綜合物探在柴達木盆地鹽湖深層鹵水鉀礦勘查中的應用

何 勝，蘇世杰，侯利朋

1.青海省環境地質勘查局/青海省環境地質重點實驗室，青海 西寧 810008；2.青海省地質環境調查院/青海906工程勘察設計院，青海 西寧 810008

0 引言

鉀鹽是中國緊缺的戰略資源礦種.青海省柴達木盆地內分布著各種大小不同的地表鹵水湖、半干涸湖和干涸鹽湖.在這些鹽湖中蘊藏著極為豐富的鹽湖礦產資源，鹽湖礦床具有分布廣、規模大、品位富、礦種多、類型全之特點.馬海鹽湖位于柴達木盆地東北部，北起塞什騰山前，南至茶冷口、南八仙，西北自冷湖，東至馬海，面積約3 700 km2；蘊藏著豐富的鉀鹽資源.2010年馬海鹽湖深部鉆探（K1）揭示出深部儲層鹵水富鉀且水量豐富，顯示其深層鹵水開發的良好前景.但由于深部鹽湖資源地勘工作程度低，資源勘查情況不清，不能滿足資源規模開發與規劃項目建設需要，資源保障能力不足，需進一步勘查、研究.地震波是揭示地球內部結構和物質屬性的最有效工具之一.隨著分析技術的發展，地震波不僅可以用于研究地球內部物質的速度、密度、巖石剛度等屬性，還可以用于探討相關物性參數的變化［1］.但鹵水鉀礦為液體礦產資源，其礦化度高低對其速度無明顯差異變化，而其電阻率參數會隨其礦化度升高而降低，瞬變電磁法（TEM）和大地電磁測深法（MT）兩種物探方法均能研究其電阻率變化規律.TEM具有對低阻異常敏感、信號強度大、縱橫向分辨率高、探測時間較短、工作效率高、受地形影響小等優點，結合MT探測深度大等特點，能有效鑒別出相對低阻鹵水鉀礦異常區［2-4］.

筆者利用綜合物探方法對馬海地區深層鹵水進行了探測，主要任務是查明該區深層鹵水空間分布范圍，為下一步深部鉆探工程提供物探依據.

1 區域地質概況

區域范圍內絕大部分地區分布新生界，元古宇和中生界零星分布（如圖1）.出露地層主要為新近系砂巖、礫巖、含砂礫巖、砂質泥巖和泥巖；第四系巖性為湖積碎屑夾鹽類沉積及洪積物，主要為含石膏粉砂的黏土、含石膏的黏土、黏土粉砂，含礫的粉細砂、含粉砂的石鹽、粉砂石鹽、含石膏粉砂的石鹽及含石膏的芒硝石鹽.

圖1 研究區地質及工程布置圖Fig.1 Geological sketch map of the study area with engineering layout

區域內礦產豐富，尤以鹽類礦產鋰、硼、鉀、鎂鹽為主.鹽類礦產主要分布在馬海盆地內，包括固體和液體礦.固體礦產有鉀鹽礦和石鹽礦，其中以鹽類為主的礦石類型為含光鹵石粉砂的石鹽，含光鹵石的粉砂石鹽、含鉀石鹽粉砂的石鹽、含鉀石鹽的粉砂石鹽、含鉀石鹽的石鹽粉砂、含石鹽的黏土粉砂.礦產賦存于石鹽中.液體礦的主要組分是KCl，伴生組分是NaCl、MgCl2、MgSO4、LiCl、B2O3、Br，其中LiCl、B2O3、Br分布零星，各礦層之間的隔水層巖性一般為含粉砂及粉砂黏土，厚度3.00～30.00 m.由于隔水層弱透水性及承壓水越流和頂托補給作用，各礦層之間存在著一定的水力及水化學聯系.

馬海地區位于柴達木盆地西部中央拗陷帶的西部隆起區，北東為柴北緣褶皺帶，北西為阿爾金構造帶，南緣為昆北斷裂帶.總體觀之，區域內沉積厚度較大，地質構造復雜.研究區內主要分布有馬海湖盆向斜構造、冷湖6號背斜構造、冷湖7號背斜構造、馬海背斜構造，冷湖6號、7號背斜構造有多條近平行的逆斷層，斷層走向北西，長約12 km，兩端為第四系覆蓋，傾向南西，傾角陡，主要發育在上新統中.

2 地球物理特征

地層、巖石物性是物探解釋的依據和基礎［5］，其特征變化是引起地球物理參量特征變化的主要因素.特別是成巖程度及膠結性、富水性、地下水礦化度的強弱大小差異，都會引起異常特征的一系列反應變化［6-7］.而地層電阻率值是目前地球物理方法評價地下水礦化度主要的有效參數，電阻率隨著水礦化度的增長呈線性下降，這對任何鹽類都一樣（見圖2）.鹵水是富含以鉀鹽為主的溶液或飽和溶液，屬于強電解質、離子導電，導電離子濃度越大，礦化度越高，電阻率則越低.

圖2 各種溶液的電阻率與其礦化程度的關系圖（據V.N.Dakhnov）Fig.2 The diagram of resistivity of various solutions vs.mineralization degree（By V.N.Dakhnov）

通過收集以往地球物理與含水層礦化度資料，可知同一巖性電阻率與地下水礦化度緊密相關.相同巖性礦化度由0.5 g/L增大20倍至10 g/L時，其電阻率值減小為原來的1/20，礦化度高則電阻率相對低值，礦化度低則電阻率相對高值.巖石電阻率與地下水礦化度間的這種相關性為圈定不同地下水礦化度分布空間提供了理論基礎.電阻率越小礦化度越高，電阻率越高礦化度越低［8］，因此，電阻率越低處，賦存高礦化度鹵水（鉀礦）的可能性就越大.

根據已有鉆孔資料及馬海地區TEM/MT資料、物探測井資料綜合分析、統計后，對該區物性層劃分如表1.各巖石電阻率與含水率、巖石結構、組成成分及礦化度大小有關.

表1 馬海地區物性參數統計表Table 1 Physical parameters of Mahai area

馬海地區第四系石鹽粉砂、黏土粉砂、含石膏的粉砂黏土、粉砂、細砂、粗砂、礫砂、含粉砂黏土等電性變化不大.但上述地層當礦化度大小不同時仍存在一定的電性差異，其中高礦化度的粉砂、細砂、粗砂、礫砂等電阻率值相對較低或極低（基本上小于1.0Ωm），為研究區主要高礦化度鹵水富集地層.而高礦化度的黏土、含粉砂黏土由于孔隙度較小、富水性較差，電阻率值相對較高（均在1.0Ωm以上）.低礦化度的黏土粉砂、粉砂、粉細砂、細砂、粗砂、礫砂等地層電阻率值則呈現相對高阻電性特征.

新近系砂質泥巖，相對于第四系地層電性差異明顯，砂質泥巖電阻率值最高，最大電阻率值在30Ωm左右，為相對貧水或含水極差地層.

從以上分析可看出，利用瞬變電磁法、大地電磁測深法來查明研究區深部地層巖性、富鹵水層位（段）具有一定的物性前提.

3 數據采集及處理

在研究區布置物探剖面（兩種物探方法重合）1條，總長度為22 050 m，測線方位為31°.TEM測量方法以0為起始點號自南往北以單號遞增，點距50 m；MT測量方法以1為起始點號自南往北以單號遞增，點距150 m，如圖1所示.本研究采用的儀器是SM24瞬變電磁系統和加拿大鳳凰公司生產的V8-system2000.net電法工作站.通過試驗工作確定TEM測量參數為：1）發送電壓110 V；2）發送電流10～10.5 A；3）發送基頻0.25 Hz；4）發送邊長800 m×800 m；5）疊加次數16～32次；6）取樣道數43道；7）工作裝置，大定源.MT測量參數為：1）電極極距130 m；2）采集頻率0.001～320 Hz；3）采集時間24 h以上；4）增益調節4倍.

TEM數據處理采用Maxwell軟件進行預處理、多測道圖分析、刪除壞點衰減曲線和不合格通道、正演、反演、導出數據最終成圖［9-12］.MT資料處理包括數據預處理、資料反演、資料定性分析3個階段［13］.采用SCS2D軟件進行預處理，預處理包括極化模式識別、去噪處理及靜位移校正等［14-15］.采用大地電磁場時間序列的Robust處理（Robust估計算法是在最小二乘法的基礎上提出［16］）、Rhoplus分析、復阻抗張量分解等處理技術對野外測量數據進行預處理（數據編輯平滑等），得到視電阻率、阻抗相位等參數曲線［17］.采用二維快速松弛反演（RRI）、Occam二維反演、二維共軛梯度反演、印模等方法，對測量數據進行反演計算，通過比較分析并結合其他地質、地球物理資料，確定最終反演模型，以利于突出更多的地質信息和進行電性層位的劃分［18-20］.

4 資料解釋及成果分析

4.1 資料解釋推斷依據

為了使電磁測深技術的探測順利進行和分析對比，在馬ZK4010鉆孔做了孔旁測深，以確定與電磁測深曲線形態對應的地層巖性及富鹵水異常特征，建立物探解譯模型.

根據該鉆孔資料設計地下介質的正演電性模型，根據正演模型做1D正演，獲得相應頻率的視電阻率（圖3）.然后再對正演得到的視電阻率做反演，得到模擬的地下電性曲線.最后將模擬數據反演得到的MT測深結果曲線與實測MT測深反演曲線進行擬合并對比分析（如圖4），結果顯示，兩條曲線類型形態基本一致，說明應用該模型數據進行反演與實際地質情況基本吻合.

圖3 正演結果圖Fig.3 Apparent resistivity data by forward modeling

根據研究區物性特點，對物探電阻率二維反演圖和鉆探資料進行對比，建立物探解譯模型（圖4）：淺層為干燥、含水性較差的含黏土石鹽、含粉砂黏土、粉細砂互層，電阻率ρ＝0.6～0.8Ωm；中部為高礦化度鹵水層，電阻率ρ＜1Ωm；深部電阻率逐漸升高，含水巖層層位（段）減少，水體礦化度逐漸降低，為淡－鹵水過渡區層位；底部電阻率基本上大于1.5Ωm，推測該層位為貧水或含水極差的新近系砂質泥巖.

圖4 模擬數據反演電阻率曲線與實測數據反演電阻率曲線對比圖Fig.4 Comparison of inversion resistivity curves between simulated and measured data

綜合對比分析后認為：鉆孔旁電磁測深曲線解釋結果與已知鉆孔地質剖面比較吻合，其探測曲線可作為本區主要巖性層段地質解釋的標志曲線.

4.2 資料解釋分析

經對比分析，區內電磁測深曲線主要分為兩類（HKQH型、QH型），另有較少的G型曲線（主要分布在北部山腳處）.HKQH型曲線主要分布在剖面的南段，其電性組合為ρ1＞ρ2＜ρ3＞ρ4＞ρ5＜ρ6（圖5）.其中細中砂、細砂、粉砂等層位為富鹵層；ρ5電性層反映高礦化度鹵水及淡－鹵水過度層位；ρ6電性層特征為相對高阻層，反映為貧水或賦水性極差的新近系砂質泥巖層.

圖5 J3/M1點HKQH型曲線圖Fig.5 The HKQH-type curve at spot J3/M1

QH型曲線主要分布在剖面北端山前和盆地交接洼地過渡區，其電性組合為ρ1＞ρ2＞ρ3＜ρ4（圖6）.ρ1電性層反映表層的干燥不含水泥質砂礫石高阻電性層；ρ2電性層反映的地層為粉砂黏土、黏土（含水性差）；ρ3反映低礦化度的含粉砂黏土、泥質粉砂互層；ρ4反映盆地底部高阻值新近系砂質泥巖層.

圖6 141/M1點QH型曲線圖Fig.6 The QH-type curve at spot 141/M1

高礦化度鹵水地層電阻率明顯低于低礦化度地層（圖7），圖7中121/M1點電阻率曲線和141/M1點電阻率曲線分別為HKQH型和QH型曲線.在埋深200～1100 m之間，121/M1點曲線（ρ4、ρ5層）電阻率值基本上小于0.6Ωm，141/M1點曲線電阻率值則大于1.0Ωm（對應ρ3低礦化度的含粉砂黏土、泥質粉砂互層）.上述表明高礦化度鹵水地層與低礦化度地層呈不同電阻率曲線特征，且差異明顯.

圖7 高礦化度與低礦化度地層電性曲線對比圖Fig.7 Comparison of electrical curves between high and low salinity formations

結合以往地質、鉆孔資料、測井資料及本次MT、TEM等方法探測綜合分析解釋如下：

M1剖面北邊靠山，南邊鄰湖，穿過ZK4020、ZK4012、馬ZK4010三個鉆孔.通過TEM、MT兩種物探方法的電阻率反演成果圖可知本區第四系地層全部為低阻區.從馬海地區M1剖面綜合成果圖（圖8）可見，很明顯MT法探測深度最大，達到2300 m左右，TEM探測深度較淺，約為700 m.通過對比分析可知TEM分辨率明顯大于MT，但其探測深度有限，用MT方法可彌補TEM探測深度有限的不足.

圖8 M1剖面綜合成果圖Fig.8 Comprehensive results of section M1

由兩種物探方法綜合成果圖可知，該剖面表層為低電阻率，層狀特征不明顯，反映了表層巖性為含石膏的黏土粉砂、石鹽、粉砂黏土；中部至深部電阻率逐漸增大，電阻率呈層狀分布，推測為地下水礦化度逐漸降低所致.剖面電阻率整體趨勢是西南小東北大，在靠近北部基巖山區地段電阻率值整體抬升（兩種物探方法探測電阻率均有顯示），對應表層巖性的變化，且低電阻區逐漸變薄，呈上升趨勢，在端點處閉合，推測地層巖性為新近系砂質泥巖.TEM探測剖面距在-50～＋19 800 m之間，100 m深度以下電阻率基本小于1Ωm，其低阻區分布位置與MT探測的結果具有良好的對應性.結合TEM、MT兩種方法，在剖面距19 800 m以南，埋深100～1 200 m電阻率基本小于1Ωm，推測為第四系巖層中地下水高礦化度所致，其含水層巖性為細砂、粉細砂、粗砂、中粗砂互層.而電阻率介于0.7～0.4Ωm之間的區域主要為高礦化度鹵水區域，1 100 m深度以下電阻率有逐漸增大趨勢，推測為第四系巖層中地下水礦化度逐漸降低所致.在鹵水層中當電阻率在底部升至0.8Ωm時，含水巖層逐漸減少，推測該層位埋深即為鹵水層的底板界面.

TEM探測結果顯示，在剖面距14 750～16 000 m之間，300 m深度以下電阻率基本小于或等于0.6Ωm，為整條剖面最低區.對應MT探測結果，剖面距15 100～16 500 m之間，低阻異常區分布范圍整體往向東北方向偏移，但其中心位置對應性較好，該低阻區也是本次工作尋找的高礦化度鹵水異常靶區.剖面距20 000 m（公路）以北，TEM、MT探測結果都表明表層電阻率相對較高，由于靠近基巖山區，無結晶石鹽，推斷為含鹽量極少的泥質砂礫石等粗顆粒巖性.在剖面距21 900 m以北，電阻率曲線類型均為G型，且表現為高阻電性之反映.根據基巖出露情況及區域水文地質資料，推斷該處為新近系的砂質泥巖.

通過區內M1剖面的物探勘探成果可知，高礦化度鹵水多分布在埋深150～1 100 m的石鹽層中，其下部和盆地前緣周邊的第四系松散巖類孔隙含水層中無深層鹵水賦存.M1剖面富鹵情況為北邊封閉，南邊鹵水還未封閉，且鹵水層往南穩定延伸.在平面上高礦化度鹵水（鉀礦）異常靶區位于剖面距15 000～16 500 m.

最終施工鉆孔位于16 000 m附近，即為馬ZK4010號鉆孔，終孔深度為1 400.4 m，揭露鹵水賦存層位巖性為含黏土的石鹽、含粉砂的石鹽、粉砂石鹽等晶間鹵水及以粉細砂、礫砂、中粗砂為含鹵介質的孔隙鹵水.250 m以下揭露以粉細砂、細砂為含鹵介質的孔隙鹵水層位68層.鹵水礦層純厚度314.08 m，礦化度達280.8 g/L，最大涌水量為2 148.34 m3/d.鉆孔抽水試驗（數據見表2）驗證了物探推斷的異常靶區.通過該鉆孔評價，可以證實馬海地區賦存有大厚度孔隙鹵水，富水性中等，鹵水KCl含量達到工業品位，研究區深層鹵水鉀礦找礦前景好.

表2 馬ZK4010鉆孔抽水試驗數據Table 2 Pumping test data of borehole M-ZK4010

5 結語

（1）TEM 和MT方法在鹽湖區找鉀鹽效果良好，克服了鹽湖區接地困難等不利因素，基本查明了研究區高礦化度鹵水富集區域及第四系地層巖性、厚度等，為今后在鹽湖勘查工作中合理應用地球物理方法提供了依據.

（2）通過TEM、MT兩種物探方法的對比分析，得出瞬變電磁法在鹽湖區探測具有不接地、分辨率好、工作效率高等優勢，探測深度達700 m左右，適合中淺—中深部探測；大地電磁測深法在鹽湖區探測具有縱、橫向分辨率高特點，適合大深度探測（可達2 300 m）.

（3）目前物探本身存在一定的誤差及多解性，在推斷解譯時需參考鉆孔、地質資料，并采用綜合分析的思路來解譯成果圖，這樣才能達到兩種物探方法相互驗證的效果，并確保探測結果的準確性，為后期的地質成果解釋和鉆孔驗證提供可靠依據.

（4）本次綜合物探工作成果顯示的富鹵區（富含鉀礦）與非鹵區顯著的電性區別、分布規律和變化趨勢與地質鉆孔結果較吻合，可以作為鹽湖整裝勘查區的先行勘查手段，建議大范圍投入使用，利用TEM和MT兩種物探方法先行探測再指導鉆探施工，以減少布孔設計的盲目性.