馬黎春 李保國(guó) 蔣平安 盛建東 鐘俊平 邱宏烈 武紅旗

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院土壤和水系 北京 100193;2.美國(guó)紐約州州立大學(xué)賓漢姆頓分校地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)系 賓漢姆頓 NY13902; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 北京 100193;4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 烏魯木齊 830052; 5.美國(guó)加州州立大學(xué)洛杉機(jī)分校 洛杉機(jī) CA90032-8253)

羅布泊鹽湖“大耳朵”鹽盤特征、成因及古環(huán)境意義①

馬黎春1,2,3李保國(guó)3蔣平安4盛建東4鐘俊平4邱宏烈5武紅旗4

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院土壤和水系 北京 100193;2.美國(guó)紐約州州立大學(xué)賓漢姆頓分校地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)系 賓漢姆頓 NY13902; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 北京 100193;4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 烏魯木齊 830052; 5.美國(guó)加州州立大學(xué)洛杉機(jī)分校 洛杉機(jī) CA90032-8253)

干鹽湖蒸發(fā)巖沉積是干旱內(nèi)陸封閉盆地的主要成鹽模式,其地表鹽殼沉積特征、蒸發(fā)鹽類礦物具有明顯的分帶性。羅布泊干鹽湖,保存了完整的“耳輪”型環(huán)狀沉積模式和演化序列,在世界干鹽湖中實(shí)屬罕見。通過對(duì)羅布泊“大耳朵”干鹽湖區(qū)多級(jí)環(huán)狀亞沉積環(huán)境下發(fā)育的鹽殼地貌、沉積結(jié)構(gòu)、龜裂形態(tài)、礦物組成以及地下鹵水的地表排泄情況進(jìn)行地面調(diào)查和實(shí)地采樣,探討了不同“耳輪”環(huán)帶鹽殼地貌成因、相互承接關(guān)系和發(fā)展演變過程;并概述了蒸發(fā)鹽盤不同沉積階段沉積特征,及鹽殼龜裂結(jié)構(gòu)發(fā)育演化過程與地下水位埋深的關(guān)系。

羅布泊 “大耳朵”干鹽湖 鹽盤 沉積特征 沉積環(huán)境

內(nèi)陸干旱區(qū)的封閉盆地常發(fā)育有面積廣闊的干鹽湖,以表面干涸龜裂的鹽盤和周圍的鹽坪地貌為基本特征。尤其是極端干旱的沙漠地區(qū),蒸發(fā)遠(yuǎn)大于降水,干鹽湖相對(duì)于常年性鹽湖,分布更為普遍。干鹽湖成鹽過程除包括間歇?jiǎng)邮幍臏\水面蒸發(fā),還包括湖底暴露時(shí)期的地表蒸發(fā)析鹽過程,具有豐富的同沉積成巖特征[1],這使得鹽盤沉積與演化過程變得十分復(fù)雜,僅有少數(shù)地質(zhì)學(xué)家細(xì)致的研究了干鹽湖亞沉積環(huán)境鹽盤的沉積特征[1～3],和不同亞沉積環(huán)境下(洪水期-蒸發(fā)濃縮-干化期)蒸發(fā)巖沉積結(jié)構(gòu)及辨認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)[4～6]。羅布泊位于中國(guó)新疆塔里木盆地東部廣袤沙漠前緣的低洼地區(qū),目前干涸的鹽灘在遙感影像上呈現(xiàn)奇特的“大耳朵”型圖案(圖1),已受到普遍關(guān)注[7～12]。本文旨在對(duì)“大耳朵”鹽盤多級(jí)環(huán)狀亞沉積環(huán)境下發(fā)育的鹽盤沉積特征進(jìn)行實(shí)地調(diào)查和取樣,以探明不同環(huán)帶地表鹽殼沉積類型、沉積結(jié)構(gòu)、龜裂特征、礦物類型以及地下鹵水的地表排泄?fàn)顩r等。

1 研究區(qū)概況

羅布泊位于中國(guó)新疆塔里木盆地東部,中國(guó)最大沙漠塔克拉瑪干沙漠的最東緣,是世界上著名的干旱中心,地理位置39.5°-41.5°N,88°-92°E。作為塔里木盆地曾經(jīng)的尾閭湖,羅布泊自第三紀(jì)末至第四紀(jì)初以來(lái)就成為整個(gè)塔里木盆地的積鹽中心,匯集了厚達(dá)數(shù)米的鹽層[8],其中喀拉庫(kù)順、“大耳朵”以及羅北凹地都曾是古羅布泊湖盆的次級(jí)沉積洼地(圖2)。但從構(gòu)造與沉積學(xué)的角度講,“大耳朵”地區(qū)和羅北凹地被認(rèn)為是最主要的鹽類物質(zhì)沉積中心[13,14]。“大耳朵”湖盆地勢(shì)相對(duì)平緩,深度僅為5.2 m,西南平均坡度0.19‰,東北平均坡度0.09‰,為一偏心的淺水湖盆[12],鹽盤覆蓋面積近5 500 km2[15],海拔約800 m[16]。

羅布泊地區(qū)氣候異常干燥、炎熱,年平均氣溫11.6℃,夏季最高氣溫>40℃,冬季最低氣溫-20℃以下,年降水量<20mm,蒸發(fā)量>3 000mm[10],年日照時(shí)數(shù)>3 200 h,年積溫>4500℃。且風(fēng)蝕強(qiáng)烈,全年盛行風(fēng)方向?yàn)镹E,年平均風(fēng)速>5 m.s-1,3～5月為多風(fēng)季節(jié),6～8月為大風(fēng)季節(jié),8級(jí)大風(fēng)日>60 d,常常引起沙暴天氣,位于羅布泊下風(fēng)向的若羌、且末地區(qū)每年浮塵天氣有115～193 d[13]。

2 研究方法

為探明羅布泊“大耳朵”不同“耳輪”環(huán)帶鹽殼龜裂形態(tài)、表面特征及礦物分布特征,2005-2007年連續(xù)三年在羅布泊“大耳朵”干鹽湖區(qū)進(jìn)行了實(shí)際地面調(diào)查和鉆孔取樣。調(diào)查路線及采樣點(diǎn)的選擇基于經(jīng)過精校正的2002年5月13日Landsat-7 ETM+遙感影像數(shù)據(jù),2006年10月23日Landsat-5 TM(Thematic Mapper)影像數(shù)據(jù)及2006年7月31日獲取的高分辨率QuikBird影像數(shù)據(jù)(分辨率0.61 m),通過對(duì)三期不同時(shí)相及不同分辨率遙感影像精細(xì)對(duì)比分析,選取影像上“耳輪”色調(diào)、紋理及表面形態(tài)變化較為穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行地面調(diào)查和取樣,采樣點(diǎn)位置及調(diào)查路線見圖1。對(duì)所選取的10個(gè)典型亞沉積環(huán)帶(A-J,圖1)所采集的50件鹽殼固體樣品進(jìn)行了礦物鑒定和可溶鹽總量分析。礦物分析采用美國(guó)Phillips PW3040-MPD X射線衍射儀;可溶鹽總量采用質(zhì)量法和電導(dǎo)法同時(shí)測(cè)定。

圖1 羅布泊“大耳朵”干鹽湖典型鹽殼環(huán)帶采樣點(diǎn)及考察路線圖Fig.1 Locations of representative sampling sites and the survey routes in the“Great Ear”playa of Lop Nor Basin

圖2 羅布泊干鹽湖位置及其臨近地區(qū)(底圖為1961年Corona遙感影像;虛線勾繪區(qū)域?yàn)楣糯罅_布泊范圍,面積約20 000 km2)Fig.2 The location of Lop Nor playa and its surrounding area(Background images is a Corona imagemosaic,12/12/1961;the area surrounded by the dashed line represents the Ancient Great-Lop Nor covering an area of～20 000 km2.

3 干鹽湖蒸發(fā)鹽盤沉積特征

常見的蒸發(fā)巖沉積模式(鹽湖)是干旱氣候作用下成鹽盆地水鹽體系不斷蒸發(fā)濃縮,各鹽類物質(zhì)逐漸達(dá)到飽和,呈固相析出[4]。而干鹽湖成鹽過程除包括鹽湖正常的鹵水化學(xué)沉積外,其獨(dú)特的成鹽方式還在于湖水退出后,地下水毛管蒸發(fā)作用,在暴露的沉積物表面依然進(jìn)行著強(qiáng)烈的析鹽過程[4,5,17],形成固液(鹵水-鹽體)并存的動(dòng)態(tài)平衡體系。因此依據(jù)蒸發(fā)巖沉積階段和沉積界面的不同,干鹽湖蒸發(fā)鹽盤沉積包括:(1)鹽湖期淺水面蒸發(fā);(2)湖底暴露時(shí)期地表析鹽過程。

3.1 鹽湖期淺水面蒸發(fā)成鹽

通常來(lái)說,在干鹽湖區(qū)發(fā)育的季節(jié)性鹽湖(間歇有常年性鹽湖)一般都很淺,深度僅幾十厘米[6,18,19],個(gè)別可達(dá)幾米[4,6,20],這些淺湖,在干旱氣候驅(qū)動(dòng)作用下,湖面不斷蒸發(fā)濃縮,致使鹽類礦物逐步析出;結(jié)晶作用首先發(fā)生在鹵水-空氣界面,當(dāng)達(dá)到石鹽飽和,毫米至厘米級(jí)立方體單晶、骸晶、矩形板晶、倒轉(zhuǎn)的漏斗狀晶體析出[1,4],并橫向連接成片狀的晶筏(圖3A),隨波漂蕩,在其生長(zhǎng)重力大于湖水浮力或在風(fēng)浪干擾破壞作用下,沉入湖底(圖3B),形成松散的鹽類堆積層[4],繼而以這些雜亂堆積的晶筏為生長(zhǎng)中心,開始緩慢的水下結(jié)晶過程(圖3B),由于水下晶體的競(jìng)相增長(zhǎng),互相爭(zhēng)奪空間造成晶體的垂向增長(zhǎng)和延伸,形成人字形晶體或漏斗狀晶體(圖3C).owenstein&Hardie[4]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出這兩類晶體沉積特征明顯不同,鹵水表面快速蒸發(fā)形成的細(xì)粒石鹽晶體富含液體包裹體,而水下緩慢生長(zhǎng)的晶體常呈粗粒、含少量或不含液體包裹體。這兩類晶體在鹽類沉積層中的比例則取決于鹽湖的蒸發(fā)速率,蒸發(fā)速度快,則以表生細(xì)粒為主,蒸發(fā)速度慢,則以底部粗粒為主。

蒸發(fā)作用的繼續(xù),致使鹵水面繼續(xù)變薄,此時(shí)晶間和下伏泥層中過飽和的鹵水不斷結(jié)晶和增長(zhǎng)(圖3D,E)引起表層鹽殼的橫向膨脹,形成龜裂縫。劉振敏等[21]在察爾汗鹽湖野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)鹵水深度在5～10 cm時(shí),表層鹽殼就開始發(fā)生鹽裂,裂隙寬1 cm左右,長(zhǎng)數(shù)米。這種鹽裂會(huì)引起地下水位的進(jìn)一步降低,致使表面鹵水完全消失,鹽類沉積物出露水面,進(jìn)入干鹽湖地表析鹽階段。

3.2 地表析鹽過程

地表析鹽過程與鹵水化學(xué)沉積不同,其物質(zhì)來(lái)源主要依賴晶間鹵水、地下潛水及可能的深部水的向上傳輸和補(bǔ)給,沉積界面始終暴露于空氣[1,2,20]。在成鹽過程中,地下鹵水不斷補(bǔ)充近地表水分的蒸發(fā)損耗,主要通過毛管傳導(dǎo)[22]和裂隙上升至地表,形成毫米-次毫米級(jí)的細(xì)粒鹽結(jié)晶及相互聚合的等徑鑲嵌結(jié)構(gòu)[19],并沿晶粒頂部不斷向空中延展、增長(zhǎng)形成各種形態(tài)的晶簇(圖3F,G)。這些晶簇和濕潤(rùn)的地表極易捕獲風(fēng)中的沙塵[17],膠結(jié)形成鹽土混合物-鹽殼(圖4A-F)。長(zhǎng)期的地表化學(xué)沉積與物理黏附沙塵,則導(dǎo)致地表鹽殼不斷生長(zhǎng)。

目前在世界范圍內(nèi)廣泛分布和正在形成的現(xiàn)代蒸發(fā)鹽殼都是在這種機(jī)制下形成的,如智利的Salar de Atacama,加利福尼亞的Saline Valley和Death Valley,南美Salars[23]。在這一成鹽過程中,驅(qū)動(dòng)力是蒸發(fā)作用,蒸發(fā)作用的停止也就意味著地表析鹽過程的結(jié)束[19]。此外,在地表進(jìn)行化學(xué)沉積的同時(shí),下伏鹽層和泥層中的結(jié)晶作用也在繼續(xù),形成純凈透明、晶型完整的自形立方體(圖3D),這些晶體的遷移性增長(zhǎng)通常占據(jù)溶孔和顆粒的孔隙,并沒有一定的結(jié)晶方向[24],和表層形成的細(xì)粒以及鹽湖期形成的粗粒晶體極易區(qū)別[4]。遷移性晶體的大量生長(zhǎng)不僅會(huì)破壞早期形成的沉積層理還會(huì)導(dǎo)致鹽殼的橫向擴(kuò)張,形成各種龜裂結(jié)構(gòu)[21]。

3.3 鹽盤龜裂結(jié)構(gòu)發(fā)育過程

鹽盤龜裂結(jié)構(gòu)的發(fā)育隨地下水位埋深變化可經(jīng)歷幾個(gè)階段[4,21]。在湖水消退初期,地下水位較淺,新鮮出露的鹽層富含飽和鹵水,鹽類礦物以置換和嵌晶方式生長(zhǎng),不斷填充沉積物孔隙,致使鹽層體積不斷增大,膨脹裂開,形成大致六邊形的裂隙[1,4],內(nèi)徑30～90 cm,見圖4A。隨后晶間和地下鹵水沿裂隙優(yōu)先上升,引起多邊形脊的逐步增高,在上升過程中裂隙鹽的相繼析出,形成水平壓應(yīng)力,促使多邊形脊進(jìn)一步膨脹、擴(kuò)張和掀聳[6,21]。掀起的鹽殼基底部分懸空,之后被新生的鹽體填充,從而進(jìn)一步抬高鹽殼,以此循環(huán)往復(fù),導(dǎo)致鹽殼不斷隆起,而多邊形鹽環(huán)因整體受力,持續(xù)變形,逐漸形成碗狀或蜂窩狀的鹽殼地貌(圖4 B)。由于鹽殼的不斷增高和地下鹵水的持續(xù)蒸發(fā),導(dǎo)致晶間鹵水面逐漸下降,毛管作用相應(yīng)減弱,鹽殼增長(zhǎng)速率隨之下降,當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ㄉ疃葧r(shí),毛管作用消失[17],鹽殼生長(zhǎng)階段宣告結(jié)束,進(jìn)入長(zhǎng)期的龜裂后期侵蝕階段。風(fēng)蝕、雨淋、溫度、地表徑流等氣候因子是影響鹽殼沉積后期演變的主要因素[18]。風(fēng)蝕作用將促使鹽殼崩塌,并將沙塵搬運(yùn)至湖盆;降水和地表徑流將翹起的鹽殼邊緣溶解,可溶鹽隨雨水下滲,形成各種溶蝕洞,而難溶的碎屑物和泥沙沉淀下來(lái),覆蓋于鹽殼表面[19]。風(fēng)蝕、雨淋的長(zhǎng)期交互作用使前期形成的龜裂結(jié)構(gòu)遭到破壞,地表趨于平坦,見圖4C。再經(jīng)后期的風(fēng)蝕、磨蝕作用,地表龜裂結(jié)構(gòu)趨于老化,頂部變得圓滑,基部被風(fēng)沙掩埋(圖4D)。這一鹽殼龜裂結(jié)構(gòu)的發(fā)育演化過程,普遍存在于世界各地的干鹽湖[6,17-20],因此可根據(jù)現(xiàn)代地表鹽殼的發(fā)育狀況大致判斷鹽殼發(fā)展的階段、新老承接關(guān)系以及地下水位的埋深情況等。

圖3 不同亞沉積環(huán)境條件下發(fā)育的石鹽晶體沉積特征A鹽湖鹵水-空氣界面蒸發(fā)作用形成的片狀晶筏、漂浮體;B片狀晶筏沉入湖底,開始水下結(jié)晶作用,箭頭所示剛落入水中的片狀漂浮體;C湖底競(jìng)爭(zhēng)性增長(zhǎng)形成的巨粒石鹽晶體;D下伏泥層遷移性石鹽晶體;E富含飽和鹵水的鹽層,石鹽礦物置換、嵌晶式生長(zhǎng),不斷填充沉積物孔隙;F濕潤(rùn)地表形成的細(xì)粒鹽結(jié)晶,晶粒頂部向空中延展、形成各種形態(tài)的晶簇;G部分地表鹽結(jié)晶呈菌絲狀延展(照片A-C:2006年攝于羅布泊鉀鹽礦蒸發(fā)池; D-G:2006-2007年攝于羅布泊“大耳朵”干鹽湖)Fig.3 Sedimentary features of halite crystal developed in different sub-sedimentary environmentA.Flat halite crystal rafts and floats formed at air-brine interface;B.Crystallization startswhen flat halite raft sink to the lake bottom(the black arrow shows where flat floats just fall into the water);C.Widespread competitive overgrowth takes place on the lake floor,ultimately which result in the development of large chevron crystals.D.Displacive halite crystals inmud layers;E.Randomly oriented interlocking halite crystals grew in brine-filled salt layers as cement.F.Irregular vug occurs at the humid surface,which are composed ofmillimeter scale,elongate,randomly oriented fine halite crystals,with radial competitive growth fabrics;G.Some of these vugs have the form resembling a thread or filament(Photos A-Cwere taken in artificial pool of Lop Nor potassium extraction plant in 2006;photos D-G were taken in the“Great Ear”playa of Lop Nor basin)

圖4 羅布泊“大耳朵”干鹽湖鹽殼地貌景觀A.鹽殼龜裂初期;B.典型蜂窩狀鹽殼;C.蜂窩構(gòu)造被破壞,形成龜裂狀鹽殼;D.長(zhǎng)期風(fēng)蝕作用形成丘狀鹽殼;E.早期片流形成的板塊狀鹽殼;F.長(zhǎng)壟蜂窩狀鹽殼地貌(2005-2007年攝于羅布泊)Fig.4 Ground feature of salt crusts in the“Great Ear”playa of Lop Nor basinA.The early stage of polygonal cracks formation;B.Well-developed honeycomb-shaped halite crusts;C.The honeycomb-shaped structuresare disrupted and tend to develop low reliefsurface due towind erosion and dissolution by rain;D.Over time,this process causes the polygon halite crust to form mound-shaped pattern;E.The formation of plate-shaped halite crusts caused by the partial dissolution of early sheet flow;F.Ridge-like halite crustswithin an overall of honeycomb-shaped pattern(photos were taken in the Lop Nor basin from 2005 to 2007)

地質(zhì)時(shí)期形成的蒸發(fā)鹽盤在古代蒸發(fā)巖沉積層序中分布十分廣泛,且具有相當(dāng)?shù)某练e厚度[4],因此對(duì)于現(xiàn)代干鹽盤沉積特征的深入研究將對(duì)識(shí)別古代蒸發(fā)鹽盤具有重要的借鑒意義。圖5建立了干鹽湖鹽盤縱剖面沉積特征標(biāo)準(zhǔn)模型,在這一模型中,上部鹽殼層富含溶孔、龜裂縫、膠結(jié)泥沙等碎屑物(主要為風(fēng)沙源沉積),下覆鹽層和泥層發(fā)育大量遷移性石鹽晶體(隨機(jī)生長(zhǎng),沒有固定的生長(zhǎng)方向,占據(jù)溶孔和晶間孔隙,通常一到幾個(gè)厘米大小,在晶體生長(zhǎng)過程中易捕獲泥物質(zhì))都是辨認(rèn)古代干鹽湖亞沉積環(huán)境的重要標(biāo)志。

圖5 干鹽湖鹽盤縱剖面沉積結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch map of vertical sedimentary structure of salt pans developed in playa environment

4 “大耳朵”干鹽湖鹽殼沉積類型及成因

羅布泊“大耳朵”干鹽湖,地表鹽殼龜裂結(jié)構(gòu)、沉積特征、鹽類礦物、地球化學(xué)特征都具有明顯的分帶性[15],在遙感影像上表現(xiàn)為清晰的“耳輪”型沉積模式(圖2),在世界干鹽湖中實(shí)屬罕見,為研究鹽盤發(fā)育演化序列提供了極好案例。前文已對(duì)多級(jí)環(huán)狀亞沉積環(huán)帶鹽盤地球化學(xué)分布模式做了詳細(xì)介紹[15,25],本文側(cè)重于對(duì)10個(gè)典型環(huán)帶地表鹽殼龜裂結(jié)構(gòu)、沉積特征和礦物類型的介紹。調(diào)查表明“大耳朵”干鹽湖區(qū)發(fā)育有丘狀、龜裂狀、板塊狀和蜂窩狀構(gòu)造(圖4),并從湖濱至湖心循環(huán)往復(fù)出現(xiàn),呈現(xiàn)寬窄不一遞變的帶狀分布。

4.1 蜂窩狀鹽殼微地貌特征

蜂窩狀鹽殼是干鹽湖最為典型的地貌類型,意味著發(fā)育成熟的鹽殼,已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地下鹵水地表析鹽和隆起過程。一般來(lái)講,地下水位的深度是控制地下水毛管上升和地表析鹽的重要因素.obst等[26]認(rèn)為地下水位埋深維持在50～70 cm,可持續(xù)不斷供給表層鹽殼,致使其不斷長(zhǎng)高。而鹽殼沉積特征(土壤顆粒組成、鹽類礦物間隙析出、裂隙)也會(huì)對(duì)鹵水傳導(dǎo)過程產(chǎn)生影響[22]?！按蠖洹焙^(qū)的蜂窩狀構(gòu)造,一般內(nèi)徑60～100 cm,形態(tài)規(guī)則,脊高20～60 cm;在一級(jí)蜂窩構(gòu)造基礎(chǔ)上,發(fā)育有二級(jí)蜂窩構(gòu)造,復(fù)式蜂窩內(nèi)徑可達(dá)6～8 m。脊部鹽殼含鹽量較高,達(dá)80%左右,其鹽類礦物基本為石鹽(NaCl),多溶孔,明顯雨蝕痕跡,膠結(jié)的碎屑物質(zhì)主要來(lái)源為風(fēng)源,質(zhì)地異常堅(jiān)硬。蜂窩內(nèi)部,可見一些小的地表徑流的痕跡和降水形成的溶蝕洞(通常幾厘米大小),多有難溶性泥砂等碎屑物堆積于鹽殼低洼處;地表濕潤(rùn),含水率15%左右,地表析鹽作用強(qiáng)烈,通常覆蓋白色鹽結(jié)皮,或菌絲狀、菜花狀晶簇(圖3F-G),鹽類礦物以石鹽為主,發(fā)現(xiàn)少量光鹵石(KCl.MgCl2。6H2O)、雜鹵石(K2SO4.gSO4。2CaSO4。2H2O)和軟鉀鎂釩(K2Mg(SO4)2。6H2O),此區(qū)域地下水位較淺,大概在45 cm。典型環(huán)帶C(90.686°E,40.345° N)(圖1),地面景觀如圖4 B。個(gè)別沉積環(huán)帶的蜂窩狀鹽殼,已脫離地下水影響,地表十分干燥,意味著地表析鹽階段結(jié)束,后期侵蝕作用開始扮演主要角色。而“大耳朵”湖區(qū)西南部的典型環(huán)帶I(90.297°E,40.078°N)和G(90.538°E,40.243°N)(圖1),蜂窩結(jié)構(gòu)20～40 cm高,地下水位較低,2 m左右,但地表含水量卻高達(dá)16%,調(diào)查表明鹽殼底部細(xì)粒的黏土湖積物促使土壤毛管水強(qiáng)烈上升;整個(gè)湖區(qū)地下水空間分布情況和地下水位埋深調(diào)查見前文[15,25]。

4.2 其它鹽殼微地貌類型

龜裂狀鹽殼地貌通常承接于蜂窩狀鹽殼,這一區(qū)域,早期形成的龜裂構(gòu)造已基本遭到破壞,侵蝕跡象十分明顯,六邊形邊界不夠完整,脊部倒塌,散亂堆積于多邊形內(nèi)部,鹽殼基底部分懸空,懸空高10～50 cm;多邊形長(zhǎng)軸60～130 cm,短軸20～60 cm,一級(jí)鬼裂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,發(fā)育有二級(jí)龜裂結(jié)構(gòu),復(fù)式結(jié)構(gòu)內(nèi)徑5～10 m,地表常見龜裂縫,裂縫寬1～3 cm。鹽殼異常堅(jiān)硬,含鹽量在75%左右,鹽類礦物基本以石鹽為主,地表干燥,此區(qū)域目前地下水位埋深在60 cm左右,典型環(huán)帶B(90.719°E,40.368°N)和D(90.642° E,40.315°N)(圖1),地面景觀如圖4 C。

丘狀鹽殼廣泛分布于“大耳朵”湖盆邊緣,形成時(shí)間較早,大多呈長(zhǎng)丘狀起伏,沿風(fēng)向拉長(zhǎng),東北向展布,與盛行風(fēng)向(NE)大致平行,丘高30～40 cm,丘長(zhǎng)可達(dá)1～1.5 m,受風(fēng)蝕作用明顯,基部多被風(fēng)沙掩埋,愈向湖盆邊緣,地表愈趨于平坦,逐漸過渡為平坦的鹽坪和泥坪地貌。地表以碎屑物為主,含鹽量30%左右,鹽類礦物主要為石膏(CaSO4。2H2O)、硬石膏(CaSO4)、碳酸鈣(CaCO3)和少量白云石(CaCO3.gCO3),質(zhì)地相對(duì)疏松,部分區(qū)域覆蓋白色鹽霜,地表整體干燥,典型環(huán)帶A(90.759°E,40.395°N)和J(90.237°E,40.037°N)(圖1),地表景觀如圖4D。

板塊狀鹽殼是鹽殼發(fā)育序列中的一個(gè)特殊單元,此類型鹽殼表面光滑,質(zhì)地堅(jiān)硬,厚3～8 cm,含鹽量高達(dá)90%以上,鹽類礦物基本為純的石鹽。地表可見大的鹽殼板塊相互擠壓翹起,掀聳高度可達(dá)40～ 60 cm,有些“板塊”近乎直立,圍成多邊形的“墻圈”,但大部分在風(fēng)蝕作用下已倒塌,在一級(jí)構(gòu)造基礎(chǔ)上,發(fā)育有二級(jí)構(gòu)造,一級(jí)構(gòu)造內(nèi)徑0.5 m左右,二級(jí)構(gòu)造內(nèi)徑3～5 m。典型環(huán)帶F(90.592°E,40.280°N) (圖1),地表景觀見圖4E。關(guān)于板塊狀鹽殼的成因, Lowenstein&Hardie[4]認(rèn)為是局部片流溶解早期鹽殼后重新蒸發(fā)和重結(jié)晶形成的,因此鹽殼相對(duì)純凈,缺乏碎屑物沉積,在鹽盤沉積過程中此階段屬于淺鹽湖蒸發(fā)成鹽階段,而“大耳朵”干鹽湖板塊狀鹽殼表現(xiàn)出類似的沉積特征。

長(zhǎng)壟蜂窩狀鹽殼是板塊狀鹽殼和蜂窩狀鹽殼的過渡類型,一方面,地表可見大的板塊狀鹽殼相互擠壓翹起,形成巨大的長(zhǎng)垅,垅高40～70 cm,長(zhǎng)度可達(dá)幾十米,甚至上百米。另一方面,在長(zhǎng)垅之間又分布有發(fā)育完好的蜂窩狀構(gòu)造,形態(tài)規(guī)則均勻,內(nèi)徑30～ 50 cm,脊高30～40 cm;鹽殼低洼處有潮濕的泥沙等碎屑物堆積,含水量15%左右,在遙感影像上此環(huán)帶基本色調(diào)發(fā)暗,但大的鹽殼壟呈白色波紋狀分布,見圖1E(90.623°E,40.301°N),地面景觀如圖4 F。關(guān)于此鹽殼成因,可能的解釋是早期曾發(fā)生過局部片流,形成相對(duì)純凈的板塊狀鹽殼(與上述F鹽殼類型成因類似),而后期仍長(zhǎng)期接受地下水補(bǔ)給,從而持續(xù)不斷地進(jìn)行地表析鹽,隆起、墊高過程,形成發(fā)育完好的蜂窩狀構(gòu)造。

4.3 鹽坪地貌

“大耳朵”湖心區(qū)域,也是最低區(qū)域。微地貌相對(duì)平坦,經(jīng)歷過多次覆水過程,地表覆蓋厚的泥沙碎屑物質(zhì),富含遷移性石膏晶體,從沉積特征來(lái)看,屬于鹽坪亞沉積環(huán)境。早期可能間歇發(fā)育有高鹽沉積環(huán)境(蜂窩狀構(gòu)造,鹽礦物為石鹽),但后期大部分被溶解,野外考察時(shí),部分區(qū)域地表仍可見溶蝕的殘余蜂窩垅,垅高10～20 cm,低洼處有溶蝕洞(幾厘米大小),多被泥沙填充。在永久干涸前易受上游來(lái)水影響,每逢較大洪水年份,就可能有洪水進(jìn)入,洪流一方面攜入大量泥沙,另一方面則對(duì)前期形成的鹽殼進(jìn)行溶解和淋濾,碎屑沉積物粒徑相對(duì)較粗。而沉積物中大量毫米-厘米級(jí)石膏晶體的遷移性增長(zhǎng),表明此區(qū)域曾長(zhǎng)期浸透于石膏飽和的地下鹵水,目前地下水位埋深已低于2 m,已不能干擾表層成鹽過程[12],典型環(huán)帶見圖1H。

5 “大耳朵”鹽盤環(huán)狀沉積環(huán)境與模式探討

干鹽湖演化過程要經(jīng)歷反復(fù)的洪水期和干化期的沉積旋回,其交替過程除受氣候影響主導(dǎo)外,湖水的進(jìn)退和演化方向主要受湖盆地形控制,由盆地外圍向中心產(chǎn)生不同的亞沉積環(huán)境并呈遞變的帶狀分布,在空間分布上則隨盆地蒸發(fā)入流比產(chǎn)生相應(yīng)的遷移。羅布泊“大耳朵”湖盆為一淺碟形湖盆,湖盆深度僅5.2 m,坡度不及0.2‰[12],因此湖面垂向上的微小變化,即可引起湖岸線橫向上的大幅遷移,從而在湖泊外圍產(chǎn)生相應(yīng)寬展的沉積分異環(huán)帶;致使地表蒸發(fā)鹽類礦物,鹽殼沉積特征、地下鹵水濃度、鹵水化學(xué)特征都呈現(xiàn)相應(yīng)帶狀分布。洪水期,尤其是大的洪水,可能將早期形成的鹽殼全部溶解,并由湖盆中心向邊緣產(chǎn)生鹽湖、淺水湖、鹽灘、泥灘等一系列地貌景觀,而局部片流,和季節(jié)性的洪水,可能溶解部分鹽殼,并使鹽殼留下相應(yīng)溶蝕、再膠結(jié)和重結(jié)晶等沉積特征。干化期,地表鹽殼的形成主要受控于地下鹵水的地表排泄和析鹽過程,長(zhǎng)期的地表析鹽將最終形成巨厚的鹽殼,并發(fā)育各種蜂窩狀龜裂構(gòu)造?！按蠖洹备甥}湖區(qū)不同環(huán)帶亞沉積環(huán)境發(fā)育的丘狀、龜裂狀、板塊狀、蜂窩狀鹽殼循環(huán)出現(xiàn),說明羅布泊在長(zhǎng)期的演化過程中經(jīng)歷過多次充水和干涸過程旋回交替。板塊狀鹽殼是局部片流溶解早期鹽殼后重新蒸發(fā)和重新結(jié)晶的產(chǎn)物,指示湖區(qū)可能的充水事件。蜂窩狀構(gòu)造意味著湖區(qū)長(zhǎng)期經(jīng)歷地下鹵水地表析鹽和隆起過程。龜裂狀鹽殼通常承接于蜂窩狀鹽殼,是鹽殼龜裂后期長(zhǎng)期遭受侵蝕的結(jié)果。長(zhǎng)壟蜂窩狀鹽殼意味著早期曾發(fā)生過充水,而后期仍長(zhǎng)期接受地下水補(bǔ)給。丘狀鹽殼地貌廣泛分布于湖盆邊緣,受風(fēng)蝕跡象明顯,向湖盆邊緣逐漸過渡為鹽坪和泥坪地貌。“大耳朵”干鹽湖地表鹽殼橫向上的沉積序列記錄了羅布泊湖水消長(zhǎng)、退縮和湖岸線遷移的演替過程。

6 結(jié)論

干鹽湖蒸發(fā)巖沉積是干旱內(nèi)陸封閉盆地的主要成鹽模式,其沉積過程包括間歇?jiǎng)邮幍臏\水面蒸發(fā)和湖底暴露時(shí)期的地表蒸發(fā)成鹽過程。羅布泊“大耳朵”干鹽湖鹽殼沉積類型、微地貌特征、龜裂形態(tài)、礦物組成都呈現(xiàn)明顯的“耳輪”型環(huán)帶狀分布。不同亞沉積環(huán)帶發(fā)育有丘狀、龜裂狀、板塊狀和蜂窩狀鹽殼地貌類型,并從湖濱至湖心循環(huán)往復(fù)出現(xiàn)。通過對(duì)不同環(huán)帶地表鹽殼沉積特征、發(fā)育階段、承接關(guān)系的實(shí)地調(diào)查研究,表明羅布泊干鹽湖在干涸過程中經(jīng)歷過多次湖水消長(zhǎng)、退縮和湖岸線遷移的過程。從目前世界范圍內(nèi)廣泛分布的干鹽湖來(lái)看[17～23],還沒有一個(gè)干鹽湖如羅布泊一樣在遙感影像上表現(xiàn)出如此清晰的“耳輪”型分布模式,因此對(duì)于羅布泊地表鹽殼沉積特征的研究,將為豐富世界干鹽湖資源,探討多樣化的干鹽湖形成演化機(jī)制提供豐富的物質(zhì)資料和極好案例。

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Sedimentary Features,Origin and Paleoenvironmental Significance of“Great Ear”Salt Pans in the Lop Nor Playa

MA Li-chun1,2,3LIBao-guo3JIANG Ping-an4SHENG Jian-dong4ZHONG Jun-pin4QIU Hong-lie5WU Hong-qi4
(1.Institute of M ineral Resources,Chinese Academ y of Geological Sciences,Beijing 100037; 2.Department of Geological Sciences,State University of New York at Bingham ton,Bingham ton,NY13902,U.S.A; 3.College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193; 4.College of Pratacultural and Environment Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052; 5.College of Natural and Social Sciences,California State University-Los Angeles,Los Angeles CA 90032,U.S.A)

Themajority of present-day evaporite deposition occurs in arid closed continental basins in which the playa lake ismost common.The distribution of evaporiteminerals and sedimentary features of salt crust are usually zonal in a playa lake.The integrated zonal configuration is preserved well in the Lop Nor playa,which is represented by a series of concentric rings that closely resemble a great human ear in satellite images.This type of natural phenomenon is very rarely seen in a playa lake.The Lop Nor basin consists of a broad,flat salt plain,and salt crusts covering approximately 5,500 km2with the lowest parts at780 m above sea level.After investigating the fracture texture of salt crust,sedimentary structures,evaporitemineral composition,and the condition of groundwater brine discharge in the multicyclic“Great Ear”rings,we can discuss the origin of different salt crust types,the connection between adjacent concentric zones,and the evolutionary process of the concentric configuration of the“Great Ear”salt pans.This research also gives a general overview of the sedimentary features in different cycles of salt-pan evaporite,aswell as the relationship between the development of polygonal fissure structures of salt crust and the groundwater brine table.The types of salt-crust structure include polygon crack,well-developed honeycomb-shaped halite crusts,mound-shaped pattern and plate-shaped halite crusts.However,the sediment beneath the surface is typically saturated with concentrated brines and displacive evaporites.There is visual evidence of discharging groundwater in the numerousmoist salt pans coveringmost of the salt plain,suggesting that the capillary fringe of the groundwater table is close to the surface of the salt pans.The development of salt crust structures were generally controlled by the groundwater table with a depth of<2m in the Lop Nor playa.But it is also affected bymany factors such as sediment permeability,brine density,evaporites,cracks and atmospheric conditions.

Lop Nor basin;“Great Ear”;playa;salt pan;sedimentary features;sedimentary environment

馬黎春 女 1978年出生 博士后 地球化學(xué) E-mail:lma@binghamton.edu

李保國(guó) E-mail:libg@cau.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2011)01-0125-09

①國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):41002028,40671080);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40830420);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20080430472);長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào):IRT0412)資助。

2009-12-02;收修改稿日期:2010-02-15