新疆艾丁湖无水芒硝成因分析

新疆艾丁湖无水芒硝成因分析

1爱丁湖矿区概况1.1地表气候特征爱丁湖位于吐鲁番盆地中部的南部。北部是火火焰山-博格达山系，拥有3000.05万米的海拔高度。南部是觉罗塔格山系，海拔1500米。东部是海拔300.05万米的科布穆塔格沙沟。矿区位于艾丁湖北岩,是一南缓倾斜的盐碱地、盐沼地及盐类堆积物,海拔最高-148.28m,最低-154m。艾丁湖在独特的地形条件控制下,形成典型的干旱荒漠气候,是世界闻名的“火洲”。夏季高温酷热,冬季干冷,春秋季风大力强。6～8月最低温度平均33℃以上,时间长达30～50d,极值温度50.9℃,地面温度最高为74.9℃,炎热天气长达120d以上;冬季气温平均为-8.7℃,极值温度-26.9℃。年降水量为10.9mm,蒸发量为4985mm以上。春秋季为大风季节,以西北风为主,年平均风速为2.1m/s,最大风力可达12级。由于矿区遭遇北边季节性地表水,特别是潜水的溶融、腐蚀、再造,使矿区成为两种载然不同的地貌形态:一种为微溶蚀鼓丘区,面积为3.4km2;一种为溶蚀碟形地貌区,面积为9.74km2。艾丁湖矿区水文地质的基本模式:因地势较低,地表水、地下水由四面八方向盆地汇聚,构成一个以艾丁湖为中心的辐射渗透流场,地下浅层水与深层水之间明显有一富含粉砂和粘土的相对隔离层。浅层水为潜水系统,潜水大量赋存于周边土层及芒硝、石盐层内,称晶间卤水;深层水为承压系统。1.2在微溶蚀鼓丘区的土壤根据《新疆吐鲁番县艾丁湖矿区石盐芒硝初步勘探地质报告》,矿区B+C+D级无水芒硝和芒硝矿总储量约2600万t,其中D级无水芒硝储量约140万t。无水芒硝主要分布在微溶蚀鼓丘区,呈窝状,面积大小不等,厚度0.3～0.5m,最厚达到1.2m以上,上层是厚度为0.3～0.5m的石盐。其次在微溶蚀鼓丘区和溶蚀碟形地貌区,无水芒硝及石盐壳下面的粉砂土中,含有大量的无水芒硝固体颗粒,颜色呈浅褐或淡灰色或条痕白色。另外,在开采过十水芒硝后留下的硝坑内(整个芒硝矿区有大大小小的硝坑上千个),部分硝坑有厚度3～10cm的无水芒硝板,硝板致密,硫酸钠含量在95%(质量分数)以上,并且这些硝坑内大都有卤水存在,当卤水深度在30～60cm时,卤水下层接近芒硝板,附近温度有35℃以上。2自然无水芒硝成因的探讨2.1硫酸钠亚型盐水蒸发的固相艾丁湖芒硝矿卤水组成(g/L)为:SO2−442-57.65,Cl-162.4,Ca2+5.28,Mg2+2.69,Na+141.2,K+0.46,总盐量369.68。由此可见,艾丁湖芒硝矿卤水属于硫酸钠亚型卤水,主要成分是氯化钠、硫酸钠、硫酸镁,另外含少量钾盐,它在5组分体系相图上的位置为A点,见图1。对组成点为A点的卤水进行蒸发,首先析出石盐,然后是无水芒硝。随着无水芒硝的析出,卤水的组成沿A—H′移动。到达H′点时,白钠镁矾开始析出,且无水芒硝回溶转变为白钠镁矾。因为自然界的蒸发过程不可能是理想的平衡过程,原来析出的无水芒硝因各种可能的原因被泥沙覆盖,或由于来不及溶解(因为无水芒硝溶解是放热的,溶解速度非常缓慢),或是在“内部干燥作用”下,卤水变质在相应的等稳点上保持不变,因为蒸发的地热变质是在盐层固结后产生的,参与变质过程的液体来源于含结晶水的矿物脱水熔融,称为“自生变质溶液”。在地热能的热作用下,这种变质作用会产生与地表卤水类似的蒸发作用,这就叫“内部干燥作用”。这种作用使总水量不断减少直至干涸。这样,卤水组成点沿H—S线移动一段之后,将穿越白钠镁矾相区,析出石盐和白钠镁矾。当卤水组成点到达T′时,开始析出钾芒硝,在卤水组成向T′—T变动时,应形成石盐、白钠镁矾和钾芒硝组合。卤水组成点到达T时,软钾镁矾开始析出,且已生成的钾芒硝向软钾镁矾转变。卤水组成点到U时,钾镁矾析出,软钾镁矾向钾镁矾转变。根据相图的联线规则、杠杆规则、重心规则,硫酸钠亚型卤水的蒸发有在S、T、U点干涸的可能。由于艾丁湖矿区属于典型的荒漠气候,蒸发量远远大于降雨量,并且艾丁湖矿区卤水中钾离子含量很少,因此卤水蒸发的结果在S点干涸,那么,固相是石盐和无水芒硝。艾丁湖天然无水芒硝矿床分布特征与上述理论分析基本一致。2.2无水上气候区艾丁湖芒硝矿因地势较低,地下水丰富,且每年春季天山上的雪溶化,最终汇聚于艾丁湖,造成部分芒硝溶化,然后夏季再生。矿区属于典型的干旱荒漠气候,属于太阳能资源丰富地区,夏季气温较高,蒸发量远远大于降雨量,有利于十水芒硝转化成无水芒硝。在粉砂土中,含有大量的无水芒硝固体颗粒,是由于在“内部干燥作用”下,十水芒硝晶体首先脱去一部分结晶水,变成含七个结晶水的七水硫酸钠介稳状态,使十水芒硝溶解在自身的结晶水中,然后再脱水转化成无水芒硝。2.3盐水—卤水对形成太阳池的讨论本研究对一些硝坑内卤水上下层浓度及温度进行分析和测定,见表1。硝坑内的卤水可看成是一个具有一定浓度梯度的盐水池—太阳池。由于卤水上下层存在浓度梯度抑制了卤水的对流传热,使卤水下层的温度大大高于卤水上层的温度,当卤水下层的温度大于芒硝转化脱水的温度时,卤水层下的芒硝就脱水转化成无水芒硝。3水族地区型中的无水天然气硝矿(1)艾丁湖芒硝矿卤水属于硫酸钠亚型卤水,它在5组分体系相图上最后可能在S点干涸,形成固相是石盐和无水芒硝,与艾丁湖天然无水芒硝矿床分布特征是一致的。因此在艾丁湖芒硝