卤水表面附近盐岩结晶特征研究

冯阵东，谭浩林，周永，史淑珍，吴伟，刘惟庆，魏国营

1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003

2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454003

3.河南理工大学建筑与艺术设计学院，河南焦作 454003

0 引言

将今论古是地质学研究中的最基本方法，现有研究报道中，盐湖盆地沉积模式的建立[1-8]，多以现代盐湖中的水体分布及沉积特征为依据。然而，现代自然条件下湖盆的咸化、卤水的浓缩、晶体的沉积，往往需要漫长的过程，野外地质调查中观测到的湖盆一般对应盐湖演化的特定阶段[8-9]，演化模式是多个阶段拼接之后作出的推断[10-16]。古盐湖的沉积过程中，可能在极度干旱后进入干盐湖阶段，同样也可能随着气候变化、淡水的注入，原先沉积的盐岩被再度溶解[8-9]，从而导致部分地质记录的缺失。实验室开展的蒸发实验，可以实现盐岩结晶的动态观测，有效弥补盐湖沉积中丢失的信息。自然界中出露水面的盐岩极易被再度溶蚀，笔者在室内蒸发实验中，记录到部分形成于卤水界面之上的晶体，对不同构造部位、不同晶型的石盐开展描述及分析，可以为盐湖沉积模式、沉积动力研究提供有益的参考。

1 实验模型设计

实验模型在长20 cm、宽14 cm、高16 cm 规模的玻璃水槽基础上改造，使用形态保持比较好的泥层对模型地貌进行改造，整体参考东濮凹陷“两凹一隆一斜坡”的构造格局进行模型设计（图1）。模型中间设置隆起带，被其分割开来的是两侧洼陷带，模型右侧对应东濮凹陷东部的兰聊断层下降盘，北侧为减少玻璃边界影响，设置泥层用于隔绝卤水与玻璃接触。实验模型的设计，考虑饱和卤水分布范围对盐沉积位置的影响，以及不饱和水体对早期盐层厚度的溶蚀—再沉积改造，交替使用不饱和卤水（饱和NaCl 溶液与自来水1∶1混合溶液）、饱和卤水进行蒸发实验。自卤水注入开始计时，直至模型内溶液完全干涸作为一个蒸发阶段的结束，整组实验设计对应5 个阶段，分别使用不饱和卤水（阶段1）、饱和卤水（阶段2）、不饱和卤水（阶段3）、不饱和卤水（阶段4）、饱和卤水（阶段5）进行蒸发实验。

图1 常温蒸发实验模型示意图Fig.1 Schematic diagram of room temperature evaporation experimental model

整组于2020年8月11日20∶48注入不饱和卤水开始实验，实验模型安置于实验室内，除短时间通风之外基本处于相对封闭的空间，室内温度为自然温度（介于25 ℃～39 ℃）。室内湿度基本维持在35%左右，靠近卤水界面的湿度数据未曾测试，根据现代湖盆气象数据表明，气水界面附近湿度可以增大至90%以上[17]。初始水体深度分布如图1所示：初始卤水界面淹没中央隆起带之上0.5 cm 左右，西部洼陷带最大水深5.5 cm，东部最大水深5.0 cm，2020 年9月25 日7:19 分最后一个蒸发阶段结束，完成了本次设计的5 个实验阶段的全部内容。实验中记录到的盐层厚度迁移结果仍在整理过程中，在此仅报道卤水界面附近的盐岩结晶特征及分析结果。

2 石盐结晶特征及研究意义

实验过程中，根据结晶位置及特征差异，结晶可以划分为3种类型：初始饱和卤水界面上部的片状结晶（图2）、初始饱和卤水界面下部漏斗晶+人字晶、卤水界面之上的层状晶体。需要说明的是，实验虽然设计了5个实验阶段，但卤水页面上部结晶特征最为典型的是采用饱和卤水蒸发的2个阶段（分别为阶段2、阶段5，依次对应时间段为8 月27 日—9 月4 日、9 月16 日—9 月25 日），重点对如上2 个阶段产生的现象进行描述、分析。其中，初始饱和卤水界面上部的片状结晶因长时间暴露在卤水界面之上，早期产生的晶体受潮解作用影响，透明度降低，其后的实验产生的片状结晶叠合在原有晶体之上，从而干扰结晶顺序的判断，故该部分结晶现象的描述采用2020年8 月27 日—9 月4 日实验阶段结果。其余两部分晶体（初始饱和卤水界面下部漏斗晶+人字晶、卤水界面之上层状晶体结晶），在不饱和卤水注入后被重新溶解。最后一个实验阶段（第5阶段：9月16日—9月25 日），能够在保持较大水深条件下结晶，更有助于观察层状结晶对下部卤水的影响、盐层暴露后的持续变形，故该部分现象的描述重点围绕第5 阶段开展。

图2 气水界面上部片状晶体生长特征（比例尺见图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)

2.1 初始卤水表面上部

初始饱和卤水界面上部的片状结晶，其结晶特征如下（图2）：最早产生的结晶位于初始卤水界面之上，对应模型边缘的浅水区域（图2a）；早期产生的晶体作为晶核，其后产生的片状晶体绕核生长，每天相对高温的午后至傍晚晶体生长速度较快，而夜间结晶速度相应减慢（图2b～f）；石盐可以在非渗透性的玻璃水槽内壁生长，其上部生长界限难以突破模型的上部边缘（图3）；卤水与玻璃之间被泥层隔绝的条件下（对应图3中图片的上端），上部的片状晶体容易发生脱水变形，早期形成的片状晶容易发生褶皱变形、脱落，而后期产生的片状晶体紧邻玻璃一侧（图3b）。

图3 片状晶体失水后的变形特征（比例尺见图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)

这部分晶体生长，可以为易溶性蒸发岩结晶动力研究提供参考。前人曾经报道过该部分晶体，但未对其沉积动力进行分析[18-19]。禚喜准等[20]认为该部分盐岩是蒸发泵作用的产物。实验中采用的蒸发水槽为玻璃材质，其渗透率基本为零，水槽边界不具备毛细管力产生的条件；不可否认，盐岩的晶间空隙具备形成毛细管的可能，但在实验中同时发现片状晶体难以突破模型上缘，如果毛细管力是该部分晶体形成的主要动力，卤水干涸之前毛细管两侧液面无法达到平衡，晶体应该持续生长，且生长至模型上缘的片状晶不具备方向性，应该出现片状晶“溢出”水槽、沿着模型外侧生长的现象（图3b），事实上该现象并未出现。可见，卤水界面之上出现盐岩反重力向上生长，毛细管力并非该结晶的唯一动力，成因机制需要进一步探讨。

笔者认为不同阶段、不同构造位置结晶沉积的动力可能存在如下差异。

（1）泥岩毛细管的蒸发泵作用，是影响晶核产生部位的主要因素，浅水蒸发量大、卤水达到过饱和状态的时间更早，对应较早结晶的部位。由于实验中采用饱和氯化钠溶液进行蒸发实验，高温（午后大于35 ℃）、快速蒸发的实验条件下，短时间内产生了晶体沉积，最早析出的晶体绝大部分位于空气—卤水—泥层—玻璃（对应中央隆起，见图2a）、空气—泥层—玻璃界面附近（泥层顶面，见图2a），另有少量分布在空气—卤水—玻璃界面附近（对应洼陷带，见图2a）。由于卤水大于玻璃和泥层的比热，卤水较浅的中央隆起带附近，浅水升温快、蒸发量大，是造成空气—卤水—泥层—玻璃界面附近石盐率先析出的主要原因。空气—泥层—玻璃界面位于初始饱和卤水水面之上，结晶出的石盐与卤水无直接接触，推测泥层顶面受蒸发泵作用影响，卤水沿着毛细管向上运移，在泥层表面失水后结晶析出，因结晶时间相对充分，可以形成自形结构相对明显的漏斗晶（图4）。

图4 泥岩表面形成的漏斗晶（比例尺见图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）卤水—空气界面之上，水蒸气含量以及湿度差异可能是控制石盐分布范围的主要因素。片状晶体在玻璃容器的内壁上反重力生长，因玻璃不具备毛细管，这部分晶体的生长难以用蒸发泵作用来解释，片状晶体的成因需要结合实验环境进行探讨。实验中玻璃水槽内为空气流通相对局限的环境，内部水蒸气主要来源于卤水的蒸发，靠近水面湿度较大，在距离卤水顶面增大的过程中，空气中的相对湿度逐步降低。片状晶晶核产生之后，下部仍与卤水接触，卤水能够提供晶体生长所需要的钠离子、氯离子。在模型内空气湿度、石盐吸湿特性的影响下[21-23]，凝结于晶体表面上的水蒸气溶解部分晶体，形成饱和的氯化钠液态薄膜，而玻璃水槽内壁冷凝的水蒸气与晶体表面的液态薄膜相连，在浓度差作用下，离子以晶核为中心向周边扩散。午后随着室内温度降低，卤水蒸发量降低到一定程度之后，水槽内壁上液态薄膜的蒸发量大于水蒸气的补给量，晶体重新结晶（因昼夜温差存在，蒸发速度存在差异，片状晶体内出现明显的年轮状条纹。以图2b 为例，右侧高部位的片状晶体中，明显绕着27 日产生的晶核生长，能够清楚看到28 日、29 日晶体生长规模）。模型中，卤水上部距离水面越近空气湿度越大，与卤水直接接触的玻璃内壁上，晶体生长达到模型上缘以后（对应洼陷带上部，见图2f、图3），因空气中的水蒸气与周边空气快速交流，空气湿度难以达到氯化钠潮解所需要的相对湿度，晶体停止生长；卤水与玻璃之间被泥层隔绝的条件下（对应图3 中图片的上端），卤水产生的水蒸气一边向上运动，一边向四周湿度较低的部位扩散，从而造成该部位的空气相对湿度，氯化钠仅在低部位结晶，晶体向上生长至一定高度后，因湿度降低、片状晶体脱水并发生褶皱，从模型内壁脱离、剥落（图3b）。午后温度降低的过程中，水槽内壁上凝结的水蒸气向下流动，在片状晶体与玻璃结合部溶解部分氯化钠，并随着温度—湿度变化产生多个变形的片状晶体薄层，从而出现较老的片状晶靠近模型中心、较新的片状晶紧邻水槽的玻璃内壁（图3）。

2.2 初始卤水表面下部

初始饱和卤水界面下部（水面下降出露部分）漏斗晶与人字晶镶嵌生长：本阶段为使用饱和盐水蒸发实验，初始卤水界面上部的玻璃水槽内壁上布满早期阶段沉积的片状晶体（图5a）。随着卤水的蒸发，气液界面下降，部分卤水界面处形成的漏斗晶粘连在玻璃内壁上（图5b），脱离卤水界面的漏斗晶仍有生长变大的趋势（图5c）。多个小型漏斗晶作为晶核，后期晶体存在明显的绕核生长特征，沿着同一晶面生长的晶纹平行展布，漏斗晶相邻的两个晶面同时生长，当生长空间受到限制后，开始形成斜交的“人字型”晶纹，人字晶尖端指向生长方向（图5d），两侧晶纹的斜交部位，表现为弯曲的白色条带，该条带处于早期漏斗晶的对角线上（图5d）。部分晶面的晶体生长空间受限，人字晶两侧规模大小不一，两组晶纹的交叉线略有偏移（图5d）。随着蒸发进行，人字晶生长至一定规模之后，晶体内的条纹结构逐渐模糊（图5e），新的石盐沉积以片状晶为主。分布于卤水之上的漏斗晶、人字晶仍受卤水蒸发影响，温度较低的凌晨晶体表面受冷凝水汽影响，透明度明显偏低，温度较高、蒸发量较大的午后，呈镶嵌排列的漏斗晶+人字晶条纹相对清晰（图5f）。

图5 气水界面下部漏斗晶与人字晶镶嵌生长过程（比例尺见图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)

实验记录了漏斗晶—人字晶镶嵌生长的动态过程，可以为不同沉积环境下的盐岩晶型研究提供参考。前人研究一般认为，漏斗晶晶核形成于卤水界面之上[12-15]，多个漏斗晶联合可以形成漂浮于卤水界面之上的晶筏，当晶体生长到一定大小之后，在湖面波浪等动力作用下，晶体下沉至湖盆底部，并在卤水底部进一步生长；人字晶是湖盆萎缩至一定程度之后[10-12]，多个漏斗晶之间的桥接部分。基于以上认识，部分学者提出漏斗晶（特别是大晶粒漏斗晶）反应的水体深度大于人字晶[5,7]。依据本次实验结果可以作出如下推断：（1）漏斗晶与人字晶伴生的盐层中，漏斗晶一般形成时间较早，人字晶中斜交的晶纹是绕不同漏斗晶核生长，空间受到限制后的产物；（2）卤水蒸发，漏斗晶产生一定量之后，晶核之间的空间变小，其后必然产生人字晶，而漏斗晶+人字晶的组合可以出现在任何水深环境下，除了前人提出的浅水环境外，还可能出现在水面之上。

2.3 盐层封锁卤水顶面

在卤水蒸发到一定程度后，卤水之上逐步形成层状晶体，该现象在使用饱和卤水开展蒸发实验（阶段2、阶段5）时更明显，以实验阶段5 表现出的特征为例对该现象进行说明（图6），其特征如下：（1）晶体层出现在卤水过饱和阶段，此时卤水界面上部可见漂浮的漏斗晶，实验中饱和卤水在9月16日13:53注入（图6a），9 月17 日下午卤水界面处可以观测到漂浮的漏斗晶（图6b），对应的卤水边界出现类似水体结冰的层状晶体，泥层上部早期蒸发成因的盐可以作为卤水进一步结晶的晶核，晶体沿着卤水顶面层状生长，由于玻璃水槽内壁存在漏斗晶与人字晶镶嵌生长，推测水上盐层内同样可能捕获漏斗晶；（2）成层分布的晶体从边界向中心逐步生长（图6b～f），卤水与空气接触面积缩小，实验中9月17日—9 月19 日，可以观测到层状晶体自边界向卤水中心逐步生长，卤水界面之上的盐层具有较高的透明度；（3）层状晶体出现封锁界面之后，局部晶体层与卤水脱离，盐层与卤水之间混入空气的部位常表现为白色，与卤水接触的部位厚度持续增加，并可能造成水面晶体层的厚度不均；（4）成层晶体并不能完全封闭卤水，常残留气孔（图6e，f），实验中9月19日卤水之上绝大部分被层状晶体覆盖，仅靠近玻璃水槽内壁，裸露的小范围内卤水界面与空气接触，按照层状晶体的生长速度，9 月20 日应该实现对卤水界面的全面覆盖，然而9月21日21∶03仍然能够观测到残余气孔（图6f）。水上盐层逐步与卤水脱离，可能是造成气孔无法完全封闭的原因。

图6 盐层封锁卤水顶面过程（比例尺见图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)

自然条件下，盐湖强烈蒸发，进入干盐湖之前是否经历盐层封锁水面的现象？由于实验设计的水深较小，物理模型与盐湖盆地的相似性，直接决定了实验结果的参考价值。本次实验模型规模较小，考虑边界的影响，盐湖盆地中的小型洼槽经历盐层封锁相对容易理解。自然条件下的大型湖盆受风、水流影响较大，在强水流的影响下，推测该现象仍可能出现，理由如下：（1）观测盐层逐步封锁卤水面，不难发现其过程与水面结冰十分相似。寒冷条件下，面积较小、风浪影响较弱的水面相对容易冰封，而面积较大湖盆，受风浪扰动影响，虽然短时间内难以冰封，但在温度降低到一定程度之后，即便在强水流和大风浪的干扰下，表面仍可以形成较厚的冰层，这点在中国东北地区的河流、湖泊中都可以得到证实。与之相类比，卤水蒸发萎缩至一定阶段后，小型的洼槽可能较早被盐层封锁，而大型盐湖受风浪影响大，水面进一步萎缩，与之相伴随的是湖盆面积减小、水体进一步变浅，边界的盐层逐步向中心封锁，从而出现盐层封锁湖面后，底部仍存在卤水的现象。（2）形成盐层封锁水面的物理模型，具备的深度/宽度比值较大；现代盐湖沉积进入干盐湖阶段之前很少出现盐层封锁，可能是深度/宽度比值较小造成的，但在地质条件下，断陷湖盆的断层切割之后，正断层的下降盘可能形成相对局限且深度较大、宽度有限的水体环境。

盐湖表面一旦形成盐层封锁，可能对以下沉积过程造成干扰。

（1）盐层封锁水面，会造成卤水蒸发速度降低，浅水条件下漏斗晶同样可以长时间生长，形成大晶粒的漏斗晶。传统认识中，大晶粒漏斗晶需要长时间的生长，浅水蒸发环境下水体快速干涸，石盐晶核与卤水环境脱离后，晶粒停止生长，前期研究以此为依据推断大晶粒漏斗晶沉积时对应深水环境[7]。实验结果表明（图6，7）卤水顶面层状结晶形成以后，卤水仅在极小范围内与空气接触，蒸发速度明显降低。实验中，层状石盐基本完成水面封锁的时间为9 月19 日（图6f），从剖面上看，卤水深度约2 cm（图7a），9月21日卤水仍有少量蒸发，卤水与盐层基本脱离，中间混入空气（图7b）；9 月22 日午后记录到的卤水深度降低至0.5 cm（图7c），随着盐层气孔进一步减小，9 月24 日早晨记录到的底部卤水的深部没有进一步降低，反而增大到1 cm（图7d）。推测温度较高的午后，蒸发形成的水蒸气向上运动受阻，在盐层底部凝结，早晨温度降低之后，盐层下部空间内的水蒸气冷凝重新聚集于模型底部，从而造成水深不降反升的现象。实验室初始卤水深度较小的情况下，盐层封闭水面后，底部卤水蒸发十分缓慢，早期形成于底部的漏斗晶可以在较长时间内保持与卤水接触，晶体颗粒进一步长大。推测在自然条件下，盐湖表面被盐层封闭后，湖盆可能具备一定的水深，在蒸发速度极为缓慢的情况下，相对孤立的漏斗晶粒径生长，形成2 cm 以上漏斗晶，具备可能。总之，大颗粒漏斗晶的存在仅能代表卤水与晶核长时间接触，但不一定指示深水沉积的环境。

图7 盐层封锁水面对水体蒸发的影响（比例尺见图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）盐层封锁水面，可能影响其相邻层位的碎屑岩。一方面，水体表面被盐层封锁之后，卤水底部的有机质缺乏与氧气接触的机会，可能为浅水条件下有机质的保存提供便利，从而出现浅水成盐与暗色页岩互层；另一方面，盐层封锁水面后短时间内形成类似“平底锅”的古地形，携带碎屑物质进入盐湖的不饱和水体，可以将水面盐层再度溶解，原本处于盐层之上的碎屑岩坠落，重新沉积形成相对孤立的砂体。方志雄[24]在潜江凹陷的研究中，将该部分砂体的成因归结为“盐湖密度流沉积”，并认为是在盐湖水体分层的基础上，携带泥沙的水流沿着盐跃层（温跃层）界面流动产生的。本次实验结果可以为该部分砂体的解释提供一种新思路，而携带泥沙的水流沿着盐层表面流动、溶解后坠落，从而形成相对孤立于沉积体系之外的砂体，整个过程相对更容易实现。

3 结论

（1）石盐可以在卤水界面之上沉积，其形成的动力除了蒸发泵作用外，还受空气湿度和石盐潮解共同控制：石盐一般只在潮解的范围内沉积，卤水界面附近空气湿度较大，距离增大后相对湿度逐步降低至石盐潮解的临界湿度之下，晶体向上增长现象终止；这部分晶体的上缘受蒸发量（随着气温变化）、水蒸气补给等因素影响，潮解线下侧一定范围内，湿度较大时片状晶体溶解，湿度降低后晶体表面的溶液重新结晶，湿度进一步降低后晶体发生脱水变形、片状剥落。

（2）对于同一阶段产生的漏斗晶和人字晶，一般人字晶形成于漏斗晶之后：早期产生的漏斗晶作为晶核，绕着不同漏斗晶核生长的晶纹因发育空间受限，纹层斜交形成“人”字，人字晶中间的斜交条纹沿着早期漏斗晶正方形对角线延展，两种晶型可以同时沉积于水面之上。

（3）盐湖极度萎缩过程中，在干盐湖演化阶段前，可能经历盐层封锁水面的现象，该现象可以降低湖水蒸发速度，为浅水条件下形成大颗粒漏斗晶提供便利；同时，可能造成湖盆水动力条件发生改变，影响相邻层位碎屑岩的沉积，盐层下侧可以形成浅水岩盐+暗色页岩互层，岩盐上部可能出现相对孤立的砂体，这部分砂体是水上盐层溶解、上部碎屑物质再沉积后产生的。