理论教育 层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术

层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术

时间:2023-08-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:大量地质资料表明,我国盐岩矿床的典型特征为呈层状或似层状,盐岩单层厚度不大,盐岩层间有其他盐类矿物或泥岩夹层。我国江苏金坛、安徽定远、湖南衡阳等地的盐岩矿床均为此特征。而我国的层状盐岩多形成于第三系湖盆沉积,基本未经历大型地质构造运动,因此,其层理状特征及其物理力学特性与当时的沉积环境和历史地质运动密切相关。

层状盐岩溶腔储库原位溶浸建造理论与技术

盐岩矿床的形成必须具备以下几个条件:

(1) 盐类物质来源,有海相与陆相之分;

(2) 封闭的地形条件,如海湾、潟湖、盆地;

(3) 干旱气候条件,使盆地内盐水的蒸发量大于补给量,据载泥盆纪、二叠纪和第三纪是世界上最主要的干旱成盐时代;

(4) 地质构造运动,形成隆起和凹陷,沉积的盐类物质被覆盖保存并在挤压力作用下产生变形,如巨厚盐丘的形成。

显然,盐岩矿床多形成于造山作用之后的山前或山间凹地、陆台的内陆凹陷盆地,多产于陆相红色碎屑岩系和海相蒸发碳酸盐相地层中,盐层与石灰岩白云岩,或盐层与黏土层,构成一套含盐岩系。由于盐岩极强的塑性及高应力作用下的流动性特征,在后期构造应力挤压作用下可产生复杂变形,甚至形成巨厚盐丘构造,如美国墨西哥湾上千米的巨厚盐丘。盐类矿物的沉积顺序为按照溶解度大小依次沉淀,具有明显的沉积韵律和旋回性,从下到上为:碳酸盐岩—石膏或硬石膏—石盐—钾盐—石盐和石膏。

大量地质资料表明,我国盐岩矿床的典型特征为呈层状或似层状,盐岩单层厚度不大,盐岩层间有其他盐类矿物或泥岩夹层。我国江苏金坛、安徽定远、湖南衡阳等地的盐岩矿床均为此特征。

江苏金坛盐岩矿床,赋存于下第三系始新统阜宁组四段矿层,整个含盐层系自下而上由两个横向分布稳定的棕红色及灰~灰黑色夹棕红色泥岩标志层分隔为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ三个矿层。下部Ⅰ号盐岩矿层顶面埋深910.65~1 216.86 m,厚度稳定,平均厚度41.75 m;中部Ⅱ号盐岩矿层顶面埋深838.37~1 143.34 m,平均厚度64.75 m;上部Ⅲ号盐岩矿层顶面埋深809.38~1 045.57 m,厚度变化较大,为6.51~145.17 m,平均厚度52.67 m。Ⅰ,Ⅱ矿层之间的ZY1夹层,岩性为棕红色泥岩,厚度为0.6~4.91 m,平均厚度2.88 m;Ⅱ,Ⅲ矿层之间的ZY2夹层,岩性一般为灰~灰黑色夹棕红色泥岩,厚度为0.28~4.8 m,平均厚度2.47 m。除分隔三个盐岩矿层的两个主要泥岩标志层外,在各个盐岩层内也分布着一些夹层,岩性一般为含盐泥岩。例如,Ⅱ矿层中小的夹层就有8层左右,厚度不等,夹层平均厚度1.1 m。阜宁组四段沉积早期为还原环境和静、动水交替环境下的浅湖相沉积;晚期湖盆闭塞、湖水变浅,成为蒸发岩相。(www.daowen.com)

安徽定远盐岩矿床,赋存于下第三系始新统定远组四段矿层,盐岩层上、下均为灰色、灰黑色泥岩。矿体近东西向展布,分为东、西两个凹陷。西凹陷矿层埋深较浅,盐岩层顶面埋深最浅268.99 m,盐岩层厚度36.48~129.99 m,一般为40~60 m;东凹陷盐岩层顶面埋深322.27~413.38 m,盐岩层厚度较大,一般为101.64~185.32 m。盐岩层泥岩夹层一般为4~12层,最多26层。西凹陷夹层一般为2~16层,最大厚度6.66 m,最小厚度0.06 m,一般厚度0.5 m,夹层总厚度2.2~20.1 m;东凹陷夹层一般为2~26层,最大厚度7.64 m,最小厚度0.05 m,一般厚度0.5 m,夹层总厚度8.14~36.92 m。

湖南衡阳盆地层状硫酸盐氯化物型盐岩矿床,赋存于下第三系霞流市组茶山坳段中,矿床的分布形态受含盐盆地的制约,由盆地边缘向中心依次为硬石膏(石膏)—钙芒硝—石盐,形成不同盐类矿物富集区。硬石膏(石膏)区位于含盐盆地边缘,含盐岩系厚度100~200 m,无钙芒硝、石盐沉积。钙芒硝区位于硬石膏区与石盐区之间的过渡带,含盐岩系厚度为200~400 m,钙芒硝矿一般为1~3层,累计平均厚度52.72 m;伴有硬石膏(石膏)沉积,硬石膏矿一般为0~3层,厚0~25.90 m。石盐区位于盆地中部,含盐岩系厚度为400~800 m,以石盐沉积为主,钙芒硝为次;钙芒硝一般为1~4层,累计厚度6.57~94.29 m,石盐矿体呈层状、似层状产出,矿体内夹石层一般为4~18层,单层厚度0.58~7.18 m,累计厚度94.3~335.0 m,含矿率>80%。含盐岩系自下而上盐类矿物的垂直分带十分明显,在盆地中心的石盐富集区为硬石膏—钙芒硝—石盐—钙芒硝—硬石膏,完整的蒸发沉积韵律揭示了湖水由逐渐浓缩到浓缩,再逐渐淡化的发展过程。

一般认为,盐类矿床是在近海盆地或内陆盐湖的沉积环境中,在干热气候条件下,盆地或盐湖中的盐水蒸发、浓度不断升高并结晶,其中的盐类物质按照不同的饱和浓度先后沉积,之后又经历一定的构造运动、溶解或化学作用而成藏。海水蒸发试验表明,海水中矿物结晶沉积的先后顺序为Fe(OH)2→CaCO3→CaSO4→NaCl→MgCl2,MgSO4→KCl,K 2 SO4。关于盐类矿物沉积理论主要有盆地隔断沉积、环状沉积、片断沉积及循环沉积等,其中,“循环沉积”(cyclic sedimentation)理论对在同一区域内某一类盐岩矿床会在不同时期分别沉积,从而出现地层中交替反复沉积现象进行了很好的解释。如加拿大阿尔伯塔省Elk Point组盐岩矿床中,从下到上共有4层厚度较大的盐岩矿床,依次为下Lotsberg salt、上Lotsberg salt、Cold Lake salt及Prairie Evaporite salt。其中,上Lotsberg salt和Prairie Evaporite salt厚度分别达120~150 m与150~210 m。盐岩层间的泥岩夹层厚度10~60 m不等。这一巨大的盐岩矿床是在泥盆纪中期的不同年代先后沉积而成的,阿尔伯塔盐岩矿床位于落基山脉(the Rocky Mountains)以东,与太平洋仅一山之隔。因此,其形成与海水、早期矮山隔断、后期地质运动等密切相关。而我国的层状盐岩多形成于第三系湖盆沉积,基本未经历大型地质构造运动,因此,其层理状特征及其物理力学特性与当时的沉积环境和历史地质运动密切相关。

由上述三个地区典型的层状盐岩地质特征可知,同一时期成藏的层状盐岩,如常见的氯化钠盐岩与石膏盐岩互层,或盐岩与泥岩的互层,主要是由不同盐类物质因不同溶解度而先后沉积所致。如江苏金坛盐岩矿床赋存于下第三系始新统阜宁组,安徽定远盐岩矿床赋存于下第三系始新统定远组,湖南衡阳盐岩矿床赋存于下第三系霞流市组,等等,这些盐岩矿床成藏历史时间短,且多为湖相沉积。以衡阳盆地盐岩矿床为例,其为燕山早期宁镇运动之后,在新华夏系拗陷带基础上发展而成的山间盆地;经检测,盐岩矿床中微量元素K+,Br-,I-,B,Sr,Li含量甚微,与海相沉积盐岩矿床的微量元素变化特征有明显差异,表明其成因为内陆湖相蒸发沉积。

通过上述地质特征分析,可以清楚地看到,由于我国成矿地质条件为湖相沉积,因而盐岩矿床普遍呈近水平层状分布,总厚度较大,但单层厚度相对较薄,不同盐分或泥岩等夹层相对较多。该特征显然不同于美国墨西哥湾经过剧烈地质构造运动作用之后而形成的巨厚盐丘。

对于此类盐岩矿床,无论对其实施水溶开采,还是进行地下大型储库建造,都必须考虑其夹层难溶特性、层理结构特征以及储库的致密稳定性。太原理工大学自2000年以来,一直在该方面进行相关理论与技术研究,先后获得多项国家自然科学基金资助,发明多项专利技术,并在现场实施应用且取得了良好效果。

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