柴达木盆地大柴旦盐湖硼矿特征及成因研究.pdf
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1、马鸿颖,李洪普,安永为,等.柴达木盆地大柴旦盐湖硼矿特征及成因研究 J.盐湖研究,2024,32(2):54-61.Ma H Y,Li H P,An Y W,et al.The Characteristics and Genesis of Boron Deposits in Da Qaidam Salt Lake,Qaidam Basin J.Journal of Salt Lake Research,2024,32(2):54-61.DOI:10.12119/j.yhyj.202402008柴达木盆地大柴旦盐湖硼矿特征及成因研究马鸿颖1,2,李洪普1,2*,安永为3,仇新迪1,2(1.青海省
2、柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室,青海 格尔木816099;2.青海省柴达木综合地质矿产勘查院,青海 格尔木816099;3.青海省地质调查院,青海 西宁810016)摘要:柴达木盆地是我国最大的盐湖产业基地,大柴旦盐湖为盆地内重要的固液相硼矿床,其卤水中富含硼、锂、钾、镁、钠、溴、碘等。通过勘查大柴旦地质背景和卤水储层地质特征,分析大柴旦湖水(地表卤水)、潜卤水、承压卤水水文地质特征、水化学特征,结果表明大柴旦地区硼、锂来源于地球深部,断裂构造为导卤构造,钾、钠、镁等盐类来源于周缘花岗岩,新构造运动形成大柴旦断陷盆地接受沉积,干旱的气候条件下沉积盐类地层,随着地下水补给增加,岩盐层溶解,
3、形成高矿化度卤水,相应的硼、钾、锂等溶解于卤水之中,形成卤水(液体硼矿)。关键词:卤水特征;卤水成因;液体硼矿;大柴旦盐湖中图分类号:P597.1;P619.2文献标志码:A文章编号:1008-858X(2023)02-0054-08我国是世界硼资源储量大国之一,已经初步建立了完整的硼产业体系。目前发现的硼矿床成因类型有沉积变质再造型、盐湖型、地下卤水型、接触交代型、沉积型和火山沉积型等 6 种,其中沉积变质再造型硼矿资源储量占总量的 38.10%,盐湖型硼矿资源储量占总量的 52.36%,其他类型占 9.54%;加强对盐湖卤水中硼资源的有效开发利用,既能满足市场对硼酸的需求,又有利于盐湖卤水
4、钾、镁、锂等重要资源的高效开发和综合利用1-4。近年来,从盐湖卤水绿色、高效提硼工艺的研究已成为主流和主要的研究方向。然而,我国硼矿石消费全球第一,市场需求呈不断上升趋势,硼矿勘查程度不高,开发利用难度大,可供持续开发利用的后备资源不足,尤其是优质硼资源相对缺乏,对外依存度高。因此,加强卤水型硼矿调查评价与勘查工作,促进我国硼矿产业升级、优化开发利用结构与布局、强化技术创新,推进资源综合开发利用与保障硼资源供给具有重要意义5。青海大柴旦盐湖位于柴达木盆地北东缘的大柴旦内陆闭流性次级盆地,呈北西南东向的椭圆形分布于盆地的西南部,汇水面积约 2 130 km2。该盐湖是一个固液相的硼矿床,共伴生钾
5、盐、石盐和镁盐、芒硝、锂和溴等,成因复杂,累计查明硼资源量334.1104t(现保有量为222.82104t),规模为大型。将该矿床和国内外第四纪大型盐湖硼矿床(如我国西藏扎仓茶卡和聂尔错、青海小柴旦、美国 Searles)、晚二叠纪海相盐类大型硼矿床(如德国 Stassfurt)、第三纪火山沉积硼矿床(如土耳其 biggadic、Sultancayir、Kestelek、kirka,阿根廷 Loma Blanca)相比,经济价值较高6-9。本次勘查从盆地的成矿地质背景、最新矿床地球化学资料入手,对大柴旦湖液体硼床地质特征和成因进行了系统研究。1区域地质背景大柴旦盐湖大地构造位置属柴达木地块柴
6、北缘二级反“S”型褶皱带,北部和南部分别为达肯大坂山中间隆起和绿梁山中间隆起。区域地层自老至新出露前侏罗纪地层(震旦系、奥陶系、石炭系、三叠系)、下侏罗系、古近系和第四系。其中下侏罗系地层为三角洲相含砾砂岩与黑色页岩互层夹煤层,古近系路乐河组和上、干柴沟组为陆相浅湖相砂岩、粉砂收稿日期:2022-08-04;修回日期:2022-11-12基金项目:青海省基金项目(2022-ZJ-734)第一作者:马鸿颖(1983-),男,工程师,主要从事盐湖勘查与研究。Email:。通讯作者:李洪普(1968-),男,教授级高工,主要从事盐湖勘查与研究。Email:。第 32 卷第 2 期2 0 2 4年 4
7、 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.32 No.2Apr.2024马鸿颖,等:柴达木盆地大柴旦盐湖硼矿特征及成因研究第2期岩、粉砂质泥岩等。第四系属山前冲洪积相砾岩、砂岩、含砾砂岩、粉砂岩沉积和湖相与盐湖相泥质粉砂岩及湖相、盐湖相沉积;全新统有风积、冲洪积的含砾砂、砂、粉砂等,沼泽沉积的淤泥、粉砂淤泥,湖积的砂、粉砂、含粘土的粉砂、粘土等,化学沉积的石盐、石膏、含石盐的粉砂、含芒硝的淤泥等。区域构造为达肯大坂山断裂系和绿梁山断裂系。达肯大坂山断裂系以北西向断层为主,最早发生于加里东后期,使太古界地层逆冲于古生界之上,后期的断裂承袭老断裂活动,并使早先断
8、裂加深,至燕山期则明显的组成为北西 3065延展的叠瓦式断裂系,倾角4075。其后又被晚期北东向以平推为主的断层切割,断距一般在几十米至几百米不等,构造节理极其发育。绿梁山断裂系由一系列北西西北西及北东东向断裂组成,其断距一般在十几米至几百米不等,常常成为超基性岩体贯入的通道。第四纪,大坂山断裂系和绿梁山断裂系以断块性的脉动式差异运动为主,相对缓慢的穹状隆起为辅。主要表现有:达肯大坂山断块和绿梁山上升运动、大柴旦盆地沉降等。达肯大坂山断块上升运动导致大幅度的断裂块上升,被切割的冰川沉积基底阶地高达 100150 m,尤其在八里沟一带可达 200 m。而上更新世延续的上升则表现为洪积物以较大的坡
9、度(38)沉积,其后又被河流切割成高 50 m 左右的阶地。在塔塔棱河中、晚更新世冲洪积基座阶地的根部,基岩逆冲洪积物之上,向西切断了冰川沉积,并在该沉积的前缘AnJE3N1gAnJQppal3Qppal3QhalQhalAnJN达肯AnJ4 562.00Qpfpal3Qpfpal3AnJQheolQhfl平顶山E3N1g尕丘F2AnJ梁山Qppal3阿尔金昆隆断裂断裂断裂断裂断裂昆腾中北赛达拉山务什宗山山板山梁鄂达肯绿地木块达柴040 km2008 km4Qppal3QhalQppal3Qppal3Qppal3QhflQhchQhlJ1-2dJ1-2dQhlQhflQhalQhch-aQha
10、lQhch-a(盐)大 柴 旦 湖Qhch-dQheol图例Qhch-eolQheolQhch-aQhch-dQhflQh1QhalQhplAnJJ1-2dE3N1gN13261214112410239228752019183164171215AnJAnJQppal3E1-2l212527E3N1gN达9552374094453800绿955238006达参12 779 mN2sQhl山1-化学沉积,含芒硝淤泥(大柴旦湖底),2-石盐、粉砂、石膏,3-化学沉积、风积物,4-湖积物,5-沼泽沉积物,6-冲积物,7-洪积物,8-风积物,1-8全新世沉积物,9-晚更新世冲洪积物,10-上、下干柴沟组
11、,11-大煤沟组(柴北缘含煤地层),12-老山基岩区,13-二叠世岩浆岩,14-泥盆世岩浆岩,15-奥陶世岩浆岩,16-正断层,17-逆冲断层,18-平移走滑断层,19-性质不明断层,20-角度不整合,21-地质界限,22-湖、河、溪,23-高程点,24-公路、研究区位置,25-(B-B,)剖面位置、(SY1)样品采集位置与编号,26-指北针。图1大柴旦盐湖硼矿区域地质图Fig.1Regional geological map of boron deposit in Dachaidan Salt Lake55盐湖研究第 32卷八里沟留下了明显的断层三角面和断层陡坎,至温泉沟沟口由北西向转为北西
12、西向。因此在温泉沟形成了水温达 70 的温泉。推测该断裂是将基底锂、硼等元素运至地表的重要通道。绿梁山上升运动造成的上升幅度比达肯大坂山仅在现代河床中可见34 级河床阶地,最高一级高度仅 30 m 左右,洪积物坡度(13)。大柴旦盆地沉降作用下,使大柴旦湖盆地呈北西南东向展布,系受控于达肯大坂山和绿梁山的北西南东向断裂作用。其东西两端新的穹状隆起则对大柴旦闭流盆地的形成起着重要作用。湖盆地在第四纪断裂期主要表现为强烈的沉陷。大柴旦盐湖的北、东、南三侧山区内岩浆岩分布广泛,类型繁多,最早始于晚奥陶世,止于二叠世末期。晚奥陶世以中、基性火山喷出岩为主。加里东末期有中、酸性岩浆侵入岩,主要有黑云母花
13、岗岩、蚀变闪长岩,一般呈岩株状、岩盆状侵入于太古界及寒武系地层中。华力西期岩浆活动达到高潮,除类型繁多的侵入岩外,伴有中、酸性火山岩、花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩及橄榄岩、辉长岩等超基性岩,呈岩脉或岩枝状侵入10。大柴旦盐湖为固液相硼矿床。固体硼矿床为第四纪硼酸盐型矿床,伴生石盐和芒硝。该矿床按形成环境又可分为湖泊硼酸盐矿床、湖滨地表硼矿床和湖沼沉积硼矿床。矿床中硼矿体分为粘土硼矿体、盐类硼矿体、含盐硼体、淤泥石膏硼体等。盐湖卤水为液体硼矿床,按其产出状态可划分地表卤水和晶间卤水(图 2)。晶间卤水根据水力性质,又可划分为晶间潜卤水层(第晶间卤水层)和晶间承压卤水层(第晶间卤水层)11。2样
14、品采集、分析方法样品采集具体位置见图 1、表 1。样品采集于地表浅坑中的晶间潜卤水,样品量一般 500 mL,采样前对采样瓶进行了 3 次洗涤。样品分析时用一次性塑料滴管吸取样品缓缓滴入小烧杯中,准确称取一定质量(一般为 20.0 g)的样品,移入 250 mL 容量瓶中定容;固体混匀后直接称取一定质量(一般为 20.0 g)的样品,溶解后移入 250 mL 容量瓶中定容。检测方法:K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Li+、Sr2+采用电感耦合等离子体发射光谱法;Cl-、B2O3采用容量法;Rb+、Cs+采用电感耦合等离子体质谱法;Br-、I-、NO3-、F-采用分光光度法;密度用
15、比重瓶法。样品分析由青海省柴达木综合地质矿产勘查院测试中心完成,检测质量满足 DZ/T 0130-1993 地质矿产实验室测试质量管理规范 的相关要求。标高/m3 1503 1453 1403 1353 1303 1253 1203 1503 1453 1403 1353 130AZk1418Zk1202Zk1003Zk0812-1Zk0602-1Zk0403Zk0202Zk0305Zk0507Zk0911Zk1113 Zk1314205A B WWWWQ41Q3chQ4chQ3Q41Q3chQ3Q4ch04 km8 km25B02 km4 kmZk0604Zk0007Zk0005-1Zk00
16、06Zk0800Zk0802Zk0002-1Zk0015Zk0001-1Zk0004Zk0115 Zk0005Zk0514Q41WW25Q3Zk0004Q4ch1-地表卤水,2-晶间潜卤水,3-晶间承压卤水,4-全新世化学盐沉积层,5-全新世湖湘沉积层,6-晚更新世沉积层,7-钻孔位置及变化,8-剖面方向图2大柴旦湖矿层剖面图Fig.2Section of Dachaidan Lake ore bed56马鸿颖,等:柴达木盆地大柴旦盐湖硼矿特征及成因研究第2期3盐湖相(固体硼矿)特征大柴旦盐湖区地层为上更新统和全新统,盐类沉积主要赋存于上更新统和全新统的化学沉积层中(图 1)。上更新统按成因类
17、型可划分洪积、湖积、湖泊化学沉积三种类型。三种类型自边缘向中心依次呈环带状分布,粒度逐渐变小;上更新统洪积砂砾呈环带状分布于矿区外围,以北部和西南部较发育,呈向湖心的微缓倾斜状分布,主要由砾石和细砂组成。在湖盆中心,主要为湖积粘土、粉砂和湖泊化学沉积的石盐为主、芒硝和石膏、软钾镁矾等盐类矿物,湖积在下,湖泊化学沉积在上,二者呈连续过渡关系12,13。全新统成因类型有冲积、风积、湖泊机械沉积、湖泊化学沉积和湖沼沉积。冲积由粉砂、砂砾组成,主要分布在矿区东部和北部的一些小溪和冲沟中;风积为中细砂,主要分布在矿区西部及西南部,另在东南部和中南部也有分布,常形成新月形沙丘和沙堆,在东南部见有高度达 8
18、 m 的新月形活动沙丘;湖沼沉积主要分布于矿区北部、东部湖水外缘的湖泊机械沉积中,根据沉积物的矿物成分进一步分为沼泽沉积和盐泥坑沉积两种,前者为含腐植物的砂质粘土,后者为砂质粘土、淤泥、石膏、芒硝、石盐,部分含有钠硼石、硼砂、水方硼石,形成盐泥坑硼矿;湖泊化学沉积广泛分布于湖底和地表,根据沉积物的矿物成分可以划分为淤泥石膏、芒硝和石盐三种类型:淤泥石膏沉积是组成湖底盐类沉积中淤泥石膏层的主体,主要分布于矿区中部、东北部,厚度0.108.53 m,B2O3含量 0.6%14%,分布面积 94.04 km2;芒硝沉积是组成湖底盐类沉积中芒硝层的主体,主要分布在矿区的中东部,矿区西南部则呈零星分布,
19、沉积厚度 0.209.86 m,34 m者居多,B2O3含量 0.7%2.5%,分布面积 56.15 km2;石盐层是组成湖底盐类沉积中石盐层的主体,主要分布于矿区的中西部,其厚度西部大于东部,最大16.90 m,向东逐渐变薄,至边缘最小为 0.08 m,多在68 m,B2O3含量0.6%2.5%,分布总面积108.93 km2;湖泊机械沉积分布于湖泊化学沉积的外缘及湖底湖泊化学沉积的下部。在湖底它直接覆盖在上更新统盐类沉积之上,此类沉积的岩性以砂质粘土为主,次为含石膏砂质粘土和含盐砂质粘土13。硼酸盐层在水平分布上具有明显的分带性,湖区中部,以芒硝沉积区的硼酸盐和钠硼解石为主的石盐沉积。在湖
20、区东北外缘地表卤水区以柱硼镁石为主的淤泥石膏硼酸盐沉积。在北部外缘(偏东)及湖表卤水的东部有湖滨地表钠硼解石、水方硼石和柱硼镁石分布。垂向上,硼酸盐的沉积分带现象。硼酸盐沉积期,下部为零星分散的硼为主要矿物的钠硼解石及柱硼镁石,上部为芒硝、石盐、石膏、泻利盐及软钾镁矾。后硼酸盐沉积期出现了三个明显的垂直分布区间:下部硼酸盐沉积区间,主要集中在全新统下部的碳酸盐粘土沉积中,含少量石膏和芒硝,硼酸盐以柱硼镁石为主,钠硼解石次之;中部硫酸盐沉积区间:这成盐区间也是硼酸盐形成的全盛阶段,在底部淤泥石膏中以柱硼镁石为主,钠硼解石次之,中部及上部含芒硝、钠镁矾及含芒硝淤泥中的硼酸盐则以钠硼解石为主,柱硼镁
21、石次之;顶部氯化钠沉积区间:在氯化钠沉积区间的硼酸盐主要集中在石盐沉积层的底部,多半为钠硼解石,柱硼镁石少见(图 3)。硼酸盐与含淤泥石膏、芒硝的石盐沉积关系密切。在纯石盐层中,基本上未出现硼酸盐沉积14-16。层号岩性组合黑色石膏淤泥层:石盐7%,石音41%,方解石 2%,文石 10%,白云石 2%,水菱镁矿13%及粘土矿物18%土黄加灰黑色团块状松散结核层,团块有气孔:石盐 7%,石膏 35%,水菱铁矿26%,柱硼镁石19%及粘土石物23%黑色石膏淤泥层:石盐9%,石膏35%,方解石 3%。文石 9%,水菱镇矿 16%。柱硼镁石5%及粘土矿物23%灰黑色泥质石膏层,合向平状结核:石盐11%
22、,石膏34%,文石23%及土矿物30%浅灰黑色,结核层理,灰白色盐纹:石盐7%、石膏49%、文石16%,水菱镁矿19%及广物9%铁黑色松散结核层:石盐 10%,石膏13%、文石 9%、水菱镁矿 33%及粘土矿物32%灰黑色含盐淤泥层:石盐 12%,石膏12%,文石19%,水菱镁矿30%灰色结核层与灰白色石膏层交互成层:石盐6%,石膏47%,文石14%,水菱镁矿22%及站土矿物11%灰色泥质石膏沉积,含少量块状结核:石盐 4%,石膏 45%,文石 10%,水菱镁矿22%及粘矿物17%灰色结核层与灰白色石膏层交互成层:石盐8%,石膏59%,文石5%及水菱镁矿广24%柱硼镁石矿层:石盐2%,石膏62
23、%,柱硼镁石14%及水菱镁矿12%深度/cm72.0088.85105.70122.55139.40156.25173.10189.95206.80223.65240.50图3大柴旦湖固体硼矿垂向分布特征29Fig.3Vertical distribution characteristics of solidboron deposits in dachaidan lake57盐湖研究第 32卷4卤水(液体硼矿)特征4.1地表卤水(湖水)地表卤水分布于矿区的东北部,平面上呈一头朝南东的镰刀状,在不同季节、不同年份表面卤水的动态变化比较大,其动态变化与卤水的稀释和浓缩密切相关。洪水期水位上升,湖面
24、积扩大,卤水被稀释,部分固相被溶解,造成矿化度减小,B2O3、LiCl、K+、Mg2+、Br-等普遍降低,唯有 Na+含量升高;枯水期则与之相反。图 1 为卤水在年内布情况,从雨季至旱季,面积 22.9244 km2,水深 0.200.70 m,矿化度220350 g/L,B2O3含量 1 168.205 202.46 mg/L,LiCl含量 4121 776.13 mg/L,K+含量 2 53010 730 mg/L,Mg2+含量 7 688.5035 549 mg/L,Na+含量 72 400109 400 mg/L,Br-含量 43.25188.24 mg/L,F-含量为11.3017.
25、39 mg/L,I-含量为 0.000.63 mg/L,不含Rb2O 和 Cs2O17。4.2晶间卤水晶间卤水矿按其产出位置及水力性质划分为潜卤水矿层(W)和承压卤水矿层(W)。潜卤水层广泛分布于矿区中部,面积 130.18 km2,水位埋深0.00.5 m,储卤层厚度 312.05 m,其总的变化趋势是:西南厚度达 12.05 m,湖水区次之,南部和东南部厚度仅 3 m。潜卤水储卤层为全新统盐类沉积,岩性包括石盐层、芒硝层、淤泥石膏层,上部石盐层结构较松散,孔隙度为 30%40%,而下部的芒硝及淤泥石膏沉积具压实作用,孔隙度 20%35%,卤水矿化度 321.4357.1 g/L17,B2O
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