胡 彬 孔凡晶 张永生 郑绵平 陈 靖

(1.中国地质科学院矿产资源研究所 北京 100037;2.国土资源部盐湖资源与环境重点实验室 北京 100037)

蒸发盐类矿物是地表水体在强烈的蒸发作用下结晶形成的，在此过程中被捕获于晶体晶格缺陷中的流体(气体)称为蒸发盐中的原生包裹体。这些包裹体能够保存形成时期大气圈、水圈、生物圈的重要信息，可以为研究古温度、古水体成分、古大气成分以及生物的演化提供可靠的定量数据［1］。对于蒸发盐包裹体的研究近些年来引起了国内外学者极大的兴趣［2］。在蒸发盐矿物中，石盐分布较为普遍且包裹体数目多、体积较大，因而成为蒸发盐包裹体研究的主要对象［1］。

石盐包裹体的研究内容主要包括:岩相学研究、包裹体均一温度测定、包裹体成分测定以及包裹体所捕获的微生物研究三个方面。前人对于石盐包裹体的岩相学研究主要用来判别包裹体的原生和次生性。原生石盐包裹体群的分布形态主要有两种:漏斗形和人字形，这两种形态分别对应了两种不同的结晶过程，即形成于水面的漏斗形结晶和形成于水底的人字形结晶［3］。包裹体均一温度的测定方法主要采用低温冷冻测温法［4，5］。采用该方法测得均一温度的最大值可以作为形成时的环境温度［2，5，6］。包裹体成分的测定方法主要有两种:一种是激光剥蚀电感耦合等离子质谱法(LA-ICP-MS)［7，8］，另一种是扫描电镜能谱法［9，10］。关于包裹体中所捕获的微生物研究，目前已有学者从2.5亿年前二叠纪地层中的石盐包裹体中提取出了被捕获的嗜盐菌的DNA［11］。

本研究对来自陕北盐盆镇钾1井的样品进行了详细的岩相学观察，并在此基础上，采用低温冷冻测温法测定其中石盐包裹体的均一温度。根据测定结果，对均一温度所记录的有关陕北盐盆马家沟组沉积期的古气候信息做了进一步探讨。

1 研究区概况

陕北盐盆位于鄂尔多斯盆地的中东部，其分布范围大致为 36°10'～39°10'N，108°30'～111°E，面积约5.6×104km2(图1)。行政区划包括陕北地区柳林、临县、神木、靖边、志丹、延安、大宁等市县辖区。鄂尔多斯盆地位于贺兰山以东、吕梁山以西、阴山以南、秦岭以北的地区，包括甘肃东部、宁夏大部、陕西中部和北部、内蒙古西部和山西西部，面积约32×104km2［12］。

陕北盐盆的蒸发盐所在层位主要发育马家沟组地层，其中马家沟组一、三、五段为含盐段，二、四、六段为碳酸盐岩段。从岩性上看，陕北盐盆在该时期主要经历了三次完整的海进—海退事件，形成了三个蒸发盐与碳酸盐岩互层的沉积旋回［14］。

图1 研究区域的地理位置［13］Fig.1 Location of the study area［13］

镇钾1井位于米脂县杜家石沟镇杜兴庄村，构造位置上处于陕北盐盆西部盐坳处，是中国地质科学院部署的一口用于调查评价陕北奥陶纪盐盆地钾盐资源的钾盐基准井［15］。米脂县属中温带半干旱性气候区，全年降雨不足，气候干燥。该地区1993年至2012年月均温依次为(1月～12月):-8.60℃、-2.91℃、3.64℃、11.55℃、17.67℃、22.26℃、23.86℃、21.81℃、16.35℃、9.32℃、1.29℃、-5.83℃(据中国气象局米脂台站)。可以看出，该地区全年月均气温在-5.83℃～23.86℃，年平均气温9.20℃。

2 样品采集及实验方法

2.1 包裹体样品采集及岩相学观察

本次研究的样品采自镇钾1井马家沟组第五段六亚段地层，样品深度为:2 738 m(zjy-1)，2 740 m(zjy-2)，2 744 m(zjy-3)，2 812.8 m(zjy-4)。样品 zjy-1、zjy-2、zjy-3的岩性为浅灰褐色、中粗晶岩盐;样品zjy-4岩性为浅灰褐色—烟灰色、中粗晶岩盐，局部含泥砂(图2)。

由于蒸发盐矿物具有易潮解、易重结晶等特殊性质，为防止磨片过程对包裹体均一温度的测定产生干扰，本研究未进行磨片，而直接将样品切成厚度小于0.5 mm薄片在显微镜下观察。样品切好后加以编号，并用自封袋将样品密封好，放置于干燥器内保存，以避免矿物发生潮解。包裹体岩相学研究采用Zeiss公司的AXIO Scope.A1显微镜进行，包裹体拍照和测量分析使用ProgRes CapturePro2.8.8软件。石盐包裹体岩相学特征是判断包裹体原生和次生性的重要依据，原生石盐包裹体群的分布有其特征形态，即人字形和漏斗形。这两种形态分别对应着两种原生石盐矿物晶型，即生长在水体底部的人字晶和生长在水面上的漏斗晶［3］。

图2 样品手标本照片A.样品 zjy-1，B.样品 zjy-4Fig.2 Photos of the samplesA.Sample zjy-1，B.Sample zjy-4

图3 原生纯液相石盐包裹体(左)在冷冻后(右)出现气泡Fig.3 Primary fluid inclusions before(left)and after(right)chilling to nucleate vapor bubbles

2.2 石盐包裹体均一温度的测定

石盐包裹体均一温度的测定采用低温冷冻测温法［4，5］。将含原生纯液相石盐包裹体切片放入自封袋中密封，在-18℃冰箱中冷冻处理，直至观察到纯液相的包裹体出现气泡为止(图3)。将冷冻处理后出现气泡的切片放在冷热台上，找到目标包裹体。先以30℃/min的速率迅速降温至-15℃，然后再以0.5℃/min的速率缓慢升温至15℃，最后以0.1℃/min的速率升温至包裹体中的气泡完全消失，此时的温度即为该包裹体的均一温度。本研究所测得每一个样品的包裹体均一温度均来自于同一样品切片的同一包裹体群。测温使用英国Linkam THMS G600显微冷热台，该仪器采用液氮制冷，温度范围为-196℃ ～600℃，仪器精度为±0.1℃。

3 结果与分析

包裹体岩相学研究中观察到的石盐包裹体主要有方形、圆形及不规则形等三种形态(图4A，B，C)。方形是原生石盐包裹体最常见的形态，圆形主要多见于富气相的包裹体，不规则形态则可能与包裹体经历了后期改造变化有关。石盐包裹体有纯液相、气液两相和含子矿物三相等不同相态(图4D，E，F)。

本次研究对 zjy-1、zjy-2、zjy-3、zjy-4这 4件样品中的原生纯液相石盐包裹体进行了均一温度测定并测量了包裹体大小，所测包裹体共计118个(图5)。其中，样品zjy-1测得包裹体均一温度34个，最大值为27℃，最小值为18.5℃，多数集中在21℃～27℃之间，并在22℃～23℃的区间有一个明显的峰值，该样品均一温度的均值为23.5℃，包裹体大小在7.8～21.1 μm;样品zjy-2测得均一温度31个，最大值为29.9℃，最小值为 23.8℃，数据集中出现在23℃ ～26℃之间，并在 23℃ ～24℃、25℃ ～26℃区间内有两个明显的峰值，均值为23.9℃，包裹体大小在2.6～36.52 μm;样品zjy-3测得均一温度24个，最大值为36.9℃，最小值为24℃，数据多集中在27℃～34℃，并在27℃～28℃、33℃～34℃区间有两处峰值，均值为30.5℃，包裹体大小在12.4～34.6 μm;样品 zjy-4测得均一温度29个，最大值31℃，最小值14.7℃，数据多集中在21℃～26℃之间，并在23℃～24℃之间有一处峰值，均值为 23.1℃，包裹体大小在 7.1～36.3 μm(表 1)。

4 结论与讨论

4.1 石盐包裹体均一温度的地质意义

图4 镇钾1井石盐包裹体类型A.方形石盐包裹体;B.圆形石盐包裹体;C.不规则形态的石盐包裹体;D.纯液相原生石盐包裹体;E.气液两相石盐包裹体;F.含子矿物三相次生石盐包裹体。Fig.4 Fluid inclusions in the study samples from Well Zhenjia-1A.square fluid inclusions;B.round fluid inclusions;C.irregular fluid inclusions;D.primary one-phase liquid fluid inclusions;E.two-phase liquid-gas fluid inclusion;F.three-phase liquid-gas and crystal fluid inclusions.

原生石盐包裹体的均一温度能够代表其形成时的水体温度，但与其形成时的气温又有怎样的对应关系呢?对于这个问题，Roberts等(1995)做了深入研究，并给出相应结论。在收集了加拿大死谷盐湖1911～1993年的气温数据之后，总结出了该盐湖月平均气温变化范围。同时，采用冷冻测温法得到相应时期沉积的石盐包裹体均一温度。根据气温变化范围和均一温度范围两组数据的对比，他认为:石盐结晶形成于一年中气温较高且蒸发量较大的时期，故而包裹体均一温度应包含最高卤水温度，而从温度与均一温度的对比来看，均一温度的最大值比形成时气温低 5℃ ～10℃左右［4］。Lowenstein 等(1998)测量了实验室蒸发形成的石盐包裹体和野外(死谷)形成的石盐包裹体的均一温度后，认为:石盐包裹体均一温度的最大值能够反映其形成时的环境温度。例如:实验室蒸发形成的石盐包裹体的环境温度是31.5℃，测量所得的包裹体最大均一温度为33℃;而死谷4月～5月的卤水最大温度是34.4℃，平均最高气温31.3℃～37.6℃，测量所得的包裹体最大均一温度为34℃［5］。本研究所测包裹体来自陕北盐盆奥陶纪马家沟组五段六亚段地层，希望通过包裹体均一温度的测定分析，得到陕北盐盆该时期的古气温。

图5 石盐包裹体均一温度分布A.zjy-1原生包裹体均一温度测试结果;B.zjy-2原生包裹体均一温度测试结果;C.zjy-3原生包裹体均一温度测试结果;D.zjy-4原生包裹体均一温度测试结果。Fig.5 Histograms of homogenization temperatures(Th)of fluid inclusionsA.histograms of homogenization temperatures(Th)of primary fluid inclusions in zjy-1;B.histograms of homogenization temperatures(Th)of primary fluid inclusions in zjy-2;C.histograms of homogenization temperatures(Th)of primary fluid inclusions in zjy-3;D.histograms of homogenization temperatures(Th)of primary fluid inclusions in zjy-4.

表1 石盐包裹体均一温度测试结果Table 1 Homogenization temperature(Th)data of primary fluid inclusions in halite

4.2 石盐包裹体的原生与次生性

由于石盐易于溶解及重结晶，寻找和判断原生包裹体是开展石盐包裹体研究的前提。尽管由于后期的改造和破坏，形成年代较早的石盐矿物大多发生了一定的重结晶作用，但其中仍有可能找到未发生改变的原生石盐包裹体［3］。在寻找原生石盐包裹体的研究中，除了将石盐包裹体群的分布形态作为原生包裹体的判断依据以外，还可以依据包裹体均一温度范围大小，以及均一温度与包裹体大小之间的关系加以判断［3］。

Goldstein和Reynolds(1994)认为，同一包裹体带中所测量的均一温度，如果90%的数据都在10℃～15℃范围之间，则可判定为原生包裹体［16］。本次测试的四个样品，zjy-1的均一温度最大值27℃，最小值18.5℃，范围在8.5℃之间;样品zjy-2最大值29.9℃，最小值 14.9℃，范围 15℃;样品 zjy-3最大值为36.9℃，最小值为24℃，范围12.9℃;样品zjy-4最大值31℃，最小值14.7℃，范围16.3℃(表1)。所以，本次测定的均一温度是符合原生包裹体均一温度范围的。

分析包裹体均一温度与包裹体大小之间的关系是判定原生包裹体的又一项重要的标准［17］。前人在这方面的实验结果表明，受到后期改造发生形变的包裹体均一温度相对较高，而且越大的包裹体越容易受到改造变形［3，18，19］。所以，如果原生包裹体受到了后期作用，那么越大的包裹体，其均一温度也就越高［17］。将本次测得的包裹体均一温度与该包裹体的大小进行了分析比较，发现二者之间没有明显的数值关系(图6)。

图6 石盐包裹体均一温度与大小的关系Fig.6 Histogram of homogenization temperatures plotted against size of inclusions

4.3 石盐包裹体均一温度所指示的陕北奥陶纪盐盆马家沟组沉积期的古气候信息探讨

奥陶纪发生了显生宙以来海洋动物群演变的大爆发，并且在奥陶纪末出现了自寒武纪以来第二次生物大灭绝事件，该时期的古温度、古环境信息一直为人们所关注。前人研究认为，奥陶纪早期气温很高，其后逐渐降低至相当于现在地球赤道附近的温度，该温度从中奥陶世一直持续到晚奥陶世［20］(Trotter et al.，2008)。在奥陶纪末到志留纪初，温度又开始大幅下降至2℃以下［21］，并且引发了一次生物大灭绝事件。前人对于奥陶纪古温度的测定主要采用氧同位素方法，如Shiels et al.(2005)通过对腕足动物形成碳酸盐中氧同位素测定认为奥陶纪热带赤道海水表面温度的最低值为 16℃ ～32℃［22］;Giles(2012)采用同样的方法得出奥陶纪低纬度地区古温度为8℃～26℃［21］;Trotter et al.(2008)对牙形石的氧同位素测温结果表明整个奥陶纪古温度从最初的42℃降低到奥陶纪末23℃［20］。氧同位素测温首先需要测定样品中氧同位素含量，进而得到δO18的数值，再通过一系列计算得出古温度数据。由于样品本身的限制，及假设古海水δO18的准确性，使得氧同位素测温的精确计算较难保证。而本研究采用测定石盐包裹体均一温度的方法，得到的古温度直接、准确，这对于研究奥陶纪的古温度、古气候信息具有不可取代的优势。

本研究测得陕北奥陶纪盐盆马家沟组的古温度为:样品 zjy-1，18.5℃ ～27℃;样品 zjy-2，14.9℃ ～29.9℃;样品 zjy-3，24℃ ～36.9℃;样品 zjy-4，14.7℃ ～31℃(图7)。陕北盐盆中奥陶统马家沟组碳酸盐含盐系主要由碳酸盐岩和蒸发盐交替沉积形成，为典型的稳定克拉通古陆表海盆沉积［23］。从取样段岩芯的岩性来看，底部岩盐段反映了当时炎热干燥的形成环境，古温度为14.7℃～31℃;其后该地区经历了一次淡化事件，形成了20 m厚的石膏岩和10 m左右的灰岩沉积;接着该区再一次经历炎热干旱的气候，又形成了岩盐层，气温较底部岩盐层的形成温度有所升高，为24℃～36.9℃，在岩盐层形成的过程中温度逐渐降低，从开始的 24℃ ～36.9℃，降低到 14.9℃ ～29.9℃，并最终降低到18.5℃～27℃。如果按照Lowenstein et al.(1998)的研究结果［5］，使用石盐包裹体均一温度的最大值表示古气温，那么陕北盐盆地奥陶纪在本研究段的古气温在最初为31℃;其后水体盐度降低，形成约30 m厚的膏岩、灰岩层;接着气候又变干燥，逐渐形成岩盐，气温升高到36.9℃;该层岩盐厚约20 m，所测古温度在该层位呈逐渐降低的趋势，由36.9℃降低至29.9℃，又降至27℃。总的来说，本研究所测的两个岩盐层的古温度大致接近，底层岩盐层古温度为 31℃，上层岩盐层古温度为 36.9℃、29.9℃、27℃。这组古温度与前人的氧同位素测温结果基本是一致的。所以，我们认为，原生的石盐包裹体均一温度能够反映其形成环境的古温度。

图7 石盐包裹体样品在岩芯中的位置及均一温度范围Fig.7 Ranges of fluid inclusion homogenization temperatures plotted next to location of samples in the cores

除了均一温度、岩性特征指示了陕北盐盆地奥陶纪马家沟组沉积期为炎热干燥的气候特征以外，前人的古地磁的研究结果也表明，奥陶纪的华北板块位于南纬 10°～24°之间［24，25］，地处南半球低纬度干旱带。这种炎热、干旱的气候特征对于蒸发盐的形成十分有利［26，27］，所以陕北盆地奥陶系马家沟组形成巨量的石盐沉积，并于马家沟组五段六亚段陆续发现含钾显示和局部薄钾盐层，成为全球少有的奥陶纪含钾盆地［23］。结合以上对华北板块奥陶纪古气候的认识，我们认为陕北奥陶纪盐盆处于炎热、干旱的低纬度干旱带，其在马家沟组五段6亚段沉积期的古气温为27℃ ～36.9℃。

这一古温度高于研究区近二十年的现代气温，作者推测其原因可能有两点:首先，陕北盐盆地奥陶纪所在的板块纬度位置较现今发生的很大的改变，从那时的南纬 10°～24°之间［24，25］，变为现在的北纬 10°～24°，其所处气候带也从低纬度热带变为中纬度温带，所以古气温高于现代气温;其次，前人的研究成果表面，奥陶纪中期以前气温高于现代，从中奥陶晚期开始，气温开始下降到奥陶纪末期达到最低［20］，本次研究样品来自中奥陶纪，可能正处于奥陶纪温度较高的时间段。

致谢 本论文的实验和撰写工作得到了中国科学院南京地质古生物研究所孟凡巍博士的悉心指导，中国地质科学院刘成林研究员、魏家秀老师、孙小红博士、赵艳军博士等对论文提出了宝贵的修改意见，在此一并感谢。

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