2018, Vol. 30 
(2: 青海省盐湖地质与环境重点实验室, 西宁 810008)
(3: 中国科学院大学, 北京 100049)
(4: 青海省地震局, 西宁 810001)
(5: 宁夏回族自治区地震局, 银川 750001)
(6: 青海民族大学, 西宁 810007)
(2: Key Laboratory of Salt Lake Geology and Environment of Qinghai Province, Xining 810008, P. R. China)
(3: University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China)
(4: Qinghai Earthquake Administration, Xining 810001, P. R. China)
(5: Ningxia Hui Autonomous Region Earthquake Administration, Yinchuan 750001, P. R. China)
(6: Qinghai Nationalities University, Xining 810007, P. R. China)
我国盐湖分布范围广、数量多，主要分布在西藏、青海、内蒙古和新疆四省区.在地理环境和气候条件的控制下，盐湖分布呈现出明显的区域性和地带性，藏北(羌塘)高原、阿里高原、柴达木盆地、可可西里、阿拉善高原、准噶尔盆地和塔里木盆地等是盐湖分布的集中地区.其中阿拉善高原位于内蒙古西部，分布有著名的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠，在这些沙漠的沙丘洼地间散布着许多盐湖，这些盐湖的形成演化与青海和西藏的盐湖不同，与沙漠演化相伴相生是其最大的特征.腾格里沙漠盐湖区位于阿拉善高原南部，区内盆地大都在晚第三纪至第四纪形成，盐湖面积都比较小，表现为小盐湖群集[1].
盐湖卤水的δ37Cl值可以判定盐湖的蒸发浓缩程度、补给来源和控制因素，进而推测在不同演化时期盐湖周围环境的变化.氯在自然界中存在37Cl和35Cl两种稳定同位素，二者丰度分别为24.22%和75.78% [2].由于二者相对质量差达5.7% [3]，相对大的质量差使得氯同位素在自然界的不同地质体中存在较大的分馏特性.大量研究表明，随着蒸发浓缩的进行和盐类矿物的析出，37Cl相对35Cl优先进入盐类沉积物中，残余卤水和对应析出矿物的δ37Cl值不断降低，所以晚期阶段的析出盐比早期阶段的析出盐更贫δ37Cl值，因而δ37Cl值是反映卤水浓缩演化阶段的良好指标[4-7].在盐湖的形成和演化过程中，蒸发析盐和补给水会影响氯同位素组成[8].因此，研究盐湖卤水中δ37Cl值能反映卤水的蒸发程度和可能的补给水来源，同时也为研究盐湖的演化提供依据.
本文通过对腾格里沙漠地区盐湖卤水δ37Cl值及水化学的研究，尝试阐明研究区δ37Cl值分布特征和探讨盐湖卤水的补给来源和控制因素，为利用氯同位素方法深入理解盐湖卤水的演化及成盐作用过程提供重要资料和依据.
1 地质背景腾格里沙漠地区在大地构造上位于华北地台阿拉善地块的东南缘，多年平均年降水量在140 mm左右，年蒸发量高达3000 mm[1].沙漠形成于隆起带间的拗陷带，其形成最初始于加里东期产生的褶皱隆起及所伴生的深大断裂，后经海西运动的进一步活化而形成；由于周缘板块的相互作用，形成了一系列相间排列的断陷、拗陷盆地；新生代时期的沉积则是在白垩纪末期开阔湖盆河湖相沉积的基础之上发展起来的[9](图 1).腾格里沙漠地区盐湖分布受控于阿拉善弧形构造体系，该弧形构造体系与祁吕贺兰山字型构造几乎同步形成、发展和定型，始于晚古生代或更早，成熟于第三纪[10].新近纪末期的晚喜马拉雅运动，使得印度板块向欧亚板块快速楔入，青藏高原迅速隆升[11]，目前被学界普遍接受的青藏高原东北缘的最前缘位置是祁连山北缘及河西走廊地区[12-14]，关于青藏高原扩展是否影响到更北的阿拉善地区，目前的详细研究较少[15].
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图 1 腾格里沙漠地区采样位置分布图及地质构造简图(据文献[16]修改) Fig.1 Sketch map of sampling location and geology in the Tengger Desert |
前人研究认为腾格里沙漠至少在1.8 M aBP开始形成[17].在末次冰期早—中期腾格里沙漠的范围还很小，在末次冰盛期沙漠向东南方向大规模扩展，奠定了现代沙漠环境的格局[18].在晚更新世，腾格里沙漠及周边地区为古大湖，一些学者称之为“腾格里大湖”[19-20].研究区第三系地层中存在大量含膏盐的红层[21-22].由于岩性与构造配置构成了山前拗陷型的自流盆地，所以在腾格里沙漠侏罗系、白垩系以及第三系地层中均可有承压水分布[23].贺兰山西缘-乌兰布和沙漠一带潜水为微咸水、承压水为淡水[24-26]，吉兰泰西部和南部第三系地层中存在矿化度为7.46 g/L的Cl-Na型咸水[26]，而腾格里沙漠西南的地下水几乎都为淡水[27].
2 样品的采集与实验方法 2.1 样品采集本研究针对腾格里沙漠地区典型盐湖进行野外考察，腾格里沙漠地区由于气候干旱，河流少，水量不大.虽然湖泊众多，但绝大多数已演化为盐湖，本研究在腾格里沙漠腹地及周围采集了12个盐湖的卤水样品(图 1)，基本上代表了腾格里沙漠地区的盐湖，具体采样位置见表 1.
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表 1 采样点及野外编号 Tab.1 Sampling points and serial numbers |
在采样期间发现哈达贺休湖、雅布赖湖、和屯池、吉兰泰盐湖、巴彦达来和哈达图没有湖表卤水，其中有些盐湖的湖表被粉砂掩盖，已演化为砂下湖，故只采集到其孔隙卤水或晶间卤水，其余样品皆为湖表卤水.卤水样品直接用塑料桶采集，采样前，先用待取卤水洗涤塑料桶5次，每个样品采样量为5 L，在野外进行现场密封、编号和记录，以便送实验室分析. 表 1列出了腾格里沙漠地区本次研究所采集盐湖卤水样品的基本信息.
2.2 实验方法氯同位素测试在中国科学院青海盐湖研究所盐湖化学分析测试中心完成，使用正热电离质谱法对样品进行分析.
实验所用试剂和仪器：ISL标准样品；石墨悬浮液由石墨(SP)与80%乙醇、20%去硼水混合配制而成；H-型阳离子交换树脂；BaCO3：99.998% (上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产)；Cs-型阳离子交换树脂；钽带；实验用水为二次蒸馏水再经二次亚沸蒸馏所得；氯同位素检测仪器为Triton固体热电离质谱仪，由赛默飞世尔科技生产，灵敏度≥3ion/μmol.
具体测试过程及方法见文献[28-30]，检测离子为133Cs2Cl+复合离子.测得样品的氯同位素值用δ37Cl值表示：
| $ {{\rm{ \mathsf{ δ} }}^{{\rm{37}}}}{\rm{Cl}}\left( {\rm{‰}} \right){\rm{ = }}\left\{ {\left[ {{{\left( {^{{\rm{37}}}{\rm{Cl}}{{\rm{/}}^{{\rm{35}}}}{\rm{Cl}}} \right)}_{{\rm{样品}}}}{\rm{/}}{{\left( {^{{\rm{37}}}{\rm{Cl}}{{\rm{/}}^{{\rm{35}}}}{\rm{Cl}}} \right)}_{{\rm{标准}}}}} \right]/{{\left( {^{{\rm{37}}}{\rm{Cl}}{{\rm{/}}^{{\rm{35}}}}{\rm{Cl}}} \right)}_{{\rm{标准}}}}} \right\}{\rm{ \times 1000}} $ | (1) |
标准物质均为ISL 354国际参考标准，推荐值为(37Cl/35Cl)标准=0.319030±0.000071(2σ)，测试精度为0.09‰.
3 结果与讨论本次研究所考察盐湖，除个别之外，大部分都有大量的石盐、芒硝和石膏等盐类矿物与卤水共存.研究区盐湖卤水阳离子以Na为主，阴离子主要以Cl和SO4为主，pH值显示研究区盐湖卤水为弱碱性，δ37Cl值变化范围为-0.10‰~1.36‰，平均值为0.55‰ (表 2).
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表 2 腾格里沙漠盐湖卤水水化学及氯同位素的组成 Tab.2 Hydrochemical composition and chlorine isotopic compositions of salt lakes |
根据瓦里亚什科对盐湖卤水的分类得出研究区盐湖卤水的水化学类型为硫酸盐型卤水(表 3)，其中10个为硫酸钠亚型卤水，2个盐湖为硫酸镁亚型.硫酸钠亚型卤水的δ37Cl值范围为-0.10‰~1.36‰，平均值为0.56‰，硫酸镁亚型卤水的δ37Cl值范围为0.14‰~0.82‰，平均值为0.48‰，研究区内硫酸钠亚型卤水中的δ37Cl值略大于硫酸镁亚型卤水中的δ37Cl值.
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表 3 主要水化学组成的克当量值及水化学类型 Tab.3 The gram equivalent value of the main hydrochemical composition and hydrochemical type |
研究区盐湖卤水中的离子以Na、Cl为主，本区的干旱气候是高矿化度的主要影响因素，Br含量在本区比较低，主要由于本区盐湖皆为陆相成因，补给源为低Br的地下水或降水[31].本次研究样品的δ37Cl值(平均值为0.55‰)，远高于同为现代盐湖的柴达木盆地盐湖卤水的δ37Cl值(平均值为-0.97‰ [6])，也略高于柴达木盆地硫酸镁亚型盐湖卤水的δ37Cl值(图 2).以往对柴达木盆地的研究已经说明，硫酸镁亚型盐湖卤水的δ37Cl值略大于氯化物型盐湖卤水的δ37Cl值(图 2)，因此归纳盐湖卤水中δ37Cl值的关系为：硫酸钠亚型>硫酸镁亚型>氯化物型.表明研究区所处的盐湖演化阶段要远低于柴达木盆地盐湖演化阶段，这与“柴达木统一古湖”形成于渐新世[32]，经历了长时期的蒸发浓缩演化有关，而研究区内“腾格里大湖”形成于更新世[19, 45]，盐湖的演化比较短，成盐厚度薄(最多几米)，如吉兰泰盐湖，石盐和芒硝沉积厚度仅为3~4 m[46].
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图 2 不同地质体中δ37Cl值的范围及研究区δ37Cl值的范围(数据来源：硫酸镁亚型卤水[32-33]；氯化物型卤水[33]；石盐[33-35]；钾石盐[4, 36]；光卤石[4, 36]；水氯镁石[7, 36]；河水[33, 37]；雨水[38-39]；咸水湖[33]；油田水[33]；海水[40]；地下淡水[41]；石英包裹体[42]；角闪石包裹体[43]；黑云母包裹体[42, 44]) Fig.2 Ranges of δ37Cl values in different geological bodies and in the investigated area |
研究区δ37Cl值与河水和石盐的δ37Cl值非常接近，且在油田水和雨水的δ37Cl值范围之内，而该地区盐湖并没有油田水和长期性地表河水的补给，因而推测该地区盐湖卤水的δ37Cl值可能与周围山区降雨补给形成的地下水以及该区存在的第三系咸水[26]有关.
溴氯系数(Br×103/Cl)在卤水和蒸发盐的研究中已经被证明是一种反映其浓缩程度的良好指标[47-48].研究区内巴兴高勒、和屯池、巴彦达来和哈达图的δ37Cl值与Br×103/Cl呈高度正相关，拟合得出方程：y=0.15x+0.12(n=4，R2=0.98)(图 3).
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图 3 研究区盐湖卤水的δ37Cl值与Br×103/Cl的关系(1、巴兴高勒, 2、雅布赖, 3、白碱湖, 4、汤家海, 5、白土井, 6、图兰泰, 7、黑盐池, 8、察汗池, 9、和屯池, 10、吉兰泰, 11、巴彦达来, 12、哈达图) Fig.3 δ37Cl value vs. Br×103/Cl in the brine of the investigated area |
一般而言，随着盐湖的演化，δ37Cl值逐渐降低，而Br/Cl比值逐渐增加，而此处4个盐湖的δ37Cl值与Br/Cl比值呈高度正相关，相关系数R2=0.98，推测这4个盐湖不完全由于蒸发浓缩形成的，可能与该地区微咸的潜水和第三系咸水补给有关；另外8个盐湖卤水样品的δ37Cl值与Br/Cl比值呈负相关，应该是由于蒸发浓缩而成.
研究区同属阿拉善块体，其δ37Cl值大体上呈现出西南低、东北高的趋势.腾格里沙漠地区的δ37Cl高值区主要为白土井、图兰泰、巴兴高勒、吉兰泰和哈达图几个盐湖(图 4).巴兴高勒和哈达图的δ37Cl值前面已述及应该与微咸潜水和第三系咸水的补给控制有关.其他3个盐湖中(图 4)，白土井位于查-固走滑断裂区，图兰泰位于巴彦乌拉山走滑断裂区，推测这2个盐湖的δ37Cl值异常偏高可能与断层控制的地下水有关；而吉兰泰邻近巴彦乌拉山，且靠近山系的一侧平行巴彦乌拉山断裂分布有第三系地下咸水及两个较大的泉眼，推测吉兰泰也应该受到巴彦乌拉山断裂地下水补给的控制.此外由于达布苏山广泛分布着中元古、华力西晚期的钾长花岗岩、黑云母花岗岩和花岗闪长岩等基岩，因而推测巴兴高勒湖的δ37Cl值除了受到断层地下水和第三系咸水的共同控制外，可能也与地下水对基岩的侵蚀(水-岩作用)有关.
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图 4 腾格里沙漠地区氯同位素等值线图(‰) Fig.4 Contour map of the chlorine isotope in Tengger Desert |
1) 研究区盐湖卤水的δ37Cl值变化范围为-0.10‰~1.36‰，平均值为0.55‰，远高于柴达木盆地盐湖卤水的δ37Cl平均值-0.97‰，其中硫酸钠亚型卤水的δ37Cl值范围为-0.10‰~1.36‰，平均值为0.56‰，硫酸镁亚型卤水的δ37Cl值范围为0.14‰~0.82‰，平均值为0.48‰.无论柴达木盆地还是研究区，硫酸钠亚型盐湖的δ37Cl值大于硫酸镁亚型盐湖的δ37Cl值，而硫酸镁亚型盐湖的δ37Cl值大于氯化物型盐湖的δ37Cl值，这些变化规律与盐湖的水化学演化历史有关，腾格里沙漠地区盐湖处于盐湖演化早期，演化时间较短.
2) 研究区4个盐湖的δ37Cl值与Br/Cl比值呈高度正相关，其原因可能与微咸潜水和第三系咸水的补给有关，导致咸水中含量较多的Br重新补给到盐湖中，使得这4个盐湖卤水的δ37Cl值与Br/Cl比值与正常规律相反，另外8个盐湖卤水样品的δ37Cl值与Br/Cl比值呈负相关，应该主要归因于蒸发浓缩作用.
3) 腾格里沙漠地区东北部盐湖卤水的δ37Cl值整体上大于西南部盐湖卤水的δ37Cl值，应该由于区域地下水的类型不同所致，区内δ37Cl值高的盐湖可能与第三系咸水通过区域深断裂的补给作用以及水-岩作用有关.
致谢: 在实验和论文撰写过程中得到中国科学院青海盐湖研究所马云麒老师和中国科学院地球化学研究所罗重光老师的精心指导，在此一并感谢！| [1] |
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