柴达木盆地西北缘昆特依凹陷的双层钾盐成矿模式特征及成因*

刘溪溪，岳 鑫**，于小亮，马 喆，路 亮，张晓冬，马宗德

(1：青海省柴达木综合地质矿产勘查院，格尔木 816000) (2：青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室，格尔木 816000) (3：青海省地质调查局，西宁 810000) (4：青海省盐湖地质与环境重点实验室，西宁 810000)

由于独特的“高山深盆”环境[1]，柴达木盆地内马海、昆特依、察汗斯拉图、大浪滩—黑北等次级盆地内发育丰富的盐类物质，在地表—浅地表位置发育固—液相钾盐矿床，自2008年深层卤水勘查项目实施以来，普遍在盆地内揭露到早更新世砂砾石孔隙卤水. 以昆特依凹陷为例，从上世纪末至今，针对昆特依凹陷内浅部钾盐矿床先后开展过地质特征[2-4]、古地理[5]、古气候[6-8]、地球化学[9]、水文特征[10]和蒸发试验等[11]系统而全面的研究. 2014年首个深部钻孔的实施，揭露了大厚度的新型砂砾孔隙卤水矿层，具有单井涌水量大、品位高、水位埋藏浅、储量大等特点. 前人对大浪滩—黑北凹地地区砂砾孔隙卤水相继开展地震[12]、测井[13]等工作手段，并进行了水化学[14]、古环境[15]、古气候[16]及成因方面[17]研究，初步建立了砂砾孔隙卤水成矿模式[18]. 但对于昆特依凹陷内深层砂砾石孔隙卤水的研究尚未开展，且浅部卤水与深部卤水的关系尚未明确，故此次研究以昆特依凹陷内上层化学晶间卤水及下层砂砾孔隙卤水为研究对象，首次提出昆特依凹陷钾盐“双层模式”，对柴达木盆地内钾盐成盐成矿进行论述，为今后盆地内钾盐成矿规律研究提供依据.

1 地质背景介绍

昆特依凹陷是柴达木盆地柴北缘块断带的次级断陷盆地，位于大地构造单元-昆仑褶皱系和祁连褶皱系内，经历了自吕梁至喜山长期而复杂的构造运动，表现为十分发育的断块和强烈的褶皱. 凹陷北以阿尔金山为界，东临由冷湖Ⅰ～Ⅴ号5个背斜组成的冷湖构造带，西接俄博梁Ⅰ～Ⅲ号背斜，受阿尔金山走滑运动的影响，冷湖构造带和鄂博梁构造带均表现为典型的反“S”型构造(图1)；盆地南部为葫芦山背斜构造带；昆特依盆地北侧的小红山断裂(F1)和西南侧发育的双气泉断裂(F9)两条大断裂，共同组成了昆特依盆地的边缘断裂.

图1 昆特依凹陷地质略图(1 湖水；2 新近系；3 中下更新统湖积；4 上更新统化学沉积；5 全新统化学沉积；6 基底断裂；7 断裂；8 遥感解译断层；9 背斜；10 向斜；11 钻孔编号及矿化度；12 浓缩方向)Fig.1 Geological sketch map of Kunteyi Depression(1 lake water; 2 Neogene; 3 lacustrine deposit of middle-lower Pleistocene; 4 chemical deposition of upper Pleistocene; 5 chemical deposition of Holocene; 6 basement fault; 7 fault; 8 fault of remote sensing interpretation; 9 anticline; 10 syncline; 11 drill number and TDS; 12 concentration direction)

昆特依凹陷内大部分地表出露第四系湖积、化学沉积地层和少量风成沉积地层. 控制凹陷边界的冷湖、鄂博梁构造带以及葫芦山背斜构造则普遍发育新近纪地层，且地层出露完整，从上干柴沟组(N1g)至狮子沟组(N2s)均有发育，局部背斜核部出露古近纪下干柴沟组地层(E3g). 在凹陷北部、北东部分别有阿尔金山基岩岩系地层出露. 昆特依凹陷内发育大盐滩、大熊滩、俄博滩、北部新盐带、钾湖5个矿田，尤以大盐滩面积最广，属于以液体矿为主的固液并存的盐湖矿床. 从地表向下20 m，局部可达335 m, 广泛分布厚度稳定的多层固体盐类沉积物，包括石盐、光卤石、芒硝、杂卤石等，局部矿体呈似层状、透镜体状展布. 液体矿层大多分布在新近系背斜构造之间的向斜洼地中，局部在山前冲洪积平原前缘的低洼处也有分布，具有层数多的特点，含矿层主要为盐岩沉积层、粗碎屑层及细碎屑层等(图2). 此外，在昆特依凹陷四周的冷湖、俄博梁背斜构造带，多发育和油气资源伴生、赋存在裂隙孔隙中的高矿化油田水.

根据液态卤水的赋存介质和空间不同可将凹陷内卤水划分为化学岩类晶间水、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水和基岩裂隙水4类. 化学盐类晶间水主要分布在地表-浅地表中更新世-全新世化学盐类沉积层中，松散岩类孔隙水主要赋存在山前早更新世冲洪积相粗颗粒地层内，碎屑岩类裂隙孔隙水则分布在凹陷边缘新近纪背斜构造的裂隙以及岩屑孔隙中，基岩裂隙水主要分布在阿尔金山及深大断裂内.

图2 昆特依凹陷剖面示意图(1 砂砾石；2 含粉砂石盐；3 含黏土石盐；4 含淤泥芒硝之石盐；5 含泥砂石盐；6 早更新世；7 含芒硝粉砂的石盐；8 含黏土粉砂；9 含石膏淤泥；10 含石盐黏土；11 含芒硝黏土；12 中更新世-全新世)Fig.2 Profile schematic diagram of Kunteyi Depression (1 sandy gravel; 2 silt-bearing halite; 3 clay-bearing halite; 4 ooze-bearing mirabilite halite; 5 mud and sand bearing halite; 6 early Pleistocene; 7 mirabilite-bearing silt halite; 8 clay-bearing silt; 9 gypsum-bearing ooze; 10 halite-bearing clay; 11 mirabilite-bearing clay; 12 middle Pleistocene-Holocene)

昆特依矿区施工的3个深部钻孔，均在150 m以下揭露到早更新世沉积的巨厚的冲洪积相沉积，与上覆沉积物整合接触，岩性多为粉砂、细砂、中粗砂、含砾中粗砂，富含高矿化度卤水，矿化度普遍大于250 g/L，KCl品位除个别样品外均大于边界品位，普遍介于0.30%～0.48%之间，且单井涌水量超过6000 m3/d，富水性强，具有极好的工业利用前景.

受多期复杂的构造运动影响，在凹陷北部边缘发育北西-东西向深大断裂，在凹陷内部新近纪背斜构造带发育系列近南北向断裂[19]，这些丰富的断裂不仅和新近系背斜构造带一起控制着凹陷内盐岩层的空间分布，也为大气降水、油田水和深部水的运移及物质交换的发生提供良好运移通道和存储空间，并在一定程度上影响凹陷内卤水的演化. 因第四纪干冷和湿暖交替的古气候特点[20]，昆特依凹陷内呈现多期的沉积旋回，每个旋回有一层或多层的石盐和泥岩层[8]，具体表现为碎屑岩层、含盐碎屑岩层与固、液态矿体的互层，这也是昆特依凹陷内多矿层的成因. 尽管经历了多次干冷和暖湿的气候波动，但是由于“高山深盆”环境，加之日趋干旱的气候条件，强烈蒸发是影响昆特依凹陷盐湖演化的主要因素.

昆特依凹陷内卤水沉积矿层可分为上下两层，上部为中更新世-全新世化学沉积晶间层，下部为早更新世砂砾石孔隙层:

1)上部化学沉积晶间层:上部化学沉积晶间卤水是卤水演化至后期的产物，赋存在中更新统-全新统湖相-盐湖相之间的盐岩晶隙和裂隙中，埋藏深度不超过95 m，自上而下按产出时代、赋存条件等可划分为4个卤水矿层，主要呈层状、似层状、条带状展布，局部呈透镜体状(图2)，其储卤介质主要为石盐、含粉砂的石盐、含芒硝的石盐、含黏土(淤泥)的石盐和含石盐的芒硝等，其间有较稳定的隔水层. 凹陷中心大盐滩、鄂博滩水化学类型主要为硫酸镁亚型，在边缘北部新盐带、钾湖等地水化学类型多为氯化物型.

2)下部砂砾石孔隙层: 在地表136 m以下，高矿化度卤水赋存在早更新世冲洪积相砂砾石孔隙、构造裂隙中，含水层厚度最小为248.56 m，最大可达805.00 m，岩性为砂、砾石互层(夹卵石、漂石)，中细砂、粗砂，含黏土的砂砾石等. 彼此之间为渐变接触关系，上下并没有稳定的隔水层，仅有少量薄层黏土层分布于其间. 水化学类型均为氯化物型. 下部砂砾石孔隙卤水层赋存的冲洪积相沉积与上覆化学沉积晶间层赋存的湖相-盐湖相沉积之间呈整合接触，上下两层卤水虽然储卤介质不同，但是并不排除通过断层或越流补给等方式发生物质的交换的可能.

2 样品采集及测试

3 结果

3.1 主要离子组成

钾湖晶间卤水样品中δ18O分布集中在-8.20‰～-7.80‰之间，大盐滩晶间卤水的δ18O分布较为集中，在-4.20‰～4.60‰之间，δD分布范围较大，最小值为-53.50‰，最大值为-6.10‰，油田水的δD分布区间较宽，为-75.60‰～-32.5‰，δ18O分布在-6.50‰～-6.06‰之间.

我至今都搞不清楚，小六子这小家伙当时不知哪来那么大的力气。他还没有等我把东西放在炕上，他甚至没等我有任何条件反射的情况下，就抡起他父亲的那根镐柄……

3.2 离子特征系数

从表2可见，上层晶间卤水的钠氯系数介于0.52～0.95之间，过半的样品脱硫系数小于1.00，多分布在凹陷边缘地区，凹陷中心样品脱硫系数普遍大于1.00. 下层砂砾孔隙卤水的钠氯系数分布于0.79～0.83之间，脱硫系数最小值为0.13，最大值为0.25，均小于0.30. 相较而言，上层晶间卤水有更低的钠氯系数和更高的脱硫系数比值.

Na/Br比值的变化可以用于推断盐类的起源[23]. 在昆特依Cl/Br-Na/Br图[24]中，海水点[25]落在靠近原点位置，上层卤水分布范围较下层卤水分布范围大，且研究区内卤水中所有样品及冷湖Ⅲ、Ⅳ号构造中油田水表现出一定的线性关系说明区域地下卤水矿层具有相似来源特征(图3).

3.3 聚类分析特征

3.4 Piper三线图特征

3.5 氢-氧同位素特征

研究区中部大盐滩的硫酸镁亚型卤水、盆地边缘钾湖的氯化钠型卤水以及深部氯化钙型的油田水δD-δ18O(表3)关系如图6所示. 可见其全部分布在大气降水线的下方，表现出蒸发浓缩的特征，且这3种类型的卤水呈现出3种不同端元水的特征.

4 双层钾盐模式讨论

根据聚类分析图(图4)可见石盐溶解影响着卤水的密度、矿化度以及pH，地表强烈的风化作用带来丰富的Ca2+、Br-以及I-. 瓦里亚什科指出，硫酸盐水体会发生正向变质作用：

MgSO4+Ca(HCO3)2Mg(HCO3)2+CaSO4

(1)

早-中更新世，大盐滩为昆特依凹陷的沉积中心，在凹陷北部边缘北部新盐带，油田水和上部晶间卤水层发生化学反应：

CaCl2+MgSO4CaSO4↓+MgCl2

(2)

同时沉积石膏，促进卤水由硫酸盐型向氯化物型演化，而在凹陷中心大盐滩存在NaCl-Na2SO4-H2O体系平衡，2NaCl+MgSO4MgCl2+Na2SO4，沉积芒硝、光卤石、杂卤石等盐类矿物. 晚更新世-全新世，在暖湿气候影响下，沉积中心向北迁移，同时大气降水溶滤周缘盐岩补给至凹陷，在凹陷边缘形成氯化物型卤水.

表3 昆特依凹陷卤水氢氧同位素组成*

*编号14～17数据来源于王弭力等[22].

图3 昆特依凹陷卤水Cl/Br-Na/Br图Fig.3 Cl/Br-Na/Br of brine from Kunteyi Depression

图4 昆特依凹陷上、下层离子聚类分析Fig.4 The upper and lower brine ionic cluster analysis of Kunteyi Depression

图5 昆特依凹陷Piper三线图Fig.5 Piper trilinear diagram of Kunteyi Depression

图6 昆特依凹陷氢氧同位素分布特征Fig.6 Distribution of hydrogen and oxygen isotopic compositons of brine from Kunteyi Depression

样品在Piper图解上方的菱形中落在右上边界部位，代表了Na和Cl即石盐的溶解过程，同时伴随着矿化度的增高，昆特依凹陷上下层卤水及油田水大致有向上硫酸盐型和向下氯化物型两个演化方向，因油田水和下层砂砾孔隙卤水落在中间部位，无论向上还是向下，均演化成为上层晶间卤水，总体体现为：上层晶间卤水表现出下层砂砾石孔隙卤水进一步的演化特征，下部砂砾孔隙卤水与上层晶间层盐岩的溶滤密切相关.

图7 昆特依凹陷成矿示意图(1 砂砾孔隙卤水；2 化学盐类晶间卤水；3 湖相沉积；4 油田水；5 水运移方向；6 基岩裂隙；7 物质交换；8 断裂；9 早更新世；10 中更新世-全新世；11 大气降水；12 蒸发作用)Fig.7 Metallogenic conventional diagram of Kunteyi Depression (1 gravel pore brine; 2 chemical salt intercrystalline brine; 3 lacustrine sediment; 4 oilfield brine; 5 migration direction of water; 6 bedrock fissure; 7 material exchange; 8 fault; 9 early Pleistocene; 10 middle Pleistocene- Holocene; 11 meteoric water; 12 evaporation)

对卤水中的离子含量进行特征系数分析可了解其成因及演化[31-32]. 当卤水不断蒸发浓缩，氯化钠开始沉淀时，矿化度在250～275 g/L，此时γNa/γCl为0.82，蒸发浓缩继续，随着碳酸盐、硫酸盐的析出和氯元素进一步富集，钠氯系数值不断降低，故而常把γNa/γCl小于0.85的卤水作为具有古海水特征的沉积卤水[33]. 昆特依凹陷内下层卤水的钠氯系数多分布在0.82左右，而上层卤水的钠氯系数则介于0.56～0.95之间，Fontes等[34]则认为，蒸发岩的溶解产生更多的Cl-和更少的Br-[35]，综合考虑昆特依凹陷上层卤水由于蒸发岩的溶解作用，导致更多的Cl-进入卤水，从而引起钠氯系数的降低，下层卤水的钠氯系数虽表现为沉积卤水特征，但其矿化度为287 g/L，钠氯系数在0.82左右，在Cl/Br-Na/Br图中均落在海水点的上方及右方，推测下层卤水来源为石盐的溶解. 上层晶间卤水源于盐岩的溶解，且蒸发岩溶解水对钾ZK05、熊ZK02、盐ZK02、ZK3208和钾ZK03有更大的影响. 上层晶间卤水的脱硫系数整体上大于下层砂砾石孔隙卤水，表明下层的砂砾石孔隙卤水还原性和封闭性优于上层晶间卤水，但ZK0808、俄ZK10、熊ZK02、钾ZK03、盐ZK02和盐ZK10的脱硫系数小于1，尤其是盐ZK02和盐ZK10，脱硫系数值接近于0，很有可能是因为周围盐类晶体致密的结构，形成封闭性好的封存水. ZK3208则表现出沉积变质卤水[36]的特征. 此外，溴氯系数小于1，溴碘系数小于1300[33]，氯碘系数大于105，氯溴系数大于2500[37]，都表明昆特依凹陷中的卤水属于陆相沉积环境中形成的溶盐卤水.

在Cl/Br-Na/Br图中，昆特依凹陷内上、下层卤水与油田水均均落在海水点的右方、上方，在海水点的下方和左侧未有分布，这说明昆特依凹陷中卤水均源自于盐岩的溶解，并无蒸发残余卤水的参与. 与离子特征系数的结果相一致，并且在图3中下层卤水样品表现出更为稳定的线性关系，推测该层卤水源自于石盐的溶解；上层卤水的Cl/Br值有更大的分布范围，虽大体上呈线性关系，但熊ZK02和盐ZK02的Cl/Br值有更大的增幅，说明地表蒸发岩的溶解对熊ZK02和盐ZK02有较大的影响.

在氢氧同位素分布图(图6)中，钾湖晶间卤水接近大气降水线，但发生了明显的δD负漂移，究其原因，推测钾湖晶间卤水流体来源为大气降水淋滤周边盐岩富集成矿，因其位于凹陷边缘，有深部油田水沿着断裂上升混入，由于油田水较好的封闭环境，蒸发量较少，浓缩了一定量的1H，呈现出δD较大的负值，从而导致钾湖晶间卤水的δD负漂移. 李玉文等[21]认为133 m以浅的晶间卤水的形成与油田水的混入有关，图6显示大气降水线、油田水与大盐滩的晶间卤水呈现3种不同的端元水特征，大盐滩晶间卤水表现出大气降水和油田水两种不同端元水的混合特征，经过蒸发浓缩后形成如今的大盐滩晶间卤水. 简言之，昆特依凹陷内的卤水起源为早更新世时期大气降水溶滤周缘盐岩中的有用组分并富集在大盐滩一带(图7)，其中不乏油田水的混入，经过蒸发浓缩在早更新世晚期富集成矿，随着高山深盆环境的形成，大气降水溶滤围岩及浅部岩盐层，经裂隙等通道运移至下部以及盆地边缘形成粗颗粒相砂砾石型孔隙卤水.

5 结论

1)昆特依凹陷内钾盐矿床具有“双层”模式：上层为中晚更新世-全新世晶间卤水，下层为早更新世砂砾石孔隙卤水. 上层晶间卤水的赋存在盐湖相石盐、含粉砂的石盐等盐类、含碎屑岩类晶体裂隙中；下层砂砾石孔隙卤水赋存在冲洪积相孔隙度良好的砂砾石、含砾中粗砂.

2)昆特依凹陷中的上、下层卤水属于陆相沉积环境中形成的溶盐卤水，均来自于盐岩溶解，下层卤水来源于石盐溶解，表现出对深部古岩层以及地表晶间层的继承性. 上层卤水还有地表风化岩石的溶滤水的加入，局部表现有沉积变质卤水的特征.

3)上层晶间卤水表现出下层砂砾石孔隙卤水进一步的演化特征，下部砂砾孔隙卤水与上层晶间层盐岩的溶滤密切相关.

4)昆特依凹陷内具有深部CaCl2特征的油田水沿张性深大断裂上升，影响上、下层卤水化学组成，并在某种程度上促进上层晶间卤水的演化，上、下层卤水在成因上与深部油田水有紧密联系.

致谢：感谢项目组野外人员汪青川、蔡进福等人员的全力支持；文中所有测试工作由青海省柴达木综合地质矿产勘查院岩矿测试中心完成，感谢各位测试人员的及时工作.