趙英杰，胡舒婭，趙全升，李波，路來君

1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071；3.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590

0 引言

地下鹵水屬于較為特殊的地下水，作為一種可供開發(fā)利用的液體礦產(chǎn)資源，已被各國學(xué)者所公認(rèn)[1]。中國已探明的鉀鹽儲量絕大部分分布于青海省柴達(dá)木盆地和新疆羅布泊等幾個現(xiàn)代鹽湖中，且主要以液體鹵水礦為主[2-4]。

柴達(dá)木盆地中鹽湖含水層賦存鹵水的孔隙介質(zhì)骨架礦物(石鹽、石膏和光鹵石等)具有較強(qiáng)的易溶性，地下鹵水又具有高礦化度、多組分、易析出等特點(diǎn)[5-6]。天然狀態(tài)下含鹵水層中鹵水運(yùn)移極為緩慢，鹽巖孔隙介質(zhì)與鹵水間處于相對穩(wěn)定的化學(xué)平衡狀態(tài)[7-9]。但在開采過程中，滲流場、化學(xué)場劇烈波動變化，打破了原有平衡，導(dǎo)致鹵水化學(xué)組分及動態(tài)不斷變化且持續(xù)演化，研究鹵水水化學(xué)動態(tài)及其演化規(guī)律對于及時掌握鹵水工業(yè)指標(biāo)品位新變化、資源儲量計(jì)算與評價等方面具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義[10-14]。國內(nèi)外學(xué)者對地下水鹵水水化學(xué)特征及其成因進(jìn)行了大量的研究，Larsen D et al.研究了美國加利福尼亞州東南部特科帕盆地地下鹵水的水化學(xué)組成并利用同位素研究了鹵水的來源[15]。Eseme E et al.通過研究喀麥隆西南馬梅弗盆地5處鹵水井的水文地球化學(xué)特征，推測鹽源的礦物含量并結(jié)合地質(zhì)特征分析了鹵水的成因[16]。Bo Y et al.通過研究中國西部塔里木盆地鹽泉水化學(xué)特征及其控制因素，發(fā)現(xiàn)塔里木盆地的河流水組成與周圍巖石類型和強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用密切相關(guān)，同時來自深部的熱液型鈣鹵化物在塔里木盆地的水化學(xué)演化中起著重要作用[17]。Ye C Y et al.基于鹵水化學(xué)成分和氫氧同位素研究了中國西北柴達(dá)木盆地尕斯庫勒鹽湖豐富鹽礦的起源[18]。劉溪溪等通過對柴達(dá)木盆地西部獅子溝深部鹵水水化學(xué)特征、物質(zhì)來源的分析，發(fā)現(xiàn)獅子溝深部鹵水主要是鹽巖溶解作用形成的，其中不乏有沉積鹵水的加入[19]。但相關(guān)研究大多數(shù)側(cè)重于成巖作用對鹵水同位素組分和化學(xué)成分的控制作用，對于開采過程中鹵水水化學(xué)動態(tài)特征及其演化規(guī)律的研究較少[20]。本文以柴達(dá)木盆地馬海鹽湖為研究對象，選擇開采前、開采初期和開采中后期地下鹵水，采用多種方法分析馬海鹽湖地下鹵水水化學(xué)動態(tài)特征，探索其演化規(guī)律，為地下鹵水的合理開發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

馬海鹽湖位于柴達(dá)木盆地東北部(圖1)，是由褶皺和斷裂構(gòu)造運(yùn)動形成的一個次級盆地。盆地內(nèi)廣泛分布第四系下更新統(tǒng)—全新統(tǒng)(Qp1-Qh)，其含鹵水層以鹽類沉積物為主并夾雜有黏性土、砂等碎屑物，主要賦存于中新統(tǒng)(Qp2)、上更新統(tǒng)(Qp3)和全新統(tǒng)(Qh)地層中。

圖1 馬海鹽湖位置及樣品點(diǎn)分布圖Fig.1 Location and sample distribution map of Mahai salt lake

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷默F(xiàn)代內(nèi)陸鹽湖沉積平原，海拔2 743～2 750 m。多年平均氣溫2.1℃，多年平均降水量29.61 mm，多年平均蒸發(fā)量3 040 mm，屬典型的內(nèi)陸干旱氣候，多風(fēng)少雨，氣候寒冷，晝夜溫差較大[5-6]。

2 數(shù)據(jù)處理

馬海鹽湖自2000年開始開采潛鹵水，至2009年鹵水潛水含水層水位已出現(xiàn)較大范圍的降落漏斗。為研究開采過程中地下鹵水水化學(xué)動態(tài)特征，分別選取潛鹵水未開采前(1998年)、開采初期(2002年)和開采后期(2009年)三個時期的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

表1 馬海鹽湖鹵水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of chemical parameters of Mahai salt lake

3 結(jié)果與討論

3.1 離子含量統(tǒng)計(jì)特征

3.2 離子含量相關(guān)性分析

表2 不同階段鹵水樣品離子含量相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of ionic content of brine samples in different stages

未開采前，K+與TDS及Na+，Mg2+，Cl-均具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，表明天然狀態(tài)下，隨著鹵水的蒸發(fā)濃縮、TDS增大，K+含量也在不斷增加。而在開采后，K+與TDS及Na+，Mg2+，Cl-相關(guān)性均較小，并且從表1中也可以看出，開采后K+含量明顯下降，說明鹵水開采過程中K+補(bǔ)給較少。

鹵水樣品中Mg2+與 Cl-離子均表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.759、0.920、0.930，即隨著TDS的增大Mg2+含量在不斷增加。Mg2+與Na+均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，3個階段的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.987、-0.974、-0.959。Mg2+與Ca2+相關(guān)性較弱。

3.3 離子比例分析

從Na+、Ca2+與Mg2+含量比例散點(diǎn)圖中(圖2)可以看出，3個階段鹵水樣品中Na+、Ca2+與Mg2+含量比例系數(shù)大致相同，總體上表現(xiàn)為隨著Mg2+含量增加，Na+含量逐漸降低。Ca2+含量較小，且隨Mg2+含量的增加幾乎不變。說明當(dāng)鹵水中的TDS達(dá)到一定值時，Na+開始與儲鹵介質(zhì)中吸附的Mg2+進(jìn)行離子交換，反應(yīng)式可以寫成：

圖2 鹵水Na +、Ca2+與Mg2+含量比例散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram of content ratios of Na +, Ca2+ and Mg2+ in brine

Mg-X+2Na+→Mg2++Na-X

(1)

Ca2+含量遠(yuǎn)小于Mg2+含量，開采中后期鹵水樣品中Mg2+平均含量高于未開采前鹵水樣品的Mg2+含量，說明鹵水在開采的過程中發(fā)生了白云石的溶解，方解石的沉淀。

(2)

(3)

3.4 鹵水水化學(xué)類型

圖3 不同階段鹵水水化學(xué)類型分布圖Fig.3 Distribution map of hydrochemical types of brine at different stages

4 結(jié)論

(2)鹵水樣品中Mg2+與Na+均表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，3個階段的相關(guān)性系數(shù)分別為-0.987、-0.974、-0.959,隨著Mg2+含量增加，Na+含量逐漸降低。存在Na+與儲鹵介質(zhì)中Mg2+的離子交換，且鹵水開采的過程中存在白云石的溶解和方解石的沉淀。

(3)按照瓦利亞什科水化學(xué)分類方法，馬海鹽湖地下鹵水水化學(xué)類型主要為硫酸鎂亞型，局部有氯化物型地下鹵水。總體上，馬海鹽湖已經(jīng)達(dá)到了石鹽析出階段，在開采過程中鹵水水化學(xué)類型并未發(fā)生較大改變。