繆衛(wèi)東, 周紹榮, 李小明, 吳進(jìn)飛, 尚通曉

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210008;2.淮安市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,江蘇 淮安 223001)

0 引言

20世紀(jì)80年代,淮安地區(qū)開展了較大規(guī)模的鹽礦勘查工作,這些工作查明淮安市的NaCl資源儲(chǔ)量約為199億噸,洪澤鹽盆的Na2SO4資源儲(chǔ)量約5.7億噸。截至2019年底,淮安市鹽硝礦山企業(yè)累計(jì)采出巖鹽礦石量1.52億噸,折合固體NaCl量1.03億噸;采出芒硝礦石量0.48億噸,折合固體Na2SO4量0.41億噸①。

可見鹽礦資源很豐富,但終有開采枯竭的時(shí)候,同時(shí)考慮到對(duì)環(huán)境的影響,也不能無休止開采,需盡快考慮后備巖鹽礦的探查,而搞清楚鹽礦成因?qū)σ院蟮恼业V方向?qū)⑵鸬胶芎玫闹笇?dǎo)作用。

鹽成礦的模式和相關(guān)研究較多,19世紀(jì)提出的淺水淺盆成鹽即傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)上的湖水蒸發(fā)濃縮成鹽——“沙洲說”與“沙漠說”,為海相和陸相鹽類成因研究奠定了理論基礎(chǔ)[1]。20世紀(jì)50年代以后,成鹽理論快速發(fā)展,“風(fēng)成說”、“分離盆地假說”相繼出現(xiàn), R.F. Schmalz等[2-4]的“深水成鹽理論”, L.A. Hardie等[5-6]的“薩布哈成鹽”, K.J. Hsu[7]的“干化深盆說”,以及“高山深盆、振蕩干化、分離盆地同步分異”[8]、“多級(jí)鹽湖成鹽模式”[9]和“潮上薩布哈和水下濃縮沉淀型”[10]等。

針對(duì)淮安市鹽礦有較多研究和論述,主要集中在鹽礦賦存層位[11]、構(gòu)造[12-13]、巖性、產(chǎn)狀、品位[14-15]、開采歷史[16]和現(xiàn)狀[17-20]等,形成環(huán)境和成因[21-22],尤其物源探討有限。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)對(duì)鹽礦的成因眾說不一,同時(shí)很多工作者甚至是專業(yè)技術(shù)人員對(duì)鹽礦區(qū)內(nèi)斷裂存在與否亦有一定爭議,此導(dǎo)致對(duì)很多當(dāng)?shù)嘏c鹽礦相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生不同的見解。為此,本次在鹽礦區(qū)開展了一些二維地震勘探工作(圖1),試圖通過本次工作和相關(guān)資料的總結(jié)和思考,對(duì)淮安市鹽礦區(qū)鹽礦約束條件、鹽礦內(nèi)斷裂狀態(tài)及鹽礦的成因做一定的探討。

圖1 鹽礦區(qū)分布圖及二維地震線位置

1 鹽礦區(qū)地質(zhì)概況

淮安市鹽礦包含淮安鹽盆鹽礦和洪澤鹽盆鹽礦。其中,淮安鹽盆鹽礦包含4個(gè)礦區(qū),洪澤鹽盆鹽礦包含2個(gè)礦區(qū)。大地構(gòu)造位置上,洪澤鹽盆鹽礦位于洪澤凹陷的趙集次凹中,在趙集次凹的西南邊還有兩個(gè)次凹管鎮(zhèn)次凹和津里次凹,均位于洪澤凹陷中;淮安鹽盆鹽礦位于淮安凸起上的次凹中(圖2)①。洪澤凹陷和淮安凸起又均位于蘇北盆地中的鹽阜坳陷帶中,鹽阜坳陷帶北為魯蘇隆起區(qū),南接建湖隆起。

圖2 淮安市鹽礦所處大地構(gòu)造單元位置圖

淮安鹽盆鹽礦和洪澤鹽盆鹽礦,兩者在區(qū)域上相近,其區(qū)內(nèi)地層和含鹽層不同。

淮安鹽盆地層自上而下依次為第四系(Q)、新近系鹽城組(Ny)、上白堊統(tǒng)赤山組(K2c)、浦口組(K2p)等?；窗阐}盆含礦地層為浦口組,而含鹽系主要賦存于浦口組二段(K2p2)中。

洪澤鹽盆內(nèi)地層自上而下依次為第四系(Q)、新近系鹽城組(Ny)、古近系三垛組(E2-3s)、戴南組(E2d)、阜寧組(E1-2f)和泰州組(E1t)等。洪澤鹽盆含礦地層為阜寧組,其阜寧組四段(E1-2f4)為含鹽系。

2 鹽礦成礦約束條件討論

2.1 鹽礦所處地塊相對(duì)穩(wěn)定完整

本次為探查鹽礦區(qū)地層展布及斷層情況,布設(shè)了二維地震勘探線,其中在淮安鹽盆的謝碾礦區(qū)布設(shè)一條ES向穿過礦區(qū)的勘探線,長度6.55 km,結(jié)果顯示鹽礦區(qū)內(nèi)含鹽地層連續(xù),斷層不明顯,僅在邊部存在次級(jí)斷裂(圖3);在洪澤鹽盆的趙集礦區(qū)布設(shè)了近SE向勘探線,長度8.95 km,地震解釋結(jié)果見圖4,顯示鹽礦區(qū)所處地層連續(xù),僅在北側(cè)有小的次級(jí)斷裂存在。再結(jié)合淮安市基巖地質(zhì)圖(圖5),同樣看到淮安鹽盆和洪澤鹽盆的鹽礦區(qū)所在區(qū)域內(nèi)斷裂均不明顯,鹽礦區(qū)周邊存在斷裂,也就是說鹽礦區(qū)所處位置在斷層相對(duì)較少的地區(qū),斷裂約束了鹽礦的分布①。

圖3 淮安鹽盆鹽礦區(qū)二維地震勘探結(jié)果圖

圖4 洪澤鹽盆鹽礦區(qū)二維地震勘探結(jié)果圖

圖5 工作區(qū)基巖地質(zhì)圖

另外,淮安鹽礦和洪澤鹽礦分別位于鹽阜坳陷帶中的淮安凸起和洪澤凹陷中,皆存在于凸起或凹陷的次凹中。

2.2 鹽礦發(fā)育地層及沉積環(huán)境

2.2.1 鹽礦發(fā)育地層

淮安鹽盆鹽礦和洪澤鹽盆鹽礦的發(fā)育地層如下:

淮安鹽盆含礦地層:于上白堊統(tǒng)浦口組二段(K2p2)中。其巖性組合特征可劃分為3個(gè)巖性亞段,分別為上鹽亞段、中淡化段和下鹽亞段,其中浦口組二段上鹽亞段(K2p2-3)為主要含鹽地層。上鹽亞段又可分為4個(gè)巖性組合,其中第三、四組合是區(qū)內(nèi)主要巖鹽工業(yè)礦體,最多可見24層可采工業(yè)礦層。

含鹽層由含礦層和淡化層相間組成,含鹽層一般為灰色細(xì)晶薄層狀石鹽巖,含粉砂、鈣芒硝,紋理清晰,質(zhì)地較硬。夾層(淡化層)一般為粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等,含鈣芒硝,一般夾層頂部含鈣芒硝。礦區(qū)主體含鹽層頂板埋深630～1200 m,含鹽層厚度300～1200 m。

洪澤鹽盆含礦地層:阜寧組四段(E1-2f4)為含鹽系,據(jù)其巖性組合特征可劃分為5個(gè)巖性亞段,分別為鹽下膏鹽亞段、下鹽亞段、中淡化亞段、上鹽亞段和鹽上膏鹽亞段。其中上鹽亞段(E1-2f4-4)是區(qū)內(nèi)主要的巖鹽工業(yè)礦體,最多可見5層可采工業(yè)礦層,巖性以灰色巖鹽為主,夾灰色、棕色泥巖和鈣芒硝巖;下鹽亞段(E1-2f4-2)是區(qū)內(nèi)主要芒硝、巖鹽工業(yè)礦體,最多可見13層可采工業(yè)礦層。

阜寧組四段主要巖性特征:上部以灰色泥巖、泥質(zhì)白云巖、巖鹽、硬石膏為主;中上部泥巖、巖鹽、無水芒硝巖組成韻律互層;下部以灰色泥巖、白云質(zhì)泥巖為主,夾巖鹽;底部為巖鹽夾鈣芒硝巖。礦區(qū)主體含鹽層埋深1100～2500 m,含鹽層厚度一般200～400 m。

2.2.2 鹽礦沉積環(huán)境

兩個(gè)鹽盆中含鹽地層雖有不同,但其含鹽地層的巖性組合有很大的相似性,即含鹽層均由含礦層(含石鹽層)和淡化層組成,且呈互層狀態(tài)存在,即呈現(xiàn)的是泥巖(粉砂巖)-石鹽巖-泥巖(粉砂巖)-石鹽巖-泥巖(粉砂巖、膏泥巖)-石鹽巖的互層,鹽礦分布范圍也呈明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu),指示均為湖相成因,而泥巖中普遍含有石膏和芒硝等指示干旱氣候的成分,略有差異的是淮安鹽盆的淡化層(或者稱夾層)偶有粉砂巖。兩個(gè)鹽盆的巖性組合(含鈣芒硝、石膏)均指示干旱蒸發(fā)湖相的沉積環(huán)境,淮安鹽盆巖性組合含有少量粉砂成分而較洪澤鹽盆略粗,提示洪澤鹽盆所處時(shí)期的氣候更加熱和干燥。

2.3 氣候條件約束

氣候是本次考慮的另一個(gè)重要因素,其相關(guān)研究也很多。古近紀(jì)是被認(rèn)為最重要的氣候轉(zhuǎn)折期之一,白堊紀(jì)中期至古近紀(jì)早期是顯生宙典型的“溫室氣候”時(shí)期。古近紀(jì)中晚期開始,則轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽貨鰵夂颉盵23-25]。總體上可劃分為三個(gè)階段:古新世—始新世早期的升溫期,此時(shí)全球海平面基本穩(wěn)定不變,在始新世早期全球海平面快速上升;始新世中期—始新世末期的穩(wěn)定降溫期,全球海平面緩慢下降;漸新世早期,南極冰蓋形成。全球氣溫急劇下降,全球海平面快速下降。在此期間發(fā)生了三次顯著的氣候事件,分別是PETM極熱事件、Oi-L驟冷事件和Mi-L降溫事件[26-28](圖6)。

圖6 全球古近紀(jì)古氣候變化事件及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)事件(據(jù)文獻(xiàn)[25]修改)

綜上可以看出,白堊紀(jì)和古新世也就是本區(qū)主要含鹽物質(zhì)成礦時(shí)期,氣候相當(dāng)干燥和溫?zé)?特別是古新世升溫期,更利于海水蒸發(fā)從而快速形成鹽礦。同時(shí),海平面基本穩(wěn)定不變,海水就可能時(shí)進(jìn)時(shí)退,這樣的條件也利于鹽礦的形成。兩個(gè)鹽盆成礦時(shí)期雖然有先后,但當(dāng)期的氣候均屬于干旱溫?zé)釟夂?。古新世的升溫從另一個(gè)角度解釋了洪澤鹽盆的鹽礦含鹽度高于淮安鹽盆鹽礦含鹽度的原因。

2.4 鹽礦物源討論

陸相鹽湖中鹽類物質(zhì)來源主要有三種:①海源,主要由海侵海水或者殘留海水提供;②陸源,地表風(fēng)化巖石中的鹽類被地表水和地下水?dāng)y帶入湖[29];③深成鹽源,火山或巖漿活動(dòng)[30]、天然水熱溶液循環(huán)、深層鹵水等[31]

淮安市鹽礦成因爭論較多,特別是對(duì)洪澤鹽盆鹽礦(亦稱趙集鹽礦)的成因存在較大爭論。如有觀點(diǎn)認(rèn)為阜寧組四段鹽巖是由地表巖石風(fēng)化淋濾、海侵殘留水和深層鹵水等多個(gè)鹽源供給下,在干旱的氣候條件下,湖水經(jīng)蒸發(fā)、濃縮、沉淀形成[32-33]。也有學(xué)者認(rèn)為“趙集次凹阜寧組四段(E1-2f4)鹽巖應(yīng)為淮安凸起上白堊統(tǒng)浦口組(K2p)鹽巖經(jīng)溶解搬運(yùn)至洪澤凹陷趙集次凹深水湖盆中,使鹽度過飽和后再沉積成因?！盵34]。以往研究對(duì)淮安鹽盆的成因似乎很少探究,是已經(jīng)形成共識(shí)了嗎?這個(gè)共識(shí)是什么?并沒有直接的答案。

上述觀點(diǎn),一個(gè)傾向于趙集鹽礦的物源主要是來源于已有含鹽層的溶蝕聚集;一個(gè)是認(rèn)為既有海源,也有陸源,還有深成鹽源。本次研究認(rèn)為,洪澤鹽盆鹽礦應(yīng)該和淮安鹽盆鹽礦的物源是一致的。即均是滯留?；驖暫暮笃诔练e作用所致,即潟湖或者滯留海才是物源的最大可能,只是沉積成鹽礦的時(shí)間不同而已。認(rèn)為溶蝕已有含鹽層的觀點(diǎn),主要理由是說白堊紀(jì)有大量含鹽層,二是說趙集鹽礦的含鹽度要明顯高于淮安鹽盆。這兩點(diǎn)均值得商榷,首先蘇北盆地的白堊紀(jì)地層并不是處處含鹽,只是少量特定的區(qū)域有含鹽層。第二,洪澤鹽盆鹽礦含鹽度高于淮安鹽盆鹽礦的證據(jù)也不可靠,即便兩者有差異,也不能肯定是含鹽度不高的聚集到含鹽度高的地方,更大的可能是不同時(shí)期不同位置的海水濃度可能就有差異,沉積時(shí)環(huán)境的變化也會(huì)引起差異。

本次通過對(duì)以往資料分析及總體沉積環(huán)境判斷,認(rèn)為本區(qū)鹽礦形成的環(huán)境應(yīng)該經(jīng)歷了海相—陸相的過程,具體應(yīng)該是從濱淺海相 → 潟湖相 → 湖相 → 埋藏成鹽層 → 富集成礦的過程。

以往工作和研究中很少有海相的直接證據(jù),主要可能是鹽礦本身成鹽過程的高鹽環(huán)境及后期的結(jié)晶作用難以保存微體古生物化石,但據(jù)微體古生物資料和水平面的升降分析,蘇北盆地在泰州組至阜寧組四段沉積時(shí)期發(fā)生了三次逐次增強(qiáng)的海侵,且與全球范圍內(nèi)海侵同步[35]。而且,同樣位于洪澤凹陷中的管鎮(zhèn)次凹中阜寧組中發(fā)現(xiàn)海相化石多毛綱蟲管化石、底棲有孔蟲、新單角介、鯡魚化石等,表明阜寧組四段(E1-2f4)受過海侵影響[36]。阜寧群沉積時(shí)期有海水侵入,兩次海侵的顯著影響分別見于阜寧組二段中部和阜寧組四段上部,海侵發(fā)生時(shí),沉積區(qū)大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闈暫蚝涌跒抄h(huán)境[37]。另外,蘇北盆地白堊紀(jì)含鹽地層浦口組鹽上段和鹽下段砂巖中普遍見自生礦物海綠石,反映其曾經(jīng)歷過海相環(huán)境[38]。雖然有觀點(diǎn)認(rèn)為海綠石亦可以生成于其他如深湖環(huán)境[39],但海相環(huán)境是它的主要環(huán)境,因而無法排除本區(qū)經(jīng)歷過海相的環(huán)境?；窗阐}盆和洪澤鹽盆處于蘇北盆地北邊緣,位于鹽阜坳陷帶中,提供了海洋水流(也就是含鹽物源)的通道。有理由認(rèn)為淮安鹽盆和洪澤鹽盆在不同時(shí)期因?yàn)橹苓呌械屯蛊鸱指?水力聯(lián)系時(shí)斷時(shí)續(xù),使得不同時(shí)期的季節(jié)性海侵水在處于最低位置的淮安次凹和趙集次凹中得以留存并進(jìn)一步濃縮,成為鹽礦物源的重要補(bǔ)充。

2.5 構(gòu)造影響及沉積過程討論

有觀點(diǎn)認(rèn)為:阜寧期洪澤凹陷位于蘇北一南黃海陸相濱海盆地的西北角。南部為建湖隆起,地貌上呈現(xiàn)為山地形態(tài),阻擋了與東臺(tái)拗陷盆地的大部分水力聯(lián)系,只在建湖隆起的西南傾伏端有水道相連通。洪澤湖盆地北及西北部為魯蘇古隆起山地;東部是淮安凸起,為中生代斷陷盆地,始新世開始持續(xù)抬升遭受剝蝕;西南部為張八嶺隆起和郯廬斷裂帶?？傮w上古地貌形態(tài)是四周為隆起山地屏障,缺乏與外部的聯(lián)系,自身封閉性良好。因而逐漸獨(dú)立發(fā)展成為一個(gè)咸水—半咸水的“高山深盆”的獨(dú)立景觀。盆地內(nèi)部由于基底構(gòu)造分異和邊界斷裂活動(dòng)性的差異,使其逐漸形成3個(gè)次凹,斷陷深度由南西向北東逐漸加深,其間有低凸起分隔,使3個(gè)次凹間水力聯(lián)系時(shí)斷時(shí)續(xù)。趙集次凹處于地勢(shì)最低的部位。為聚鹽創(chuàng)造了較好的古地理環(huán)境。斷陷深凹一側(cè)緊鄰斷裂帶,形成斷陷內(nèi)部的局部增溫,強(qiáng)化了區(qū)域上的干旱氣候的蒸發(fā)作用[32]。

本次研究認(rèn)為:所謂的“高山深盆”在本地應(yīng)該也是不存在的,白堊紀(jì)地層和阜寧組在沉積時(shí)并沒有高差很大的證據(jù),更大的可能是一個(gè)地方不下沉、一個(gè)地方相對(duì)下沉,才導(dǎo)致阜寧組的沉積和白堊紀(jì)地層殘留的狀況。這種地層的緩慢下沉和間斷以及反復(fù)是本區(qū)含鹽層沉積的一個(gè)重要特征,因?yàn)槠涮峁┝撕}物質(zhì)沉積的場(chǎng)所以及促成其后的在合適地方沉積和保存。也因?yàn)檫@種反復(fù)造就了含鹽地層的粉砂巖、泥巖(膏泥層)、石鹽層等的反復(fù)出現(xiàn)。所謂的夾層為膏泥層和泥巖粉砂巖等,其中膏泥巖是干旱鹽湖沉積由于溶解度差異比氯化鈉、硫酸鈉等先沉積的物質(zhì),泥巖粉砂巖則是由于物理分異作用先沉積的物質(zhì)或者是間斷期含鹽物質(zhì)少或不含鹽物質(zhì)沉積的產(chǎn)物。

淮安鹽礦和洪澤鹽礦分別位于淮安凸起和洪澤凹陷中,雖然位置有差異,但均在鹽阜坳陷帶中,同時(shí),兩者皆存在于凸起或凹陷的次凹中,即次凹提供了鹽礦的賦存空間。

當(dāng)然,周邊含鹽地層的溶蝕補(bǔ)給也是有可能的,但因?yàn)樗^的含鹽地層白堊紀(jì)地層并不是處處含鹽,所以占的比例應(yīng)該不大。主要還是涌入本區(qū)的海水形成滯留?；蛘邼暫峁}礦物源,在漫長的沉積過程中聚集成鹽礦。

2.6 鹽礦成礦模式探討

綜上地質(zhì)條件總結(jié)洪澤鹽盆和淮安鹽盆的異同點(diǎn),可以看出兩個(gè)鹽盆雖在不同位置,卻均在鹽阜坳陷帶中,且均在各自地塊的次凹中;成礦層位雖有差異,但均呈含鹽層和淡化層的互層,巖性組合基本一致,沉積相一致;雖然兩個(gè)鹽礦屬于不同的地質(zhì)時(shí)期,但當(dāng)期氣候均屬于干燥溫?zé)釟夂?表1)。因此,有理由認(rèn)為洪澤鹽盆和淮安鹽盆成因是類似的。

表1 淮安市鹽礦異同點(diǎn)

鑒于鹽礦層很厚,規(guī)模巨大,結(jié)合其他地質(zhì)條件認(rèn)為淮安鹽盆和洪澤鹽盆鹽礦物源是一致的,潟湖或者滯留海是物源的最大可能,只是沉積成鹽礦的時(shí)間不同而已;不同時(shí)期的海水的成分差異、沉積時(shí)環(huán)境的變化引起含鹽度的差異;海水多次的入侵,提供了豐富的含鹽物質(zhì);主要含鹽物質(zhì)成礦時(shí)期,氣候相當(dāng)干燥和溫?zé)?特別是古新世是升溫期,更利于鹽礦的快速形成。以上因素共同作用,形成了如今的淮安鹽盆和洪澤鹽盆。

綜上所述,總結(jié)成礦模式如下:淮安市鹽礦是在白堊紀(jì)晚期至古近紀(jì)早期漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期,由涌入本區(qū)的海水形成滯留?；蛘邼暫?提供了豐富的鹽礦物源,后經(jīng)干燥氣候蒸發(fā)濃縮,再經(jīng)歷埋藏成礦。

通過對(duì)周邊沉積環(huán)境及構(gòu)造地層情況分析,洪澤凹陷中兩個(gè)小次凹管鎮(zhèn)和津里次凹及漣北凹陷和漣南凹陷等可以重點(diǎn)關(guān)注,它們所處的構(gòu)造位置、環(huán)境、地層(均含阜寧組)和趙集次凹的洪澤鹽盆的鹽礦有很大的相似性。當(dāng)然,由于管鎮(zhèn)和津里次凹的深度和規(guī)模偏小,其成礦的規(guī)?？赡芤财?。漣北凹陷和漣南凹陷以往工作較少,值得進(jìn)一步工作,其中的次凹是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的地方。

3 結(jié)論

(1)淮安鹽盆鹽礦發(fā)育于淮安凸起中,洪澤鹽盆鹽礦發(fā)育于洪澤凹陷中,兩者均發(fā)育于鹽阜坳陷帶中,且均賦存于各自構(gòu)造單元的次凹中,鹽礦區(qū)內(nèi)斷裂不明顯,所處地塊相對(duì)完整。

(2)淮安鹽盆鹽礦和洪澤鹽盆鹽礦雖然發(fā)育于不同的時(shí)期,但均經(jīng)歷了有利于鹽成礦的類似的干旱溫?zé)釟夂颉?/p>

(3)淮安市鹽礦是在白堊紀(jì)至古近紀(jì)漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期,由不定期多期次涌入本區(qū)的海水形成滯留?；蛘邼暫?提供了豐富的鹽礦物源,后經(jīng)干燥氣候蒸發(fā)濃縮,再經(jīng)歷埋藏成礦。

(4)具有類似成礦地質(zhì)條件的管鎮(zhèn)次凹、津里次凹及漣北凹陷和漣南凹陷中的次凹中有鹽礦成礦的可能。

注釋：

① 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院. 淮安市鹽礦地質(zhì)條件與溶腔利用前景綜合研究[R]. 2021.