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(dá)木盆地中部，南距格爾木市60公里，北距柴達(dá)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(zhì)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(gè)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(jì)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(zhì)水文地質(zhì)隊(duì),1986)。察爾汗鹽湖地處柴達(dá)木盆地腹地,長期以來保持著沉降為主的地質(zhì)發(fā)展史,堆積了厚達(dá)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(dá)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(zhuǎn)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(jìn),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(zhuǎn)為干旱少雨,入浸湖水逐漸退縮,大量的細(xì)粒碎屑物不能進(jìn)入鹽湖,且蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量,造成湖水面積逐漸萎縮,干鹽灘面積逐漸擴(kuò)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(zhì)泥巖,夾少量泥質(zhì)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(gè)含鹽組組成,其下含鹽組湖積層由細(xì)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(xì)粉砂,北粗南細(xì),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(gè)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(dá)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(shí)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(qiáng)(馬達(dá)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(dá)布遜湖向南北東3個(gè)方向逐漸升高,達(dá)布遜湖以東段開采條件下埋深受補(bǔ)給條件及采鹵影響變化較大,南部受團(tuán)結(jié)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(dá)5～7m,集鹵渠影響寬度一般為3.4～5.0km,影響范圍內(nèi)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(qiáng),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(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)給(屈紅軍等,2003),其中地表水補(bǔ)給量5.505×108m3/a,大氣降水補(bǔ)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(zhì)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(bǔ)給來源轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蛇_(dá)布遜湖湖水、大氣降水和鹽下水越流補(bǔ)給(青海第一地質(zhì)水文地質(zhì)隊(duì),1986;地質(zhì)礦產(chǎn)部青海中心實(shí)驗(yàn)室,1990;青海省地質(zhì)局第一地質(zhì)隊(duì),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(dāng)?shù)V化度小于370g/L時(shí),K+含量隨著鹵水礦化度的升高而增加,當(dāng)?shù)V化度大于370g/L時(shí),則由于光鹵石的結(jié)晶析鹽作用,K+含量迅速減少,當(dāng)?shù)V化度大于450g/L時(shí),水氯鎂石開始結(jié)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(diǎn)。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(tuán)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(bǔ)給,其排泄主要靠垂直蒸發(fā),其次為補(bǔ)給鹵水湖及周邊孔隙鹵水。實(shí)驗(yàn)室測定孔隙度為12%～30%,抽水試驗(yàn)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(dá)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(nèi)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(kuò)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(xué)動(dòng)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(dāng)前及環(huán)境地質(zhì)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(jì)50年代末開始經(jīng)40多年的開發(fā),尤其是20世紀(jì)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(dá)布遜湖的青藏鐵路兩側(cè),青藏鐵路以西為青海鉀肥集團(tuán)公司開采區(qū),以東為部隊(duì)、鐵路、地方及個(gè)體單位開采區(qū)。2001年已建成氯化鉀選廠43個(gè),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(zhì)問題3.2.1結(jié)晶帶晶間最大織缺失結(jié)構(gòu)鉀礦儲(chǔ)量的評價(jià)沿用固體礦床的計(jì)算方法——地質(zhì)塊段法,而未采用解析法——水動(dòng)力學(xué)法、水均衡法進(jìn)行評價(jià)。因其評價(jià)方法不同,導(dǎo)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(kuò)大,1997年已擴(kuò)大到全區(qū),尤其是察爾汗鹽湖西面,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出首采區(qū)范圍,達(dá)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(nèi)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(tuán)結(jié)湖老鹵水的大量聚集,導(dǎo)致湖水面擴(kuò)大,湖水位升高;晶間鹵水進(jìn)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(dá)布遜湖和團(tuán)結(jié)湖湖水以地下徑流的方式向開采區(qū)補(bǔ)給。鹵水水位動(dòng)態(tài)隨采鹵量、采鹵強(qiáng)度、采鹵面積和補(bǔ)給條件的變化而變化。采區(qū)南部年變幅達(dá)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(jié)晶出來的(李剛等,2002;乜貞等,2005)。光鹵石結(jié)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(jì)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(tuán)公司一期工程20×104t項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(tuán)結(jié)湖中;鐵路以東軍隊(duì)、地方各廠,原本就沒有切實(shí)可行的排鹵設(shè)計(jì)和措施,故也就近向團(tuán)結(jié)湖排放老鹵。90年代,由于鉀鹽的緊缺及可觀的經(jīng)濟(jì)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(fù)又滲入到液體礦中。據(jù)估算2000年各鹽田向團(tuán)結(jié)湖和鹽灘排放老鹵總量在3500×104m3/a左右。其中,青海鉀肥集團(tuán)公司老鹵排放量2300×104m3/a,路東軍隊(duì)、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(jié)鹽,其中的Cl-與鹵水中的K+結(jié)合,使鹵水中K+結(jié)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(jì)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(nèi)鉀礦資源遭到嚴(yán)重破壞,近地表鹵水已不能生產(chǎn)光鹵石。更嚴(yán)重的是老鹵北浸,蠶食北部高鉀鹵水,兌鹵結(jié)晶成固體鉀礦無法利用,對礦床產(chǎn)生破壞作用(陳揚(yáng)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(shí)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(guān)、并、停了路東大量的集體、個(gè)體薄膜鹽田,老鹵統(tǒng)一向團(tuán)結(jié)湖排放,致使團(tuán)結(jié)湖由1987年1月時(shí)的距鐵路5km,面積僅0.38km2的季節(jié)性小湖,現(xiàn)已擴(kuò)展到鐵路路基,面積達(dá)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(kuò)大,致使鹵水中的KCl品位不斷降低。受團(tuán)結(jié)湖老鹵水影響,靠近團(tuán)結(jié)湖一帶(團(tuán)結(jié)湖北岸),晶間鹵水中的KCl含量從1.4%降至0.6%,而遠(yuǎn)離團(tuán)結(jié)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(dá)到47.63km2,比重1.28～1.29g/cm3的中等老化區(qū)面積達(dá)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(dá)52.0