莱州湾地下卤水形成的古地理条件分析.pdf

善 ll 背 地 质 论 评 G E O L O G I C A L R E V I E W V Mo l盯 ? 1 ； 莱 州湾 地下 卤水 形成 的古地理条件分析 高 茂 生 ， 郑 懿 珉 ， ， 刘 森 ， 王 松 涛 ， 孔 祥 淮 ， 赵 金明 ， 郭 飞 1 )国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室；中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室 ； 青岛海洋地质研究所 ， 山东青岛， 2 6 6 0 7 1 ； 2 )吉林大学 ， 长春 ， 1 3 0 0 2 6 ； 3 )中国冶金地质总局青岛地质勘察院 ， 山东青岛 ， 2 6 6 0 7 1 ； 4 )山东省第 四地质矿产勘查院， 山东潍坊 。 2 6 1 0 2 1 ； 5 )中国石油大学 ， 山东青岛 ， 2 5 7 0 6 1 内容提要：晚更新世以来在莱州湾南岸形成的地下卤水分布范围大， 储量多， 但地下 卤水成因复杂。分析认为， 地下卤水成矿条件受多种因素控制， 莱州湾南岸的多源河流三角洲沉积演化模式为地下卤水资源的生成创造了良 好的补给、 运移、 过滤、 储存、 封盖条件。在海退初期， 漏湖水体 由风暴潮作用下越过沙坝不断注入正常海水和位于 其下部河流沉积物地下淡水共同组成 ， 涡湖中产生的高矿化度盐水在回流渗滤作用下进入三角洲前缘， 涡湖水体将 长时间保持较高浓度稳定状态， 在返流过程中卤水盐度会发生水平带状分异 ； 在海退成陆时期， 长期蒸发作用和季 节性河流物质运输形成卤水存储 ， 陆相沉积物掩埋了前期卤水层即成为地下卤水层 ； 三次大规模海陆变迁， 形成三 个卤水层相间的分布特征。以漏湖一沙坝为卤水生成反应器， 被溶解的组分在蒸发泵作用下产生分馏 ， 在沉积物内 发生离子交换作用， 产生矿物蚀变， 在回流渗滤作用下沿潮坪、 三角洲前缘生成地下卤水。 关键词： 地下卤水 ； 莱州湾； 晚更新世； 河流三角洲； 漏湖一沙坝 地下卤水作为一种特殊类 型的地下水 ， 主要分 布于地表以下岩石或沉积物中， 其形成时间短 、 含盐 度高、 与海水关系最密切 ， 是一种高总溶解性 固体和 富含微量组分的液体( 周训等， 2 0 1 0 ； 周训， 2 0 1 3 ) 。 在 2 O世纪 5 0年代 前 苏联 学 者把 总溶解 性 固体 ( T D S ) 5 0 g L的水称 为 卤水 ， 美 国学者 C a r p e n t e r 在 1 9 7 8年把 总溶解性 固体 1 0 0 g L的水称 为 卤 水 。现在 ， 人们逐渐趋向于按照如下分类 ： T D S值 1 g L的水为淡水 ， 13 g L的水为微咸 水 ， 31 0 g L的水为咸水 ， 1 05 0 g L的水为盐水 ， T D S值 5 0 g L的水为 卤水 ( 杨立中等 ， 1 9 8 9 ) 。 国外有关地下 卤水 的研究主要集 中于盐 湖 卤 水 、 沉积盆地浅部储 卤层 中的溶盐 卤水和深层地下 卤水的成因机理及沉积环境演化方面 ， 对海岸带地 下 卤水 的研究 较少。2 0世纪 6 0年代 末至 7 0年代 在海岸带沉积环境 、 碳酸盐沉积相模式等研究 中， 以 波斯 湾 海 岸 研 究 为基 础 ( K i n s ma n ， 1 9 6 6 ； P u r s e r ， 1 9 7 3 ； S c h r e i b e r e t a 1 ， 1 9 7 6 ) ， 分 析干旱条件下低起 伏滨岸与潮坪进积关系 ， 将海洋蒸发岩成因解 释为 萨布哈沉积模式 ， 而海岸地下 卤水被认 为是蒸发岩 的早期形成过程 ( Mi a l l ， 1 9 9 1 ) 。随着海水浓缩成盐 机理的不断发展 ， 出现若干假说 ， 如砂坝说、 多级海 盆说 、 返流假说 、 潮上盐沼地或“ 萨 卜 哈” 假说等 ， 被 溶解 的组 分 受 蒸 发 泵 作 用 ( E u g s t e r a n d H a r d i e ， 1 9 7 8 ；许靖华 ， 1 9 9 1 ) ， 在潮坪、 三角洲前缘生成地下 卤水。而蒸发矿床形成必须存在 的三个必要条件 ： 蒸发量大于降水量的干旱或半干旱气候条件， 盐源 要有卤水补给条件， 卤水浓缩储存的封闭条件( 何 起祥 ， 1 9 7 8 m ) 。 自晚更新世 以来 ， 随着 冰期 、 间 冰期气候变化以及海平 面多次升降 ， 渤海发生 了沧 州海侵 、 献县海侵和黄骅海侵以及它们之间的海退 事件( 秦蕴珊等 ， 1 9 8 5 ) ， 莱州湾南岸滨海平原相应 沉积 了海 、 陆 相 间 地 层 ( 庄 振 业 ， 1 9 9 9 ； 张 祖 陆 ， 2 0 0 5 ) 。韩有松 ( 1 9 9 6 ) 提出了“ 海岸潮滩生 卤” 理论 ， 即“ 地下卤水来源于海水 ， 生成于海侵期 的海 退阶段 ， 经过蒸发浓缩 、 聚集和海陆变迁埋藏形成 ， 是正常海水的派生水” 。此后 ， 有多 位学者对莱州 湾南岸地下 卤水 的沉 积环境 、 水化 学组成 、 分布特 注 ：本文为国家海洋保障工程专项( 编号 G Z H 2 0 1 2 0 0 5 0 5 ) 的成果 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 2 - 2 7； 改回 13 期 ： 2 0 1 5 - 0 1 - 3 0 。责任编辑 ： 章雨旭。 作者简介 ： 高茂生 ， 男 ， 1 9 6 6生。研究员 ， 博 士 ， 博 士生导师 。主要从 事海岸带 水文地 质和海洋环 境研究 。通讯 地址 ： 2 6 6 0 7 1 ， 青岛市 福州 南路 6 2号 ， 青 岛海洋地 质研究 所 ； E ma i l ： g ms 5 3 2 1 6 3 c o rn。 地质论评 2 0 1 5 正 表1晚更新世以来莱州湾南岸海侵与卤水分布 Ta bl e 1 The t r an s g r e s s ive a nd br ine dis t r ibu t io n in s o ut he r n c o a s t o f t he La iz ho u Ba y s inc e Lat e Pl e is t o c e ne 地 质年代 海侵次序 海侵名称 海侵线范 围 海相层 地下 卤水层 花官一 卧铺南部一寿光北部一 晚更新 世早期 ( Q p 3 ) 第一次海侵 沧州海侵 第 1 海相层 第三 、 四承压 卤水层 潍北 总场 一 龙池北部 广饶南一 寿光一 固堤北 昌邑北一 晚更新世晚期( Q p ) 第二次海侵 献县海侵 第 1 I 海相层 第一 、 二承压 卤水层 新河 一 土山一沙河 口 花官北一 寿光北一 固堤南 全新世 ( Q h ) 第 三次海侵 黄骅海侵 第 1 I I 海 相层 潜 水 一 微承压 卤水层 昌邑北 一 新河一 土山一虎头崖 了中间高浓度带 ， 近岸 、 远岸低浓度带 的分布格局。 第 1 I 海相层的卤水分布范围最广 ， 其次是第 1 海相 层 ， 第 1 I I 海相层的卤水分布范围最少。第 1 海相层 的卤水 T D S值 5 01 3 0 g L ， 第 1 I 海相层的卤水 T D S 值5 0 1 6 5 g L ， 第 1 I I 海相层的卤水 T D S 值 5 0 1 4 0 g L ， 以第 1 I海相层 的 卤水 T D S值 高 ， 储 量 多。 在垂直方 向上 ， 上层受大气降水影响 ， 下层受咸 水 、 微成水的顶托补给 ， 形成了上 、 下低浓度层 ， 中间 高浓度层。上部潜水层 卤水与地表水 、 海水有密切 的水力联系， 水位及浓度受大气降水 、 地表水影响较 大 ， 当处于夏季汛期时， 地下水位 明显升高， 并且出 现浓度降低现象 ， 旱季则相反 。中、 下部承压 卤水层 封存条件好 ， 受潮汐及大气降水影响较小 ， 卤水浓度 高且稳定 。在 2 8 0 5 5 0 I T I 深度范 围内卤水 T D S 最高值为 1 0 0 1 6 5 g L ， 往上、 往下浓度依次降低并 逐渐过渡到咸水 。卤水和咸水问并无固定界 限， 往 往同一含水层 中咸水和卤水并存 ， 咸水一卤水界面 随着界面两侧水力压差的改动而移动。 3 地下卤水成因模式 晚更新世 以来 以莱 州湾南岸古河道为运输通 道 ， 河流运输来的陆相物质及水流不断 向漏湖等地 势低洼部位滞 留。在涡湖形成 的海退时期 ， 气候干 热， 蒸发作用强烈， 由于毛细管传导作用， 河流沉积 物中水体不断向上运动。含盐量增加， 导致孔隙水 中 凡 ( Mg ) n ( C a )比率增加 。当这种富镁盐水 基本完成对其表层沉积 物的白云岩化时 ， 沉积地质 环境依然存在。由于富镁盐水密度相对较大， 当无 排泄出 15时 ， 因回流渗滤作用产 生盐水 向下运动 。 因此 ， 以漏湖一沙坝为卤水生成反应器 ， 被溶解的组 分在蒸发泵作用下产生分馏 ， 在沉积物中发生水 、 盐 问的离子交换作用 ， 产生矿物蚀变 ， 在潮坪及三角洲 前缘生成地下卤水。 本文将晚更新世以来以莱州湾地下卤水演化模 式可以概化为 两个形成 时期 的 6个 成 卤过 程 ( 图 5 ) 。在海退初期( 图 5中 a 、 c 、 e ) ， 漏湖水体 由风暴 潮作用下越过沙坝不断注入正常海水和位于其下部 河流沉积物地下淡水共同组成 ， 漏湖中产生 的高矿 化度盐水在回流渗滤作用下进入潮坪和三角洲前缘 地带， 漏湖水体将长时间保持较高浓度稳定状态 ， 在 返流过程中卤水盐度会发生水平带状分异。在海退 成陆时期( 图 5中 b 、 d 、 f ) ， 长期 蒸发作用 和季节性 河流物质运输形成 卤水存储 ， 在蒸发泵和 回流渗滤 的共同作用下 ， 在沉 积物 中发生水 、 盐间 的离子 交 换 ， 发生盐份的向下运移 、 累积 、 分馏 、 矿物蚀变， 陆 相沉积物掩埋了前期卤水层即成为地下 卤水层。如 此大规模 的三次海陆变迁 时期 ( 晚更新世早 期 、 晚 更新世早期 、 全新世)， 形成三个 卤水层相间的分布 特征。其中， 图( a ) 为晚更新世早期 ( Q p ) 海退初 期卤水演化过程 ， ( b ) 为晚更新世早期 ( Q p ) 海退 时期 卤水演化过程； ( c ) 为晚更新世 晚期 ( Q v ) 海 退初期卤水演化过程 ， ( d ) 为晚更新世晚期 ( Q p ) 海退时期 卤水演化过程 ； ( e ) 为全新世 ( Q h ) 海退初 期 卤水演化过程 ， ( f ) 为全新世 ( Q h ) 海退 时期 卤水 演化过程。 4 结论及讨论 ( 1 ) 莱 州湾南 岸 晚更 新世 以来发 生了 三次海 侵一海退事件 ， 形成相应的三个海相地层 ， 每个海相 沉积地层都赋存着相应的地下 卤水 。第 1 海相层中 卤水 T D S值 5 01 3 0 g L ， 第 1 I 海相层 中卤水 T D S 值 5 0 1 6 5 g L ， 第 1 I I 海 相层 中卤水 T D S值 5 0 1 4 0 g L ， 以第 1 I 海相层的卤水 T D S值高 ， 储量多。 ( 2 ) 地下 卤水成矿条件受多种 因素控制 ， 莱州 湾南岸地下卤水的生成必须有特殊 的气象水文 、 古 地理环境 、 地形地貌和地质条件。多源河流三角洲 沉积演化模式为地下 卤水资源的生成创造了良好的 补给、 运移 、 过 滤、 储存 、 封盖条件 。在晚更新 世早 期 、 晚更新世晚期 、 全新世 的海退初期 ， 漏湖水体 由 地质论评 2 0 1 5正 王松 涛， 高美霞 ， 傅俊鹤2 0 0 8 山东潍坊沿海地下水 卤水矿地 质特 ( 5 )： 1 1 1 7 征及成矿规律 矿床地质， 2 7 ( 5 ) ： 6 3 1 6 3 7 周训 2 0 1 3 深层地下卤水的基本特征与资源量分类水文地质工 王珍岩， 韩有松 1 9 9 8 第四纪滨海相地下卤水的研究 海洋科学， 1 ： 程地质 ， 4 0 ( 5 ) ： 4 1 0 2 2 2 4 周训， 金晓媚， 梁四海， 等 2 0 1 0 地下水科学专论 北京： 地质出版 王珍 岩， 孟广兰 ， 王少青2 0 0 3 渤海莱州湾南岸第 四纪地下 卤水 演 社 化的地球化学模拟 海洋地质与第四纪地质 ， 2 3 ( 1 ) ： 4 95 3 周仲怀 ， 徐丽君 ， 刘兴俊1 9 8 9 莱州湾沿岸地下浓缩海 水中高 浓度 许博超 ， 于 志刚 ， 刘东生 ， 等2 0 1 1 莱州 湾南岸地下 卤水高浓 度溶 铀的发现及其地球化学异常 海洋与湖沼 ， 2 0 ( 1 ) ： 5 25 7 解铀及其成因研究中国海洋大学学报， 4 1 ( 1 1 ) ： 8 1 8 5 庄振业， 许卫东 ， 李学伦1 9 9 1 渤海南岸 6 0 0 0年来的岸线演变 青 薛春汀 ， 丁东2 0 0 8 渤海莱州湾南岸潍河一弥河 三角洲 ： 沉 积序列 岛海洋大学 报 ， 2 1 ( 2 ) ： 9 91 1 0 和沉积格架 地理科学 ， 2 8 ( 5 ) ： 6 7 26 7 6 Mi ll A D 。1 9 9 1 沉 积盆地分析 原理 ( P r i n ci p le s o f s e d i me n t a r y b a s i n 许靖华1 9 9 1 中国察尔汗湖钾盐蒸发泵成因 化工地质，( 4 ) ： 1 一 a n a l y s i s ， 1 9 8 4 ) 孙枢 等， 译 北京： 石油工业出版社 6 Eu g s t e r H PHa r d ie L A 1 9 7 8 S a l in e L a k e s I n： L e r ma n A e d 杨立 中， 王大纯1 9 8 9 深层 地下 卤水资 源量 评价 的研究 地 质研L a k e s ：C h e m i s t r y ，G e o l o g y ，P h y s i cs N e w Yo r k：S p rin g e r ，2 3 7 究 ，( 2 ) ： 11 1 5 2 9 4 杨巧凤 ， 李文鹏 ， 王瑞久2 0 1 0 深圳沿海 带浅 层地下水 的稳定 同位 K i n s ma n D J 1 9 6 6 G y p s u m a n d a n h y d fit e o f r e ce n t a g e ， T r u cia l C o a s t ， 素 与地球化学水 文地质工程地质 ， 3 7 ( 5 ) ： 2 63 2 P e r s i a n G u l f I n：R a u J L e d S e co n d S y m p o s i u m o n S a l t 张维英， 韩美， 李艳红 2 0 0 3 山东莱州湾南岸平原古湖泊消亡原因 N o r t h e r n O h i o G e o l S o c ， C l e v e l a n d O h i o ， 3 0 2 3 2 6 初探 古地理学报 ， 5 ( 2 ) ： 2 2 42 3 2 P u r s e r B H1 9 7 3 T h e P e r s i a n G u l f ： H o l o ce n e C a r b o n a t e S e d i me n t a t i o n 张永祥 ， 薛 禹群 ， 陈鸿汉1 9 9 6 莱州湾南岸晚更新世后 地层 中沉 积 n d D i a g e n e s i s i n a S h a l l o w E p i co n t i n e n t a l S e a B e r l i n ：S p r i n g e r 海水 的特征及其形成环境海洋学报 ，1 8 ( 6 ) ： 6 1 6 8 n a g ， 4 7 0 张祖陆， 聂晓红， 刘恩峰， 等 2 0 0 5 莱州湾南岸咸水人侵区晚更新 S ch r e ib e r B C ，F i e d a n G M，D i m A l 9 7 6 D e p o i i 。 n a l 世以 来 的 古 环 境 演 变 地 理 研 究， 2 4 ( 1 ) ： 1 0 5 1 1 1 。 “ i “ 。 n t s o f th e u 。 M 。 。 ： “ 。 ( M e i “ i “ ) 。 p 。 。 p 。 i 郑懿珉 ， 高茂生 ， 刘森 ， 王 松涛 ， 赵金 明 ， 王常 明2 0 1 4 晚更新世 以 o f t h e s i 。 i l i “B i “ s 。 d i “ 。 l 。 g Y ， 2 3 ： 7 2 9 7 6 0 来 莱州湾南岸地下 卤水 资源分 布特征水文地 质工程地 质 ， 4 1 Pa l a e o g e o g r a ph ic Co n dit io n f o r or i n 0 f Und e r g r o u nd Br ine in S o u t h e r n Co a s t o f La iz h o u Ba y。Bo h a i S e a GAo Ma o s he n g ，ZHENG Yimin ，LI U S e n j ，W ANG S o n g t a o ， K0 NG Xia n g h u a i Z HAO J in min g G UO F e i 1 )K e y L a b o r a t o r y o f Ma r i n e H y d r o ca r b o n R e s o u r ce s a n d E n v i r o n m e n t a l G e o l o g y ， Mi n is t r y of L a n d a n d R e s o u r ce s ， K e y L a b o r a t o r y of C o a s t a l W e t l a n d B i o g e o s cie n ce s ，C h in a Geo l o g i ca l S u r v e y ， Q i n g d a o I n s t i t u t e o f Ma r i n e Geo l o g y ， Q i n g d a o ， S h a n d o n g ， 2 6 6 0 7 1 ； 2 )C o l l e g e o f C o nst r u ct io n E n g in e e r i n g ， J il i n U n i v e r s i t y ，C h a n g ch u n ，1 3 0 0 2 6 ； 3 )Q i n g d a o Geo l o g i ca l S u rv e y I nst i t u t e ofC h i n a Me t a l l u r g i ca l Geo l o g y B u r e a u ，Q i n g d a o ， S h a n d o n g ， 2 6 6 0 7 1 ； 4 )N o 4 E x p l o r a t io n I n s t i t u t e o f Geo l o g y a n d Mi n e r a l R e s o u r ce s ， We 扣n g， S h a n d o n g， 2 6 1 0 2 1 ； 5 )C h i n a U n iv e r s it y ofP e t r o l e u m， Q i n g d a o 。 S h a n d o n g， 2 6 6 1 0 0 Ab s t r a ct ：Un d e r g r o u n d b ri n e f o r me d in s o u t h co a s t o f t h e La iz h o u b a y d is t r ib u t e s wid e l y wi t h l a r g e v o l u me s in ce La t e P l e i s t o ce n e I t s o r i g in is co mp l ica t e d Acco r d i ng t o t h e a n a l y s is ， i t i s t h e fl u v ia l de l t a s e d ime n t a r y s y s t e m t ha t cr e a t e s a g o o d r e p l e n is h me n t ，mig r a t io n，f i l t r a t i o n，ca p p in g co n d it io n f o r t he g e n e r a t io n o f Un de r g r o u n d b rin e I n t h e e a r l y s t a g e o f b r in e e v o l u t io n， t h e l a g o o n w a t e r co n s is t e d o f co n t in u o u s l y i n j e ct e d n o r ma l s e a w a t e r ， w h ich r a n a cr o s s t h e b a r u n d e r t h e p r o ce s s o f s t o r m s u r g e，a n d f r e s h g r o u n d wa t e r l y in g b e l o w t h e r i v e r s e d ime n t Hig h s a l in it y bri n e g e n e r a t e d in l a g o o nr u n n in g in t o t h e t id a l fi a t a n d t h e d e l t a f r o n t be l t u n d e r t he e f f e ct o f ba ck flo w- in fil t r a t io nLa g o o n wa t e r wo u l d r e ma in s t a b l e wit h r e l a t i v e l y hi co n ce n t r a t io n s f o r a l o n g t i me I n t h e r e g r e s s i o n p e r io d，a l a r g e a mo u n t o f l o n g t e r m e v a p o r a t io n a n d s e a s o n a l mu h