瑪納斯湖濱岸帶鹽類和風成砂混合沉積特征及環境意義：來自物理模擬實驗的啟示

劉怡婷，尹太舉，唐勇，黃立良，鄒陽

1.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100

2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆 克拉瑪依 834000

混合沉積是目前沉積學研究的熱點之一，特別是鹽湖背景下的碎屑沉積，因為具有較好的成藏條件而富含油氣[1]，對于盆地中心的勘探有利區分布預測有重要意義。近年來在瑪納斯湖中心發現了大于20 m的厚層鹽巖沉積，在鹽巖沉積段內發現有分選極好的含油砂巖[2]。砂巖與鹽巖呈互層狀產出，極其純凈，幾乎不含泥類沉積，說明其形成于清水沉積環境。同時這種混合沉積在其他盆地內也有發現。國內外學者利用巖心、鉆井、測井、地震等資料，以及對現代沉積、古代露頭等考察對混合沉積開展研究，研究內容包括混合沉積巖石類型及其劃分[3-4]、沉積過程及其主控因素分析、非均質性[5]、油氣勘探研究[6-7]等方面。張亞奇等[8]對吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲層混合沉積進行了系統的沉積相研究，吳因業等[9]以柴達木盆地古近系為例，認為混積層系中的碳酸鹽巖發育層段可能是由于間歇性干冷氣候引起的硅質碎屑供應減少，而硅質碎屑層段則可能是由于濕熱氣候而引起源區大量硅質碎屑供應而形成的。盡管混合沉積現象普遍存在[10-11]，但是對瑪納斯湖中砂巖與鹽巖呈互層狀產出的混合沉積現象并沒有得到較好的沉積成因解釋，也沒有構建起沉積模式，對于其形成過程目前尚不明確，因而很難對其分布進行預測。

對新疆瑪納斯湖沉積觀察中發現，在濱岸帶發育鹽類與砂巖混合沉積，表明鹽類的沉積并不是只形成于深水湖盆中心，對于認識鹽湖背景下的混合沉積具有一定的指示意義。同時瑪納斯湖東部近岸區發育大量的風成沙丘，證明此地區具有強大的風力作用。從沉積動力分析，盡管瑪納斯湖中的砂巖可通過湖流搬運，比如異重流沿湖底或異輕流沿湖水頂層搬運到湖盆中心部位[12]，但瑪納斯湖巖心中的砂巖純凈，分選極好，顆粒較粗，為風成沉積。本文基于瑪納斯湖沉積過程觀察所獲得的風成沉積的初步認識，研制了風槽裝置，通過物理模擬實驗，再現了風成砂與鹽類的混合沉積形成過程，探討了不同溫度變化過程中的沉積形態差異，揭示了鹽類與風成砂的不同混合沉積形式能夠反映氣候變化，可為鹽湖背景下混合沉積的形成機制及沉積環境研究提供有價值的參考。

1 瑪納斯湖混合沉積

1.1 混合沉積特征

瑪納斯湖位于準噶爾盆地西部，呈東北-西南向，湖盆長50～52 km，寬10～15 km(見圖1(a))。該湖是一個大型的固液相間的硫酸鹽型咸水湖，周圍是鹽灘，東面和南面是固定、半固定沙漠。瑪納斯湖的補給來源包括大氣降水、鹽溶補給和西南角偶有洪水入湖，湖區絕大部分已結晶成鹽地[13]。

圖1 瑪納斯湖盆緣混合沉積特征

瑪納斯湖盆緣西北部濱岸帶鹽類多與粉細砂混合沉積(見圖1(b))，鹽晶的晶體顆粒大小多在1 mm左右，最大可達2～5 mm，晶形清晰，晶間由非晶質鹽類粘結。在西北部遠岸區逐漸過渡為粗砂，并開始出現礫石，這些碎屑零散狀聚集在瑪納斯湖濱岸帶的洼槽處，鹽類部分與粗砂、礫石混合沉積(見圖1(c))。全年主導風向為西南風，在東部近岸區，見有分選極好的沙丘沉積，以粉細砂為主，圖1(d)中紅框處為粒度取樣位置，取樣結果在后續實驗中給出。沙丘表面植被呈斑塊狀分布，大部分沙丘表面有薄層鹽土結皮，表明局部風沙活動強烈，為半固定沙丘。并且在瑪納斯湖東部濱岸帶的鹽灘中發育有大量的鹽裂縫，這些裂縫呈現出向上突出狀，在裂開部位向上掀起張開，鹽裂縫洼陷處形成砂質富集(見圖1(e))。這種風成砂分布不均指示著在鹽類沉積時期需要足夠的風力來保證充分的物源供給，從而形成盆緣濱岸帶鹽類與風成砂混合沉積。

1.2 混合沉積成因分析

瑪納斯湖距海遙遠，受來自北冰洋潮濕氣流的影響，氣候差異明顯。前人對于準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組沉積演化研究分析認為，整體氣候演化為半干旱-較濕潤-干旱-較干旱[14]：第1階段(見圖2(a))湖平面較高，氣候半干旱，陸源碎屑供給少，以風力作用搬運的堿性火山碎屑巖為主；第2階段氣候較濕潤(見圖2(b))，湖平面升高，富有機質泥巖發育；第3階段氣候變干旱(見圖2(c))，湖盆萎縮，因長期處于欠補償作用，鹽度升高湖盆內堿性礦物發育；第4階段氣候較干旱(見圖2(d))，湖平面再次升高后，鹽度逐漸降低，陸源碎屑持續供給，沉積白云巖及云質巖并與堿性礦物混合沉積。從瑪湖凹陷風城組混合沉積演化階段可以得出，氣候是影響湖盆內混合沉積發育的重要影響因素。

圖2 瑪湖凹陷風城組混合沉積演化示意圖(據文獻[14]，有修改)

2 混合沉積物理模擬實驗

基于瑪納斯湖沉積過程觀察所獲得的風成沉積的初步認識和對瑪納斯湖濱岸帶混合沉積特征描述，以及前人對于瑪湖凹陷風城組混合沉積演化過程中把氣候作為重要控制影響因素的基礎上，建立了風槽裝置，采用單因素控制變量法，通過2組不同溫度下(恒溫組與變溫組)鹽類與風成砂的物理模擬實驗，再現了瑪納斯湖鹽類與風成砂的混合沉積過程，探討在風成作用下砂質與鹽類混合沉積形式與成因機制。實驗結果表明，鹽類與風成砂存在2種混合沉積形式：恒溫組實驗中鹽類與風成砂層狀混合沉積，鹽類沉積厚度大，晶體多為垂向加積的粗晶；變溫組實驗中鹽類與風成砂差異混合沉積，鹽類沉積厚度較薄，鹽類整體的結晶形態隨溫度變化而不同。

2.1 實驗設計

1)實驗依據。①瑪納斯湖中鹽類采用碳酸鈉替代。根據鹽湖主要水化學成分分類，有碳酸鹽型、硫酸鹽型及氯化物型，其中硫酸鹽具有腐蝕性，不利于開展實驗；而碳酸鹽如碳酸鈉相較氯化物如食鹽(氯化鈉)對溫度的敏感性更強，溶解度隨溫度升高而增大(見圖3)。因此在后續加熱制配過飽和溶液的實驗過程中，碳酸鈉會更快析出晶體，節約實驗周期，有利于觀察不同溫度對晶體的影響。②實驗供砂粒度依據瑪納斯湖風成沙丘采樣(位置見圖1(d)中風成沙丘紅框處取樣)，粒度分析結果如圖4(a)所示，主要為粉細砂，D50=9.669，粒徑范圍主要分布在1～100 μm，將實驗供砂用泥砂篩分裝置與瑪納斯湖風成沙丘采樣結果進行配比，粒度范圍盡可能與采樣結果相契合；③溫度(氣候)變化由實驗室內加熱器與散熱器控制。

圖3 碳酸鈉與食鹽溫度溶解度關系對比圖

注：D10為縱坐標累積分布10%所對應的橫坐標直徑值；D50為縱坐標累積分布50%所對應的橫坐標直徑值，表示樣品的平均粒度；D90為縱坐標累積分布90%所對應的橫坐標直徑值。

2)實驗條件。①溫度條件：實驗分為恒溫組與變溫組兩組，其中變溫組為還原瑪納斯湖沉積時期氣候從較半干旱-較濕潤-干旱-較干旱的氣候演化過程，溫度變化范圍為先升高(4～11 ℃)后持續降低至0 ℃，再升溫至13 ℃(見圖5)；②水深條件：實驗統一水深30 cm；③供砂粒度：每組供砂總量均為50 L，在風槽裝置中勻速加入粒徑范圍0.5～75 μm的粉細砂，D50=8.002(見圖4(b))；④溶液配比：2組統一為2.5 kg碳酸鈉/5 L水。

圖5 實驗溫度設計曲線圖

3)實驗裝置。①小型玻璃水槽：長0.6 m，寬0.3 m，高0.35 m；②鼓風機：可以根據不同等級的風力制造出6～18 m/s的風速；③風槽：長5 m，寬0.5 m，高0.4 m，水泥制成的矩形沉積槽。

4)實驗模擬過程。①制取過飽和碳酸鈉溶液，攪拌均勻后加熱至最大飽和溫度40 ℃，充分溶解后放入實驗裝置內靜置；②待過飽和溶液靜置至充分結晶后，開始在風槽加砂，利用鼓風機模擬風成作用；③待供砂完全沉降后再次加入過飽和碳酸鈉溶液靜置；④循環上述過程直至50 L實驗供砂完全沉降，從而再現鹽類與風成砂的混合沉積過程，并觀察記錄實驗結果。

2.2 實驗結果

2組實驗結果表明，溫度控制影響鹽類與風成砂混合沉積，發現存在兩種不同的混合沉積形式，恒溫組(持續低溫下)鹽類厚度大于風成砂，呈層狀混合沉積；變溫組(溫度連續變化下)鹽類呈放射狀與風成砂差異混合沉積。

2.2.1 層狀混合沉積

恒溫狀態時，實驗室平均溫度3 ℃，整體溫度變化范圍為0～7 ℃。鹽類的結晶速度較快，8 h后鹽類結晶體逐漸擴大至融合鏈接，基本形成一塊完整的結晶體。

如圖6(a)所示，St1，St2，St3分別為第1，2，3期鹽類結晶，沉積厚度大；Sd1，Sd2，Sd3分別為第1，2，3期風成砂沉積。鹽類與風成砂的沉積具有明顯的韻律性，呈層狀混合沉積。

圖6 鹽類與風成砂層狀混合沉積實驗結果

鹽類厚度迎風面比背風面更厚，迎風一側距離風源更近，溫度下降更快，鹽類沉積速度較快，更早達到過飽和后沉積，可容空間足夠時可垂向加積形成較厚的結晶體。分別在實驗第4、6、8 h對同一位置的結晶體取樣(取樣位置見圖6(a))，觀察到整體呈現自生加大的趨勢(見圖6(b))，晶體顆粒較粗。

2.2.2 差異混合沉積

如圖7所示，Sc1，Sc2，Sc3分別為第1，2，3期鹽類結晶，As1，As2，As3，As4分別為第1，2，3，4期風成砂沉積。

圖7 鹽類與風成砂差異混合沉積實驗結果

實驗進行1 h(4 ℃)時，鹽類的晶核在此階段其實已經有形成，但存在時間較短并迅速溶解。

實驗進行7 h(11 ℃)時，水界面附近出現晶體析出，隨著實驗進行，整體厚度較薄，呈半透明狀，當水面懸浮晶體增大到一定程度，會緩慢降落至水底，同時水槽底部也出現晶體。隨著實驗進行，風成砂與鹽類的沉積厚度逐漸增加，但位于槽底的鹽類增長緩慢。

實驗進行19 h時，溫度經歷了多次變化，首先溫度從4 ℃逐漸升高至11 ℃，Sc1結晶形態為放射狀；然后溫度從11 ℃持續降低至0 ℃，Sc2結晶形態呈層狀。因溫度的連續變化，導致在鹽類沉積的過程中，同時存在部分鹽類發生溶解，且崩塌頻率較高，使As1與As2侵入Sc1被溶蝕部位混雜分布，與鹽類形成差異混合沉積。

實驗進行25 h時，此時溫度由0 ℃逐漸升高至6 ℃，鹽類溶解速度較實驗前19 h慢，As3并未侵入下伏Sc2中，呈層狀混合沉積。

實驗進行31 h時，溫度由6 ℃逐漸升高至13 ℃，雖然溫度升高會使鹽類溶解，但是溫度并沒有發生連續的變化，崩塌頻率低，所以Sc3晶體形態較穩定，As4與Sc3呈層狀混合沉積。

變溫組實驗與恒溫組實驗相比，變溫組鹽類的結晶厚度整體較薄，且結晶形態不同。結果表明，溫度不僅控制著鹽類的溶解與結晶速度以及崩塌頻率，也影響著鹽類晶體的形態。溫度發生連續變化時，鹽類溶解速度較快崩塌更頻繁，晶體形態不穩定，呈放射狀；溫度無連續變化時，溶解速度緩慢，晶體形態穩定，呈層狀。

3 分析討論

通過物理模擬實驗，得到了鹽類與風成砂混合沉積形式：層狀混合沉積、差異混合沉積。將這種不同的混合沉積形式實驗結果與現代瑪納斯湖濱岸帶混合沉積特征類比，分析其成因機制，揭示了鹽類結晶形態差異與風成砂不同的混合沉積形式能夠反映溫度(氣候)的變化。

3.1 鹽類沉積方式

變溫組實驗中鹽類主要沉積方式為崩塌沉降(見圖8(a))。當鹽類自身重力大于水面的浮力時發生崩塌，同時溫度升高后蒸發作用強烈，鹽類持續析出并結晶后再次崩塌沉降，這種鹽類析出隨著晶體的聚集后沉積于水下的過程是鹽類的主要沉積方式之一。而溫度則是影響鹽類結晶析出后崩塌沉降的主控因素，連續的溫度變化使鹽類溶解速度不同，從而形成鹽類與風成砂差異混合沉積。

圖8 實驗中鹽類沉積方式

恒溫組實驗中鹽類主要沉積方式為垂向加積(見圖8(b))。當鹽類析出后沉降至底部時，溫度變化不大，溶解緩慢，結晶速度快，結晶體多為垂向加積并逐漸自生加大，連接成一塊完整的結晶體。

3.2 溫度影響混合沉積形式

變溫組實驗與恒溫組實驗相比，風成砂整體分布不均。迎風面風成砂沉積較少，更多沉落在背風面(見圖9(a))以及底床表面的局部洼陷處。實驗中風成砂分布特征與瑪納斯湖濱岸帶風成沉積現象不一致，分析其原因：由于裝置的弊端，迎風面一側存在相對的阻擋處(如玻璃壁)，風不易將砂體搬運，從而造成迎風面風成砂沉積不連續，厚度薄。

圖9 變溫組風成砂分布與鹽類沉積特征

實驗中迎風面鹽類沉積更厚，風成砂與鹽類存在兩種不同混合沉積形式的實驗結果，類比瑪納斯湖濱岸帶的混合沉積特征，可以得到以下啟示：

當氣候穩定，持續干旱時，湖泊鹽度升高導致鹽類持續沉積，同時在湖泊的不同部位由于溫差或注入流體的差異而造成濃度差[15]，從而使得鹽類的沉積也并不均衡，如實驗中受溫度差異的影響，迎風面距離風源更近，溫度下降更快，蒸發量大從而更易于達到過飽和后較快的沉積，形成鹽類的富集，使得鹽類厚度較大(見圖9(b))，背風面相對蒸發量小，鹽類沉積較薄。在湖泊其他區域，如封閉的湖灣區，由于注入補充少，水體深度小，升溫快，且蒸發量大而更易于過飽和沉積。在較深水域與外部注入水體連通性較好的區域，水體總量大，鹽度小，升溫慢，相對蒸發量小而不利于鹽類的沉積。這種溶蝕和再沉積過程與風成砂共同或間互作用時，會造成風成砂的結構產生變化，原生結構與構造不一定能夠保存下來，從而使鹽類與風成砂存在不同的混合沉積形式。

3.3 鹽湖背景下混合沉積演化過程

根據上述實驗結果分析，結合瑪納斯湖濱岸帶混合沉積現象，鹽湖背景下的混合沉積演化過程可以描述為如下4個階段：①湖水濃縮階段(對應實驗中降溫迅速，鹽類形成階段)。當氣候較干旱時，淡水補給不夠，湖水開始濃縮，近水面的水體密度升高，致使水體過飽和鹽類開始逐漸形成析出，細微的鹽類晶體開始沉降。沉降至湖盆深部的同時，由于深部湖水含鹽度相對較低，晶體再次溶解。但因為該階段湖水表面與深部的含鹽度相差不大，在湖底很難形成完整的鹽類沉積。②湖水過飽和階段(對應實驗中鹽類析出結晶階段)。湖盆邊緣溫度較高，部分水體與地下水連通，在經過湖水稀釋、氣候干旱強烈蒸發的共同作用下，湖盆濱岸帶水體蒸發速度明顯加快；且濱岸帶附近的水體總量較湖盆中心小，所以濱岸帶鹽類的晶體會率先析出并沉降。此時，在進一步的蒸發作用下鹽湖中心開始析出晶體，因水體密度較大，湖盆中心的鹽類的結晶形態多呈放射狀分布且厚度小、質量輕。③鹽類大量沉積階段(對應實驗中鹽類大量沉降階段)。水界面附近依舊是蒸發最強烈部位，鹽類沉積厚度增加較快，隨著蒸發作用的進行，湖盆邊緣迎風面鹽類沉積較厚，背風面相對較薄。靠近湖盆中心，懸浮于溶液表面的鹽類崩塌沉降至湖底堆積，并逐漸垂向加積，形成一塊完整的結晶體。④風力作用加強階段(對應實驗中鹽類溶解后再結晶，與風成砂混合沉積階段)。當氣候較濕潤時，風力作用強盛地區，蒸發作用強烈鹽類更快達到飽和后沉積，鹽類沉積較完整，鹽類與風成砂層狀混合沉積；風力作用相對較弱地區，鹽類沉積不完整且厚度較薄，此時鹽類與風成砂差異混合沉積。

4 結論

1)溫度控制影響鹽類與風成砂不同的混合沉積形式。持續低溫時，鹽類沉積厚度較大、晶體形態呈層狀，多為自形粗晶并與風成砂層狀混合沉積；溫度連續變化時，鹽類沉積厚度較薄，晶體形態呈放射狀。同時，連續升溫造成鹽類溶解，降溫后再結晶的過程使風成砂侵入鹽類被溶蝕部位混雜分布，形成鹽類與風成砂差異混合沉積。

2)鹽類結晶形態差異以及與風成砂不同的混合沉積形式能夠反映溫度(氣候)的變化，因此對于鹽湖背景下的混合沉積環境研究具有重要指示意義。

對審稿專家與編輯老師提出的寶貴建議表示最誠摯的謝意！