馮陣東,譚浩林,周永,史淑珍,吳偉,劉惟慶,魏國營
1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003
2.河南理工大學資源環(huán)境學院,河南焦作 454003
3.河南理工大學建筑與藝術設計學院,河南焦作 454003
將今論古是地質學研究中的最基本方法,現(xiàn)有研究報道中,鹽湖盆地沉積模式的建立[1-8],多以現(xiàn)代鹽湖中的水體分布及沉積特征為依據(jù)。然而,現(xiàn)代自然條件下湖盆的咸化、鹵水的濃縮、晶體的沉積,往往需要漫長的過程,野外地質調查中觀測到的湖盆一般對應鹽湖演化的特定階段[8-9],演化模式是多個階段拼接之后作出的推斷[10-16]。古鹽湖的沉積過程中,可能在極度干旱后進入干鹽湖階段,同樣也可能隨著氣候變化、淡水的注入,原先沉積的鹽巖被再度溶解[8-9],從而導致部分地質記錄的缺失。實驗室開展的蒸發(fā)實驗,可以實現(xiàn)鹽巖結晶的動態(tài)觀測,有效彌補鹽湖沉積中丟失的信息。自然界中出露水面的鹽巖極易被再度溶蝕,筆者在室內蒸發(fā)實驗中,記錄到部分形成于鹵水界面之上的晶體,對不同構造部位、不同晶型的石鹽開展描述及分析,可以為鹽湖沉積模式、沉積動力研究提供有益的參考。
實驗模型在長20 cm、寬14 cm、高16 cm 規(guī)模的玻璃水槽基礎上改造,使用形態(tài)保持比較好的泥層對模型地貌進行改造,整體參考東濮凹陷“兩凹一隆一斜坡”的構造格局進行模型設計(圖1)。模型中間設置隆起帶,被其分割開來的是兩側洼陷帶,模型右側對應東濮凹陷東部的蘭聊斷層下降盤,北側為減少玻璃邊界影響,設置泥層用于隔絕鹵水與玻璃接觸。實驗模型的設計,考慮飽和鹵水分布范圍對鹽沉積位置的影響,以及不飽和水體對早期鹽層厚度的溶蝕—再沉積改造,交替使用不飽和鹵水(飽和NaCl 溶液與自來水1∶1混合溶液)、飽和鹵水進行蒸發(fā)實驗。自鹵水注入開始計時,直至模型內溶液完全干涸作為一個蒸發(fā)階段的結束,整組實驗設計對應5 個階段,分別使用不飽和鹵水(階段1)、飽和鹵水(階段2)、不飽和鹵水(階段3)、不飽和鹵水(階段4)、飽和鹵水(階段5)進行蒸發(fā)實驗。
圖1 常溫蒸發(fā)實驗模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of room temperature evaporation experimental model
整組于2020年8月11日20∶48注入不飽和鹵水開始實驗,實驗模型安置于實驗室內,除短時間通風之外基本處于相對封閉的空間,室內溫度為自然溫度(介于25 ℃~39 ℃)。室內濕度基本維持在35%左右,靠近鹵水界面的濕度數(shù)據(jù)未曾測試,根據(jù)現(xiàn)代湖盆氣象數(shù)據(jù)表明,氣水界面附近濕度可以增大至90%以上[17]。初始水體深度分布如圖1所示:初始鹵水界面淹沒中央隆起帶之上0.5 cm 左右,西部洼陷帶最大水深5.5 cm,東部最大水深5.0 cm,2020 年9月25 日7:19 分最后一個蒸發(fā)階段結束,完成了本次設計的5 個實驗階段的全部內容。實驗中記錄到的鹽層厚度遷移結果仍在整理過程中,在此僅報道鹵水界面附近的鹽巖結晶特征及分析結果。
實驗過程中,根據(jù)結晶位置及特征差異,結晶可以劃分為3種類型:初始飽和鹵水界面上部的片狀結晶(圖2)、初始飽和鹵水界面下部漏斗晶+人字晶、鹵水界面之上的層狀晶體。需要說明的是,實驗雖然設計了5個實驗階段,但鹵水頁面上部結晶特征最為典型的是采用飽和鹵水蒸發(fā)的2個階段(分別為階段2、階段5,依次對應時間段為8 月27 日—9 月4 日、9 月16 日—9 月25 日),重點對如上2 個階段產生的現(xiàn)象進行描述、分析。其中,初始飽和鹵水界面上部的片狀結晶因長時間暴露在鹵水界面之上,早期產生的晶體受潮解作用影響,透明度降低,其后的實驗產生的片狀結晶疊合在原有晶體之上,從而干擾結晶順序的判斷,故該部分結晶現(xiàn)象的描述采用2020年8 月27 日—9 月4 日實驗階段結果。其余兩部分晶體(初始飽和鹵水界面下部漏斗晶+人字晶、鹵水界面之上層狀晶體結晶),在不飽和鹵水注入后被重新溶解。最后一個實驗階段(第5階段:9月16日—9月25 日),能夠在保持較大水深條件下結晶,更有助于觀察層狀結晶對下部鹵水的影響、鹽層暴露后的持續(xù)變形,故該部分現(xiàn)象的描述重點圍繞第5 階段開展。
圖2 氣水界面上部片狀晶體生長特征(比例尺見圖1)(a)2020年8月27日15:09;(b)2020年8月30日17:33;(c)2020年8月31日18:57;(d)2020年9月2日14:30;(e)2020年9月2日18:53;(f)2020年9月4日6:51Fig.2 Growth of flake crystals at the upper part of gas-water interface (scale shown in Fig.1)
初始飽和鹵水界面上部的片狀結晶,其結晶特征如下(圖2):最早產生的結晶位于初始鹵水界面之上,對應模型邊緣的淺水區(qū)域(圖2a);早期產生的晶體作為晶核,其后產生的片狀晶體繞核生長,每天相對高溫的午后至傍晚晶體生長速度較快,而夜間結晶速度相應減慢(圖2b~f);石鹽可以在非滲透性的玻璃水槽內壁生長,其上部生長界限難以突破模型的上部邊緣(圖3);鹵水與玻璃之間被泥層隔絕的條件下(對應圖3中圖片的上端),上部的片狀晶體容易發(fā)生脫水變形,早期形成的片狀晶容易發(fā)生褶皺變形、脫落,而后期產生的片狀晶體緊鄰玻璃一側(圖3b)。
圖3 片狀晶體失水后的變形特征(比例尺見圖1)(a)2020年9月17日17:53;(b)2020年9月21日13:24Fig.3 Deformation of flake crystals after water loss (scale shown in Fig.1)
這部分晶體生長,可以為易溶性蒸發(fā)巖結晶動力研究提供參考。前人曾經報道過該部分晶體,但未對其沉積動力進行分析[18-19]。禚喜準等[20]認為該部分鹽巖是蒸發(fā)泵作用的產物。實驗中采用的蒸發(fā)水槽為玻璃材質,其滲透率基本為零,水槽邊界不具備毛細管力產生的條件;不可否認,鹽巖的晶間空隙具備形成毛細管的可能,但在實驗中同時發(fā)現(xiàn)片狀晶體難以突破模型上緣,如果毛細管力是該部分晶體形成的主要動力,鹵水干涸之前毛細管兩側液面無法達到平衡,晶體應該持續(xù)生長,且生長至模型上緣的片狀晶不具備方向性,應該出現(xiàn)片狀晶“溢出”水槽、沿著模型外側生長的現(xiàn)象(圖3b),事實上該現(xiàn)象并未出現(xiàn)??梢?,鹵水界面之上出現(xiàn)鹽巖反重力向上生長,毛細管力并非該結晶的唯一動力,成因機制需要進一步探討。
筆者認為不同階段、不同構造位置結晶沉積的動力可能存在如下差異。
(1)泥巖毛細管的蒸發(fā)泵作用,是影響晶核產生部位的主要因素,淺水蒸發(fā)量大、鹵水達到過飽和狀態(tài)的時間更早,對應較早結晶的部位。由于實驗中采用飽和氯化鈉溶液進行蒸發(fā)實驗,高溫(午后大于35 ℃)、快速蒸發(fā)的實驗條件下,短時間內產生了晶體沉積,最早析出的晶體絕大部分位于空氣—鹵水—泥層—玻璃(對應中央隆起,見圖2a)、空氣—泥層—玻璃界面附近(泥層頂面,見圖2a),另有少量分布在空氣—鹵水—玻璃界面附近(對應洼陷帶,見圖2a)。由于鹵水大于玻璃和泥層的比熱,鹵水較淺的中央隆起帶附近,淺水升溫快、蒸發(fā)量大,是造成空氣—鹵水—泥層—玻璃界面附近石鹽率先析出的主要原因。空氣—泥層—玻璃界面位于初始飽和鹵水水面之上,結晶出的石鹽與鹵水無直接接觸,推測泥層頂面受蒸發(fā)泵作用影響,鹵水沿著毛細管向上運移,在泥層表面失水后結晶析出,因結晶時間相對充分,可以形成自形結構相對明顯的漏斗晶(圖4)。
圖4 泥巖表面形成的漏斗晶(比例尺見圖1)(a,b,c)2020年8月27日15:10Fig.4 Hopper crystals formed on the surface of mudstone (scale shown in Fig.1)
(2)鹵水—空氣界面之上,水蒸氣含量以及濕度差異可能是控制石鹽分布范圍的主要因素。片狀晶體在玻璃容器的內壁上反重力生長,因玻璃不具備毛細管,這部分晶體的生長難以用蒸發(fā)泵作用來解釋,片狀晶體的成因需要結合實驗環(huán)境進行探討。實驗中玻璃水槽內為空氣流通相對局限的環(huán)境,內部水蒸氣主要來源于鹵水的蒸發(fā),靠近水面濕度較大,在距離鹵水頂面增大的過程中,空氣中的相對濕度逐步降低。片狀晶晶核產生之后,下部仍與鹵水接觸,鹵水能夠提供晶體生長所需要的鈉離子、氯離子。在模型內空氣濕度、石鹽吸濕特性的影響下[21-23],凝結于晶體表面上的水蒸氣溶解部分晶體,形成飽和的氯化鈉液態(tài)薄膜,而玻璃水槽內壁冷凝的水蒸氣與晶體表面的液態(tài)薄膜相連,在濃度差作用下,離子以晶核為中心向周邊擴散。午后隨著室內溫度降低,鹵水蒸發(fā)量降低到一定程度之后,水槽內壁上液態(tài)薄膜的蒸發(fā)量大于水蒸氣的補給量,晶體重新結晶(因晝夜溫差存在,蒸發(fā)速度存在差異,片狀晶體內出現(xiàn)明顯的年輪狀條紋。以圖2b 為例,右側高部位的片狀晶體中,明顯繞著27 日產生的晶核生長,能夠清楚看到28 日、29 日晶體生長規(guī)模)。模型中,鹵水上部距離水面越近空氣濕度越大,與鹵水直接接觸的玻璃內壁上,晶體生長達到模型上緣以后(對應洼陷帶上部,見圖2f、圖3),因空氣中的水蒸氣與周邊空氣快速交流,空氣濕度難以達到氯化鈉潮解所需要的相對濕度,晶體停止生長;鹵水與玻璃之間被泥層隔絕的條件下(對應圖3 中圖片的上端),鹵水產生的水蒸氣一邊向上運動,一邊向四周濕度較低的部位擴散,從而造成該部位的空氣相對濕度,氯化鈉僅在低部位結晶,晶體向上生長至一定高度后,因濕度降低、片狀晶體脫水并發(fā)生褶皺,從模型內壁脫離、剝落(圖3b)。午后溫度降低的過程中,水槽內壁上凝結的水蒸氣向下流動,在片狀晶體與玻璃結合部溶解部分氯化鈉,并隨著溫度—濕度變化產生多個變形的片狀晶體薄層,從而出現(xiàn)較老的片狀晶靠近模型中心、較新的片狀晶緊鄰水槽的玻璃內壁(圖3)。
初始飽和鹵水界面下部(水面下降出露部分)漏斗晶與人字晶鑲嵌生長:本階段為使用飽和鹽水蒸發(fā)實驗,初始鹵水界面上部的玻璃水槽內壁上布滿早期階段沉積的片狀晶體(圖5a)。隨著鹵水的蒸發(fā),氣液界面下降,部分鹵水界面處形成的漏斗晶粘連在玻璃內壁上(圖5b),脫離鹵水界面的漏斗晶仍有生長變大的趨勢(圖5c)。多個小型漏斗晶作為晶核,后期晶體存在明顯的繞核生長特征,沿著同一晶面生長的晶紋平行展布,漏斗晶相鄰的兩個晶面同時生長,當生長空間受到限制后,開始形成斜交的“人字型”晶紋,人字晶尖端指向生長方向(圖5d),兩側晶紋的斜交部位,表現(xiàn)為彎曲的白色條帶,該條帶處于早期漏斗晶的對角線上(圖5d)。部分晶面的晶體生長空間受限,人字晶兩側規(guī)模大小不一,兩組晶紋的交叉線略有偏移(圖5d)。隨著蒸發(fā)進行,人字晶生長至一定規(guī)模之后,晶體內的條紋結構逐漸模糊(圖5e),新的石鹽沉積以片狀晶為主。分布于鹵水之上的漏斗晶、人字晶仍受鹵水蒸發(fā)影響,溫度較低的凌晨晶體表面受冷凝水汽影響,透明度明顯偏低,溫度較高、蒸發(fā)量較大的午后,呈鑲嵌排列的漏斗晶+人字晶條紋相對清晰(圖5f)。
圖5 氣水界面下部漏斗晶與人字晶鑲嵌生長過程(比例尺見圖1)(a)2020年9月16日13:53;(b)2020年9月17日6:11;(c)2020年9月17日17:57;(d)2020年9月18日7:51;(e)2020年9月19日4:46;(f)2020年9月19日15:53Fig.5 Mosaic growth process of hopper and chevron crystals at the lower part of the gas-water interface (scale shown in Fig.1)
實驗記錄了漏斗晶—人字晶鑲嵌生長的動態(tài)過程,可以為不同沉積環(huán)境下的鹽巖晶型研究提供參考。前人研究一般認為,漏斗晶晶核形成于鹵水界面之上[12-15],多個漏斗晶聯(lián)合可以形成漂浮于鹵水界面之上的晶筏,當晶體生長到一定大小之后,在湖面波浪等動力作用下,晶體下沉至湖盆底部,并在鹵水底部進一步生長;人字晶是湖盆萎縮至一定程度之后[10-12],多個漏斗晶之間的橋接部分。基于以上認識,部分學者提出漏斗晶(特別是大晶粒漏斗晶)反應的水體深度大于人字晶[5,7]。依據(jù)本次實驗結果可以作出如下推斷:(1)漏斗晶與人字晶伴生的鹽層中,漏斗晶一般形成時間較早,人字晶中斜交的晶紋是繞不同漏斗晶核生長,空間受到限制后的產物;(2)鹵水蒸發(fā),漏斗晶產生一定量之后,晶核之間的空間變小,其后必然產生人字晶,而漏斗晶+人字晶的組合可以出現(xiàn)在任何水深環(huán)境下,除了前人提出的淺水環(huán)境外,還可能出現(xiàn)在水面之上。
在鹵水蒸發(fā)到一定程度后,鹵水之上逐步形成層狀晶體,該現(xiàn)象在使用飽和鹵水開展蒸發(fā)實驗(階段2、階段5)時更明顯,以實驗階段5 表現(xiàn)出的特征為例對該現(xiàn)象進行說明(圖6),其特征如下:(1)晶體層出現(xiàn)在鹵水過飽和階段,此時鹵水界面上部可見漂浮的漏斗晶,實驗中飽和鹵水在9月16日13:53注入(圖6a),9 月17 日下午鹵水界面處可以觀測到漂浮的漏斗晶(圖6b),對應的鹵水邊界出現(xiàn)類似水體結冰的層狀晶體,泥層上部早期蒸發(fā)成因的鹽可以作為鹵水進一步結晶的晶核,晶體沿著鹵水頂面層狀生長,由于玻璃水槽內壁存在漏斗晶與人字晶鑲嵌生長,推測水上鹽層內同樣可能捕獲漏斗晶;(2)成層分布的晶體從邊界向中心逐步生長(圖6b~f),鹵水與空氣接觸面積縮小,實驗中9月17日—9 月19 日,可以觀測到層狀晶體自邊界向鹵水中心逐步生長,鹵水界面之上的鹽層具有較高的透明度;(3)層狀晶體出現(xiàn)封鎖界面之后,局部晶體層與鹵水脫離,鹽層與鹵水之間混入空氣的部位常表現(xiàn)為白色,與鹵水接觸的部位厚度持續(xù)增加,并可能造成水面晶體層的厚度不均;(4)成層晶體并不能完全封閉鹵水,常殘留氣孔(圖6e,f),實驗中9月19日鹵水之上絕大部分被層狀晶體覆蓋,僅靠近玻璃水槽內壁,裸露的小范圍內鹵水界面與空氣接觸,按照層狀晶體的生長速度,9 月20 日應該實現(xiàn)對鹵水界面的全面覆蓋,然而9月21日21∶03仍然能夠觀測到殘余氣孔(圖6f)。水上鹽層逐步與鹵水脫離,可能是造成氣孔無法完全封閉的原因。
圖6 鹽層封鎖鹵水頂面過程(比例尺見圖1)(a)2020年9月16日13:53;(b)2020年9月17日17:57;(c)2020年9月18日7:51;(d)2020年9月18日14:35;(e)2020年9月19日15:52;(f)2020年9月21日21:03Fig.6 Process of blocking top surface of brine by salt layer (scale shown in Fig.1)
自然條件下,鹽湖強烈蒸發(fā),進入干鹽湖之前是否經歷鹽層封鎖水面的現(xiàn)象?由于實驗設計的水深較小,物理模型與鹽湖盆地的相似性,直接決定了實驗結果的參考價值。本次實驗模型規(guī)模較小,考慮邊界的影響,鹽湖盆地中的小型洼槽經歷鹽層封鎖相對容易理解。自然條件下的大型湖盆受風、水流影響較大,在強水流的影響下,推測該現(xiàn)象仍可能出現(xiàn),理由如下:(1)觀測鹽層逐步封鎖鹵水面,不難發(fā)現(xiàn)其過程與水面結冰十分相似。寒冷條件下,面積較小、風浪影響較弱的水面相對容易冰封,而面積較大湖盆,受風浪擾動影響,雖然短時間內難以冰封,但在溫度降低到一定程度之后,即便在強水流和大風浪的干擾下,表面仍可以形成較厚的冰層,這點在中國東北地區(qū)的河流、湖泊中都可以得到證實。與之相類比,鹵水蒸發(fā)萎縮至一定階段后,小型的洼槽可能較早被鹽層封鎖,而大型鹽湖受風浪影響大,水面進一步萎縮,與之相伴隨的是湖盆面積減小、水體進一步變淺,邊界的鹽層逐步向中心封鎖,從而出現(xiàn)鹽層封鎖湖面后,底部仍存在鹵水的現(xiàn)象。(2)形成鹽層封鎖水面的物理模型,具備的深度/寬度比值較大;現(xiàn)代鹽湖沉積進入干鹽湖階段之前很少出現(xiàn)鹽層封鎖,可能是深度/寬度比值較小造成的,但在地質條件下,斷陷湖盆的斷層切割之后,正斷層的下降盤可能形成相對局限且深度較大、寬度有限的水體環(huán)境。
鹽湖表面一旦形成鹽層封鎖,可能對以下沉積過程造成干擾。
(1)鹽層封鎖水面,會造成鹵水蒸發(fā)速度降低,淺水條件下漏斗晶同樣可以長時間生長,形成大晶粒的漏斗晶。傳統(tǒng)認識中,大晶粒漏斗晶需要長時間的生長,淺水蒸發(fā)環(huán)境下水體快速干涸,石鹽晶核與鹵水環(huán)境脫離后,晶粒停止生長,前期研究以此為依據(jù)推斷大晶粒漏斗晶沉積時對應深水環(huán)境[7]。實驗結果表明(圖6,7)鹵水頂面層狀結晶形成以后,鹵水僅在極小范圍內與空氣接觸,蒸發(fā)速度明顯降低。實驗中,層狀石鹽基本完成水面封鎖的時間為9 月19 日(圖6f),從剖面上看,鹵水深度約2 cm(圖7a),9月21日鹵水仍有少量蒸發(fā),鹵水與鹽層基本脫離,中間混入空氣(圖7b);9 月22 日午后記錄到的鹵水深度降低至0.5 cm(圖7c),隨著鹽層氣孔進一步減小,9 月24 日早晨記錄到的底部鹵水的深部沒有進一步降低,反而增大到1 cm(圖7d)。推測溫度較高的午后,蒸發(fā)形成的水蒸氣向上運動受阻,在鹽層底部凝結,早晨溫度降低之后,鹽層下部空間內的水蒸氣冷凝重新聚集于模型底部,從而造成水深不降反升的現(xiàn)象。實驗室初始鹵水深度較小的情況下,鹽層封閉水面后,底部鹵水蒸發(fā)十分緩慢,早期形成于底部的漏斗晶可以在較長時間內保持與鹵水接觸,晶體顆粒進一步長大。推測在自然條件下,鹽湖表面被鹽層封閉后,湖盆可能具備一定的水深,在蒸發(fā)速度極為緩慢的情況下,相對孤立的漏斗晶粒徑生長,形成2 cm 以上漏斗晶,具備可能。總之,大顆粒漏斗晶的存在僅能代表鹵水與晶核長時間接觸,但不一定指示深水沉積的環(huán)境。
圖7 鹽層封鎖水面對水體蒸發(fā)的影響(比例尺見圖1)(a)2020年9月19日15:53;(b)2020年9月21日21:04;(c)2020年9月22日14:42;(d)2020年9月24日7:34Fig.7 Impact of salt layer blocking water surface on water evaporation (scale shown in Fig.1)
(2)鹽層封鎖水面,可能影響其相鄰層位的碎屑巖。一方面,水體表面被鹽層封鎖之后,鹵水底部的有機質缺乏與氧氣接觸的機會,可能為淺水條件下有機質的保存提供便利,從而出現(xiàn)淺水成鹽與暗色頁巖互層;另一方面,鹽層封鎖水面后短時間內形成類似“平底鍋”的古地形,攜帶碎屑物質進入鹽湖的不飽和水體,可以將水面鹽層再度溶解,原本處于鹽層之上的碎屑巖墜落,重新沉積形成相對孤立的砂體。方志雄[24]在潛江凹陷的研究中,將該部分砂體的成因歸結為“鹽湖密度流沉積”,并認為是在鹽湖水體分層的基礎上,攜帶泥沙的水流沿著鹽躍層(溫躍層)界面流動產生的。本次實驗結果可以為該部分砂體的解釋提供一種新思路,而攜帶泥沙的水流沿著鹽層表面流動、溶解后墜落,從而形成相對孤立于沉積體系之外的砂體,整個過程相對更容易實現(xiàn)。
(1)石鹽可以在鹵水界面之上沉積,其形成的動力除了蒸發(fā)泵作用外,還受空氣濕度和石鹽潮解共同控制:石鹽一般只在潮解的范圍內沉積,鹵水界面附近空氣濕度較大,距離增大后相對濕度逐步降低至石鹽潮解的臨界濕度之下,晶體向上增長現(xiàn)象終止;這部分晶體的上緣受蒸發(fā)量(隨著氣溫變化)、水蒸氣補給等因素影響,潮解線下側一定范圍內,濕度較大時片狀晶體溶解,濕度降低后晶體表面的溶液重新結晶,濕度進一步降低后晶體發(fā)生脫水變形、片狀剝落。
(2)對于同一階段產生的漏斗晶和人字晶,一般人字晶形成于漏斗晶之后:早期產生的漏斗晶作為晶核,繞著不同漏斗晶核生長的晶紋因發(fā)育空間受限,紋層斜交形成“人”字,人字晶中間的斜交條紋沿著早期漏斗晶正方形對角線延展,兩種晶型可以同時沉積于水面之上。
(3)鹽湖極度萎縮過程中,在干鹽湖演化階段前,可能經歷鹽層封鎖水面的現(xiàn)象,該現(xiàn)象可以降低湖水蒸發(fā)速度,為淺水條件下形成大顆粒漏斗晶提供便利;同時,可能造成湖盆水動力條件發(fā)生改變,影響相鄰層位碎屑巖的沉積,鹽層下側可以形成淺水巖鹽+暗色頁巖互層,巖鹽上部可能出現(xiàn)相對孤立的砂體,這部分砂體是水上鹽層溶解、上部碎屑物質再沉積后產生的。