察爾汗鹽湖首采區(qū)鉀礦床老鹵的開發(fā)利用

察爾汗鹽湖首采區(qū)鉀礦床老鹵的開發(fā)利用

查爾湖鹽湖位于柴達木盆地中部，南距格爾木市60公里，北距柴達木市115公里。東經(jīng)94°15′56″～95°51′45″,北緯36°42′09″～37°12′26″。1上更新統(tǒng)地質特征察爾汗鹽湖是我國已探明的最大的鉀鎂鹽礦床,是一個固液相并存、以液體礦為開發(fā)對象的大型礦床,固體鉀鹽礦資源量2.96×108t(張逢星等,2002;何紅麗,2002),液體礦資源量2.44×108t,合計5.40×108t,資源豐富。該礦床東西長168km,南北寬20～40km,面積5856km2(青海第一地質水文地質隊,1986)。察爾汗鹽湖地處柴達木盆地腹地,長期以來保持著沉降為主的地質發(fā)展史,堆積了厚達數(shù)千米的新生界沉積物(張曉寶等,2003)。在沉積過程中,由于氣候的變化,出現(xiàn)了干濕交替的沉積環(huán)境(康安等,2003;劉成林等,2002),形成碎屑物與石鹽組成的沉積韻律(林耀誕等,2002),各層沉積厚度西部最厚,向東變薄,中部鹽層達布遜湖區(qū)段最厚。上新統(tǒng)中后期,氣候逐漸干旱(肖建新等,2005),在殘留的湖盆中形成了2～16m石鹽層,到了上更新統(tǒng)末期氣候又趨于潮濕轉暖,入湖水量增多,干鹽灘周緣或局部地方受浸,各地表水系沖洪積扇向湖盆中心推進,沉積了厚10余米的粘土、亞粘土層;從全新統(tǒng)早期開始,氣候轉為干旱少雨,入浸湖水逐漸退縮,大量的細粒碎屑物不能進入鹽湖,且蒸發(fā)量大于補給量,造成湖水面積逐漸萎縮,干鹽灘面積逐漸擴大,表面也由全新統(tǒng)早期的、眾多的小湖泊所形成起伏不平的狀態(tài)變?yōu)槭制教沟牡孛簿坝^。中、下更新統(tǒng)湖積層主要為砂質泥巖,夾少量泥質粉砂巖和粉砂巖,以及含碳泥巖,巖層較致密。上更新統(tǒng)巖層由中、下兩個含鹽組組成,其下含鹽組湖積層由細砂、粉砂、亞粘土、粘土及石膏層組成,普遍含碳酸鹽和石膏,局部夾石鹽和淤泥。鹽層最大厚度30m,主要分布于別勒灘區(qū)段。中含鹽組湖積層巖性為亞粘土、亞砂土層,一般含鹽和粘土層,局部含淤泥,厚度幾米至幾十米;由西向東漸薄,平均厚度為11m。全新統(tǒng)鹽層由上含鹽組組成,湖積層在鹽湖中部一般為含鹽細粉砂,北粗南細,砂層松散;鹽層為淺黃、灰黃、黃褐色夾有碎屑薄層的鹽層,鹽層松散,鹽層中含光鹵石和石膏,光鹵石由察爾汗區(qū)段往西逐漸減少,一般分布于鹽層中上部。個別區(qū)段的局部還可見少量的鉀石鹽、軟鉀鎂礬、水氯鎂石、瀉利鹽、鉀石膏、雜鹵石及芒硝等礦物,鹽層厚幾米至十幾米,最大可達30m。全新統(tǒng)形成的石鹽層是富鉀鹵水的最主要賦存場所,其次是上更新統(tǒng)后期形成的石鹽層。鹽層及鹽層間的湖積碎屑層中賦存有晶間鹵水、孔隙鹵水和承壓鹵水(劉成林等,2002)?？碧綍r將全新統(tǒng)上部含鹽組上部石鹽層劃分為第一含水組(S3),即潛水型晶間鹵水,其下伏的上更新統(tǒng)中部含鹽組和下部含鹽組劃分為第二含水組(S2)承壓型晶間鹵水和第三含水組(S1)承壓型晶間鹵水,其中第一含水組(S3潛水型晶間鹵水)富水性最強(馬達德等,2005),分布最廣,是察爾汗鹽湖區(qū)主要的液體礦體。潛水型晶間鹵水水位埋深受采鹵影響,一般為0.8～3.0m,由達布遜湖向南北東3個方向逐漸升高,達布遜湖以東段開采條件下埋深受補給條件及采鹵影響變化較大,南部受團結湖老鹵水浸入影響,水位埋深0.00～0.10cm,東北部不受開采影響埋深0.15～0.88m,西部中段和南部中段,因大量采鹵,集鹵渠水位埋深達5～7m,集鹵渠影響寬度一般為3.4～5.0km,影響范圍內平均埋深2～3m。水力坡度0.1‰左右,滲透系數(shù)240～414m/d,富水性強,單位出水量18～66.6L/s·m,礦化度310～340g/L,為富鉀石鹽水及富鉀光鹵石水。承壓型晶間鹵水層厚度在9.68～16.00m之間,含水層頂板埋深28.00～31.60m,水位埋深0.59～1.50m,滲透系數(shù)0.87～65.04m3/d,單位出水量2.4～36.6L/s·m,含水層富水性和滲透性差異較大(1),礦化度310～340g/L。巖鹽含鉀量為1.0%～1.5%,呈星點狀分布在巖鹽中。察爾汗鹽湖區(qū)潛水型晶間鹵水開采前補給來源主要為周邊地區(qū)的地表徑流、大氣降水及周邊地下水補給(屈紅軍等,2003),其中地表水補給量5.505×108m3/a,大氣降水補給量1.249×108m3/a,排泄主要是蒸發(fā);察爾汗鹽湖區(qū)晶間潛鹵水為疏干型開采,開采后潛鹵水的水文地質條件發(fā)生變化,開采量成為重要排泄量,而蒸發(fā)量則由于疏干開采(劉興起等,2005),地下水徑流量加大,地下水位埋深增大而減少,其補給來源轉變?yōu)橹饕蛇_布遜湖湖水、大氣降水和鹽下水越流補給(青海第一地質水文地質隊,1986;地質礦產(chǎn)部青海中心實驗室,1990;青海省地質局第一地質隊,1967)。各鹵水層中,不同程度的含有K+、Na+、Mg2+、Li+、B2O3、I-、Rb+、Cs+等微量元素。其中K+在鹵水中的賦存特征是隨著鹵水的析鹽階段不同而變化的:當?shù)V化度小于370g/L時,K+含量隨著鹵水礦化度的升高而增加,當?shù)V化度大于370g/L時,則由于光鹵石的結晶析鹽作用,K+含量迅速減少,當?shù)V化度大于450g/L時,水氯鎂石開始結晶,致使K+含量很低。鹵水中的K+含量在水平方向上的分布規(guī)律為:由東北向西南其含量有所增加;在垂直方向上,K+含量隨著深度的增加而減少,即第一含水鹽組K+含量大于第二含水鹽組,第二含水鹽組K+含量大于第三含水鹽組;同一含水鹽組中由于垂直分異作用,也存在上部K+含量大于下部的特征。察爾汗鹽湖區(qū)除液體礦外,各含鹽組鹽層中還有不同品位、不同規(guī)模的固體礦,總體表現(xiàn)為礦層層數(shù)多,厚度小,分布面積廣,品位低的特點。2地下水開采區(qū)表層鹽水、含堿層、土壤、含水層、h-pb水巖層體系首采區(qū)是指青海省鹽湖集團公司一期工程開采察爾汗區(qū)段S3鹽層地下潛晶間鹵水礦的區(qū)域范圍。S3含水層巖性為粗粒石鹽、中粒石鹽,局部含粉砂、光鹵石及淤泥夾層,鹽層較松散,大規(guī)模開采前,水位埋藏0.36～0.70m,多年平均變幅0.11m,平均水力坡度為0.029‰～0.045‰,主要受地表徑流、大氣降水及高礦化富水性極弱的周邊孔隙鹵水和承壓鹵水的越流補給,其排泄主要靠垂直蒸發(fā),其次為補給鹵水湖及周邊孔隙鹵水。實驗室測定孔隙度為12%～30%,抽水試驗測定的給水度為12%～17%,鹽層透水性和富水性良好,地下徑流緩慢,含水層厚16～20m,最厚達30.05m,單位涌水量>80m3/d·m,含水層隔水底板巖性為上更新統(tǒng)末期形成的亞粘土、粘土。首采區(qū)淺部(5m以上)鹵水礦化度平均為350.3g/L,主要為高鉀石鹽水,采區(qū)東部、東北部局部地段分布有高鉀光鹵石水,小范圍內分布有近水氯鎂石水,其他地區(qū)為低鉀石鹽水;隨深度增加,高鉀石鹽鹵水分布面積逐漸減小,高鉀光鹵石水及近水氯鎂石水分布面積不斷擴大,5～10m鹵水礦化度為403.22g/L,主要為高鉀光鹵石水,而在10m以下為428.52g/L,幾乎均為近水氯鎂石水。首采區(qū)表層鹵水中K+含量10～20g/L,由采鹵區(qū)向東部、東北部區(qū)逐漸減小,集鹵渠地區(qū),鹵水中K+含量15～20g/L,東北和東部外圍地區(qū)K+含量10g/L以下,隨深度增加,鹵水中K+含量減少,7～9.5m深處,首采區(qū)鹵水中K+含量10～15g/L,其他外圍區(qū)基本小于10g/L。水化學動態(tài)主要受水位、氣溫及鹵水水面蒸發(fā)等因素影響,K+隨氣候的周年或多年變化而呈濃縮、淡化的可逆反映(乜貞等,2005),K+含量多年平均變幅2.9g/L,礦化度19.3g/L。鹵水賦存于石鹽層中,又與鹽層同期生成,鹽層由石鹽、含光鹵石石鹽層、光鹵石層及碎屑物組成。鹽層最厚18.58m,最薄13.93m,一般厚14～17m,沉積厚度呈西南薄、東北方向逐漸增厚的趨勢,夾有1～4層薄層粘土、粉土。首采區(qū)(S3)鹽層為典型的氯化物沉積類型。以粗粒石鹽為主體的沉積中,普遍含光鹵石,局部鉆孔中有鉀石鹽,在老鹵坑或洼地中出現(xiàn)水氯鎂石,石膏含量不多,但分布普遍。KCl平均含量1.814%。3當前及環(huán)境地質問題的開發(fā)3.1最大的培養(yǎng)基地察爾汗鹽湖交通便利,青藏鐵路和敦格公路在鹽湖中部通過,對鉀鹽資源的開發(fā)提供了方便的交通等外部條件。自20世紀50年代末開始經(jīng)40多年的開發(fā),尤其是20世紀末的規(guī)模開發(fā),如今已成為我國最大的鉀肥生產(chǎn)基地。察爾汗鹽湖鹵水鉀鹽開發(fā)區(qū)僅限于察爾汗區(qū)段靠近達布遜湖的青藏鐵路兩側,青藏鐵路以西為青海鉀肥集團公司開采區(qū),以東為部隊、鐵路、地方及個體單位開采區(qū)。2001年已建成氯化鉀選廠43個,已修建隔離鹽田約60余km2,薄膜鹽田約40余km2,2000年共生產(chǎn)鉀肥97.7×104t(1)。3.2環(huán)境地質問題3.2.1結晶帶晶間最大織缺失結構鉀礦儲量的評價沿用固體礦床的計算方法——地質塊段法,而未采用解析法——水動力學法、水均衡法進行評價。因其評價方法不同,導致其開采類型不同,為了最大限度利用鉀礦資源,目前察爾汗鹽湖首采區(qū)鹵水開采均采用疏干型開采,開采量約31萬m3/d,圍繞集鹵渠形成了不規(guī)則的漏斗區(qū)(圖1)(2),S3鹽層晶間鹵水在首采區(qū)降落漏斗范圍迅速擴大,1997年已擴大到全區(qū),尤其是察爾汗鹽湖西面,遠遠超出首采區(qū)范圍,達布遜湖水已向西退縮了5km以上,降落漏斗面積已超過500km2,區(qū)域水位普遍下降2～3m,路西一般在3～5m,路東在5～7m,漏斗內水力坡度較采前增大10多倍,首采區(qū)邊沿部位的水力坡度也增大了1～3倍;團結湖老鹵水的大量聚集,導致湖水面擴大,湖水位升高;晶間鹵水進入首采區(qū)的徑流迅速加大、鹵水量增加,以開采區(qū)為中心匯集,達布遜湖和團結湖湖水以地下徑流的方式向開采區(qū)補給。鹵水水位動態(tài)隨采鹵量、采鹵強度、采鹵面積和補給條件的變化而變化。采區(qū)南部年變幅達2.15m,中部為1.10m,北部為0.4～0.5m,東部為0.15～0.30m。3.2.2光鹵的生產(chǎn)和排放察爾汗各選廠生產(chǎn)工藝雖有不同,但所用原料均為光鹵石。光鹵石是通過鹵水在鹽田中經(jīng)蒸發(fā)濃縮結晶出來的(李剛等,2002;乜貞等,2005)。光鹵石結晶沉淀后鹽田中的鹵水即變成密度大于1.29g/cm3的水氯鎂石(水氯鎂石中含有大量的氯元素和稀有鋰元素)——俗稱“老鹵”。20世紀70年代以前以溝槽鹽田生產(chǎn)光鹵石,鹵水老化后就地留在液體礦上部。80年代先后修建了隔離鹽田,青海鉀肥集團公司一期工程20×104t項目設計將老鹵輸送到南霍布遜湖。但由于重視程度不夠、管理不善、南霍布遜湖水位高于采鹵區(qū)水位等問題,老鹵從未輸送到南霍布遜湖,而是就近匯聚于團結湖中;鐵路以東軍隊、地方各廠,原本就沒有切實可行的排鹵設計和措施,故也就近向團結湖排放老鹵。90年代,由于鉀鹽的緊缺及可觀的經(jīng)濟效益,在察爾汗鹽湖首采區(qū)中北部又興建了大量薄膜鹽田,曬制光鹵石后的老鹵就地排放,復又滲入到液體礦中。據(jù)估算2000年各鹽田向團結湖和鹽灘排放老鹵總量在3500×104m3/a左右。其中,青海鉀肥集團公司老鹵排放量2300×104m3/a,路東軍隊、地方各廠老鹵排放量1300×104m3/a。3.2.3濫采濫挖、老鹵的影響老鹵長期在察爾汗區(qū)段停留,必將影響到水鹽均衡體系(董志穎等,2002)。老鹵排入礦床中與原鹵產(chǎn)生兌鹵結鹽,其中的Cl-與鹵水中的K+結合,使鹵水中K+結晶成固體光鹵石充填在鹽層孔隙間而無法采出,變成難以經(jīng)濟利用的“呆礦”。鐵路以東的格爾木市鉀鎂廠、蘭空鉀肥廠一帶幾十平方千米范圍內鉀礦資源遭到嚴重破壞,近地表鹵水已不能生產(chǎn)光鹵石。更嚴重的是老鹵北浸,蠶食北部高鉀鹵水,兌鹵結晶成固體鉀礦無法利用,對礦床產(chǎn)生破壞作用(陳揚等,2003)。針對察爾汗鹽湖鉀礦的濫采濫挖及老鹵隨意排放造成的對鹵問題,2001年青海省國土資源廳對察爾汗鹽湖區(qū)鉀礦資源實行“四統(tǒng)一”(統(tǒng)一供水、統(tǒng)一供電、統(tǒng)一供礦、統(tǒng)一銷售)管理工作,關、并、停了路東大量的集體、個體薄膜鹽田,老鹵統(tǒng)一向團結湖排放,致使團結湖由1987年1月時的距鐵路5km,面積僅0.38km2的季節(jié)性小湖,現(xiàn)已擴展到鐵路路基,面積達125km2的長年性老鹵湖(1),湖水平均深度0.8m,不但壓蓋了大片液體礦,老鹵還通過北部堤壩下的石鹽層以繞壩滲透的方式,向北部的開采漏斗中滲漏,使“礦床老化—呆礦”面積不斷擴大,致使鹵水中的KCl品位不斷降低。受團結湖老鹵水影響,靠近團結湖一帶(團結湖北岸),晶間鹵水中的KCl含量從1.4%降至0.6%,而遠離團結湖向北則晶間鹵水中的KCl含量較高;在采區(qū)中部和北隨埋藏深度及開采年的增加,晶間鹵水中的KCl含量而減少,在采區(qū)東部則無明顯變化;豐水期KCl含量高于枯水期。2001年9月比重大于1.29g/cm3完全老化區(qū)的面積達到47.63km2,比重1.28～1.29g/cm3的中等老化區(qū)面積達20.38km2(1)。隨著“四統(tǒng)一”工作力度的持續(xù)深入,雖然路東薄膜鹽田相繼廢棄,但由于老鹵由壩下向北部的開采漏斗中滲漏,其礦鹵老化程度沒有減輕,范圍也沒有減小,2002年3月比重大于1.29g/cm3完全老化區(qū)面積為45.50km2,較2001年略有減少,比重1.28～1.29g/cm3的中等老化區(qū)面積達52.0