别勒滩低品位钾盐固液转化试验水动力与水化学条件分析

王文祥，李文鹏，刘振英，郝爱兵，王石军，焦鹏程

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京100083；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；3.石家庄经济学院，河北 石家庄 050031；4.中国地质调查局，北京 100037；5.青海盐湖集团，青海 格尔木 816000；6.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037)

察尔汗盐湖首采区的采卤实践证明，随着抽卤的不断进行，晶间卤水的水位不断下降，目前埋深已经下降到4～5m，如果继续发展下去，上层的固体钾矿势必成为“呆矿”[1]。水溶法开采地下盐类矿床在国内外已得到广泛应用，国外水溶法开采盐矿主要是钻井水溶开采。已有资料显示[2]，察尔汗矿区部分固体钾盐因1989年特大洪水已被溶解转化为液体矿，即天然的低品位固体钾盐发生液化，进入了卤水中，自然界发生的固体钾盐的液化现象，为人工液化开采低品位固体钾盐打开了思路。

一些研究者曾对溶解驱动进行了室内外试验研究和数值模拟[3-6]，并得到了一些重要认识。

驱动溶解固体钾矿就是在盐层的某一位置注入合适的溶剂，溶剂在流动的过程中与围盐接触并不断溶解固体钾矿。文章首先描述了溶矿过程中的水动力条件变化，再通过分析S2T1孔的水化学变化，揭示了溶矿过程中的水动力和水化学变化规律，并对补水渠至S2T1孔之间的区域所处的溶矿阶段进行了划分。

1 研究区概况

察尔汗盐湖位于青海柴达木盆地中东部新生代沉积区，地理坐标东经94°～96°，北纬36°40′～37°10′，东西长168km，南北宽20～40km，面积4705km2，大致呈“哑铃”状东西向展布，两端大而中间小[7-8]。

试验区位于察尔汗盐湖别勒滩区段涩聂湖东侧。别勒滩矿区面积约1500km2[9]，岩盐属蒸发岩沉积，主要由石盐组成，局部地段含有光卤石、钾石盐、石膏、芒硝、水氯镁石及碎屑沉积物等，光卤石与石盐各自成细层平行相间排列，似层状构造。由于岩盐在沉积过程中结晶条件的不均匀性，所形成的石盐晶体大小不等，晶体不完整，常呈不规则聚晶状，盐晶相互镶嵌，其晶面间相互直接吸附或由细粒盐、碎屑不溶物质胶结。盐层的这种结构和构造特点，使其在一定的水动力条件下，极易形成溶孔或岩(盐)溶管道，并沿水平方向形成连通性较好的孔隙，而成为富水性、渗透性较强的卤水含水层，盐层空隙度大者达15%～35%。察尔汗别勒滩地层中固体钾矿层或含钾矿层氯化钾品位很低，氯化钾含量通常在2%～6%之间，部分在0.2%～2.0%[10]。

别勒滩区段卤水密度1.23～1.26g/cm3，矿化度337.76～379.19g/L，K+含量可达14.3g/L，已浓缩演化为石盐结晶析出后的饱和卤水，属于石盐水及富钾石盐水、富钾光卤石水，为氯化物型水和硫酸镁亚型水。别勒滩区段中部富水性最好，单位涌水量达1270～439m3/(d·m)，渗透系数114～368m/d[11]。往外围盐层赋水性逐渐变弱，单位涌水量205～868m3/(d·m)，渗透系数33～270m/d。李文鹏通过环状槽试验得到渗透系数为89m/d[12]。

2 试验场布置

试验场位于供卤渠和采卤渠之间。供卤渠是新开挖的一条渠，渠深4m，宽2m，试验过程中水位较高，稳定后保持在地表以下0.2m，其作用是从涩聂湖引湖水作溶剂进行溶矿，向盐层中补给卤水；采卤渠是青海盐湖集团的一条生产用渠，渠深20m，宽6m，试验过程中水位较低，一般保持在地表以下5～6m，相当于试验场的排泄区。

试验场内共设置了4列×5排共20个位置的监测孔，如图1所示。4列分别为S1、S2、S3、S4，以S开头的称之为列。例如，第一列为S1列。它包括的孔位有：S1T1、S1T2、S1T3、S1T4、S1T5共5个位置的监测孔；5排分别为T1、T2、T3、T4、T5，以T开头的称之为排，例如，第1排的监测孔为T1，它包括的孔位有：S1T1、S2T1、S3T1、S4T1共4个位置的监测孔。监测孔根据监测深度(孔深)的不同可分为3种类型的监测孔：A孔、B孔、C孔，A孔的孔深为4m，B孔的孔深为8m，C孔的孔深为16m，A孔的取样深度为3m，B孔的取样深度为5m、7m，C孔的取样深度为5m、7m、10m、13m。如果没有特别指出，本文中所提到的监测孔均指B孔，用来对比的样品均指B孔7m深度取到的样品。

图1 试验场监测孔布置图

3 水动力条件分析

试验开始之前，试验区流场处于稳定状态，平均水力坡度在0.04%左右，等水位线分布比较均匀[13]。试验开始后，溶剂进入地层，晶间卤水水位开始上升，水位上升到一定程度时达到平衡，水位停止上升。

笔者做了不同列上各孔的水位埋深历时曲线，其变化趋势是一致的，现在以S4列为例来分析各孔的水位历时变化。如图2所示，图2中6条曲线从上到下依次为供卤渠、S4T1、S4T2、S4T3、S4T4、S4T5孔的水位埋深历时曲线，曲线在图中的位置代表了水位的高低，即对于同一时刻来说，最上边的曲线水位最高，最下边的曲线水位最低。第0天(6月8日)的数据是试验开始前天然条件下的水位埋深，试验于6月9日开始。

试验开始后，涩聂湖中的湖水开始进入供卤渠，第1～24天内，供卤渠的水位一直处于上升状态，到第24天(7月2日)时达到最高，这种高度一致保持到第71天(8月18日)，之后由于停止供卤，渠水位开始下降，直至供卤渠干涸。

从图2中可以看出，试验开始后，S4T1孔的水位一直升高，在试验开始第9天(6月17日)时达到最高值。从第9天之后，渠水位继续上升，但是S4T1孔的水位发生下降，这一点可解释为：①试验开始一段时间后，渠壁发生结盐，影响了渠水的入渗能力，所以，虽然渠水位上升，但是卤水的入渗流量减小；②溶剂进入盐层后，由于地层中光卤石的溶解，将伴随大量石盐的析出，这将导致盐层中有效孔隙度的减小[14]，从而减弱了溶剂从上游向下游的补给作用。T2排的水位在第1～24天时一直处于上升阶段，在第24天时达到最高值，之后慢慢发生下降， T2排水位的这种反应可视为对供卤渠的滞后响应，其主要原因是由于T2排距供卤渠距离较远，受供卤渠的影响滞后于T1排。从图2可以看出，T3、T4、T5排水位的变化与T2排基本一致。

图3是T1排各孔的水位历时曲线，从图3中可以看出，S2T1孔的最高水位明显低于S1T1、S3T1、S4T1孔，即，在试验进行到第10天左右时，S1T1、S3T1孔和S4T1孔的水位升上来了，S2T1孔的水位没有能够升上来。4个监测孔距离供卤渠的距离是相同的，但是水位最高值不同，这一点可用岩(盐)溶管道来解释：推测在S2T1孔附近存在较大的溶孔或岩(盐)溶管道，盐层渗透性好，从供卤渠补给过来的溶剂迅速流向下游，从而导致水位难以上升到一个较高的高度。

图2 S4列各孔水位埋深历时曲线

图3 T1排各孔水位历时曲线

4 晶间卤水水化学条件分析

试验开始后，向供卤渠中注入溶剂，溶剂迅速渗入地层，这些溶剂的去向可分为两种，一是填充晶间卤水水面以上的地层；二是驱替晶间卤水水面以下原有的晶间卤水，在晶间卤水与溶剂的接触面附近混合并推动原晶间卤水向下游流动。

试验刚开始时，溶剂快速进入地层并与盐层中的矿物进行短暂的固液转化反应，此时水位变化较大，应属非稳定阶段。随着试验的进行，晶间卤水水位不断升高，到一定阶段后，供卤渠中的溶剂稳定的补给地层中的晶间卤水并与地层中的矿物发生固液转化反应，晶间卤水水位变幅较小，试验进入稳定阶段。

4.1 同排对比

图4a为试验开始前(6月8日)T3排监测孔中所取样品，该样品的离子浓度可代表试验区本底浓度。图4b为试验结束时(9月18日)T3排监测孔中所取样品，将图4a与图4b做对比，可看出在试验结束时T3排监测孔中卤水在相图上的位置与试验开始前基本相同，可说明在试验结束时T3排晶间卤水变化不大，基本未受溶剂的影响。

图4c为第11天(6月19日)T1排各孔离子浓度样品及渠水样品，从相图中可以看出， T1排各孔晶间卤水所在区域非常靠近溶剂，且与本底值相比有较大变化，表明溶剂已经到达T1排。图4d为第17天(6月25日)时T2排各孔样品与渠水样品对比图，从相图中可以看出S2T2孔晶间卤水所在位置最接近溶剂，说明此时S2T2孔受溶剂的影响最大；S4T2孔晶间卤水离溶剂最远，与图4a相比较，可以看出S4T2孔晶间卤水仍处于本底浓度所在区域，说明S4受溶剂的影响较小。以上两点说明：①溶剂在S2列的地层中流动较快；②在S4列的地层中流动较慢。结论①与上文结论一致。盐层中存在岩(盐)溶管道或溶孔时，晶间卤水会优先从溶孔中通过，如果晶间卤水不饱和，则会溶解管道边上的盐矿，从而使管道变得更大，从而通过更多的溶剂，直至将盐层骨架溶塌。事实也证明，在试验结束后，S2T1孔处发生了严重的溶塌。

到试验结束时，T4、T5排各孔中晶间卤水离子浓度几乎没有变化。

图4 同排各孔离子浓度对照图

4.2 不同深度对比

图5a是天然条件下S2T1孔不同深度晶间卤水对比图，图5b是试验开始第5天时S2T1孔晶间卤水对比图，通过图5a和图5b可以看出，在天然条件下和试验条件下，S2T1孔B孔5m深、7m深和C孔5m深、7m深的晶间卤水所在区域几乎一致，说明不论在天然条件下还是试验条件下，5m深和7m深的晶间卤水浓度是几乎相同的。从图5a可以看出天然条件下10m深和13m深晶间卤水与5m深和7m深的晶间卤水有一定差异。

通过图5b可以看出，试验进行到第5天(6月13日)时，C孔埋深7m和10m的晶间卤水已经与溶剂基本相同(在图5b中的位置非常接近)，但是埋深13m的地层仍然保持本底状态，说明此时溶剂到达了10m深的地层但是尚未到达13m深的地层。通过图5c可以看出，在第26天(7月4日)时，13m深的晶间卤水仍然保持本底值，说明溶剂仍未到达13m深的地层。通过图5d可以看出，在第37天(7月15日)时，13m深的晶间卤水较本底值已经有了明显变化，其离子浓度已向溶剂靠近，但是10m深的晶间卤水浓度也远离了溶剂浓度，并且10m与13m的晶间卤水比较接近。分析其原因，可能是溶剂没有到达13m深的盐层，10m与13m的晶间卤水变化是由上层溶剂与下层原晶间卤水弥散混合及固液转化所致。

通过以上分析可以得出，在进行液化溶矿时，溶剂进入地层的深度有限，在试验初期溶剂填充盐层的阶段，溶剂进入盐层后具有垂向的流速，溶剂会入渗到较大的深度(该试验中监测结果显示10m)，但是溶剂充满盐层，流场达到稳定后，溶剂以水平流为主，在垂向上主要以弥散混合作用为主。

4.3 S2T1孔离子浓度历时曲线

通过离子浓度历时曲线我们可以看出不同时刻的晶间卤水离子浓度值，同样可以对比不同时刻卤水中离子浓度的变化。下面以S2T1孔为例，分析T1排晶间卤水中各离子浓度随时间的变化。

试验开始后，溶剂进入试验区地层，开始引起试验区内水化学场的变化，如图6所示为S2T1孔离子浓度历时曲线。第0天(6月8日)的离子浓度为S2T1孔离子浓度的本底值，其中K+、Na+、Mg2+浓度分别是0.67moL/L、1.47moL/L、2.26moL/L，试验开始后，K+、Mg2+浓度降低，Na+浓度升高，到第11天时，晶间卤水中各离子浓度分别为0.15moL/L、5.09 moL/L、0.36moL/L，溶剂中K+、Na+、Mg2+的浓度分别为0.058moL/L、5.303moL/L、0.229moL/L，经对比可以发现试验开始后，晶间卤水各离子浓度向溶剂的离子浓度靠近。其原因很容易解释，溶剂进入地层中后，驱替了原来的晶间卤水，经过固液转化反应后，卤水中各离子特征仍与溶剂非常接近。这个阶段是溶解驱动前阶段[1]。

对比S2T1孔晶间卤水中各离子浓度与溶剂中各离子浓度的差异，便可以知道供卤渠至S2T1孔的地层中矿物发生的固液转化反应。用S2T1孔不同时刻的K+、Na+、Mg2+浓度减去溶剂的K+、Na+、Mg2+浓度，便可以得到S2T1孔K+、Na+、Mg2+浓度增量历时曲线，如图7所示。上文中得到，试验进行到第11天时，溶剂到达T1排，所以浓度增量从第11天时开始计算。从图中可以看出，K+、Mg2+浓度增量是正值，Na+浓度增量是负值，说明S2T1孔晶间卤水中K+、Mg2+浓度比溶剂中高，Na+浓度比溶剂中低，也就是说溶剂从供卤渠到达S2T1孔的过程中溶解了光卤石，析出了石盐。

图5 S2T1孔不同深度离子浓度对比图

图6 S2T1孔离子浓度历时曲线

图7 S2T1孔K+、Na+、Mg2+浓度增量历时曲线

光卤石的化学式是KMgCl3·6H2O，溶解1moL的光卤石后，如果没有离子析出，液相中将会增加1moL的K+和1mol的Mg2+[1]，即K+和Mg2+的增加量应是相同的，但是从图7中可以看出，Mg2+的浓度增量曲线位于K+的上方，即卤水中Mg2+的浓度增加量要大于K+。究其原因，是因为卤水中溶解光卤石后，K+、Mg2+和Cl-的浓度增加，增加到一定程度时，KCl的活度积达到溶度积，造成KCl以钾石盐的形式析出，但是MgCl2的溶解度非常大，其溶度积并没有达到活度积，并不会析出。钾石盐的析出导致卤水中Mg2+的浓度增加量要大于K+。从第11天到第80天的阶段以溶解盐层中的光卤石为主，属于光卤石阶段[1]。

5 总结

1) 试验开始后，供卤渠中进入溶剂，T1排首先对供卤渠的水位变化做出响应，T1排水位升高，但是由于供卤渠渠壁结盐，溶剂入渗量减小，T1排的水位又发生降低，后面各排对供卤渠的响应滞后于T1排。

2) 由于盐溶通道的存在，导致同排的监测孔的水位及水质有一定差异。

3) 原始状态和试验条件下的晶间卤水，其5m深和7m深晶间卤水中各离子浓度几乎一致，与10m深和13m深的晶间卤水有一定差异。试验开始后，溶剂对迅速影响到了S2T1孔5m和7m深的晶间卤水，第5天时影响到了10m深的晶间卤水，第37天时影响到了13m深的晶间卤水，说明随着时间的进行，溶剂不断影响到深层的晶间卤水。

4) 对于供卤渠与S2T1孔之间的盐层，第1～11天，处于溶解驱动前阶段，第12～100天，处于光卤石阶段。

致谢感谢野外工作过程中陈永志老师、刘万平主任、严志师傅工作上的支持和生活的照顾，并对其他为本文的完成作出贡献的工作者一并表示感谢。

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