中国柴达木盆地阿尔屯山山麓一个受断层控制的干盐湖（贾湖）的氢化学模型：来自Sr、B、H、O同位素及化学成分的启示

《Journal of Hydrology》：Hydrochemical model of a fault-controlled playa (Jiahu) in the piedmont of Altun Mountain, Qaidam Basin, China: Insights from Sr, B, H, O isotopes, and chemical compositions

盐湖化学演化与Ca-rich水源同位素示踪研究——以青海茶卡盐湖Jiahu Playa为例，发现其盐湖水化学类型（Ca-rich或SO4-rich）受北部深部玄武岩含水层与南部 Paleogene-Neogene油场水双重补给影响，Sr/B同位素比值及δ11B特征显示玄武岩水主导Ca-rich盐层形成，而油场水主要影响南部SO4-rich盐层，蒸发浓缩与水源混合共同控制水化学演化。

　　

沈立坚|赵彦军|李伟|潘冰

中国地质科学院矿产资源研究所金属成因与矿物评价国家重点实验室，北京，中国

摘要

柴达木盆地的盐湖主要由富含钙的喀斯特泉水补给，这些泉水沿着断层带涌出地表，此外还有河水补给。这些富含钙的泉水在化学成分上与盆地内的第三纪油田水相似，如果补给量足够大，可以将盐湖卤水的化学类型从硫酸盐型（SO₄?+?1/2HCO₃?>?Ca当量）转变为钙型（Ca?>?SO₄?+?1/2HCO₃当量）。位于阿尔金山山麓的贾湖盐沼同时含有硫酸盐型和钙型卤水。从贾湖盐沼不同盐度水平的水体中分析得到的化学成分以及锶（Sr）、硼（B）、氢（H）和氧（O）同位素组成表明，该盐沼受到河水、第三纪冷湖背斜带的油田水以及可能的深层玄武岩含水层水的共同补给。尽管油田水和深层玄武岩含水层水都富含钙，但后者对贾湖盐沼中钙型卤水的形成起主导作用。在盐沼北部，地表卤水以钙型为主，且⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值相对较低（为盆地内报告的最低值）。在盐沼南部，油田水的补给导致δ¹¹B值升高，地表卤水仍保持硫酸盐型。从盐沼不同部位采集的水体的氢和氧同位素组成与当地的蒸发线一致，而蒸发线又与当地的降水量线相交。这表明，与河水相比，富含钙的卤水（无论是来自油田水还是玄武岩含水层水）的体积贡献都非常小。δ¹⁸O和δD值的变化主要受河水强烈蒸发的影响。本研究根据断层的特性，证明了柴达木盆地中富含钙的泉水具有不同的来源。

引言

先前的研究表明，显生宙时期海水的成分在Mg/Ca比值和Ca与SO₄浓度比例方面存在波动（Horita等人，2002年；Lowenstein等人，2003年；Lowenstein等人，2001年；Weldeghebriel等人，2022年）。与显生宙海水的变化相比，地表大陆咸水的化学成分在离子种类及其浓度方面表现出更大的多样性（Last，2002年）。地表卤水的主要离子组成通常是多种因素的结果，包括来自不同环境的水源以及由于不同过程导致的水文化学演化（Last，2002年；Lowenstein和Risacher，2009年）。例如，世界河水的成分通常为HCO₃?+?CO₃?>?Ca当量，而在蒸发过程中碳酸钙沉淀后，可能演变为Na-CO₃-HCO₃-SO₄-Cl型（碱性类型）（Lowenstein和Risacher，2009年）。河水的成分还可能因降水（和/或融雪）与其相应流域基岩之间的复杂地球化学相互作用而发生更大程度的变化（Jones和Rau，1966年；Eugster等人，1978年；Last，2002年）。局部基岩类型的差异可以解释为什么有些河水会演变为Na-Mg-SO₄富集型而非碱性类型（Eugster和Hardie，1978年）。此外，地表水体也可能受到含有少量SO₄和HCO₃的成岩-热液富含钙的流入水的补给（Lowenstein和Risacher，2009年）。因此，在封闭盆地中，不同化学性质的水体混合以及蒸发过程中各种盐类的沉淀是决定地表卤水化学特性及其化学演化的主要因素。

柴达木盆地广泛分布着盐湖，其中大部分位于盆地中心，包括依坪、西台、东台、色尼、东岭、大布逊、喀尔汉和霍布逊（图1a）。这些盐湖主要接收来自昆仑山的河水（图1a）。同时，在大布逊、喀尔汉和霍布逊的北部边缘存在断层带（图1a）。除了河水，这些盐湖还受到来自断层带的喀斯特泉水的补给（Lowenstein等人，1989年；Spencer等人，1990年）。这些喀斯特泉水被归类为富含钙的类型，因为其中钙的当量高于HCO₃^–和SO₄^2-当量的总和（Spencer等人，1990年）。由于河水和喀斯特泉水的混合与竞争，喀尔汉盐湖中分布着不同水文化学特性的水体（图1b）。根据河水和泉水的化学成分，即使泉水与河水的混合比例低至1:83，也能使Na-HCO₃-SO₄型地表卤水转变为Na-Cl-SO₄型。大约40份河水与1份泉水的混合最终可能导致卤水演变为钙型（Lowenstein等人，1989年）。喀尔汉盐湖南部边缘的卤水富含MgSO₄，这主要受河水影响。北部湖泊靠近富含钙的喀斯特泉水，这些湖泊在方解石和石膏沉淀后演变为钙型、HCO₃含量较低的卤水，例如东岭湖、北霍布逊湖和谢佐湖。在河水和喀斯特泉水之间的中间区域，河水中的HCO₃?+?SO₄被北部泉水中的钙所平衡，形成Na-K-Mg-Cl型卤水，其中钙的含量几乎等于SO₄（图1b中的MgCl₂型）。

进入喀尔汉的富含钙的喀斯特泉水的起源和形成机制尚未明确（Lowenstein和Risacher，2009年），且存在争议。先前的研究表明，这些富含钙的喀斯特泉水与油田水有密切关系（Duan和Yuan，1988年；Spencer等人，1990年；Song等人，2023年）。油田水主要存在于柴达木盆地西部的古近纪-新近纪背斜中（Li等人，2021年；Tan等人，2011年；Li等人，2021年）。这些油田水是否能够长距离迁移以补给盆地中部和东部的盐湖仍存疑问。全盆地范围内的氡浓度调查显示，盆地西北部也存在断层带（未发表数据）。有几处盐湖与断层带对齐，包括马海湖、牛郎-金窝湖和贾湖（图1a）。类似于喀尔汉盐湖，贾湖盐沼也被认为受到深层富含钙的卤水的补给（Wang等人，1997年）。贾湖盐沼毗邻一个典型的含油背斜（图1c，Li Li等人，2007年；Shi等人，2016年；Li等人，2007年）。研究贾湖盐沼地表卤水与深层油田水之间的关系有助于阐明柴达木盆地中上升到地表的富含钙的喀斯特泉水的起源。

在这项研究中，我们收集了贾湖盐沼中不同盐度水平的不同地表水体（包括淡水、微咸水和卤水，共29个样本），这些样本在盐沼中大致均匀分布（图1）。我们分析了这些水体的化学成分以及锶（Sr）、硼（B）、氢（H）和氧（O）同位素。结合油田水的文献数据，我们的目标首先是（1）比较贾湖盐沼中油田水与河水之间的关系，以及盆地中部富含钙的喀斯特泉水与河水之间的关系；其次是（2）阐明柴达木盆地周围山脉山麓典型断层控制盐湖的水文化学模型，并确定盆地内广泛分布的富含钙的喀斯特泉水的来源。

地质背景

柴达木盆地是一个位于青藏高原北部边缘的大型封闭盆地。该盆地北界为祁连山脉，南界为东昆仑山脉，西界为阿尔金山脉（图1），面积为120,000平方公里（Stober等人，2023年；Yuan等人，1995年）。祁连山脉由前寒武纪片麻岩、碎屑岩、石英岩和白云岩、寒武纪和奥陶纪石灰岩以及石炭纪页岩和石灰岩组成

材料与方法

从贾湖的盐坑中共收集了29个样本（图1c）。所有样本在用现场水样冲洗三次后，储存在聚乙烯容器中。pH值使用pH测试仪（8685 AZ Water Quality Testing pH Pen）在现场直接测量。随后所有样本被转移到室内实验室。每个样本被分成若干份，用于分析化学成分、硼（B）、锶（Sr）、氢（H）和氧（O）同位素。

样本经过离心和过滤处理

结果

贾湖盐沼中所有样本的总溶解固体（TDS）含量差异很大，范围从2克/升到458克/升（表1）。主要离子包括钠（Na）、镁（Mg）、钙（Ca）、钾（K）和硫酸根（SO₄）：Na = 0–108克/升，Mg = 0–95克/升，Ca = 0–29克/升，K = 0–6克/升，SO₄ = 0–24克/升。次要成分包括碳酸氢根（HCO₃）、硼（B）、锂（Li）、锶（Sr）和溴（Br）和碘（I）：HCO₃ = 152–777毫克/升，B = 1–121毫克/升，Li = 0–27毫克/升，Sr = 2–913毫克/升，Br = 4–57毫克/升，I = 1–16毫克/升（表1）。大多数地表水体为咸水，但也有一些例外

水文化学特征

Piper图显示，这些水体以钙氯化物和钠氯化物为主要成分（图2）。更具体地说，根据这两种成分的相对比例，这些水体可以分为钙型和硫酸盐型。如果溶液中钙的含量超过硫酸根和碳酸氢根的总和，那么在碳酸盐和硫酸盐沉淀后，该溶液会演变为Na-Ca-K-Mg-Cl富集型（或钙型）卤水，其中含有微量硫酸根和碳酸氢根。否则，

结论

（1）贾湖盐沼同时含有硫酸盐型和钙型水体，表明盐沼受到与断层相关的富含钙的水体补给。钙型地表卤水达到NaCl饱和状态，主要分布在盐沼的西北部。这表明西北部的断层控制着盐沼的沉积中心，并可能提供钙型卤水。

（2）根据锶和硼同位素组成的特征，与断层相关的富含钙的水体可以区分为两种类型

未引用的参考文献

Du等人，2019年；Hardie，1990年；Li等人，2019年；Li等人，2024年；Qi等人，1993年；Shen等人，2021年；Shi等人，2024年；Zhao等人，2024年。

CRediT作者贡献声明

沈立坚：撰写初稿、方法论设计、研究实施、资金获取、数据管理、概念构建。赵彦军：撰写与编辑、监督、资金获取。李伟：研究实施。潘冰：研究实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢中国地质科学院水文地质与环境地质研究所的林张和矿产资源研究所的胡玉飞在氢（H）和氧（O）同位素组成及化学成分分析方面的协助。本研究得到了中国地质调查局项目（DD20230203603）和中央公益研究院基本研究资金的资助