巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段古鹽度恢復(fù)及意義

高宏霞，劉曉東，劉平輝*，孟平虹，向 龍，饒耕瑋

1. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；

2. 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；

3. 江西省核工業(yè)地質(zhì)局263大隊(duì)，吉安 343000

古鹽度是古沉積物中水體鹽度的真實(shí)反映。古鹽度的恢復(fù)在區(qū)分海相和陸相沉積環(huán)境、判斷水體性質(zhì)（許璟等，2010）、確定古湖岸線位置（文華國(guó)等，2008）、探究區(qū)域古海平面相對(duì)變化及沉積相展布等古環(huán)境特征研究方面提供了重要的地質(zhì)歷史信息，有助于恢復(fù)古沉積環(huán)境（Amorosi et al.,2009；陳洪德等，2012）。

同時(shí)，近期研究古鹽度方面的成果表明成巖作用過(guò)程中，古鹽度的變化對(duì)剖面巖性序列，尤其是對(duì)粘土礦物的成因及演化有著重要影響（王昌勇等，2014；趙明等，2015；張守鵬等，2016；戴朝成等，2018）。如張守鵬等（2016）對(duì)渤海灣盆地地層巖性剖面的研究表明干旱程度、蒸發(fā)量與湖水的古鹽度值共同決定了巖性剖面呈現(xiàn)泥、灰、云、膏互層序列體征；趙明等（2015）分析新疆塔北隆起的古鹽度表明：古鹽度對(duì)粘土礦物組合特征及其綠泥石成分變化起到一定的制約作用；戴朝成等（2018）對(duì)川中地區(qū)古鹽度分析得出古鹽度對(duì)伊利石含量、綠泥石成分具有重要影響。因此，古鹽度分析在粘土礦物的研究中受到眾多學(xué)者的進(jìn)一步關(guān)注。而粘土礦物因自愈合性強(qiáng)、滲透率低、對(duì)核素的吸附性等眾多優(yōu)點(diǎn)，使得粘土巖/泥巖在高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)備選圍巖中優(yōu)勢(shì)突出，當(dāng)前受到有核國(guó)家（法國(guó)、瑞士、比利時(shí)等）的重點(diǎn)關(guān)注。特別是法國(guó)，從20世紀(jì)90年代就對(duì)粘土巖/泥巖作為處置高放廢物的圍巖開(kāi)展了一系列研究，并且建造了Meuse/Haute-Marn粘土巖/泥巖地下實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)2025年開(kāi)展第一批高放廢物（100噸）深地質(zhì)處置（潘自強(qiáng)等，2009；Andra，2014）。

中國(guó)在粘土巖/泥巖作為高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)的天然屏障方面研究相對(duì)滯后，隨著中國(guó)西北地區(qū)粘土巖項(xiàng)目的進(jìn)行，在內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷實(shí)施鉆井工程，重點(diǎn)目標(biāo)層位為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段（K1b2），其鉆遇厚度500多米，為厚層湖相泥巖。課題組前期從物源、礦物組成、力學(xué)特征等方面對(duì)泥巖特性開(kāi)展了初步研究（向龍等，2019a；胡海洋，2014；李松倬，2018；饒耕瑋等，2018；張耀東，2016），而對(duì)湖相泥巖沉積時(shí)古鹽度狀態(tài)、古鹽度對(duì)泥巖中粘土礦物的組合特征有何影響，任然未知。鑒于此，本文采集呈北東—南西向的TZK-1井、TZK-2井泥巖樣品，利用元素地球化學(xué)特征和X衍射分析結(jié)果擬恢復(fù)盆地古鹽度在湖盆平面及鉆孔垂向上的特征及演化，這不僅有利于恢復(fù)湖盆古沉積環(huán)境，更有助于揭示古鹽度對(duì)粘土礦物組合特征及演化過(guò)程的影響，為處置庫(kù)選址工作提供古沉積環(huán)境依據(jù)，對(duì)進(jìn)一步深入研究粘土礦物對(duì)核素吸附性能及核素在泥巖中的遷移情況提供數(shù)據(jù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

巴音戈壁盆地位于中蒙交界處，呈近東西向（張成勇等，2015）。因格井坳陷所處位置在盆地南部，基本呈北東向展布，約占9000平方公里。坳陷東、南、北緣分別為齒狀插入銀根坳陷、相鄰于巴彥諾爾公隆起、相接宗乃山—沙拉扎山隆起（圖1）。因格井坳陷基底為太古界、元古界和古生界的變質(zhì)巖系?；装l(fā)育有二疊系、石炭系等地層。二疊系下部碎屑巖以含鈣礫巖、灰?guī)r、硬砂巖、砂質(zhì)灰?guī)r為主，上部以長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)灰?guī)r為主。石炭系上段以大理巖、流紋質(zhì)凝灰熔巖為主，下段以砂礫巖及碳酸鹽巖為主；中段為粉砂巖、凝灰熔巖等變質(zhì)巖類(lèi)。蓋層主要發(fā)育侏羅系、白堊系以及第四系地層。侏羅系以含煤粗碎屑巖為主的沉積地層，巖性以雜色礫巖、砂巖為主，底部發(fā)育細(xì)砂巖，偶夾礫巖及泥頁(yè)巖；頂部為深灰色及黑色凝灰?guī)r夾火山角礫巖。白堊系地層是蓋層的沉積主體，淤積物大于2200 m。下白堊統(tǒng)發(fā)育有銀根組、蘇宏圖組下段和上段、巴音戈壁組下段和上段，上白堊統(tǒng)發(fā)育有烏蘭蘇海組。研究區(qū)域巴音戈壁組下段巖性以紫紅色礫巖、砂巖為主，偶夾粉砂巖和泥巖；巴音戈壁組上段巖性以灰白色、灰綠色、深灰色泥巖為主，塊狀結(jié)構(gòu)，層理發(fā)育，是高放核廢物粘土巖深地質(zhì)處置的目標(biāo)層位。

圖1 塔木素泥巖預(yù)選區(qū)地質(zhì)略圖及采樣位置（據(jù)核工業(yè)208隊(duì)改）Fig. 1 Geological sketch of Tamusu mudstone pre-selected region showing sampling positions

2 樣品與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文采集樣品選自巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段TZK-1井、TZK-2井（井位圖1），在詳細(xì)觀察描述TZK-1井、TZK-2井白云質(zhì)泥巖段巖芯的基礎(chǔ)上，垂向上選取TZK-1井450~800 m段、TZK-2井380~800 m段受風(fēng)化作用及成巖作用影響較小的部分新鮮巖芯。其巖性主要為深灰色塊狀泥巖，自下而上呈泥巖粉砂巖—泥巖的正韻律特征，且泥巖層厚度較大。巴音戈壁組上段泥巖礦物組成為高嶺石、伊利石、方沸石、白云石、長(zhǎng)石、黃鐵礦及碎屑礦物等。目標(biāo)層粘土巖產(chǎn)狀平緩（巖層傾角＜6°）。共制作薄片50塊，觀察白云質(zhì)泥巖微觀構(gòu)造特性；選取15件樣品進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，觀察白云質(zhì)泥巖主要礦物的晶型結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài)特征；選取其中20件樣品作全巖X衍射分析（表1），定量判斷白云質(zhì)泥巖的主要礦物類(lèi)型及組合。此外，對(duì)20件選樣開(kāi)展稀土、微量元素等測(cè)定（表2，3）。研究所用樣品所有測(cè)試按照相應(yīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，樣品代表性強(qiáng)，數(shù)據(jù)翔實(shí)可靠。其中，掃描電鏡和X衍射分析均在“核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”完成，測(cè)試儀器分別為FEI捷克有限公司的Nova Nano SEM450發(fā)射掃描電子顯微鏡（配有X-Max20能譜儀）和德國(guó)布魯爾D8 ADVANCE多晶X射線衍射儀。微量及稀土元素在澳實(shí)分析檢測(cè)（廣州）有限公司完成，實(shí)驗(yàn)儀器分別為電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-AES），儀器型號(hào)Aglilent (美國(guó))；電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀（ICP-MS），儀器型號(hào)Perkin Elmer Elan 9000 （美國(guó)）。在系統(tǒng)設(shè)定上，檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度和精密度（相對(duì)偏差和相對(duì)誤差）均限定＜10（±5）%。

表1 巴音戈壁組上段泥巖X衍射分析數(shù)據(jù)表（wt%）Table 1 X ray diffraction data of mudstones from the upper section of Bayingebi Formation（wt%）

表2 粘土礦物分析數(shù)據(jù)及“相當(dāng)硼”含量和古鹽度計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 The elemental data of lacy minerals and the calculated “equivalent boron” content and paleosalinity

表 3 巴音戈壁上段TZK-1井、TZK-2井Sr、Ba、Rb、Ga、K、Na分析數(shù)據(jù)及Sr/Ba、Rb/K、K+Na、B/Ga數(shù)據(jù)Table 3 Analytic data of Sr，Ba，Rb，Ga，K，Na and the calculated data of Sr/Ba，Rb/K，K+Na and B/Ga for the borehole TZK-1、TZK-2 from upper section of Bayingebi Formation

3 古鹽度恢復(fù)

通?？梢岳猛凰?、微量元素、磷酸鹽沉積程度等方式還原古鹽度。為了充分辨識(shí)半咸水環(huán)境，常采用沉積磷酸鹽法，但常由于成巖作用、粘土成因及含磷酸鈣等生物化石影響，導(dǎo)致其分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確，失去效力；區(qū)別海水與淡水的形成多運(yùn)用同位素法，如關(guān)于海洋的沉積相及其碳酸鹽巖的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界關(guān)于古鹽度的測(cè)試方法不盡相同，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度也有差別，然而這些本身的誤差對(duì)研究結(jié)果的有效性影響不大。本文主要采用元素比值法及B元素法對(duì)沉積環(huán)境的古鹽度進(jìn)行判別（表3）。

3.1 Sr豐度和Sr/Ba比值法

在不同沉積環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)相近的鍶和鋇，由于受地球化學(xué)作用常被分離。自然界中，Ba常以難溶性BaSO4形式沉淀，因此，Ba以化合物形式存在時(shí)溶解度低于Sr，多數(shù)近岸沉積物中富含Ba。Sr具有強(qiáng)于Ba的遷移能力，常出現(xiàn)在大洋深處。水體鹽度偏低時(shí)，重碳酸鹽形式的Sr、Ba出現(xiàn)，當(dāng)水體鹽度偏大時(shí),水體中的Sr相對(duì)Ba趨向富集。當(dāng)水體的鹽度達(dá)到一定值時(shí)，水體中沉淀的SrSO4會(huì)逐漸增加。因此沉積物中的Sr豐度和Sr/Ba比值與古鹽度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系,常用來(lái)標(biāo)識(shí)古鹽度特征(鄭榮才和柳梅青，1999）。通過(guò)對(duì)巴音戈壁組上段TZK-1井、TZK-2井泥巖樣品微量元素分析與計(jì)算（表3，表4）,發(fā)現(xiàn)其樣品Sr豐度變化范圍偏大，為471×10-6~4120×10-6，均值為1180×10-6；隨深度增加其值變化范圍為471×10-6~1340×10-6，以TZK-1井482.35 m深處最低，745.9 m深處最高；不同深度樣品Sr/Ba值變化范圍偏大，為0.75~22.67，均值為5.41；隨深度增加Sr豐度和Sr/Ba值呈先升后降的變化趨勢(shì)（圖2）。

表4 古鹽度判別指標(biāo)及樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Paleosalinity discrimination index and sample data statistics

3.2 K+Na法

Na和K是堿金屬元素中活性極強(qiáng)的元素,通常均勻分布在水體中,其含量的高低可以用于直接衡量鹽度。當(dāng)為堿性還原環(huán)境時(shí)，隨著水體鹽度的增高，伊利石粘土吸附K和Na的能力越強(qiáng)，但Na比K的吸附量要弱。研究區(qū)TZK-1、TZK-2井各樣品K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為2.10%~5.72%,平均值為3.96%，K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著深度增加，其值有一定的波動(dòng)性，但由于前人沒(méi)有具體劃分標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為值越大，介質(zhì)鹽度越高。（表3,圖2）。

圖2 塔木素預(yù)選區(qū)TZK-1井、TZK-2井古鹽度綜合柱狀圖Fig. 2 Comprehensive histogram of paleosalinity of the borehole TZK-1, TZK-2 in the Tamusu pre-selected region

3.3 Rb和Rb/K比值法

K的含量與泥巖中粘土礦物含量尤其是粘土礦物中伊利石的含量存在著很大的關(guān)聯(lián)性。Rb常以懸浮膠體狀被運(yùn)移,當(dāng)為堿性還原環(huán)境時(shí)，膠體狀的Rb受凝絮效應(yīng)作用而沉淀，常吸附于粘土和有機(jī)質(zhì)，所以盆地水體的含鹽度，直接反應(yīng)了粘土與有機(jī)質(zhì)對(duì)Rb的吸附程度，因此，Rb含量和Rb/K比值能體現(xiàn)環(huán)境的鹽度改變情況,故將其視為測(cè)定沉積環(huán)境鹽度的指標(biāo)。研究區(qū)TZK-1、TZK-2井各樣品Rb豐度變化范圍為35.6×10-6～145×10-6，平均值為89.56×10-6；Rb/K比值變化范圍為0.0028～0.0072,平均值為0.0048（表3）,顯示TZK-1、TZK-2井Rb豐度和Rb/K比值隨深度變化呈現(xiàn)一定波動(dòng)性（圖2），用R/K法、K+Na法和Sr/Ba法所得的鹽度變化趨勢(shì)垂向上相似。

3.4 B/Ga比值法

B比Ga的遷移能力要強(qiáng)，通常B富集于湖相中，Ga富集于河流相中，因此B/Ga值常被用來(lái)分辨河流相、湖相（王益友等，1979）。在淡水系統(tǒng)中，B和Ga含量都比較低。由于地?zé)嵯到y(tǒng)、海相地層的原生水或者蒸發(fā)沉積物會(huì)導(dǎo)致淡水系統(tǒng)中B含量異常升高（Bennett et al., 2007）。通常海水中B、Ga含量偏高，B在海水的富集程度與鹽度為顯著線性相關(guān)，含有Ga的礦物溶解度一般較低，一般受海水中的顆粒清掃作用，導(dǎo)致Ga在海水中的濃度一般遠(yuǎn)低于淡水系統(tǒng)（Degens et al., 1957；Orians and Bruland，1988；McAlister and Orians，2012），因此一般Ga在海相沉積物中的含量比陸相中低，從而常用B/Ga和B含量來(lái)分析判別沉積環(huán)境（許璟等，2010；劉慶等，2004）。TZK-1、TZK-2井不同深度樣品的B/Ga值顯示變化范圍為2.98~24.10，平均值為8.48（圖2）。所得值與Rb/K比值法、K+Na法和Sr/Ba法的垂向變化趨勢(shì)基本一致。

3.5 硼元素法

B是各地球化學(xué)分析方法中容易獲得的一種元素，且對(duì)鹽度的反應(yīng)比較靈敏，因此，常用來(lái)判別鹽度。前人眾多實(shí)驗(yàn)表明，固定溶液中的硼元素容易被粘土礦物吸收，當(dāng)硼元素被吸附后，后期發(fā)生遷移不會(huì)隨水體化學(xué)因素影響而變化，因此，水體中最初的硼元素含量情況可由巖石樣品的硼元素表示。計(jì)算水體古鹽度，可以應(yīng)用硼元素的相關(guān)理論：粘土礦物吸附和硼的固定數(shù)量與水體當(dāng)中硼的含量存在關(guān)系，同時(shí)發(fā)現(xiàn)將水體中硼的數(shù)量與鹽度作為兩個(gè)變量，它們之間呈線性函數(shù)。將以上理論綜合，即是Freundlich adsorption isotherm（Charles and Norman，1963）：

上式，B：實(shí)測(cè)樣品硼的吸收數(shù)量（單位為10-6），S：鹽度（‰），C1和C2分別為常數(shù)，應(yīng)用粘土礦物和硼求古鹽度，依據(jù)此方程建立如下古鹽度的表達(dá)式：

Adamas公式（Adamas et al., 1965），表達(dá)式為：

式中古鹽度（‰）：Sp，“相當(dāng)硼”含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）：X，古鹽度計(jì)算時(shí)應(yīng)折算成×10-3。計(jì)算樣品主要成分為伊利石的泥巖，通過(guò)沃克校正公式（Walker，1968）得出“相當(dāng)硼”含量：

其中理論上純伊利石的K2O濃度為8.5，實(shí)測(cè)樣品的值表示為B樣品和K2O樣品。

Couch（1971）表達(dá)式為：

上式，Sp：古鹽度（‰），B*：“校正硼”的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%），求得古鹽度時(shí)應(yīng)折算成×10-3。

選取樣品的伊利石、高嶺石、蒙脫石含量，分別由式中xi、xm、xk表示，系數(shù)為各粘土礦物對(duì)硼的吸附強(qiáng)弱程度，系數(shù)大小表明吸收強(qiáng)弱，該公式在粘土礦物成分比較復(fù)雜時(shí)比較實(shí)用，但成巖作用會(huì)影響其計(jì)算結(jié)果。

實(shí)際上，Adamas公式很少涉及到成巖作用，并且關(guān)于硼被高嶺石、蒙脫石的吸附情況考慮很少。如果用該式計(jì)算鹽度值，精確度比較低；而Couch表達(dá)式不僅適用于變化界限較大的鹽度，且涉及到硼在蒙脫石、伊利石、高嶺石中的吸收數(shù)量，因此，應(yīng)用此公式可以取得較好的結(jié)果（表2）。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)樣品中硼元素含量變化范圍為51.0×10-6~253.0×10-6。粘土礦物以伊利石/云母和伊利石/蒙脫石粘土為主，粘土礦物經(jīng)過(guò)校正后其含量見(jiàn)表2。研究區(qū)目的層的粘土礦物多而雜，伊利石校正后平均含量在粘土礦物中偏高，符合Couch表達(dá)式的使用條件，運(yùn)用Couch公式得出研究區(qū)目的層古鹽度為5.25‰~20.25‰，均值為11.10‰。同樣顯示研究區(qū)TZK-1、TZK-2井古鹽度隨深度的變化趨勢(shì)（圖2）。以Walkers（1968）相當(dāng)硼含量劃分，研究區(qū)TZK-1、TZK-2井B含量變化范圍是43×10-6～253×10-6，平均值為112.8×10-6。所得值與Rb/K比值法、K+Na法、Sr/Ba比值法和B/Ga比值法的垂向變化趨勢(shì)基本一致。

4 沉積環(huán)境古鹽度判別

研究區(qū)TZK-1、TZK-2井沉積環(huán)境的古鹽度通過(guò)不同方法測(cè)定，其結(jié)果顯示如下特征:

（1）Sr豐度、Sr/Ba比值作為沉積環(huán)境的判別標(biāo)志（Amorosi et al., 2009），研究區(qū)泥巖樣品的Sr豐度值除一個(gè)TZK-1井745.9 m為4120×10-6數(shù)值偏大,顯示咸水跡象（表4，圖3e，f），其余Sr值471×10-6~1935×10-6均落在了半咸水和咸水區(qū)域。TZK-2泥巖樣品中Sr/Ba比值在655.3 m處為偏大22.66，其余平均值在0.75~11.45之間,均在咸水區(qū)域內(nèi)。

（2）隨著沉積時(shí)水體含鹽度的變化，泥巖樣品中Rb/K的比值也發(fā)生了相應(yīng)的變化。研究區(qū)泥巖樣品的Rb/K均值范圍為0.0028~0.00072,顯示為半咸水沉積環(huán)境（表4）。

（3）K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化有所波動(dòng)，但總體數(shù)值比較大,表明沉積環(huán)境整體偏咸（圖3g）。但其數(shù)據(jù)隨深度變化趨勢(shì)與Couch公式計(jì)算的結(jié)果存在不一致,可能由于所取全巖樣品參與分析的數(shù)據(jù)中包含有不具古鹽度指示意義的長(zhǎng)石（鉀、鈉長(zhǎng)石，其含量超過(guò)30%）（表2）。因此，樣品的K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能直接作為判別古鹽度的標(biāo)志。

（4）研究區(qū)樣品的B/Ga值集中在2.98~9.89之間，部分樣品的比值超過(guò)10（表2），指示巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段在為咸水、半咸水沉積環(huán)境，這可能與沉積體系的演化存在一定的關(guān)系。

（5）與以上判別古鹽度的定性方法相比，要定量分析古鹽度的硼元素法，目前Couch公式是沉積環(huán)境計(jì)算古鹽度的最可行方法之一，其計(jì)算結(jié)果得出，研究區(qū)TZK-1、TZK-2井古鹽度變化區(qū)間為5.25‰~20.25‰，均值11.10‰，屬于半咸水沉積環(huán)境（陶曉風(fēng)和吳德超，2007），部分為微咸水沉積環(huán)境。

（6）通過(guò)Sr/Ba、K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Rb/K 、B/Ga、B與古鹽度相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)Couch公式得出的古鹽度值與B相關(guān)性顯著，達(dá)到0.9895，因其根據(jù)B含量計(jì)算，故不能直接表征古鹽度可信度（圖3a）；與B/Ga、Rb/K的相關(guān)系數(shù)分別為0.8639、0.8484（圖3b，c）；與K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)系數(shù)為0.8275（圖3d）；與Sr/Ba的相關(guān)性較低，其值為0.3491（圖3e）；除Sr/Ba比值、K+Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)外均顯示與TZK-1井、TZK-2井古鹽度變化趨勢(shì)的相似性（圖2），進(jìn)一步驗(yàn)證了利用Couch公式得出的巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段古鹽度的可靠性。

圖3 沉積物中B和Ga、Sr和Ba含量及Sr/Ba、Rb/K、B/Ga和w(K+Na)比值與鹽度關(guān)系圖Fig. 3 The relation between paleo-salinity and B content, Sr/Ba, Rb/K, B/Ga and w(K+Na) content of the pre-selected region

（7）研究區(qū)泥巖樣品硼含量、“相當(dāng)硼”含量及古鹽度分析結(jié)果顯示巴音戈壁組上段為半咸水的沉積環(huán)境，而Sr/Ba值與古鹽度的相關(guān)性偏低，指示其沉積相為超咸環(huán)境。由于巴音戈壁盆地地質(zhì)條件復(fù)雜，而古環(huán)境是又一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，故各個(gè)劃分標(biāo)準(zhǔn)范圍僅作為一定的參考，通過(guò)Ga-B-Rb微量元素三角圖（大森昌衛(wèi)等，1980；李智超等，2015），根據(jù)大環(huán)境上分析，其為半咸水—咸水環(huán)境，局部水體鹽度值較高（圖4），與上述的硼含量、“相當(dāng)硼”含量及古鹽度分析結(jié)果相對(duì)一致。另外圖4中亦有部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示在淡水環(huán)境區(qū)，可能由于Ga在風(fēng)化作用形成的黏土礦會(huì)明顯富集，Ga在巖石中淡水成因較海洋條件下形成的含量高（許璟等，2010；劉慶等，2004）。故該比值反映的鹽度可以更好的用來(lái)區(qū)分海陸相地層，而對(duì)于湖湘沉積環(huán)境的古鹽度判別可能存在一定偏差。

圖4 Ga-B-Rb 含量三角關(guān)系圖解Fig. 4 Triangle of gallium，boron，rubidium content

5 結(jié)果分析討論

5.1 沉積學(xué)特征

5.1.1 沉積構(gòu)造

沉積巖構(gòu)造特征是判斷巖石形成時(shí)期水動(dòng)力條件強(qiáng)弱的重要手段，是記錄沉積環(huán)境特征的重要載體，分析沉積構(gòu)造特征已成為正確劃分沉積相的重要工具（劉宗堡等，2008；Pan et al., 2013）。依據(jù)預(yù)選區(qū)鉆孔目的層巖心精細(xì)編錄，發(fā)現(xiàn)其構(gòu)造為層理構(gòu)造、變形構(gòu)造和生物構(gòu)造。預(yù)選區(qū)目的層泥巖主要為塊狀層理，也見(jiàn)水平層理，反映了水動(dòng)力相對(duì)條件較弱且穩(wěn)定的低能環(huán)境；交錯(cuò)層理及平行層理在水動(dòng)力較強(qiáng)的分流河道或者席狀砂微相之中（圖5a，c）。同時(shí)，在多個(gè)河道底部見(jiàn)沖刷層面構(gòu)造（圖5a），反映高能水體沉積時(shí)對(duì)相對(duì)低能水體中沉積物的沖刷作用。在預(yù)選區(qū)目的層由于差異壓實(shí)作用，可見(jiàn)火焰構(gòu)造，反映出三角洲平原的沉積環(huán)境特征。同時(shí)，由于原生層理的變形作用，也見(jiàn)包卷層理，反映了三角洲前緣分流間灣微相沉積特征（圖5b）。預(yù)選目的層深灰色泥巖中可見(jiàn)植物根系化石；同時(shí)在目的層建組剖面（巴隆烏拉山剖面）中也能發(fā)現(xiàn)植物根系化石（圖5d，e）。

圖5 預(yù)選區(qū)（ZKH104-40井）目的層典型沉積構(gòu)造特征Fig. 5 Typical sedimentary structural characteristics of the target layer in the pre-selected region（ZKH104-40）

5.1.2 沉積微相特征

經(jīng)過(guò)對(duì)研究區(qū)白堊系巴音戈壁組上段沉積系分析（圖6），發(fā)現(xiàn)其主要沉積期為扇三角洲相和湖相沉積。因沉積體系內(nèi)眾多不同拗陷和斷陷類(lèi)型的存在，從而對(duì)湖盆地的沉積充填過(guò)程產(chǎn)生了不同的影響，進(jìn)而表現(xiàn)出復(fù)雜多樣沉積體系。通過(guò)巖心選樣辨識(shí)巴音戈壁組上段的沉積環(huán)境與沉積體系，發(fā)現(xiàn)沉積期內(nèi)可能空氣比較濕潤(rùn)、降水較豐沛，沉積碎屑物基本為灰色，可以看出沼澤相轉(zhuǎn)為湖相，湖盆地范圍迅速擴(kuò)大，流水的搬運(yùn)作用明顯加強(qiáng)。并且該區(qū)域辮狀三角洲沉積分布比較廣；湖相沉積發(fā)育也非常好。研究區(qū)K1b2-1沉積期，深湖相展布大于200 km2，分布最廣。地層厚度超過(guò)300 m，產(chǎn)狀平坦，傾斜度很小。

圖6 巴音戈壁組上段泥巖鉆孔巖心照片F(xiàn)ig. 6 Rock core photos of mudstone drilling in upper section of Bayingobi formation

5.1.3 沉積相展布

通過(guò)對(duì)研究區(qū)巴音戈壁組野外實(shí)地勘察和巖心取樣分析，發(fā)現(xiàn)此地段沉積環(huán)境以扇三角洲—湖泊沉積環(huán)境模式為主（圖7）。該盆地坳陷沉降均有平穩(wěn)出現(xiàn)，沉積模式變化明顯。早白堊世時(shí)期，燕山Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，沉積盆地逐漸坳陷沉降，不斷發(fā)育為湖相沉積，泥砂碎屑物質(zhì)從物源區(qū)被攜帶、迅速搬運(yùn)，并在附近沉積，最終成為扇三角洲沉降帶。隆起作用在宗乃山—沙拉扎山繼續(xù)加強(qiáng)，沉積物產(chǎn)生進(jìn)積作用，湖盆進(jìn)一步遷移且縮小。

圖7 巴音戈壁組沉積模式圖（改自李松倬，2018）Fig. 7 The Sedimentary pattern map in Bayingebi Formation

由于巴音戈壁盆地在早白堊世處于拉分盆地全面發(fā)展階段，預(yù)選區(qū)所處的因格井坳陷沉降迅速，遠(yuǎn)大于沉積速度，此時(shí)湖盆厚層泥巖沉積面積最大，且湖盆長(zhǎng)軸呈北東—南西方向展布，區(qū)內(nèi)相對(duì)深的鉆孔TZK-1井、TZK-2井均鉆遇該套泥巖。此時(shí)扇三角洲沉積范圍較小，僅在盆緣靠近物源區(qū)的北西、南東方向沉積物受河流作用泥砂沉積顯著，呈狹窄的長(zhǎng)條形形態(tài)展布于湖盆邊緣，且北西方向河道以砂礫巖及砂巖為主，表明沉積物具有快速堆積特征，推測(cè)為湖盆陡坡帶。在K1b2-2巖性段，預(yù)選區(qū)目的層河流作用明顯增強(qiáng)，發(fā)育扇三角洲相和湖相沉積（圖8b）。同K1b2-1巖性段相比（圖8a），北東、北西方向湖相泥巖范圍縮小，向TZK-2井收縮。而扇三角洲相沉積作用顯著，沉積范圍向湖盆擴(kuò)近，狹窄的長(zhǎng)條形形態(tài)增寬。K1b2-3巖性段，受早白堊世晚期盆地差異抬升作用，預(yù)選區(qū)目的層同樣發(fā)育扇三角洲相和湖相（圖8c）。湖相以淺湖為主，湖盆面積逐漸縮小，扇三角洲前緣范圍擴(kuò)大。

圖8 預(yù)選區(qū)目的層沉積相平面圖Fig. 8 Sedimentary facies plan view of the target layer in the pre-selected region

前人研究表明，巴音戈壁盆地研究區(qū)巴音戈壁組地層以碎屑巖為主，由扇三角洲—湖泊沉積環(huán)境形成。研究區(qū)西南、東北部以扇三角洲平原及前緣亞相為主，中部是湖相。初期湖盆面積最大，大于200 km2，后逐漸收縮，氣候也由溫暖潮濕轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣稍铮ㄏ螨埖龋?019b）。

5.2 泥巖粘土礦物組成特征

成巖作用過(guò)程中，粘土礦物的形成受古鹽度影響。一般鹽度越高，越利于粘土礦物的演化。巴音戈壁組目的層巖性結(jié)構(gòu)為泥粉質(zhì)，發(fā)育較好的礦物粘土有伊利石、蒙脫石。TZK-1井、TZK-2井古鹽度具有隨深度增加升高—降低特點(diǎn)，與伊利石含量的變化一致。這種現(xiàn)象可能是因?yàn)楣披}度的增高有益于蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石，進(jìn)而對(duì)粘土礦物的形成演化有利（戴朝成等，2018）。

通過(guò)對(duì)預(yù)選區(qū)目的層TZK-1井和TZK-2井巖心泥巖結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)兩口鉆孔巖心固結(jié)程度上段泥巖均以暗灰色為主，有機(jī)質(zhì)含量較高；巴音戈壁組上段（K1b2）下部泥巖均以淺灰色為主。泥巖巖心標(biāo)本總體均一性、固結(jié)度良好，結(jié)構(gòu)精致緊密。粘土礦物主要是伊利石、高嶺石等。

研究區(qū)巴音戈壁組上段泥巖樣品，結(jié)合XRD含量與掃描電子顯微鏡（SEM）微觀形貌特征分析可知（圖9），該段泥巖的粘土礦物來(lái)源為自生粘土礦物和陸源碎屑，其間蒙脫石和伊利石均分布于顆粒表面，伊利石大多表現(xiàn)為羽毛狀，有時(shí)分布于顆粒間并以粘土橋的形式存在；蒙脫石多為棉絮狀。通過(guò)分析X衍射數(shù)據(jù)和各深度樣品發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋深不斷增加時(shí)，成巖作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，伊利石含量隨之會(huì)逐步上升，而蒙脫石含量則不同。由此可見(jiàn)微觀形貌特征可檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)獲得的XRD數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)該段泥巖伊利石、蒙脫石、伊蒙混層發(fā)育較好，綠泥石和高嶺石極少。

5.3 古鹽度演化

沉積環(huán)境不同時(shí)，根據(jù)Rb/K、K+Na、Sr/Ba和B/Ga等古鹽度判別指標(biāo)充分說(shuō)明湖泊水體總體鹽度偏高，為咸湖沉積。在此環(huán)境下，TZK-2井上部巖性段巖心中發(fā)育的石膏應(yīng)是由此產(chǎn)生。在巴音戈壁組上段，Rb/K、K+Na、Sr/Ba、B/Ga值指示在垂向上古鹽度波動(dòng)明顯，目標(biāo)層下部比值主要表現(xiàn)為先增大再減小的趨勢(shì)。表明目的層巖性段中部相對(duì)于下部沉積氣候更為干旱，即沉積晚期古氣候干旱程度更強(qiáng)，指示目的層中下部（深約450 m左右）古氣候存在干濕變換。垂向上在450 m和550 m至650 m處存在明顯波動(dòng)（圖2），進(jìn)一步指示目的層中、下部存在干濕轉(zhuǎn)換的古氣候。而后者波動(dòng)幅度較大，顯示在下部巖性段（K1b2-1）干熱環(huán)境下可能產(chǎn)生過(guò)較強(qiáng)的濕冷周期沉積。另外向龍等（2019b）依據(jù)氧化還原敏感微量元素（如U、V等）在沉積環(huán)境中的化學(xué)行為特征，發(fā)現(xiàn)在垂向變化上，目的層中部和下部（K1b2-1）界面（約450 m處）存在還原—氧化界面，約550~600 m處為氧化—還原界面，這可能是氣候在當(dāng)時(shí)異常干旱的響應(yīng)。由此可見(jiàn)，干燥炎熱不斷增強(qiáng)的條件下，目的層上部有古鹽度隨之增大的特點(diǎn)，同時(shí)中部和下部鹽度也隨之發(fā)生變化。該古鹽度變化與古氣候及氧化還原研究在該巖性段部位耦合。

圖 9 掃描電鏡下塔木素巴音戈壁組上段泥巖的礦物特征Fig. 9 Mineral characteristics of mudstones in the upper segment of the Bayingebi group in Tamusu basin by scanning electron microscopy

水體咸度通常認(rèn)為是受海水影響或干旱氣候水體蒸發(fā)結(jié)果。塔木素所在區(qū)域巴音戈壁組上段，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煤線或可采煤層，說(shuō)明該段沉積時(shí)期為半干旱的氣候背景。巴音戈壁組上段中出現(xiàn)的鈣質(zhì)泥巖和部分泥灰?guī)r和薄層石膏紋層，也說(shuō)明了當(dāng)時(shí)氣候?yàn)榘敫珊?，湖盆水出現(xiàn)濃縮的現(xiàn)象。從早白堊世末期開(kāi)始，氣候開(kāi)始出現(xiàn)干旱，目的層巴音戈壁組上段上覆地層烏蘭蘇海組為一套干旱環(huán)境下的沖洪積和河流相沉積，顏色為黃色、奶黃色或赤色，其中不含炭屑等有機(jī)質(zhì)。其后進(jìn)入新生代，干旱極端的條件繼續(xù)維持，并出現(xiàn)了沙漠化，地表幾乎無(wú)植被。

根據(jù)，陶曉風(fēng)和吳德超（2007）對(duì)古鹽度的分類(lèi)，巴音戈壁上段水體計(jì)算所得古鹽度介于5.25%~20.25%之間，平均值為11.02%，表明其水體以半咸水為主、局部為微咸水。結(jié)合前文沉積相的研究，因此本研究計(jì)算所得古鹽度反映的是半干旱氣候下湖盆不斷萎縮下水體不斷咸化的一個(gè)反映。

5.4 古鹽度對(duì)深地質(zhì)處置的影響

蒙脫石經(jīng)過(guò)發(fā)展變化成為伊利石在泥巖中非常普遍。然而經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，阻滯放射性核素的效果，蒙脫石比伊利石明顯強(qiáng)（李清梅，2015）。在處置環(huán)境中，巴音戈壁組泥巖作為處置庫(kù)圍巖，伊利石的逐漸增加在阻滯核素遷移方面存在不利因素。然而，當(dāng)前有關(guān)此方面產(chǎn)生的影響仍未知。因此，今后需深入研究蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化及古鹽度變化情況對(duì)核素遷移行為、高放廢物處置庫(kù)圍巖選擇的影響（向龍等，2018）以更精確地、更順利的展開(kāi)處置庫(kù)圍巖方面的安全評(píng)價(jià)。

6 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段不同深度泥巖的微量元素測(cè)試及粘土礦物組分等分析，討論了微量元素及其比值在垂向上的變化規(guī)律，并結(jié)合沉積學(xué)宏觀方面的特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）研究區(qū)巴音戈壁組上段沉積碎屑物基本為灰色，以半深湖—深湖沉積環(huán)境為主，發(fā)育厚層深灰色泥巖，以塊狀為主，偶見(jiàn)水平層理。隨著河流作用增強(qiáng)，沉積物供給量增加，扇三角洲前緣發(fā)育，湖盆面積縮小，發(fā)育半深湖沉積環(huán)境。以半深湖至深湖相沉積為主，湖盆面積繼續(xù)縮小，扇三角洲平原沉積面積增大。

（2）研究區(qū)目的層巖性結(jié)構(gòu)為泥粉質(zhì)，該段泥巖伊利石、蒙脫石、伊蒙混層發(fā)育較好，綠泥石和高嶺石極少，粘土礦物主要為伊利石、蒙脫石。

（3）使用Couch公式所得內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地巴音戈壁組上段古鹽度的恢復(fù)值，分析發(fā)現(xiàn)其鹽度值為5.25‰~20.25‰，均值為11.10‰。選取樣品的Sr/Ba、Rb/K、B/Ga、Na+K值同古鹽度變化趨向相似，表明Couch表達(dá)式所得值基本符合湖水的鹽度變化特征，且結(jié)果可信度較高。巴音戈壁組上段不同深度各層位的古鹽度變化有一定的規(guī)律性。TZK-2井古鹽度隨深度增加逐漸下降，且半咸水逐步發(fā)展成為微咸水。TZK-1井古鹽度總體偏高，表現(xiàn)出半咸水特征。該古鹽度變化與古氣候及氧化還原的相關(guān)研究在該巖性段部位耦合。

（4）隨著古鹽度的增加，蒙脫石向伊利石有逐步轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致目的層伊利石含量與古鹽度變化情況相似。因此，為后期深入研究粘土礦物對(duì)核素吸附性能及核素在泥巖中的遷移情況提供一定依據(jù)。