趙全升, 孔智涵, 胡舒婭, 張建偉

青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266071

0 引言

鉀是重要的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源,也是較為緊缺的礦產(chǎn)資源之一,目前我國50%以上的鉀鹽資源依賴進(jìn)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(tài)賦存且品位較低,約92%的可溶性鉀鹽資源以液體(鹵水)狀態(tài)賦存,其主要分布于柴達(dá)木盆地鹽湖儲鹵層中[2]。由于柴達(dá)木盆地鹽湖儲鹵介質(zhì)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)和各向異性特征,且儲鹵介質(zhì)的孔隙度較小,研究區(qū)內(nèi)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(fā)面臨較大的技術(shù)挑戰(zhàn)[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(zhì),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(shù)方法[6-7]。探測的主要依據(jù)為地層巖性、儲層物性和填充孔隙流體性質(zhì)的空間變化,以及由此產(chǎn)生的地震反射波變化[8]。王建功等[9]通過大量地質(zhì)及地球化學(xué)資料,分析了柴達(dá)木盆地鹽湖沉積特征。李世金等[10]通過對青海省礦產(chǎn)勘查結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)分析,提出了具有找礦前景的成礦系列組并對礦區(qū)做了總結(jié)分析。潘彤等[11]全面系統(tǒng)地劃分了柴達(dá)木盆地鹽類礦產(chǎn)成礦單元。黃華等[12]利用地震探測法對鉆孔儲層進(jìn)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(jìn)行擬合,對江漢盆地江陵凹陷區(qū)富鉀鹵水進(jìn)行預(yù)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(shù)不同,故采用該方法進(jìn)行預(yù)測時,需對鹵水成因規(guī)律及儲鹵層沉積特征進(jìn)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(yàn)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(jìn)行了地球化學(xué)特征分析,確定了優(yōu)質(zhì)儲層。董崇澤等[15]完善了抽水試驗(yàn)在水文地質(zhì)參數(shù)研究領(lǐng)域的應(yīng)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(xiāng)中高溫、高礦化度鹽鹵水進(jìn)行探測,發(fā)現(xiàn)高頻大地電磁探測法在探測低阻鹽礦層領(lǐng)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(biāo)定巖性強(qiáng)弱的指標(biāo),需要結(jié)合其他信息綜合判定,另一方面,測區(qū)高壓電線會對采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。

柴達(dá)木盆地鹽湖地下鹵水常規(guī)探測方法通常是采用沿勘探線布鉆取心試驗(yàn)方法,缺乏有效的地面物探技術(shù)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(shù),確定并建立了馬海鹽湖深層鹵水首個試驗(yàn)開采區(qū),并定位了富集鹵水性能較好的水文地質(zhì)鉆探驗(yàn)證井位,以期實(shí)現(xiàn)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(chuàng)新應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

馬海鹽湖位于柴達(dá)木盆地東北部,研究區(qū)為馬海鹽湖北部馬海礦區(qū)(圖1),由鹽類沉積物構(gòu)成含鹵水層,黏性土、砂層等碎屑物構(gòu)成弱透水層。由勘查資料[5]可知該區(qū)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(fā)生水力聯(lián)系。由于各含鹵水層(組)之間存在著較為密切的水力聯(lián)系,可將本區(qū)地下鹵水視為統(tǒng)一的含鹵水系統(tǒng),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(qū)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(xué)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(shù)據(jù)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(jù)地球物理探測相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求,進(jìn)行了測點(diǎn)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(chǔ),測量與圍巖有密度差異的地質(zhì)體在其周圍引起的重力異常。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料,對重力異常進(jìn)行定性或定量解釋,以確定地質(zhì)體存在的空間位置﹑規(guī)模及形狀等,從而判斷地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布[22-26]。根據(jù)不同地層巖性密度性質(zhì)的差異,可測定盆地基底特征、控制性斷層及構(gòu)造等[27-28]。根據(jù)研究需要,結(jié)合現(xiàn)場踏勘,重力勘探布設(shè)3條測線(MHZL-1、MHZL-2、MHZL-3),布置測點(diǎn)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(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為基礎(chǔ),分析電磁波在地下不同介質(zhì)傳播過程中表現(xiàn)出的不同特征,從而明確地下介質(zhì)電性變化規(guī)律[19]。根據(jù)富鹵水區(qū)與其他區(qū)域?qū)щ娦缘牟町?可識別富鹵水區(qū)與非富鹵水區(qū)。音頻大地電磁探測布設(shè)了4條測線(MHEH4-0、MHEH4-1、MHEH4-2、MHEH4-3),布置測點(diǎn)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(jī)械震源以激發(fā)地震波,向地下傳播的地震波遇到介質(zhì)彈性差異界面(結(jié)構(gòu)面或地層界面)時產(chǎn)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(guān)記錄,結(jié)合地質(zhì)資料獲取相關(guān)信息[20]。根據(jù)不同地層巖性彈性差異,充分利用該方法的分層優(yōu)勢[29-31],可識別斷層構(gòu)造和富鹵水地層。淺層地震探測布設(shè)3條測線(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),布置測點(diǎn)199個,測線長度3 773 m。

3 結(jié)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(diǎn)觀測值經(jīng)過校正后取得布格重力異常值,研究區(qū)布格重力異常變化范圍為0.5～11.5(圖3)。為進(jìn)一步厘清研究區(qū)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(tài),主體呈現(xiàn)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(qū)布格重力異常等值線

3.1.2 斷層劃分

為探明研究區(qū)斷層分布特征,采用水平與垂向?qū)?shù)方法處理?；陔x散余弦變換重力異常水平、垂向一階導(dǎo)數(shù)公式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diǎn)重力異常值,mGal;C-1為離散余弦反變換;u為x方向的波數(shù);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(jù)重力異常形態(tài)、水平一階導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)以及垂向一階導(dǎo)數(shù)零值點(diǎn)位置,結(jié)合歐拉反褶積(構(gòu)造指數(shù)取0)進(jìn)行斷層分析。重磁異常的斷層標(biāo)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(fā)生錯動;4)異常等值線發(fā)生規(guī)律性扭曲;5)異常寬度發(fā)生突然變化形成梯度帶;6)串珠狀異常[30]。水平導(dǎo)數(shù)的極大值和垂向?qū)?shù)的零值與地質(zhì)體邊界對應(yīng)。歐拉反褶積能自動估算場源位置,通過異常的空間導(dǎo)數(shù)和不同地質(zhì)體特定的構(gòu)造指數(shù)來反演場源位置。構(gòu)造指數(shù)是歐拉反褶積方法的重要參數(shù),構(gòu)造指數(shù)值選擇的正確與否直接影響到了場源深度反演解的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。Fairhead 等[31]認(rèn)為規(guī)模較大斷層構(gòu)造指數(shù)取值為0.5,規(guī)模較小斷層構(gòu)造指數(shù)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(jié)合區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)背景和其他技術(shù)手段識別的結(jié)果,在研究區(qū)推斷出6條斷層(圖4)。

a. 布格重力異常; b. 一階導(dǎo)數(shù); c. 歐拉反褶積結(jié)果。

3.1.3 正演擬合

選擇測線MHZL-1進(jìn)行正演擬合(圖5),圖5a中黑點(diǎn)虛線為實(shí)測布格重力異常曲線,黑色實(shí)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(cè)急速上升,表明橫向上密度在某一深度發(fā)生突變,推斷該處存在正斷層。圖5b中的斷層驗(yàn)證了模擬結(jié)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(qū)地層與電阻率曲線特征,探測區(qū)劃分出2個電性分區(qū),其中富鹵水區(qū)電阻率值為0～3 Ω·m,非富鹵水區(qū)電阻率值>4 Ω·m,兩區(qū)以電阻率3～4 Ω·m為分界線。根據(jù)研究區(qū)音頻大地電磁探測構(gòu)造解譯圖(圖7),可知探測區(qū)內(nèi)有明顯斷層構(gòu)造。

3.2.1 富鹵水區(qū)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(jié)合本區(qū)地電特征,推斷該區(qū)為富鹵水區(qū)域。

3.2.2 控鹵水構(gòu)造分布區(qū)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(qū)域可能存在控水構(gòu)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(biāo)定

根據(jù)地質(zhì)和鉆孔資料,進(jìn)行地震時間剖面向地質(zhì)剖面轉(zhuǎn)化,結(jié)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(zhì)體之間的對應(yīng)關(guān)系,完成地層層位標(biāo)定。

3.3.2 構(gòu)造

根據(jù)地層標(biāo)定結(jié)果和地震剖面對應(yīng)的反射波場和速度場特征,建立其與地質(zhì)構(gòu)造幾何參數(shù)之間的關(guān)系,推測地質(zhì)構(gòu)造及其空間展布。通過分析3條地震法測線探測結(jié)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(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造情況類似(圖2、圖8)。

圖8 研究區(qū)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(fā)。

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(jié)果表明,富鹵水層可能受到斷層構(gòu)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(jié)果,針對探測目標(biāo)分析地球物理響應(yīng),構(gòu)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(qū)與非富鹵水區(qū)電阻率分界線是3～4 Ω·m,富鹵水區(qū)電阻率變化規(guī)律小于3 Ω·m,非富鹵水電阻率大于4 Ω·m。

3.4.2 探測結(jié)果集成

構(gòu)造是馬海鹽湖地下鹵水資源勘探的重要地質(zhì)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(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造均有不同程度的揭示。高分辨率地震探測法依據(jù)斷層構(gòu)造兩翼電性差異進(jìn)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(gòu)造位置。在4條測線不同位置,出現(xiàn)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(qū)域可能存在控鹵水構(gòu)造(圖7)。高分辨率地震勘探中,根據(jù)地層標(biāo)定結(jié)果并考慮地震剖面對應(yīng)的反射波場和速度場特征,建立其與地質(zhì)構(gòu)造幾何參數(shù)之間的關(guān)系,進(jìn)行勘探區(qū)域可能存在的斷層構(gòu)造及其空間展布推斷。在研究區(qū)內(nèi)布置了通過K2和K7鉆孔并垂直構(gòu)造走向,以及與鹽田南邊緣平行構(gòu)造走向的3條測線(MHDZ-1、MHDZ-2、MHDZ-3),見圖2。

結(jié)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)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(xiàn)特征一致,剖面北側(cè)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(qū)淺層高分辨率地震與音頻大地電磁探測結(jié)果

應(yīng)用高精度重力勘探進(jìn)行斷層構(gòu)造判定時,應(yīng)先根據(jù)實(shí)測獲取的重力異常,采用水平導(dǎo)數(shù)、垂直導(dǎo)數(shù)、歐拉反褶積等計算方法,求取曲線極值點(diǎn)和零點(diǎn)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(qū)域地層結(jié)構(gòu)(圖5),以進(jìn)一步驗(yàn)證計算所確定斷層構(gòu)造的可靠性。從不同勘探方法實(shí)際應(yīng)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(nèi)控鹵水構(gòu)造展布,地震勘探可以精細(xì)確定一定深度范圍(0～400 m)地層結(jié)構(gòu)和控鹵水構(gòu)造展布,高精度重力勘探根據(jù)重力異常進(jìn)行計算,從而可揭示區(qū)域斷層構(gòu)造位置。

根據(jù)鉆孔K1、K2錄井信息和音頻大地電磁探測結(jié)果,通過分析區(qū)域地層與電阻率特征,研究區(qū)可劃分出2個電性分區(qū):富鹵水區(qū)(電阻率0～3 Ω·m)和非富水鹵區(qū)(電阻率大于4 Ω·m),兩區(qū)以電阻率3～4 Ω·m為分界線。根據(jù)音頻大地電磁探測構(gòu)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(qū)域存在斷層構(gòu)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(qū)內(nèi)圈定出兩處富鹵水區(qū),富鹵水區(qū)Ⅰ和富鹵水區(qū)Ⅱ(圖10)。其中:富鹵水區(qū)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(qū)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(qū)富鹵水區(qū)及抽水試驗(yàn)孔位分布圖

4 方法驗(yàn)證

在圈定的兩處富鹵水區(qū),分別進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探和抽水試驗(yàn)驗(yàn)證(表2),富鹵水區(qū)Ⅰ的平均出水量為37 297 m3/d,富鹵水區(qū)Ⅱ的平均出水量為35 736 m3/d,根據(jù)《鹽湖和鹽類礦產(chǎn)地質(zhì)勘察規(guī)范》(DZT 0212—2002)[32],出水量均達(dá)到富水性能強(qiáng)的水平。在圈定富水區(qū)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)采鹵,可保障3 a的持續(xù)性穩(wěn)定開采。開采試驗(yàn)結(jié)果表明,在馬海鹽湖地下鹵水勘查物探定井應(yīng)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(shí)施先導(dǎo)性試驗(yàn)勘查,圈定地下鹵水富集區(qū)域,精細(xì)劃分出鹽儲層(含、隔鹵水層)結(jié)構(gòu)和巖鹽層裂隙構(gòu)造。這一關(guān)鍵集成技術(shù)可為鹽湖精準(zhǔn)探測找鉀提供可靠的技術(shù)支撐。

表2 研究區(qū)富鹵水區(qū)抽水試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)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(qū)進(jìn)行探測,并構(gòu)建地下鹵水探測地球物理模型,可精細(xì)劃分鹽儲層(含、隔鹵水層)結(jié)構(gòu)和巖鹽層裂隙構(gòu)造。即根據(jù)重力異常形態(tài),計算標(biāo)定出可能的斷層構(gòu)造位置;通過音頻大地電磁探測方法,分析控鹵水構(gòu)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(jié)構(gòu)、控鹵水構(gòu)造以及富鹵水層分布。

2)通過水文地質(zhì)鉆探和抽水試驗(yàn),對地球物理信息集成方法圈定的兩處地下鹵水富集區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明兩處鹵水富集區(qū)均達(dá)到富水性能強(qiáng)的水平,出水量分別為37 297、35 736 m3/d,兩處鹵水富集區(qū)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)與穩(wěn)定開采。

3)本次的試驗(yàn)性探測研究,由于測點(diǎn)與測線間距偏大,所獲結(jié)果尚不足以揭示局部的細(xì)微構(gòu)造。今后研究中建議適當(dāng)增加探測工作量,以實(shí)現(xiàn)對富鹵水條帶及細(xì)微構(gòu)造的精準(zhǔn)把控。