新疆艾丁湖無水芒硝成因分析

新疆艾丁湖無水芒硝成因分析

1愛丁湖礦區(qū)概況1.1地表氣候特征愛丁湖位于吐魯番盆地中部的南部。北部是火火焰山-博格達山系，擁有3000.05萬米的海拔高度。南部是覺羅塔格山系，海拔1500米。東部是海拔300.05萬米的科布穆塔格沙溝。礦區(qū)位于艾丁湖北巖,是一南緩傾斜的鹽堿地、鹽沼地及鹽類堆積物,海拔最高-148.28m,最低-154m。艾丁湖在獨特的地形條件控制下,形成典型的干旱荒漠氣候,是世界聞名的“火洲”。夏季高溫酷熱,冬季干冷,春秋季風大力強。6～8月最低溫度平均33℃以上,時間長達30～50d,極值溫度50.9℃,地面溫度最高為74.9℃,炎熱天氣長達120d以上;冬季氣溫平均為-8.7℃,極值溫度-26.9℃。年降水量為10.9mm,蒸發(fā)量為4985mm以上。春秋季為大風季節(jié),以西北風為主,年平均風速為2.1m/s,最大風力可達12級。由于礦區(qū)遭遇北邊季節(jié)性地表水,特別是潛水的溶融、腐蝕、再造,使礦區(qū)成為兩種載然不同的地貌形態(tài):一種為微溶蝕鼓丘區(qū),面積為3.4km2;一種為溶蝕碟形地貌區(qū),面積為9.74km2。艾丁湖礦區(qū)水文地質的基本模式:因地勢較低,地表水、地下水由四面八方向盆地匯聚,構成一個以艾丁湖為中心的輻射滲透流場,地下淺層水與深層水之間明顯有一富含粉砂和粘土的相對隔離層。淺層水為潛水系統(tǒng),潛水大量賦存于周邊土層及芒硝、石鹽層內,稱晶間鹵水;深層水為承壓系統(tǒng)。1.2在微溶蝕鼓丘區(qū)的土壤根據(jù)《新疆吐魯番縣艾丁湖礦區(qū)石鹽芒硝初步勘探地質報告》,礦區(qū)B+C+D級無水芒硝和芒硝礦總儲量約2600萬t,其中D級無水芒硝儲量約140萬t。無水芒硝主要分布在微溶蝕鼓丘區(qū),呈窩狀,面積大小不等,厚度0.3～0.5m,最厚達到1.2m以上,上層是厚度為0.3～0.5m的石鹽。其次在微溶蝕鼓丘區(qū)和溶蝕碟形地貌區(qū),無水芒硝及石鹽殼下面的粉砂土中,含有大量的無水芒硝固體顆粒,顏色呈淺褐或淡灰色或條痕白色。另外,在開采過十水芒硝后留下的硝坑內(整個芒硝礦區(qū)有大大小小的硝坑上千個),部分硝坑有厚度3～10cm的無水芒硝板,硝板致密,硫酸鈉含量在95%(質量分數(shù))以上,并且這些硝坑內大都有鹵水存在,當鹵水深度在30～60cm時,鹵水下層接近芒硝板,附近溫度有35℃以上。2自然無水芒硝成因的探討2.1硫酸鈉亞型鹽水蒸發(fā)的固相艾丁湖芒硝礦鹵水組成(g/L)為:SO2?442-57.65,Cl-162.4,Ca2+5.28,Mg2+2.69,Na+141.2,K+0.46,總鹽量369.68。由此可見,艾丁湖芒硝礦鹵水屬于硫酸鈉亞型鹵水,主要成分是氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鎂,另外含少量鉀鹽,它在5組分體系相圖上的位置為A點,見圖1。對組成點為A點的鹵水進行蒸發(fā),首先析出石鹽,然后是無水芒硝。隨著無水芒硝的析出,鹵水的組成沿A—H′移動。到達H′點時,白鈉鎂礬開始析出,且無水芒硝回溶轉變?yōu)榘租c鎂礬。因為自然界的蒸發(fā)過程不可能是理想的平衡過程,原來析出的無水芒硝因各種可能的原因被泥沙覆蓋,或由于來不及溶解(因為無水芒硝溶解是放熱的,溶解速度非常緩慢),或是在“內部干燥作用”下,鹵水變質在相應的等穩(wěn)點上保持不變,因為蒸發(fā)的地熱變質是在鹽層固結后產(chǎn)生的,參與變質過程的液體來源于含結晶水的礦物脫水熔融,稱為“自生變質溶液”。在地熱能的熱作用下,這種變質作用會產(chǎn)生與地表鹵水類似的蒸發(fā)作用,這就叫“內部干燥作用”。這種作用使總水量不斷減少直至干涸。這樣,鹵水組成點沿H—S線移動一段之后,將穿越白鈉鎂礬相區(qū),析出石鹽和白鈉鎂礬。當鹵水組成點到達T′時,開始析出鉀芒硝,在鹵水組成向T′—T變動時,應形成石鹽、白鈉鎂礬和鉀芒硝組合。鹵水組成點到達T時,軟鉀鎂礬開始析出,且已生成的鉀芒硝向軟鉀鎂礬轉變。鹵水組成點到U時,鉀鎂礬析出,軟鉀鎂礬向鉀鎂礬轉變。根據(jù)相圖的聯(lián)線規(guī)則、杠桿規(guī)則、重心規(guī)則,硫酸鈉亞型鹵水的蒸發(fā)有在S、T、U點干涸的可能。由于艾丁湖礦區(qū)屬于典型的荒漠氣候,蒸發(fā)量遠遠大于降雨量,并且艾丁湖礦區(qū)鹵水中鉀離子含量很少,因此鹵水蒸發(fā)的結果在S點干涸,那么,固相是石鹽和無水芒硝。艾丁湖天然無水芒硝礦床分布特征與上述理論分析基本一致。2.2無水上氣候區(qū)艾丁湖芒硝礦因地勢較低,地下水豐富,且每年春季天山上的雪溶化,最終匯聚于艾丁湖,造成部分芒硝溶化,然后夏季再生。礦區(qū)屬于典型的干旱荒漠氣候,屬于太陽能資源豐富地區(qū),夏季氣溫較高,蒸發(fā)量遠遠大于降雨量,有利于十水芒硝轉化成無水芒硝。在粉砂土中,含有大量的無水芒硝固體顆粒,是由于在“內部干燥作用”下,十水芒硝晶體首先脫去一部分結晶水,變成含七個結晶水的七水硫酸鈉介穩(wěn)狀態(tài),使十水芒硝溶解在自身的結晶水中,然后再脫水轉化成無水芒硝。2.3鹽水—鹵水對形成太陽池的討論本研究對一些硝坑內鹵水上下層濃度及溫度進行分析和測定,見表1。硝坑內的鹵水可看成是一個具有一定濃度梯度的鹽水池—太陽池。由于鹵水上下層存在濃度梯度抑制了鹵水的對流傳熱,使鹵水下層的溫度大大高于鹵水上層的溫度,當鹵水下層的溫度大于芒硝轉化脫水的溫度時,鹵水層下的芒硝就脫水轉化成無水芒硝。3水族地區(qū)型中的無水天然氣硝礦(1)艾丁湖芒硝礦鹵水屬于硫酸鈉亞型鹵水,它在5組分體系相圖上最后可能在S點干涸,形成固相是石鹽和無水芒硝,與艾丁湖天然無水芒硝礦床分布特征是一致的。因此在艾丁湖芒硝