摘要魯西南地區的單縣盆地鹽礦是新發現的小陸塊盆地形成的大型鹽類礦床，成礦時代為古近紀(主要是始新世中晚期至漸新世)。基于單縣盆地YZK-3鉆孔(521.7m)元素和碳氧同位素的分析，探討單縣盆地在古近紀時期的古環境演化特征。研究表明：1)單縣盆地YZK-3孔沉積物水溶元素和酸溶元素及比值的變化反映了湖泊的咸化和淡化過程;2)受熱液補給和成巖作用影響，碳酸鹽δ18O和δ13C的相關性不適合論湖泊的封閉與開放狀態，但變化趨勢仍具有古環境意義;3)始新世至漸新世，單縣盆地古湖泊經歷了淡水湖—咸水湖—鹽湖—咸水湖—淡水湖的演化過程，其干旱化趨勢明顯。全球氣候變化是成鹽作用的主要驅動機制。

　　關鍵詞碳氧同位素;元素;古環境;古近紀;單縣盆地

　　引言

　　我國的蒸發鹽礦普遍規模小，且多分布在西部地區，東部較少，但是古近紀時期，魯東地區發育聚煤盆地[1]，而魯西南地區則發育一系列蒸發鹽礦床[2]。古近紀是山東省鹽巖成礦主要的三個時期之一，已發現的含鹽盆地為大汶口盆地、平邑盆地、棗莊盆地等，盆地內沉積序列均以湖相為主，沉積序列組合在盆地邊緣上沉積厚度較薄[3]。由于煤礦和鹽巖形成的氣候條件截然不同，表明古近紀時期山東具有復雜的古氣候和古地理格局。古近紀時期魯西南和魯東地區的各個盆地均受控于郯廬斷裂，盆地的斷裂構造為鹽類礦床的形成提供了有利的成礦地質條件，構造裂隙也為成礦物質的運移提供了通道，而干旱氣候則是鹽類礦床形成所必需的氣候條件。

　　單縣盆地鹽礦為山東省地質勘察隊在魯西南地區新發現的鹽類礦床，據初步勘察，其鹽儲量達到百億噸，是典型的小陸塊盆地形成的大型鹽類礦床。盆地內的沉積物能夠記錄大量的古氣候古環境演變信息，是研究成礦地區古湖泊演化模式的重要載體。單縣盆地在始新世中晚期—漸新世形成了巨厚的蒸發鹽層，但其成鹽期的古氣候古環境研究較少。湖泊沉積物元素地球化學含量的變化可敏感反映湖泊沉積環境的變化過程[4]，碳酸鹽的碳氧同位素組成作為湖泊環境變化的一項指標，也早已被用于湖泊研究中以解釋古環境變化[5-8]。

　　基于此，本文利用單縣盆地邊緣的YZK-3鉆孔(34°81′N，116°12′E，長約520m)巖心樣品，在礦物學研究基礎上，開展湖泊沉積物元素地球化學和碳酸鹽碳氧穩定同位素測試分析，探討古近紀時期單縣盆地古湖泊的古環境演化歷程和相應的古氣候條件。

　　1背景

　　1.1地質背景

　　魯西南單縣盆地位于華北板塊東南緣，形成于白堊紀晚期，受控于郯廬斷裂[2,9-10]。郯廬斷裂的演化對魯西南地區盆地的形成產生了重要影響[11-12]。晚侏羅世至始新世，郯廬斷裂以左旋剪切活動為主轉變為右旋剪切活動為主，導致魯西南地區發育不同方向的斷層，如NW、EW、NE向斷層[11]。華北成鹽區是中國東部中新生代主要成鹽區，魯西南地區歸屬于華北成鹽區，據劉群等[2]，其成鹽時代為始新世中晚期—漸新世。

　　另外，根據巖心特征和地層對比[12]以及內部資料，鉆孔層位為管莊群的大汶口組。因此，初步推斷單縣盆地YZK-3鉆孔的年代最大范圍為始新世—漸新世。始新世中晚期—漸新世早期，魯西南地區各個盆地沉積演化大體相似，均由淡水湖或半咸水湖逐漸演變為咸水湖[3]，演化過程中可能受海侵影響[12]，但單縣盆地石鹽和硬石膏的鍶同位素及沉積學特征均沒有識別到海水信息①。漸新世中期，斷裂活動停止，盆地不斷被碎屑物質充填[3]。魯西南單縣盆地位于黃泛沖積平原，目前被第四紀松散堆積物所覆蓋。

　　1.2YZK-3鉆孔特征

　　YZK-3鉆孔巖性變化：635.38~861.88m為砂巖層與泥巖層交替出現，部分砂巖呈團塊狀和團粒狀，712.38m之后至鉆孔中部多數層位有紋層;861.88~1099.98m均為泥巖層與蒸發鹽層交替，泥巖大部分呈薄層狀;1099.98m往下至底部重新變為泥巖層與砂巖層交互出現，含少部分蒸發鹽層(研究區主要是石膏和石鹽層)。

　　鉆孔中的碎屑礦物主要是石英、長石、黏土礦物和云母，非碎屑礦物主要是碳酸鹽、石膏、硬石膏以及少量石鹽。碳酸鹽礦物有方解石、鐵白云石、少量文石和微量白云石，總碳酸鹽含量為2%~82%，最高值出現在843.38m處。根據礦物種類和含量分布以及沉積物沉積特征將單縣盆地古湖泊演化分為六個階段，對照深度為階段Ⅰ(1157.08~1153.38m)、階段Ⅱ(1153.38~965.18m)、階段Ⅲ(965.18~961.5m)、階段Ⅳ(961.5~862.88m)、階段Ⅴ(862.88~733.38m)、階段Ⅵ(733.38~635.38m)。

　　2材料與方法

　　根據巖性變化，按照2~3m間隔，挑選樣品，研磨至200目左右，分別進行元素和碳酸鹽碳氧同位素的測試，元素分析樣品242個，全樣碳酸鹽碳氧同位素測試145個，4個樣品過400目篩網(孔徑38µm)，做碳氧同位素的對比分析。前處理及分析程序如下：元素測試分析：1)水溶，稱取0.5~0.8g樣品(準確記錄)放入離心管中，加入10mL超純水，充分搖晃后靜置12h，離心，取上層清液3mL，并加10mL超純水定容;2)酸溶，倒掉水溶樣品的剩余上層液體，加入超純水10mL，振蕩，離心，倒掉上層液體，重復三次，清洗掉水溶組分，加入醋酸(1mol/L，1：9)10mL，超聲2h，離心(3000r，>20min)，取上層清液1mL，加入10mL超純水定容。元素測試在中國科學院青藏高原研究所大陸碰撞與高原隆升實驗室完成，使用儀器為美國Leeman公司生產的電感耦合光譜儀器(ICP-OES)。

　　碳氧同位素：稱量約100μg樣品，放入12mL反應瓶中，通入高純度氦氣(99.999%，流速100mL/min)，持續600s排空處理;加5滴100%無水磷酸，在72℃加熱盤中反應和平衡大于4h。反應達到平衡后，CO2氣體通過70℃熔硅毛細管柱(PoraplotQ，25m*0.32mm)，與其他雜質氣體分離后進行碳氧同位素的測試。該實驗在國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室完成，使用儀器為MAT253質譜儀。

　　3實驗結果

　　3.1元素

　　水溶組分元素Ca、Mg、Sr、Na和K的含量及變化。各元素的平均含量由大到小為Na>Ca>K>Mg>Sr。Na、Ca和Sr的變化趨勢比較明顯，總體較為一致。Na含量由鉆孔底部至頂部先升高后降低，最高值位于鹽湖階段。Ca和Sr含量在淡水和咸水湖階段的趨勢與Na較為一致，但在鹽湖階段沒有出現峰值。Mg和K的曲線沒有明顯的變化趨勢。

　　易溶鹽離子總量(Total)變化趨勢與Na較為一致。Mg/Ca摩爾比僅在底部和750~800m之間出現峰值，與沉積環境的變化沒有關系，Sr/Ca摩爾比值在咸水湖環境中偶爾出現幾個峰值。酸溶元素Ca、Mg、Sr和Fe含量分別為0.64~348.28mg/g、0.25~69.44mg/g、0.01~10.85mg/g和0.02~3.33mg/g，平均值分別為94.9mg/g、8.57mg/g、0.88mg/g和0.71mg/g。Ca為酸溶組分的主要元素，由于沉積物中出現多種碳酸鹽礦物，Ca與常見的類質同像替代元素Mg、Sr等元素曲線之間，沒有相似的變化趨勢。Ca、Mg、Fe和Sr含量總和與碳酸鹽含量呈顯著正相關，說明這些元素主要來源于碳酸鹽礦物。

　　3.2碳氧同位素

　　全樣碳酸鹽的δ18O和δ13C多為負值，δ18O值在-13.1‰和2.9‰之間，平均值為-6.78‰，最大變幅為10.2‰;δ13C值在-10.2‰和2.3‰之間，平均值為-6.37‰，最大變幅為6.7‰。碳氧同位素與總碳酸鹽含量具有相似的變化趨勢。階段Ⅰ(1157.08~1153.38m)，δ18O和δ13C值較低，平均值分別為-7.3‰和-5.25‰;階段Ⅱ(1153.38~965.18m)，δ18O和δ13C值雖然較上一階段偏正，但鉆孔中δ18O最低值出現在該階段;階段Ⅲ(965.18~961.5m)，δ18O均為正值，δ13C值延續上階段的波動，但波動幅度小;階段Ⅳ(961.5~862.88m)，δ18O和δ13C變化較大，存在明顯負漂;階段Ⅴ(862.88~733.38m)，δ18O波動幅度降低，δ13C與上一階段呈反向波動;階段Ⅵ(733.38~635.38m)，δ18O和δ13C值均大幅降低，平均值分別為-6.02‰和-5.33‰，鉆孔中δ13C最低值出現在該階段。雖然碳氧同位素基本呈同步變化，但波動頻繁且幅度較大。

　　4討論

　　4.1YZK-3鉆孔碳酸鹽來源

　　鉆孔中碳酸鹽礦物主要是方解石和鐵白云石，文石和白云石少量。一般認為，湖泊沉積物中方解石有三種來源：化學沉積(包括自生的、成巖作用期析出的)、碎屑來源以及生物來源，化學沉積是方解石的主要成因，碎屑和生物方解石的含量較少[13-16]。湖泊沉積物中，生物成因方解石主要來源于生物殼，如介形蟲殼，而湖泊沉積物中生物殼的重量僅幾個微克，不足以影響全樣方解石的含量[14,16]。

　　碎屑礦物石英與方解石含量之間的關系可以佐證方解石的成因。石英和方解石在不同鹽度的湖泊中相關性明顯不同，淡水湖階段，二者相關性較高(2=0.51)，而咸水湖和鹽湖階段，二者基本不相關(2=0.07)。淡水湖階段碎屑來源的方解石含量不可忽視，而咸水湖和鹽湖階段方解石以化學沉淀為主，碎屑來源的較少。無論湖泊處于哪個階段、無論方解石哪種來源，酸溶組分Ca與方解石含量之間均呈明顯的正相關關系，說明沉積物中碳酸鹽礦物以方解石為主。文石一般出現在咸水湖和鹽湖環境中[15]，為不穩定礦物，湖泊沉積物中的文石可直接認定為自生礦物。

　　高Mg/Ca摩爾比為文石析出的條件之一[17]，高Mg2+能有效阻止方解石晶體的生長，使文石優先生長[18]，但Mg2+難以進入文石晶格之中。與Mg2+不同，Sr2+易進入文石晶體中，或是與有機質結合而促進文石晶體的生長[19]。鉆孔中文石含量高的層位Sr也更加富集，文石與Sr有較好的相關性(2=0.4)，而Sr與方解石之間基本不存在相關性。

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　　5結論

　　(1)單縣盆地YZK-3孔水溶元素代表了易溶鹽離子含量，酸溶元素代表了碳酸鹽礦物的元素組成。水溶元素Na含量、易溶鹽離子總量和Mg/Ca比值均反映了湖泊的咸化和淡化過程，而酸溶元素Mg/Ca比值的變化與碳酸鹽礦物種類相關。由于盆地受熱液和成巖作用影響，水溶和酸溶元素及比值的變化不完全一致。

　　(2)鉆孔YZK-3的碳酸鹽礦物δ18O和δ13C相關性與湖泊的封閉狀態無關，但全樣碳酸鹽碳氧同位素的變化趨勢仍可以用來討論古環境演化。δ13C負漂的原因有氣候極熱事件和碳酸鹽形成過程中有機質的參與。

　　(3)始新世中晚期—漸新世時期，單縣盆地位于全球的干旱氣候帶上，即蒸發鹽礦床的形成受控于全球干旱氣候。

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　　作者：路淑毅1,2，楊斌3,4,5，李勝榮1，宋香鎖3,4,5，杜圣賢3,4,5，高建飛6，張尚坤3,4,5，李明慧2，張偉林2