別勒灘低品位鉀鹽固液轉化試驗水動力與水化學條件分析

王文祥，李文鵬，劉振英，郝愛兵，王石軍，焦鵬程

(1.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京100083；2.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051；3.石家莊經濟學院，河北 石家莊 050031；4.中國地質調查局，北京 100037；5.青海鹽湖集團，青海 格爾木 816000；6.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037)

察爾汗鹽湖首采區(qū)的采鹵實踐證明，隨著抽鹵的不斷進行，晶間鹵水的水位不斷下降，目前埋深已經下降到4～5m，如果繼續(xù)發(fā)展下去，上層的固體鉀礦勢必成為“呆礦”[1]。水溶法開采地下鹽類礦床在國內外已得到廣泛應用，國外水溶法開采鹽礦主要是鉆井水溶開采。已有資料顯示[2]，察爾汗礦區(qū)部分固體鉀鹽因1989年特大洪水已被溶解轉化為液體礦，即天然的低品位固體鉀鹽發(fā)生液化，進入了鹵水中，自然界發(fā)生的固體鉀鹽的液化現象，為人工液化開采低品位固體鉀鹽打開了思路。

一些研究者曾對溶解驅動進行了室內外試驗研究和數值模擬[3-6]，并得到了一些重要認識。

驅動溶解固體鉀礦就是在鹽層的某一位置注入合適的溶劑，溶劑在流動的過程中與圍鹽接觸并不斷溶解固體鉀礦。文章首先描述了溶礦過程中的水動力條件變化，再通過分析S2T1孔的水化學變化，揭示了溶礦過程中的水動力和水化學變化規(guī)律，并對補水渠至S2T1孔之間的區(qū)域所處的溶礦階段進行了劃分。

1 研究區(qū)概況

察爾汗鹽湖位于青海柴達木盆地中東部新生代沉積區(qū)，地理坐標東經94°～96°，北緯36°40′～37°10′，東西長168km，南北寬20～40km，面積4705km2，大致呈“啞鈴”狀東西向展布，兩端大而中間小[7-8]。

試驗區(qū)位于察爾汗鹽湖別勒灘區(qū)段澀聶湖東側。別勒灘礦區(qū)面積約1500km2[9]，巖鹽屬蒸發(fā)巖沉積，主要由石鹽組成，局部地段含有光鹵石、鉀石鹽、石膏、芒硝、水氯鎂石及碎屑沉積物等，光鹵石與石鹽各自成細層平行相間排列，似層狀構造。由于巖鹽在沉積過程中結晶條件的不均勻性，所形成的石鹽晶體大小不等，晶體不完整，常呈不規(guī)則聚晶狀，鹽晶相互鑲嵌，其晶面間相互直接吸附或由細粒鹽、碎屑不溶物質膠結。鹽層的這種結構和構造特點，使其在一定的水動力條件下，極易形成溶孔或巖(鹽)溶管道，并沿水平方向形成連通性較好的孔隙，而成為富水性、滲透性較強的鹵水含水層，鹽層空隙度大者達15%～35%。察爾汗別勒灘地層中固體鉀礦層或含鉀礦層氯化鉀品位很低，氯化鉀含量通常在2%～6%之間，部分在0.2%～2.0%[10]。

別勒灘區(qū)段鹵水密度1.23～1.26g/cm3，礦化度337.76～379.19g/L，K+含量可達14.3g/L，已濃縮演化為石鹽結晶析出后的飽和鹵水，屬于石鹽水及富鉀石鹽水、富鉀光鹵石水，為氯化物型水和硫酸鎂亞型水。別勒灘區(qū)段中部富水性最好，單位涌水量達1270～439m3/(d·m)，滲透系數114～368m/d[11]。往外圍鹽層賦水性逐漸變弱，單位涌水量205～868m3/(d·m)，滲透系數33～270m/d。李文鵬通過環(huán)狀槽試驗得到滲透系數為89m/d[12]。

2 試驗場布置

試驗場位于供鹵渠和采鹵渠之間。供鹵渠是新開挖的一條渠，渠深4m，寬2m，試驗過程中水位較高，穩(wěn)定后保持在地表以下0.2m，其作用是從澀聶湖引湖水作溶劑進行溶礦，向鹽層中補給鹵水；采鹵渠是青海鹽湖集團的一條生產用渠，渠深20m，寬6m，試驗過程中水位較低，一般保持在地表以下5～6m，相當于試驗場的排泄區(qū)。

試驗場內共設置了4列×5排共20個位置的監(jiān)測孔，如圖1所示。4列分別為S1、S2、S3、S4，以S開頭的稱之為列。例如，第一列為S1列。它包括的孔位有：S1T1、S1T2、S1T3、S1T4、S1T5共5個位置的監(jiān)測孔；5排分別為T1、T2、T3、T4、T5，以T開頭的稱之為排，例如，第1排的監(jiān)測孔為T1，它包括的孔位有：S1T1、S2T1、S3T1、S4T1共4個位置的監(jiān)測孔。監(jiān)測孔根據監(jiān)測深度(孔深)的不同可分為3種類型的監(jiān)測孔：A孔、B孔、C孔，A孔的孔深為4m，B孔的孔深為8m，C孔的孔深為16m，A孔的取樣深度為3m，B孔的取樣深度為5m、7m，C孔的取樣深度為5m、7m、10m、13m。如果沒有特別指出，本文中所提到的監(jiān)測孔均指B孔，用來對比的樣品均指B孔7m深度取到的樣品。

圖1 試驗場監(jiān)測孔布置圖

3 水動力條件分析

試驗開始之前，試驗區(qū)流場處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均水力坡度在0.04%左右，等水位線分布比較均勻[13]。試驗開始后，溶劑進入地層，晶間鹵水水位開始上升，水位上升到一定程度時達到平衡，水位停止上升。

筆者做了不同列上各孔的水位埋深歷時曲線，其變化趨勢是一致的，現在以S4列為例來分析各孔的水位歷時變化。如圖2所示，圖2中6條曲線從上到下依次為供鹵渠、S4T1、S4T2、S4T3、S4T4、S4T5孔的水位埋深歷時曲線，曲線在圖中的位置代表了水位的高低，即對于同一時刻來說，最上邊的曲線水位最高，最下邊的曲線水位最低。第0天(6月8日)的數據是試驗開始前天然條件下的水位埋深，試驗于6月9日開始。

試驗開始后，澀聶湖中的湖水開始進入供鹵渠，第1～24天內，供鹵渠的水位一直處于上升狀態(tài)，到第24天(7月2日)時達到最高，這種高度一致保持到第71天(8月18日)，之后由于停止供鹵，渠水位開始下降，直至供鹵渠干涸。

從圖2中可以看出，試驗開始后，S4T1孔的水位一直升高，在試驗開始第9天(6月17日)時達到最高值。從第9天之后，渠水位繼續(xù)上升，但是S4T1孔的水位發(fā)生下降，這一點可解釋為：①試驗開始一段時間后，渠壁發(fā)生結鹽，影響了渠水的入滲能力，所以，雖然渠水位上升，但是鹵水的入滲流量減小；②溶劑進入鹽層后，由于地層中光鹵石的溶解，將伴隨大量石鹽的析出，這將導致鹽層中有效孔隙度的減小[14]，從而減弱了溶劑從上游向下游的補給作用。T2排的水位在第1～24天時一直處于上升階段，在第24天時達到最高值，之后慢慢發(fā)生下降， T2排水位的這種反應可視為對供鹵渠的滯后響應，其主要原因是由于T2排距供鹵渠距離較遠，受供鹵渠的影響滯后于T1排。從圖2可以看出，T3、T4、T5排水位的變化與T2排基本一致。

圖3是T1排各孔的水位歷時曲線，從圖3中可以看出，S2T1孔的最高水位明顯低于S1T1、S3T1、S4T1孔，即，在試驗進行到第10天左右時，S1T1、S3T1孔和S4T1孔的水位升上來了，S2T1孔的水位沒有能夠升上來。4個監(jiān)測孔距離供鹵渠的距離是相同的，但是水位最高值不同，這一點可用巖(鹽)溶管道來解釋：推測在S2T1孔附近存在較大的溶孔或巖(鹽)溶管道，鹽層滲透性好，從供鹵渠補給過來的溶劑迅速流向下游，從而導致水位難以上升到一個較高的高度。

圖2 S4列各孔水位埋深歷時曲線

圖3 T1排各孔水位歷時曲線

4 晶間鹵水水化學條件分析

試驗開始后，向供鹵渠中注入溶劑，溶劑迅速滲入地層，這些溶劑的去向可分為兩種，一是填充晶間鹵水水面以上的地層；二是驅替晶間鹵水水面以下原有的晶間鹵水，在晶間鹵水與溶劑的接觸面附近混合并推動原晶間鹵水向下游流動。

試驗剛開始時，溶劑快速進入地層并與鹽層中的礦物進行短暫的固液轉化反應，此時水位變化較大，應屬非穩(wěn)定階段。隨著試驗的進行，晶間鹵水水位不斷升高，到一定階段后，供鹵渠中的溶劑穩(wěn)定的補給地層中的晶間鹵水并與地層中的礦物發(fā)生固液轉化反應，晶間鹵水水位變幅較小，試驗進入穩(wěn)定階段。

4.1 同排對比

圖4a為試驗開始前(6月8日)T3排監(jiān)測孔中所取樣品，該樣品的離子濃度可代表試驗區(qū)本底濃度。圖4b為試驗結束時(9月18日)T3排監(jiān)測孔中所取樣品，將圖4a與圖4b做對比，可看出在試驗結束時T3排監(jiān)測孔中鹵水在相圖上的位置與試驗開始前基本相同，可說明在試驗結束時T3排晶間鹵水變化不大，基本未受溶劑的影響。

圖4c為第11天(6月19日)T1排各孔離子濃度樣品及渠水樣品，從相圖中可以看出， T1排各孔晶間鹵水所在區(qū)域非常靠近溶劑，且與本底值相比有較大變化，表明溶劑已經到達T1排。圖4d為第17天(6月25日)時T2排各孔樣品與渠水樣品對比圖，從相圖中可以看出S2T2孔晶間鹵水所在位置最接近溶劑，說明此時S2T2孔受溶劑的影響最大；S4T2孔晶間鹵水離溶劑最遠，與圖4a相比較，可以看出S4T2孔晶間鹵水仍處于本底濃度所在區(qū)域，說明S4受溶劑的影響較小。以上兩點說明：①溶劑在S2列的地層中流動較快；②在S4列的地層中流動較慢。結論①與上文結論一致。鹽層中存在巖(鹽)溶管道或溶孔時，晶間鹵水會優(yōu)先從溶孔中通過，如果晶間鹵水不飽和，則會溶解管道邊上的鹽礦，從而使管道變得更大，從而通過更多的溶劑，直至將鹽層骨架溶塌。事實也證明，在試驗結束后，S2T1孔處發(fā)生了嚴重的溶塌。

到試驗結束時，T4、T5排各孔中晶間鹵水離子濃度幾乎沒有變化。

圖4 同排各孔離子濃度對照圖

4.2 不同深度對比

圖5a是天然條件下S2T1孔不同深度晶間鹵水對比圖，圖5b是試驗開始第5天時S2T1孔晶間鹵水對比圖，通過圖5a和圖5b可以看出，在天然條件下和試驗條件下，S2T1孔B孔5m深、7m深和C孔5m深、7m深的晶間鹵水所在區(qū)域幾乎一致，說明不論在天然條件下還是試驗條件下，5m深和7m深的晶間鹵水濃度是幾乎相同的。從圖5a可以看出天然條件下10m深和13m深晶間鹵水與5m深和7m深的晶間鹵水有一定差異。

通過圖5b可以看出，試驗進行到第5天(6月13日)時，C孔埋深7m和10m的晶間鹵水已經與溶劑基本相同(在圖5b中的位置非常接近)，但是埋深13m的地層仍然保持本底狀態(tài)，說明此時溶劑到達了10m深的地層但是尚未到達13m深的地層。通過圖5c可以看出，在第26天(7月4日)時，13m深的晶間鹵水仍然保持本底值，說明溶劑仍未到達13m深的地層。通過圖5d可以看出，在第37天(7月15日)時，13m深的晶間鹵水較本底值已經有了明顯變化，其離子濃度已向溶劑靠近，但是10m深的晶間鹵水濃度也遠離了溶劑濃度，并且10m與13m的晶間鹵水比較接近。分析其原因，可能是溶劑沒有到達13m深的鹽層，10m與13m的晶間鹵水變化是由上層溶劑與下層原晶間鹵水彌散混合及固液轉化所致。

通過以上分析可以得出，在進行液化溶礦時，溶劑進入地層的深度有限，在試驗初期溶劑填充鹽層的階段，溶劑進入鹽層后具有垂向的流速，溶劑會入滲到較大的深度(該試驗中監(jiān)測結果顯示10m)，但是溶劑充滿鹽層，流場達到穩(wěn)定后，溶劑以水平流為主，在垂向上主要以彌散混合作用為主。

4.3 S2T1孔離子濃度歷時曲線

通過離子濃度歷時曲線我們可以看出不同時刻的晶間鹵水離子濃度值，同樣可以對比不同時刻鹵水中離子濃度的變化。下面以S2T1孔為例，分析T1排晶間鹵水中各離子濃度隨時間的變化。

試驗開始后，溶劑進入試驗區(qū)地層，開始引起試驗區(qū)內水化學場的變化，如圖6所示為S2T1孔離子濃度歷時曲線。第0天(6月8日)的離子濃度為S2T1孔離子濃度的本底值，其中K+、Na+、Mg2+濃度分別是0.67moL/L、1.47moL/L、2.26moL/L，試驗開始后，K+、Mg2+濃度降低，Na+濃度升高，到第11天時，晶間鹵水中各離子濃度分別為0.15moL/L、5.09 moL/L、0.36moL/L，溶劑中K+、Na+、Mg2+的濃度分別為0.058moL/L、5.303moL/L、0.229moL/L，經對比可以發(fā)現試驗開始后，晶間鹵水各離子濃度向溶劑的離子濃度靠近。其原因很容易解釋，溶劑進入地層中后，驅替了原來的晶間鹵水，經過固液轉化反應后，鹵水中各離子特征仍與溶劑非常接近。這個階段是溶解驅動前階段[1]。

對比S2T1孔晶間鹵水中各離子濃度與溶劑中各離子濃度的差異，便可以知道供鹵渠至S2T1孔的地層中礦物發(fā)生的固液轉化反應。用S2T1孔不同時刻的K+、Na+、Mg2+濃度減去溶劑的K+、Na+、Mg2+濃度，便可以得到S2T1孔K+、Na+、Mg2+濃度增量歷時曲線，如圖7所示。上文中得到，試驗進行到第11天時，溶劑到達T1排，所以濃度增量從第11天時開始計算。從圖中可以看出，K+、Mg2+濃度增量是正值，Na+濃度增量是負值，說明S2T1孔晶間鹵水中K+、Mg2+濃度比溶劑中高，Na+濃度比溶劑中低，也就是說溶劑從供鹵渠到達S2T1孔的過程中溶解了光鹵石，析出了石鹽。

圖5 S2T1孔不同深度離子濃度對比圖

圖6 S2T1孔離子濃度歷時曲線

圖7 S2T1孔K+、Na+、Mg2+濃度增量歷時曲線

光鹵石的化學式是KMgCl3·6H2O，溶解1moL的光鹵石后，如果沒有離子析出，液相中將會增加1moL的K+和1mol的Mg2+[1]，即K+和Mg2+的增加量應是相同的，但是從圖7中可以看出，Mg2+的濃度增量曲線位于K+的上方，即鹵水中Mg2+的濃度增加量要大于K+。究其原因，是因為鹵水中溶解光鹵石后，K+、Mg2+和Cl-的濃度增加，增加到一定程度時，KCl的活度積達到溶度積，造成KCl以鉀石鹽的形式析出，但是MgCl2的溶解度非常大，其溶度積并沒有達到活度積，并不會析出。鉀石鹽的析出導致鹵水中Mg2+的濃度增加量要大于K+。從第11天到第80天的階段以溶解鹽層中的光鹵石為主，屬于光鹵石階段[1]。

5 總結

1) 試驗開始后，供鹵渠中進入溶劑，T1排首先對供鹵渠的水位變化做出響應，T1排水位升高，但是由于供鹵渠渠壁結鹽，溶劑入滲量減小，T1排的水位又發(fā)生降低，后面各排對供鹵渠的響應滯后于T1排。

2) 由于鹽溶通道的存在，導致同排的監(jiān)測孔的水位及水質有一定差異。

3) 原始狀態(tài)和試驗條件下的晶間鹵水，其5m深和7m深晶間鹵水中各離子濃度幾乎一致，與10m深和13m深的晶間鹵水有一定差異。試驗開始后，溶劑對迅速影響到了S2T1孔5m和7m深的晶間鹵水，第5天時影響到了10m深的晶間鹵水，第37天時影響到了13m深的晶間鹵水，說明隨著時間的進行，溶劑不斷影響到深層的晶間鹵水。

4) 對于供鹵渠與S2T1孔之間的鹽層，第1～11天，處于溶解驅動前階段，第12～100天，處于光鹵石階段。

致謝感謝野外工作過程中陳永志老師、劉萬平主任、嚴志師傅工作上的支持和生活的照顧，并對其他為本文的完成作出貢獻的工作者一并表示感謝。

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