大柴旦盐湖卤水演变及环境变化的矿物学记录

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第40卷 第2期
Vol.40, No.2, 156~162
2011年3月
GEOCHIMICA
Mar., 2011
收稿日期(Received): 2009-12-08; 改回日期(Revised): 2010-08-12; 接受日期(Accepted): 2010-11-03 基金项目: 国家自然科学基金(40571173; 40871008); 兰州大学西部环境教育部重点实验室开放基金 作者简介: 高春亮(1983−), 男, 博士研究生, 地球化学专业。

E-mail: gaochunliang2007@ * 通讯作者(Corresponding author): YU Jun-qing, E-mail: junqyu@, Tel: +86-971-6307153
Geochimica ▌ Vol. 40 ▌ No. 2 ▌ pp. 156~162 ▌ Mar., 2011
大柴旦盐湖卤水演变及环境变化的矿物学记录
高春亮1, 2, 张丽莎1, 余俊清1*, 成艾颖1, 2, 刘 永1, 2
(1. 中国科学院 青海盐湖研究所, 青海 西宁 810008; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100049)
摘 要: 大柴旦盐湖因蕴藏固体和液体硼矿资源成为柴达木盆地诸多盐湖中最早被关注和开发的盐湖之一。

然而, 对其常年水体底部沉积剖面的相关研究工作却几乎没有开展。

报道了该盐湖中央湖底硼矿层以上连续沉积剖面的加速器质谱计(AMS) 14C 年代学和矿物学研究结果, 首次揭示湖底硼矿层形成于约3600 a BP 之前; 剖面的岩性与矿物组成标示了晚全新世以来该盐湖水化学演化的3个主要阶段; 受降水量主控的入湖径流量决定了盐湖水位和卤水水化学的阶段性演化特征, 以及各阶段中十年级和百年级的水化学变动。

研究结果为探讨柴达木盆地北部晚全新世以来水文气候的演变历史提供了代理记录。

关键词: 湖底沉积剖面; 矿物学记录; 卤水演变; 环境变化; 大柴旦盐湖
中图分类号: P59; P539.7 文献标识码: A 文章编号: 0379-1726(2011)02-0156-07
A mineralogical record of brine evolution and environmental change from
Da Qaidam Salt Lake in the northern Qaidam Basin
GAO Chun-liang 1,2, ZHANG Li-sa 1, YU Jun-qing 1*, CHENG Ai-ying 1,2 and LIU Yong 1,2
1. Institute of Salt Lake Studies , Chinese Academy of Sciences , Xinning 810008, China ;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049,
China Abstract: Da Qaidam Salt Lake is known for its both liquid and solid boron resource. The exploitation of the
boron deposits and related geological studies started since 1950s. Little attention has been paid, however, to the study of sedimentary records from the salt lake as regarding to brine evolution and environmental change. Here we report the result of AMS 14C dating and mineralogical investigation on a subbottom sediment section from the central area of the saline water-body. The result reveals that the subbottom pinnoite deposit was formed before 3600 a BP, and that the lake underwent three stages of lake–levels and brine evolution in the late Holocene, which were determined mainly by precipitation-controlled catchment inflow. The mineralogical records also depict fluctuations in lake-levels and water chemistry on decadal and centennial scales. The data provide a proxy record for the reconstruction of the late-Holocene hydro-climate change on the northern Qaidam Basin.
Key words: subbottom sediment profile; mineralogical record; brine evolution; environmental change; Da Qaidam Salt Lake
0 引 言
柴达木(蒙语为盐泽之意)盆地盐湖广泛分布, 蕴藏着丰富的钾锂硼镁等盐类矿产资源。

其中, 大柴旦盐湖以蕴藏硼矿资源而闻名。

对大柴旦盐湖硼矿资源的勘探和开发从20世纪50年代业已开始, 相
关地质与地球化学方面的研究工作主要针对各类硼
矿体的分布和沉积特征、物质来源、形成条件等[1–3]。

早在1957年, 柳大纲等就为探寻大柴旦盐湖水体底部是否存在硼矿体而布设了3个勘探孔, 从其中的2#岩芯(深7 m)中首次发现了柱硼镁石矿层[4]。

通过分析测试岩芯中选取的9个样品, 探讨了形成湖底柱硼镁石沉积矿层的化学条件。

此后的40余年中,
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针对大柴旦盐湖常年水体底部沉积物剖面的相关研究工作几乎没有开展, 更未见到任何有关的工作进展和成果报道。

为了对大柴旦盐湖常年水体底部连续沉积序列开展较为详尽的研究, 笔者于2008年和2009年两次赴大柴旦盐湖考察取样并开展了相关的研究工作。

本文拟报道位于该盐湖水体中央湖底沉积物DCD-2剖面的部分研究结果, 旨在建立具有AMS 14C 年代控制的岩性和矿物地层学连续沉积序列, 重建过去几千年以来该盐湖水化学演化及其与水文气候变化的关联。

1 湖区概况
大柴旦盐湖[1,2,5]是在柴达木盆地北部的次级山间盆地中(地理坐标37°46′~37°55′N, 95°02′~95°22′E)形成的常年性水体, 外观呈不规则新月形(图1), 最
大水深通常不足1 m, 且随季节不同而升降, 盐湖卤水面积相应也在35~45 km 2的范围内变化。

湖面海拔高度3148 m, 封闭型汇水盆地的面积约为2130 km 2。

盐湖区干旱少雨, 年降水量60~80 mm, 年蒸发量高达1800 mm 左右。

无常年性河流入湖, 湖水水位和水化学的变化受控于周围众多山前冲积扇地表径流和地下潜流补给, 尤其受山区汇水盆地春季融水量和夏季降水量的大小以及湖区蒸发量的控制。

因此, 不同时间尺度上该盐湖水体的水量平衡决定了它在不同时期的水化学特征和湖底沉积物的矿物组合特征。

大柴旦盐湖卤水及各种地下卤水中的硼含量居柴达木盆地各类盐湖之首, 达500~800 mg/L, 是海水硼含量的110~180倍。

源自达肯大坂山一带高含硼热泉水(>40 mg/L)的长期汇入和强烈的蒸发浓集作用, 造成了大柴旦盐湖卤水的高硼含量。

正是这种高硼卤水的存在为该盐湖区固体硼矿的形成提供了基础。

图1 大柴旦盐湖及周边地貌与地质略图(参照杨谦[2]原图和2007年卫星照片改绘)
Fig.1 Geomorphological feature and geology of the Da Qaidam Salt Lake (modified after Yang [2] and 2007 satellite image)
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2 研究材料与方法
大柴旦盐湖湖底沉积剖面DCD-2位于现代水体的中部(图1), 剖面深度250 cm 。

经人工抽卤和开挖后马上将采集的样品保存在4 ℃的冷藏室中备用。

采样间距一般为1 cm, 此外, 还根据沉积物特征有时将采样间距选定为0.5~3.0 cm 不等。

对该剖面中的淤泥质样品进行了烧失量分析测试, 方法同文献[6], 随后从中选择了3个有机碳含量较高的黑色淤泥样品用于
14
C 断代及剖面的年代学研究。

断代样品的化学前处理过程采用目前国内外实验室通常采用的3A (acid-alkali-acid)流程[7], 首先加入过量 2 mol/L 的HCl, 加热去除碳酸盐, 洗成中性后加入0.5 mol/L 的NaOH, 浸泡8~12 h, 去除其中吸附的腐殖酸, 洗成中性后加入少量2 mol/L 的HCl, 旨在去除在上步处理过程中可能产生的次生碳酸盐, 最后洗成中性并烘干备用。

样品的全部制备过程, 包括随后将有机碳转化为CO 2气体及其纯化、合成石墨等, 以及最终用加速器质谱测定其
14
C 年龄数据, 由中国科学院广州地球化学研究所加速器质谱计(AMS)14C 制样实验室和北京大学核物理与核技术国家重点实验室联合完成。

选作X 射线衍射(XRD)分析的样品干燥后在石英研钵中研磨至小于63 μm, 采用Phillips X-pert Pro 型X 射线衍射仪对其进行粉晶分析, 鉴定样品中的矿物种类, 同时估算各别矿物的含量(误差约±5%)。

本文用作粉晶分析的个样及其给出的矿物学信息均为十年平均值。

3 结果与讨论
3.1 AMS 14
C 年代
从250 cm 深的湖底沉积物剖面中选取了3个有机碳含量较高的黑色淤泥样品, 表1列出了它们的AMS 14C 测定年龄、碳库效应校正后的年龄和转换
成的历年值。

3个总有机碳(TOC)样品的实测年代值
随深度呈线性变化, 尽管没有出现明显不良需要摈弃的年龄数据[8], 但这些年代值一致性全都偏老。

国内外盐湖沉积
14
C 年代学研究结果证明, 碳库效应
的影响几乎无处不在, 而且其影响程度比淡水湖泊沉积要大很多[9]。

不同盐湖和湖泊的碳库效应不尽相同, 同一湖泊的不同时期也不完全一致。

尽管精确测定十分不易, 但不少同行仍然做了有益的尝试。

例如, 茶卡盐湖的碳库效应经多方面综合考量将其影响值定为1700 a [8]。

根据AMS 14C 法测定湖底表层沉积物中TOC 的
14
C 年代值, 西藏兹格塘湖
的碳库效应确定为(2100±50) a [10]。

由于大柴旦湖底表层沉积物是以石膏为主的盐类沉积层, 不能实测其TOC 的14C 年龄, 因而笔者依据现有实测年代学值随沉积剖面深度的线性关系, 同时参考其他盐湖碳库效应校正值, 确定大柴旦盐湖的碳库效应为1800 a 。

将表1中TOC 测样的实测AMS 14C 年龄值减去1800 a 则是各个实测样经碳库效应校正后的
14
C 年代值。

最后用IntCal 04 calibration curve [11]将
这些年代值转换成表1最右栏中的日历年代值。

3.2 岩性地层学及矿物学记录
DCD-2剖面位于大柴旦盐湖的中部(图1), 235 cm 以下(沉积单元)Ⅳ有大约70 cm 厚的柱硼镁石矿层, 从235 cm 往上的沉积物(图2)代表了该盐湖常年水体过去3600 a 以来形成的一套连续沉积序列。

除了在深度91.5~99 cm 结核状薄层中和104~107 cm 淤泥质薄层中检出柱硼镁石外, 再未出现此前形成块状厚层柱硼镁石矿层的水化学条件和沉积地球化学环境。

对剖面70个样品进行了XRD 分析测试, 从沉积物中检出含量超过1%的矿物达16种以上, 其中主要盐类矿物有石膏、碳酸盐(包括水菱镁石、文石、方解石和白云石)和石盐, 以及黏土矿物。

根据沉积物的岩性和矿物组成等特征, 笔者将DCD-2剖面划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和(Ⅳ从上往下)4个沉积单元(图3), 按沉积的先后顺序由下而上描述如下。

表1 大柴旦盐湖DCD-2沉积剖面AMS 14C 实测年龄、校正年龄和日历年代值
Table 1
14
C ages from DCD-2 section measured by the AMS facility of Beijing University, the reservoir-effect calibrated ages
and the calibrated calendar ages 校正后的日历年代(a BP) 样 号
测试号
测定材料
采样深度(cm)
测定年龄(a BP)
碳库校正后的年龄(a BP)
2σ范围
中值
14C-1 GZ3569 TOC 25~27 2177±28 377±28 437~497 446 14C-4 GZ3571 TOC 83~86 3474±27 1674±27 1540~1605 1576 14
C-3 GZ3570 TOC 168~169 4842±28 3042±28 3206~3352 3269
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图2 大柴旦盐湖DCD-2沉积剖面的沉积物特征和主要矿物组成
Fig.2 Sediment characteristics and mineral composition of the sub-bottom profile DCD-2 from the Da Qaidam Salt Lake
Ⅳ: 柱硼镁石矿层(>235 cm), 总厚度约70 cm, 胶结紧密的大块矿层中水平层理十分发育。

B 2O 3含量一般不超过16%。

Ⅲ: 灰色结核层(138~235 cm), 常与灰白色含盐薄层交互成层, 中夹两个灰黑色泥质含盐薄层。

下部石膏含量接近60%, 在整个剖面中居首。

上部的石膏含量随着水菱镁石和文石含量的增高有所降低(45%), 黏土矿物和石英的含量皆有明显的升高。

石盐的含量比较稳定, 多在5%~8%的范围内波动。

Ⅱ: 灰黑色含盐淤泥层(72~138 cm), 黏土含量明显增多, 石盐含量稳定, 大多在5%~9%范围内; 方解石含量较前期稳定增高。

其中有两个样品含柱硼镁石, 一个来自该沉积单元中的结核层, 另一个源自黑色淤泥中。

Ⅰ: 土黄色盐层与黑色含盐淤泥互层(0~72 cm), 下部石膏含量较前期有所增高, 方解石、黏土和石英有
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所下降; 上部的黏土、石英、白云石和方解石明显升高的同时水菱镁矿消失, 石膏和石盐含量的变幅较大。

3.3 盐湖演化与水文气候变化
大柴旦盐湖位于柴达木盆地北部的封闭型山间盆地中, 水文气候条件的变化会造成该盐湖水位和地表卤水面积的敏感变化和相应水化学的改变。

一年中季节性入湖水量、气温以及蒸发量等的变化, 直接影响年级水位升降、水化学变化, 造成不同矿物的结晶、沉积或溶解。

1987~1989年3年的实际观测数据显示, 湖水水位每年会有两次上涨, 分别出现在3月至5月和10月至12月之间; 最高水位出现在4月, 最低在10月
[12]。

该湖富硼硫酸镁亚型
卤水的水化学变化相应会出现: 升温蒸发析盐阶段(5月至10月), 冷冻析盐阶段(10月至元月)和卤水稀释阶段(元月至4月)。

因此, 湖区水文气候的季节性变化决定了当年湖底沉积物的盐类矿物组成。

虽然这种年级样品不易从沉积剖面中采得且样量也不足以进行XRD 分析, 但完好存留在湖底沉积物中的矿物组成记录是重建盐湖卤水化学组成十年、百年、千年级特征和演变的重要代理指标(图3)。

汇水盆地山区地层中硼的克拉克值较高, 尤其是大量高硼含量热泉水汇入大柴旦盐湖后在强烈的
蒸发作用下不断富集是形成该湖高硼含量卤水资源的主要原因[1,5]。

AMS
14
C 年代学研究结果证明,
DCD-2剖面的底部沉积单元Ⅳ中柱硼镁石矿层形成于大约3600 a BP 之前(图3)。

在该矿层形成时卤水中的硼含量预计等于或大于现代卤水, 而且, 该矿层的形成会大大降低原始卤水中的硼含量。

在DCD-2剖面中, 除了个别层位中短暂出现过柱硼镁石矿物, 并没有检出其他硼酸盐矿物(在105.5 cm 处检出1%的六水硼钙石除外), 更没有出现厚层硼矿沉积, 由此断定, 现代盐湖卤水中硼所以能达到大于500 mg/L 之高的浓度, 除了原始卤水中硼的积累, 与过去3000多年以来硼在卤水中不断富集有重要关联。

沉积物矿物组成特征显示(图3), DCD-2沉积剖面作为大柴旦湖中央常年卤水中的连续沉积序列, 继单元Ⅳ柱硼镁石矿层形成之后, 该盐湖一直维持着其富硼硫酸镁亚型卤水的基本水化学特征。

而岩性地层和矿物组成的三次显著改变, 显然受控于晚全新世以来的三次较大的水文气候条件的变化, 相应形成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个不同的沉积单元。

在各别沉积单元中石膏、各种碳酸盐矿物、石英和黏土矿物组成的变化, 是由于盐湖卤水水化学在汇水盆地降水量的控制下发生十年至百年级变化的结果。

图3 大柴旦盐湖DCD-2沉积剖面的矿物组成
Fig.3 Mineralogical composition of the sediment profile DCD-2 from the Da Qaidam Salt Lake
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沉积单元Ⅲ覆盖在硼矿层()Ⅳ之上, 是一套石膏、碳酸盐矿物、石盐为主的结核沉积层(图3)。

单元Ⅲ下部(Ⅲ下)的石膏含量较高, 文石含量偏低, 方解石几乎缺失, 尤其是黏土和石英的含量在整个剖面中为最低。

一般而言, 自生碳酸盐矿物是淡水掺入盐湖卤水后的生成物; 沉积物中石盐、石膏等盐类矿物含量高时反映卤水浓度较高。

鉴于我国盐湖黏土矿物基本上属于碎屑成因[13], 来自盐湖周边淡水补给量增大时, 黏土等外来碎屑物质在沉积物中的含量就会增大, 譬如, 黑色淤泥沉积层的形成与大量淡水入湖有关, 代表盐湖卤水的淡化期。

当沉积物中黏土和自生碳酸盐矿物含量都较低而石膏、石盐含量却较高时, 指示入湖淡水补给量偏低, 盐湖卤水浓度较高。

据此, 沉积单元Ⅲ下部的沉积物(Ⅲ下), 无论是矿物组成还是沉积结构都说明一点: 继硼矿层()Ⅳ形成之后的大柴旦盐湖, 与现今相比, Ⅲ下阶段的入湖水量偏低, 以致水位较浅, 盐度较高。

Ⅲ上开始沉积后, 黏土矿物和石英含量明显上升, 指示入湖水量较之前增大, 以致石膏和石盐含量减少, 碳酸盐矿物含量增高。

Ⅲ上顶部沉积期间, 尽管其沉积结构并没有显示明显的改变, 但矿物地层学证据指示此间的入湖水量减少、盐度有所增高。

沉积单元Ⅱ以黏土矿物含量增大、盐类结核明显减少为主要特征, 石膏含量的变化比前期频繁。

这些特征反映盐湖水体的深度及入湖水量比前期()Ⅲ有所增大。

伴随着黏土含量增大, TOC 含量明显增加, 同时还出现了少量的白云石。

白云石通常与湖底环境的还原性增强有关[14], 其含量在单元II 中与文石和水菱镁矿等其他两种碳酸盐矿物呈负相关关系, 很可能是受卤水Mg/Ca 比值控制的结果。

少量方解石的持续出现指示季节性淡水入湖量较前期稳定增加, 湖水盐度有所降低。

以上岩性地层学特征和矿物学证据说明, 单元Ⅱ沉积期间盐湖卤水面积总体比前期扩张了许多。

本单元中部结核薄层中一度含柱硼镁石, 这很可能是经历短期干旱后地下水掺入作用下的产物。

沉积单元Ⅰ最明显的特征之一是其沉积构造完全不同于前两个单元(参见图2), 以土黄色盐层与黑色含盐淤泥交互成层, 反映了湖区数十至百年级水体淡咸波动及水位高低的更替较前期频繁。

单元Ⅰ的下部 (Ⅰ下), 黏土和石英的含量明显降低而石膏含量则有所上升, 指示盐度适度增大及水位有所降低。

随后沉积的单元Ⅰ上中, 黏土和石英不仅变幅较
大, 平均含量也达到剖面最高, 除了反映水位波动幅度相对较大, 入湖水量应为全剖面沉积期间的最高。

这一点也可以从其他矿物指示的环境信息得到佐证: (1)石膏含量在较大变化中总体含量降低, (2)随着主要碳酸盐矿物水菱镁矿的消失, 沉积物中总碳酸盐含量明显降低, 而方解石含量在波动中达到最高, 少量白云石也在沉积物中持续出现。

4 结 论
大柴旦盐湖位于柴达木盆地北部的次级山间盆地中, 源自周边山地的降水通过地表和地下径流将B 、Li 、K 等汇入湖中, 在长期蒸发作用下形成富硼硫酸镁亚型地表卤水, 在湖滨和湖底形成硼矿层。

(1) 在剖面底部硼矿层形成之后的~3600 a BP 中, 地表卤水化学类型基本类同, 水体化学的季节性、十年、百年、千年级变化受山区降水量的影响和控制。

由于没有出现可观量的硼矿物沉积, 卤水中硼的不断富集至当今的浓度。

(2) 在柴达木盆地晚全新世气候背景下, 湖底沉积物显示了3个不同的沉积环境: 早期以结核沉积为主, 湖水较浅, 盐度较高, 入湖水量偏低; 中期以含盐淤泥沉积为主要特征, 水位较今要深, 湖底还原性较强; 晚期的盐与淤泥交互成层的沉积特征展示了过去近千年以来十年级入湖水量的波动性增强。

(3) 黏土矿物和石英含量在剖面中同步出现4个相对低值区, 很可能反映4次入湖水量的低值期和卤水盐度的相对高值期。

沉积物的XRD 分析由中国科学院青海盐湖研究所杨波协助完成, 在此谨表谢意。

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