玛纳斯湖滨岸带盐类和风成砂混合沉积特征及环境意义：来自物理模拟实验的启示

2023-11-20刘怡婷尹太举唐勇黄立良邹阳

长江大学学报(自科版) 2023年6期

刘怡婷，尹太举，唐勇，黄立良，邹阳

1.长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100

2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000

混合沉积是目前沉积学研究的热点之一，特别是盐湖背景下的碎屑沉积，因为具有较好的成藏条件而富含油气[1]，对于盆地中心的勘探有利区分布预测有重要意义。近年来在玛纳斯湖中心发现了大于20 m的厚层盐岩沉积，在盐岩沉积段内发现有分选极好的含油砂岩[2]。砂岩与盐岩呈互层状产出，极其纯净，几乎不含泥类沉积，说明其形成于清水沉积环境。同时这种混合沉积在其他盆地内也有发现。国内外学者利用岩心、钻井、测井、地震等资料，以及对现代沉积、古代露头等考察对混合沉积开展研究，研究内容包括混合沉积岩石类型及其划分[3-4]、沉积过程及其主控因素分析、非均质性[5]、油气勘探研究[6-7]等方面。张亚奇等[8]对吉木萨尔凹陷芦草沟组致密油储层混合沉积进行了系统的沉积相研究，吴因业等[9]以柴达木盆地古近系为例，认为混积层系中的碳酸盐岩发育层段可能是由于间歇性干冷气候引起的硅质碎屑供应减少，而硅质碎屑层段则可能是由于湿热气候而引起源区大量硅质碎屑供应而形成的。尽管混合沉积现象普遍存在[10-11]，但是对玛纳斯湖中砂岩与盐岩呈互层状产出的混合沉积现象并没有得到较好的沉积成因解释，也没有构建起沉积模式，对于其形成过程目前尚不明确，因而很难对其分布进行预测。

对新疆玛纳斯湖沉积观察中发现，在滨岸带发育盐类与砂岩混合沉积，表明盐类的沉积并不是只形成于深水湖盆中心，对于认识盐湖背景下的混合沉积具有一定的指示意义。同时玛纳斯湖东部近岸区发育大量的风成沙丘，证明此地区具有强大的风力作用。从沉积动力分析，尽管玛纳斯湖中的砂岩可通过湖流搬运，比如异重流沿湖底或异轻流沿湖水顶层搬运到湖盆中心部位[12]，但玛纳斯湖岩心中的砂岩纯净，分选极好，颗粒较粗，为风成沉积。本文基于玛纳斯湖沉积过程观察所获得的风成沉积的初步认识，研制了风槽装置，通过物理模拟实验，再现了风成砂与盐类的混合沉积形成过程，探讨了不同温度变化过程中的沉积形态差异，揭示了盐类与风成砂的不同混合沉积形式能够反映气候变化，可为盐湖背景下混合沉积的形成机制及沉积环境研究提供有价值的参考。

1 玛纳斯湖混合沉积

1.1 混合沉积特征

玛纳斯湖位于准噶尔盆地西部，呈东北-西南向，湖盆长50～52 km，宽10～15 km(见图1(a))。该湖是一个大型的固液相间的硫酸盐型咸水湖，周围是盐滩，东面和南面是固定、半固定沙漠。玛纳斯湖的补给来源包括大气降水、盐溶补给和西南角偶有洪水入湖，湖区绝大部分已结晶成盐地[13]。

图1 玛纳斯湖盆缘混合沉积特征

玛纳斯湖盆缘西北部滨岸带盐类多与粉细砂混合沉积(见图1(b))，盐晶的晶体颗粒大小多在1 mm左右，最大可达2～5 mm，晶形清晰，晶间由非晶质盐类粘结。在西北部远岸区逐渐过渡为粗砂，并开始出现砾石，这些碎屑零散状聚集在玛纳斯湖滨岸带的洼槽处，盐类部分与粗砂、砾石混合沉积(见图1(c))。全年主导风向为西南风，在东部近岸区，见有分选极好的沙丘沉积，以粉细砂为主，图1(d)中红框处为粒度取样位置，取样结果在后续实验中给出。沙丘表面植被呈斑块状分布，大部分沙丘表面有薄层盐土结皮，表明局部风沙活动强烈，为半固定沙丘。并且在玛纳斯湖东部滨岸带的盐滩中发育有大量的盐裂缝，这些裂缝呈现出向上突出状，在裂开部位向上掀起张开，盐裂缝洼陷处形成砂质富集(见图1(e))。这种风成砂分布不均指示着在盐类沉积时期需要足够的风力来保证充分的物源供给，从而形成盆缘滨岸带盐类与风成砂混合沉积。

1.2 混合沉积成因分析

玛纳斯湖距海遥远，受来自北冰洋潮湿气流的影响，气候差异明显。前人对于准噶尔盆地玛湖凹陷风城组沉积演化研究分析认为，整体气候演化为半干旱-较湿润-干旱-较干旱[14]：第1阶段(见图2(a))湖平面较高，气候半干旱，陆源碎屑供给少，以风力作用搬运的碱性火山碎屑岩为主；第2阶段气候较湿润(见图2(b))，湖平面升高，富有机质泥岩发育；第3阶段气候变干旱(见图2(c))，湖盆萎缩，因长期处于欠补偿作用，盐度升高湖盆内碱性矿物发育；第4阶段气候较干旱(见图2(d))，湖平面再次升高后，盐度逐渐降低，陆源碎屑持续供给，沉积白云岩及云质岩并与碱性矿物混合沉积。从玛湖凹陷风城组混合沉积演化阶段可以得出，气候是影响湖盆内混合沉积发育的重要影响因素。

图2 玛湖凹陷风城组混合沉积演化示意图(据文献[14]，有修改)

2 混合沉积物理模拟实验

基于玛纳斯湖沉积过程观察所获得的风成沉积的初步认识和对玛纳斯湖滨岸带混合沉积特征描述，以及前人对于玛湖凹陷风城组混合沉积演化过程中把气候作为重要控制影响因素的基础上，建立了风槽装置，采用单因素控制变量法，通过2组不同温度下(恒温组与变温组)盐类与风成砂的物理模拟实验，再现了玛纳斯湖盐类与风成砂的混合沉积过程，探讨在风成作用下砂质与盐类混合沉积形式与成因机制。实验结果表明，盐类与风成砂存在2种混合沉积形式：恒温组实验中盐类与风成砂层状混合沉积，盐类沉积厚度大，晶体多为垂向加积的粗晶；变温组实验中盐类与风成砂差异混合沉积，盐类沉积厚度较薄，盐类整体的结晶形态随温度变化而不同。

2.1 实验设计

1)实验依据。①玛纳斯湖中盐类采用碳酸钠替代。根据盐湖主要水化学成分分类，有碳酸盐型、硫酸盐型及氯化物型，其中硫酸盐具有腐蚀性，不利于开展实验；而碳酸盐如碳酸钠相较氯化物如食盐(氯化钠)对温度的敏感性更强，溶解度随温度升高而增大(见图3)。因此在后续加热制配过饱和溶液的实验过程中，碳酸钠会更快析出晶体，节约实验周期，有利于观察不同温度对晶体的影响。②实验供砂粒度依据玛纳斯湖风成沙丘采样(位置见图1(d)中风成沙丘红框处取样)，粒度分析结果如图4(a)所示，主要为粉细砂，D50=9.669，粒径范围主要分布在1～100 μm，将实验供砂用泥砂筛分装置与玛纳斯湖风成沙丘采样结果进行配比，粒度范围尽可能与采样结果相契合；③温度(气候)变化由实验室内加热器与散热器控制。

图3 碳酸钠与食盐温度溶解度关系对比图

注：D10为纵坐标累积分布10%所对应的横坐标直径值；D50为纵坐标累积分布50%所对应的横坐标直径值，表示样品的平均粒度；D90为纵坐标累积分布90%所对应的横坐标直径值。

2)实验条件。①温度条件：实验分为恒温组与变温组两组，其中变温组为还原玛纳斯湖沉积时期气候从较半干旱-较湿润-干旱-较干旱的气候演化过程，温度变化范围为先升高(4～11 ℃)后持续降低至0 ℃，再升温至13 ℃(见图5)；②水深条件：实验统一水深30 cm；③供砂粒度：每组供砂总量均为50 L，在风槽装置中匀速加入粒径范围0.5～75 μm的粉细砂，D50=8.002(见图4(b))；④溶液配比：2组统一为2.5 kg碳酸钠/5 L水。

图5 实验温度设计曲线图

3)实验装置。①小型玻璃水槽：长0.6 m，宽0.3 m，高0.35 m；②鼓风机：可以根据不同等级的风力制造出6～18 m/s的风速；③风槽：长5 m，宽0.5 m，高0.4 m，水泥制成的矩形沉积槽。

4)实验模拟过程。①制取过饱和碳酸钠溶液，搅拌均匀后加热至最大饱和温度40 ℃，充分溶解后放入实验装置内静置；②待过饱和溶液静置至充分结晶后，开始在风槽加砂，利用鼓风机模拟风成作用；③待供砂完全沉降后再次加入过饱和碳酸钠溶液静置；④循环上述过程直至50 L实验供砂完全沉降，从而再现盐类与风成砂的混合沉积过程，并观察记录实验结果。

2.2 实验结果

2组实验结果表明，温度控制影响盐类与风成砂混合沉积，发现存在两种不同的混合沉积形式，恒温组(持续低温下)盐类厚度大于风成砂，呈层状混合沉积；变温组(温度连续变化下)盐类呈放射状与风成砂差异混合沉积。

2.2.1 层状混合沉积

恒温状态时，实验室平均温度3 ℃，整体温度变化范围为0～7 ℃。盐类的结晶速度较快，8 h后盐类结晶体逐渐扩大至融合链接，基本形成一块完整的结晶体。

如图6(a)所示，St1，St2，St3分别为第1，2，3期盐类结晶，沉积厚度大；Sd1，Sd2，Sd3分别为第1，2，3期风成砂沉积。盐类与风成砂的沉积具有明显的韵律性，呈层状混合沉积。

图6 盐类与风成砂层状混合沉积实验结果

盐类厚度迎风面比背风面更厚，迎风一侧距离风源更近，温度下降更快，盐类沉积速度较快，更早达到过饱和后沉积，可容空间足够时可垂向加积形成较厚的结晶体。分别在实验第4、6、8 h对同一位置的结晶体取样(取样位置见图6(a))，观察到整体呈现自生加大的趋势(见图6(b))，晶体颗粒较粗。

2.2.2 差异混合沉积

如图7所示，Sc1，Sc2，Sc3分别为第1，2，3期盐类结晶，As1，As2，As3，As4分别为第1，2，3，4期风成砂沉积。

图7 盐类与风成砂差异混合沉积实验结果

实验进行1 h(4 ℃)时，盐类的晶核在此阶段其实已经有形成，但存在时间较短并迅速溶解。

实验进行7 h(11 ℃)时，水界面附近出现晶体析出，随着实验进行，整体厚度较薄，呈半透明状，当水面悬浮晶体增大到一定程度，会缓慢降落至水底，同时水槽底部也出现晶体。随着实验进行，风成砂与盐类的沉积厚度逐渐增加，但位于槽底的盐类增长缓慢。

实验进行19 h时，温度经历了多次变化，首先温度从4 ℃逐渐升高至11 ℃，Sc1结晶形态为放射状；然后温度从11 ℃持续降低至0 ℃，Sc2结晶形态呈层状。因温度的连续变化，导致在盐类沉积的过程中，同时存在部分盐类发生溶解，且崩塌频率较高，使As1与As2侵入Sc1被溶蚀部位混杂分布，与盐类形成差异混合沉积。

实验进行25 h时，此时温度由0 ℃逐渐升高至6 ℃，盐类溶解速度较实验前19 h慢，As3并未侵入下伏Sc2中，呈层状混合沉积。

实验进行31 h时，温度由6 ℃逐渐升高至13 ℃，虽然温度升高会使盐类溶解，但是温度并没有发生连续的变化，崩塌频率低，所以Sc3晶体形态较稳定，As4与Sc3呈层状混合沉积。

变温组实验与恒温组实验相比，变温组盐类的结晶厚度整体较薄，且结晶形态不同。结果表明，温度不仅控制着盐类的溶解与结晶速度以及崩塌频率，也影响着盐类晶体的形态。温度发生连续变化时，盐类溶解速度较快崩塌更频繁，晶体形态不稳定，呈放射状；温度无连续变化时，溶解速度缓慢，晶体形态稳定，呈层状。

3 分析讨论

通过物理模拟实验，得到了盐类与风成砂混合沉积形式：层状混合沉积、差异混合沉积。将这种不同的混合沉积形式实验结果与现代玛纳斯湖滨岸带混合沉积特征类比，分析其成因机制，揭示了盐类结晶形态差异与风成砂不同的混合沉积形式能够反映温度(气候)的变化。

3.1 盐类沉积方式

变温组实验中盐类主要沉积方式为崩塌沉降(见图8(a))。当盐类自身重力大于水面的浮力时发生崩塌，同时温度升高后蒸发作用强烈，盐类持续析出并结晶后再次崩塌沉降，这种盐类析出随着晶体的聚集后沉积于水下的过程是盐类的主要沉积方式之一。而温度则是影响盐类结晶析出后崩塌沉降的主控因素，连续的温度变化使盐类溶解速度不同，从而形成盐类与风成砂差异混合沉积。

图8 实验中盐类沉积方式

恒温组实验中盐类主要沉积方式为垂向加积(见图8(b))。当盐类析出后沉降至底部时，温度变化不大，溶解缓慢，结晶速度快，结晶体多为垂向加积并逐渐自生加大，连接成一块完整的结晶体。

3.2 温度影响混合沉积形式

变温组实验与恒温组实验相比，风成砂整体分布不均。迎风面风成砂沉积较少，更多沉落在背风面(见图9(a))以及底床表面的局部洼陷处。实验中风成砂分布特征与玛纳斯湖滨岸带风成沉积现象不一致，分析其原因：由于装置的弊端，迎风面一侧存在相对的阻挡处(如玻璃壁)，风不易将砂体搬运，从而造成迎风面风成砂沉积不连续，厚度薄。

图9 变温组风成砂分布与盐类沉积特征

实验中迎风面盐类沉积更厚，风成砂与盐类存在两种不同混合沉积形式的实验结果，类比玛纳斯湖滨岸带的混合沉积特征，可以得到以下启示：

当气候稳定，持续干旱时，湖泊盐度升高导致盐类持续沉积，同时在湖泊的不同部位由于温差或注入流体的差异而造成浓度差[15]，从而使得盐类的沉积也并不均衡，如实验中受温度差异的影响，迎风面距离风源更近，温度下降更快，蒸发量大从而更易于达到过饱和后较快的沉积，形成盐类的富集，使得盐类厚度较大(见图9(b))，背风面相对蒸发量小，盐类沉积较薄。在湖泊其他区域，如封闭的湖湾区，由于注入补充少，水体深度小，升温快，且蒸发量大而更易于过饱和沉积。在较深水域与外部注入水体连通性较好的区域，水体总量大，盐度小，升温慢，相对蒸发量小而不利于盐类的沉积。这种溶蚀和再沉积过程与风成砂共同或间互作用时，会造成风成砂的结构产生变化，原生结构与构造不一定能够保存下来，从而使盐类与风成砂存在不同的混合沉积形式。

3.3 盐湖背景下混合沉积演化过程

根据上述实验结果分析，结合玛纳斯湖滨岸带混合沉积现象，盐湖背景下的混合沉积演化过程可以描述为如下4个阶段：①湖水浓缩阶段(对应实验中降温迅速，盐类形成阶段)。当气候较干旱时，淡水补给不够，湖水开始浓缩，近水面的水体密度升高，致使水体过饱和盐类开始逐渐形成析出，细微的盐类晶体开始沉降。沉降至湖盆深部的同时，由于深部湖水含盐度相对较低，晶体再次溶解。但因为该阶段湖水表面与深部的含盐度相差不大，在湖底很难形成完整的盐类沉积。②湖水过饱和阶段(对应实验中盐类析出结晶阶段)。湖盆边缘温度较高，部分水体与地下水连通，在经过湖水稀释、气候干旱强烈蒸发的共同作用下，湖盆滨岸带水体蒸发速度明显加快；且滨岸带附近的水体总量较湖盆中心小，所以滨岸带盐类的晶体会率先析出并沉降。此时，在进一步的蒸发作用下盐湖中心开始析出晶体，因水体密度较大，湖盆中心的盐类的结晶形态多呈放射状分布且厚度小、质量轻。③盐类大量沉积阶段(对应实验中盐类大量沉降阶段)。水界面附近依旧是蒸发最强烈部位，盐类沉积厚度增加较快，随着蒸发作用的进行，湖盆边缘迎风面盐类沉积较厚，背风面相对较薄。靠近湖盆中心，悬浮于溶液表面的盐类崩塌沉降至湖底堆积，并逐渐垂向加积，形成一块完整的结晶体。④风力作用加强阶段(对应实验中盐类溶解后再结晶，与风成砂混合沉积阶段)。当气候较湿润时，风力作用强盛地区，蒸发作用强烈盐类更快达到饱和后沉积，盐类沉积较完整，盐类与风成砂层状混合沉积；风力作用相对较弱地区，盐类沉积不完整且厚度较薄，此时盐类与风成砂差异混合沉积。