青海別勒灘試驗區低品位固體鉀鹽液化開采的野外實驗研究

李瑞琴，劉成林，趙艷軍，劉萬平，王石軍，江雨彤

(1. 中國地質科學院 礦產資源研究所 成礦作用與資源評價重點實驗室， 北京 100037； 2. 北京大學 地球與空間科學學院， 北京 100871； 3. 青海鹽湖工業股份有限公司， 青海 格爾木 816000； 4. 沈陽工業大學， 遼寧 沈陽 110870)

鉀是農作物生長必需的營養元素，鉀鹽主要用作生產鉀肥，是重要的農肥資源，然而鉀鹽資源是我國七種大宗緊缺礦產之一(王弭力等， 2001； 孫小虹， 2013)。長期以來，我國土壤普遍缺鉀，據不完全統計，截至2014年，我國缺鉀土壤已經達到4.5億畝(郭海飛， 2014； 王棟等， 2017)，鉀肥的短缺已成為制約我國農業發展的瓶頸因素之一。作為全球最大的鉀肥消費市場，2016年中國整體消費量達1.47×107t，進口量7.04×106t，約50%需要依靠進口(王棟， 2019； 王春連等， 2020)，這對我國在國際鉀肥市場提高競爭力不利。鉀鹽找礦，無論在國內還是國外，都是一件不容易的工作，尤其在我國，鉀鹽找礦難度更大。經過50多年的勘查，鹽湖找鉀已很難取得新的大突破。為了緩解國內鉀肥嚴重依賴進口局面，我國政府大力支持鉀鹽資源勘探，并施行油鉀兼探策略，但至今尚未取得重大突破(王棟等， 2017)。不過，值得重點關注是，察爾汗鹽湖、馬海、昆特依、羅布泊還有數億噸低品位固體鉀鹽，這些資源相當于一個超大型鉀礦，僅別勒灘地區S4鹽層就儲存有1.8×108t的低品位固體鉀鹽(牛雪， 2014； 牛雪等， 2015)。因此，對鹽湖地層中數億噸的低品位固體鉀鹽進行開發是解決中國鉀鹽短缺重要的、可行的方向。

20世紀90年代以來，國內開始有專家針對固體鉀鹽液化開發進行研究，如1990年青海省鹽湖勘查開發研究院做了淡鹵水回灌溶解驅動實驗，設計了室內靜態、動態溶礦實驗以及野外小型封閉鹽田溶礦實驗，主要取得以下成果：固體KCl的溶礦率與溶礦時間長短無直接關系；固體KCl的溶解率與溶劑中KCl濃度有關；溶劑溶度越低，溶礦效果越好；溶劑流量越大，溶礦效果越好(青海省鹽湖勘查開發研究院，1990)(1)青海省鹽湖勘查開發研究院. 1990. 青海省察爾汗鹽湖淡鹵水回灌溶解驅動實驗報告.；孫大鵬等(1995)對察爾汗鹽湖首采區鹵水溶解光鹵石進行了初步研究，發現光鹵石的溶解使鹵水中K+含量升高，該過程伴隨著大量石鹽的析出；李文鵬(1991)、李文鵬等(1994)、Li Wenpeng(2008)進行了固液轉化數值模擬研究，發現溶礦過程中晶間鹵水可分為溶礦驅動后濃度帶、彌散交換影響濃度帶和原晶間鹵水濃度帶，固體鹽層也相應分為溶礦驅動后濃度帶、溶礦驅動影響帶和原固相濃度帶，模擬結果顯示K+呈波浪式前進；郝愛兵等(2003)進行了有關固體鉀鹽變溫高濃鹵水體系的地球化學平衡研究，通過溶解驅動開采固體鉀礦的室內實驗所用溶劑的化學平衡計算，分析了各溶劑的溶礦能力，提出溶劑中光鹵石不飽和是其溶解固相鉀礦的關鍵所在；安蓮英等(2005)進行了察爾汗鹽湖固液礦轉化實驗研究，得出的主要結論為鉀均可從固相向液相轉化，鉀轉化率和轉化速率隨溫度的升高而增大，隨固液礦種鉀濃度差異增加而增大；王有德(2006)對馬海鹽湖的低品位固體鉀礦溶解開采進行了探討，認為對馬海鹽湖低品位固體鉀礦完全可以進行水溶開采，并就水溶開采的必要性及可行性進行了論述；周訓等(2006)對察爾汗鹽湖別勒灘區段晶間鹵水進行了數值模擬，建立了晶間鹵水非穩定流數學模型并進行數值計算，對別勒灘區段鹵水開采過程進行模擬，結果表明該模型可以反映鹽湖晶間鹵水流暢的變化；安蓮英等(2010)對深埋藏的雜鹵石的溶浸開采進行過可行性研究及溶浸動力學模擬，指出溶浸開采可能成為深埋藏雜鹵石開發的有效途徑；王文祥等(2010， 2013a)對察爾汗鹽湖低品位固體鉀礦液化開采進行了探討，得出了溶解驅動過程中水動力場和水化學場的部分變化規律，結果表明，作為溶解驅動溶劑，鹽田老鹵的溶解鉀礦效果明顯，但溶礦過程中部分NaCl析出結鹽，減弱了地層的滲透性；中國地質科學院礦產資源研究所(2013)(2)中國地質科學院礦產資源研究所. 2013. 青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開發的關鍵技術.對青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開發關鍵技術進行了研究，對別勒灘區段的礦床地質特征進行了詳細描述，建立了鉀鹽礦床的三維模型，并對低品位固體鉀礦的液化率與可液化資源量進行了評價，提出了增程驅動模式及開發方案；劉喜業等(2014)對察爾汗鹽湖表層低品位固體鉀礦溶礦實驗及數值模擬進行了分析，建立了穩態滲流有限模型；周桓等(2015)對大浪灘低品位鉀礦溶浸富鉀規律進行了研究，指出不同溶劑對固體鉀礦的溶浸效果不同； Li等(2020)對察爾汗鹽湖低品位固體鉀鹽礦物特征及其溶解機理進行了研究，野外實驗顯示老鹵和淡水配制的具有高鎂低鈉低鉀的溶劑溶礦效果相對較好。

上述研究取得了一些重要認識，首先證明了低品位固體鉀鹽可以通過固液轉化的方法進行開發利用，其次多個數值模擬獲得了部分適用于低品位固體鉀鹽溶礦模擬分析的參數及條件，還獲得了低品位固體鉀鹽溶礦過程中水動力場和水化學場的部分變化規律。但是，關于低品位固體鉀礦溶解機理尚不完全清楚，數值模擬方面仍需補充大量數據，溶礦過程中的水動力學和水化學變化仍需要更深入的研究。本文在前人研究基礎上，以青海別勒灘為研究對象，進行了野外溶礦實驗，研究低品位固體鉀鹽固液轉化過程中的水動力學和水化學變化問題，欲為低品位固體鉀鹽的開發提供科學參考。

1 礦區地質特征

別勒灘位于察爾汗鹽湖的最西部(圖1)，地層完整，總的趨勢是南高北低(于升松， 2000； 李波濤等， 2010)，面積約1 500 km2(楊謙等， 1993)，巖鹽屬蒸發巖沉積，主要由石鹽組成，局部地段含有雜鹵石、光鹵石、鉀石鹽、石膏、芒硝、水氯鎂石及碎屑沉積物等(圖2)。鉀鹽礦物主要分布于最上部的S4和S5鹽層(圖3)，地層中固體鉀礦層或含鉀礦層KCl品位較低，通常含量在2%～6%之間，部分在0.2%～2.0%之間(袁見齊等， 1995； 王文祥等， 2013b)，屬于低品位固體鉀鹽。別勒灘區段為湖積平原，地面較為平坦，出露地層及地下與鹽層有關的地層均為第四系，巖性特征見圖3。別勒灘區段主要為干鹽湖，其晶間鹵水的補給來源主要是外圍松散層孔隙水的側向補給、來自下部的越流補給和大別勒湖、澀聶湖湖水的補給。

圖 1 察爾汗鹽湖各區段劃分示意圖 (據孫大鵬等， 1988； 李波濤等， 2010)

圖 2 察爾汗鹽湖鉀鹽沉積分布圖(據孫大鵬等， 1988)

圖 3 別勒灘地層剖面示意圖(改自袁見齊等， 1995)

2 礦區溶礦工程部署

本次溶礦試驗區位于別勒灘地區西部,澀聶湖東岸，澀北公路以西。該區鹽層孔隙發育好,厚度大，2017年5月～10月在實驗區開展了針對埋深3 m以上淺礦層的溶解轉化實驗，主要溶解轉化區域面積約為27 km2，具體的工程部署詳見圖4。本次溶礦采用的是分形加密渠道布置，平均每200 m開挖一條滲水支渠，與單級驅動和增程驅動溶礦相比，能增加有效溶礦面積。

為了監測溶礦過程中試驗區的水位和水質變化規律，本次溶礦共在試驗區開挖探坑32個(圖4、圖5)，試驗區西南側以支渠A1-A3、A4-A5和A6-A7為界分為3個單元。單元1內有1#～6#探坑，單元2內有7#～15#探坑，單元3內有16#～21#探坑，同時，在6號渠西南側開挖探坑11個(編號22#～32#)。探坑到滲水渠的平均距離為178 m，根據觀測探坑中的水位和水質變化來判斷溶礦效果。

圖 4 別勒灘試驗區溶劑滲水渠道分布圖

圖 5 試驗區探坑照片

溶礦需要采用一定濃度的鹵水，如果采用淡水或低濃度鹵水，會在鹽層內部形成大量溶解而形成空洞，造成鹽層垮塌(梁衛國等， 2003； 王石軍等， 2013)，或者形成優勢通道；如果采用鹵水濃度較高，又會造成渠壁結鹽。本次溶礦采用老鹵與淡水摻兌的方法配制溶劑，KCl含量平均值為0.44%，NaCl含量平均值為1.29%，MgCl2含量平均值為19.09%，呈低鈉低鉀高鎂的特點，因符合Na+、K+、Mg2+/Cl--H2O四元水鹽體系，投在該四元水鹽體系相圖上的位置見圖6。

圖 6 溶礦溶劑在25℃的Na+、K+、Mg2+/Cl--H2O四元水鹽體系相圖上投點

本次溶礦采用的是浸泡式溶解方法，即忽略流場條件。2017年5月份開始向實驗區輸送大量溶劑時，實驗區水位為3 m，經過兩個月的補給，滲水渠平均水位抬升1 m左右(7月12日觀測)，從現場觀測看，滲水渠和探坑的水位基本持平，至10月份共向實驗區注入溶劑8.372×107m3(圖7)。

圖 7 試驗區注入溶劑量統計圖

3 溶礦實驗過程及討論分析

3.1 探坑潛水位變化規律

根據試驗區重點探坑潛水位歷時曲線圖(圖8)分析可知，6月15日探坑1#～21#平均水位為2.0 m，最淺水位為1#探坑，水位為1.6 m，最深水位為11#探坑，水位為2.2 m； 7月28日探坑1#～21#平均水位為1.31 m，最淺水位為3#和4#探坑，水位為0.5 m，最深水位為12#探坑，水位為1.8 m；8月16日探坑1#～21#平均水位為1.17 m，最淺水位為4#探坑，水位為0.38 m，最深水位為12#探坑，水位為1.6 m；9月9日探坑1#～21#平均水位為1.04 m，最淺水位為1#探坑，水位為0.2 m，最深水位為12#探坑，水位為1.4 m。

從圖7可知，從5月份開始至9月份每日進水量是逐漸增大的，若溶礦過程順利，則探坑水位應按照一定的速度穩步上升，而實際情況并非如此。圖8顯示，至6月15日進水34 d，試驗區探坑平均水位上升約1 m；至7月28日再進水43 d，試驗區平均水位上升0.69 m；至8月16日再進水19 d，試驗區平均水位上升0.14 m；至9月9日再進水24 d，試驗區平均水位僅上升0.13 m。試驗區探坑水位變化整體情況表明,平均水位1.31 m以深，溶劑進入試驗區含礦層相對比較順利，然后在1.31 m以淺溶劑量沒有減少的情況下水位上升明顯減緩。這可能是以下原因導致： 1.31 m以淺礦層孔隙度和給水度整體條件較差，物性變差導致溶劑無法在含鉀礦層中很好地流通，這不僅降低了溶礦效率，大量的溶劑必然從試驗區域內的優勢通道向地勢低洼處快速遷移，導致在試驗區東南側溶劑大量聚積，形成了一個“溶劑湖”。

圖 8 試驗區探坑水位變化歷時曲線

不同監測時間點各探坑潛水位平面等值線圖見圖9。由于受取樣數據所限，導致在點位一致的情況下，圖9中部分等值線范圍不一致。在溶劑注入過程中，探坑1#～4#始終是水位埋深的一個低值區域，水位穩步上升； 7月13日之前，另一個水位上升較快的區域為探坑15#的東北側，而其他區域水位則上升較慢； 至7月13日，除探坑7#～15#外，其它區域都有較明顯的水位抬升； 7月28日，試驗區內水位抬升最高的位置為探坑1#～4#，水位抬升最差的為探坑12#，此時，試驗區東北部大片區域水位埋深都比較深，進水效果較差；8月16日，東北部依然是試驗區水位抬升效果最差的區域；至9月9日，試驗區西南部區域整體水位都抬升至埋深1.1 m以淺，但東北部效果依然不好。截止11月中旬，在6號渠西南一側出現了大量溶劑沿優勢通道向6號渠方向快速推進的問題，給試驗區的溶礦工作帶來較大壓力，水位抬升每天僅僅能達到1 cm，而且在6號渠出現了多個涌水點，為了保證安全生產，溶劑不得不停止注入。其主要原因可能是6號渠西南側大片區域淺部含礦層(約1.5 m以淺)溶礦效果不佳，溶劑無法注入含礦層與固體鉀礦發生反應，隨著注水量的增大而選擇從優勢通道向6號渠方向快速運移。

圖 9 試驗區水位埋深等值線圖

水位埋深變化的等值線圖表明，試驗區含礦層以埋深約1.5 m為界，在地質結構、構造、孔隙度方面存在較大差異，特別是晶間孔隙的連通性等鹵水儲集空間的質量方面發生了明顯變化，導致水位抬升的進程在7月中旬以后發生了明顯變化。

3.2 探坑水化學變化規律

探坑中水位與KCl含量變化見圖10。單元1內探坑水位整體上隨著時間變化穩步上升，特別是探坑1#～4#水位埋深高過0.5 m。不同的是，8月16日之后，探坑3#和4#水位埋深有一定幅度的下降；9月9日，探坑5#和6#水位埋深為1.2 m，且其水位變化趨勢基本一致。因此，在溶礦過程中，雖然單元1整體上水位上升情況最佳，但不同區位之間也存在一定差異。探坑中水質的變化明顯與水位不同，各探坑水質都表現為一定幅度的波動，1#和2#探坑中KCl含量呈先升后降的趨勢，4#和5#探坑中KCl含量呈先降后升的趨勢，3#探坑中KCl含量波動最大，整體上沒有統一的變化規律，這可能與鹽層的均質性和該區域固體鉀礦的類型及含量有關。

單元2內除探坑15#水位埋深以較快速度在8月16日上升至0.2 m外，7#～14#探坑的水位埋深變化相對較為一致，不同之處在于7#、8#、9#和14#探坑在8月16日之后水位埋深略有下降，其原因是由于該區域探坑中溶劑沒有得到補充，而探坑中鹵水強烈蒸發引起水位埋深逐步下降。單元2內，從進溶劑開始至9月9日水位埋深最高1.1 m，且多數探坑在7月28日之后沒有明顯變化，表明該單元在埋深1.1 m以淺溶礦效果較差，這可能是礦層地質特征有差異的原因。該單元探坑水質在7月28日之前波動幅度較小，之后7#和14#探坑KCl含量明顯增高，7#探坑從1.13%增加至2.40%，在9月9日又降低至1.18%；14#探坑從0.8%增加至2.14%，在9月9日又降低至0.57%。探坑11#、12#和13#則正好相反，KCl含量先急劇降低再急劇增加至1.83%～2.49%。單元2內，各探坑水質變化無統一規律。

圖 10 溶礦過程中試驗區探坑中水位和KCl含量變化圖

單元3內有6個探坑在溶劑注入過程中水位埋深變化幾乎完全一致，至9月9日探坑水位埋深均為1.1 m，表明該單元淺部(1.1 m以淺)溶礦效果較差，但區域內3 m以淺礦層均質性較好。與該單元內探坑的水位波動趨勢一致，在溶劑注入過程中探坑內鹵水水質的變化相對單元1和單元2明顯較小，6個探坑在監測時間內KCl含量平均值分別為6月1.70%、7月2.02%、8月1.76%和9月1.49，表明該單元溶礦效果相對比較穩定。不足之處在于水位在1.1 m以淺上升難度較大，造成淺部低品位固體鉀礦開采困難。

試驗區不同時間段探坑內鹵水的KCl含量變化等值線圖詳見圖11(該圖受取樣數據所限，導致在點位一致的情況下，部分等值線范圍不一致)。探坑內鹵水的KCl含量變化與水位埋深變化基本上相反，水位抬升效果最好的1#～4#探坑(單元1西南部)，鹵水品質始終較差；試驗區的東北部水位抬升效果較差，但該區域鹵水品質較好；9月9日，試驗區內探坑中KCl含量平均值約1.3%，且不同單元探坑之間差異較小。隨著溶劑的不斷補充，經過一段時間的反應，區內鹵水KCl含量整體趨于平均，但整體上含量均較低，可能是因為“青海鹽湖低品位鉀鹽增程驅動開采技術”及“青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開發關鍵技術”兩大課題曾在該區做過野外溶礦實驗，加之青海鹽湖集團近幾年的開采，地層中鉀鹽礦物含量降低，因此溶礦后區內鹵水中KCl含量相對偏低。

3.3 應用PHREEQC軟件分析溶礦過程

飽和指數(saturation indices，縮寫為SI)是水文地球化學研究中應用最多的一個指標，它研究的是礦物在水溶液中的飽和狀態。礦物在水溶液中的飽和指數(SI)定義為：SI=lgIAP-lgKsp，式中，IAP為礦物溶解反應中相關離子的活度積，Ksp為礦物在某溫度下溶解反應的平衡常數。當SI=0時，礦物在水溶液中處于平衡狀態；當SI<0時，表明礦物在水溶液中未達到飽和狀態，礦物將發生溶解反應；當SI>0時，表明礦物在水溶液中處于過飽和狀態，礦物將會沉淀析出(Mark and Nicolas, 1984)。

PHREEQC軟件可計算礦物在水溶液中的飽和狀態，計算之前需要確定可能的礦物相。察爾汗鹽湖最常見的鹽類礦物為石鹽、雜鹵石、光鹵石、石膏、鉀石鹽，偶見極少量的方解石和白云石，碎屑礦物有石英、云母、鈉長石、綠泥石(李波濤等， 2010， 2012；中國地質科學院礦產資源研究所， 2013(3)中國地質科學院礦產資源研究所. 2013. 青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開發的關鍵技術.； 王文祥， 2010， 2013a； 牛雪， 2014； 牛雪等， 2015)。碎屑礦物為難溶礦物，方解石和白云石為非貫通性礦物且量極少，因此確定察爾汗鹽湖的礦物相為石鹽、雜鹵石、光鹵石、鉀石鹽。溶礦過程中1#～21#探坑溶液中各礦物相的飽和指數變化情況詳見圖12。

圖12中5月份代表的是原溶劑中各礦物相的飽和指數。從圖12中可以看出，各探坑溶液中石鹽的礦物飽和指數整體上較高且呈上升趨勢，說明溶劑進入地層后溶解了微量的石鹽，部分探坑中石鹽礦物飽和指數呈先升后降再上升趨勢，主要是受溶劑補給影響。光鹵石和鉀石鹽的礦物飽和指數整體上呈增高趨勢，溶劑進入地層后溶解了鹽層中的光鹵石和鉀石鹽；部分探坑中光鹵石和鉀石鹽的礦物飽和指數有一定的波動，主要是受溶劑補給的影響。

雜鹵石的礦物飽和指數整體上呈先增加后下降的趨勢，主要是因為光鹵石和鉀石鹽為易溶蒸發巖礦物，溶劑進入地層后先溶解這兩種礦物，隨著光鹵石和鉀石鹽的礦物飽和指數的增加，但溶液對鉀鹽礦物并未達到飽和，理論上溶液對雜鹵石的溶解能力增強，部分探坑中雜鹵石的礦物飽和指數有一定的波動，主要是受溶劑補給的影響。

由上述分析可知，溶礦后鹵水中鉀鹽礦物未達到飽和，因此推測本次溶礦后溶液KCl含量整體偏低的原因與地層中鉀鹽礦物含量有關。

圖 12 試驗區探坑溶液中各礦物飽和指數歷時曲線圖

4 結論

(1) 溶礦過程中，試驗區內不同時間不同單元水位變化有較大區別，探坑中水位變化的等值線圖表明，實驗區內含礦層以埋深約1.5 m(或1.31～1.5 m)為界，表明別勒灘地區在地質結構、構造，特別是孔隙度等方面存在較大差異。

(2) 溶礦過程中，試驗區內不同時間不同單元鹵水的KCl含量有差異；在溶礦初期，探坑內鹵水的KCl含量變化與水位埋深呈相反趨勢，水位抬升效果最好的區域其鹵水品質較差。隨著溶劑的不斷補充，與固體鉀鹽礦物反應時間的增加，區內鹵水KCl含量整體趨于平均，但含量均較低。

(3) 試驗區探坑中鹵水KCl含量較低，可能是以下原因的結果。一是因為“青海鹽湖低品位鉀鹽增程驅動開采技術”及“青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開發關鍵技術”兩大課題曾在該區做過野外溶礦實驗，加之青海鹽湖集團近幾年的開采，導致地層中鉀鹽礦物含量降低，本次溶礦后鹵水中KCl含量低；二是因為可能與鹽層的均質性和該區域固體鉀礦的類型及含量有關。

5 問題與建議

(1) 溶礦時，溶劑注入過程中試驗區水位變化表明不同深度和不同區域內鹵水儲層的連通性存在較大差異。因此，必須在大規模工業化開發前加大對儲鹵層特征研究，以此為基礎開展溶采單元的劃分，并根據儲層結構在垂向上的變化控制溶劑進入的總量和速度。

(2) 該區域已經過多輪溶采，固體鉀礦的品位發生了較大變化，這導致溶劑注入后鹵水的水質變化較慢，溶礦效果較差，因此目前必須對淺部固體鉀礦礦床地質特征進行精準評估，精細化管理，以避免盲目補給溶劑造成無效溶解，使得溶采工程低效率運行，生產成本提高。

(3) 存在明顯的優勢通道。6號渠在溶劑注入過程中出現多處“管涌”現象，明顯存在優勢通道，優勢通道的存在造成溶劑與礦體的接觸時間較短，使溶礦后水質達不到工業要求就直接進入采鹵渠。建議根據地質情況，補充一定的工程勘查，對溶采區優勢通道情況進行摸底，進行技術攻關，變弊為利。

致謝感謝青海鹽湖工業股份有限公司王羅海、嚴群雄、劉斌山等在本次研究中提供的大力支持，并對其他為本文的完成做出貢獻的工作者一并表示感謝。