運(yùn)城鹽湖地質(zhì)特征與成因淺析

楊萌萌

（山西省地質(zhì)勘查局二一四地質(zhì)隊(duì)，山西運(yùn)城 044000）

運(yùn)城鹽湖位于運(yùn)城盆地東南部，是山西省最大的湖泊，行政區(qū)劃屬山西省運(yùn)城市管轄。呈北東—南西向延伸，并有湯里灘、鴨子池、鹽池、黑龍?zhí)丁⑾醭?、六小池、杜家營池和五姓湖等小湖，呈串珠狀排列。長約30km，寬3～5km，湖面海拔324.5m，最深處約6m，總面積132km2，湖水面積30km2，是世界三大硫酸鈉型內(nèi)陸鹽湖之一，由于其鹽含量類似中東的“死?！保时蛔u(yù)為“中國死?！薄Ｗ?949年以來，運(yùn)城鹽湖經(jīng)歷了4次勘查工作，1982～1988年山西省地質(zhì)勘查局二一四地質(zhì)隊(duì)進(jìn)行了第4次勘查，1989年6月提交了《山西省運(yùn)城鹽湖芒硝礦區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告》，整體勘查深度未超過200m，詳細(xì)查明了含鹽巖系和標(biāo)志層的沉積特征，詳細(xì)查明了鹽類礦體的數(shù)量、形態(tài)、厚度、規(guī)模、產(chǎn)狀、空間位置及資源儲(chǔ)量等[1]。近年來，人們更多的關(guān)注于鹽湖的歷史文化、開發(fā)利用、生態(tài)保護(hù)等方面的內(nèi)容[2-3]。近期，筆者對鹽湖以往的資料進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，結(jié)合二一四地質(zhì)隊(duì)正在實(shí)施的山西省地質(zhì)勘查局2020年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目《山西省運(yùn)城鹽湖周邊鹽漬土形成機(jī)理及對生態(tài)環(huán)境影響調(diào)查研究》，在前人工作的基礎(chǔ)了對鹽湖的成因演化有了一些新的認(rèn)識(shí)，為鹽湖今后的勘查、開發(fā)、保護(hù)等提供了理論基礎(chǔ)。

1 鹽湖地質(zhì)特征

鹽湖大地構(gòu)造位置位于汾渭裂谷帶之臨汾—運(yùn)城盆地的次級構(gòu)造單元——運(yùn)城塊凹沉降中心之中低洼凹陷部位，北為臨猗—聞喜斷裂，南為中條山山前斷裂，為一斷陷盆地[4]。呈北東—南西狹長帶狀展布，受山前大斷裂控制，是運(yùn)城盆地形成的后期產(chǎn)物?，F(xiàn)將鹽湖地質(zhì)特征分述如下。

1.1 地層

鹽湖一帶分布的地層為新生界下更新統(tǒng)三門組、中更新統(tǒng)離石組上部、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)（圖1）。中更新統(tǒng)—全新統(tǒng)地層出露于地表，余者均隱伏于湖盆之下。

圖1 運(yùn)城鹽湖地質(zhì)略圖

下更新統(tǒng)三門組（Q1）：下部為深灰色、黃褐色粉質(zhì)粘土夾粘土、砂層；上部為一套分布普遍的沖、湖積相地層，以灰綠、土黃及棕褐色粉質(zhì)粘土為主，夾粘土、砂層及白云質(zhì)泥灰?guī)r。為界村芒硝礦段的主要含礦層位，局部地段富含石膏層。

中更新統(tǒng)離石組（Q2-2）：上部屬濱湖相沉積，分布于鹽湖北岸的垅崗一帶，為黃灰色，以石膏砂為主組成的粉質(zhì)粘土夾2～3層紅色古土壤。

上更新統(tǒng)（Q3-1）：分垅崗和湖區(qū)兩部分,為沖積相（al）地層。垅崗為微紅色粉質(zhì)粘土，下部含鈣質(zhì)結(jié)核，厚3.8～10.8m；湖區(qū)以深灰色、青灰色及黃綠色粉質(zhì)粘土為主，夾砂層、粘土及白云質(zhì)泥灰?guī)r。為界村礦段晶質(zhì)石鹽和泥質(zhì)鈣芒硝礦體的主要含礦層位。

全新統(tǒng)（Q4）為分布廣泛的沖積、洪積、湖積相沉積地層。湖積相（l）地層主要分布于界村至西灘湖水域范圍內(nèi)，為東灘和西灘芒硝礦的主要賦存層位；湖積層巖性比較復(fù)雜，主要為黃灰色粉土、深灰色、灰黃色砂、灰黑色含淤泥、石膏粉質(zhì)粘土及深灰色粘土等。洪積相（pl）地層主要分布于鹽湖南側(cè)及鴨子池以東地段，從東到西由寬變窄，呈帶狀分布，巖性主要為洪積砂礫石和洪積含砂粘性土。坡積相（sl）地層主要分布于東灘及西灘北部油路與垅崗之間和垅崗的沖溝中，近東西向展布，寬50～200m，主要為土黃、淺褐色含石膏砂的粉質(zhì)粘土，有磚瓦碎塊等人類活動(dòng)的產(chǎn)物。

1.2 構(gòu)造及巖漿巖

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，產(chǎn)狀呈水平狀。僅在界村礦段有一條NNE-SSW向，中部向NWW突出的弧形斷裂存在，延長2500m，將下更新統(tǒng)三門組上部與上更新統(tǒng)地層錯(cuò)斷，為傾向北西西，傾角85°的正斷層，垂直斷距一般12m左右，形成時(shí)代為下更新世，上更新世時(shí)期又復(fù)活。區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露。

1.3 礦床特征

運(yùn)城鹽湖礦床主要由界村、東灘、西灘三個(gè)礦段和湖漫灘硝板組成，呈NE-SW向展布，是現(xiàn)代固、液相共存，以芒硝為主的鹽類礦床。湖表鹵水化學(xué)類型屬于硫酸鹽型的硫酸鈉亞型。鹽湖礦層賦存于下更新統(tǒng)—全新統(tǒng)含鹽巖系中，呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出。含鹽巖系為一套由粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂和淤泥組成的湖相地層，成鹽旋回清楚，水平層理明顯，為靜水環(huán)境沉積。

礦床以東灘礦段規(guī)模最大，在區(qū)內(nèi)占主要地位；界村礦段位居第二，西灘礦段規(guī)模最小。其中，東灘礦段位于鹽湖東段，呈NE-SW向展布，長約6km，寬約2km，面積約12km2，礦體平均厚度1.0～11.56m，埋深0.00～54.36m。界村礦段位于鹽湖北東部，長約5km，寬約2km，分為深部礦體、淺部礦體和地表（硝板）礦體。深部礦體賦存于下更新統(tǒng)含鹽巖系中，平均厚度0.50～2.60m，埋深69.30～113.06m。淺部礦體賦存于上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)含鹽巖系中，平均厚度0.50～3.10m，埋深5.50～51.06m。西灘礦段位于鹽湖南西段，呈NE-SW向帶狀分布，西部較寬，東部較窄，長約4.5km，寬約1.3km，面積約5km2，一般厚1.0～2.5m，平均厚度1.56m，礦體埋藏很淺。三個(gè)礦段均分布于長條狀的鹽湖洼地內(nèi)，且礦體長軸與鹽湖地塹的走向一致，反映鹽湖地塹對礦體的發(fā)育起著控制作用[5]。

2 鹽湖成因演化

運(yùn)城鹽湖的形成與所處特殊的地質(zhì)構(gòu)造位置、物質(zhì)來源和氣候條件[3]三大因素密切相關(guān)，其成因演化可劃分為三個(gè)階段：第一階段為聚水盆地的形成,第二階段為鹽類物質(zhì)的補(bǔ)給,第三階段為鹽類礦物的結(jié)晶與沉淀。三個(gè)階段中，盆地形成是主導(dǎo)，鹽類補(bǔ)給是條件，鹽類礦物的結(jié)晶與沉淀是結(jié)果。

2.1 聚水盆地的形成

山西以中、新生代板內(nèi)造山帶為主體，西與鄂爾多斯板內(nèi)坳陷帶、東與華北平原接壤，南北界于秦嶺、陰山造山帶之間，具有典型特征的克拉通基礎(chǔ)上的板內(nèi)造山作用。山西的總體構(gòu)造格架形成于中生代，構(gòu)造線方向呈中間為北北東向，南北兩端為北東向的“S”形展布。自新生代以來，疊加形成了貫穿山西南北的汾渭裂谷帶，隆起與塊凹特征明顯，不同時(shí)代的地層、構(gòu)造、巖漿巖發(fā)育齊全。

汾渭裂谷帶是由一系列北北東向展布、北東向斜列的新生代盆地組成，主要為大同盆地、忻定盆地、晉中盆地、臨汾—運(yùn)城盆地、芮城盆地，向北東包括河北省境內(nèi)的延懷、蔚縣盆地，南西以臨汾—運(yùn)城盆地隔黃河與陜西的渭河盆地相連[5]。兩側(cè)為新生代以來隆升的高原山地，其中西側(cè)為呂梁山、云中山、蘆芽山、洪濤山山脈和以西至黃河谷地的高原低山區(qū)；東側(cè)為中條山、太岳山、太行山、五臺(tái)山、恒山山脈。汾渭裂谷帶是在伸展構(gòu)造環(huán)境下，以盆地邊緣斷裂活動(dòng)和地殼間歇性抬升為主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)形式，造就了貫穿山西地塊南北的呈北北東向展布、北東向斜烈“S”形展布的凹陷盆地和兩側(cè)山體整體隆升以及山體遭受剝蝕、盆地接受沉積完整的沖洪積體系，總體反映是在強(qiáng)烈的地殼拉張構(gòu)造環(huán)境下，形成的右旋剪切拉張帶。臨汾—運(yùn)城盆地是汾渭裂谷帶的重要組成部分，自北向南依次為霍州斷階、臨汾塊凹、塔兒山塊凸、河津塊凹、稷王山塊凸、運(yùn)城塊凹六個(gè)次級構(gòu)造單元，其中鹽湖位于運(yùn)城塊凹最低處（圖2）[2]。

運(yùn)城盆地基底是在中生代燕山期形成的復(fù)背斜的基礎(chǔ)上演變而來的，盆地基底南深北淺，盆地內(nèi)部斷層活動(dòng)形成次一級的地壘地塹構(gòu)造，如鳴條崗地壘、涑水河地塹、鹽湖地塹等[6]。運(yùn)城鹽湖位于盆地南側(cè)，兩側(cè)均有斷層限制的鹽湖地塹內(nèi)。

進(jìn)入新生代以來，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)總體是在伸展構(gòu)造背景下發(fā)生隆升、裂陷并伴隨有古近紀(jì)末和新近紀(jì)末兩次擠壓作用。至新近紀(jì)中新世形成臨汾—運(yùn)城斷陷盆地構(gòu)造格架，進(jìn)入新近紀(jì)上新世盆地進(jìn)一步下陷，積水成湖并向箕形發(fā)展。進(jìn)入第四紀(jì)早更新世，經(jīng)上新世晚期的擠壓作用，盆地因抬升湖水面積已明顯發(fā)生萎縮，至中更新世晚期，稷王山斷裂隆起，汾河改道，運(yùn)城塊凹退出了汾河流域，便形成封閉—半封閉的聚水盆地，且自北東向南西緩傾斜，鹽湖沉積中心也逐漸向西遷移，湖面越趨縮小，鹽湖形態(tài)初步形成。沉積地層主要包括下更新統(tǒng)三門組、中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)不同成因類型的沉積巖。中更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層出露于地表，余者均隱伏于湖盆之下（圖2）。

圖2 臨汾—運(yùn)城盆地構(gòu)造剖面圖

2.2 鹽類物質(zhì)的補(bǔ)給

運(yùn)城塊凹為封閉—半封閉的聚水盆地，具有水文封閉的特征。盆地兩側(cè)古陸古老的變質(zhì)雜巖和各時(shí)代的火成巖，遭受物理、化學(xué)和生物風(fēng)化作用的破壞，形成各種粒度的碎屑物，被風(fēng)或水搬運(yùn)到盆地中沉積下來。碎屑物中含有豐富的SO42-、Cl-、Na+、Mg2+等鹽分，被水溶蝕呈離子狀態(tài)從晶格中析出，再轉(zhuǎn)入地表水或地下水，通過徑流最終匯集于湖盆內(nèi)，為鹽湖成礦不斷輸送了大量的鹽類物質(zhì)[4]，因此徑流對于鹽湖生命維持具有重要意義。運(yùn)城盆地第四系地層中可溶鹽份含量較高，如下更新統(tǒng)巖石可溶鹽平均含量0.327%，上更新統(tǒng)為0.676%，全新統(tǒng)為0.195%，這些土狀沉積物中的殘留鹽類是鹽湖鹽類物質(zhì)的主要來源[1]?？辈旖Y(jié)果表明，每年地表水向鹽湖攜帶的鹽份有1.48t，而地下水?dāng)y帶的鹽份有10.39t[5]。

最新資料顯示，在運(yùn)城鹽湖地區(qū)第四系地層中，146～160m孔深段發(fā)現(xiàn)有半鹵水種有孔蟲，457m、262m孔深處發(fā)現(xiàn)海相介形蟲、同樣品中還見有陸相介形蟲，表明本區(qū)為海濱環(huán)境，地層屬于海陸過渡相沉積層。初步認(rèn)為第四紀(jì)以來有過四次短暫的海侵作用，成鹽物質(zhì)可能有部分來自下更新世至晚更新世短期海水侵入而殘留的氯化物型鹵水。另外，區(qū)域內(nèi)深大斷裂比較發(fā)育，區(qū)內(nèi)沿較深斷裂上升的泉水、熱泉水也可能是鹽類物質(zhì)的來源之一。因此，多源的鹽類物質(zhì)來源，提供了成礦的物質(zhì)前提。

2.3 鹽類礦物的結(jié)晶與沉淀

運(yùn)城鹽湖屬于干旱—半干旱大陸性季風(fēng)氣候，基本特點(diǎn)是春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽連陰，冬季干燥寒冷。鹽湖光熱資源豐富，年平均日照2500h，年平均太陽輻射490.77～500.59KJ/cm2,0℃以上積溫4600℃～5100℃。年平均氣溫11.8℃～13.7℃之間。年平均降水量550mm，54%以上集中在7、8、9月。年蒸發(fā)量2310～3135mm，為降水量的4.2～5.7倍。在這種蒸發(fā)量遠(yuǎn)超過降水量的氣候條件下，封閉的地形是流域內(nèi)的徑流向湖泊匯集，且不外泄，鹽分通過徑流源源不斷地從流域向湖泊輸送。強(qiáng)烈的蒸發(fā)使湖水不斷濃縮，水去鹽留，含鹽量日漸增加，經(jīng)過長期的蒸發(fā)、結(jié)晶、沉淀便形成了鹽類礦床。

在成鹽作用過程中，硫酸鈉亞型原始鹵水由淡到濃大致經(jīng)歷了鈣硫酸鹽階段、鈣鈉硫酸鹽階段、鈉硫酸鹽和氯化物階段、鈉鎂硫酸鹽階段。依次沉積了石膏、鈣芒硝、石鹽、芒硝、白鈉鎂礬和無水芒硝等礦物。不同的成鹽階段，形成不同的鹽類礦物層，構(gòu)成不同礦石類型的礦體。

在成鹽過程中，由于氣候的變化、季節(jié)的更替、降水量的多少，引起湖水周期性的變化，不斷改變鹵水物理化學(xué)條件，致使成鹽階段交替極為頻繁，形成了多次的成鹽旋回及巖層中的韻律構(gòu)造。在成鹽過程中，先沉積的是難溶礦物，后沉積的是易溶礦物。芒硝是寒冬季節(jié)的產(chǎn)物，石鹽是炎夏季節(jié)的產(chǎn)物，鹵水達(dá)到最大濃度時(shí)，可形成白鈉鎂釩。當(dāng)鹵水相對淡化時(shí)只能形成鈣芒硝和石膏，淡化程度很大時(shí)只生成石膏，進(jìn)一步淡化則無鹽類礦物出現(xiàn)。

從含礦層位分析認(rèn)為，鹽湖成鹽過程分三個(gè)旋回。第一成鹽旋回形成界村芒硝礦段深部礦體，沉積了鈣芒硝、芒硝、白鈉鎂礬礦層，沉積時(shí)代為下更新世末期。第二成鹽旋回形成了界村芒硝礦段淺部礦體，沉積多層鈣芒硝、石鹽礦層，沉積時(shí)代為上更新世。第三成鹽旋回形成了東灘、西灘礦段礦體，沉積了鈣芒硝、石鹽、芒硝、白鈉鎂礬等反復(fù)交替的多層礦層，沉積時(shí)代為全新世。從礦層空間分布特征可見，自下而上、由老至新礦層由東向西逐漸遷移，是各成鹽期的鹵水濃縮中心不斷向西遷移的結(jié)果。

因此，不同的成鹽旋回、不同的成鹽階段、不同的礦物層和沉積韻律，實(shí)質(zhì)上是鹵水周期性變化的結(jié)果，它受制于氣候變遷、季節(jié)更替和水源的補(bǔ)給。成鹽始終，鹵水基本性質(zhì)并未發(fā)生改變，只是鹵水濃縮中心不斷緩慢向西遷移，可以推斷晚更新世以來鹽湖地塹內(nèi)沉降中心由東向西發(fā)生了遷移，這是構(gòu)造下沉中心隨時(shí)間發(fā)生遷移的反映[5-9]，也是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和外力共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

運(yùn)城鹽湖是一個(gè)古老而又典型的內(nèi)陸咸水湖，誕生于新生代喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，為靜水環(huán)境、湖相沉積。礦層賦存于下更新統(tǒng)—全新統(tǒng)含鹽巖系中，呈層狀、似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦產(chǎn)主要為芒硝、鎂鹽、石鹽，是固、液相共存的鹽類礦床。鹽湖的形成與所處特殊的地質(zhì)構(gòu)造位置、物質(zhì)來源和氣候條件密切相關(guān)。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下首先形成的封閉—半封閉的聚水盆地，為鹽類物質(zhì)的富集提供有利的場所；多源的鹽類物質(zhì)來源，為鹽湖的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；長期的干旱—半干旱性氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，利于鹽類礦物的結(jié)晶與沉淀。因此，運(yùn)城鹽湖的形成是內(nèi)因、外因共同作用的結(jié)果，是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，也是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)耦合的結(jié)果，具有重要的地質(zhì)學(xué)研究意義。