柴達木盆地馬海鹽湖地下鹵水地球物理探測及應用

趙全升, 孔智涵, 胡舒婭, 張建偉

青島大學環境科學與工程學院,山東 青島 266071

0 引言

鉀是重要的戰略性礦產資源,也是較為緊缺的礦產資源之一,目前我國50%以上的鉀鹽資源依賴進口[1]。我國可溶性鉀鹽僅占世界鉀鹽資源儲量的1.80%,其中只有極少的鉀鹽資源以固體狀態賦存且品位較低,約92%的可溶性鉀鹽資源以液體(鹵水)狀態賦存,其主要分布于柴達木盆地鹽湖儲鹵層中[2]。由于柴達木盆地鹽湖儲鹵介質具有較強的非均質和各向異性特征,且儲鹵介質的孔隙度較小,研究區內富鹵水性能相差懸殊,使得目前對鹽湖地下鹵水資源的探測與開發面臨較大的技術挑戰[3-5]。

地下鹵水與石油類似,都是以流體形式賦存于地下巖層中。巖層中賦存流體后會反映出不同的地球物理性質,因此對于地下鹵水資源的勘探多借鑒石油勘探中積累的技術方法[6-7]。探測的主要依據為地層巖性、儲層物性和填充孔隙流體性質的空間變化,以及由此產生的地震反射波變化[8]。王建功等[9]通過大量地質及地球化學資料,分析了柴達木盆地鹽湖沉積特征。李世金等[10]通過對青海省礦產勘查結果進行系統總結分析,提出了具有找礦前景的成礦系列組并對礦區做了總結分析。潘彤等[11]全面系統地劃分了柴達木盆地鹽類礦產成礦單元。黃華等[12]利用地震探測法對鉆孔儲層進行了垂向高分辨率識別,對鹵水礦層中地震探測波中的振幅、頻率、波形等進行擬合,對江漢盆地江陵凹陷區富鉀鹵水進行預測,取得了較好效果;但由于不同儲鹵層類型的鹵水反映出的地震敏感參數不同,故采用該方法進行預測時,需對鹵水成因規律及儲鹵層沉積特征進行分析研究和綜合評判。王曉燕等[13]提出了自動水位計在抽水試驗中水頭損失的解決方案。張兵等[14]對四川盆地白云巖儲層進行了地球化學特征分析,確定了優質儲層。董崇澤等[15]完善了抽水試驗在水文地質參數研究領域的應用。楊震中等[16]基于高頻大地電磁探測法對西藏芒康縣鹽井鄉中高溫、高礦化度鹽鹵水進行探測,發現高頻大地電磁探測法在探測低阻鹽礦層領域具有較好的效果;但該方法具有一定局限性,一方面是勘探的視電阻率值不能作為標定巖性強弱的指標,需要結合其他信息綜合判定,另一方面,測區高壓電線會對采集數據的準確性產生較大影響。

柴達木盆地鹽湖地下鹵水常規探測方法通常是采用沿勘探線布鉆取心試驗方法,缺乏有效的地面物探技術支持,且探測尺度較小,精度較低[17-21]。本研究基于地球物理探測信息集成技術,確定并建立了馬海鹽湖深層鹵水首個試驗開采區,并定位了富集鹵水性能較好的水文地質鉆探驗證井位,以期實現深層地下鹵水多尺度、多種物探方法(高精度重力探測法、音頻大地電磁探測法、高分辨率地震探測法)的信息集成與創新應用。

1 研究區概況

馬海鹽湖位于柴達木盆地東北部,研究區為馬海鹽湖北部馬海礦區(圖1),由鹽類沉積物構成含鹵水層,黏性土、砂層等碎屑物構成弱透水層。由勘查資料[5]可知該區有2～5個含鹵水層(組),各層(組)間通過砂層及弱透水層越流發生水力聯系。由于各含鹵水層(組)之間存在著較為密切的水力聯系,可將本區地下鹵水視為統一的含鹵水系統,以潛鹵水特征為主,局部呈微承壓。鉆孔深度為85.00～150.00 m,所揭露含鹵水層厚度為20.11～51.35 m,平均厚度為39.56 m。

圖1 馬海鹽湖及研究區位置圖

鹵水水位天然埋深為0.75～2.13 m,礦化度為307.72～463.50 g/L,平均為356.90 g/L。主要陽離子為K+、Na+、Mg2+,主要陰離子為Cl-、SO42-。水化學類型主要為硫酸鹽型、氯化物型(又稱氯化鈣型)、硫酸鹽型向氯化物型過渡型。

2 數據與方法

本文采用了高精度重力探測法、音頻大地電磁探測法和高分辨率地震探測法3種方法,依據地球物理探測相關技術標準及要求,進行了測點與測線布置(圖2)。

MHEH4-1①與MHEH4-1②屬于勘探線MHEH4-1的兩條分段。

高精度重力探測法以萬有引力定律為基礎,測量與圍巖有密度差異的地質體在其周圍引起的重力異常。結合研究區地質資料,對重力異常進行定性或定量解釋,以確定地質體存在的空間位置﹑規模及形狀等,從而判斷地質構造和礦產分布[22-26]。根據不同地層巖性密度性質的差異,可測定盆地基底特征、控制性斷層及構造等[27-28]。根據研究需要,結合現場踏勘,重力勘探布設3條測線(MHZL-1、MHZL-2、MHZL-3),布置測點119個,測線長度18 000 m。

音頻大地電磁探測法(EH-4探測)以地殼中巖石和礦石的導電性與導磁性差異為基礎,分析電磁波在地下不同介質傳播過程中表現出的不同特征,從而明確地下介質電性變化規律[19]。根據富鹵水區與其他區域導電性的差異,可識別富鹵水區與非富鹵水區。音頻大地電磁探測布設了4條測線(MHEH4-0、MHEH4-1、MHEH4-2、MHEH4-3),布置測點199個,測線長度15 900 m。

高分辨率地震探測法采用炸藥或非炸藥機械震源以激發地震波,向地下傳播的地震波遇到介質彈性差異界面(結構面或地層界面)時產生反射、透射、折射等物理過程,在地表或鉆孔中布置檢波器,配合地震儀采集地下彈性界面地震反射波信號,并處理和分析相關記錄,結合地質資料獲取相關信息[20]。根據不同地層巖性彈性差異,充分利用該方法的分層優勢[29-31],可識別斷層構造和富鹵水地層。淺層地震探測布設3條測線(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),布置測點199個,測線長度3 773 m。

3 結果與分析

3.1 高精度重力探測法

3.1.1 布格重力異常

各測點觀測值經過校正后取得布格重力異常值,研究區布格重力異常變化范圍為0.5～11.5(圖3)。為進一步厘清研究區基底情況,對重力異常作了50、100、400、600、1 000、2 000 m等6個不同高度的向上延拓。由布格重力異常分布圖得出基底形態,主體呈現東北、西南高,中間低的凹陷狀。上層較陡、下層較緩,兩層之間繼承性較好。

圖3 研究區布格重力異常等值線

3.1.2 斷層劃分

為探明研究區斷層分布特征,采用水平與垂向導數方法處理。基于離散余弦變換重力異常水平、垂向一階導數公式進行數據處理:

Δgx(x,0)=C-1[2πuΔGCπ/2(u,0)];

Δgz(x,0)=C-1[2πuΔG(u,0)];

式中:Δg為某點重力異常值,mGal;C-1為離散余弦反變換;u為x方向的波數;ΔGCπ/2(u,0)表示相位偏移π/2的離散余弦變換譜;c(k)為頻譜索引;k,n=0,1,2,...,N-1;z為大于0的常量。

根據重力異常形態、水平一階導數極值點以及垂向一階導數零值點位置,結合歐拉反褶積(構造指數取0)進行斷層分析。重磁異常的斷層標志主要包括以下幾條:1)線性的梯度變化帶;2)異常特征的分界線;3)異常發生錯動;4)異常等值線發生規律性扭曲;5)異常寬度發生突然變化形成梯度帶;6)串珠狀異常[30]。水平導數的極大值和垂向導數的零值與地質體邊界對應。歐拉反褶積能自動估算場源位置,通過異常的空間導數和不同地質體特定的構造指數來反演場源位置。構造指數是歐拉反褶積方法的重要參數,構造指數值選擇的正確與否直接影響到了場源深度反演解的準確性和穩定性。Fairhead 等[31]認為規模較大斷層構造指數取值為0.5,規模較小斷層構造指數取值較小,本次取0。

本次研究先通過對重磁等位場資料的邊界識別處理了主要位場邊界的分布,然后結合區域內的地質背景和其他技術手段識別的結果,在研究區推斷出6條斷層(圖4)。

a. 布格重力異常; b. 一階導數; c. 歐拉反褶積結果。

3.1.3 正演擬合

選擇測線MHZL-1進行正演擬合(圖5),圖5a中黑點虛線為實測布格重力異常曲線,黑色實線為地下巖體擬合布格重力異常曲線。由圖5a可知,兩條曲線擬合效果較好,其曲線右側急速上升,表明橫向上密度在某一深度發生突變,推斷該處存在正斷層。圖5b中的斷層驗證了模擬結果。

3.2 音頻大地電磁探測法

分析鉆孔K1、K7錄井資料和MHEH4測線電阻率剖面(圖6),得出本區地層與電阻率曲線特征,探測區劃分出2個電性分區,其中富鹵水區電阻率值為0～3 Ω·m,非富鹵水區電阻率值>4 Ω·m,兩區以電阻率3～4 Ω·m為分界線。根據研究區音頻大地電磁探測構造解譯圖(圖7),可知探測區內有明顯斷層構造。

3.2.1 富鹵水區分布

分析圖6可知,MHEH4-0測線180～380 m處,MHEH4-1測線50～250、950～1 100、1 750～1 850 m處,MHEH-4-2測線400～550、-300～-200、-600～-400 m處,MHEH-4-3測線1 000～1 100 m處,均有電阻率≤3 Ω·m,但其兩翼電阻率高于4 Ω·m。結合本區地電特征,推斷該區為富鹵水區域。

3.2.2 控鹵水構造分布區域

由圖7可知,MHEH4-0測線200～300、900～1 050 m處,MHEH4-1①測線50～100、950～1 050 m處、MHEH4-1②測線1 750～1 950 m處,MHEH4-2測線400～550、-300～-100、-700～-600 m處,兩翼電阻率明顯高于4 Ω·m,推測該區域可能存在控水構造,命名為F0、F1和F2斷層。

3.3 高分辨率地震探測法

3.3.1 地層標定

根據地質和鉆孔資料,進行地震時間剖面向地質剖面轉化,結合地震資料解釋,建立地震剖面反射體(如地震反射波組)與地質體之間的對應關系,完成地層層位標定。

3.3.2 構造

根據地層標定結果和地震剖面對應的反射波場和速度場特征,建立其與地質構造幾何參數之間的關系,推測地質構造及其空間展布。通過分析3條地震法測線探測結果得出:

1)通過K2鉆孔的MHDZ-1線與通過K7鉆孔的MHDZ-3線地層結構和地質構造情況類似(圖2、圖8)。

圖8 研究區MHDZ-1測線地震解釋剖面

2)以通過K2鉆孔的MHDZ-1測線為例,測線的淺部存在一個小凹陷(圖8),推斷凹陷中心(剖面700 m處)以北存在正斷層F1,傾角S85.2°;推斷凹陷中心以南存在2個小的正斷層(F1-1,F1-2),斷層行跡存在于第四系,可能由斷層F1活動誘發。

3)通過K7鉆孔的MHDZ-3測線,由于測線偏南,未能控制MHDZ-1線解釋的斷層F1。高分辨率地震勘探結果表明,富鹵水層可能受到斷層構造控制,在斷層及其次生斷層附近更有利于地下鹵水富集。

3.4 地球物理探測信息集成

3.4.1 地球物理探測模型

綜合分析3種地球物理方法探測結果,針對探測目標分析地球物理響應,構建地下鹵水探測地球物理模型(表1)。

表1 鹽湖地下鹵水探測地球物理模型

通過音頻大地電磁勘查可知,馬海鹽湖富鹵水區與非富鹵水區電阻率分界線是3～4 Ω·m,富鹵水區電阻率變化規律小于3 Ω·m,非富鹵水電阻率大于4 Ω·m。

3.4.2 探測結果集成

構造是馬海鹽湖地下鹵水資源勘探的重要地質要素。本次探測研究主要采用高精度重力探測法、音頻大地電磁探測法和高分辨率地震探測法3種方法,對于研究區內斷層構造均有不同程度的揭示。高分辨率地震探測法依據斷層構造兩翼電性差異進行判定,音頻大地電磁探測法通過電阻率變化以追蹤控鹵水構造位置。在4條測線不同位置,出現了兩翼電阻率明顯高于4 Ω·m,而中間電阻率值較低的電磁異常特征;因而推測該區域可能存在控鹵水構造(圖7)。高分辨率地震勘探中,根據地層標定結果并考慮地震剖面對應的反射波場和速度場特征,建立其與地質構造幾何參數之間的關系,進行勘探區域可能存在的斷層構造及其空間展布推斷。在研究區內布置了通過K2和K7鉆孔并垂直構造走向,以及與鹽田南邊緣平行構造走向的3條測線(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),見圖2。

結合地震剖面可知,通過K2和K7鉆孔的2條測線所揭示地層結構和斷層特征相似,鹽田南邊緣測線未解釋出明顯的斷層行跡。通過K2鉆孔地震測線揭示出3條斷層構造(F1,F1-1,F1-2),凹陷中心以北存在正斷層F1,凹陷中心以南存在2個小的正斷層(F1-1,F1-2)(圖8)。淺層高分辨率地震探測和音頻大地電測探測(圖9)結果顯示有3條明顯斷層。由通過K7鉆孔的地震勘探推斷出3條斷層,其中2條小斷層(F1-1,F1-2)行跡與通過K2鉆孔的斷層F1表現特征一致,剖面北側所揭示斷層與音頻大地電磁探測勘探出的斷層F1相吻合。

圖9 研究區淺層高分辨率地震與音頻大地電磁探測結果

應用高精度重力勘探進行斷層構造判定時,應先根據實測獲取的重力異常,采用水平導數、垂直導數、歐拉反褶積等計算方法,求取曲線極值點和零點位置;再通過計算推斷出斷層位置(圖4);最后利用重力布格異常曲線擬合區域地層結構(圖5),以進一步驗證計算所確定斷層構造的可靠性。從不同勘探方法實際應用效果分析可知,音頻大地電磁法可揭示0～200 m深度范圍內控鹵水構造展布,地震勘探可以精細確定一定深度范圍(0～400 m)地層結構和控鹵水構造展布,高精度重力勘探根據重力異常進行計算,從而可揭示區域斷層構造位置。

根據鉆孔K1、K2錄井信息和音頻大地電磁探測結果,通過分析區域地層與電阻率特征,研究區可劃分出2個電性分區:富鹵水區(電阻率0～3 Ω·m)和非富水鹵區(電阻率大于4 Ω·m),兩區以電阻率3～4 Ω·m為分界線。根據音頻大地電磁探測構造解譯(圖7)能更加精確地判定斷層深度,其中,MHEH4-0測線200、1 000 m處,MHEH4-1①測線50、1 050 m處、MHEH4-1②1 750 m處,MHEH4-2測線500、-200、-500 m處均有其電阻率≤3 Ω·m,兩翼電阻率>3 Ω·m,推斷上述測線區域存在斷層構造。

通過高精度重力探測、音頻大地電磁探測和高分辨率地震探測信息集成分析,在研究區內圈定出兩處富鹵水區,富鹵水區Ⅰ和富鹵水區Ⅱ(圖10)。其中:富鹵水區Ⅰ由K12、K13、K14、K16、K17、K21、K22、K25、K26井組成,呈近條帶狀分布;富鹵水區Ⅱ由T1、K1、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10井組成,呈近橢圓型分布。

圖10 研究區富鹵水區及抽水試驗孔位分布圖

4 方法驗證

在圈定的兩處富鹵水區,分別進行水文地質鉆探和抽水試驗驗證(表2),富鹵水區Ⅰ的平均出水量為37 297 m3/d,富鹵水區Ⅱ的平均出水量為35 736 m3/d,根據《鹽湖和鹽類礦產地質勘察規范》(DZT 0212—2002)[32],出水量均達到富水性能強的水平。在圈定富水區內進行試驗采鹵,可保障3 a的持續性穩定開采。開采試驗結果表明,在馬海鹽湖地下鹵水勘查物探定井應用研究中,采用高精度重力探測法、音頻大地電磁探測法、高分辨率淺層地震探測法等地球物理信息探測方法,實施先導性試驗勘查,圈定地下鹵水富集區域,精細劃分出鹽儲層(含、隔鹵水層)結構和巖鹽層裂隙構造。這一關鍵集成技術可為鹽湖精準探測找鉀提供可靠的技術支撐。

表2 研究區富鹵水區抽水試驗結果

5 結論與建議

1)通過地球物理信息集成方法,對馬海鹽湖富鹵水區進行探測,并構建地下鹵水探測地球物理模型,可精細劃分鹽儲層(含、隔鹵水層)結構和巖鹽層裂隙構造。即根據重力異常形態,計算標定出可能的斷層構造位置;通過音頻大地電磁探測方法,分析控鹵水構造展布和儲鹵層分布;采用高精度地震探測方法,確定出深度0～400 m地層結構、控鹵水構造以及富鹵水層分布。

2)通過水文地質鉆探和抽水試驗,對地球物理信息集成方法圈定的兩處地下鹵水富集區域進行驗證,結果表明兩處鹵水富集區均達到富水性能強的水平,出水量分別為37 297、35 736 m3/d,兩處鹵水富集區可實現持續與穩定開采。

3)本次的試驗性探測研究,由于測點與測線間距偏大,所獲結果尚不足以揭示局部的細微構造。今后研究中建議適當增加探測工作量,以實現對富鹵水條帶及細微構造的精準把控。