何 勝，蘇世杰，侯利朋

1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局/青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；2.青海省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院/青海906工程勘察設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810008

0 引言

鉀鹽是中國(guó)緊缺的戰(zhàn)略資源礦種.青海省柴達(dá)木盆地內(nèi)分布著各種大小不同的地表鹵水湖、半干涸湖和干涸鹽湖.在這些鹽湖中蘊(yùn)藏著極為豐富的鹽湖礦產(chǎn)資源，鹽湖礦床具有分布廣、規(guī)模大、品位富、礦種多、類(lèi)型全之特點(diǎn).馬海鹽湖位于柴達(dá)木盆地東北部，北起塞什騰山前，南至茶冷口、南八仙，西北自冷湖，東至馬海，面積約3 700 km2；蘊(yùn)藏著豐富的鉀鹽資源.2010年馬海鹽湖深部鉆探（K1）揭示出深部?jī)?chǔ)層鹵水富鉀且水量豐富，顯示其深層鹵水開(kāi)發(fā)的良好前景.但由于深部鹽湖資源地勘工作程度低，資源勘查情況不清，不能滿(mǎn)足資源規(guī)模開(kāi)發(fā)與規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)需要，資源保障能力不足，需進(jìn)一步勘查、研究.地震波是揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)屬性的最有效工具之一.隨著分析技術(shù)的發(fā)展，地震波不僅可以用于研究地球內(nèi)部物質(zhì)的速度、密度、巖石剛度等屬性，還可以用于探討相關(guān)物性參數(shù)的變化［1］.但鹵水鉀礦為液體礦產(chǎn)資源，其礦化度高低對(duì)其速度無(wú)明顯差異變化，而其電阻率參數(shù)會(huì)隨其礦化度升高而降低，瞬變電磁法（TEM）和大地電磁測(cè)深法（MT）兩種物探方法均能研究其電阻率變化規(guī)律.TEM具有對(duì)低阻異常敏感、信號(hào)強(qiáng)度大、縱橫向分辨率高、探測(cè)時(shí)間較短、工作效率高、受地形影響小等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合MT探測(cè)深度大等特點(diǎn)，能有效鑒別出相對(duì)低阻鹵水鉀礦異常區(qū)［2-4］.

筆者利用綜合物探方法對(duì)馬海地區(qū)深層鹵水進(jìn)行了探測(cè)，主要任務(wù)是查明該區(qū)深層鹵水空間分布范圍，為下一步深部鉆探工程提供物探依據(jù).

1 區(qū)域地質(zhì)概況

區(qū)域范圍內(nèi)絕大部分地區(qū)分布新生界，元古宇和中生界零星分布（如圖1）.出露地層主要為新近系砂巖、礫巖、含砂礫巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖；第四系巖性為湖積碎屑夾鹽類(lèi)沉積及洪積物，主要為含石膏粉砂的黏土、含石膏的黏土、黏土粉砂，含礫的粉細(xì)砂、含粉砂的石鹽、粉砂石鹽、含石膏粉砂的石鹽及含石膏的芒硝石鹽.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及工程布置圖Fig.1 Geological sketch map of the study area with engineering layout

區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)豐富，尤以鹽類(lèi)礦產(chǎn)鋰、硼、鉀、鎂鹽為主.鹽類(lèi)礦產(chǎn)主要分布在馬海盆地內(nèi)，包括固體和液體礦.固體礦產(chǎn)有鉀鹽礦和石鹽礦，其中以鹽類(lèi)為主的礦石類(lèi)型為含光鹵石粉砂的石鹽，含光鹵石的粉砂石鹽、含鉀石鹽粉砂的石鹽、含鉀石鹽的粉砂石鹽、含鉀石鹽的石鹽粉砂、含石鹽的黏土粉砂.礦產(chǎn)賦存于石鹽中.液體礦的主要組分是KCl，伴生組分是NaCl、MgCl2、MgSO4、LiCl、B2O3、Br，其中LiCl、B2O3、Br分布零星，各礦層之間的隔水層巖性一般為含粉砂及粉砂黏土，厚度3.00～30.00 m.由于隔水層弱透水性及承壓水越流和頂托補(bǔ)給作用，各礦層之間存在著一定的水力及水化學(xué)聯(lián)系.

馬海地區(qū)位于柴達(dá)木盆地西部中央拗陷帶的西部隆起區(qū)，北東為柴北緣褶皺帶，北西為阿爾金構(gòu)造帶，南緣為昆北斷裂帶.總體觀之，區(qū)域內(nèi)沉積厚度較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜.研究區(qū)內(nèi)主要分布有馬海湖盆向斜構(gòu)造、冷湖6號(hào)背斜構(gòu)造、冷湖7號(hào)背斜構(gòu)造、馬海背斜構(gòu)造，冷湖6號(hào)、7號(hào)背斜構(gòu)造有多條近平行的逆斷層，斷層走向北西，長(zhǎng)約12 km，兩端為第四系覆蓋，傾向南西，傾角陡，主要發(fā)育在上新統(tǒng)中.

2 地球物理特征

地層、巖石物性是物探解釋的依據(jù)和基礎(chǔ)［5］，其特征變化是引起地球物理參量特征變化的主要因素.特別是成巖程度及膠結(jié)性、富水性、地下水礦化度的強(qiáng)弱大小差異，都會(huì)引起異常特征的一系列反應(yīng)變化［6-7］.而地層電阻率值是目前地球物理方法評(píng)價(jià)地下水礦化度主要的有效參數(shù)，電阻率隨著水礦化度的增長(zhǎng)呈線(xiàn)性下降，這對(duì)任何鹽類(lèi)都一樣（見(jiàn)圖2）.鹵水是富含以鉀鹽為主的溶液或飽和溶液，屬于強(qiáng)電解質(zhì)、離子導(dǎo)電，導(dǎo)電離子濃度越大，礦化度越高，電阻率則越低.

圖2 各種溶液的電阻率與其礦化程度的關(guān)系圖（據(jù)V.N.Dakhnov）Fig.2 The diagram of resistivity of various solutions vs.mineralization degree（By V.N.Dakhnov）

通過(guò)收集以往地球物理與含水層礦化度資料，可知同一巖性電阻率與地下水礦化度緊密相關(guān).相同巖性礦化度由0.5 g/L增大20倍至10 g/L時(shí)，其電阻率值減小為原來(lái)的1/20，礦化度高則電阻率相對(duì)低值，礦化度低則電阻率相對(duì)高值.巖石電阻率與地下水礦化度間的這種相關(guān)性為圈定不同地下水礦化度分布空間提供了理論基礎(chǔ).電阻率越小礦化度越高，電阻率越高礦化度越低［8］，因此，電阻率越低處，賦存高礦化度鹵水（鉀礦）的可能性就越大.

根據(jù)已有鉆孔資料及馬海地區(qū)TEM/MT資料、物探測(cè)井資料綜合分析、統(tǒng)計(jì)后，對(duì)該區(qū)物性層劃分如表1.各巖石電阻率與含水率、巖石結(jié)構(gòu)、組成成分及礦化度大小有關(guān).

表1 馬海地區(qū)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Physical parameters of Mahai area

馬海地區(qū)第四系石鹽粉砂、黏土粉砂、含石膏的粉砂黏土、粉砂、細(xì)砂、粗砂、礫砂、含粉砂黏土等電性變化不大.但上述地層當(dāng)?shù)V化度大小不同時(shí)仍存在一定的電性差異，其中高礦化度的粉砂、細(xì)砂、粗砂、礫砂等電阻率值相對(duì)較低或極低（基本上小于1.0Ωm），為研究區(qū)主要高礦化度鹵水富集地層.而高礦化度的黏土、含粉砂黏土由于孔隙度較小、富水性較差，電阻率值相對(duì)較高（均在1.0Ωm以上）.低礦化度的黏土粉砂、粉砂、粉細(xì)砂、細(xì)砂、粗砂、礫砂等地層電阻率值則呈現(xiàn)相對(duì)高阻電性特征.

新近系砂質(zhì)泥巖，相對(duì)于第四系地層電性差異明顯，砂質(zhì)泥巖電阻率值最高，最大電阻率值在30Ωm左右，為相對(duì)貧水或含水極差地層.

從以上分析可看出，利用瞬變電磁法、大地電磁測(cè)深法來(lái)查明研究區(qū)深部地層巖性、富鹵水層位（段）具有一定的物性前提.

3 數(shù)據(jù)采集及處理

在研究區(qū)布置物探剖面（兩種物探方法重合）1條，總長(zhǎng)度為22 050 m，測(cè)線(xiàn)方位為31°.TEM測(cè)量方法以0為起始點(diǎn)號(hào)自南往北以單號(hào)遞增，點(diǎn)距50 m；MT測(cè)量方法以1為起始點(diǎn)號(hào)自南往北以單號(hào)遞增，點(diǎn)距150 m，如圖1所示.本研究采用的儀器是SM24瞬變電磁系統(tǒng)和加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8-system2000.net電法工作站.通過(guò)試驗(yàn)工作確定TEM測(cè)量參數(shù)為：1）發(fā)送電壓110 V；2）發(fā)送電流10～10.5 A；3）發(fā)送基頻0.25 Hz；4）發(fā)送邊長(zhǎng)800 m×800 m；5）疊加次數(shù)16～32次；6）取樣道數(shù)43道；7）工作裝置，大定源.MT測(cè)量參數(shù)為：1）電極極距130 m；2）采集頻率0.001～320 Hz；3）采集時(shí)間24 h以上；4）增益調(diào)節(jié)4倍.

TEM數(shù)據(jù)處理采用Maxwell軟件進(jìn)行預(yù)處理、多測(cè)道圖分析、刪除壞點(diǎn)衰減曲線(xiàn)和不合格通道、正演、反演、導(dǎo)出數(shù)據(jù)最終成圖［9-12］.MT資料處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、資料反演、資料定性分析3個(gè)階段［13］.采用SCS2D軟件進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括極化模式識(shí)別、去噪處理及靜位移校正等［14-15］.采用大地電磁場(chǎng)時(shí)間序列的Robust處理（Robust估計(jì)算法是在最小二乘法的基礎(chǔ)上提出［16］）、Rhoplus分析、復(fù)阻抗張量分解等處理技術(shù)對(duì)野外測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（數(shù)據(jù)編輯平滑等），得到視電阻率、阻抗相位等參數(shù)曲線(xiàn)［17］.采用二維快速松弛反演（RRI）、Occam二維反演、二維共軛梯度反演、印模等方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，通過(guò)比較分析并結(jié)合其他地質(zhì)、地球物理資料，確定最終反演模型，以利于突出更多的地質(zhì)信息和進(jìn)行電性層位的劃分［18-20］.

4 資料解釋及成果分析

4.1 資料解釋推斷依據(jù)

為了使電磁測(cè)深技術(shù)的探測(cè)順利進(jìn)行和分析對(duì)比，在馬ZK4010鉆孔做了孔旁測(cè)深，以確定與電磁測(cè)深曲線(xiàn)形態(tài)對(duì)應(yīng)的地層巖性及富鹵水異常特征，建立物探解譯模型.

根據(jù)該鉆孔資料設(shè)計(jì)地下介質(zhì)的正演電性模型，根據(jù)正演模型做1D正演，獲得相應(yīng)頻率的視電阻率（圖3）.然后再對(duì)正演得到的視電阻率做反演，得到模擬的地下電性曲線(xiàn).最后將模擬數(shù)據(jù)反演得到的MT測(cè)深結(jié)果曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)MT測(cè)深反演曲線(xiàn)進(jìn)行擬合并對(duì)比分析（如圖4），結(jié)果顯示，兩條曲線(xiàn)類(lèi)型形態(tài)基本一致，說(shuō)明應(yīng)用該模型數(shù)據(jù)進(jìn)行反演與實(shí)際地質(zhì)情況基本吻合.

圖3 正演結(jié)果圖Fig.3 Apparent resistivity data by forward modeling

根據(jù)研究區(qū)物性特點(diǎn)，對(duì)物探電阻率二維反演圖和鉆探資料進(jìn)行對(duì)比，建立物探解譯模型（圖4）：淺層為干燥、含水性較差的含黏土石鹽、含粉砂黏土、粉細(xì)砂互層，電阻率ρ＝0.6～0.8Ωm；中部為高礦化度鹵水層，電阻率ρ＜1Ωm；深部電阻率逐漸升高，含水巖層層位（段）減少，水體礦化度逐漸降低，為淡－鹵水過(guò)渡區(qū)層位；底部電阻率基本上大于1.5Ωm，推測(cè)該層位為貧水或含水極差的新近系砂質(zhì)泥巖.

圖4 模擬數(shù)據(jù)反演電阻率曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演電阻率曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of inversion resistivity curves between simulated and measured data

綜合對(duì)比分析后認(rèn)為：鉆孔旁電磁測(cè)深曲線(xiàn)解釋結(jié)果與已知鉆孔地質(zhì)剖面比較吻合，其探測(cè)曲線(xiàn)可作為本區(qū)主要巖性層段地質(zhì)解釋的標(biāo)志曲線(xiàn).

4.2 資料解釋分析

經(jīng)對(duì)比分析，區(qū)內(nèi)電磁測(cè)深曲線(xiàn)主要分為兩類(lèi)（HKQH型、QH型），另有較少的G型曲線(xiàn)（主要分布在北部山腳處）.HKQH型曲線(xiàn)主要分布在剖面的南段，其電性組合為ρ1＞ρ2＜ρ3＞ρ4＞ρ5＜ρ6（圖5）.其中細(xì)中砂、細(xì)砂、粉砂等層位為富鹵層；ρ5電性層反映高礦化度鹵水及淡－鹵水過(guò)度層位；ρ6電性層特征為相對(duì)高阻層，反映為貧水或賦水性極差的新近系砂質(zhì)泥巖層.

圖5 J3/M1點(diǎn)HKQH型曲線(xiàn)圖Fig.5 The HKQH-type curve at spot J3/M1

QH型曲線(xiàn)主要分布在剖面北端山前和盆地交接洼地過(guò)渡區(qū)，其電性組合為ρ1＞ρ2＞ρ3＜ρ4（圖6）.ρ1電性層反映表層的干燥不含水泥質(zhì)砂礫石高阻電性層；ρ2電性層反映的地層為粉砂黏土、黏土（含水性差）；ρ3反映低礦化度的含粉砂黏土、泥質(zhì)粉砂互層；ρ4反映盆地底部高阻值新近系砂質(zhì)泥巖層.

圖6 141/M1點(diǎn)QH型曲線(xiàn)圖Fig.6 The QH-type curve at spot 141/M1

高礦化度鹵水地層電阻率明顯低于低礦化度地層（圖7），圖7中121/M1點(diǎn)電阻率曲線(xiàn)和141/M1點(diǎn)電阻率曲線(xiàn)分別為HKQH型和QH型曲線(xiàn).在埋深200～1100 m之間，121/M1點(diǎn)曲線(xiàn)（ρ4、ρ5層）電阻率值基本上小于0.6Ωm，141/M1點(diǎn)曲線(xiàn)電阻率值則大于1.0Ωm（對(duì)應(yīng)ρ3低礦化度的含粉砂黏土、泥質(zhì)粉砂互層）.上述表明高礦化度鹵水地層與低礦化度地層呈不同電阻率曲線(xiàn)特征，且差異明顯.

圖7 高礦化度與低礦化度地層電性曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of electrical curves between high and low salinity formations

結(jié)合以往地質(zhì)、鉆孔資料、測(cè)井資料及本次MT、TEM等方法探測(cè)綜合分析解釋如下：

M1剖面北邊靠山，南邊鄰湖，穿過(guò)ZK4020、ZK4012、馬ZK4010三個(gè)鉆孔.通過(guò)TEM、MT兩種物探方法的電阻率反演成果圖可知本區(qū)第四系地層全部為低阻區(qū).從馬海地區(qū)M1剖面綜合成果圖（圖8）可見(jiàn)，很明顯MT法探測(cè)深度最大，達(dá)到2300 m左右，TEM探測(cè)深度較淺，約為700 m.通過(guò)對(duì)比分析可知TEM分辨率明顯大于MT，但其探測(cè)深度有限，用MT方法可彌補(bǔ)TEM探測(cè)深度有限的不足.

圖8 M1剖面綜合成果圖Fig.8 Comprehensive results of section M1

由兩種物探方法綜合成果圖可知，該剖面表層為低電阻率，層狀特征不明顯，反映了表層巖性為含石膏的黏土粉砂、石鹽、粉砂黏土；中部至深部電阻率逐漸增大，電阻率呈層狀分布，推測(cè)為地下水礦化度逐漸降低所致.剖面電阻率整體趨勢(shì)是西南小東北大，在靠近北部基巖山區(qū)地段電阻率值整體抬升（兩種物探方法探測(cè)電阻率均有顯示），對(duì)應(yīng)表層巖性的變化，且低電阻區(qū)逐漸變薄，呈上升趨勢(shì)，在端點(diǎn)處閉合，推測(cè)地層巖性為新近系砂質(zhì)泥巖.TEM探測(cè)剖面距在-50～＋19 800 m之間，100 m深度以下電阻率基本小于1Ωm，其低阻區(qū)分布位置與MT探測(cè)的結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)性.結(jié)合TEM、MT兩種方法，在剖面距19 800 m以南，埋深100～1 200 m電阻率基本小于1Ωm，推測(cè)為第四系巖層中地下水高礦化度所致，其含水層巖性為細(xì)砂、粉細(xì)砂、粗砂、中粗砂互層.而電阻率介于0.7～0.4Ωm之間的區(qū)域主要為高礦化度鹵水區(qū)域，1 100 m深度以下電阻率有逐漸增大趨勢(shì)，推測(cè)為第四系巖層中地下水礦化度逐漸降低所致.在鹵水層中當(dāng)電阻率在底部升至0.8Ωm時(shí)，含水巖層逐漸減少，推測(cè)該層位埋深即為鹵水層的底板界面.

TEM探測(cè)結(jié)果顯示，在剖面距14 750～16 000 m之間，300 m深度以下電阻率基本小于或等于0.6Ωm，為整條剖面最低區(qū).對(duì)應(yīng)MT探測(cè)結(jié)果，剖面距15 100～16 500 m之間，低阻異常區(qū)分布范圍整體往向東北方向偏移，但其中心位置對(duì)應(yīng)性較好，該低阻區(qū)也是本次工作尋找的高礦化度鹵水異常靶區(qū).剖面距20 000 m（公路）以北，TEM、MT探測(cè)結(jié)果都表明表層電阻率相對(duì)較高，由于靠近基巖山區(qū)，無(wú)結(jié)晶石鹽，推斷為含鹽量極少的泥質(zhì)砂礫石等粗顆粒巖性.在剖面距21 900 m以北，電阻率曲線(xiàn)類(lèi)型均為G型，且表現(xiàn)為高阻電性之反映.根據(jù)基巖出露情況及區(qū)域水文地質(zhì)資料，推斷該處為新近系的砂質(zhì)泥巖.

通過(guò)區(qū)內(nèi)M1剖面的物探勘探成果可知，高礦化度鹵水多分布在埋深150～1 100 m的石鹽層中，其下部和盆地前緣周邊的第四系松散巖類(lèi)孔隙含水層中無(wú)深層鹵水賦存.M1剖面富鹵情況為北邊封閉，南邊鹵水還未封閉，且鹵水層往南穩(wěn)定延伸.在平面上高礦化度鹵水（鉀礦）異常靶區(qū)位于剖面距15 000～16 500 m.

最終施工鉆孔位于16 000 m附近，即為馬ZK4010號(hào)鉆孔，終孔深度為1 400.4 m，揭露鹵水賦存層位巖性為含黏土的石鹽、含粉砂的石鹽、粉砂石鹽等晶間鹵水及以粉細(xì)砂、礫砂、中粗砂為含鹵介質(zhì)的孔隙鹵水.250 m以下揭露以粉細(xì)砂、細(xì)砂為含鹵介質(zhì)的孔隙鹵水層位68層.鹵水礦層純厚度314.08 m，礦化度達(dá)280.8 g/L，最大涌水量為2 148.34 m3/d.鉆孔抽水試驗(yàn)（數(shù)據(jù)見(jiàn)表2）驗(yàn)證了物探推斷的異常靶區(qū).通過(guò)該鉆孔評(píng)價(jià)，可以證實(shí)馬海地區(qū)賦存有大厚度孔隙鹵水，富水性中等，鹵水KCl含量達(dá)到工業(yè)品位，研究區(qū)深層鹵水鉀礦找礦前景好.

表2 馬ZK4010鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Pumping test data of borehole M-ZK4010

5 結(jié)語(yǔ)

（1）TEM 和MT方法在鹽湖區(qū)找鉀鹽效果良好，克服了鹽湖區(qū)接地困難等不利因素，基本查明了研究區(qū)高礦化度鹵水富集區(qū)域及第四系地層巖性、厚度等，為今后在鹽湖勘查工作中合理應(yīng)用地球物理方法提供了依據(jù).

（2）通過(guò)TEM、MT兩種物探方法的對(duì)比分析，得出瞬變電磁法在鹽湖區(qū)探測(cè)具有不接地、分辨率好、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，探測(cè)深度達(dá)700 m左右，適合中淺—中深部探測(cè)；大地電磁測(cè)深法在鹽湖區(qū)探測(cè)具有縱、橫向分辨率高特點(diǎn)，適合大深度探測(cè)（可達(dá)2 300 m）.

（3）目前物探本身存在一定的誤差及多解性，在推斷解譯時(shí)需參考鉆孔、地質(zhì)資料，并采用綜合分析的思路來(lái)解譯成果圖，這樣才能達(dá)到兩種物探方法相互驗(yàn)證的效果，并確保探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后期的地質(zhì)成果解釋和鉆孔驗(yàn)證提供可靠依據(jù).

（4）本次綜合物探工作成果顯示的富鹵區(qū)（富含鉀礦）與非鹵區(qū)顯著的電性區(qū)別、分布規(guī)律和變化趨勢(shì)與地質(zhì)鉆孔結(jié)果較吻合，可以作為鹽湖整裝勘查區(qū)的先行勘查手段，建議大范圍投入使用，利用TEM和MT兩種物探方法先行探測(cè)再指導(dǎo)鉆探施工，以減少布孔設(shè)計(jì)的盲目性.