将今论古是地质学研究中的最基本方法,现有研究报道中,盐湖盆地沉积模式的建立^[1⁃8],多以现代盐湖中的水体分布及沉积特征为依据。然而,现代自然条件下湖盆的咸化、卤水的浓缩、晶体的沉积,往往需要漫长的过程,野外地质调查中观测到的湖盆一般对应盐湖演化的特定阶段^[8⁃9],演化模式是多个阶段拼接之后作出的推断^[10⁃16]。古盐湖的沉积过程中,可能在极度干旱后进入干盐湖阶段,同样也可能随着气候变化、淡水的注入,原先沉积的盐岩被再度溶解^[8⁃9],从而导致部分地质记录的缺失。实验室开展的蒸发实验,可以实现盐岩结晶的动态观测,有效弥补盐湖沉积中丢失的信息。自然界中出露水面的盐岩极易被再度溶蚀,笔者在室内蒸发实验中,记录到部分形成于卤水界面之上的晶体,对不同构造部位、不同晶型的石盐开展描述及分析,可以为盐湖沉积模式、沉积动力研究提供有益的参考。

实验模型在长20 cm、宽14 cm、高16 cm规模的玻璃水槽基础上改造,使用形态保持比较好的泥层对模型地貌进行改造,整体参考东濮凹陷“两凹一隆一斜坡”的构造格局进行模型设计（图1）。模型中间设置隆起带,被其分割开来的是两侧洼陷带,模型右侧对应东濮凹陷东部的兰聊断层下降盘,北侧为减少玻璃边界影响,设置泥层用于隔绝卤水与玻璃接触。实验模型的设计,考虑饱和卤水分布范围对盐沉积位置的影响,以及不饱和水体对早期盐层厚度的溶蚀—再沉积改造,交替使用不饱和卤水（饱和NaCl溶液与自来水1∶1混合溶液）、饱和卤水进行蒸发实验。自卤水注入开始计时,直至模型内溶液完全干涸作为一个蒸发阶段的结束,整组实验设计对应5个阶段,分别使用不饱和卤水（阶段1）、饱和卤水（阶段2）、不饱和卤水（阶段3）、不饱和卤水（阶段4）、饱和卤水（阶段5）进行蒸发实验。

图  1  常温蒸发实验模型示意图

整组于2020年8月11日20∶48注入不饱和卤水开始实验,实验模型安置于实验室内,除短时间通风之外基本处于相对封闭的空间,室内温度为自然温度（介于25 ℃~39 ℃）。室内湿度基本维持在35%左右,靠近卤水界面的湿度数据未曾测试,根据现代湖盆气象数据表明,气水界面附近湿度可以增大至90%以上^[17]。初始水体深度分布如图1所示：初始卤水界面淹没中央隆起带之上0.5 cm左右,西部洼陷带最大水深5.5 cm,东部最大水深5.0 cm,2020年9月25日7:19分最后一个蒸发阶段结束,完成了本次设计的5个实验阶段的全部内容。实验中记录到的盐层厚度迁移结果仍在整理过程中,在此仅报道卤水界面附近的盐岩结晶特征及分析结果。

实验过程中,根据结晶位置及特征差异,结晶可以划分为3种类型：初始饱和卤水界面上部的片状结晶（图2）、初始饱和卤水界面下部漏斗晶+人字晶、卤水界面之上的层状晶体。需要说明的是,实验虽然设计了5个实验阶段,但卤水页面上部结晶特征最为典型的是采用饱和卤水蒸发的2个阶段（分别为阶段2、阶段5,依次对应时间段为8月27日—9月4日、9月16日—9月25日）,重点对如上2个阶段产生的现象进行描述、分析。其中,初始饱和卤水界面上部的片状结晶因长时间暴露在卤水界面之上,早期产生的晶体受潮解作用影响,透明度降低,其后的实验产生的片状结晶叠合在原有晶体之上,从而干扰结晶顺序的判断,故该部分结晶现象的描述采用2020年8月27日—9月4日实验阶段结果。其余两部分晶体（初始饱和卤水界面下部漏斗晶+人字晶、卤水界面之上层状晶体结晶）,在不饱和卤水注入后被重新溶解。最后一个实验阶段（第5阶段：9月16日—9月25日）,能够在保持较大水深条件下结晶,更有助于观察层状结晶对下部卤水的影响、盐层暴露后的持续变形,故该部分现象的描述重点围绕第5阶段开展。

图  2  气水界面上部片状晶体生长特征（比例尺见图1）

初始饱和卤水界面上部的片状结晶,其结晶特征如下（图2）：最早产生的结晶位于初始卤水界面之上,对应模型边缘的浅水区域（图2a）；早期产生的晶体作为晶核,其后产生的片状晶体绕核生长,每天相对高温的午后至傍晚晶体生长速度较快,而夜间结晶速度相应减慢（图2b~f）；石盐可以在非渗透性的玻璃水槽内壁生长,其上部生长界限难以突破模型的上部边缘（图3）；卤水与玻璃之间被泥层隔绝的条件下（对应图3中图片的上端）,上部的片状晶体容易发生脱水变形,早期形成的片状晶容易发生褶皱变形、脱落,而后期产生的片状晶体紧邻玻璃一侧（图3b）。

图  3  片状晶体失水后的变形特征（比例尺见图1）

这部分晶体生长,可以为易溶性蒸发岩结晶动力研究提供参考。前人曾经报道过该部分晶体,但未对其沉积动力进行分析^[18⁃19]。禚喜准等^[20]认为该部分盐岩是蒸发泵作用的产物。实验中采用的蒸发水槽为玻璃材质,其渗透率基本为零,水槽边界不具备毛细管力产生的条件；不可否认,盐岩的晶间空隙具备形成毛细管的可能,但在实验中同时发现片状晶体难以突破模型上缘,如果毛细管力是该部分晶体形成的主要动力,卤水干涸之前毛细管两侧液面无法达到平衡,晶体应该持续生长,且生长至模型上缘的片状晶不具备方向性,应该出现片状晶“溢出”水槽、沿着模型外侧生长的现象（图3b）,事实上该现象并未出现。可见,卤水界面之上出现盐岩反重力向上生长,毛细管力并非该结晶的唯一动力,成因机制需要进一步探讨。

笔者认为不同阶段、不同构造位置结晶沉积的动力可能存在如下差异。

（1） 泥岩毛细管的蒸发泵作用,是影响晶核产生部位的主要因素,浅水蒸发量大、卤水达到过饱和状态的时间更早,对应较早结晶的部位。由于实验中采用饱和氯化钠溶液进行蒸发实验,高温（午后大于35 ℃）、快速蒸发的实验条件下,短时间内产生了晶体沉积,最早析出的晶体绝大部分位于空气—卤水—泥层—玻璃（对应中央隆起,见图2a）、空气—泥层—玻璃界面附近（泥层顶面,见图2a）,另有少量分布在空气—卤水—玻璃界面附近（对应洼陷带,见图2a）。由于卤水大于玻璃和泥层的比热,卤水较浅的中央隆起带附近,浅水升温快、蒸发量大,是造成空气—卤水—泥层—玻璃界面附近石盐率先析出的主要原因。空气—泥层—玻璃界面位于初始饱和卤水水面之上,结晶出的石盐与卤水无直接接触,推测泥层顶面受蒸发泵作用影响,卤水沿着毛细管向上运移,在泥层表面失水后结晶析出,因结晶时间相对充分,可以形成自形结构相对明显的漏斗晶（图4）。

图  4  泥岩表面形成的漏斗晶（比例尺见图1）

（2） 卤水—空气界面之上,水蒸气含量以及湿度差异可能是控制石盐分布范围的主要因素。片状晶体在玻璃容器的内壁上反重力生长,因玻璃不具备毛细管,这部分晶体的生长难以用蒸发泵作用来解释,片状晶体的成因需要结合实验环境进行探讨。实验中玻璃水槽内为空气流通相对局限的环境,内部水蒸气主要来源于卤水的蒸发,靠近水面湿度较大,在距离卤水顶面增大的过程中,空气中的相对湿度逐步降低。片状晶晶核产生之后,下部仍与卤水接触,卤水能够提供晶体生长所需要的钠离子、氯离子。在模型内空气湿度、石盐吸湿特性的影响下^[21⁃23],凝结于晶体表面上的水蒸气溶解部分晶体,形成饱和的氯化钠液态薄膜,而玻璃水槽内壁冷凝的水蒸气与晶体表面的液态薄膜相连,在浓度差作用下,离子以晶核为中心向周边扩散。午后随着室内温度降低,卤水蒸发量降低到一定程度之后,水槽内壁上液态薄膜的蒸发量大于水蒸气的补给量,晶体重新结晶（因昼夜温差存在,蒸发速度存在差异,片状晶体内出现明显的年轮状条纹。以图2b为例,右侧高部位的片状晶体中,明显绕着27日产生的晶核生长,能够清楚看到28日、29日晶体生长规模）。模型中,卤水上部距离水面越近空气湿度越大,与卤水直接接触的玻璃内壁上,晶体生长达到模型上缘以后（对应洼陷带上部,见图2f、图3）,因空气中的水蒸气与周边空气快速交流,空气湿度难以达到氯化钠潮解所需要的相对湿度,晶体停止生长；卤水与玻璃之间被泥层隔绝的条件下（对应图3中图片的上端）,卤水产生的水蒸气一边向上运动,一边向四周湿度较低的部位扩散,从而造成该部位的空气相对湿度,氯化钠仅在低部位结晶,晶体向上生长至一定高度后,因湿度降低、片状晶体脱水并发生褶皱,从模型内壁脱离、剥落（图3b）。午后温度降低的过程中,水槽内壁上凝结的水蒸气向下流动,在片状晶体与玻璃结合部溶解部分氯化钠,并随着温度—湿度变化产生多个变形的片状晶体薄层,从而出现较老的片状晶靠近模型中心、较新的片状晶紧邻水槽的玻璃内壁（图3）。

初始饱和卤水界面下部（水面下降出露部分）漏斗晶与人字晶镶嵌生长：本阶段为使用饱和盐水蒸发实验,初始卤水界面上部的玻璃水槽内壁上布满早期阶段沉积的片状晶体（图5a）。随着卤水的蒸发,气液界面下降,部分卤水界面处形成的漏斗晶粘连在玻璃内壁上（图5b）,脱离卤水界面的漏斗晶仍有生长变大的趋势（图5c）。多个小型漏斗晶作为晶核,后期晶体存在明显的绕核生长特征,沿着同一晶面生长的晶纹平行展布,漏斗晶相邻的两个晶面同时生长,当生长空间受到限制后,开始形成斜交的“人字型”晶纹,人字晶尖端指向生长方向（图5d）,两侧晶纹的斜交部位,表现为弯曲的白色条带,该条带处于早期漏斗晶的对角线上（图5d）。部分晶面的晶体生长空间受限,人字晶两侧规模大小不一,两组晶纹的交叉线略有偏移（图5d）。随着蒸发进行,人字晶生长至一定规模之后,晶体内的条纹结构逐渐模糊（图5e）,新的石盐沉积以片状晶为主。分布于卤水之上的漏斗晶、人字晶仍受卤水蒸发影响,温度较低的凌晨晶体表面受冷凝水汽影响,透明度明显偏低,温度较高、蒸发量较大的午后,呈镶嵌排列的漏斗晶+人字晶条纹相对清晰（图5f）。

图  5  气水界面下部漏斗晶与人字晶镶嵌生长过程（比例尺见图1）

实验记录了漏斗晶—人字晶镶嵌生长的动态过程,可以为不同沉积环境下的盐岩晶型研究提供参考。前人研究一般认为,漏斗晶晶核形成于卤水界面之上^[12⁃15],多个漏斗晶联合可以形成漂浮于卤水界面之上的晶筏,当晶体生长到一定大小之后,在湖面波浪等动力作用下,晶体下沉至湖盆底部,并在卤水底部进一步生长；人字晶是湖盆萎缩至一定程度之后^[10⁃12],多个漏斗晶之间的桥接部分。基于以上认识,部分学者提出漏斗晶（特别是大晶粒漏斗晶）反应的水体深度大于人字晶^[5,7]。依据本次实验结果可以作出如下推断：（1）漏斗晶与人字晶伴生的盐层中,漏斗晶一般形成时间较早,人字晶中斜交的晶纹是绕不同漏斗晶核生长,空间受到限制后的产物；（2）卤水蒸发,漏斗晶产生一定量之后,晶核之间的空间变小,其后必然产生人字晶,而漏斗晶+人字晶的组合可以出现在任何水深环境下,除了前人提出的浅水环境外,还可能出现在水面之上。

在卤水蒸发到一定程度后,卤水之上逐步形成层状晶体,该现象在使用饱和卤水开展蒸发实验（阶段2、阶段5）时更明显,以实验阶段5表现出的特征为例对该现象进行说明（图6）,其特征如下：（1）晶体层出现在卤水过饱和阶段,此时卤水界面上部可见漂浮的漏斗晶,实验中饱和卤水在9月16日13:53注入（图6a）,9月17日下午卤水界面处可以观测到漂浮的漏斗晶（图6b）,对应的卤水边界出现类似水体结冰的层状晶体,泥层上部早期蒸发成因的盐可以作为卤水进一步结晶的晶核,晶体沿着卤水顶面层状生长,由于玻璃水槽内壁存在漏斗晶与人字晶镶嵌生长,推测水上盐层内同样可能捕获漏斗晶；（2）成层分布的晶体从边界向中心逐步生长（图6b~f）,卤水与空气接触面积缩小,实验中9月17日—9月19日,可以观测到层状晶体自边界向卤水中心逐步生长,卤水界面之上的盐层具有较高的透明度；（3）层状晶体出现封锁界面之后,局部晶体层与卤水脱离,盐层与卤水之间混入空气的部位常表现为白色,与卤水接触的部位厚度持续增加,并可能造成水面晶体层的厚度不均；（4）成层晶体并不能完全封闭卤水,常残留气孔（图6e,f）,实验中9月19日卤水之上绝大部分被层状晶体覆盖,仅靠近玻璃水槽内壁,裸露的小范围内卤水界面与空气接触,按照层状晶体的生长速度,9月20日应该实现对卤水界面的全面覆盖,然而9月21日21∶03仍然能够观测到残余气孔（图6f）。水上盐层逐步与卤水脱离,可能是造成气孔无法完全封闭的原因。

图  6  盐层封锁卤水顶面过程（比例尺见图1）

自然条件下,盐湖强烈蒸发,进入干盐湖之前是否经历盐层封锁水面的现象?由于实验设计的水深较小,物理模型与盐湖盆地的相似性,直接决定了实验结果的参考价值。本次实验模型规模较小,考虑边界的影响,盐湖盆地中的小型洼槽经历盐层封锁相对容易理解。自然条件下的大型湖盆受风、水流影响较大,在强水流的影响下,推测该现象仍可能出现,理由如下：（1）观测盐层逐步封锁卤水面,不难发现其过程与水面结冰十分相似。寒冷条件下,面积较小、风浪影响较弱的水面相对容易冰封,而面积较大湖盆,受风浪扰动影响,虽然短时间内难以冰封,但在温度降低到一定程度之后,即便在强水流和大风浪的干扰下,表面仍可以形成较厚的冰层,这点在中国东北地区的河流、湖泊中都可以得到证实。与之相类比,卤水蒸发萎缩至一定阶段后,小型的洼槽可能较早被盐层封锁,而大型盐湖受风浪影响大,水面进一步萎缩,与之相伴随的是湖盆面积减小、水体进一步变浅,边界的盐层逐步向中心封锁,从而出现盐层封锁湖面后,底部仍存在卤水的现象。（2）形成盐层封锁水面的物理模型,具备的深度/宽度比值较大；现代盐湖沉积进入干盐湖阶段之前很少出现盐层封锁,可能是深度/宽度比值较小造成的,但在地质条件下,断陷湖盆的断层切割之后,正断层的下降盘可能形成相对局限且深度较大、宽度有限的水体环境。

盐湖表面一旦形成盐层封锁,可能对以下沉积过程造成干扰。

（1） 盐层封锁水面,会造成卤水蒸发速度降低,浅水条件下漏斗晶同样可以长时间生长,形成大晶粒的漏斗晶。传统认识中,大晶粒漏斗晶需要长时间的生长,浅水蒸发环境下水体快速干涸,石盐晶核与卤水环境脱离后,晶粒停止生长,前期研究以此为依据推断大晶粒漏斗晶沉积时对应深水环境^[7]。实验结果表明（图6,7）卤水顶面层状结晶形成以后,卤水仅在极小范围内与空气接触,蒸发速度明显降低。实验中,层状石盐基本完成水面封锁的时间为9月19日（图6f）,从剖面上看,卤水深度约2 cm（图7a）,9月21日卤水仍有少量蒸发,卤水与盐层基本脱离,中间混入空气（图7b）；9月22日午后记录到的卤水深度降低至0.5 cm（图7c）,随着盐层气孔进一步减小,9月24日早晨记录到的底部卤水的深部没有进一步降低,反而增大到1 cm（图7d）。推测温度较高的午后,蒸发形成的水蒸气向上运动受阻,在盐层底部凝结,早晨温度降低之后,盐层下部空间内的水蒸气冷凝重新聚集于模型底部,从而造成水深不降反升的现象。实验室初始卤水深度较小的情况下,盐层封闭水面后,底部卤水蒸发十分缓慢,早期形成于底部的漏斗晶可以在较长时间内保持与卤水接触,晶体颗粒进一步长大。推测在自然条件下,盐湖表面被盐层封闭后,湖盆可能具备一定的水深,在蒸发速度极为缓慢的情况下,相对孤立的漏斗晶粒径生长,形成2 cm以上漏斗晶,具备可能。总之,大颗粒漏斗晶的存在仅能代表卤水与晶核长时间接触,但不一定指示深水沉积的环境。

图  7  盐层封锁水面对水体蒸发的影响（比例尺见图1）

（2） 盐层封锁水面,可能影响其相邻层位的碎屑岩。一方面,水体表面被盐层封锁之后,卤水底部的有机质缺乏与氧气接触的机会,可能为浅水条件下有机质的保存提供便利,从而出现浅水成盐与暗色页岩互层；另一方面,盐层封锁水面后短时间内形成类似“平底锅”的古地形,携带碎屑物质进入盐湖的不饱和水体,可以将水面盐层再度溶解,原本处于盐层之上的碎屑岩坠落,重新沉积形成相对孤立的砂体。方志雄^[24]在潜江凹陷的研究中,将该部分砂体的成因归结为“盐湖密度流沉积”,并认为是在盐湖水体分层的基础上,携带泥沙的水流沿着盐跃层（温跃层）界面流动产生的。本次实验结果可以为该部分砂体的解释提供一种新思路,而携带泥沙的水流沿着盐层表面流动、溶解后坠落,从而形成相对孤立于沉积体系之外的砂体,整个过程相对更容易实现。

（1） 石盐可以在卤水界面之上沉积,其形成的动力除了蒸发泵作用外,还受空气湿度和石盐潮解共同控制：石盐一般只在潮解的范围内沉积,卤水界面附近空气湿度较大,距离增大后相对湿度逐步降低至石盐潮解的临界湿度之下,晶体向上增长现象终止；这部分晶体的上缘受蒸发量（随着气温变化）、水蒸气补给等因素影响,潮解线下侧一定范围内,湿度较大时片状晶体溶解,湿度降低后晶体表面的溶液重新结晶,湿度进一步降低后晶体发生脱水变形、片状剥落。

（2） 对于同一阶段产生的漏斗晶和人字晶,一般人字晶形成于漏斗晶之后：早期产生的漏斗晶作为晶核,绕着不同漏斗晶核生长的晶纹因发育空间受限,纹层斜交形成“人”字,人字晶中间的斜交条纹沿着早期漏斗晶正方形对角线延展,两种晶型可以同时沉积于水面之上。

（3） 盐湖极度萎缩过程中,在干盐湖演化阶段前,可能经历盐层封锁水面的现象,该现象可以降低湖水蒸发速度,为浅水条件下形成大颗粒漏斗晶提供便利；同时,可能造成湖盆水动力条件发生改变,影响相邻层位碎屑岩的沉积,盐层下侧可以形成浅水岩盐+暗色页岩互层,岩盐上部可能出现相对孤立的砂体,这部分砂体是水上盐层溶解、上部碎屑物质再沉积后产生的。