶解率只有45.81%，導致中上部KCl 品位下降幅度大，而下部下降幅度較小，在整個鉆孔中KCl品位越高，其溶解率也越高。溶采后在1.50～6.00 m處固體鉀礦KCl品位已下降至0.10%，13.00～13.50 m、13.50～14.00 m固體鉀礦KCl品位由0.18%、0.19%下降為0.15%、0.12%。

圖5 鉆孔B22407溶采前后固體鉀礦KCl品位變化對比圖Fig.5 Variation of grade of solid potassium KCl in B22407 before and after liquefaction mining exploitation

溶解率是反映溶采過程中固液轉化程度的重要指標。根據單孔固體鉀礦厚度與品位的乘積計算出單孔固體鉀礦的溶解率，其結果在34.40%～99.98%，平均溶解率為80.55%，圖6為固體鉀礦溶解率特征。由圖6 可知，在溶采過程中溶解率在空間上存在差異性，在主溶區附近及南部有溶采工程的區域固體鉀礦溶解率較大，而遠離溶采區的固體鉀礦溶解率較小。

圖6 固體鉀礦溶解率特征Fig.6 Characteristics of solubility of solid potassium ore

3.2.2 固體石鹽、鎂鹽變化對比

鹽湖溶礦需要采用一定濃度的鹵水，如果采用純水或低濃度的鹵水，會在礦體內部造成大量溶解而形成空洞，空洞的形成一方面會造成局部地區地面坍塌，另一方面會造成溶礦體系水體直接連通，無法達到提高鹵水濃度、提取鉀的效果［26］，因此需要配制一定濃度的鹵水用于溶礦，溶礦過程會提高鉀離子濃度［27］?；诖?，研究溶采前后固體石鹽、鎂鹽的變化時認為礦層厚度未發生變化，僅從同孔位、同深度礦層的NaCl、MgCl2品位的變化來分析其變化特征（因本次H19206 鉆孔施工時上部為堆積的石鹽和黏土，故H19206 鉆孔NaCl、MgCl2品位不做對比），具體品位變化特征如圖7、8所示。

圖7 溶采前后固體石鹽NaCl品位變化對比圖Fig.7 Variation of grade of solid sodium NaCl before and after liquefaction mining exploitation

由圖7 可知，溶采前NaCl 品位在44.40%～77.56%，平均品位為64.93%，溶采后NaCl 品位在72.53%～81.61%，平均品位為75.68%，溶采后NaCl品位均呈現上升的趨勢；由圖8 可知，溶采前MgCl2品位在1.74%～6.19%，平均品位為4.22%，溶采后MgCl2品位在1.46%～4.10%，平均品位為2.67%，溶采后MgCl2品位均呈現出下降的趨勢。

圖8 溶采前后固體鎂鹽MgCl2品位變化對比圖Fig.8 Variation of grade of solid magnesium MgCl2 before and after liquefaction mining exploitation

4 溶采效果綜合分析

4.1 固體鉀鹽

對比分析固體鉀礦分布特征，大部分地段溶采效果較為理想，固體KCl 厚度、品位已明顯下降，這是由于溶礦水在溶采過程中溶解并帶出來了地層中固體KCl。12 號鹵渠（見圖6）以北為主溶采區約有57.32 km2的水淹區，受到鹵渠的影響水力聯系減弱，水淹區與鉆孔之間的水位差較大（如H20813），水力坡度約為2.36‰，造成在水位以上地段富集有固體鉀礦，其余富集固體鉀礦的地段如B22409、H25201周邊抽鹵的原因形成了降落漏斗，水力坡度分別為4.72‰、2.53‰，水位由水淹區至采鹵渠水位逐漸下降，導致在水位以上存在厚度較大的固體鉀礦，說明在水位差大、水力坡度大的區域內極有可能在中上部存在固體鉀礦。

12 號鹵渠以南未有大面積的溶采現象，僅在B22403、H23201 等區域進行過溶礦工作，大部分地段受到12 號鹵渠影響，南部與北部水力聯系減弱、南部地面高程高于北部，加之南部片區底板埋深較淺，溶礦劑無法上升至中上部，導致南部片區的中上部存在厚度較大的固體鉀礦；其余部分地段在水位以下也存在固體鉀礦，主要由于浸泡時間過短，溶礦劑就被開采，從而導致固體礦未被溶采。

根據B22407 鉆孔在溶采前后垂向上的變化特征，固體KCl 品位越高，在溶采過程中其溶解率越高，含量降低幅度就越大。人工補給的水體由補水渠側向入滲徑流至下游采鹵渠的過程中，由于儲鹵層孔隙結構存在差異性，促使水體在高滲透區聚集并快速流動，而在低滲透區流動緩慢或處于停滯狀態［28］。韓光等［12］認為高含量KCl的儲鹵層滲透性大于低含量KCl的儲鹵層，表明其溶解率要大于后者。野外低品位固體鉀礦溶解試驗同樣證明，固體鉀礦的溶解轉化率隨固體鉀品位的增加而升高［29-30］。

B22407 鉆孔部分層位的固體KCl 品位已降至0.10%，說明經過長時間的溶采浸泡固體鉀礦KCl品位在0.10%～0.20%的仍可溶出，這對企業進行工業指標論證、提高上表資源量具有積極意義。張萍［31］、趙有璟等［32］也通過現場試驗發現KCl 品位低于0.2%時，鉀離子仍可有效溶出，甚至在KCl 含量低于0.1%的情況下，仍可溶出，固體鉀品位越高，鉀鹽的溶浸速度也越快。

在溶采工程附近大規模高礦化度鹵水抽出及低礦化度的水體補給，導致晶間鹵水礦化度降低，水位上升，鹽層中固體鉀鹽等易溶鹽類礦物發生溶解，長年溶礦水的補給導致儲鹵層晶間孔隙逐漸增大，形成了優勢通道，因此，在溶采工程附近的固體鉀礦溶解速率整體較高。根據潛水流向看出在B22409、H25201、H20813 鉆孔附近形成了一定的水力坡度，導致水位以上的固體鉀礦未被溶解，使其溶解率整體較低。張萍［32］、趙有璟等［33］通過野外及現場試驗研究發現，固體鉀溶解率可達80%，與本次分析所得固體鉀溶解率相符。

4.2 固體石鹽、鎂鹽

按照已有的相圖理論，察爾汗鹽湖鹵水的蒸發析鹽順序為NaCl、KCl、MgCl2［33］，蒸發析鹽規律分析宜用Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O 四元相圖，鹵水蒸發過程析出礦物主要是石鹽、鉀石鹽、光鹵石、水氯鎂石等［34］；利用溶礦劑進行溶采時，上述3種鹽類的溶解順序與析鹽順序恰恰相反，即溶解先后順序為MgCl2、KCl、NaCl［35］。企業為避免MgCl2和NaCl等鹽類的大規模溶解，導致礦層整體骨架的破壞，一般選擇MgCl2飽和或接近飽和、含有一定量NaCl 的鹵水用于固體鉀礦的溶采，此類溶劑是固體鉀礦大規模溶解轉化的首選溶劑，其唯一缺點是溶解速度較慢，但不影響采鹵工程的出鹵能力和采鹵生產［36］。這也解釋了研究區內溶采前后在礦層厚度不變的情況下，固體NaCl和MgCl2品位變化的原因。

由于MgCl2飽和或接近飽和、含有一定量NaCl的溶礦水的灌入，按照溶解順序首先溶解MgCl2，在溶礦工程附近溶礦水勢必溶解少量MgCl2，導致MgCl2品位稍有下降，其次溶解礦層中的KCl 之后溶礦劑易與地層中飽和鹵水兌鹵析鹽［36］，導致礦層中NaCl 品位升高，這也從側面印證了固體鉀礦的溶采效果。溶采過程中固體MgCl2和NaCl變化幅度有所差異，MgCl2平均下降幅度為32.91%，NaCl平均上升幅度為18.36%，其產生原因一是常溫下MgCl2的溶解度（54.8 g）大于NaCl 的溶解度（34.0 g），二是在水溶開采過程中發生的離子交換，NaCl的礦物比值換算系數（2.54）小于MgCl2的礦物比值換算系數（3.96）。

5 結論

通過對水溶開采前（2013 年）和開采后（2021年）典型鉆孔固體鉀礦品位、厚度變化及鹵水組分變化特征分析得出以下結論。

1）察爾汗鹽湖察爾汗區段西部固體鉀礦的溶解率在34.40%～99.98%，平均溶解率為80.55%，水溶開采在大部分區域中具有良好的效果，這對察爾汗鹽湖大規模低品位固體鉀礦的開采具有重大意義；但由于水力坡度大、鹵渠阻隔、水力聯系弱等因素造成的溶采效果差異性，仍需進一步研究。

2）本次研究表明固體KCl 品位越高，在溶采過程中其溶解率越高，含量降低幅度就越大，而固體KCl品位越低，其溶解率越低，因此在固體鉀礦的水溶開采過程中應優先選擇固體KCl品位較高的區域進行溶解，以提高開采效率。

3）固體鉀礦KCl 品位在0.1%～0.2%的仍可溶解，這對企業開展低品位固體鉀礦水溶開采工業指標論證、增加上表的資源量具有積極影響，為鉀肥現有規模較長時間的持續發展提供了保障。