赵艳军,刘成林,胡宇飞.2016.陕北盐盆奥陶系马家沟组五段蒸发岩沉积环境与作用——来自石盐流体包裹体的证据[J].矿床地质,35(6):1144~1156ZHAO YanJun,LIU ChengLin,HU YuFei.2016.Sedimentary environment and sedimentation of evaporite in the fifth Member of Majiagou Formation of Salt Basin in Northern Shaanxi Ordovician strata: Evidence from fluid inclusions[J].Mineral Deposits35(6):1144~1156
DOi:10.16111/j.0258_7106.2016.06.002
陕北盐盆奥陶系马家沟组五段蒸发岩沉积环境与作用——来自石盐流体包裹体的证据
（中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京100 037）
第一作者简介赵艳军， 男， 1982年生， 副研究员， 沉积岩石学及地质流体分析专业 。 mail: zhaoyanjun266@163.com
收稿日期2016-08_30；
改回日期2016_10_20
本文得到国家重点基础研究计划项目“973”项目（编号：2011CB403007）资助
摘要:陕北盐盆地因发育全球罕见的奥陶系马家沟组五段含盐地层受到广 泛关注。文章运用X射线粉晶衍射矿物组分半定量分析、流体包裹体的均一温度、拉曼光谱 、扫描 电镜能谱和包裹体氢同位素分析等多种手段，对陕北米脂县境内两口钻井奥陶系马家沟组石 盐岩进行了分析和测试。流体包裹体均一温度测试结果表明，石盐岩中原生单一液相包裹体 、次生正方形单一液相包裹体的均一温度平均值分别为27.9℃、30.6℃，峰值均为25～30 ℃ ，次生与原生的流体包裹体的形成环境基本一致。在重结晶程度高的层段，石盐岩流体包裹 体的δD值和石盐岩K+含量的变化趋势相反，结合该时期内含盐层段宏观地质特征以及钾 石盐 颗粒常呈圆粒状赋存在石盐晶间裂缝等微观证据，笔者认为研究区石盐岩沉积时因外来水体 频繁侵入导致原生石盐岩发生溶解和重结晶，降低了形成大规模钾盐矿床的概率。
关键词:
地球化学；重结晶；均一温度；流体包裹体；石盐岩；陕北盐盆地
文章编号： 0258_7106 (2016) 06_1144_13 中图分类号： P599文 献标志码：A
Sedimentary environment and sedimentation of evaporite in the fifth Member of
Majiagou Formation of Salt Basin in Northern Shaanxi Ordovician strata:
Evide nce from fluid inclusions
Majiagou Formation of Salt Basin in Northern Shaanxi Ordovician strata:
Evide nce from fluid inclusions
(MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China)
Abstract:Ordovician was a period of extreme scarcity of evaporites, during which the potash or even halite deposits were very rarely formed. In this study, however, a great thickness of salt_bearing strata was developed in the Ordovician Majiago u Fo rmation in northern Shaanxi salt basin, and even potash deposit was found in the fifth member of Majiagou Formation, which attracted much attention from researc hers. In this paper, salt samples of the fifth member of Majiagou Formation from two cores in Mizhi County of Shanbei (northern Shaanxi) were analyzed and teste d through homogenization temperature of fluid inclusion, combined with X_ra y diffraction (XRD), Raman spectrum (Rs) , energy spectrum analysis of scanning electron microscope (SEM) and hydrogen isotope of fluid inclusion. The result sh ows that the mean inclusion homogenization temperature (ThAVG) of primary single _fluid phase and secondary square single_fluid phase inclusion of the rock salt was 27.9 ℃ and 30.6℃ respectively. The histogram of homogenization temperatu re shows that the peaks of both types of fluid inclusions ranges from 25℃ to 30℃ , suggesting that the formation environment of secondary fluid inclusion was ver y close to that of primary fluid inclusion. The analytical results confirm that the δD and K+ show opposite variation trend in the highly re_crystallized str at a, as revealed by the hydrogen isotope method of fluid inclusions from rock salt . In combination with macro geological characteristics of the salt_bearing strat a in this period and the microscopic geological evidence from the occurrence sta te of sylvinite that granular crystals often exist in the marginal fissure betwe en the halite crystals, it is concluded that the frequent and fast invasions of foreign water bodies into saline lake mainly led to the dissolution and re_cryst allization of the primary halite of the fifth member of Majiagou Formation, and also decreased the probability of forming large_sized potash deposit.
Key words:
geochemistry, recrystallization, homogenization temperature, fluid inclusion, rock salt, salt basin in northern Shaanxi
奥陶纪作为全球盐类沉积严重缺乏的地质时代，其蒸发岩总量仅占整个地质时期的0.8%， 且 多以石膏沉积为主，钾盐甚至石盐沉积十分匮乏（Zharkov，1984）。在全球蒸发岩整体发 育不佳的大地质背景下，华北地台蒸发岩沉积却广泛发育，在地台西部的陕北地区发现有巨 厚的盐岩沉积，甚至钾盐沉积，这一特殊的地质现象使得陕北坳陷奥陶纪独具特色的成盐成 钾背景、盐类沉积模式等问题，成为地质学家研究的焦点（刘群等，1987；郑绵平等，2010 ）。关于陕北盐盆奥陶系盐类沉积模式及成因机理，不同学者提出了不同的观点和看法，如 “陆表海台地型蒸发岩成因模式"（薛平，1986）、“局部隆起和坳陷控制的半封闭深水沉 淀模式"（张吉森等，1991）、“浅水台地坳陷模式"（王泽中等，1993）、“干化蒸发、回 灌重溶模式"（包洪平等，2004）以及“两坳夹一隆 型 复底锅式"（张永生等，2013）等 。
石盐、钾盐等盐类沉积作为一种特殊的沉积产物，具有易溶、难保存的特点。后期的改造和 破 坏作用（如成岩作用、构造活动等）常常导致盐类沉积地层中捕获的原始地质信息更容易大 量流失，从而影响人们对盐类沉积环境及成盐机理作出正确的判断。而盐类矿物流体包裹体 作为 保存在蒸发岩中的“活化石"，蕴藏着大量原始地质信息，能够更加直接地为研究古温度、 古 水体成分、古大气成分等提供可靠的定量信息（Roberts et al.,1995；刘兴起等，2005） 。近年来，得益于包裹体测试技术的不断发展，盐类包裹体成分、温度的分析已被广泛运用 于揭示成盐物质来源、反演沉积环境等研究工作（Roedder，1984；Roberts et al.,1995； Lowenstein et al., 1998；Benison et al., 1999；刘兴起等，2005；孟凡巍等，2011；M eng et al.，2014；赵艳军等，2013），这无疑为窥视地质时期盐类沉积环境及沉积作用等 提供 了良好的契机。据此，本文拟通过对陕北盐盆奥陶系马家沟组石盐岩中流体包裹体的特征、 温度等多方面研究，对流体包裹体保存的原始地质信息进行揭示，从而为探讨这一时期盐岩 沉积环境提供新的地质证据。
早古生代，伴随裂陷活动的结束，华北板块进入全域同步沉降期，位于华北地台西部的鄂尔 多斯地块进入克拉通碳酸盐岩台地演化阶段（冯增昭等，1999），以发育厚度不等的浅水碳 酸盐岩、蒸发岩以及碎屑岩沉积为典型特征。
早_中奥陶世，受南北向构造挤压影响，克拉通内部基底发生差异性沉降，在中部坳陷形成 了东西走向的泻湖或半泻湖环境（刘波等，1999）。中奥陶世，马家沟一期晚期、马三期、 马 五期华北地台发生明显海退（刘群等，1997；冯增昭等，2004），在鄂尔多斯古陆解体后残 留的庆阳隆起及其他一些水下隆起的围限下，陕北盐盆地形成封闭_半封闭的蒸发岩沉积环 境。马家沟五期华北地台整体表现为东西走向的云坪环境，云坪之外为碳酸盐岩台地，云坪 之内在延安至榆林一带恢复了统一的盐湖环境（图1）。相比马家沟三期，陕北盐盆地马家沟五 期虽然在盐湖发育范围有所缩小，但在米脂到绥德地区形成了含钾盐湖，是盆地内奥陶纪最 重要的成盐成钾期。
由于含盐地层在地表容易遭受后期淋滤、剥蚀作用等破坏，从而影响纵向上地层岩性的完整 揭露。针对上述问题，笔者深入研究了米脂凹陷内2个钻 孔的岩性，钻孔揭示的马家沟组五段主要由淡 化层段和咸化层段组成（图2），淡化层段主要发育灰色—深灰色泥质灰岩、白云岩及灰质 泥 岩；咸化层段以发育无色透明、灰色和橘红色—褐色的石盐岩为典型特征，石盐岩中含少量 硬石膏，部分含微量石英、白云岩。
淡化层段与咸化层段在纵向上常表现为韵律互层(图2a、b)，暗示了沉积水体曾经历了多次 淡—咸—淡 的变化过程，可能与当时频繁的海侵—海退作用有关。而咸化层段内较为纯净的重结晶石 盐岩常与含泥屑石盐岩交替出现，则反映马五段石盐沉积时的水体较浅、较动荡 ；外来咸度较低的水体携带细粒碎屑沉积物周期性进入盐湖导致先前沉积的石盐岩部分发生 溶解，细粒碎屑沉积物随之发生沉淀。扫描电镜分析显示，含钾层段中钾石盐颗粒通常赋存 在石盐溶蚀缝隙且常与碎屑物质共生(图3a)，钾石盐颗粒边缘通常比较圆滑（图3b、3c）， 这同样 表明，在盐岩沉积过程中，外来水体周期性侵入导致岩盐溶解、重结晶的现象是十分普遍的。
为了避免石盐岩中有其他矿物的混入影响测试结果的精确性，在本次包裹体测试开展之前， 选择具有代表性的45件石盐岩样品进行X射线粉晶衍射矿物组分分析。衍射使用日本Rigak u公司生产的D/max_rA12kw X射线衍射仪完成，测试结果见表1。
XRD分析结果显示，石盐岩中 石盐含量普遍较高，仅部分石盐岩样品中含有微量或少量石膏、硬石膏矿物。根据半定量分 析结果，选择石盐含量较高、较为纯净的石盐岩进行流体包裹体分析。
为进一步揭示石盐岩中包裹体的地质信息，以期为反演盐湖演化过程及探讨石盐岩的成因提 供依据，本次研究还选择12个盐岩样品（解理片）进行了包裹体激光拉曼光谱分析。单个流 体包裹 体拉曼光谱分析所用仪器为英国Renishaw公司生产的RM_2000型显微共聚焦拉曼光谱仪，以A r离子激光器作为光源，激光波长514.53 nm，激光功率20 mW，光谱测试范围100～4000 c m-1。 测试温度为室温(20℃左右)， 测试压力为常压。使用德国Finnigan公 司生产的最新型稳定同位素比值质谱仪MAT 253在核工业北京地质研究院分析测试研究中心开展 了石盐岩包 裹体的氢同位素分析（氢同位素的检测方法和依据为DZ/T0184.19_1997《水中氢同位素锌还 原法测定》)。
230个原生单一液相包裹体均一温度的平均值为27.9℃，最小值为14.1℃，最大值为47.8 ℃。原生单一液相包裹体均一温度分布具有单峰的特征，其峰值在25～30℃。
获得次生单一液相包裹体的均一温度有效数据119个（图7）。这些次生单一液相包裹体在显 微镜下观察形态多变，其中正方形或近正方形的共计47个，均一温度的平均值为30.6℃， 最 小值为15.9℃，最大值为57.1℃；次生正方形单一液相包裹体均一温度分布具有多个峰 值 的特征，但最高峰值在25～30℃，除一个数据点高于50℃外，其他数据点均在15～50℃范围 内，与原生单一液相包裹体基本一致。
由 于马家沟组五段在研究区硬石膏主要以固体包裹体的形态存在于石盐岩中，杂卤石子矿物的 出现可能是在钾镁盐沉积阶段，外来补给带来钙和硫酸根的缘故（王弭力，1982；韩蔚田等 ，1982）。
研究区马家沟组五段石盐岩中含有一定量的硬石膏，将δD值和K+的含量与石盐岩的重结 晶 程度进行了对比分析（图9）。原本蒸发浓缩将引起δD值增大，而K+的含量升高，但在重 结 晶比较明显的层段，这种相关性明显发生了变化，特别是在含盐系段的顶部和底部更为明显 。显然，溶解重结晶使盐湖卤水的性质发生了明显变化，而δD值在-80‰～-160‰间变化， 明显受到大气降水的影响。
本次测试结果显示，马家沟五段石盐岩中原生单一液相包裹体、次生正方形单一液相包裹体 的均 一温度平均值分别为27.9℃、30.6℃；最高均一温度分别为47.8℃和57.1℃。实际上， 次生正 方形单一液相包裹体均一温度除一个点高于50℃外，其均一温度分布范围与原生单一液相包 裹体基本一致（15～50℃），特别是两种类型包裹体均一温度直方图的峰值均为25～30℃， 表 明原生石盐岩形成时的湖水水温与次生重结晶时的湖水水温基本一致，沉积环境基本相同。
原生石盐岩与次生重结晶石盐岩沉积时温度的相似性表明，次生重结晶石盐岩应为同沉积阶 段的产物（盐湖发育时期的产物），而与成岩后期的改造（抬升、淋滤、再结晶）关系较小 ；石盐沉积时的古盐湖深度不大，趋于干化的盐湖在外来水体频繁侵入的作用下，盐湖中早 期 沉积的石盐岩大面积发生溶解，在水体撤退之后又迅速蒸发、浓缩，从而最终形成次生重结 晶 石盐岩。上述基于流体包裹体的推断，也与坳陷内马家沟五段的剖面结构、地球化学特征相 符合。对马家沟五段蒸发岩地层特征的统计表明（包洪平等，2004），石膏岩与石盐岩的厚 度比 约为1∶30（5 m∶150 m），这一比例基本上与正常海水蒸发实验得到的石膏岩和石盐 岩厚 度比相一致，说明该区石盐岩的形成过程中，盐湖已经处于基本干化的状态，盐湖内水体不 存 在向外海溢出的过程。剖面中，盐岩层顶面直接转变为碳酸盐层，而其间过渡性的石膏层的 缺乏，以及盐岩中钾石盐、杂卤石等钾镁盐矿物的发育，则进一步说明马家沟组五段含盐系 沉积过程中，盐湖应为浅水、趋于干化的状态，周缘水体间歇性侵入导致盐岩溶解、重结晶 是这一时期盐岩主要的沉积模式。值得注意的是，本次对石盐岩中含子矿物的三相包裹体成 分分析表明，包裹体内子矿物普遍具高级干涉色，且拉曼光谱分析具有典型的杂卤石特征 峰，暗示含钾镁盐石盐岩的溶解与富含硫酸根的补给卤水有关。因此，初步认为导致盐岩溶 解的流体不一定是海水或周缘古陆补给的陆源淡水，经预备盆地分异出来的具有一定盐度的 卤水也可能作为“回灌”成为流体的物质来源。
构造及岩相古地理研究表明，早奥陶世，由于秦祁贺裂谷的强烈拉张导致鄂克托旗—庆阳— 韩城一带形成“L”形中央隆起，并在裂谷东北侧形成以米脂—延安为沉降中心的裂谷边侧 补偿盆地，同时因离石断裂西盘下降及不均匀沉降的影响，造成边侧盆地东翼较陡、西翼和 北翼相对平缓的不对称状（刘群等，1987；冯增昭等，2004；郑绵平等，2010；袁鹤然等， 2010；周进高等，2011）。受基底差异沉降影响，整个鄂尔多斯盆地基底顶面表现为“两隆 夹一坳”的古构造格局，即北部的伊盟隆起、西南部的中央古隆起以及夹于其中的陕北坳陷 （陈文西等，2010），中央古隆起向北与伊盟隆起之间由一宽缓的鞍部相连（方国庆等，19 99）。因此，早奥陶世陕北盐盆北、西南等周缘发育的古隆起及生物丘，成为这一时期阻隔 陕北盐盆与周缘广海的有利天然屏障，这为盐盆后期的盐类物质聚集提供了有利的条件。在 盐盆南部渭北地区水下隆起的发育、东部离石隆起带以及隆起带上发育的生物礁等障蔽作用 （白玉宝等，1996；包洪平等，2000；包洪平等，2004；夏明军等，2008），进一步使得盐 盆处于封闭状态，而不致于与广海海水循环发生淡化。但是，陕北盐盆西缘的庆阳古陆以及 盆地南部富县、黄陵一带的延安隆起在这一时期均为低幅度隆起，在海平面上涨过程中很容 易被淹没（包洪平等，2004），造成外缘海水入侵高浓缩程度的盐湖，同时加之周缘其他盐 度较低水体的补给，最终导致造成石盐、钾镁盐层的强烈重溶和再结晶。这也与扫描电镜分 析显示的石盐缝隙发育有钾石盐颗粒且其边缘都比较圆滑、常与碎屑物质共生的微观地质现 象相吻合。
（2） 陕北奥陶纪盐盆盐岩沉积时盐湖趋于干涸，外来水体多期次入侵盐湖导致原生石盐岩 大规模重溶、结晶，是这一时期重结晶石盐岩广泛发育的主要原因。外来流体可能存在多种 类型，如海水、周缘陆源淡水或者具有一定盐度的外来水体。外来水体频繁侵入盐湖是导致 马家沟组五段原生石盐岩发生溶解、重结晶的主要原因，也降低了形成大规模的钾盐矿床的 概率。
石盐、钾盐等盐类沉积作为一种特殊的沉积产物，具有易溶、难保存的特点。后期的改造和 破 坏作用（如成岩作用、构造活动等）常常导致盐类沉积地层中捕获的原始地质信息更容易大 量流失，从而影响人们对盐类沉积环境及成盐机理作出正确的判断。而盐类矿物流体包裹体 作为 保存在蒸发岩中的“活化石"，蕴藏着大量原始地质信息，能够更加直接地为研究古温度、 古 水体成分、古大气成分等提供可靠的定量信息（Roberts et al.,1995；刘兴起等，2005） 。近年来，得益于包裹体测试技术的不断发展，盐类包裹体成分、温度的分析已被广泛运用 于揭示成盐物质来源、反演沉积环境等研究工作（Roedder，1984；Roberts et al.,1995； Lowenstein et al., 1998；Benison et al., 1999；刘兴起等，2005；孟凡巍等，2011；M eng et al.，2014；赵艳军等，2013），这无疑为窥视地质时期盐类沉积环境及沉积作用等 提供 了良好的契机。据此，本文拟通过对陕北盐盆奥陶系马家沟组石盐岩中流体包裹体的特征、 温度等多方面研究，对流体包裹体保存的原始地质信息进行揭示，从而为探讨这一时期盐岩 沉积环境提供新的地质证据。
1区域地质背景
1.1构造及古地理
奥陶纪时期，陕北盐盆地位于华北地台西部的鄂尔多斯克拉通中东部，为一坳陷和隆起围绕 的内陆海盆。盆地沉积主要受北部伊盟古陆、西南部中央古隆起以及东部吕梁隆起 共同控制（陈文西等，2010）。早古生代，伴随裂陷活动的结束，华北板块进入全域同步沉降期，位于华北地台西部的鄂尔 多斯地块进入克拉通碳酸盐岩台地演化阶段（冯增昭等，1999），以发育厚度不等的浅水碳 酸盐岩、蒸发岩以及碎屑岩沉积为典型特征。
早_中奥陶世，受南北向构造挤压影响，克拉通内部基底发生差异性沉降，在中部坳陷形成 了东西走向的泻湖或半泻湖环境（刘波等，1999）。中奥陶世，马家沟一期晚期、马三期、 马 五期华北地台发生明显海退（刘群等，1997；冯增昭等，2004），在鄂尔多斯古陆解体后残 留的庆阳隆起及其他一些水下隆起的围限下，陕北盐盆地形成封闭_半封闭的蒸发岩沉积环 境。马家沟五期华北地台整体表现为东西走向的云坪环境，云坪之外为碳酸盐岩台地，云坪 之内在延安至榆林一带恢复了统一的盐湖环境（图1）。相比马家沟三期，陕北盐盆地马家沟五 期虽然在盐湖发育范围有所缩小，但在米脂到绥德地区形成了含钾盐湖，是盆地内奥陶纪最 重要的成盐成钾期。
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图 1奥陶纪马家沟组五段沉积期华北板块古地理图（据刘群等，1997；冯增昭等，2004修 改） Fig. 1Paleogeographic map of the North China plate during the deposition of th e fifth member of Ordovician Majiagou Formation（modified after Liu et al., 19 97; Feng et al., 2004） |
1.2地层特征
陕北盐盆奥陶系含盐系地层以马家沟组最为典型，主要由呈互层产出的硬石膏岩、盐岩（含 钾盐）与碳酸盐岩构成，在纵向上表现出清晰的韵律结构（刘群等，1997）。前人根据马家 沟组岩性组合特征，自下而上将马家沟组划分为6个岩性段，分别为马家沟一段至马家沟六 段（Feng et al.,1998）。其中马家沟一段、三段和五段为蒸发岩段，岩性主要为盐岩 、硬石膏岩夹泥云岩和灰岩，马家沟二段、四段和六段为正常浅海沉积段， 主要为灰岩和 白云 岩夹膏岩和泥云岩（刘群等，1997；张永生等，2013）。由于含盐地层在地表容易遭受后期淋滤、剥蚀作用等破坏，从而影响纵向上地层岩性的完整 揭露。针对上述问题，笔者深入研究了米脂凹陷内2个钻 孔的岩性，钻孔揭示的马家沟组五段主要由淡 化层段和咸化层段组成（图2），淡化层段主要发育灰色—深灰色泥质灰岩、白云岩及灰质 泥 岩；咸化层段以发育无色透明、灰色和橘红色—褐色的石盐岩为典型特征，石盐岩中含少量 硬石膏，部分含微量石英、白云岩。
淡化层段与咸化层段在纵向上常表现为韵律互层(图2a、b)，暗示了沉积水体曾经历了多次 淡—咸—淡 的变化过程，可能与当时频繁的海侵—海退作用有关。而咸化层段内较为纯净的重结晶石 盐岩常与含泥屑石盐岩交替出现，则反映马五段石盐沉积时的水体较浅、较动荡 ；外来咸度较低的水体携带细粒碎屑沉积物周期性进入盐湖导致先前沉积的石盐岩部分发生 溶解，细粒碎屑沉积物随之发生沉淀。扫描电镜分析显示，含钾层段中钾石盐颗粒通常赋存 在石盐溶蚀缝隙且常与碎屑物质共生(图3a)，钾石盐颗粒边缘通常比较圆滑（图3b、3c）， 这同样 表明，在盐岩沉积过程中，外来水体周期性侵入导致岩盐溶解、重结晶的现象是十分普遍的。
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图 2陕北盐盆奥陶统马家沟组五段石盐岩宏观特征 a和b均为典型的具有咸—淡韵律结构的石盐岩，b岩芯段单层石盐岩厚度更大 Fig. 2The macro characteristics for halite of the fifth member of Ordovician M ajiagou Formation in northern Shaanxi salt basin a and b are typical halites characterized by saline_desalination rhythmic textur e, b is a single halite layer in larger thickness |
2包裹体分析
2.1样品采集
本次包裹体测试样品采自陕北米脂凹陷2个钻孔中的石盐岩，其对应地层为奥陶系马家沟组 五段。根据石盐岩中石盐重结晶的程度，将马家沟组五段石盐岩分为2种类型：类型Ⅰ，重 结晶石盐岩（图4a、4b），色调较浅，通常为无色或浅橘红色；盐岩内石盐重结晶现象明显 ，晶体以他形为主，石盐晶体通常较大（一般2～10 mm，部分可达2～3 cm），部分胶结呈 马 赛克型。观察显示，这种类型的石盐岩中石盐晶体越干净，其重结晶程度越高，所保留的原 生流体包裹体越少；类型Ⅱ，微/无重结晶石盐岩（图4c、4d），色调较之类型Ⅰ略深，通 常为褐红色和灰褐色；石盐重结晶微弱或未发生重结晶，晶体为立方体或板状，保存有较好 的原生同沉积形成的流体包裹体（Lowenstein et al., 1985）。为了避免石盐岩中有其他矿物的混入影响测试结果的精确性，在本次包裹体测试开展之前， 选择具有代表性的45件石盐岩样品进行X射线粉晶衍射矿物组分分析。衍射使用日本Rigak u公司生产的D/max_rA12kw X射线衍射仪完成，测试结果见表1。
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图 3扫描电镜下颗粒状的钾石盐 a. 石盐裂缝中碎屑物质与微量钾石盐共生； b. 为a放大后的特写，白色颗粒为钾石盐； c . 为钾石盐颗粒的能谱谱图 Fig. 3The sylvinite with granular crystals under scanning electron microscopy (SEM) a. Clastic materials within halite rock fissure associated with trace sylvite; b . Amplified image of white sylvite grain in Fig. a; c. Energy spectrum of sylv ite |
2.2分析方法
在流体包裹体片制备过程中，为了避免切割和打磨抛光过程造成对石盐包裹体的原始温度信 息的改变，本次包裹体测试样品的处理参考Lowenstein等(1998)和Benison等(1999)的 方法：先用小刀沿解理面将石盐岩颗粒切开，获得厚度约0.5 ～ 1 mm的石盐解理片。将解理片置于显微镜下观察、照相，重点记录原生的和早成岩期重结晶 形成的流体包裹体的产状和形态，对单一液相包裹体重点照相。然后用塑料自封袋封好，放 进密封性好的塑料盒内，并放入干燥剂进行保护，在冰箱中冷冻约1周（冰箱内温度经多次 测量稳定在-18℃），待单一液相包裹体冷冻成核出现气泡后测试均一温度。均一温 度的测试使用linkam THMSG600型冷热台完成，采用0.5 ℃/min的升温速率，在气泡逐渐变 小接近均一时降至0.1～0.2 ℃/min。为进一步揭示石盐岩中包裹体的地质信息，以期为反演盐湖演化过程及探讨石盐岩的成因提 供依据，本次研究还选择12个盐岩样品（解理片）进行了包裹体激光拉曼光谱分析。单个流 体包裹 体拉曼光谱分析所用仪器为英国Renishaw公司生产的RM_2000型显微共聚焦拉曼光谱仪，以A r离子激光器作为光源，激光波长514.53 nm，激光功率20 mW，光谱测试范围100～4000 c m-1。 测试温度为室温(20℃左右)， 测试压力为常压。使用德国Finnigan公 司生产的最新型稳定同位素比值质谱仪MAT 253在核工业北京地质研究院分析测试研究中心开展 了石盐岩包 裹体的氢同位素分析（氢同位素的检测方法和依据为DZ/T0184.19_1997《水中氢同位素锌还 原法测定》)。
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图 4陕北奥陶纪盐盆地马家沟组米脂县李站乡钻孔中的石盐岩 a. 无色透明石盐岩，晶体大小1～3 cm，石盐重结晶现象明显； b. 浅橘红色石盐岩，晶体 大小2～8 mm，晶体以他形和半自形为主，晶体为多边形近似镶嵌状连接； c和d. 橘红色_ 褐 红 色石盐岩，晶体大小2～8 mm，石盐晶体为立方体和板状，晶体常线状或点状接触，被次生 的石 盐胶结 Fig. 4Halite from the core of Ordovician Majiagou Formation in Lizhan Village, Mizhi County, northern Shaanxi salt basin a. Colorless halite of obvious re_crystallization with a size range of 1～3 cm; b. Light, flesh_orange halite dominated by anhedral and subhedral crystals, with a polygonal crystal mosaic contacted with each other with a size range of 2～8 mm ; c and d. Fleshy orange to maroon halite with cubic and tabular crysta ls 2～8 mm in size. Crystals are generally linearly or point_connected with each other and cemented by secondary halite |
3测试结果
3.1包裹体类型
石盐岩岩相学研究表明，石盐中原生流体包裹体主要包括形成于水体表面的漏斗晶中的平行 包裹体条带和在水底形成的人字晶包裹体条带，且其单一液相包裹体的均一温度都能够反映 古水温的变化（Roedder，1984；Roberts et al., 1995；Lowenstein et al., 1998；Beni son et al., 1999；刘兴起等，2005；孟凡巍等，2011；Meng et al., 2013；赵艳军等，2 013）。陕北奥陶系马家沟组石盐岩中流体包裹体的类型丰富，归纳起来主要有以下几类： 平行排列、斜交解理面的原生单一液相包裹体（图5a）；不规则形态面状分布的次生单一液 相包裹体（图5b）；与原生和次生单一液相包裹体伴生的气相和富气相包裹体（图5c）；分 布不规则的原生含子矿物的三相包裹体（图5d），部分具有典型的原生包裹体V字形结构。 本次对流体包裹体均一温度的测试以原生的单一液相包 裹体为主，同时测试部分次生单一液相包裹体的均一温度，作为参考和对比的依据。
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表 1陕北盐盆地钻孔中石盐岩X射线粉晶衍射矿物组分分析结果 Table 1Mineral composition analytical results of halite from northern Shaanxi salt basin by X_ray diffraction |
3.2包裹体均一温度
本次包裹体均一温度的测试工作共观察石盐岩包裹体样品（解理片）1200余件，其中单 一液 相包裹体样品约为260件，但仅有89件样品经冷冻降温后出现气泡，可供开展流体包裹体均 一温度的测试工作。共获得原生单一液相包裹体的均一温度有效数据230个，均一温度统计 直方图见图6，测温的原生单一液相包裹体在显微镜下观察均为正方形或近正方形。230个原生单一液相包裹体均一温度的平均值为27.9℃，最小值为14.1℃，最大值为47.8 ℃。原生单一液相包裹体均一温度分布具有单峰的特征，其峰值在25～30℃。
获得次生单一液相包裹体的均一温度有效数据119个（图7）。这些次生单一液相包裹体在显 微镜下观察形态多变，其中正方形或近正方形的共计47个，均一温度的平均值为30.6℃， 最 小值为15.9℃，最大值为57.1℃；次生正方形单一液相包裹体均一温度分布具有多个峰 值 的特征，但最高峰值在25～30℃，除一个数据点高于50℃外，其他数据点均在15～50℃范围 内，与原生单一液相包裹体基本一致。
3.3包裹体成分
由于拉曼效应依赖于共价键的散射，对单原子离子没有响应，而卤水体系的主、微量元素大 多 为单原子离子，没有拉曼活性(马黎春等，2014)，所以大部分单一液相石盐岩流体包裹体样 品的拉曼光谱分析仅能检测出明显的水峰。本次重点研究了12个石盐岩样品中含子矿物三相 包裹体的拉曼光谱特征，多个含子矿物三相包裹体中检测出了明显的杂卤石峰(图8)。由 于马家沟组五段在研究区硬石膏主要以固体包裹体的形态存在于石盐岩中，杂卤石子矿物的 出现可能是在钾镁盐沉积阶段，外来补给带来钙和硫酸根的缘故（王弭力，1982；韩蔚田等 ，1982）。
3.4包裹体的氢同位素
氢、氧同位素常被用来作为区分地层水是来源于大气降水或者海洋的参数（Lüders et al. , 2010）。残余的湖水常被蒸发岩矿物捕获形成流体包裹体，石盐岩则是蒸发矿物之一， 其中的流体包裹体可以被用于评估湖水化学组成的特征及演化，石盐岩包裹体中氢和氧同位 素组成可以反映 流体来源、混合和演化过程（Knauth et al.,1986；Horita,1990；Goldstein, 2001；Riga udier et al., 2011；Lowenstein et al., 2011）。
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图 5陕北盐盆地奥陶系马家沟组中的灰色和肉红色石盐岩中的流体包裹体 a. 原生平行排列斜交解理面的单一液相包裹体； b. 不规则形态面状分布的次生单一液相 包裹体； c. 与原生和次生单一液相包裹体 伴生的气相和富气相包裹体； d. 原生含子矿 物的三相包裹体，大多数不规则分布 Fig. 5Fluid inclusions in gray and pink halite from the Ordovician Majiagou Fo ramtion in the northern Shaanxi salt basin a. Primary single_phase aqueous fluid inclusions in parallel and oblique cleavag e plane; b. Secondary single_phase aqueous fluid inclusions with irregu_ lar morph ology and plane_like distribution; c. Gas phase and gas phase_rich inclusions as sociated with primary and secondary single_phase liquid inclusions; d. P rimary t hree_phase inclusions containing daughter minerals, most of which show irregular distribution |
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图 6陕北盐盆地奥陶系马家沟组石盐岩中原生单一液相包裹体均一温度统计直方图（a） 及典型照片（b） Fig. 6Statistical histogram (a) and typical photos (b) of homogenization tempe ratures of primary single_phase aqueous fluid inclusions in the halite from the Ordovi cian Majiagou Group in the Northern Shaanxi salt basin |
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图 7陕北盐盆地奥陶系马家沟组石盐岩次生单一液相包裹体均一温度统计直方图及典型照 片 a. 为石盐岩次生流体包裹体均一温度统计直方图； b. 为典型石盐岩次生流体包裹体及其 均一温度测试结果 Fig. 7Statistical histogram and typical photos of homogenization temperatures of secondary single_phase aqueous fluid inclusions in the halite from the Ordo vician Majiagou Formation in the northern Shaanxi salt basin a. Statistical histogram of the second halite fluid inclusion; b. Typical second ary halite fluid inclusions and the obtained homogenization temperatures data |
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图 8陕北盐盆地奥陶系钻孔石盐岩中含子矿物的三相包裹体（a）及其子矿物的拉曼光谱 图（b） Fig. 8Typical three_phase fluid inclusion with daughter minerals (a) and Raman spectrum of daughter minerals (b) in the halite from the drill hole in the Or dovician northern Shaanxi salt basin |
4讨论
现代盐湖石盐包裹体的均一温度研究表明，单一液相包裹体的均一温度与石盐岩沉积时卤水 的温度具有良好的相关性，包裹体均一温度所反映的古温度应是成矿温度的下限，原生包裹 体均一温度可以确切代表晶体形成时的温度，次生包裹体均一温度代表次生石盐岩重结晶时 古卤水的温度（詹行礼等，1981）。本次测试结果显示，马家沟五段石盐岩中原生单一液相包裹体、次生正方形单一液相包裹体 的均 一温度平均值分别为27.9℃、30.6℃；最高均一温度分别为47.8℃和57.1℃。实际上， 次生正 方形单一液相包裹体均一温度除一个点高于50℃外，其均一温度分布范围与原生单一液相包 裹体基本一致（15～50℃），特别是两种类型包裹体均一温度直方图的峰值均为25～30℃， 表 明原生石盐岩形成时的湖水水温与次生重结晶时的湖水水温基本一致，沉积环境基本相同。
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图 9δD值和K+的含量与石盐岩的重结晶程度对比图 Fig. 9The comparison between the content of δD and K+ and the degree of re_ crystallization of the halite |
构造及岩相古地理研究表明，早奥陶世，由于秦祁贺裂谷的强烈拉张导致鄂克托旗—庆阳— 韩城一带形成“L”形中央隆起，并在裂谷东北侧形成以米脂—延安为沉降中心的裂谷边侧 补偿盆地，同时因离石断裂西盘下降及不均匀沉降的影响，造成边侧盆地东翼较陡、西翼和 北翼相对平缓的不对称状（刘群等，1987；冯增昭等，2004；郑绵平等，2010；袁鹤然等， 2010；周进高等，2011）。受基底差异沉降影响，整个鄂尔多斯盆地基底顶面表现为“两隆 夹一坳”的古构造格局，即北部的伊盟隆起、西南部的中央古隆起以及夹于其中的陕北坳陷 （陈文西等，2010），中央古隆起向北与伊盟隆起之间由一宽缓的鞍部相连（方国庆等，19 99）。因此，早奥陶世陕北盐盆北、西南等周缘发育的古隆起及生物丘，成为这一时期阻隔 陕北盐盆与周缘广海的有利天然屏障，这为盐盆后期的盐类物质聚集提供了有利的条件。在 盐盆南部渭北地区水下隆起的发育、东部离石隆起带以及隆起带上发育的生物礁等障蔽作用 （白玉宝等，1996；包洪平等，2000；包洪平等，2004；夏明军等，2008），进一步使得盐 盆处于封闭状态，而不致于与广海海水循环发生淡化。但是，陕北盐盆西缘的庆阳古陆以及 盆地南部富县、黄陵一带的延安隆起在这一时期均为低幅度隆起，在海平面上涨过程中很容 易被淹没（包洪平等，2004），造成外缘海水入侵高浓缩程度的盐湖，同时加之周缘其他盐 度较低水体的补给，最终导致造成石盐、钾镁盐层的强烈重溶和再结晶。这也与扫描电镜分 析显示的石盐缝隙发育有钾石盐颗粒且其边缘都比较圆滑、常与碎屑物质共生的微观地质现 象相吻合。
5结论
（1） 陕北奥陶纪盐盆地钻孔马家沟组石盐岩中原生单一液相包裹体、次生单一液相包裹体 均一温度分布范围、最高值相一致的特征表明，原生石盐岩形成时的水体温度与次生重结晶 时水体较为一致，石盐岩原生沉积、溶解和重结晶均发生于类似的沉积环境。（2） 陕北奥陶纪盐盆盐岩沉积时盐湖趋于干涸，外来水体多期次入侵盐湖导致原生石盐岩 大规模重溶、结晶，是这一时期重结晶石盐岩广泛发育的主要原因。外来流体可能存在多种 类型，如海水、周缘陆源淡水或者具有一定盐度的外来水体。外来水体频繁侵入盐湖是导致 马家沟组五段原生石盐岩发生溶解、重结晶的主要原因，也降低了形成大规模的钾盐矿床的 概率。
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