柴达木盆地北缘马海盆地深层砂砾孔隙卤水水化学特征及物源联系

doi:10.18307/2026.0126

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doi: 10.18307/2026.0126

韩光^1,2,3,4,5 ，拜红奎^4,5 ，杨福康^1,2,3 ，潘彤⁶ ，陈天源^1,2 ，樊启顺^1,2 ，张西营^1,2

1. 中国科学院青海盐湖研究所，盐湖资源绿色高值利用重点实验室，西宁 810008

2. 青海省盐湖地质与环境重点实验室，西宁 810008

3. 中国科学院大学，北京 100049

4. 青海省柴达木综合地质矿产勘查院，格尔木 816099

5. 青海省柴达木盆地盐湖资源勘探研究重点实验室，格尔木 816099

6. 青海省地质矿产勘查开发局，西宁 810008

基金项目: 国家自然科学联合基金项目（U21A2018）和青海省“昆仑英才·高端创新创业人才”培养拔尖人才项目（QHKLYC-GDCXCY-2023-165）联合资助

Hydrochemical characteristics and provenance relationship of deep sand-gravel brines in Mahai Basin, northern Qaidam Basin

Han Guang^1,2,3,4,5 ， Bai Hongkui^4,5 ， Yang Fukang^1,2,3 ， Pan Tong⁶ ， Chen Tianyuan^1,2 ， Fan Qishun^1,2 ， Zhang Xiying^1,2

1. Key Laboratory of Green and High-end Utilization of Salt Lake Resources, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008 , P.R.China

2. Qinghai Provincial Key Laboratory of Geology and Environment of Salt Lakes, Xining 810008 , P.R.China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 , P.R.China

4. Qaidam Comprehensive Geological and Mineral Exploration Institute of Qinghai Province, Golmud 816099 , P.R.China

5. Qinghai Provincial Key Laboratory of Exploration and Research of Salt Lake Resources in Qaidam Basin, Golmud 816099 , P.R.China

6. Qinghai Geological and Mineral Exploration and Development Bureau, Xining 810008 , P.R.China

摘要

柴达木盆地是我国钾盐资源的主要储集地和钾肥生产基地。近年来地质勘查研究在盆地西部山前冲洪积扇发现了一种新型含钾砂砾孔隙卤水矿床，预估氯化钾资源储量可观，卤水具有明显“承袭盐岩”的高Na⁺、Cl^-特征及成矿模式。马海作为柴北缘从昆特依盐盆分离发育的次级盆地，湖盆虽小但赋存多种卤水类型（晶间卤水、承压卤水、砂砾孔隙卤水、背斜构造卤水等），系统研究马海盆地砂砾孔隙卤水水化学特征及与不同卤水间的物源联系，对揭示柴达木盆地新型砂砾孔隙卤水成因及成矿模式具有重要的理论意义。本文通过对马海盆地河水及不同卤水常微量离子含量、矿化度和氢氧同位素组成进行对比分析，获得主要结论如下：①马海盆地砂砾孔隙卤水平均K⁺浓度为2.16 g/L，矿化度（TDS）均值为254.5 g/L，具有明显高(Na⁺+Cl^-)/TDS比值（0.94）特征，水化学类型为Na—Cl型卤水；②砂砾孔隙卤水K⁺浓度和TDS虽低于马海盐湖湖表卤水、晶间卤水和承压卤水值，但其浓度接近卤水最低工业开采品位，具有一定的资源开发潜力；同时，砂砾孔隙卤水、晶间卤水和承压卤水K⁺浓度高值与含钾蒸发盐的空间分布基本重合，结合卤水TDS和埋深差异引起的盐度梯度和重力效应，指示了砂砾卤水含盐溶质和钾源自晶间卤水和承压卤水补给；③K—B—Li当量图和不同水体B浓度差异表明，砂砾孔隙卤水是由鱼卡河水与晶间卤水/承压卤水共同作用于砂砾孔隙卤水的形成过程；④马海盆地砂砾孔隙卤水的δD和δ¹⁸O值分别为-56.9‰~-17.6‰和-5.70‰~6.00‰，与承压卤水和晶间卤水展现出相似的氢氧同位素特征，均分布于当地蒸发线两侧，并伴随²H—¹⁸O的上升引起的B、Li浓度增加，表明砂砾孔隙卤水经历了蒸发和浓缩作用。综上所述，砂砾孔隙卤水应该长期继承了晶间卤水和承压卤水中的溶质离子，如K⁺、Na⁺、Cl^-等，使得三者具有相似的H—O同位素特征。

关键词

砂砾孔隙卤水 / 物源联系 / 高Na / Cl特征 / 氢氧同位素特征 / 马海盆地 / 柴达木盆地

Abstract

The Qaidam Basin is of significant importance in the context of potash salt resources, serving as the primary reservoir and the key production base for potash fertilizer in China. Recent geological explorations have identified a novel type of potassium-bearing sand and sandstone pore brine deposit in the western foreland alluvial fan of the basin. This newly discovered deposit is believed to contain significant potassium chloride resources, with the brine displaying prominent attributes of high sodium and chlorine levels, and a mineralization model resembling that of “inherited halite rock”. The Mahai Basin, a small lake basin located as a secondary basin and distinct from the Kunteyi Basin on the northern margin of Qaidam, is characterized by various types of brines (intercrystalline brines, confined brines, sand-gravel brines, anticlinal structure brines, etc.). The present study is an attempt to draw attention to the following main conclusions, which are based on a comparative analysis of the major and trace ion content, salinity, and hydrogen and oxygen isotope composition of river water and various brines in the Mahai Basin: Firstly, the average K⁺ content and TDS value of the sand-gravel brines in the Mahai Basin are 2.16 g/L and 254.5 g/L, respectively, indicating a notably high ratio of Na⁺+ Cl^-/TDS (0.94). These brines are classified as Na-Cl type according to the hydrochemical classification system. Secondly, while the potassium content and TDS value of the sand-gravel brines in the Mahai Basin are lower than those in the surface brines, intercrystalline brines, and confined brines of Mahai Salt Lake, they are close to the minimum industrial mining grade of brine, suggesting a certain potential for resource development. The spatial distribution of K⁺ in sand-gravel brines, intercrystalline brines, and confined brines closely aligns with potassium-containing evaporites. It is suggested that the salt solute and potassium in sand-gravel brines originate from the recharge of intercrystalline brines and confined brines; Furthermore, the utilisation of the K-B-Li equivalent map, in conjunction with the analysis of the varying B content in diverse water sources, serves to substantiate the assertion that the sand-gravel brines are formed through the combined influence of the Yuqia River water and intercrystalline brine/confined brine on the formation process of the sand-gravel brine. Finally, the δD-δ¹⁸O values of the sand-gravel brines in the Mahai Basin range from -56.9‰ to -17.6‰ and -5.70‰ to 6.00‰ for hydrogen and oxygen isotopes, respectively. These values exhibit characteristics analogous to those observed in confined and intercrystalline brines, which are distributed uniformly on both sides of the local evaporation line. Furthermore, an increase in the ²H-¹⁸O is accompanied by an increase in the concentrations of B and Li. These findings indicate that the sand-gravel brines have undergone evaporation and concentration. Consequently, the sand-gravel brines have been inheriting solutes from the intercrystalline and confined brines over a protracted period, including ions such as K⁺, Na⁺, and Cl^-, leading to their similar H-O isotopic signatures.

Keywords

Sand-gravel brines / provenance relationship / high Na / Cl characteristics / hydrogen-oxygen isotope characteristics / Mahai Basin / Qaidam Basin

1 研究区区域地质和水文背景 2 采样与测试方法 3 结果与讨论 3.1 马海盆地砂砾孔隙卤水水化学特征 3.2 马海盆地不同卤水储库K⁺浓度在空间上的分布规律 3.3 马海盆地砂砾孔隙卤水的氢—氧同位素地球化学特征 4 结论 5 附录

钾盐是钾肥生产的主要原料^[1-2]，在农业生产中扮演着重要角色，对保障粮食安全具有重要的战略意义^[3-5]。我国作为农业大国，保障资源安全、农业发展是我国社会和经济稳定发展的基础^[6]。根据中国无机盐工业协会统计，2022年中国的钾盐（K₂O）产量为574.7万 t（1024万t KCl），占世界产量的15.0%^[5]；而2022年中国钾盐（K₂O）消费量为1024.9万t^[5]，需进口KCl905.2万t^[5，7]。中国钾盐供需不平衡严重制约了农业和经济的发展^[8]。因此，对钾盐和含钾卤水资源的勘查研究迫在眉睫。

根据卤水的赋存条件和地质背景，中国的钾盐矿床类型主要包括第四纪盐湖型（察尔汗式、罗布泊式和扎布耶式）、地下卤水型（邓井关式）和沉积型（勐野井式）3种，已探明的钾盐矿床类型主要为第四纪盐湖型^[9]。柴达木盆地作为青藏高原北部的山间凹陷沉积盆地之一，其内分布多个盐湖，部分盐湖沉积有固液相钾矿床，如察尔汗、昆特依、大浪滩和马海等，区域钾矿赋存储量较大，总储量（以KCl计）约为4.4亿t^[10]。近年来，为应对我国钾盐消费量逐年递增和部分盐湖型含钾卤水矿储量枯竭的现状，在柴达木盆地西部开展了深层卤水勘查工作，陆续在大浪滩—黑北凹地、察汗斯拉图、昆特依和马海盆地等山前冲积扇中发现了新型深层含钾砂砾孔隙卤水矿床，初步估计KCl资源量为3.5亿t^[3]，资源量可观。学者们对深层含钾砂砾孔隙卤水的分布规律、水化学特征、成因以及成矿模式已展开了深入调查研究，发现深层含钾砂砾孔隙卤水具有高Na⁺、Cl^-浓度特征，其（Na⁺+Cl^-）/TDS比值高达0.94（图2），水化学类型为氯化物型；卤水的K⁺浓度平均值为2.67 g/L，已达卤水最低工业开采品位（2.6 g/L）^[11]；其成因是大气降水沿断裂带下渗、溶滤古近纪以来沉积的岩盐层中的盐类物质、迁移至山前相对封闭的砂砾层中赋存并演化成矿，卤水具有明显“承袭盐岩”的高Na⁺、Cl^-特征^[3，12-14]。马海作为柴北缘从昆特依盐盆分离发育的次级盆地，湖盆虽小但赋存多种卤水类型（晶间卤水、承压卤水、砂砾孔隙卤水、背斜构造卤水等）^[15-16]。系统研究马海盆地砂砾孔隙卤水的水化学特征及其与不同卤水间的物源联系，对揭示柴达木盆地新型砂砾孔隙卤水成因及成矿模式具有重要的理论意义。

本文系统总结了前人已报道的马海盆地的河水、泉水、地下水、湖表卤水、晶间卤水、承压卤水、砂砾孔隙卤水和背斜构造卤水的常微量离子含量以及氢氧同位素组成，旨在揭示马海盆地砂砾孔隙卤水中的高Na⁺、Cl^-来源及其与其他卤水储库的物源联系。本研究有助于深入认识砂砾孔隙卤水的水化学特征及盆地砂砾孔隙卤水成矿模式。

1 研究区区域地质和水文背景

马海盆地位于柴达木盆地北部（图1a），是新生代以来在新构造运动影响下形成的具有独特地质构造的盆地。在中、下更新世时期，盆地周缘的背斜构造逐渐隆升，盆地中心相对下陷，形成了孤立的次级集水盆地，并与相邻的次级盆地隔绝开来。

马海盆地周围由一系列古近纪—新近纪背斜构造和山系所包围。盆地北部为冲—洪积扇和古近纪—新近纪背斜与赛什腾山接壤；盆地西部和西南部边界为古近纪—新近纪冷湖背斜构造，作为天然屏障将其与昆特依盆地分离；南部为风蚀作用形成的由第三系和第四系早—中更新世组成的残丘带^[17]。盆地周围地层被新近系上油砂山组（N₂y）覆盖，岩性由浅湖相灰色泥岩、砂质泥岩和石膏组成。赛什腾山前缘覆盖的地层包括晚更新世的冲—洪积沉积物以及新近系上油砂山组（N₂y）、上干柴沟组（N₁g）和古近纪下干柴沟组（E₃g）。上述地层由各种类型泥岩、砂岩和泥灰岩等沉积物组成。第四系沉积在区内发育齐全，从下更新统至全新统均有产出，分布在第三系背斜构造间的向斜凹陷内，与上新统沉积不整合接触，为一套湖相含盐沉积（图1b）。马海盆地是受基底断裂控制的早第三纪断陷盆地和第四系凹陷盆地，构造线方向为北西向。盆地北侧存在与构造线方向一致的、倾向北东的逆冲断层，成为地表径流和地下水的运移通道（图1a）。

新构造运动也使盆地的沉积中心从西到东、从南到北迁移，使得马海盆地东北部成为盆地的沉积中心和成盐溶质、水源的汇集区。盆地东部分布有德宗马海盐湖和巴伦马海盐湖，而牛郎织女湖群分布在盆地西北部。此外，马海盆地的年平均降水量仅为29.61 mm，年平均蒸发量为3040 mm，干冷的气候条件使得在巴伦马海湖和牛郎织女湖群周围形成较大范围的干盐滩和沉积厚层盐层，并与碎屑层互层（图1a）。马海盆地主要的钾盐矿物包括石盐、石膏、芒硝以及含钾矿物，如钾石盐、光卤石和少量杂卤石。马海盆地含钾卤水矿床广泛分布，卤水主要赋存于第四系盐层和边缘碎屑沉积物中，分为4层：第1层为潜卤水，第2~4层为承压卤水。潜卤水层主要赋存在全新世盐层内，深度为0~18.52 m，平均深度为0.43 m，是盆地主要的晶间卤水储库。承压卤水层分别位于晚更新世—全新世、中更新世和早更新世，其埋深为18.5~164 m^[17]。砂砾孔隙卤水主要赋存于赛什腾山前缘的冲—洪积扇中，深度为150~1600 m；砂砾孔隙卤水储层沿赛什腾山前呈北西—南东向展布，东西长80 km，南北宽3~10 km，面积为500 km2。冲—洪积扇的岩性为早、中更新统冲—洪积相砾砂、含卵石的砾砂、中粗砂、中细砂及粉细砂等松散碎屑沉积层。背斜构造卤水分布在古近纪—新近纪冷湖背斜构造带。马海盆地的现代补给水源主要是发源于达肯大坂和土尔根大坂的高山融水和地下水。地表水系主要有鱼卡河、嗷唠河及脑儿河等河流，其中鱼卡河为长年性河流，直接注入德宗马海湖。而巴伦马海湖由地表水系下渗，以地下水的形式进行补给。此外，鱼卡河、嗷唠河及脑儿河从源头到盆地凹陷中心运移过程中，部分水体下渗到山前冲积扇，并沿着盆地北部的逆冲断层补给到砂砾孔隙卤水储层^[17-18]。

2 采样与测试方法

马海盆地砂砾孔隙卤水样品采集于山前冲洪积扇的22个钻孔。钻孔内的砂砾孔隙卤水因隔水层的存在呈多层分布特征。为保证卤水样品的完整性，利用分层法进行采样。砂砾孔隙卤水样品分层采样则是根据抽水试验进行分段（上、下两段）采样。卤水样品分析测试了K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO^2-₄、HCO^-₃、CO^2-₃、Li⁺、B³⁺等离子浓度以及pH值、TDS值等。其中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO^2-₄、Li⁺、B³⁺用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-MS）测定，分析精度小于5%；Cl^-用AgNO₃容量法测定；HCO^-₃、CO^2-₃采用酸碱滴定法测定，测试精度小于0.3%。上述所有离子浓度的测定均在青海省柴达木综合地质矿产勘查院完成。

图1（a）马海盆地和各类水体采样点位置；（b）马海盆地地质图（据文献^[19]修改）

Fig.1(a) Location of Mahai Basin and sampling sites of various water samples; (b) Geological map of the Mahai Basin (modified from reference ^[19])

图2、3分别展示了马海盆地不同类型水体以及柴达木盆地西部砂砾孔隙卤水的（Na⁺+Cl^-）/TDS比值、K⁺浓度和矿化度（TDS）。其中， n表示不同数据点的数量。（Na⁺+Cl^-）/TDS比值指所有水体数据中（Na⁺+Cl^-）/TDS比值计算的平均值，而K⁺浓度和TDS值则是所有水体数据的平均值。马海盆地不同水体和柴西砂砾孔隙卤水详细数据见附表Ⅰ~Ⅶ。

图2马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的平均（Na⁺+Cl^-）/ TDS比值和TDS值（n代表数据个数）

Fig.2Average (Na⁺+Cl^-) /TDS values and TDS values of various water bodies in Mahai Basin and sand-gravel brines in western Qaidam Basin

图3马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的K⁺和TDS平均值

Fig.3Average K⁺ and TDS values of water bodies in Mahai Basin and sand gravel pore brine in western Qaidam Basin

3 结果与讨论

3.1 马海盆地砂砾孔隙卤水水化学特征

马海盆地砂砾孔隙卤水和其他水体常微量离子含量及氢氧同位素值详细数据见附表Ⅰ~Ⅶ。马海盆地砂砾孔隙卤水的pH值为7.01~7.98，呈弱碱性。砂砾孔隙卤水的TDS值范围为114.69~290.79 g/L（附表Ⅴ），平均值为254.5 g/L。其TDS值低于马海盆地的湖表卤水（455.9 g/L，附表Ⅱ）、晶间卤水（465.4 g/L，附表Ⅲ）、承压卤水（305.2 g/L，附表Ⅴ）及柴达木盆地西部的砂砾孔隙卤水（292.6 g/L），但高于背斜构造卤水（59.6 g/L，附表Ⅳ）、地下水（5.941 g/L）和鱼卡河水（0.952 g/L，附表Ⅰ）（图3）。在K⁺浓度变化方面，马海盆地的砂砾孔隙卤水（2.16 g/L）、湖表卤水（2.09 g/L）和柴达木盆地西部的砂砾孔隙卤水（2.67 g/L）均接近卤水最低工业开采品位（KCl≥0.5%~1%，K⁺≈2.6 g/L）^[11]。马海盆地的晶间卤水和承压卤水的K⁺浓度较高，分别为11.80和6.32 g/L，均高于卤水最低工业开采品位（图3）。相比之下，背斜构造卤水（0.10 g/L）、河水（0.002 g/L）及地下水（0.03 g/L）呈现较低K⁺浓度，且远低于卤水最低工业开采品位（图3）。

马海盆地晶间卤水和承压卤水的K⁺和TDS浓度普遍显著高于砂砾孔隙卤水。在马海盆地，砂砾孔隙卤水的（Na⁺+Cl^-）/TDS比值（0.94）相对较高，与晶间卤水（0.87）和承压卤水（0.91）相近，而显著低于鱼卡河水的1.25（图2）。鱼卡河水（Na⁺+Cl^-）/TDS比值较高主要得益于其较低的TDS浓度（0.96 g/L），且平均Na⁺和Cl^-分别占TDS值的44%和78%，这使得河水中的Na⁺和Cl^-浓度显著高于其他离子。马海盆地砂砾孔隙卤水的Na⁺、Cl^-浓度介于两个端元之间，一端为富含Na⁺和Cl^-的晶间卤水与承压卤水，另一端则为Na⁺和Cl^-浓度较低的鱼卡河水。此外，马海盆地的砂砾孔隙卤水、晶间卤水和承压卤水的水化学类型均为Na-Cl型（图4a）。结合K⁺、TDS以及（Na⁺+Cl^-）/TDS比值的差异分析，可以推断马海盆地砂砾孔隙卤水和晶间卤水/承压卤水之间在高浓度Na⁺、Cl^-的来源上存在着一定的内在关联。与柴达木盆地西部砂砾孔隙卤水古盐层溶解所释放的溶质离子不同，马海盆地的砂砾孔隙卤水储层中基本不含盐类矿物，从而排除了地表水系或地下水溶滤盐层向砂砾孔隙卤水大量输入溶质离子的可能性^[3，15-16]。

在微量离子浓度的变化趋势中，马海盆地的河水、地下水、湖表卤水、晶间卤水、承压卤水以及砂砾孔隙卤水等的B³⁺浓度普遍显著高于Li⁺浓度，这种现象可能与盆地北部富硼热泉和电气石有关，这一点在鱼卡河水中表现得尤为明显，其B³⁺浓度（1.34 mg/L）远高于世界河流的平均水平及柴达木盆地南北部主要地表径流的平均B³⁺浓度^[20]。马海盆地内不同类型水体间的B³⁺浓度呈现出显著差异。其中，砂砾孔隙卤水的B³⁺浓度变化范围为4.43~34.70 mg/L，平均值为15.41 mg/L，介于晶间卤水（73.00 mg/L）、承压卤水（38.75 mg/L）和鱼卡河水（2.21 mg/L）之间^[19，21]。在K⁺—B³⁺—Li⁺当量图中（图4b），鱼卡河水表现出高B³⁺端元的特征，而承压卤水则位于高K⁺端元。结合B³⁺浓度的差异分析，鱼卡河水与晶间卤水、承压卤水三者共同作用于砂砾孔隙卤水的形成过程，推测这3种水体共同为砂砾孔隙卤水提供了水源补给。此外，不同于Piper图上（图4a）晶间卤水、承压卤水及砂砾孔隙卤水在Na—Cl区域的高度重叠，晶间卤水和砂砾孔隙卤水在图4b中分散分布在高K⁺和高B³⁺两个端元，尤其是砂砾孔隙卤水主要分布在高B³⁺端元。其原因是晶间卤水与河水和硼浓度较高的背斜构造卤水补给和混合相关，而砂砾孔隙卤水则与地表水系或地下水溶滤南八仙区域硼矿后对其补给相关。

图4（a）马海盆地各类水体的常量元素Piper图；（b）K⁺—B³⁺—Li⁺三角当量图

Fig.4(a) Piper diagram of various water bodies in the Mahai Basin; (b) K⁺-B³⁺-Li⁺ trigonometric equivalent diagram

3.2 马海盆地不同卤水储库K⁺浓度在空间上的分布规律

在新构造运动的影响下，马海盆地的地形呈南高北低、西高东低的特征，促使马海盆地沉积中心发生迁移，最终导致马海盆地德宗马海湖邻近区（含钾蒸发盐矿区）成为最后的沉积中心^[19]。在干冷气候条件下，强烈的蒸发浓缩作用于马海盆地承压卤水，伴随着沉积中心的迁移，演化到后期阶段的承压卤水中K⁺、Mg²⁺异常富集、TDS值升高，且K⁺浓度的最高值出现在含钾蒸发盐矿区（图5）。而马海盆地晶间卤水中K⁺的富集与高Ca²⁺水和河水的补给和混合相关^[22]，晶间卤水K⁺浓度的峰值也分布于盆地含钾蒸发盐矿区（图5）。马海盆地含钾蒸发盐矿区位于砂砾孔隙卤水储层的边缘地带，晶间卤水和承压卤水在此区域呈现出显著高于砂砾孔隙卤水的K⁺和TDS值。砂砾孔隙卤水在含钾蒸发盐矿区邻近区域呈现较高的K⁺浓度（图5），这一现象表明砂砾孔隙卤水可能继承了晶间卤水和承压卤水的溶质离子。此外，观测到的盐层厚度从德宗马海湖区的周边向湖中心邻近区域逐渐增加（图5b），说明德宗马海湖区是下更新世—中更新世以来的汇水盆地。在该区域内，成盐溶质集聚，并伴随着大量蒸发盐的析出。这一过程导致赋存于盐层中的晶间卤水和承压卤水的TDS值显著高于砂砾孔隙卤水，从而形成了显著的盐度梯度。盐度差可能是促使溶质离子（如K⁺、Na⁺、Cl^-等）从高盐度的晶间卤水和承压卤水向低盐度的砂砾孔隙卤水迁移的影响因素之一^[16]。

图5（a）马海盆地不同水体储库中K⁺浓度的空间变化（承压卤水绿色圆点数据引自^[16]；黄色圆点数据引自^[19]）；（b）马海钾矿区钻孔中（Q_1-2）盐层底界埋深图（据文献^[23]修改）

Fig.5Spatial variation of K⁺ content in different water reservoirs in Mahai Basin (the green dots representing confined brine pressure data are cited from ^[16]; the yellow dot data are cited from ^[19]) ; (b) Depth map of salt bottom boundary in borehole (Q_1-2) of Mahai potassium mining area (Modified from reference ^[23])

另外，晶间卤水、承压卤水与砂砾孔隙卤水储库纵向埋深上的显著差异，可能是晶间卤水和承压卤水下渗补给砂砾孔隙卤水的重要因素之一。具体而言，晶间卤水的埋深介于0~18.52 m之间，承压卤水则为18.5~164 m，而砂砾孔隙卤水的埋深可深达150~1600 m。这种埋深差异产生在晶间卤水/承压卤水与砂砾孔隙卤水之间的重力效应，导致上层卤水通过下渗补给砂砾孔隙卤水。此外，马海盆地的砂砾孔隙卤水矿层和储层岩性非均质性强，部分区域存在隔水层，使得同一钻孔中砂砾孔隙卤水的K⁺浓度存在较大差异，但总体上砂砾孔隙卤水的K⁺浓度仍远高于河水和地下水。另外，赛什腾山前缘冲洪积扇砂砾层、粗—中细砂层及粉砂层与相邻的岩盐层呈互层沉积，对应盐湖区厚层盐层位置的砂砾孔隙卤水K⁺浓度更高。这表明晶间卤水和承压卤水对砂砾孔隙卤水的补给不是一次完成的，而是长期的动态过程。

3.3 马海盆地砂砾孔隙卤水的氢—氧同位素地球化学特征

氢—氧同位素是追溯水体起源和演化的有效指标^[15，24-28]。研究表明，马海盆地与柴达木盆地西部的砂砾孔隙卤水具有不同的氢—氧同位素特征^[16]。如图6所示，柴达木盆地西部砂砾孔隙卤水的H—O同位素值分布于全球大气降水线^[29]和当地降水线^[30]附近，且表现出¹⁸O同位素的正偏移，说明柴达木盆地西部的砂砾孔隙卤水起源于大气降水，并经历了水—岩相互作用^[3，15]。相比之下，马海盆地砂砾孔隙卤水H—O同位素值的范围为-56.9‰~-17.6‰和-5.70‰~6.00‰^[16]，在δD—δ¹⁸O图上分布于蒸发线两侧（图6），指示马海盆地的砂砾孔隙卤水经历了一定程度的蒸发浓缩作用。晶间卤水和承压卤水与砂砾孔隙卤水具有相似的H—O同位素特征，二者的H—O同位素值也均分布在蒸发线的两侧，表明它们同样经历了强烈的蒸发浓缩作用（图6）^[19，22]。此外，Xiao等^[31]提出在冲积扇区域水位埋深3 m以下含水层蒸发浓缩作用微弱。然而，砂砾孔隙卤水的埋深达150~1600 m，该深度条件限制了其通过蒸发浓缩作用发生同位素分馏，反而使其H—O同位素特征与地表盐层中的晶间卤水相似^[22]。此外，Yang等^[19]在承压卤水成因研究中提出，承压卤水是由古晶间卤水补给封存在密闭环境中形成的，其H—O同位素特征与晶间卤水相似。分布于赛什腾山前缘冲—洪积扇中的深层砂砾孔隙卤水，可能继承了晶间卤水和承压卤水的溶质离子特征。

图6马海盆地砂砾孔隙卤水和其他水体的氢—氧同位素值分布（1：数据源于文献^[19]；2：数据源于文献^[17]）

Fig.6Distribution of hydrogen-oxygen isotope values in the sand-gravel brines and other water bodies in the Mahai Basin (1: cited from reference ^[19]; 2: cited from reference ^[17])

氧（¹⁸O）—氢（²H）同位素可有效指示水体的蒸发浓缩程度。图7a显示，砂砾孔隙卤水的²H值介于承压卤水和晶间卤水之间，指示了马海盆地砂砾孔隙卤水与承压卤水和晶间卤水经历相似的蒸发浓缩作用过程。Na/Cl的摩尔比（C_Na/C_Cl）可用于区分水体来源于固体盐类溶解或盐湖蒸发^[32-33]。图7a中，砂砾孔隙卤水的C_Na/C_Cl比值小于0.86，表明其并非源自石盐或其他固体盐类矿物的溶解^[34-35]。Fan等^[16]指出，砂砾孔隙卤水的δ³⁷Cl值（-0.26‰~0.25‰）显著低于马海盆地钻孔岩芯石盐的δ³⁷Cl值（0.41‰~0.75‰），进一步证实马海盆地的砂砾孔隙卤水中的Na⁺和Cl^-并非来自石盐溶解。此外，部分河水和地下水C_Na/C_Cl＞1，说明是山区硅酸盐矿物（如中长石、黑云母）风化及河流沿途盐类矿物（如芒硝、石盐）溶解的共同影响^[36-37]（图7a）。图7b显示，除承压卤水外，晶间卤水与砂砾孔隙卤水的²H与C_K/C_Cl的相关性较弱。这主要归因于晶间卤水中钾的富集受高Ca水体与河水混合控制，而非卤水演化主导^[28，38-39]。相比之下，承压卤水中钾的富集与卤水演化密切相关，使得承压卤水的²H与C_K/C_Cl呈一定相关性；而砂砾孔隙卤水受二者共同影响，导致该相关性不显著。鉴于Li、B元素在汇水盆地集聚特征，²H—Li、²H—B、¹⁸O—Li及¹⁸O—B关系可用于揭示砂砾孔隙卤水的演化（图7c~f）。图7c~d显示，砂砾孔隙卤水、晶间卤水以及承压卤水由蒸发浓缩作用导致²H上升，伴随B³⁺、Li⁺浓度有不同程度的增加，其中晶间卤水与承压卤水增加较明显，而砂砾孔隙卤水的B³⁺、Li⁺变化较弱。这主要是由于低B³⁺、Li⁺浓度的河水/地下水与高B³⁺、Li⁺浓度的晶间/承压卤水的混合影响。此外，砂砾孔隙卤水的TDS（200~300 g/L）低于晶间卤水与承压卤水（＞300 g/L），也限制了B³⁺、Li⁺的富集（图7c~d）^[16]。图7e~f进一步显示，伴随着¹⁸O的上升，晶间卤水、承压卤水及砂砾孔隙卤水中的B³⁺、Li⁺浓度上升，证实蒸发浓缩作用是上述卤水演化的关键因素之一。此外，马海盆地的砂砾孔隙卤水储层中黏土矿物广泛分布，在低盐度地下水补给条件下，B³⁺、Li⁺易被黏土矿物吸附，导致其含量降低^{[16，28，39-41]}。马海盆地砂砾孔隙卤水的δ⁷Li值高于承压卤水与晶间卤水，进一步说明黏土吸附是降低其B³⁺、Li⁺浓度的机制之一^[16，22]。碳酸盐^[40-41]、硫酸盐^[42-44]等矿物的析出亦可能导致B³⁺、Li⁺的进一步损失^[45]，表明黏土吸附和次生矿物析出影响着砂砾孔隙卤水中B³⁺、Li⁺浓度。

图7（a）马海盆地不同水体的²H—C_Na/C_Cl相关性图；（b）²H—C_K/C_Cl相关性图；（c）²H—Li⁺相关性图；（d）²H—B³⁺相关性图；（e）¹⁸O—Li⁺相关性图；（f）¹⁸O—B³⁺相关性图

Fig.7²H-C_Na/C_Cl relationship of different water bodies in Mahai Basin (a) ; and diagrams of ²H-C_K/C_Cl relationship (b) , ²H-Li⁺ relationship (c) , ²H-B³⁺ relationship (d) , ¹⁸O-Li⁺ relationship (e) and ¹⁸O-B³⁺ relationship (f)

4 结论

通过对马海盆地河水及不同卤水常微量离子浓度、矿化度和氢氧同位素组成进行对比分析，并结合马海盆地不同卤水储库中K⁺离子的空间分布特点，对马海盆地砂砾孔隙卤水水化学特征及与不同卤水间的物源联系进行分析，得到如下结论：

1）马海盆地砂砾孔隙卤水平均K⁺浓度为2.16 g/L，与柴达木盆地西部的砂砾孔隙卤水的K⁺浓度（2.67 g/L）相仿，两者均接近卤水最低工业开采品位（KCl≥0.5%~1%，K⁺≈2.6 g/L）。另外，马海盆地砂砾孔隙卤水呈现出相对较高矿化度（TDS）以及明显高的（Na⁺+Cl^-）/TDS比值（0.94）特征，其水化学类型为Na—Cl型。此外，马海盆地内不同类型水体的B³⁺浓度均高于Li⁺浓度，这与盆地北部的富硼热泉或电气石有关。

2）德宗马海湖邻近区域含钾蒸发盐矿区作为马海盆地的最终沉积中心，并与砂砾孔隙卤水储层空间上毗邻。晶间卤水与承压卤水以及砂砾孔隙卤水的K⁺浓度高值与含钾蒸发盐的空间分布基本重合。此外，晶间卤水、承压卤水与砂砾孔隙卤水的K⁺浓度和TDS值之间形成的盐度梯度及不同埋深间的重力效应，指示了深层砂砾孔隙卤水继承自晶间卤水和承压卤水的溶质离子。

3）马海盆地深层砂砾孔隙卤水的H—O同位素特征与晶间卤水和承压卤水相似，三者均分布在当地蒸发线两侧，表明三者均经历了一定程度的蒸发浓缩过程。这与砂砾孔隙卤水硼锂浓度随氢氧同位素值升高而增加的现象相对应。

致谢：感谢中国科学院青海盐湖研究所李庆宽、杨浩田、商雯君、石海岩、韩春梅、杨吉磊、李民等在绘图和数据分析上的帮助。

5 附录

附表Ⅰ~Ⅶ见电子版（DOI： 10.18307/2026.0126）。

图1（a）马海盆地和各类水体采样点位置；（b）马海盆地地质图（据文献^[19]修改）

Fig.1(a) Location of Mahai Basin and sampling sites of various water samples; (b) Geological map of the Mahai Basin (modified from reference ^[19])

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图2马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的平均（Na⁺+Cl^-）/ TDS比值和TDS值（n代表数据个数）

Fig.2Average (Na⁺+Cl^-) /TDS values and TDS values of various water bodies in Mahai Basin and sand-gravel brines in western Qaidam Basin

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图3马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的K⁺和TDS平均值

Fig.3Average K⁺ and TDS values of water bodies in Mahai Basin and sand gravel pore brine in western Qaidam Basin

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图4（a）马海盆地各类水体的常量元素Piper图；（b）K⁺—B³⁺—Li⁺三角当量图

Fig.4(a) Piper diagram of various water bodies in the Mahai Basin; (b) K⁺-B³⁺-Li⁺ trigonometric equivalent diagram

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图6马海盆地砂砾孔隙卤水和其他水体的氢—氧同位素值分布（1：数据源于文献^[19]；2：数据源于文献^[17]）

Fig.6Distribution of hydrogen-oxygen isotope values in the sand-gravel brines and other water bodies in the Mahai Basin (1: cited from reference ^[19]; 2: cited from reference ^[17])

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图1（a）马海盆地和各类水体采样点位置；（b）马海盆地地质图（据文献^[19]修改）

Fig.1(a) Location of Mahai Basin and sampling sites of various water samples; (b) Geological map of the Mahai Basin (modified from reference ^[19])

图2马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的平均（Na⁺+Cl^-）/ TDS比值和TDS值（n代表数据个数）

Fig.2Average (Na⁺+Cl^-) /TDS values and TDS values of various water bodies in Mahai Basin and sand-gravel brines in western Qaidam Basin

图3马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的K⁺和TDS平均值

Fig.3Average K⁺ and TDS values of water bodies in Mahai Basin and sand gravel pore brine in western Qaidam Basin

图4（a）马海盆地各类水体的常量元素Piper图；（b）K⁺—B³⁺—Li⁺三角当量图

Fig.4(a) Piper diagram of various water bodies in the Mahai Basin; (b) K⁺-B³⁺-Li⁺ trigonometric equivalent diagram

图6马海盆地砂砾孔隙卤水和其他水体的氢—氧同位素值分布（1：数据源于文献^[19]；2：数据源于文献^[17]）

Fig.6Distribution of hydrogen-oxygen isotope values in the sand-gravel brines and other water bodies in the Mahai Basin (1: cited from reference ^[19]; 2: cited from reference ^[17])

图1（a）马海盆地和各类水体采样点位置；（b）马海盆地地质图（据文献^[19]修改）

Fig.1(a) Location of Mahai Basin and sampling sites of various water samples; (b) Geological map of the Mahai Basin (modified from reference ^[19])

图2马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的平均（Na⁺+Cl^-）/ TDS比值和TDS值（n代表数据个数）

Fig.2Average (Na⁺+Cl^-) /TDS values and TDS values of various water bodies in Mahai Basin and sand-gravel brines in western Qaidam Basin

图3马海盆地各类水体和柴达木盆地西部（柴西）砂砾孔隙卤水的K⁺和TDS平均值

Fig.3Average K⁺ and TDS values of water bodies in Mahai Basin and sand gravel pore brine in western Qaidam Basin

图4（a）马海盆地各类水体的常量元素Piper图；（b）K⁺—B³⁺—Li⁺三角当量图

Fig.4(a) Piper diagram of various water bodies in the Mahai Basin; (b) K⁺-B³⁺-Li⁺ trigonometric equivalent diagram

图6马海盆地砂砾孔隙卤水和其他水体的氢—氧同位素值分布（1：数据源于文献^[19]；2：数据源于文献^[17]）

Fig.6Distribution of hydrogen-oxygen isotope values in the sand-gravel brines and other water bodies in the Mahai Basin (1: cited from reference ^[19]; 2: cited from reference ^[17])

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