柴达木盆地昆特依盐湖杂卤石形成环境和Z1层杂卤石原位溶浸提钾研究

发布时间：2021-03-15 16:47

钾肥是农业生产的关键肥料之一,我国可溶性钾盐资源贫乏,钾肥资源的短缺制约着我国农业的发展。我国目前生产钾肥主要以富钾卤水为原料,该类型的卤水资源主要分布在我国西部青海柴达木盆地及新疆罗布泊盐湖等地区。据近几年的研究显示,我国现阶段可开采的液态钾资源仅可支撑全国约60年的钾肥需求,在可溶性钾盐资源紧缺、找矿难度巨大的背景下,低品位固体钾盐资源的开发利用显得尤为重要。杂卤石是一种在硫酸盐型钾盐矿床中极为常见的难溶于水钾含量较高的矿物,是一种潜在的钾盐资源,因此溶浸开采杂卤石中的钾,对缓解国内钾盐资源的短缺具有重要的现实意义。杂卤石在柴达木盆地中分布较为广泛,察尔汗盐湖、昆特依盐湖、大浪滩盐湖、马海盐湖、尕斯库勒盐湖、察汗斯拉图盐湖等均有不同规模的杂卤石产出。论文以柴达木盆地中的察尔汗盐湖和昆特依盐湖为代表讨论杂卤石的形成环境,研究表明两者具有相似的形成环境:(1)这两个地区杂卤石中的钾物质来源均由盆地外围的花岗岩类提供;(2)盆地的形成与长期演化过程中具有良好的钾迁移和富集的过程;(3)两者均经历了相似的极度干燥气候条件;(4)在杂卤石的形成过程中,均受到富钙型水的补给。通过对这两个地区杂卤石形成环境的分析比较,笔者认为柴达木地区杂卤石可能具有相似的成因,因此,对昆特依盐湖地区杂卤石进行溶浸试验研究对整个柴达木盆地杂卤石的开采具有重要的指导意义。论文最终选择前期在水文地质、杂卤石详查等方面有一定研究积累的昆特依盐湖为溶浸实验研究区域。依托企业委托项目“昆特依盐湖钾矿区固体杂卤石钾矿(ZI、ZII矿层)详查”,结合昆特依盐湖矿区已有的岩芯编录及岩矿鉴定资料,并根据上更新统及以上岩层杂卤石的赋存特征、分布特征和盐类共生规律,最终选定位于矿区南部的钻孔ZK3108附近300m范围内的ZI杂卤石层作为研究对象,分别展开室内的和室外的杂卤石溶浸实验研究。室内实验主要包括溶浸剂的选取以及溶矿规律的初步研究两个部分。在第一部分研究中共设无机盐溶浸剂9种,分别为氯化物型溶浸剂(5%NaCl、5%MgCl_2)、硫酸盐型溶浸剂(5%MgSO_4、5%Na_2SO_4、5%K_2SO_4)、碳酸盐型溶浸剂(5%NaHCO_3、5%Na_2CO_3、5%(NH_4)_2CO_3、饱和氢氧化钙溶浸剂Ca(OH)_2,并以水作为实验标样。实验结果显示,饱和氢氧化钙溶浸剂对昆特依盐湖地区杂卤石的溶浸效果最差,溶浸液中各离子的含量均低于水溶浸后的离子含量。由于本次实验的最终目的是提高溶浸液中钾离子含量,故重点对不同溶浸剂下的K~+离子浓度进行了比较分析,结果显示氯化物型溶浸剂效果最好。再将5%NaCl与5%MgCl_2的溶浸结果进行比较,发现5%MgCl_2溶浸剂在溶解出大量的K~+离子的同时,还很大程度上提高了卤水中Mg~(2+)离子的含量,这将严重影响后期钾肥的加工过程。因此,最终选定NaCl溶液做为最适宜的溶浸剂。溶矿规律的研究是以选定的最适溶浸剂(5%NaCl)为研究对象,对其溶浸时间和溶浸矿浆进行对比。每一组矿浆比都进行溶浸时间研究,在不同溶浸时间段取样分析,检测其中固相和液相K~+浓度变化。实验结果表明:昆特依盐湖杂卤石矿属于“慢溶”型矿物,在实验研究条件下,当矿浆比为1:4,溶浸时间为90h时,K~+浸出率达到87.3%,溶浸液中K~+浓度12.20g/L。通过溶浸前后固相样品化学分析结果,可以发现溶浸后K~+含量明显降低,K~+被溶浸到溶浸剂中,成为含钾溶浸液。溶浸前后固相杂卤石样品XRD衍射分析结果显示:溶浸前样品中杂卤石含量约为30%,溶浸结束后,所采样品中没有杂卤石显示。杂卤石矿可以被溶解,K~+可以被浸出,为规模化利用盐湖杂卤石资源提供了可靠的理论依据。昆特依盐湖地区实际的地层矿物以石盐为主,为了避免溶矿造成的地层大面积坍塌,同时兼顾溶浸液的流动速度、影响范围等因素,野外原位溶浸试验最终选择氯化钠饱和溶液为溶浸剂。野外原位溶浸试验部分主要采用的是模拟采卤法,在试验田内布设了10个观测钻孔和3条抽卤渠。钻孔距采卤渠的最大距离为40米,最小距离为3米,测得该区域地层平均渗透系数为0.7423m/d,所以溶浸剂平行地表横向流动至实验钻孔和抽卤渠的理论最短时间和最长时间分别为4天和54天。试验前后溶浸剂中K~+离子浓度由0.02%上升到0.96%,同一位置固相样品溶浸前后X衍射结果显示溶浸后固相样品中无杂卤石峰,说明杂卤石被有效溶出。昆特依盐湖杂卤石矿原位溶采试验的成功将对今后察尔汗盐湖乃至整个柴达木盆地其它区域杂卤石的原位溶采具有指导意义。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P619.211

文章目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 杂卤石研究现状

1.2.2 溶浸开采技术的研究概况

1.2.3 昆特依盐湖地区矿产勘查与开发研究现状

1.2.4 察尔汗盐湖矿产勘查与开发研究现状

1.3 研究内容、研究思路及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究思路

1.3.3 完成的工作量

1.3.4 技术路线

第二章研究区概况

2.1 自然地理概况

2.1.1 地理概况

2.1.2 气候条件

2.2 地质概况

2.2.1 研究区地层概况

2.2.2 构造

2.2.3 岩浆岩

2.2.4 昆特依盐湖水文地质

2.2.5 察尔汗盐湖水文地质

第三章柴达木盆地杂卤石形成环境探讨

3.1 沉积物源对比分析

3.1.1 昆特依盐湖矿区补给来源

3.1.2 察尔汗矿区补给来源

3.2 成矿环境对比分析

3.2.1 昆特依盐湖矿区成矿环境

3.2.2 察尔汗矿区成矿环境

3.3 杂卤石特征对比分析

3.3.1 昆特依盐湖杂卤石特征

3.3.2 察尔汗矿区杂卤石特征

3.4 本章小结

第四章昆特依盐湖杂卤石矿室内溶浸溶浸剂的性能研究

4.1 溶浸剂的选择的理论依据

4.2 溶浸过程中各离子的测定方法

4.2.1 钾离子离子浓度测定

4.2.2 钙离子离子浓度测定

4.2.3 镁离子浓度测定

4.2.4 硫酸根离子浓度测定

4.2.5 氯离子浓度测定

4.3 溶浸剂选择条件实验研究

4.3.1 水做为溶浸剂的实验研究

4.3.2 氯化物型溶浸剂实验研究

4.3.3 硫酸盐型溶浸剂实验研究

4.3.4 碳酸盐型溶浸剂实验研究

4.3.5 氢氧化钙溶浸剂实验研究

4.4 溶浸剂的确定

4.4.1 氯化钠做为溶浸剂溶浸杂卤石的原理

4.4.2 氯化钠饱和溶液作为溶浸剂的优势

第五章氯化钠做为溶浸剂的室内溶浸实验研究

5.1 实验方法及操作步骤

5.2 昆特依盐湖杂卤石矿溶浸条件实验研究

5.2.1 矿浆比为1:2的溶浸实验研究

5.2.2 矿浆比为1:4的溶浸实验研究

5.2.3 矿浆比为1:5的溶浸实验研究

5.2.4 矿浆比为1:6的溶浸实验研究

5.2.5 矿浆比为1:8的溶浸实验研究

5.2.6 不同矿浆比K+含量随时间变化关系

5.2.7 溶浸时间90h条件下液相K+变化

5.3 最佳溶浸条件的确定

5.4 室内溶浸实验实验结论

第六章氯化钠做为溶浸剂的野外原位溶浸试验研究

6.1 野外原位溶浸区域的选择

6.1.1 昆特依盐湖杂卤石矿层分布概况

6.1.2 昆特依盐湖杂卤石矿层特征

6.2 原位溶浸区域渗透系数的测定

6.2.1 渗透系数概念

6.2.2 渗透系数测定

6.2.3 渗透系数结果与分析

6.3 野外原位溶浸实验的目的

6.4 野外原位溶浸实验设计

6.5 野外原位溶浸液相样品分析结果

6.6 野外原位溶浸固相样品分析结果

6.7 大面积野外原位溶浸试验

6.8 野外原位溶浸试验结论

第七章结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读学位期间发表的学术论文

【参考文献】