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沉积故事 低温卤水的成因、性质及其对沉积成岩作用的影响

发布日期: 2021-07-26 阅读次数:
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杨名宇

低温卤水指的是以海水为主的地表盐水随温度降低而持续浓缩形成的高盐度水体,盐度值通常不低于50 ppt(parts per thousand)。低温卤水常见于极地地区大陆边缘环境,比如沿海湖泊。水文地质学家长期对这些地表低温卤水进行研究,以探索第四纪气候变化和冰川活动规律。低温卤水也可在地层中作为地下水长期存在,并对成岩作用产生重要的影响。然而,直至近几年,地下低温卤水的形成、演化及其与古气候、古环境的关系才逐渐被沉积学家重视起来。

一、低温卤水的具体特征

通过表生作用将地表盐水或微咸水浓缩形成高盐度卤水的途径通常有两种 ——加热蒸发和低温冷冻(Herut et al., 1990)。在蒸发过程中,水以蒸汽的形式离开水体系统,紧接着含钙矿物析出,如方解石(CaCO3)、石膏(CaSO4)等,而岩盐(NaCl)则在蒸发后期析出。因此,蒸发成因的浓盐水富含Na+和Cl-。蒸发成因的卤水在低纬度地区相对常见,比如阿拉伯地区的盐沼(Sabkha)。相对于蒸发成因卤水,低温冷冻形成的卤水中Ca2+含量相对于Na+和SO42-有所升高。这是由于随着温度不断降低,水首先以冰的形式离开水体系统,紧接着含钠矿物析出,比如芒硝(Na2SO4)。随着温度降至–22˚C以下,冰盐(NaCl∙2H2O)、钾盐(KCl)等其他矿物依次析出。因此,低温冷冻形成的卤水在高纬度地区较常见。

由于低温冷冻和高温蒸发形成的卤水析出不同的矿物序列,因此,我们可以通过卤水中具体元素的关系来确定高纬度地区存在的卤水是蒸发、冷冻还是其他成因。冷冻浓缩导致水中的Na/Cl和Br/Cl比值快速降低,而蒸发成因卤水中的Na/Cl和Br/Cl比值则呈线性降低(图1;  Lyons et al., 2005; Frank et al., 2010)。此外,区别于蒸发成因卤水,低温成因卤水还具有较低的氧同位素组成(d18O)。在南极麦克默多湾(McMurdo Sound)开采的新近系AND-2A岩心中,海水冷冻浓缩的卤水存在于深度大于 200m以下的地层中(图2; Frank et al., 2010)。它的d18O值明显低于海水,介于–11至–6‰ VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)之间。这是由于海水在冷冻浓缩过程中,水中的18O倾向于向固相转移,比如冰和芒硝等沉淀物,导致剩余卤水中的18O相对于16O降低。随着卤水渗透进地下,其可以与沉积物中的相对不稳定矿物发生反应(如火山岩屑脱玻化、沸石化等),导致水中的18O进一步降低。反之,海水蒸发时,16O易向气相转移,导致卤水d18O值相对升高。 

图1 海水经低温冷冻和高温蒸发形成的卤水呈现不同的Na/Cl和Br/Cl关系。数据来自极地地区高盐度水体样品(Lyons et al., 2005; Frank et al., 2010)。

 

图2 (A)南极麦克默多湾地区卫星图像,包含该地区钻探点以及主要地理特征。低温卤水发现于AND-2A岩心中。(B)AND-2A岩心中孔隙水盐度和氧同位素数据(Frank et al., 2010)。

二、低温卤水的形成机制

低温卤水的形成与气候变化和冰川活动息息相关。在冰川期,大面积扩张的冰盖向大陆边缘盆地推进,挤压下覆岩层,导致冰盖边缘和盆地前缘隆起之间形成相对封闭的凹槽。侵入凹槽里的海水由于循环受限,且被冷冻浓缩,最终形成高密度的卤水,向内陆和盆地方向渗透 (图3; Starinsky and Katz, 2003)。这一卤水形成模式可能是导致加拿大地盾大范围地下卤水存在的原因(Starinsky and Katz, 2003)。而季节性的冰川活动也能在北极沿海地区形成小范围的低温卤水(Grasby et al., 2013)。

图3 低温卤水形成的概念模型(Starinsky & Katz, 2003)。冰盖向盆地推进,挤压下覆岩层。在冰盖前缘与盆地前缘隆起之间形成的凹槽中,海水被冷冻浓缩形成卤水,并向地下渗透。

南极大陆自34百万年前进入“冰室”气候以来,经历了多个重要的冰川期,因此低温卤水的形成环境更为复杂。距今大约13百万年前,极地气候建立(Middle Miocene Climatic Transition),大面积、相对稳定的东南极冰盖(East Antarctic Ice Sheet)形成。这一时期,在古冰川侵蚀形成的峡湾中的海水被逐渐冷冻浓缩,形成低温卤水,并向地下渗透进入渐新—中新世地层中,成为麦克默多湾地区重要的地下流体(图4A; Yang et al., 2020a)。在经历了上新世温暖期(约3百万年前)后,第四纪冰川活动进一步加强,除东南极冰盖,西南极冰盖(West Antarctic Ice Sheet)也形成并向大陆边缘扩张。西南极冰盖甚至一度扩张至东南极大陆,导致冰川峡谷出口处形成多个冰坝湖(Levy et al., 2012)。冰坝湖中的海水以及一些冰川融水混合物被冷冻浓缩形成卤水(图4B; Yang et al., 2020b)。而在盆地中心, 海水在相对封闭的海底凹陷中也可被冷冻浓缩形成卤水(图4B)。这些海底凹陷主要位于冰盖边缘附近,因冰盖挤压地壳形成。冰盖边缘及周边若存在海底火山形成的环槽,则可进一步对海水进行隔离浓缩(Yang et al., 2020b)。

图4 南极麦克默多湾地区两期低温卤水形成环境的概念模型(未按比例尺绘制; Yang et al., 2020a,b)。(A)中新世中期气候转变(约13百万年前),东南极冰盖冰川扩张,导致在峡湾近入海口处的海水被冷冻浓缩形成卤水,并向盆地渗透;(B)第四纪冰川期,东、西南极冰盖扩张导致卤水在沿海冰坝湖和冰盖前缘的海底凹陷中形成。

 三、识别地层中低温卤水的存在

地表形成的低温卤水受冷冻浓缩机制的影响原本已经达到了碳酸盐相对高饱和的状态。一旦该卤水进入地下,受地温梯度影响,温度的升高会导致卤水达到碳酸盐过饱和状态。在成岩作用较早期阶段(欠压实至压溶作用开始前),碳酸盐矿物就开始从低温卤水中析出,填充沉积物的孔隙空间。由于这些胶结物的沉淀会改变卤水原始的水化学组成,我们不能通过直接的孔隙水化学分析来确定地层中低温卤水的存在。而卤水沉淀的碳酸盐矿物则可以作为一种间接示踪物来帮助我们解决这一问题。然而,在特定的埋藏条件下,其他来源的孔隙水同样也可以沉淀出碳酸盐矿物,比如海水、大气水-海水混合物等。因此,在对次生碳酸盐矿物进行岩相和地化分析时,需要紧密结合研究区的气候、沉积和构造背景,才能有效鉴别出低温卤水的沉淀产物。

低温卤水沉淀的次生碳酸盐矿物可以保留其母液特有的低d18O值,因此,若已知这些碳酸盐的d18O值和沉淀温度,我们可以计算出其母液的d18O值,并比较其是否与低温卤水的d18O值一致。由于低温卤水沉淀的碳酸盐的沉淀温度相对较低(主要为机械压实阶段),因此,团簇同位素(D47)可以作为测量其沉淀温度的可靠手段。以南极麦克默多湾地区为例,存在低温卤水的AND-2A岩心中的沉积物孔隙被大量碳酸盐胶结物所充填。碳酸盐胶结物以方解石为主,且随深度增加(100–1100m),晶粒逐渐由微晶生长为粗晶镶嵌型胶结(Dunham et al., 2019)。这些碳酸盐胶结物的d18O值介于–12至–5‰ VPDB(Vienna Pee Dee Belemnite)之间,并且随深度增加逐渐降低(图5)。结合团簇同位素确定的沉淀温度(T D47),我们可以计算并发现沉淀该岩心中大部分胶结物的母液d18O值与岩心中的孔隙卤水d18O值基本一致(图5; Staudigel et al., 2018)。相似的碳酸盐沉淀模式在该地区年代地层相近的其他岩心中(开采深度为地下几百到一千多米深度不等)也同样存在(Yang et al., 2018)。高纬度地区其他可能存在的自然水体,无论是海水还是本身就具有低d18O值的冰川融水或海水-融水混合物,都具有低碳酸盐饱和度,很难在进入地下后,尤其是在冰海相碎屑岩地层中,快速沉淀碳酸盐矿物。因此,只有经过冷冻浓缩机制形成的低温卤水才可以在成岩作用早期阶段在这些岩层中沉淀出大范围的、具有低d18O值的碳酸盐胶结物。

图5 AND-2A岩心中次生碳酸盐同位素分析数据(Staudigel et al., 2018)。(A)次生碳酸盐d18O值与深度关系;(B)通过团簇同位素D47解释得的碳酸盐沉淀温度(TD47),红线代表线性拟合结果,虚线区域代表95%置信区间;(C)根据A和B组数据计算得的母液d18O值。

更重要的是,低温卤水还能够沉淀文石胶结物。在麦克默多湾地区的一些近卤水发源地的岩心中(例如CIROS-1、DVDP岩心;见图2),文石是主要的胶结物矿物(Yang et al., 2020a, b)。作为方解石的同质异象体,文石在近地表的温度压力条件下,极易向方解石转化。然而,这些岩心中的文石除了在第四系地层,还在渐新-中新世地层中存在,且未有向方解石转化的迹象。同时,这些文石不仅呈现纤维状、针状等常见的晶体形态,还形成极不寻常的粗晶块状形态(图6)。另外,这些文石胶结物都具有低d18O值(DVDP:–27至–3‰ VPDB;CIROS-1:–12至–9‰ VPDB),且沉淀温度低于32˚C,指向具有低d18O值的母液。

图6 南极麦克默多湾地区岩心中的文石胶结物(Yang et al., 2020a,b)。(A)DVDP岩心地下深度约62m砂岩样品中的纤维状文石胶结物(第四系);(B)CIROS-1岩心地下深度约317m砂岩样品中的粗粒嵌晶质文石胶结物(渐新统),该样品孔隙度接近0%;(C)CIROS-1中的文石和方解石通过显微拉曼光谱分析显示不同的光谱曲线。

 

在沉积岩中,尤其是碎屑岩,沉淀文石需要母液达到一定的地化条件(Yang et al., 2020a)。首先,母液需具有相对高的碳酸盐饱和度(W文石值不小于3.8)以及Mg/Ca摩尔比(不小于5:1)。高纬度地区的海水虽然有较高的Mg/Ca摩尔比,但是碳酸盐饱和度很低(W文石值略高于1.0),因此很难沉淀文石。但是,通过对海水冷冻浓缩,可以显著提升剩余卤水的碳酸盐饱和度。低温卤水进入地下之后,温度升高,达到过饱和,进而沉淀出具有低d18O值的文石胶结物。另外,纤维状、针状文石代表其晶体沿其c轴高速率生长,通常与沉淀过程中CO2快速逸出所导致的水体碳酸钙过饱和有关。反之,低温卤水在埋藏阶段以相对低速率的CO2逸出机制沉淀文石,这可以解释在相对较深的渐新-中新世地层中文石呈粗晶质块状形态的原因。随着卤水向盆地中心流动,饱和度逐渐降低,逐渐以方解石沉淀为主。此外,基于文石未向方解石转化的现象,我们还可以推断出该地区低温卤水在约13百万年前进入地下后,一直没有受到其他流体的干扰。

综上所述,低温卤水是高纬度大陆边缘盆地特有的一种地下流体。低温卤水最初形成于扩张冰盖前缘的凹陷、冰蚀峡湾、沿海冰坝湖等水体循环相对受限的环境。在主要的冰川扩张期,海水在这些环境中被隔离并高度冷冻浓缩形成卤水。卤水形成后可快速沉入地下,并沿地层广泛渗透,成为区域性长期存在的主要孔隙流体。由于其特殊的浓缩机制,低温卤水的碳酸盐饱和度较高。因此,低温卤水在随沉积物埋藏过程中,可沉淀多种具有独特岩相和地化特征的碳酸盐胶结物,造成岩石孔隙度显著降低。

除了如今的南北极地区,类似的低温卤水形成条件可能在其他受古冰川活动影响的大陆边缘广泛存在,例如前寒武纪和古生代的多个冰川期,沉淀大量碳酸盐胶结物。因此,在无法直接分析古孔隙水样品的条件下,研究这些深时地层中的次生碳酸盐将有助于我们了解低温卤水时空分布以及其形成的气候背景、冰川活动规模等。未来的研究工作还需探究更多新兴的分析方法来更全面地评估低温卤水的沉淀产物,比如文石胶结物的保存和转化问题。

 

本文作者系美国塔尔萨大学助理研究员。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱mingyu.yang@huskers.unl.edu与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

 

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责编杨江海           

图文杨名宇           

审核:胡忠亚,韩中


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