王朝旭，趙艷軍，王青春，龍鵬宇

1. 河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 礦產(chǎn)資源研究所 成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

1 地質(zhì)概況

馬海鹽湖鹽類沉積區(qū)位于柴達(dá)木盆地北緣中部，南起茶冷公路，北至賽什騰山南麓，東起綠梁山，西至冷湖。馬海鹽湖全新統(tǒng)（Qh）沉積構(gòu)造演化與青藏高原新運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[1]，于上新世末期由褶皺和斷裂構(gòu)造活動(dòng)形成一個(gè)次級(jí)匯水盆地[2]。上新世末期—早更新世初期在第一新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制下南緣古近系地層褶皺水下隆起，花海子、魚卡淡水域匯聚于盆地；早更新世中、晚期第二、第三新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使盆地西南部的冷湖構(gòu)造進(jìn)一步褶皺隆起，導(dǎo)致馬海鹽湖的封閉程度增強(qiáng)；受中更世末期第四期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，鹽湖西南部的背斜連同中、下更新統(tǒng)的地層一起隆升，露出水面，使馬海鹽湖與鄰近次級(jí)盆地完全隔離，鹽湖地區(qū)沉降[3]成為一個(gè)孤立的封閉湖盆。至晚更新世晚期第五期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開始[4]，盆地在周圍背斜擠壓的背景下縮短、坳陷，形成了“高山低盆”的基本構(gòu)造骨架[5]。與此同時(shí)，盆地北部的賽什騰山前臺(tái)地也劇烈抬升，并且，在背斜構(gòu)造和臺(tái)地隆升、賽前斷裂、冷湖斷裂的逆掩作用下，湖盆相對(duì)下沉，由于阿爾金褶皺的旋扭復(fù)合作用，使其下降幅度自西向東增加，使古湖水向東退縮，并在南、北方向上大面積收縮，僅局限在西北一南東向的狹長(zhǎng)凹地[6]（圖1）。同時(shí)導(dǎo)致盆地西部和南部先行干化，并受強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用，形成風(fēng)蝕殘丘地貌[7]。

圖1 馬海礦區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（引自王弭力等1997）Fig. 1 Geological diagram of Mahai mining area

馬海鹽湖氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，太陽輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長(zhǎng)且多風(fēng)沙，屬內(nèi)陸寒冷干旱型氣候[8]。據(jù)冷湖氣象站資料，日溫差大，多年平均氣溫1.53℃～4.77℃。區(qū)域內(nèi)年降水量不足20 mm，而年蒸發(fā)量3 095.9 mm，濕度系數(shù)為0.02左右[9]。作為典型的封閉性內(nèi)陸干旱盆地，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量。

由于干旱地區(qū)相對(duì)較少的降水和冰山融雪水補(bǔ)給形成的河流，大多為季節(jié)性的暫時(shí)性水流，常年性河流較少。馬海盆地是殘留古湖水之后一匯水盆地，外部水源補(bǔ)給主要河流有：魚卡河、嗷嘮河、腦兒河、魯西河和南八仙河等。礦區(qū)東部水源補(bǔ)給主要來源魚卡河，魚卡河流程90 km，中游流量2.90 m3／s（多年平均），在山前戈壁帶大量滲失，成為下游平原地區(qū)地下水的主要來源，下游流量減少到0.404 m3／s，至終端入湖（宗馬海湖）僅0.10 m3／s[10]；盆地西部和南部由于背斜構(gòu)造形成的丘陵地貌對(duì)地下水的補(bǔ)給產(chǎn)生了隔斷[11]。內(nèi)部水源補(bǔ)給來自大氣降水，但大氣降水稀少，且隨著溫度的升高，蒸發(fā)作用也不斷加強(qiáng)，以至于在補(bǔ)給方面無實(shí)際意義?？偠灾瑓^(qū)域內(nèi)“殘留古湖水，少源補(bǔ)給，蒸發(fā)排泄”的特征導(dǎo)致馬海鹽湖于全新世中[12]—晚期全面進(jìn)入干涸期，形成干鹽灘并在整個(gè)全新世時(shí)期表現(xiàn)為明顯的沉積分異現(xiàn)象[13]。

2 采樣與分析

根據(jù)馬海鹽湖北部礦段鉆孔位置分布特征，在研究區(qū)內(nèi)選取10口鉆井巖心組成的兩個(gè)十字沉積剖面進(jìn)行沉積特征分析（圖2）。分別為勘探線72線十字（ZK9-29、ZK9-34、ZK9-38、ZK8-32、ZK13-8）和勘探線77線十字（ZK17-4、ZK18-20、ZK18-24、ZK18-4、ZK18-38），鉆孔巖芯均為野外現(xiàn)場(chǎng)采樣及編錄，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝以保存完整巖芯樣品，嚴(yán)格按照巖相學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)沉積特征進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。

圖2 馬海礦區(qū)北部礦段鉆孔部署示意圖Fig. 2 Schematic diagram of borehole deployment in northern section of Mahai mining area

3 含鹽系地層沉積特征分析

馬海鹽湖作為以蒸發(fā)成鹽[14]機(jī)制為主的陸相鹽湖，在構(gòu)造—物源—?dú)夂虻墓餐饔孟耓15]，盆地向心收縮程度加快，沉積了大量的以NaCl為脈石的固液并存的多種鹽類組分的大中型JⅣ鉀礦層（圖3）。通過對(duì)每個(gè)鉆孔海拔高度整理分析，結(jié)合礦層埋藏深度發(fā)現(xiàn)研究區(qū)橫向上湖盆自西向東呈現(xiàn)西高東低的地勢(shì)特點(diǎn)，縱向上自南向北呈現(xiàn)北部為主要的沉積中心，南部沉積范圍較小為次級(jí)沉積凹地，這與構(gòu)造作用形成的“高山低盆”的基本構(gòu)造骨架[5]契合。

圖3 JⅣ鉀礦層埋藏深度3D曲面圖Fig. 3 JⅣ Surface depth of potassium formation 3D

3.1 沉積特征分析

通過巖性沉積序列及其顏色由深變淺的規(guī)律不難看出，馬海鹽湖的沉積環(huán)境呈干濕交替形式。整體表現(xiàn)為還原環(huán)境到氧化環(huán)境的轉(zhuǎn)變。沉積環(huán)境自咸水湖環(huán)境（碎屑層）→鹽湖環(huán)境（含鹽碎屑層、鹽層）→干鹽灘環(huán)境（含粗粒碎屑石鹽）干化沉積模式的演化。在鹽湖演化的過程中，由于區(qū)域內(nèi)地勢(shì)特點(diǎn)的差異性，導(dǎo)致地層巖性不均一性沉積。

3.1.1 單井巖性分析

巖性特征分析手段主要依靠于野外編錄數(shù)據(jù)的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，是研究沉積環(huán)境演化的重要手段之一，同時(shí)也是對(duì)建立單、連井巖性剖面的有力證據(jù)。馬海鹽湖北段全新統(tǒng)地層為一套以碎屑層、含鹽碎屑和鹽巖層、含碎屑鹽層為主要沉積的含鹽系。以ZK9-29鉆孔巖性為例（圖4），全新統(tǒng)與更新統(tǒng)的界線為下部較厚的粘土層（10.44～16.00 m），主要分布在鹽湖演化初期階段，鹽類礦物主要為石膏和少量的石鹽；中部多為含鹽的粉砂或粘土和石鹽層組成（7.00～10.44 m），鹽類礦物主要為石膏、石鹽、雜鹵石；上部主要為含粉砂或粘土的石鹽（0～7.00 m），由于鹽湖演化至最高級(jí)階段，鹽類礦物主要為可溶性鉀鎂鹽，如：鉀石鹽、光鹵石、水氯鎂石。

圖4 ZK9-29孔巖性描述柱狀圖Fig. 4 ZK9-29 hole lithology description column diagram

通過統(tǒng)計(jì)ZK9-29孔不同巖性的厚度并進(jìn)行全孔累積（表1），發(fā)現(xiàn)該鉆孔地層巖性主要為含粉砂石鹽層（73.57%）、石鹽層（14.14%），其次為含鹽粘土層（5.93%）、粉砂層（3.21%）、含石鹽粉砂層（2.07%）、粉砂質(zhì)石鹽層（1.07%）。

表1 ZK9-29孔巖性累計(jì)厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of Accumulated Liththickness of ZK9-29

3.1.2 連井巖性分析

由于馬海鹽湖北緣西南高—東北低的地勢(shì)特點(diǎn)，沉積環(huán)境在區(qū)域內(nèi)所造成的影響亦存在差異，表現(xiàn)為區(qū)域地層呈不均質(zhì)性分布。以72線巖性十字剖面為例，利用連井剖面對(duì)沉積旋回進(jìn)行劃分對(duì)比（圖5，圖6）?？芍率礼R海鹽湖主要分為兩個(gè)Ⅱ級(jí)沉積旋回（Ⅱ1、Ⅱ2），依次分別為淡化層（碎屑層）和咸化層（鹽層），淡化層與咸化層自ZK9-29→ZK9-34→ZK9-38方向的沉積厚度都依次減小、自ZK13-8→ZK9-34→ZK8-32方向也都表現(xiàn)為中間厚兩端薄。

圖6 72線橫向連井剖面圖Fig. 6 Transverse section of line 72

與此同時(shí)，為了更進(jìn)一步對(duì)小范圍內(nèi)沉積環(huán)境的研究，將兩個(gè)Ⅱ級(jí)沉積旋回劃分為3個(gè)Ⅲ級(jí)沉積旋回（Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3），依次分別代表咸水湖環(huán)境—鹽湖環(huán)境—干鹽灘環(huán)境，各Ⅲ級(jí)沉積旋回厚度大小整體表現(xiàn)為Ⅲ2＜Ⅲ1＜Ⅲ3（表2），結(jié)合各旋回鹽層厚度（表3），發(fā)現(xiàn)各旋回鹽層厚度Ⅲ1＜Ⅲ2＜Ⅲ3，揭示了蒸發(fā)成鹽作用由弱至強(qiáng)的特點(diǎn)。在ZK9-29孔沉積厚度最大為5.56 m，Ⅲ2在ZK9-34沉積厚度最大為3.5 m，Ⅲ3在ZK9-29沉積厚度最大為7 m，說明相同沉積環(huán)境下由于地勢(shì)變化會(huì)導(dǎo)致沉積地層厚度不同。

表2 各Ⅲ級(jí)旋回厚度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Thickness statistics table of each grade Ⅲ cycle

表3 各Ⅲ級(jí)旋回鹽層厚度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of salt layer thickness in each grade Ⅲ cycle

3.1.3 含鹽率計(jì)算

通過對(duì)巖性的分析可知馬海鹽湖北段地層賦存大量的石鹽層，從而含鹽率能夠充分說明鹽湖演化的遞增或遞減的趨勢(shì)。結(jié)合研究區(qū)各Ⅲ級(jí)韻律層鹽層厚度進(jìn)行含鹽率（鹽層厚度/旋回厚度）計(jì)算：縱向上各鉆孔Ⅲ3含鹽率達(dá)85%～100%，其次Ⅲ2含鹽率達(dá)40%～60%，最后Ⅲ1含鹽率幾乎接近于0%，充分說明了全新世馬海鹽湖由咸水湖—鹽湖—干鹽灘的演化過程。

為了確定鹽湖的化學(xué)沉降中心，本文采取各鉆孔含鹽率（咸化層/地層厚度）作為依據(jù)（表4、表5），并繪制含鹽率等值線圖（圖7）和地層厚度等值線圖（圖8）作為指示沉積環(huán)境的兩個(gè)單因素來說明，可以清晰的看出72線范圍內(nèi)含鹽率大于77線范圍內(nèi)含鹽率，地層厚度對(duì)比也是如此，指明了控制全新世馬海鹽湖北緣沉積特征的兩個(gè)重要因素，并揭示了馬海鹽湖北緣化學(xué)沉積中心傾向于海拔相對(duì)較低、地層沉積較厚的區(qū)域（圖7、圖8）。

圖7 含鹽率等值線圖Fig. 7 Lgram of salt content

圖8 地層厚度等值線圖Fig. 8 Stratum thickness contour map

表4 72線十字剖面各鉆孔含鹽率統(tǒng)計(jì)表Table 4 72 Statistics of salt content of all boreholes in line cross section

表5 77線十字剖面各鉆孔含鹽率統(tǒng)計(jì)表Table 5 77 Statistics of salt content of all boreholes in line cross section

4 沉積環(huán)境的演化

通過以上沉積特征可知，隨著干旱氣候的影響，主要表現(xiàn)為咸水湖環(huán)境、鹽湖環(huán)境、干鹽灘環(huán)境。隨著沉積環(huán)境的演變，湖水鹽度不斷升高并濃縮成鹽，可溶性鹽類不斷升高，由于構(gòu)造作用的影響形成東南高，西北低的地勢(shì)特點(diǎn)，由于各階段沉積厚度和含鹽率的升高?？赡苁呛柘蛐氖湛s，形成了東南向向西北向遷移的現(xiàn)象（圖9），與此同時(shí)，湖水逐漸向盆地低洼處遷移，直至干涸。

圖9 沉積環(huán)境演化示意圖Fig. 9 Stratum thickness contour map

全新世初期為鹽湖演化的初級(jí)階段，為典型的咸水湖環(huán)境，主要沉積了以石膏、薄層石鹽為主的粘土、淤泥和粉砂層。77線鉆孔底部多為灰綠色淤泥（還原環(huán)境），72線鉆孔底部多為紅褐色粘土（氧化環(huán)境）。由圖9a可以看出，77勘探線沉積范圍大于72線沉積范圍。原因可能是77線靠近湖盆邊緣，邊緣受東南方向德宗馬海淡水水系的補(bǔ)給，一方面隨著干旱氣候的加劇，淡水徑流過程中部分水體蒸發(fā)，而部分水體滯留形成還原環(huán)境；另一方面，由于湖盆內(nèi)為山前平原，淡水流經(jīng)范圍有限[10]，少量水體伴隨著蒸發(fā)作用能夠流經(jīng)72線。

至全新世中期階段為鹽湖環(huán)境，主要以粉砂與石鹽互層沉積出現(xiàn)，說明多期次的濕潤(rùn)氣候[8]為鹽湖帶來了一定的水源補(bǔ)給，加之湖盆蒸發(fā)量大于降水量造成了沉積互層現(xiàn)象。由圖9b可以看出，由于地勢(shì)特點(diǎn)，水源多集中在72線凹地中，地表水覆蓋面積擴(kuò)張[16]，所以72線范圍內(nèi)鹽層沉積厚度大于77線鹽層沉積厚度。

全新世末期為鹽湖演化的最終階段，表現(xiàn)為干鹽灘環(huán)境，主要沉積了以含粉砂、粘土的石鹽層，其賦存了大量的可溶性鉀鎂鹽，包括鉀石鹽（KCl）、光鹵石（KMgCl·6H2O）、水氯鎂石（MgCl2·6H2O）等，說明干旱氣候程度已達(dá)到至高階段。由圖9c可以看出，77線沉積范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于72線沉積范圍，原因可能是72線更靠近北部賽什騰山，而且處于盆地沉降區(qū)[16]，由于干冷氣候的加劇，高山融雪水對(duì)地下水補(bǔ)給72線相對(duì)較多，又因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)多東北風(fēng)，地下水的蒸發(fā)作用與風(fēng)化沉積相結(jié)合，造成了72線鹽類沉積范圍較大的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

綜上所述，全新世馬海鹽湖在新構(gòu)造作用下湖盆相對(duì)封閉，西南高，東北低，沉降中心向低洼處遷移，促使東北部沉降幅度較西南部大，并形成了較厚的蒸發(fā)鹽類礦床。

受復(fù)雜的氣候條件的影響，全新世馬海鹽湖北緣沉積了以粘土、粉砂和石鹽、含碎屑石鹽為主的沉積序列，并分別代表咸水湖沉積環(huán)境、鹽湖沉積環(huán)境、干鹽灘沉積環(huán)境。其中咸水湖階段以石膏、半水石膏開始沉積并快速增加為主要特征；鹽湖階段湖泊沉積中心形成較厚的石鹽沉積層；干鹽灘階段以可溶性鉀鎂鹽類礦物大量沉積為主要特征。

綜合衡量成鹽作用的強(qiáng)度，馬海鹽湖自全新世以來成鹽作用強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)合各階段沉積厚度大小，全新世馬海鹽湖咸水湖沉積環(huán)境＜鹽湖沉積環(huán)境＜干鹽灘沉積環(huán)境，說明了該時(shí)期馬海鹽湖主要以干鹽灘沉積環(huán)境為主。