基于多方法联合分析的水平帷幕注浆有效性研究——以翠宏山铁多金属矿为例

《Water》：An Investigation on the Effectiveness of Horizontal Curtain Grouting Based on Multi-Method Joint Analysis: A Case Study of the Cuihongshan Iron-Polymetallic Mine Zhiqi Wang, Dajin Liu, Xiaofeng Xue, Guilei Han, Xuetong Gao and Shichong Yuan

　　

干盐湖(playas)及盐湖中的卤水是化肥及能源领域钾(K)和锂(Li)产品的重要原料。研究人员采用元素地球化学及氢(H)、氧(O)、锶(Sr)、硼(B)、锂(Li)多同位素体系约束，查明了中国西北察尔汗盐湖(Qarhan Salt Lake, QSL)别勒滩区段(Bieletan Section, BLT)卤水的来源与成因。δD?δ18O结果表明BLT卤水主要源自河水。Li浓度([Li])与B浓度([B])、δ7Li与[Li]、δ11B与[B]/[Cl]的相关性表明，原始物源及硅酸盐风化对河水中B和Li的元素与同位素组成有重要贡献，而这些信号在卤水演化过程中被蒸发浓缩及伴生的盐矿物沉淀—再溶解作用所掩盖。Sr同位素排除了北部断裂带CaCl2型流体对BLT卤水的补给。综合元素组成与Li、Sr、B同位素特征表明，BLT现存储卤水主要来源于乌图美仁河(Wutumeiren River)，经持续强烈蒸发形成高浓卤水；而格尔木河／托拉海河及北部断裂带CaCl2型泉水对BLT卤水的贡献可忽略。研究结果表明，元素组成结合多种同位素分析能更有效地精确、全面揭示河流—盐湖系统的"源—汇"过程。

察尔汗盐湖别勒滩区段晶间卤水来源与成因的多同位素地球化学研究解读

该研究发表于《Water》。察尔汗盐湖(Qarhan Salt Lake, QSL)是中国柴达木盆地东部最大的盐湖，蕴藏巨量卤水型钾(K)与锂(Li)资源，其中别勒滩区段(Bieletan Section, BLT)含盐层最厚且贡献全湖约60％的卤水资源。前人针对QSL卤水成因提出古湖东迁模型、孤立湖补给模型及现代河—深层CaCl₂泉混合模型，但各模型在元素地球化学证据及沉积年代上存在矛盾；加之长期开采与溶采后，不同区段地下／晶间卤水的具体补给来源仍不明确。为给盐湖及古代盆地卤水开采提供理论依据，研究人员选取BLT为研究对象，通过河水与晶间卤水的元素地球化学及H、O、Sr、Li、B多同位素联合示踪，判别卤水主要补给源及演化过程，最终确认BLT卤水主要源自西侧乌图美仁河(Wutumeiren River, W.R.)并经强烈蒸发浓缩形成，东侧格尔木河(Golmud River, G.R.)、托拉海河(Tuolahai River, T.R.)及北部断裂带CaCl₂型泉水补给可忽略。该成果证明多同位素体系可有效克服河流—盐湖系统中元素演化与同位素分馏造成的信号干扰，是识别卤水来源的可靠手段。

主要关键技术方法：研究人员于2023年11月在BLT采集13件生产井晶间卤水样品，于那棱格勒河(Nalenggele River, N.R.)、W.R.、G.R.及T.R.采集14件河水样品构成研究样本队列。水化学组分（K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^?、SO₄^2?、HCO₃^?、CO₃^2?及Sr、Li、B）采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定，HCO₃^?和CO₃^2?采用酸碱滴定法测定，并用Phreeqc 3.5计算矿物饱和指数(Saturation Index, SI)。氢氧同位素(δD、δ¹⁸O)使用Picarro L2130-i液态水同位素分析仪测试；⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值使用Isoprobe-T热电离质谱仪(TIMS)测定；Li同位素(δ⁷Li)使用Nu Plasma II多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)测定；B同位素(δ¹¹B)使用Isotopx Phoenix TIMS测定。

研究结果

4.1 元素组成 (Element Composition)

河水总溶解性固体(Total Dissolved Solids, TDS)为0.63～3.11 g/L，西部河(N.R.、W.R.)平均含Li 0.66 mg/L、B 2.10 mg/L，东部河(G.R.、T.R.)平均含Li 0.04 mg/L、B 1.04 mg/L。BLT晶间卤水TDS为260.51～380.25 g/L，属富K⁺(均值9.92 g/L)、Li⁺(均值400.87 mg/L)、B³⁺(均值260.48 mg/L)的Na-Cl-SO₄型卤水，阴阳离子电荷平衡误差＜5％。

4.2 矿物饱和指数 (Mineral Saturation Index, SI)

河水对所有盐矿物均不饱和，仅方解石类近饱和；BLT卤水对石膏(gypsum)、钙芒硝(glauberite)、石盐(halite)、杂卤石(polyhalite)过饱和，部分接近光卤石(carnallite)与钾石盐(sylvite)沉淀区间，反映高度蒸发状态。

4.3 同位素组成 (Isotopic Composition)

河水δD为?64～?27‰，δ¹⁸O为?9.0～?2.7‰；BLT卤水δD为?50～?21‰，δ¹⁸O为?2.8～4.4‰。河水δ⁷Li西部均值4.40‰、东部均值17.48‰，BLT卤水均值13.46‰介于二者间。河水δ¹¹B为?6.76～?1.21‰，BLT卤水为3.75～9.72‰。西部河⁸⁷Sr/⁸⁶Sr均值0.71160，东部河0.71090，BLT卤水为0.71144～0.71162（均值0.71150），与W.R.(0.71153)最接近。

5.1 水化学特征 (Hydrochemical Characteristics)

河水多为Na-HCO₃-SO₄型，下游向Na-Cl-SO₄型过渡，TDS及Li、B沿程升高指示蒸发浓缩。BLT卤水具低Ca²⁺/Mg²⁺、低Ca²⁺/SO₄^2?、高(Mg²⁺+Ca²⁺)/(HCO₃^?+CO₃^2?)，反映蒸发过程中碳酸盐与钙硫酸盐先沉淀，保守离子K、Li、B在残余卤水中富集，与SI计算结果一致。

5.2 氢氧同位素 (Hydrogen and Oxygen Isotopes)

河水δD-δ¹⁸O沿全球大气降水线(Global Meteoric Water Line, GMWL)分布，下游偏重指示蒸发效应。BLT卤水δD-δ¹⁸O落于蒸发趋势线(Evaporation Trend Line, ETL: δD=2.91δ¹⁸O?32.03)上并与河水GMWL投影相交，表明卤水主要源自大气降水衍生的河水并经历强烈蒸发。

5.3 锂同位素 (Lithium Isotopes)

西部河(W.R.、N.R.)δ⁷Li偏轻近似东昆仑山区热泉与基岩，受源区风化—溶滤—热泉补给控制；东部河(G.R.、T.R.)δ⁷Li偏重近似全球大河。BLT卤水δ⁷Li介于东西部河之间但更接近西部河，且蒸发浓缩中⁶Li优先进入沉淀相使残余卤水δ⁷Li升高，若混入高δ⁷Li的东部河或东陵湖(Dongling Lake)卤水会使值进一步偏高而与实测不符，故排除G.R.、T.R.及东陵湖补给，支持W.R.为主要补给源。

5.4 硼同位素 (Boron Isotopes)

河水中[B]与[Li]呈正相关(R²=0.60～0.75)，反映同类水文地球化学行为；BLT卤水相关性弱，受不同生产井处盐矿物差异沉淀影响。δ¹¹B随[B]/[Cl]降低而升高，显示蒸发时¹⁰B优先进入固相使卤水δ¹¹B升高，后期老盐层再溶解可降低δ¹¹B并提高[B]/[Cl]。结合δ⁷Li-[Li]关系，证实河水中B、Li同位素信号在卤水强蒸发—沉淀—再溶解过程中被改造掩盖。

5.5 锶同位素 (Strontium Isotopes)

蒸发与盐矿物沉淀中Sr同位素基本不发生分馏，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr可示踪源区。BLT卤水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr(均值0.71150)与W.R.(0.71153)、N.R.(0.71170)接近，明显区别于东部河(0.71090)；虽与北部断裂带CaCl₂型喀斯特水及东陵湖Sr同位素相似，但后两者Sr含量显著高于BLT卤水且BLT未见含Sr蒸发岩，因此排除北部断裂带CaCl₂泉水作为溶质源，再次确认W.R.为主要补给源。

结论(Conclusions)部分总结翻译：

H、O、Sr、B、Li同位素联合约束表明BLT卤水源自河水并经强烈蒸发浓缩。Sr、B、Li同位素组成及元素—同位素相关关系显示BLT卤水主要由西侧乌图美仁河(W.R.)补给，东侧格尔木河与托拉海河贡献有限且可忽略，北部断裂带CaCl₂型泉水无显著补给。河水元素与同位素特征主要受物源与风化作用控制，而BLT卤水受蒸发及伴生盐矿物沉淀—再溶解作用主导。研究表明多同位素综合分析能有效克服河流—盐湖系统中复杂元素演化与同位素分馏干扰，是识别卤水来源与成因的有效途径。