鲁西南单县盆地钻孔记录的古近纪环境变化

　　摘要鲁西南地区的单县盆地盐矿是新发现的小陆块盆地形成的大型盐类矿床，成矿时代为古近纪(主要是始新世中晚期至渐新世)。基于单县盆地YZK-3钻孔(521.7m)元素和碳氧同位素的分析，探讨单县盆地在古近纪时期的古环境演化特征。研究表明：1)单县盆地YZK-3孔沉积物水溶元素和酸溶元素及比值的变化反映了湖泊的咸化和淡化过程;2)受热液补给和成岩作用影响，碳酸盐δ18O和δ13C的相关性不适合论湖泊的封闭与开放状态，但变化趋势仍具有古环境意义;3)始新世至渐新世，单县盆地古湖泊经历了淡水湖—咸水湖—盐湖—咸水湖—淡水湖的演化过程，其干旱化趋势明显。全球气候变化是成盐作用的主要驱动机制。

　　关键词碳氧同位素;元素;古环境;古近纪;单县盆地

　　引言

　　我国的蒸发盐矿普遍规模小，且多分布在西部地区，东部较少，但是古近纪时期，鲁东地区发育聚煤盆地[1]，而鲁西南地区则发育一系列蒸发盐矿床[2]。古近纪是山东省盐岩成矿主要的三个时期之一，已发现的含盐盆地为大汶口盆地、平邑盆地、枣庄盆地等，盆地内沉积序列均以湖相为主，沉积序列组合在盆地边缘上沉积厚度较薄[3]。由于煤矿和盐岩形成的气候条件截然不同，表明古近纪时期山东具有复杂的古气候和古地理格局。古近纪时期鲁西南和鲁东地区的各个盆地均受控于郯庐断裂，盆地的断裂构造为盐类矿床的形成提供了有利的成矿地质条件，构造裂隙也为成矿物质的运移提供了通道，而干旱气候则是盐类矿床形成所必需的气候条件。

　　单县盆地盐矿为山东省地质勘察队在鲁西南地区新发现的盐类矿床，据初步勘察，其盐储量达到百亿吨，是典型的小陆块盆地形成的大型盐类矿床。盆地内的沉积物能够记录大量的古气候古环境演变信息，是研究成矿地区古湖泊演化模式的重要载体。单县盆地在始新世中晚期—渐新世形成了巨厚的蒸发盐层，但其成盐期的古气候古环境研究较少。湖泊沉积物元素地球化学含量的变化可敏感反映湖泊沉积环境的变化过程[4]，碳酸盐的碳氧同位素组成作为湖泊环境变化的一项指标，也早已被用于湖泊研究中以解释古环境变化[5-8]。

　　基于此，本文利用单县盆地边缘的YZK-3钻孔(34°81′N，116°12′E，长约520m)岩心样品，在矿物学研究基础上，开展湖泊沉积物元素地球化学和碳酸盐碳氧稳定同位素测试分析，探讨古近纪时期单县盆地古湖泊的古环境演化历程和相应的古气候条件。

　　1背景

　　1.1地质背景

　　鲁西南单县盆地位于华北板块东南缘，形成于白垩纪晚期，受控于郯庐断裂[2,9-10]。郯庐断裂的演化对鲁西南地区盆地的形成产生了重要影响[11-12]。晚侏罗世至始新世，郯庐断裂以左旋剪切活动为主转变为右旋剪切活动为主，导致鲁西南地区发育不同方向的断层，如NW、EW、NE向断层[11]。华北成盐区是中国东部中新生代主要成盐区，鲁西南地区归属于华北成盐区，据刘群等[2]，其成盐时代为始新世中晚期—渐新世。

　　另外，根据岩心特征和地层对比[12]以及内部资料，钻孔层位为管庄群的大汶口组。因此，初步推断单县盆地YZK-3钻孔的年代最大范围为始新世—渐新世。始新世中晚期—渐新世早期，鲁西南地区各个盆地沉积演化大体相似，均由淡水湖或半咸水湖逐渐演变为咸水湖[3]，演化过程中可能受海侵影响[12]，但单县盆地石盐和硬石膏的锶同位素及沉积学特征均没有识别到海水信息①。渐新世中期，断裂活动停止，盆地不断被碎屑物质充填[3]。鲁西南单县盆地位于黄泛冲积平原，目前被第四纪松散堆积物所覆盖。

　　1.2YZK-3钻孔特征

　　YZK-3钻孔岩性变化：635.38~861.88m为砂岩层与泥岩层交替出现，部分砂岩呈团块状和团粒状，712.38m之后至钻孔中部多数层位有纹层;861.88~1099.98m均为泥岩层与蒸发盐层交替，泥岩大部分呈薄层状;1099.98m往下至底部重新变为泥岩层与砂岩层交互出现，含少部分蒸发盐层(研究区主要是石膏和石盐层)。

　　钻孔中的碎屑矿物主要是石英、长石、黏土矿物和云母，非碎屑矿物主要是碳酸盐、石膏、硬石膏以及少量石盐。碳酸盐矿物有方解石、铁白云石、少量文石和微量白云石，总碳酸盐含量为2%~82%，最高值出现在843.38m处。根据矿物种类和含量分布以及沉积物沉积特征将单县盆地古湖泊演化分为六个阶段，对照深度为阶段Ⅰ(1157.08~1153.38m)、阶段Ⅱ(1153.38~965.18m)、阶段Ⅲ(965.18~961.5m)、阶段Ⅳ(961.5~862.88m)、阶段Ⅴ(862.88~733.38m)、阶段Ⅵ(733.38~635.38m)。

　　2材料与方法

　　根据岩性变化，按照2~3m间隔，挑选样品，研磨至200目左右，分别进行元素和碳酸盐碳氧同位素的测试，元素分析样品242个，全样碳酸盐碳氧同位素测试145个，4个样品过400目筛网(孔径38µm)，做碳氧同位素的对比分析。前处理及分析程序如下：元素测试分析：1)水溶，称取0.5~0.8g样品(准确记录)放入离心管中，加入10mL超纯水，充分摇晃后静置12h，离心，取上层清液3mL，并加10mL超纯水定容;2)酸溶，倒掉水溶样品的剩余上层液体，加入超纯水10mL，振荡，离心，倒掉上层液体，重复三次，清洗掉水溶组分，加入醋酸(1mol/L，1：9)10mL，超声2h，离心(3000r，>20min)，取上层清液1mL，加入10mL超纯水定容。元素测试在中国科学院青藏高原研究所大陆碰撞与高原隆升实验室完成，使用仪器为美国Leeman公司生产的电感耦合光谱仪器(ICP-OES)。

　　碳氧同位素：称量约100μg样品，放入12mL反应瓶中，通入高纯度氦气(99.999%，流速100mL/min)，持续600s排空处理;加5滴100%无水磷酸，在72℃加热盘中反应和平衡大于4h。反应达到平衡后，CO2气体通过70℃熔硅毛细管柱(PoraplotQ，25m*0.32mm)，与其他杂质气体分离后进行碳氧同位素的测试。该实验在国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室完成，使用仪器为MAT253质谱仪。

　　3实验结果

　　3.1元素

　　水溶组分元素Ca、Mg、Sr、Na和K的含量及变化。各元素的平均含量由大到小为Na>Ca>K>Mg>Sr。Na、Ca和Sr的变化趋势比较明显，总体较为一致。Na含量由钻孔底部至顶部先升高后降低，最高值位于盐湖阶段。Ca和Sr含量在淡水和咸水湖阶段的趋势与Na较为一致，但在盐湖阶段没有出现峰值。Mg和K的曲线没有明显的变化趋势。

　　易溶盐离子总量(Total)变化趋势与Na较为一致。Mg/Ca摩尔比仅在底部和750~800m之间出现峰值，与沉积环境的变化没有关系，Sr/Ca摩尔比值在咸水湖环境中偶尔出现几个峰值。酸溶元素Ca、Mg、Sr和Fe含量分别为0.64~348.28mg/g、0.25~69.44mg/g、0.01~10.85mg/g和0.02~3.33mg/g，平均值分别为94.9mg/g、8.57mg/g、0.88mg/g和0.71mg/g。Ca为酸溶组分的主要元素，由于沉积物中出现多种碳酸盐矿物，Ca与常见的类质同像替代元素Mg、Sr等元素曲线之间，没有相似的变化趋势。Ca、Mg、Fe和Sr含量总和与碳酸盐含量呈显著正相关，说明这些元素主要来源于碳酸盐矿物。

　　3.2碳氧同位素

　　全样碳酸盐的δ18O和δ13C多为负值，δ18O值在-13.1‰和2.9‰之间，平均值为-6.78‰，最大变幅为10.2‰;δ13C值在-10.2‰和2.3‰之间，平均值为-6.37‰，最大变幅为6.7‰。碳氧同位素与总碳酸盐含量具有相似的变化趋势。阶段Ⅰ(1157.08~1153.38m)，δ18O和δ13C值较低，平均值分别为-7.3‰和-5.25‰;阶段Ⅱ(1153.38~965.18m)，δ18O和δ13C值虽然较上一阶段偏正，但钻孔中δ18O最低值出现在该阶段;阶段Ⅲ(965.18~961.5m)，δ18O均为正值，δ13C值延续上阶段的波动，但波动幅度小;阶段Ⅳ(961.5~862.88m)，δ18O和δ13C变化较大，存在明显负漂;阶段Ⅴ(862.88~733.38m)，δ18O波动幅度降低，δ13C与上一阶段呈反向波动;阶段Ⅵ(733.38~635.38m)，δ18O和δ13C值均大幅降低，平均值分别为-6.02‰和-5.33‰，钻孔中δ13C最低值出现在该阶段。虽然碳氧同位素基本呈同步变化，但波动频繁且幅度较大。

　　4讨论

　　4.1YZK-3钻孔碳酸盐来源

　　钻孔中碳酸盐矿物主要是方解石和铁白云石，文石和白云石少量。一般认为，湖泊沉积物中方解石有三种来源：化学沉积(包括自生的、成岩作用期析出的)、碎屑来源以及生物来源，化学沉积是方解石的主要成因，碎屑和生物方解石的含量较少[13-16]。湖泊沉积物中，生物成因方解石主要来源于生物壳，如介形虫壳，而湖泊沉积物中生物壳的重量仅几个微克，不足以影响全样方解石的含量[14,16]。

　　碎屑矿物石英与方解石含量之间的关系可以佐证方解石的成因。石英和方解石在不同盐度的湖泊中相关性明显不同，淡水湖阶段，二者相关性较高(2=0.51)，而咸水湖和盐湖阶段，二者基本不相关(2=0.07)。淡水湖阶段碎屑来源的方解石含量不可忽视，而咸水湖和盐湖阶段方解石以化学沉淀为主，碎屑来源的较少。无论湖泊处于哪个阶段、无论方解石哪种来源，酸溶组分Ca与方解石含量之间均呈明显的正相关关系，说明沉积物中碳酸盐矿物以方解石为主。文石一般出现在咸水湖和盐湖环境中[15]，为不稳定矿物，湖泊沉积物中的文石可直接认定为自生矿物。

　　高Mg/Ca摩尔比为文石析出的条件之一[17]，高Mg2+能有效阻止方解石晶体的生长，使文石优先生长[18]，但Mg2+难以进入文石晶格之中。与Mg2+不同，Sr2+易进入文石晶体中，或是与有机质结合而促进文石晶体的生长[19]。钻孔中文石含量高的层位Sr也更加富集，文石与Sr有较好的相关性(2=0.4)，而Sr与方解石之间基本不存在相关性。

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　　5结论

　　(1)单县盆地YZK-3孔水溶元素代表了易溶盐离子含量，酸溶元素代表了碳酸盐矿物的元素组成。水溶元素Na含量、易溶盐离子总量和Mg/Ca比值均反映了湖泊的咸化和淡化过程，而酸溶元素Mg/Ca比值的变化与碳酸盐矿物种类相关。由于盆地受热液和成岩作用影响，水溶和酸溶元素及比值的变化不完全一致。

　　(2)钻孔YZK-3的碳酸盐矿物δ18O和δ13C相关性与湖泊的封闭状态无关，但全样碳酸盐碳氧同位素的变化趋势仍可以用来讨论古环境演化。δ13C负漂的原因有气候极热事件和碳酸盐形成过程中有机质的参与。

　　(3)始新世中晚期—渐新世时期，单县盆地位于全球的干旱气候带上，即蒸发盐矿床的形成受控于全球干旱气候。

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　　作者：路淑毅1,2，杨斌3,4,5，李胜荣1，宋香锁3,4,5，杜圣贤3,4,5，高建飞6，张尚坤3,4,5，李明慧2，张伟林2