钾盐是我国重要的战略性矿产资源, 被誉为“ 粮食” 矿产, 约90%用来制造钾肥, 用作农业生产^{[1, 2]}。钾盐是国家紧缺大宗矿产资源, 近年对外依存度保持在约50%^{[3, 4, 5, 6]}。寻找新型钾盐矿床, 摆脱钾盐过度进口依赖, 实现钾盐增储扩能、稳定保供具有重大意义。中国的钾盐资源十分紧缺^[7], 与国外大型或巨型稳定克拉通赋存的海相钾盐不同, 我国钾盐成矿条件欠佳, 目前找到且适宜大规模开发的主要为陆相盐湖钾盐^[8]。20世纪50年代, 中国科学院盐湖考察队最先在柴达木盆地进行盐湖开展概略调查工作^[8], 之后我国先后在察尔汗、大浪滩等地开展了盐湖普查找矿和不同程度的勘探工作^[1]。20世纪90年代, 我国开展了柴达木盆地西部深层卤水调查工作, 认为新近系构造中的深层卤水具有良好的钾、锂、硼等盐类的矿化现象^[9]。通过古气候和构造背景研究, 郑绵平院士提出“ 承袭式” 成钾理论, 揭示了一种新构造成钾机制, 认为柴达木盆地北部阿尔金山前第四系下更新统冲洪积砂砾石层有卤水储层找钾前景与价值^[10]。如何实现高效、精细勘查找钾一直是地质找矿工作中的一项难题^[11]。地震勘探是解决能源资源勘探开发问题的关键核心技术, 相比其他地球物理方法, 反射波地震探测技术具有勘探精度高、探测深度范围大、成果真实可靠的优势, 已广泛应用于包括找钾工作领域的复杂区地球物理精细探测^{[12, 13, 14]}。孟军海等^[11]通过碱石山和鄂博梁背斜构造区的勘探实践, 认为地震方法在划分地层构造, 确定产状与埋深等方面效果佳, 是探测深层卤水赋矿地层最有效的地球物理手段。梁光河等^[15]利用三维地震探测技术对老挝复杂构造变形的钾盐矿深部探测, 研究了地下地质构造特征及变化, 为钾盐开采相关工作提供了地震基础资料。侯献华等^[16]通过地震资料解释和属性分析, 对比钻孔揭露储卤层岩性特征, 获得研究区域内中深部孔隙储卤层地震响应特征, 建立了砂砾储卤层的地球物理识别标志, 为预测储卤层分布范围及钻孔优选提供了依据。

本研究聚焦于在2023年度在柴北地区山麓带冲洪积区开展的地震工作, 通过在大浪滩— 黑北凹地开展高分辨率反射地震探测研究, 形成钾盐探测有效地震方法技术, 以期有效揭示地下基础构造格架和精细刻画含钾储卤层地层结构等特征, 分析断裂带区域内部结构和含钾卤水储层横向展布情况, 为进一步深入研究卤水储层特征提供地球物理依据和技术支撑。

柴达木盆地起初为坳陷区, 后经印支运动由海盆转化为陆相盆地^[17]。盆地随构造运动不断演化, 新生代以来成为内陆湖相盆地^[16], 逐渐形成易于大量盐类聚集的封闭断陷盆地^[18]。因沉积环境与成矿条件差异, 盆地在第四系浅层盐湖区、更新统冲洪积扇区、古近系— 新近系圈闭构造区等不同时空区域内形成了相对独特的矿产^[19]。

大浪滩— 黑北凹地位于柴达木盆地西部, 区内发育巨大隐伏冲洪积扇群, 该冲洪积砂砾层是含钾卤水的良好储层介质^[16]。大浪滩处于小梁山构造以北, 为月牙山断裂下盘, 地势上为沉积凹陷区, 面积约150 km²; 黑北凹地则受尖北隐伏构造影响, 呈狭长条带状发育, 形状极不规则, 面积 106km2^[20](图1), 为受阿尔金山走滑大断裂强烈影响而形成的断陷盆地^[21], 凹地中发育的断裂带为深层含钾卤水聚集提供了重要地质条件。

图1

Fig.1

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	图1 大浪滩— 黑北凹地位置(a)及轮廓图(b)Fig.1 Location (a) and outline (b) of Dalangtan-Heibei concave

大浪滩— 黑北凹地浅层卤水主要源于大气降水汇聚形成, 深部砂砾卤水主要来自冰雪融化、雨水溶解盐类并沿冲积物和断裂带下渗, 经运移而形成砂砾型深部卤水钾盐矿^{[9, 22]}。凹地晚更新世含钾卤水储层沉积由阿尔金山高山流水冲积物沉积而成, 沉积厚度大, 岩石颗粒大、孔隙度高、渗透性良好, 断裂构造与裂隙为卤水保存提供良好条件^[21]。总体上, 大浪滩— 黑北凹地沉积卤水储层由西向东埋深逐渐变浅, 而由北向南埋深逐渐变深。

结合前人研究成果^[16], 研究区储层从上到下主要划分为3个岩性段, 弱含水层为[0, 148] m, 以薄层粉砂岩为主, 夹石盐层和黏土层。卤水储层为 [148, 808] m, 其中[148, 381] m为卤水储层上段, 岩性为粉砂夹细砂; [381, 808] m为卤水储层下段, 主要岩性为含卵、砾石的中粗颗粒砂层。黏土层为[808, 1 200] m, 发育黏土和泥岩。钻孔揭示卤水储层段[148, 808] m为钾盐卤水储层段, 有利岩性为含砾中粗砂。

结合已有井资料^[16], 与地震处理资料综合分析, 得到初步解释成果剖面(图6)。本研究获取的高精度地震剖面揭示了第四系至古近系的展布和构造特征。其中第四系整体连续性好, 地层倾角近于水平, 与新近系呈明显角度不整合接触。新近系和古近系整体成层性较好, 厚度变化不大。受两个逆断层F₁和F₂控制, 新近系和古近系分为南、中、北三部分。南部地层较为平缓, 总体向北倾; 中部为一断层相关的不对称背斜, 背斜后翼倾角较缓, 前翼倾角较陡。测线北段浅部同相轴振幅较弱, 深部发育多套相对低频高连续性强反射, 推测地表砾石滩和冲积扇对高频信号有较强的屏蔽作用。

图6

Fig.6

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	图6 初步解释成果剖面Fig.6 Preliminary interpretation profile

针对砂砾型卤水储层顶底界面, 深部砂砾型卤水储层顶部与上覆地层为角度不整合接触, 底部为一套强振幅反射、连续性较强的同相轴, 储层内部同相轴振幅和连续性相对较弱。储层两端受两条断层控制, 整个储层空间由不整合面、断层和底部强反射界面组成的一个南向北逐渐尖灭的三角形区域。地震剖面上HZK10井位置同样存在类似的一个由不整合界面、倾斜强反射界面和断层控制的三角形储层空间, 推测可能也是砂砾型含钾卤水的有利储集空间, 见图6中圈定的三角区域。

地震探测方法对于地层分层及构造识别有较好的效果, 但因卤水储层与非卤水储层的速度等物性差异较小, 地震方法难以直接识别物性, 因而仅从地震探测角度认识仍具有局限性。此外, 图7显示了大地电磁法(magnetotelluric, MT)初步反演结果在地震剖面的投影, 可以看到, 浅层存在明显的低阻区域, 与三角形有利卤水储层存在明显叠合, 在断裂位置和洪冲积扇之下, 低阻下延明显, 证实了深部砂砾型含钾卤水主要来源于冰雪融水、雨水溶解盐类并沿冲洪积物和断裂带下渗; 砂砾层沉积厚度大, 岩石颗粒大、孔隙度高、渗透性好, 构造断裂和裂隙发育, 为含钾卤水保存提供了良好条件。由于HZK02井和HZK10井深部储层空间由不整合面、断层和底部强反射界面组成的一个南向北逐渐尖灭的三角形区域, 结合电阻率剖面, HZK02井和HZK10井深部砂砾型卤水储层连通性较弱, 可能仅在不整合界面以上存在一定的连通性。测线北端临近阿尔金山, 冲洪积扇之下砂砾沉积较厚, 同时也是冰雪融化后雨水汇集之处, 含钾卤水储集条件优于南部, 柴钾一井重大突破也初步验证了该结论。

图7

Fig.7

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	图7 MT反演与地震剖面投影Fig.7 MT inversion and the seismic profile projection

目前, 针对柴西北地区阿尔金山前带双层巨厚砂砾型卤水储层成因、砂砾型含钾卤水中钾的物质来源及主控要素、卤水成矿年代等科学问题, 尚需进一步深入系统研究, 提升成矿理论新认识, 形成多维度多学科体系, 结合理论与实践, 推动钾盐调查研究工作向前迈进。

(1)通过在大浪滩— 黑北凹地开展反射地震探测技术工作, 利用可控震源安全环保、绿色无污染的优点, 同时采用小道距、高覆盖、长排列接收的探测技术, 保证了合理良好采集参数, 取得了高质量原始地震数据。

(2)在常规资料处理基础上, 通过多次迭代动校正提高了多次折射产生的线性干扰的区分度, F-K滤波有效压制线性干扰的同时较好的保护了浅层有效波, 避免了断层假象, 成像品质改善显著, 获得的成果剖面信噪比较高, 有效波组信息丰富、特征清晰, 地质构造特征显著, 说明采用的地震方法技术合理, 探测成果真实可靠。

(3)通过地震资料精细刻画了大浪滩— 黑北凹部储层构造及底部地层接触关系, 深部砂砾型储卤层顶部与上覆岩性地层为角度不整合接触。同时清晰勾勒出储层两端受两个断层控制的特征, 整个储层空间由不整合面、断层和底部强反射界面组成的一个南向北逐渐尖灭的三角形区域, 推测该三角形储层空间可能为砂砾型含钾卤水有利储集空间。

(4)尽管本研究采用的地震探测方法对于地层分层及地质构造识别有较好的效果, 但因卤水储层与非卤水储层的速度及阻抗等物性差异较小, 加之卤水储层特征和含水性等在地震响应、波场特征等方面缺乏定量认识, 地震方法难以直接识别卤水。目前单一探测技术还存在一定困难, 建议综合其它物探技术, 联合地质、钻孔以及地球化学等多源信息联合解译。

(责任编辑: 王晗)