鹵水表面附近鹽巖結晶特征研究

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

0 引言

將今論古是地質學研究中的最基本方法，現有研究報道中，鹽湖盆地沉積模式的建立[1-8]，多以現代鹽湖中的水體分布及沉積特征為依據。然而，現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。實驗室開展的蒸發實驗，可以實現鹽巖結晶的動態觀測，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。

1 實驗模型設計

實驗模型在長20 cm、寬14 cm、高16 cm 規模的玻璃水槽基礎上改造，使用形態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）進行蒸發實驗。

圖1 常溫蒸發實驗模型示意圖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據未曾測試，根據現代湖盆氣象數據表明，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。

2 石鹽結晶特征及研究意義

實驗過程中，根據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、鹽層暴露后的持續變形，故該部分現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)

2.1 初始鹵水表面上部

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生脫水變形，早期形成的片狀晶容易發生褶皺變形、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泵作用的產物。實驗中采用的蒸發水槽為玻璃材質，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，但在實驗中同時發現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，晶體應該持續生長，且生長至模型上緣的片狀晶不具備方向性，應該出現片狀晶“溢出”水槽、沿著模型外側生長的現象（圖3b），事實上該現象并未出現。可見，鹵水界面之上出現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）泥巖毛細管的蒸發泵作用，是影響晶核產生部位的主要因素，淺水蒸發量大、鹵水達到過飽和狀態的時間更早，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實驗，高溫（午后大于35 ℃）、快速蒸發的實驗條件下，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泵作用來解釋，片狀晶體的成因需要結合實驗環境進行探討。實驗中玻璃水槽內為空氣流通相對局限的環境，內部水蒸氣主要來源于鹵水的蒸發，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薄膜，而玻璃水槽內壁冷凝的水蒸氣與晶體表面的液態薄膜相連，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，鹵水蒸發量降低到一定程度之后，水槽內壁上液態薄膜的蒸發量大于水蒸氣的補給量，晶體重新結晶（因晝夜溫差存在，蒸發速度存在差異，片狀晶體內出現明顯的年輪狀條紋。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）。

2.2 初始鹵水表面下部

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，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，人字晶兩側規模大小不一，兩組晶紋的交叉線略有偏移（圖5d）。隨著蒸發進行，人字晶生長至一定規模之后，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過程，可以為不同沉積環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，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在任何水深環境下，除了前人提出的淺水環境外，還可能出現在水面之上。

2.3 鹽層封鎖鹵水頂面

在鹵水蒸發到一定程度后，鹵水之上逐步形成層狀晶體，該現象在使用飽和鹵水開展蒸發實驗（階段2、階段5）時更明顯，以實驗階段5 表現出的特征為例對該現象進行說明（圖6），其特征如下：（1）晶體層出現在鹵水過飽和階段，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類似水體結冰的層狀晶體，泥層上部早期蒸發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為白色，與鹵水接觸的部位厚度持續增加，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，進入干鹽湖之前是否經歷鹽層封鎖水面的現象？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，推測該現象仍可能出現，理由如下：（1）觀測鹽層逐步封鎖鹵水面，不難發現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的河流、湖泊中都可以得到證實。與之相類比，鹵水蒸發萎縮至一定階段后，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，從而出現鹽層封鎖湖面后，底部仍存在鹵水的現象。（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；現代鹽湖沉積進入干鹽湖階段之前很少出現鹽層封鎖，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。傳統認識中，大晶粒漏斗晶需要長時間的生長，淺水蒸發環境下水體快速干涸，石鹽晶核與鹵水環境脫離后，晶粒停止生長，前期研究以此為依據推斷大晶粒漏斗晶沉積時對應深水環境[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，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境。

圖7 鹽層封鎖水面對水體蒸發的影響（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。

3 結論

（1）石鹽可以在鹵水界面之上沉積，其形成的動力除了蒸發泵作用外，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，晶體向上增長現象終止；這部分晶體的上緣受蒸發量（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象，該現象可以降低湖水蒸發速度，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。