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(2: 中国科学院西北生态环境与资源研究院, 中国科学院青海盐湖研究所, 青海省盐湖地质与环境重点实验室, 西宁 810008)
(2: Key Laboratory of Salt Lake Geology and Environment of Qinghai Province, Qinghai Institute of Salt Lakes, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, P. R. China)
尕斯库勒盐湖位于柴达木盆地西北缘，盐湖内富含芒硝、钾盐和铀等重要的矿产资源.通常认为干旱的气候条件、封闭半封闭的古湖盆地以及充足的水源补给是盐湖形成的必要条件[1].长期以来，学者们从地球化学[2-5]或古气候特征[6-8]来研究成盐物质的来源以及气候条件对盐类矿物分布的影响.然而，水力作用对成盐元素的迁移研究还十分薄弱.淋滤实验表明，在弱酸性、常温常压下，K+迁出岩石中的量为0.20 % [2].资料表明，晚更新世晚期尕斯库勒盐湖地形特征基本与现代盐湖相似，在大约10万年间尕斯库勒盐湖接受河流补给的盐分超过盐湖地层中KCl的储量[3].可见水体对成盐元素的迁移富集具有重要作用.
因此，本文在查明尕斯库勒盐湖成盐元素物质来源的基础上，重点研究水力作用下成盐元素在研究区空间上的分布规律, 对深刻认识成盐元素在空间上的循环规律具有重要的意义.
1 研究区水文地质概况本文选择河流源头至尕斯库勒湖一个完整的地下水流系统进行研究(37°35′~38°19′N，87°58′~91°07′E; 图 1).盐湖北部为阿尔金山系的阿哈堤山，平均海拔4790 m；东北部为油砂山，平均海拔3500 m；南部为昆仑山系的祁漫塔格山，海拔约为4500 m，盐湖位于盆地中央低洼地带，海拔约为2860 m，是各类水体的排泄区.研究区内褶皱构造和断裂构造普遍发育，其构造形迹在盐湖西北、东北部表现最为明显，断层大多为逆断层(图 1).盐湖及周边区的地层从震旦系到第四系都有出露[9-11](图 1).震旦系地层主要分布于阿尔金山山前，岩性以绿泥石片岩、石英片岩、大理岩和千枚岩为主.下古生界在阿尔金山和祁漫塔格均有出露，以硅质岩、安山岩、石英和大理岩为主.泥盆系出露在茫崖石棉矿一带，以安山岩和灰黑色砂岩为主.石炭系出露在盐湖南部的祁漫塔格北坡，以砂岩、页岩和石灰岩为主.三叠系在祁漫塔格地区发育，以页岩和酸性火山岩为主.而侏罗系广泛分布在阿尔金山前，以页岩、酸性火山岩为主.白垩系分布于阿尔金山与油砂山之间，以砂岩为主，而在祁漫塔格缺失；古近系分布于盐湖的狮子沟—干柴沟之间，以泥岩、石膏、芒硝和岩盐为主.新近系分布于盐湖北部的阿尔金山及油砂山一带，以泥岩夹石膏层为主；第四系发育广泛，分布于河床及湖盆附近，含粉砂石盐、泥岩夹岩盐、芒硝和石膏.
盐湖补给源主要为大气降水补给、地表水渗漏补给、含水层越流补给[9].平原区年均降水量55.34 mm，年蒸发量高达2856.93 mm，大气降水补给量较小.地表水补给源主要是库拉木勒克萨伊河(KLMH)和阿特阿特坎河(ATKH)，KLMH发源于阿尔金山南缘古尔岔山口，ATKH发源于祁漫塔格山，两河在高山区以地表径流为主，而在两河流汇集的不远处河流转入地下补给地下水，是地下水最主要的补给来源，其渗漏量为2.93×108 m3/a[9]，随着径流条件的改变和含水介质的变细，地下水由单一潜水渐变为潜水与承压水的双层水或多层水，承压水通过越流补给盐湖[12]，在出山口以泉的形式出露地表形成泉集河(ALEH)最终排泄至尕斯库勒盐湖.
2 采样及分析方法分别在2010年5—6月和2015年5—6月进行采样，从高山区到平原区采集66件样品，其中高山区：库拉木拉克萨伊河水样(KLMH)10件，阿提阿特坎河水样(ATKH)4件；溢流区：阿拉尔河水(ALEH)3件，泉水样(GQ)13件，溪水样(GX)6件，民用井水样(GJ)4件；平原区：盐湖卤水样(GH)10件，晶间卤水样(GJJ)11件，钻孔水(ZK06)5件，采样点分布如图 1所示.其中ZK06为完整井，钻孔深度达102.69 m，分别在3.67、19.70、31.70、55.50和61.00 m深度处取样，其剖面如图 1所示.
野外采样过程中利用多参数水质分析仪(YSI)现场获取水体的pH、氧化还原电位(Eh)、总溶解固体(TDS)和电导率(EC)等参数.室内分析测定水体中的常量元素，所有水样的分析均在中国科学院青海盐湖研究所分析测试部进行.其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-浓度测定采用常规重量法(误差0.5 %)和滴定法(误差0.2 % ~0.3 %)，测试结果见表 1.
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表 1 尕斯库勒盐湖区不同水体的理化参数及常量元素浓度 Tab.1 Statistical data of the chemical compositions and EC, pH, Eh, TDS in different regions of the Gas Hure salt lake, Qaidam Basin |
高山区(region 1)阳离子以Na+为主(约25 % ~90 %)，Ca2+次之(约为25 %)(除KLMH15-4、KLMH15-5、KLMH15-6、KLMH15-7、KLMH15-8)，阴离子以SO42-(约20 % ~70 %)和HCO3-(约20 % ~50 %，除KLMH15-1至KLMH15-8、ATKH15-1、ATKH15-2以及泉水样GQ15-11)为主，属SO4 ·HCO3-Na或SO4 ·HCO3-Na ·Ca型水；溢出带区(region 2)阳离子以Na+ (约30 % ~50 %，除GQ15-4)和Ca2+ (约30 % ~50 %，除GJ15-2)为主，阴离子HCO3-约为20 % ~50 %，Cl-占22 % ~50 %，水体类型属HCO3 ·Cl-Ca ·Na型；在盐湖沉积平原区(region 3)阳离子以Mg2+和Na+为主，变化范围分别为20 % ~95 %、0 % ~80 %，阴离子以Cl-占绝对优势，约70 % ~100 %，水化学类型为Cl-Na·Mg型(图 2).
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图 2 尕斯库勒盐湖区不同区域水化学类型 Fig.2 Piper plot of the chemical compositions for different regions in the Gas Hure salt lake |
总体上，从高山区—平原区，水化学特征从淡水逐渐过渡到咸水，在盐湖沉积平原区强烈的蒸发作用下演化为卤水；水体类型以碳酸盐型水逐渐过渡到氯化钠或氯化镁型水.
3.1.2 水体理化参数水体理化参数可以反映水体流经含水层的氧化还原条件和识别补、径、排规律.高山区—溢流区—盐湖区pH值变化呈现出弱碱性—弱酸性(图 3).库拉木拉克萨伊河和阿特阿特坎河水体pH值范围为8.01~8.93，平均值为8.29，溢出带区pH值范围为7.75~8.86，平均值为8.24，其大小与补给河水基本无变化，而在祁漫塔格山前局部地区pH较低.在盐湖区主要受蒸发作用水体演化为氯化物或氯化镁型卤水，pH范围为6.20~7.81，平均值为7.35.
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图 3 研究区pH、Eh、EC和TDS等值线 Fig.3 pH, Eh, EC and TDS isoline of the study area |
水体的Eh值对划分含水层氧化还原带具有重要的指示意义.高山区河流水体Eh值呈强氧化特征，Eh值范围为232.00~274.00 mV，平均值为256.58 mV；溢出带水体的Eh值范围为-113.00~237.67 mV，平均值为104.94 mV，其中GQ15-4、GQ15-9和GQ15-10的Eh＜0，为还原性水体；平原区水体的Eh范围为152.00~242.00 mV，平均值为174.70 mV(表 1，图 3).从采样点的分布情况来看，阿尔金山前含水层大体上处于氧化带，祁漫塔格山前局部含水层位于还原带，而在平原区横向上水体呈氧化环境，垂向上ZK06 Ⅰ~Ⅴ含水层呈氧化环境，说明ZK06含水层与周围水体具有水力联系.
EC是水体总溶解离子的总体反映，在一定程度上反映水体在流域水循环过程中径流路径和滞留时间的长短. EC大体上从高山区—溢流区—平原区是由低到高的趋势(平均值：0.91~6.02~155.97 mS/cm)(图 3).根据资料表明[9]，高山区河流平均流速为3.754 m/s，KLMH河流和ATKH河流量分别为3.2~4.6和2.2~4.1 m3/s，水流速度较快，瞬时流量较大，水在运移过程中，在岩石中滞留时间较短，从而矿化度低.在溢出带，EC变化范围为0.30~55.30 mS/cm，平均值为6.02 mS/cm，说明溢流区水岩之间的接触时间较长，水流速度较慢. GJ10-4、GX15-4、GX10-1样点的EC值较高(表 1)，说明其水体径流时间较长，可能具有区域循环水的特点.而在平原区，由于受到蒸发作用，水体的阴阳离子得到极大的浓缩，EC值范围为83.29~213.26 mS/cm，平均值为151.90 mS/cm.
TDS与EC值的分布规律基本一致(图 3).高山区水体的TDS范围为0.33~1.05 g/L，平均值为0.50 g/L；溢流区水体的TDS范围为0.24~45.06 g/L，平均值为4.36 g/L，而在油砂山前GJ10-4、GX15-4、GX10-1样点TDS值异常；平原区TDS值范围为126.38~397.61 g/L，平均值为298.93 g/L.
3.1.3 尕斯库勒盐湖成盐物质的来源水体中元素的形成作用有：溶滤作用、脱硫酸作用、脱碳酸作用、阳离子交换吸附作用、混合作用与浓缩作用[15].研究表明：若水体中的Na+来自石盐的溶解，则Na+与Cl-当量浓度比值为1，若其比值大于1，则说明还有来自硅酸盐的风化或其他钠盐的溶解. (Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)/(Na+-Cl-)的当量浓度比值常被用于研究区域阳离子交换吸附作用[16]，若水体中Ca2+或Mg2+被Na+交换，则(Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-)＜0，反之＞0；同样的如果水体中Na+被Ca2+或Mg2+交换，则(Na+-Cl-)＜0，反之＞0. (Ca2++Mg2+)/HCO3-的比值可以判断水体中Ca2+和Mg2+的来源.若其比值为1：1，则Ca2+和Mg2+来源于碳酸盐的风化；若其比值＜1，则其他矿物的溶解对Ca2+和Mg2+具有补给作用.通过(Na++K+)/(Cl-+SO42-)比值的相关性可判别水体流经过程中是否存在硫酸盐矿物[17-20].
高山区和溢流区水体中Na+与Cl-当量浓度比值在1：1线附近(图 4a)，说明水体中Na+与Cl-来自岩层石盐的溶解；平原区部分采样点的Na+/Cl-＜1，即(Na+-Cl-)＜0，结合图 4d表明，平原区水体中的Na+主要来自阳离子(Ca2+、Mg2+)交换吸附，Cl-来自石盐溶解或蒸发浓缩.高山区、溢流区和平原区水体中Ca2+和Mg2+不仅来源于碳酸盐的风化，还受到其他矿物溶解补给(图 4b).尕斯库勒盐湖周边地带自全新世以来富集KCl，地层中还有储量可观的石膏[3]，很好地解释了这一现象.从高山区、溢流区和平原区水体中(Na++K+)与(Cl-+SO42-)的平均比值分别为1：1.42、1：1.67和1：3.68，偏离1：1线，进一步说明水体流经地层中含有硫酸盐矿物(图 4c).
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图 4 元素比值之间的关系 Fig.4 Relation graphs of elements (in meq/L) in different regions of the Gas Hure salt lake, Qaidam Basin (a) The plot of Cl- versus Na+; (b) the plot of HCO3- versus (Ca2++Mg2+); (c) the plot of (Cl-+SO42-) versus (Na++K+); (d) the plot of (Ca2++Mg2+-HCO3--SO42-) versus (Na+-Cl-). |
Gibbs图被用于分析水体的成因类型，即岩石风化、蒸发以及大气降水成因[21-22].研究区水体以岩石风化和蒸发成因为主(图 5).通过各类输入源的质量平衡(R地下水=R大气降水+R碳酸盐风化+R硅酸盐风化+R蒸发盐风化)计算各类输入源对水体中溶质的贡献率[23-24].计算过程中由于采样点KLMH15-1位于河流源头，故将其离子浓度近似认为大气降水的输入值，假设Ca蒸发2+=0.冰川融水对地下水溶质的贡献最小，在溢出带地下水中溶质来源于碳酸盐(35.60 %)、蒸发盐(34.99 %)和硅酸盐(23.52 %)的风化；平原区地下水中溶质主要来源于碳酸盐风化(63.89 %)和蒸发盐风化(35.92 %)(表 2).资料表明[3]，溢出带区祁漫塔格山前及阿尔金山前由于构造运动导致第三系地层中沉积了大量的碳酸盐(方解石、白云石)，蒸发盐(石膏、钾盐、钠盐)主要赋存于油砂山组，沉积的KCl储量为1.470×107 t，NaCl储量为2.541×109 t[9].这些岩层中的成矿元素遭受淋滤并随地表和地下径流迁移到湖泊中，它们自上新世末以来一直在持续不断地补给盐湖，是现代盐湖盐类物质的主要来源.
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图 5 柴达木盆地尕斯库勒盐湖区各类水体的Gibbs图解 Fig.5 Gibbs plots indicating the mechanisms that determine major elements composition of different regions in the Gas Hure salt lake, Qaidam Basin |
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表 2 不同输入源对地下水溶质的贡献比值 Tab.2 Contribution ratios of different sources in the region 2 and region 3 |
一般来讲，当Ca2+(meq/L)＞SO42-+HCO3-+CO32-时，表明卤水具有深源补给特征[25].由表 1计算结果表明，GJ10-4、GJJ15-7和GJJ15-10样点的Ca2+(meq/L)-(SO42-+HCO3-+CO32-)>0，具有深源特征.尕斯库勒盐湖卤水和晶间卤水水化学类型为硫酸镁亚型盐湖，正常情况下水体中硫酸盐浓度较高，但从GJ10-4、GJJ15-7和GJJ15-10样点水化学特征来看，推断其是因硫酸盐型卤水和富Ca2+较淡深成水掺杂作用的结果.柴达木盆地周缘山区的断裂带附近分布着许多中生代至近代的火山活动而火山活动形成地热水中含有丰富的K+、B3+、Li-等，再加上尕斯库勒盐湖为叠置在更新世之上的一个第四纪全新世断陷湖盆，其构造区内分布着很多断裂带(图 1)，为深源物质提供输送通道成为可能[11].研究表明，尕斯库勒石盐中锶含量较高的现象指示盆地有锶的补给源，补给源与周边山系中的火山地热活动有关[3, 9].因此，尕斯库勒盐湖成盐元素的来源一部分来源受冰川融水的淋滤作用迁移富集作用而成；另一部分来物质来源与火山地热水的补给有关.
3.2.2 水力作用与成盐元素的分布规律水化学类型和理化参数显示，高山区河流与溢出带出露水体存在局部水力联系，而溢出带区油砂山前(GJ10-4、GX15-4、GX10-1样点)水体与高山区水体存在区域水力联系，溢出带祁漫塔格山前GQ15-4、GQ15-9和GQ15-10样点为还原性水体，可能存在独立的水流系统；在平原区ZK06各含水层接受河流补给，存在区域地下水流系统之外，GJ10-4、GJJ15-7和GJJ15-10样点还接受深部火山地热水的补给，水体明显的Ca2+富集，贫SO42-.通过局部和区域间的水力联系，最终将成盐元素输送至排泄区.其水力联系如图 6所示.
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图 6 区域地下水循环概念模式图(a:黑线代表局部地下水流系统；红线代表区域地下水流系统) Fig.6 Conceptual plots of groundwater system (a: black line means local groundwater flow system; red line means regional groundwater flow system) |
特定的水文地球化学参数可以刻画水动力条件和水化学演化趋势，其中γCl-/γCa2+比值和氯迁移系数(KCl-=(mCl-×100)/a·nCl-.式中：mCl-为Cl-在水中的浓度(g/L)；a为水的矿化残渣(g/L)；nCl-为Cl-在岩石中的百分含量, 为4.72×10-2[26])作为刻画水动力特点的参数，可以反映不同水文地质单元的水动力特征[27].分析结果表明(表 3)，宏观上从高山区到平原区水动力条件逐渐减弱，溢出带地下水转为地表水，在强烈的蒸发作用下，有利于Cl-的富集，TDS值升高. Ca2+是低TDS水体的主要离子，当水动力条件减弱时，其浓度降低，形成了在高山区以碳酸盐型水体类型为主，在溢流区以HCO3 ·Cl-Ca ·Na型水体为主，在平原区形成了富Cl-的高浓度卤水.
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表 3 不同分区γCl-/γCa2+系数与KCl-迁移系数 Tab.3 The γCl-/γCa2+ ratios and K Cl- of different regions and aquifers |
ZK06显示(表 3)，γCl-/γCa2+值在含水层Ⅰ~Ⅱ呈增大趋势，在含水层Ⅲ~Ⅴ之间，γCl-/γCa2+值减小，说明水动力条件在含水层Ⅰ~Ⅱ之间随着深度的增加而减弱，在含水层Ⅲ~Ⅴ之间随着深度的增大而增强.据钻孔资料[28]，含水层Ⅰ~Ⅱ之间的隔水层为黏土层，黏土层孔隙度很小，含水层Ⅰ~Ⅱ之间无越流补给；而Ⅲ~Ⅴ之间的隔水层为含石膏或石盐的泥岩，孔隙度与黏土层较大，在含水层Ⅲ~Ⅴ之间可能存在越流混合现象.
从局部地区来看，在溢出带GQ15-8、GJ10-3采样点的γCl-/γCa2+比值小于1，说明在GQ15-8和GJ10-3采样点附近贫Cl-、富Ca2+，水动力条件较好；GQ15-9、GJ15-2和GJ10-3样点水体中Cl-浓度低于溢流区其他水体，这些水体主要集中在阿拉尔断裂带和祁漫塔格断裂带附近，说明此局部地带水动力条件优越，不利于Cl-的富集.资料表明[9]祁漫塔格山前地下水较为丰富，含水层岩性为含砾粗中砂，孔隙度较大，富水性较强，这可能是该区水动力条件充足的原因.
成盐元素在水动力条件优越的地带Cl-浓度小，而Ca2+与HCO3-浓度较高，水化学类型为碳酸盐型水为主，属于淡水或咸水. Na+、K+、Mg2+和SO42-在空间上的分布规律基本与Cl-相似，在水动力优越的地带，其离子浓度较低，而在平原区水动力条件变差的地带，这些元素得到富集.
总之，在整个水流系统中水体之间的水力联系保证了蚀源区成盐元素能够从高山区最终富集到盐湖区形成盐类矿物，而水动力条件影响着成盐元素在空间上的分布规律，从而在盐湖区形成不同类型的水体.因此，在盐湖资源的开采过程中，必须充分考虑淡水的补给作用以及补给量等问题，否则可能出现盐湖资源品位降低或水位埋深降低而出现死矿的现象.
4 结论本文从研究区整个流域系统内各类水体的理化参数和水化学特征，探讨尕斯库勒盐湖成盐物质的来源、水动力条件和水力联系.得出以下结论：
1) 尕斯库勒盐湖中的成盐物质一部分来源于蚀源区的碳酸盐、硅酸盐和蒸发盐的淋滤风化作用所致，另一部分来源于深部火山热水补给.
2) 从高山区到平原区随着含水层岩性的变细和地势逐渐变缓，水动力条件逐渐变差；在平原区随着深度的增大，在含水层Ⅰ~Ⅱ之间水动力条件呈现出随着深度的增加而减弱，在含水层Ⅲ~Ⅴ之间水动力条件随着深度的增大而变充足.
3) 研究区水力联系较为复杂，在溢流区出露地表而存在局部水流系统，而在油砂山前可能存在区域水流系统；而另一部分河流水体补给地下卤水，与ZK06各含水层之间具有区域水力联系，在干盐滩南部靠近祁漫塔格山前接受深部地热水体的补给作用.
4) 水动力条件与水力联系影响着成盐元素的迁移速度和含水层氧化还原带，二者对元素及TDS值在空间上的分布规律及水体演化具有明显影响.
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