柴達木盆地宗馬海湖地區鉀鹽礦床成礦規律與成礦預測研究

崔慶崗，侯新星，來永偉，趙淑芳，魏斌

(1.中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 泰安 271000；2.中國煤炭地質總局第一勘探局地質勘查院，河北 邯鄲 056004；3.新汶礦業集團泰山鹽化工分公司，山東 泰安 271024；4.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271021)

0 引言

鉀鹽是中國最為緊缺的非金屬礦產之一，鉀是決定農業豐產的營養元素之一，世界鉀鹽產量的90%以上用作鉀肥[1]。據統計，2003年，國內生產鉀肥164.5萬t，進口鉀肥623.5萬t，占市場消費量的79.1%[2]；2005年，我國鉀肥消費量已達1000萬t；2007年，中國進口鉀肥597.2萬t，占表觀消費量的71.8%[3]；2008年，中國鉀肥消費量已高達1300萬t，而生產能力不足400萬t，對外依存度達70%[4]；2012年，中國鉀鹽產量377.0萬t，鉀肥視消費量上升為795.4萬t[5]。至2012年，隨著塔里木盆地羅布泊鹽湖鉀鹽及柴達木盆地察爾汗鹽湖的開發、擴大產能[6]，鉀肥對外依存度降為52.2%[7]。2014年1—8月，我國KCl進口總量達到525.3萬t，較2013年同比增長15.63%[8]，鉀鹽資源嚴重不足的狀況十分嚴峻。

鹽湖是一種咸化水體，鹽度ω(NaCl)>3.5%；也包括地表干涸、含鹽沉積與晶間鹵水組成的干鹽湖[9]，遇到降水或冰雪融水可形成季節性湖泊[10-11]。專家學者對鹽湖進行了詳細的研究工作，認為全新世乃至更新世氣候極不穩定，存在數百年至千年的干旱事件[12-15]。Ericksen[16]總結了66個干鹽湖的名稱和位置，著名的有玻利維亞烏尤尼鹽湖、智利阿塔卡瑪鹽湖、阿根廷霍姆布雷托鹽湖。鹽湖資源開發利用發展迅速，如美國西爾斯鹽湖利用相分離，鹽田及溶劑萃取技術生產氯化鈉、氯化鉀、碳酸鈉；智利、阿根廷、玻利維亞三國交界的三角地帶富鋰鹽湖利用相分離、鹽田、浮選及復分解等技術生產碳酸鋰等[17-19]。國內分布著大量的干鹽湖，如吐魯番盆地烏尊布拉克鹽湖[20]、阿拉善左旗吉蘭泰鹽湖[21]、柴達木盆地察爾汗湖[22]、塔里木盆地羅布泊[23-24]等。袁瑞強等[25]總結了我國鹽湖基本特征及資源分布特點，討論了鹽湖資源開發利用面臨的問題，袁見齊[26-30]提出了陸相地層尋找鉀鹽的線索、“陸相成鉀理論”和“高山深盆成鹽模式”，認為成鹽盆地后期碎屑巖主導著地表水文條件，“高山深盆”是鹽類礦床需要深入研究的重要課題。

中國地質科學院礦產資源研究所較早參與了馬海鹽湖的沉積演化研究，魏新俊等[31]分析了馬海鉀礦第四紀沉積及鹽湖演化的特征，宣之強[32]探討了馬海鹽湖鉀鎂鹽礦床固體礦的成因、物質成分、礦床的規模及礦床的沉積特征，王弭力等[33]初步研究了馬海鉀鹽礦床基本地質特征、形成條件，概述了馬海鹽湖鉀礦床的地質成因和開發前景，李明慧[34]據礦物種類、組合和陽離子含量推斷柴西部古鹵水類型為Na-Cl型，鹽層和碳酸鹽黏土層的交替說明1Ma以來氣候特征為干濕交替，焦鵬程[35]提出“陡傾集水廊道儲鹵模式”是深部鹵水鉀鹽資源的主要賦存模式，可作為馬海鹽湖深部富鉀鹵水勘查和開發優先考慮的方向。

2012年，國家部署了柴達木盆地深層鹵水鉀鹽資源整裝勘查區，指賦存于前人已經評價提交儲量礦層之下的高礦化度鹵水礦層。依據鹽湖鉆井揭露分析，縱向上自漸新統—上新統至上更新統均有分布，深層鹵水礦層埋深自幾百米至上千米不等。該文依托“青海省冷湖行委宗馬海湖地區J46E010015，J46E010016，J46E011016，J46E011017四幅1∶5萬區域地質調查”項目，在宗馬海湖地區開展的區域地質調查、二維地震測量、地球化學分析及收集鉆探資料等工作基礎上，總結了淺部、中深部及深層鹵水鉀鹽儲層特征，提出了深部富鉀鹵水的成礦規律及成礦模式。

1 區域地質背景

2 遙感地質解譯

收集遙感圖像ETM+7波段多光譜觀察，圖像分辨率1.5m，重點探測構造及隱伏構造。遙感影像顯示，馬海鹽湖顏色呈淺綠、暗黑色，邊緣呈棕紅色，含水性不同，色彩差異較大，形態不規則，呈斑片、斑點狀分布(圖2)。從解譯結果看，研究區褶皺、斷裂兩側地形特征也具有明顯的差別，主要褶皺4條，斷層13條。褶皺表現為大型褶皺，為駝南背斜、小丘林-瑪瑙背斜、冷湖六號背斜、冷湖七號背斜，被后期斷層破壞及第四系覆蓋，褶皺保留不完整，褶皺軸向以NW—SE向為主，與區域構造線方向基本一致，褶皺規模不等，大者可長達數千米，多為軸面近直立，樞紐近水平的緊閉褶皺。斷層均為喜山晚期以來的新構造活動斷裂，其中NW—SE向斷裂為主要斷裂構造，包括平南斷裂F1，鵲南斷裂F3，潛南斷裂F6，冷湖六號斷層F7，F8，F9，F10，冷湖七號斷層F11，F12，F13等，斷層數量多，規模大，地表常形成數十米至近百米的構造破碎帶；近EW向斷裂以駝南斷裂F2為主，規模大，對測區內深層鹵水鉀鹽的成礦具有重要意義，F4，F5為小型次生斷裂(圖2)。

3 二維地震解譯

二維地震勘探數據采集接收道數241道，道間距25m，炮距100m，疊加次數30次，激發方式18T，可控震源×3臺(MERTZ M-18P/612，平行測線一字組合)，震動次數6次×3臺，震源出力70%，激發位置中間激發(3000-0-0-0-3000)，檢波器主頻10Hz(12只串聯扎堆接收)，掃描頻率10～120Hz，掃描方式線性掃描，接收頻率全頻段，儀器增益400mv，采樣間隔1ms，記錄長度4s，記錄格式SEG-D(圖3)。

A1—大柴旦-德令哈構造走滑構造帶；A2—魚卡紅山凹陷；A3—賽什騰埃姆尼克走滑構造帶；B1—平臺凸起； B2—賽南凹陷；B3—冷湖走滑構造帶；B4—昆特依凹陷；B5—伊北凹陷；B6—鄂博梁走滑構造帶圖1 研究區位置圖

1—隱伏斷層及編號；2—實測斷層及編號；3—背斜圖2 研究區構造單元劃分及構造綱要圖

1—二維地震剖面；2—鉀鹽勘探線位置及編號；3—整裝勘查鉆孔及編號；4—鉀鹽普查鉆孔及編號圖3 二維地震剖面及勘探線分布圖

通過二維地震數據屬性比對、研究，認為能量、頻率屬性相對敏感，富含鹵水地層單元會出現高能低頻的現象，同時利用前人對含油氣、鹵水的地層屬性研究認識，預測了研究區含鹵水地層的空間分布特征及賦存層位。研究區具有良好的鉀鹽層地震特征，頂底板厚度1000～1600m，鉀鹽層厚度約100m(圖4)。

4 鉀鹽礦床特征

該次以淺層鹵水鉀鹽、中深層鹵水鉀鹽、深層鹵水鉀鹽特征分別進行討論。

4.1 淺層鹵水鉀鹽特征

研究區采集淺層鹵水樣56件，由柴達木綜合地質礦產勘查院測試中心檢驗，電感耦合等離子發射光譜儀715-ES完成。淺層鹵水樣K+含量0.04%～1.36%，礦化度ρ(B)315.66～590.70g/L，多已達到工業品位及邊界品位(表1)。

圖4 L2線地震剖面屬性分析

依據所收集淺坑、小圓井等(1)柴達木綜合地質勘查大隊，青海省大柴旦鎮馬鉀礦區普查報告，1991年。(2)柴達木綜合地質勘查大隊，青海省大柴旦鎮巴侖馬鉀礦區普查報告，2001年。(3)柴達木綜合地質礦產勘查院，青海省冷湖行委馬海鉀礦區北部礦段詳查報告，2004年。(4)中國地質大學(武漢)地質調查研究院，青海省冷湖牛郎織女湖鉀鹽礦床生產勘查報告，2009年。化驗數據資料、遙感影像，結合該次施工槽探淺層鹵水樣數據，將研究區劃分為4個類型(圖5)。

(1)工業品位區：KCl品位大于0.5%，主要集中在馬海湖周邊及織女湖東北部小區域出現，地勢低洼，周邊地勢明顯高于該區，為主要淺層鹵水主要賦存區。

(2)邊界品位區：KCl品位0.3%～0.5%，達到邊界品位，但尚未達到工業品位。

(3)有淺層鹵水區：地表或季節性河流賦存少量地表水，KCl含量小于0.1%，甚至為0，含有少量鹵水或無鹵水存在。

(4)無淺層鹵水區：主要集中在古—新近紀地層等巖石出露區，位于北部及南部山區，未能采到淺層鹵水樣。

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表1 淺層鹵水樣測試數據

1—所收集的前人測試數據；2—本次測試數據及編號；3—無淺層鹵水區；4—有淺層鹵水區； 5—邊界品位區；6—工業品位區圖5 研究區淺層鹵水KCl劃分圖

4.2 中深層鉀鹽特征

1987—1990年，柴達木綜合地質礦產勘查院對馬海盆地開展鉀鹽礦區普查(5)柴達木綜合地質勘查大隊，青海省大柴旦鎮鉀礦區普查報告，1991年。，施工了數百個鉆孔，基準孔ZK4012深度達到613.33m，其他鉆孔深度100～300m，計算深度達到297.22m。研究區鉀鹽礦分為固體鉀鹽礦、鹵水型鉀鹽礦。其中，固體鉀鹽礦主礦體發育于全新統，分布于地表；鹵水型鉀鹽礦分布于全新統—更新統，屬中深層鹵水礦(表2)。

表2 ZK4012孔測試數據

引自青海省大柴旦鎮鉀礦區普查報告，1991年。

固體鉀鹽礦產分布于58～79勘探線北部，按產出層位劃分3個鉀鹽礦層：JⅣ礦層為主礦層，分布于全新統，底板埋深0.1～8.59m，包括6個鉀鹽礦體；JⅢ礦層分布于上更新統，底板埋深13.08～37.71m，包括6個鉀鹽礦體；JⅡ礦層分布于中更新統，底板埋深43.10～120.30m，包括17個鉀鹽礦體。礦層均近水平，除礦體JⅣ-1分布范圍較廣、規模較大，其他規模均較小。

鹵水型鉀鹽礦分布于40線以東，80線以西，ZK5604～ZK7604孔以南，ZK4020～ZK8020孔以北。主要組分KCl，伴生組分NaCl,MgCl2,MgSO4，邊緣及深部為孔隙(裂隙)型鹵水，中部及地表淺部為晶間鹵水。自上而下可劃分5個鹵水礦層：WⅠ為潛鹵水礦層，厚度0.70～18.12m；WⅡ,WⅢ,WⅣ,WⅤ為承壓鹵水礦層，厚度0.96～47.64m；礦層之間隔水層巖性為含粉砂、粉砂黏土，厚度3.00～30.00m。經分割估算，研究區鹵水型鉀鹽礦KCl(333+334)資源量4446.7萬t。

4.3 深層鹵水鉀鹽特征

中國地質科學院、柴達木綜合地質礦產勘查院等(6)青海油田公司勘探開發研究院，柴達木盆地北緣地區西段構造形成演化的定量解析及其對油氣成藏的控制研究，2000年。認為，馬海盆地中東部，冷湖六號、冷湖七號構造以北地區，至少存在一層至數層的砂巖及砂礫巖層，富含鹵水型鉀鹽礦產，賦存層位為更新統—上新統。底板最大埋深1800m，最小埋深550m，鹵水層段厚50～250m，埋深由南東向北西變淺。

1987—1990年馬海鉀礦區普查中，ZK4007及ZK4010孔發現了巨厚層孔隙型鹵水，全新統-上新統，大致圈閉在賽什騰山前沖洪積帶內，北至駝南斷裂，南至ZK4012孔一線，寬5～6km，延長35km，作為馬海盆地尋找深層鹵水型鉀鹽礦的重要區域之一。

截至2015年底，中國地質科學院實施柴達木盆地鉀鹽整裝勘查(7)中國地質科學院與青海省柴達木綜合地質礦產勘查院，青海省冷湖鎮馬海—巴侖馬海一帶鹵水鉀鹽資源調查報告，2018年。，施工6個鉀鹽水文鉆孔。其中，冷湖七號冷七ZK01終孔深度1302.43m，0～300m油砂山組上段含水巖層巖性以粉砂巖為主，單層含水層最厚8.91m，單位涌水量2.99m3/d，富水性弱，礦化度134.2g/L，KCl含量0.02%；300～1302.43m油砂山組下段含水巖層巖性以粉砂巖為主，單層含水層最厚3.76m，富水性弱，初步判斷冷湖六號、冷湖七號構造帶中，油砂山組深層孔隙水富水性差，KCl含量低，找鉀前景較差。ZK7220位于馬海鹽湖沉積的近中心位置，ZK2413，ZK4007，ZK4010，ZK7220分布于盆地北部；ZK2413從157.00m始至終孔見孔隙含水層800.08m；ZK4007從162.29m始見孔隙含水層1265.14m；ZK4010孔隙含水層329.21m，ZK7220厚44.18m，厚度巨大。其中，ZK2413孔157～1500m進行了抽水試驗，水質分析KCl品位0.14%，礦化度259g/L，密度1.162g/mL，具有較大儲量的鹵水鉀鹽礦床存在的潛力。

1—中深層孔隙鹵水分布范圍；2—鉀鹽勘探線位置及編號；3—整裝勘查鉆孔及編號；4—鉀鹽普查鉆孔及編號圖6 深層孔隙鹵水分布范圍圖

5 成礦規律與成礦預測

察爾汗鹽湖研究中[37]，鉀鹽礦依據產狀分為層狀鉀鹽礦和浸染狀鉀鹽礦。層狀鉀鹽礦在鹵水不斷濃縮的過程中，石鹽大量析出，遠離地表水補給的一側形成富鉀鹵水，層狀鉀石鹽、光鹵石沉積，平面上呈淚滴式；浸染狀鉀鹽礦又分2種，一種是在鹽湖正常沉積階段，鹵水不斷濃縮達到NaCl，KCl同時飽和，形成以石鹽為主，鉀鹽呈浸染狀產于石鹽中；一種是進入干鹽湖階段，枯水期時地表淺層晶間鹵水蒸發，光鹵石等礦物發生結晶、析出鉀鹽，鉀含量降低，鈣鎂離子增加，鹵水比重增加便向下運動，下部的較淡鹵水被擠到上部，繼續接受蒸發，使鉀鹽繼續沉淀。但是，馬海鹽湖鉀鹽礦產狀有所不同，層狀鉀鹽礦并不發育，僅出現浸染狀鉀鹽礦，而且僅在靠近地表干鹽湖階段形成規模較大的礦體(主礦體JⅣ)，說明馬海鉀鹽是在干鹽湖階段晶間鹵水蒸發沉積于石鹽層而形成。干鹽湖階段，鹽層及夾層中存在大量晶間鹵水，所含KCl達到鹵水鉀鹽礦的指標，并伴生NaCl，MgCl2，MgSO4等有益組分；而作為晶間鹵水層底部的北部山前斜坡地區，上新世以來沉積的巨厚砂礫石層是良好的儲水層，直接與晶間鹵水層相連，通過斷裂與深部循環鹵水相通，應當儲藏了大量的富鉀鹵水。

綜上所述，馬海鹽湖鹵水型鉀鹽成礦模式在平面空間上近似于“淚滴式”展布，地表水補給主要來自東北部的賽什騰山區，流經研究區東南的馬海最終匯入東部低洼地區。馬海盆地在上新世末從柴達木古湖中分隔、封閉而形成，當時已是鹵水湖，成礦物質來源除風化、淋濾、遷出的K+等物質及深部循環水之外，還繼承了原古鹵水湖的古鹵水。更新世—全新世斷裂活動加劇，駝南斷裂和鵲南斷裂等逆沖斷裂在深部相連，形成了深部鹵水向淺部運移的通道，使K+進入到鹽層及附近的松散沉積層中(圖7)。

6 結論

(1)淺部鹵水鉀鹽，依據KCl品位，將研究區分為工業品位區、邊界品位區、有淺層鹵水區及無淺層鹵水區等4個分區類型。

1—第四紀地層；2—新近紀地層；3—古近紀地層圖7 馬海地區鉀鹽礦成因模式圖

(3)厚度較薄的深部鹵水鉀鹽：在冷湖六號、冷湖七號構造以北地區存在一層至數層的砂巖及砂礫巖層，自南東至北西由深變淺，推測底板最大埋深約1800m，最小埋深約550m，含鹵水層段厚約50～250m。

(4)厚度較大的深部鹵水鉀鹽：在賽什騰山山前沖洪積帶，北至駝南斷裂，南大致至ZK4012孔一線附近，礦體寬約5～6km，延長約35km，孔隙含水層累計深度最大達1265.14m，地震波組顯示最深可達1500m。

(5)深部鹵水鉀鹽成礦模式在平面空間上近似于“淚滴式”展布，地表水補給主要來自東北部的賽什騰山區，流經馬海盆地，最終匯入東部低洼地區。分布于全新統—上新統，是尋找深層鹵水鉀鹽礦的重要區域。