周國興，沙亞南，李海慶

(江蘇長江地質(zhì)勘查院 210046)

1 礦區(qū)地質(zhì)

自古生代至侏羅紀(jì)，加拿大西部沉積盆地均為穩(wěn)定的克拉通臺地沉積序列，其間包括多套海侵與海退蒸發(fā)巖建造。尤其是在中泥盆世時(shí)期，盆地邊緣的構(gòu)造運(yùn)動和克拉通盆地內(nèi)的差異性升降塑造了盆地獨(dú)特的多級局限水文環(huán)境；并在構(gòu)造運(yùn)動、海平面升降、蒸發(fā)作用及氣候的有效配合、交互作用下形成了Elk Point盆地廣泛而巨量的蒸發(fā)巖沉積，鹽巖體積達(dá)6×104 km3，且在遠(yuǎn)離入?？诘慕K端盆地—薩斯喀徹溫次級盆地內(nèi)形成了世界上最大的鉀鹽礦床[1]。

加拿大地臺Elk Point盆地基底主要由片麻巖、角閃巖等變質(zhì)巖系組成的前寒武紀(jì)地層，其上以次沉積了古生代寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系，中生代侏羅系、白堊系和新近系、第四系等地層。其中，泥盆中統(tǒng)為含鹽巖地層[1-7]。

洪堡地區(qū)(Humboldt)位于薩斯喀徹溫盆地的中北部，該區(qū)鉀鹽礦石品位高，礦層穩(wěn)定。根據(jù)分區(qū)地質(zhì)資料洪堡礦區(qū)古生代早寒統(tǒng)、奧陶系下統(tǒng)中統(tǒng)、志留系上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)、石炭系、二疊系和中生代三疊系、白堊系上統(tǒng)、新生代古近系及新近系等地層缺失(表1)。

2 鉀鹽礦層沉積特征

區(qū)內(nèi)鉀鹽礦床主要賦存于中泥盆統(tǒng)的麋鹿組(Elk Point)上部草原蒸發(fā)巖(Prairie Evaporite)組頂部(Holter，1969 )，埋深約925～1 000 m。自上而下有兩層鉀鹽段，即裴辛斯湖(Patience Lake)鉀鹽段(K1)、貝爾普萊恩(Belle Plaine)鉀鹽段(K2)。鉀鹽礦層較穩(wěn)定，平均厚約20m；鉀品位較高，似水平狀展布。該區(qū)礦層下部的賦存奧陶系巨厚白云巖、灰?guī)r地層。該碳酸巖鹽地層經(jīng)長期水動力作用，局部形成巖溶后，引起上部地層坍塌，導(dǎo)致鉀鹽礦床的缺失[1-7]。更有甚者，在構(gòu)造相對復(fù)雜區(qū)域，因構(gòu)造裂隙發(fā)育，上部白堊系含水層與深部巖溶坍塌形成水力聯(lián)系，使巖溶坍塌區(qū)周邊包含鉀鹽礦層在內(nèi)的巖鹽地層發(fā)生大范圍溶解，有的溶解影響范圍達(dá)一至數(shù)平方公里。礦層溶解坍塌所產(chǎn)生的地質(zhì)問題，對鉀鹽礦開采形成巨大風(fēng)險(xiǎn)。

3 地球物理特征

(1)表、淺層地震地質(zhì)條件。本區(qū)屬于丘陵地區(qū)，地勢平緩。地表以砂質(zhì)黏土、黏土為主。潛水位一般在1～5 m。淺層激發(fā)條件較好。

(2)中、深層地震地質(zhì)條件。由麋鹿組各單元地層巖性分析可知，草原(Prairie)蒸發(fā)巖層頂板—第二紅層(2ND Red Bed)，由鈣質(zhì)頁巖或泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r組成。它既是區(qū)分草原(Prairie)蒸發(fā)巖層與道森灣段(Dawson Bay)的標(biāo)志層，又是鉀鹽礦層的頂板及隔水層。它與含鉀鹽礦巖鹽層波阻抗差異較大，能產(chǎn)生一組較好的地震反射波TPz6波。鉀鹽礦層底部白熊頁巖(write bear)與鉀鹽礦層之間也能產(chǎn)生一組能量較弱的地震反射波TPz5波。

另外，寒武系底得沃德(DeadWood)頁巖、砂巖互層與前寒武系片麻巖、角閃巖等變質(zhì)巖，中泥盆統(tǒng)埃辛段(Ashern)頁巖與下伏志留系英特萊克組(Interlake)白云巖，中泥盆統(tǒng)溫尼伯戈西斯段(Winnipegosis)白云巖與下伏埃辛段(Ashern)，中泥盆統(tǒng)殼牌湖層(Shell Lake)與下伏鹽巖層，上三疊統(tǒng)下沃特羅斯(Lower Watrous)砂質(zhì)頁巖與下伏薩斯喀徹溫組(Saskatchewan)鳥熊段(Birdbear)灰質(zhì)白云巖，白堊系科羅拉多組(Colorado)深灰-黑灰色頁巖夾砂巖與其下伏的曼維爾組(Mannville)的細(xì)-粗砂巖，第四系冰磧層與下伏白堊系貝勒河組(Belly River)砂巖層等亦存在較大的波組抗差異，分別能產(chǎn)生能量較強(qiáng)的反射波波組(圖1)。這為分析解釋區(qū)內(nèi)斷層、巖溶塌陷等構(gòu)造提供了依據(jù)。

上述波組標(biāo)定參考了加拿大地球物理學(xué)專家Andrew D Williamson及周邊已公開的鉀鹽礦地震勘探行業(yè)數(shù)據(jù)庫等資料， 結(jié)合本區(qū)鉆孔揭露地層情況部分進(jìn)行修編。具體反射波波組與地質(zhì)層位對應(yīng)關(guān)系見表1。

圖1 洪堡礦區(qū)地震波組特征圖Figure 1 Humboldt ore area seismic wave group features

4 地震資料解釋

4.1 構(gòu)造

4.1.1 大型塌陷區(qū)剖面特征

區(qū)內(nèi)鉀鹽礦層賦存邊界受次級構(gòu)造及塌陷規(guī)模所控制。如圖2所示，Tx1為大型塌陷區(qū)，表現(xiàn)為塌陷邊界兩側(cè)上下地層錯(cuò)斷，斷層落差約55m。塌陷邊界以南(左側(cè))構(gòu)造相對簡單，地層層序完整。以北地區(qū)次級斷層十分發(fā)育，且大多由下而上延伸至白堊系地層，三疊系以上地層層序相對完整，而泥盆系含巖鹽地層幾近“淋失”。說明：含鹽巖地層不均勻性溶解， 引起了上部地層不均勻性沉降和次級斷層的產(chǎn)生，上下水力導(dǎo)通性增強(qiáng)，進(jìn)一步加速鹽巖地層溶解。不均勻性沉降， 還造成三疊系以上地層層面參差不平，對地震波產(chǎn)生強(qiáng)烈散射作用，使深部反射波呈現(xiàn)散亂狀，甚至幾乎“消失”。

表1 洪堡地區(qū)地層巖性及與地震波對應(yīng)表

圖2 大型塌陷區(qū)在Line3上的顯示Figure 2 Display of large collapsed area on line No.3 section

同一大型塌陷區(qū)(Tx1)在如圖4所示中相鄰地震測線上則表現(xiàn)為：塌陷邊界右側(cè)泥盆系Prairie組含鹽巖地層已全溶解，左側(cè)溶蝕影響半徑達(dá)到數(shù)公里。塌陷區(qū)Tx2內(nèi)Prairie組含鹽地層厚度明顯變小，左右側(cè)亦存在明顯的溶蝕變薄現(xiàn)象，甚至Tx2與Tx1之間數(shù)公里Prairie組地層厚度也明顯變薄。說明塌陷區(qū)Tx2與Tx1可能通過易溶鉀鹽層形成一定連通。

另外，在大型塌陷區(qū)(Tx1)及較大型塌陷塌陷區(qū)(Tx2)范圍內(nèi)，上部晚白堊系沉積明顯加厚(圖3)。說明本地區(qū)鹽巖層溶蝕作用發(fā)生于白堊世晚期[4]。在形成大型塌陷的過程中，不僅造成塌陷區(qū)上部斷裂發(fā)育，還造成其周邊臨近地區(qū)的白堊系中易滑動變形的泥頁巖層向塌陷區(qū)方向傾斜、滑動，并形成了環(huán)繞塌陷區(qū)分布的一系列正斷裂，這在一定程度上又增加了與深部古生界之間的水力聯(lián)系，甚至成為油氣運(yùn)移良好通道[3]。白堊系中的系列正斷裂可能是同類地區(qū)上下地層形成兩套構(gòu)造系統(tǒng)的主因。

4.1.2 塌陷區(qū)平面分布特征

區(qū)內(nèi)巨型塌陷往往與區(qū)域構(gòu)造存在關(guān)聯(lián)，塌陷區(qū)在平面的分布表現(xiàn)為：鄰近巨型塌陷區(qū)數(shù)公里范圍內(nèi)的其次級塌陷較為發(fā)育，且一般皆塌陷至上部白堊系地層，且大多與上部白堊系形成水力聯(lián)系，鹽巖礦層溶解變薄明顯。圖5中巨型塌陷TX1面積大于40 km2，在其周圍分布的4個(gè)大型塌陷區(qū)均存在鹽巖礦層溶解變薄現(xiàn)象。遠(yuǎn)離巨型塌陷區(qū)則塌陷規(guī)模較小(如圖3中Tx3塌陷)，一般塌陷至僅至Prairie組含鹽系地層頂部，并不與上部白堊系形成水力聯(lián)系，對塌陷區(qū)附近的鹽巖層基本不產(chǎn)生溶蝕作用。

4.2 含鉀鹽礦層厚度變化趨勢分析

通過礦區(qū)內(nèi)鉆孔資料及圖2地震時(shí)間剖面上，對應(yīng)第二紅層( Second Red Bed)底界面的Tpz6波與其下第二負(fù)相位弱波Tpz5(對應(yīng)含鉀鹽礦層的底界面)，圖3中Tpz6波與Tpz5波之間的時(shí)間差由南至北逐漸減小，在北部巖鹽溶蝕區(qū)兩波組逐漸迫近。而該弱波Tpz5與殼牌湖(Shell Lake)形成的Tpz4波之間的時(shí)間差幾乎不變。即殼牌湖(Shell Lake)至第二紅層( Second Red Bed)之間波組時(shí)差變化正是含鉀鹽礦層厚度變化所引起的。結(jié)合區(qū)內(nèi)5-11孔的鉆井資料，礦區(qū)內(nèi)含鉀礦段厚度(包括裴辛斯湖(Patience Lake)鉀鹽段(K1)、貝爾普萊恩(Belle Plaine)鉀鹽段(K2)及之間鹽巖夾層)。圖4中，含鉀鹽礦層厚度在0～50m。南部相對較厚，北部相對較薄。據(jù)此推測：該含鉀鹽礦層的沉積中心應(yīng)在本勘查區(qū)西南部。

5 結(jié)論

洪堡地區(qū)鉀鹽礦勘探實(shí)踐表明，地震勘探技術(shù)能有效探測礦區(qū)構(gòu)造、預(yù)測鉀鹽礦賦存情況。鑒于礦區(qū)塌陷構(gòu)造較為發(fā)育，且部分大型塌陷區(qū)與上部含水層形成良好水力聯(lián)系，存在較大的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。因此，為提高勘探精度， 降低鉀鹽礦開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，類似地區(qū)在鉀鹽礦開發(fā)之前開展地震勘探十分重要。

圖3 不同規(guī)模塌陷區(qū)、次級斷層及含鉀礦層在Line2上的顯示Figure 3 Displays of different scaled collapsed areas, secondary faults and potash-bearing ore layers on line No.2 section

圖4 含鉀礦段厚度變化趨勢Figure 4 Potash-bearing ore sector thickness variation trend

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