马海盐湖北部矿段全新世沉积特征及沉积环境的演化

王朝旭，赵艳军，王青春，龙鹏宇

1. 河北地质大学，河北 石家庄 050031；2. 中国地质科学院 矿产资源研究所 成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037

1 地质概况

马海盐湖盐类沉积区位于柴达木盆地北缘中部，南起茶冷公路，北至赛什腾山南麓，东起绿梁山，西至冷湖。马海盐湖全新统（Qh）沉积构造演化与青藏高原新运动密切相关[1]，于上新世末期由褶皱和断裂构造活动形成一个次级汇水盆地[2]。上新世末期—早更新世初期在第一新构造运动控制下南缘古近系地层褶皱水下隆起，花海子、鱼卡淡水域汇聚于盆地；早更新世中、晚期第二、第三新构造运动使盆地西南部的冷湖构造进一步褶皱隆起，导致马海盐湖的封闭程度增强；受中更世末期第四期新构造运动的影响，盐湖西南部的背斜连同中、下更新统的地层一起隆升，露出水面，使马海盐湖与邻近次级盆地完全隔离，盐湖地区沉降[3]成为一个孤立的封闭湖盆。至晚更新世晚期第五期构造运动开始[4]，盆地在周围背斜挤压的背景下缩短、坳陷，形成了“高山低盆”的基本构造骨架[5]。与此同时，盆地北部的赛什腾山前台地也剧烈抬升，并且，在背斜构造和台地隆升、赛前断裂、冷湖断裂的逆掩作用下，湖盆相对下沉，由于阿尔金褶皱的旋扭复合作用，使其下降幅度自西向东增加，使古湖水向东退缩，并在南、北方向上大面积收缩，仅局限在西北一南东向的狭长凹地[6]（图1）。同时导致盆地西部和南部先行干化，并受强烈风蚀作用，形成风蚀残丘地貌[7]。

图1 马海矿区地质简图（引自王弭力等1997）Fig. 1 Geological diagram of Mahai mining area

马海盐湖气候干旱，降水稀少，蒸发强烈，太阳辐射强，日照时间长且多风沙，属内陆寒冷干旱型气候[8]。据冷湖气象站资料，日温差大，多年平均气温1.53℃～4.77℃。区域内年降水量不足20 mm，而年蒸发量3 095.9 mm，湿度系数为0.02左右[9]。作为典型的封闭性内陆干旱盆地，蒸发量远大于降水量。

由于干旱地区相对较少的降水和冰山融雪水补给形成的河流，大多为季节性的暂时性水流，常年性河流较少。马海盆地是残留古湖水之后一汇水盆地，外部水源补给主要河流有：鱼卡河、嗷唠河、脑儿河、鲁西河和南八仙河等。矿区东部水源补给主要来源鱼卡河，鱼卡河流程90 km，中游流量2.90 m3／s（多年平均），在山前戈壁带大量渗失，成为下游平原地区地下水的主要来源，下游流量减少到0.404 m3／s，至终端入湖（宗马海湖）仅0.10 m3／s[10]；盆地西部和南部由于背斜构造形成的丘陵地貌对地下水的补给产生了隔断[11]。内部水源补给来自大气降水，但大气降水稀少，且随着温度的升高，蒸发作用也不断加强，以至于在补给方面无实际意义。总而言之，区域内“残留古湖水，少源补给，蒸发排泄”的特征导致马海盐湖于全新世中[12]—晚期全面进入干涸期，形成干盐滩并在整个全新世时期表现为明显的沉积分异现象[13]。

2 采样与分析

根据马海盐湖北部矿段钻孔位置分布特征，在研究区内选取10口钻井岩心组成的两个十字沉积剖面进行沉积特征分析（图2）。分别为勘探线72线十字（ZK9-29、ZK9-34、ZK9-38、ZK8-32、ZK13-8）和勘探线77线十字（ZK17-4、ZK18-20、ZK18-24、ZK18-4、ZK18-38），钻孔岩芯均为野外现场采样及编录，并进行现场拍摄以保存完整岩芯样品，严格按照岩相学分析标准对研究区沉积特征进行详细的分析研究。

图2 马海矿区北部矿段钻孔部署示意图Fig. 2 Schematic diagram of borehole deployment in northern section of Mahai mining area

3 含盐系地层沉积特征分析

马海盐湖作为以蒸发成盐[14]机制为主的陆相盐湖，在构造—物源—气候的共同作用下[15]，盆地向心收缩程度加快，沉积了大量的以NaCl为脉石的固液并存的多种盐类组分的大中型JⅣ钾矿层（图3）。通过对每个钻孔海拔高度整理分析，结合矿层埋藏深度发现研究区横向上湖盆自西向东呈现西高东低的地势特点，纵向上自南向北呈现北部为主要的沉积中心，南部沉积范围较小为次级沉积凹地，这与构造作用形成的“高山低盆”的基本构造骨架[5]契合。

图3 JⅣ钾矿层埋藏深度3D曲面图Fig. 3 JⅣ Surface depth of potassium formation 3D

3.1 沉积特征分析

通过岩性沉积序列及其颜色由深变浅的规律不难看出，马海盐湖的沉积环境呈干湿交替形式。整体表现为还原环境到氧化环境的转变。沉积环境自咸水湖环境（碎屑层）→盐湖环境（含盐碎屑层、盐层）→干盐滩环境（含粗粒碎屑石盐）干化沉积模式的演化。在盐湖演化的过程中，由于区域内地势特点的差异性，导致地层岩性不均一性沉积。

3.1.1 单井岩性分析

岩性特征分析手段主要依靠于野外编录数据的及时性与准确性，是研究沉积环境演化的重要手段之一，同时也是对建立单、连井岩性剖面的有力证据。马海盐湖北段全新统地层为一套以碎屑层、含盐碎屑和盐岩层、含碎屑盐层为主要沉积的含盐系。以ZK9-29钻孔岩性为例（图4），全新统与更新统的界线为下部较厚的粘土层（10.44～16.00 m），主要分布在盐湖演化初期阶段，盐类矿物主要为石膏和少量的石盐；中部多为含盐的粉砂或粘土和石盐层组成（7.00～10.44 m），盐类矿物主要为石膏、石盐、杂卤石；上部主要为含粉砂或粘土的石盐（0～7.00 m），由于盐湖演化至最高级阶段，盐类矿物主要为可溶性钾镁盐，如：钾石盐、光卤石、水氯镁石。

图4 ZK9-29孔岩性描述柱状图Fig. 4 ZK9-29 hole lithology description column diagram

通过统计ZK9-29孔不同岩性的厚度并进行全孔累积（表1），发现该钻孔地层岩性主要为含粉砂石盐层（73.57%）、石盐层（14.14%），其次为含盐粘土层（5.93%）、粉砂层（3.21%）、含石盐粉砂层（2.07%）、粉砂质石盐层（1.07%）。

表1 ZK9-29孔岩性累计厚度统计表Table 1 Statistics of Accumulated Liththickness of ZK9-29

3.1.2 连井岩性分析

由于马海盐湖北缘西南高—东北低的地势特点，沉积环境在区域内所造成的影响亦存在差异，表现为区域地层呈不均质性分布。以72线岩性十字剖面为例，利用连井剖面对沉积旋回进行划分对比（图5，图6）。可知全新世马海盐湖主要分为两个Ⅱ级沉积旋回（Ⅱ1、Ⅱ2），依次分别为淡化层（碎屑层）和咸化层（盐层），淡化层与咸化层自ZK9-29→ZK9-34→ZK9-38方向的沉积厚度都依次减小、自ZK13-8→ZK9-34→ZK8-32方向也都表现为中间厚两端薄。

图6 72线横向连井剖面图Fig. 6 Transverse section of line 72

与此同时，为了更进一步对小范围内沉积环境的研究，将两个Ⅱ级沉积旋回划分为3个Ⅲ级沉积旋回（Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3），依次分别代表咸水湖环境—盐湖环境—干盐滩环境，各Ⅲ级沉积旋回厚度大小整体表现为Ⅲ2＜Ⅲ1＜Ⅲ3（表2），结合各旋回盐层厚度（表3），发现各旋回盐层厚度Ⅲ1＜Ⅲ2＜Ⅲ3，揭示了蒸发成盐作用由弱至强的特点。在ZK9-29孔沉积厚度最大为5.56 m，Ⅲ2在ZK9-34沉积厚度最大为3.5 m，Ⅲ3在ZK9-29沉积厚度最大为7 m，说明相同沉积环境下由于地势变化会导致沉积地层厚度不同。

表2 各Ⅲ级旋回厚度统计表Table 2 Thickness statistics table of each grade Ⅲ cycle

表3 各Ⅲ级旋回盐层厚度统计表Table 3 Statistical table of salt layer thickness in each grade Ⅲ cycle

3.1.3 含盐率计算

通过对岩性的分析可知马海盐湖北段地层赋存大量的石盐层，从而含盐率能够充分说明盐湖演化的递增或递减的趋势。结合研究区各Ⅲ级韵律层盐层厚度进行含盐率（盐层厚度/旋回厚度）计算：纵向上各钻孔Ⅲ3含盐率达85%～100%，其次Ⅲ2含盐率达40%～60%，最后Ⅲ1含盐率几乎接近于0%，充分说明了全新世马海盐湖由咸水湖—盐湖—干盐滩的演化过程。

为了确定盐湖的化学沉降中心，本文采取各钻孔含盐率（咸化层/地层厚度）作为依据（表4、表5），并绘制含盐率等值线图（图7）和地层厚度等值线图（图8）作为指示沉积环境的两个单因素来说明，可以清晰的看出72线范围内含盐率大于77线范围内含盐率，地层厚度对比也是如此，指明了控制全新世马海盐湖北缘沉积特征的两个重要因素，并揭示了马海盐湖北缘化学沉积中心倾向于海拔相对较低、地层沉积较厚的区域（图7、图8）。

图7 含盐率等值线图Fig. 7 Lgram of salt content

图8 地层厚度等值线图Fig. 8 Stratum thickness contour map

表4 72线十字剖面各钻孔含盐率统计表Table 4 72 Statistics of salt content of all boreholes in line cross section

表5 77线十字剖面各钻孔含盐率统计表Table 5 77 Statistics of salt content of all boreholes in line cross section

4 沉积环境的演化

通过以上沉积特征可知，随着干旱气候的影响，主要表现为咸水湖环境、盐湖环境、干盐滩环境。随着沉积环境的演变，湖水盐度不断升高并浓缩成盐，可溶性盐类不断升高，由于构造作用的影响形成东南高，西北低的地势特点，由于各阶段沉积厚度和含盐率的升高。可能是湖盆向心收缩，形成了东南向向西北向迁移的现象（图9），与此同时，湖水逐渐向盆地低洼处迁移，直至干涸。

图9 沉积环境演化示意图Fig. 9 Stratum thickness contour map

全新世初期为盐湖演化的初级阶段，为典型的咸水湖环境，主要沉积了以石膏、薄层石盐为主的粘土、淤泥和粉砂层。77线钻孔底部多为灰绿色淤泥（还原环境），72线钻孔底部多为红褐色粘土（氧化环境）。由图9a可以看出，77勘探线沉积范围大于72线沉积范围。原因可能是77线靠近湖盆边缘，边缘受东南方向德宗马海淡水水系的补给，一方面随着干旱气候的加剧，淡水径流过程中部分水体蒸发，而部分水体滞留形成还原环境；另一方面，由于湖盆内为山前平原，淡水流经范围有限[10]，少量水体伴随着蒸发作用能够流经72线。

至全新世中期阶段为盐湖环境，主要以粉砂与石盐互层沉积出现，说明多期次的湿润气候[8]为盐湖带来了一定的水源补给，加之湖盆蒸发量大于降水量造成了沉积互层现象。由图9b可以看出，由于地势特点，水源多集中在72线凹地中，地表水覆盖面积扩张[16]，所以72线范围内盐层沉积厚度大于77线盐层沉积厚度。

全新世末期为盐湖演化的最终阶段，表现为干盐滩环境，主要沉积了以含粉砂、粘土的石盐层，其赋存了大量的可溶性钾镁盐，包括钾石盐（KCl）、光卤石（KMgCl·6H2O）、水氯镁石（MgCl2·6H2O）等，说明干旱气候程度已达到至高阶段。由图9c可以看出，77线沉积范围远远小于72线沉积范围，原因可能是72线更靠近北部赛什腾山，而且处于盆地沉降区[16]，由于干冷气候的加剧，高山融雪水对地下水补给72线相对较多，又因为区域内多东北风，地下水的蒸发作用与风化沉积相结合，造成了72线盐类沉积范围较大的现象。

5 结论

综上所述，全新世马海盐湖在新构造作用下湖盆相对封闭，西南高，东北低，沉降中心向低洼处迁移，促使东北部沉降幅度较西南部大，并形成了较厚的蒸发盐类矿床。

受复杂的气候条件的影响，全新世马海盐湖北缘沉积了以粘土、粉砂和石盐、含碎屑石盐为主的沉积序列，并分别代表咸水湖沉积环境、盐湖沉积环境、干盐滩沉积环境。其中咸水湖阶段以石膏、半水石膏开始沉积并快速增加为主要特征；盐湖阶段湖泊沉积中心形成较厚的石盐沉积层；干盐滩阶段以可溶性钾镁盐类矿物大量沉积为主要特征。

综合衡量成盐作用的强度，马海盐湖自全新世以来成盐作用强度逐渐增大。结合各阶段沉积厚度大小，全新世马海盐湖咸水湖沉积环境＜盐湖沉积环境＜干盐滩沉积环境，说明了该时期马海盐湖主要以干盐滩沉积环境为主。