巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段古盐度恢复及意义

高宏霞，刘晓东，刘平辉*，孟平虹，向 龙，饶耕玮

1. 东华理工大学 地球科学学院，南昌 330013；

2. 核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013；

3. 江西省核工业地质局263大队，吉安 343000

古盐度是古沉积物中水体盐度的真实反映。古盐度的恢复在区分海相和陆相沉积环境、判断水体性质（许璟等，2010）、确定古湖岸线位置（文华国等，2008）、探究区域古海平面相对变化及沉积相展布等古环境特征研究方面提供了重要的地质历史信息，有助于恢复古沉积环境（Amorosi et al.,2009；陈洪德等，2012）。

同时，近期研究古盐度方面的成果表明成岩作用过程中，古盐度的变化对剖面岩性序列，尤其是对粘土矿物的成因及演化有着重要影响（王昌勇等，2014；赵明等，2015；张守鹏等，2016；戴朝成等，2018）。如张守鹏等（2016）对渤海湾盆地地层岩性剖面的研究表明干旱程度、蒸发量与湖水的古盐度值共同决定了岩性剖面呈现泥、灰、云、膏互层序列体征；赵明等（2015）分析新疆塔北隆起的古盐度表明：古盐度对粘土矿物组合特征及其绿泥石成分变化起到一定的制约作用；戴朝成等（2018）对川中地区古盐度分析得出古盐度对伊利石含量、绿泥石成分具有重要影响。因此，古盐度分析在粘土矿物的研究中受到众多学者的进一步关注。而粘土矿物因自愈合性强、渗透率低、对核素的吸附性等众多优点，使得粘土岩/泥岩在高放废物地质处置库备选围岩中优势突出，当前受到有核国家（法国、瑞士、比利时等）的重点关注。特别是法国，从20世纪90年代就对粘土岩/泥岩作为处置高放废物的围岩开展了一系列研究，并且建造了Meuse/Haute-Marn粘土岩/泥岩地下实验室，预计2025年开展第一批高放废物（100吨）深地质处置（潘自强等，2009；Andra，2014）。

中国在粘土岩/泥岩作为高放废物地质处置库的天然屏障方面研究相对滞后，随着中国西北地区粘土岩项目的进行，在内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷实施钻井工程，重点目标层位为下白垩统巴音戈壁组上段（K1b2），其钻遇厚度500多米，为厚层湖相泥岩。课题组前期从物源、矿物组成、力学特征等方面对泥岩特性开展了初步研究（向龙等，2019a；胡海洋，2014；李松倬，2018；饶耕玮等，2018；张耀东，2016），而对湖相泥岩沉积时古盐度状态、古盐度对泥岩中粘土矿物的组合特征有何影响，任然未知。鉴于此，本文采集呈北东—南西向的TZK-1井、TZK-2井泥岩样品，利用元素地球化学特征和X衍射分析结果拟恢复盆地古盐度在湖盆平面及钻孔垂向上的特征及演化，这不仅有利于恢复湖盆古沉积环境，更有助于揭示古盐度对粘土矿物组合特征及演化过程的影响，为处置库选址工作提供古沉积环境依据，对进一步深入研究粘土矿物对核素吸附性能及核素在泥岩中的迁移情况提供数据支撑。

1 区域地质概况

巴音戈壁盆地位于中蒙交界处，呈近东西向（张成勇等，2015）。因格井坳陷所处位置在盆地南部，基本呈北东向展布，约占9000平方公里。坳陷东、南、北缘分别为齿状插入银根坳陷、相邻于巴彦诺尔公隆起、相接宗乃山—沙拉扎山隆起（图1）。因格井坳陷基底为太古界、元古界和古生界的变质岩系。基底发育有二叠系、石炭系等地层。二叠系下部碎屑岩以含钙砾岩、灰岩、硬砂岩、砂质灰岩为主，上部以长石砂岩、粉砂岩及砂质灰岩为主。石炭系上段以大理岩、流纹质凝灰熔岩为主，下段以砂砾岩及碳酸盐岩为主；中段为粉砂岩、凝灰熔岩等变质岩类。盖层主要发育侏罗系、白垩系以及第四系地层。侏罗系以含煤粗碎屑岩为主的沉积地层，岩性以杂色砾岩、砂岩为主，底部发育细砂岩，偶夹砾岩及泥页岩；顶部为深灰色及黑色凝灰岩夹火山角砾岩。白垩系地层是盖层的沉积主体，淤积物大于2200 m。下白垩统发育有银根组、苏宏图组下段和上段、巴音戈壁组下段和上段，上白垩统发育有乌兰苏海组。研究区域巴音戈壁组下段岩性以紫红色砾岩、砂岩为主，偶夹粉砂岩和泥岩；巴音戈壁组上段岩性以灰白色、灰绿色、深灰色泥岩为主，块状结构，层理发育，是高放核废物粘土岩深地质处置的目标层位。

图1 塔木素泥岩预选区地质略图及采样位置（据核工业208队改）Fig. 1 Geological sketch of Tamusu mudstone pre-selected region showing sampling positions

2 样品与实验测试

本文采集样品选自巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段TZK-1井、TZK-2井（井位图1），在详细观察描述TZK-1井、TZK-2井白云质泥岩段岩芯的基础上，垂向上选取TZK-1井450~800 m段、TZK-2井380~800 m段受风化作用及成岩作用影响较小的部分新鲜岩芯。其岩性主要为深灰色块状泥岩，自下而上呈泥岩粉砂岩—泥岩的正韵律特征，且泥岩层厚度较大。巴音戈壁组上段泥岩矿物组成为高岭石、伊利石、方沸石、白云石、长石、黄铁矿及碎屑矿物等。目标层粘土岩产状平缓（岩层倾角＜6°）。共制作薄片50块，观察白云质泥岩微观构造特性；选取15件样品进行扫描电镜测试，观察白云质泥岩主要矿物的晶型结构和微观形态特征；选取其中20件样品作全岩X衍射分析（表1），定量判断白云质泥岩的主要矿物类型及组合。此外，对20件选样开展稀土、微量元素等测定（表2，3）。研究所用样品所有测试按照相应实验标准开展，样品代表性强，数据翔实可靠。其中，扫描电镜和X衍射分析均在“核资源与环境教育部重点实验室”完成，测试仪器分别为FEI捷克有限公司的Nova Nano SEM450发射扫描电子显微镜（配有X-Max20能谱仪）和德国布鲁尔D8 ADVANCE多晶X射线衍射仪。微量及稀土元素在澳实分析检测（广州）有限公司完成，实验仪器分别为电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES），仪器型号Aglilent (美国)；电感耦合等离子体发射质谱仪（ICP-MS），仪器型号Perkin Elmer Elan 9000 （美国）。在系统设定上，检测方法的准确度和精密度（相对偏差和相对误差）均限定＜10（±5）%。

表1 巴音戈壁组上段泥岩X衍射分析数据表（wt%）Table 1 X ray diffraction data of mudstones from the upper section of Bayingebi Formation（wt%）

表2 粘土矿物分析数据及“相当硼”含量和古盐度计算数据Table 2 The elemental data of lacy minerals and the calculated “equivalent boron” content and paleosalinity

表 3 巴音戈壁上段TZK-1井、TZK-2井Sr、Ba、Rb、Ga、K、Na分析数据及Sr/Ba、Rb/K、K+Na、B/Ga数据Table 3 Analytic data of Sr，Ba，Rb，Ga，K，Na and the calculated data of Sr/Ba，Rb/K，K+Na and B/Ga for the borehole TZK-1、TZK-2 from upper section of Bayingebi Formation

3 古盐度恢复

通常可以利用同位素、微量元素、磷酸盐沉积程度等方式还原古盐度。为了充分辨识半咸水环境，常采用沉积磷酸盐法，但常由于成岩作用、粘土成因及含磷酸钙等生物化石影响，导致其分析结果不够准确，失去效力；区别海水与淡水的形成多运用同位素法，如关于海洋的沉积相及其碳酸盐岩的研究。长期以来，学界关于古盐度的测试方法不尽相同，数据的质量和精度也有差别，然而这些本身的误差对研究结果的有效性影响不大。本文主要采用元素比值法及B元素法对沉积环境的古盐度进行判别（表3）。

3.1 Sr丰度和Sr/Ba比值法

在不同沉积环境中化学性质相近的锶和钡，由于受地球化学作用常被分离。自然界中，Ba常以难溶性BaSO4形式沉淀，因此，Ba以化合物形式存在时溶解度低于Sr，多数近岸沉积物中富含Ba。Sr具有强于Ba的迁移能力，常出现在大洋深处。水体盐度偏低时，重碳酸盐形式的Sr、Ba出现，当水体盐度偏大时,水体中的Sr相对Ba趋向富集。当水体的盐度达到一定值时，水体中沉淀的SrSO4会逐渐增加。因此沉积物中的Sr丰度和Sr/Ba比值与古盐度之间存在显著正相关关系,常用来标识古盐度特征(郑荣才和柳梅青，1999）。通过对巴音戈壁组上段TZK-1井、TZK-2井泥岩样品微量元素分析与计算（表3，表4）,发现其样品Sr丰度变化范围偏大，为471×10-6~4120×10-6，均值为1180×10-6；随深度增加其值变化范围为471×10-6~1340×10-6，以TZK-1井482.35 m深处最低，745.9 m深处最高；不同深度样品Sr/Ba值变化范围偏大，为0.75~22.67，均值为5.41；随深度增加Sr丰度和Sr/Ba值呈先升后降的变化趋势（图2）。

表4 古盐度判别指标及样品数据统计Table 4 Paleosalinity discrimination index and sample data statistics

3.2 K+Na法

Na和K是碱金属元素中活性极强的元素,通常均匀分布在水体中,其含量的高低可以用于直接衡量盐度。当为碱性还原环境时，随着水体盐度的增高，伊利石粘土吸附K和Na的能力越强，但Na比K的吸附量要弱。研究区TZK-1、TZK-2井各样品K+Na质量分数变化范围为2.10%~5.72%,平均值为3.96%，K+Na质量分数随着深度增加，其值有一定的波动性，但由于前人没有具体划分标准，一般认为值越大，介质盐度越高。（表3,图2）。

图2 塔木素预选区TZK-1井、TZK-2井古盐度综合柱状图Fig. 2 Comprehensive histogram of paleosalinity of the borehole TZK-1, TZK-2 in the Tamusu pre-selected region

3.3 Rb和Rb/K比值法

K的含量与泥岩中粘土矿物含量尤其是粘土矿物中伊利石的含量存在着很大的关联性。Rb常以悬浮胶体状被运移,当为碱性还原环境时，胶体状的Rb受凝絮效应作用而沉淀，常吸附于粘土和有机质，所以盆地水体的含盐度，直接反应了粘土与有机质对Rb的吸附程度，因此，Rb含量和Rb/K比值能体现环境的盐度改变情况,故将其视为测定沉积环境盐度的指标。研究区TZK-1、TZK-2井各样品Rb丰度变化范围为35.6×10-6～145×10-6，平均值为89.56×10-6；Rb/K比值变化范围为0.0028～0.0072,平均值为0.0048（表3）,显示TZK-1、TZK-2井Rb丰度和Rb/K比值随深度变化呈现一定波动性（图2），用R/K法、K+Na法和Sr/Ba法所得的盐度变化趋势垂向上相似。

3.4 B/Ga比值法

B比Ga的迁移能力要强，通常B富集于湖相中，Ga富集于河流相中，因此B/Ga值常被用来分辨河流相、湖相（王益友等，1979）。在淡水系统中，B和Ga含量都比较低。由于地热系统、海相地层的原生水或者蒸发沉积物会导致淡水系统中B含量异常升高（Bennett et al., 2007）。通常海水中B、Ga含量偏高，B在海水的富集程度与盐度为显著线性相关，含有Ga的矿物溶解度一般较低，一般受海水中的颗粒清扫作用，导致Ga在海水中的浓度一般远低于淡水系统（Degens et al., 1957；Orians and Bruland，1988；McAlister and Orians，2012），因此一般Ga在海相沉积物中的含量比陆相中低，从而常用B/Ga和B含量来分析判别沉积环境（许璟等，2010；刘庆等，2004）。TZK-1、TZK-2井不同深度样品的B/Ga值显示变化范围为2.98~24.10，平均值为8.48（图2）。所得值与Rb/K比值法、K+Na法和Sr/Ba法的垂向变化趋势基本一致。

3.5 硼元素法

B是各地球化学分析方法中容易获得的一种元素，且对盐度的反应比较灵敏，因此，常用来判别盐度。前人众多实验表明，固定溶液中的硼元素容易被粘土矿物吸收，当硼元素被吸附后，后期发生迁移不会随水体化学因素影响而变化，因此，水体中最初的硼元素含量情况可由岩石样品的硼元素表示。计算水体古盐度，可以应用硼元素的相关理论：粘土矿物吸附和硼的固定数量与水体当中硼的含量存在关系，同时发现将水体中硼的数量与盐度作为两个变量，它们之间呈线性函数。将以上理论综合，即是Freundlich adsorption isotherm（Charles and Norman，1963）：

上式，B：实测样品硼的吸收数量（单位为10-6），S：盐度（‰），C1和C2分别为常数，应用粘土矿物和硼求古盐度，依据此方程建立如下古盐度的表达式：

Adamas公式（Adamas et al., 1965），表达式为：

式中古盐度（‰）：Sp，“相当硼”含量质量分数（%）：X，古盐度计算时应折算成×10-3。计算样品主要成分为伊利石的泥岩，通过沃克校正公式（Walker，1968）得出“相当硼”含量：

其中理论上纯伊利石的K2O浓度为8.5，实测样品的值表示为B样品和K2O样品。

Couch（1971）表达式为：

上式，Sp：古盐度（‰），B*：“校正硼”的质量分数（%），求得古盐度时应折算成×10-3。

选取样品的伊利石、高岭石、蒙脱石含量，分别由式中xi、xm、xk表示，系数为各粘土矿物对硼的吸附强弱程度，系数大小表明吸收强弱，该公式在粘土矿物成分比较复杂时比较实用，但成岩作用会影响其计算结果。

实际上，Adamas公式很少涉及到成岩作用，并且关于硼被高岭石、蒙脱石的吸附情况考虑很少。如果用该式计算盐度值，精确度比较低；而Couch表达式不仅适用于变化界限较大的盐度，且涉及到硼在蒙脱石、伊利石、高岭石中的吸收数量，因此，应用此公式可以取得较好的结果（表2）。

经过计算，实验样品中硼元素含量变化范围为51.0×10-6~253.0×10-6。粘土矿物以伊利石/云母和伊利石/蒙脱石粘土为主，粘土矿物经过校正后其含量见表2。研究区目的层的粘土矿物多而杂，伊利石校正后平均含量在粘土矿物中偏高，符合Couch表达式的使用条件，运用Couch公式得出研究区目的层古盐度为5.25‰~20.25‰，均值为11.10‰。同样显示研究区TZK-1、TZK-2井古盐度随深度的变化趋势（图2）。以Walkers（1968）相当硼含量划分，研究区TZK-1、TZK-2井B含量变化范围是43×10-6～253×10-6，平均值为112.8×10-6。所得值与Rb/K比值法、K+Na法、Sr/Ba比值法和B/Ga比值法的垂向变化趋势基本一致。

4 沉积环境古盐度判别

研究区TZK-1、TZK-2井沉积环境的古盐度通过不同方法测定，其结果显示如下特征:

（1）Sr丰度、Sr/Ba比值作为沉积环境的判别标志（Amorosi et al., 2009），研究区泥岩样品的Sr丰度值除一个TZK-1井745.9 m为4120×10-6数值偏大,显示咸水迹象（表4，图3e，f），其余Sr值471×10-6~1935×10-6均落在了半咸水和咸水区域。TZK-2泥岩样品中Sr/Ba比值在655.3 m处为偏大22.66，其余平均值在0.75~11.45之间,均在咸水区域内。

（2）随着沉积时水体含盐度的变化，泥岩样品中Rb/K的比值也发生了相应的变化。研究区泥岩样品的Rb/K均值范围为0.0028~0.00072,显示为半咸水沉积环境（表4）。

（3）K+Na质量分数随深度变化有所波动，但总体数值比较大,表明沉积环境整体偏咸（图3g）。但其数据随深度变化趋势与Couch公式计算的结果存在不一致,可能由于所取全岩样品参与分析的数据中包含有不具古盐度指示意义的长石（钾、钠长石，其含量超过30%）（表2）。因此，样品的K+Na质量分数不能直接作为判别古盐度的标志。

（4）研究区样品的B/Ga值集中在2.98~9.89之间，部分样品的比值超过10（表2），指示巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段在为咸水、半咸水沉积环境，这可能与沉积体系的演化存在一定的关系。

（5）与以上判别古盐度的定性方法相比，要定量分析古盐度的硼元素法，目前Couch公式是沉积环境计算古盐度的最可行方法之一，其计算结果得出，研究区TZK-1、TZK-2井古盐度变化区间为5.25‰~20.25‰，均值11.10‰，属于半咸水沉积环境（陶晓风和吴德超，2007），部分为微咸水沉积环境。

（6）通过Sr/Ba、K+Na质量分数、Rb/K 、B/Ga、B与古盐度相关性分析，发现Couch公式得出的古盐度值与B相关性显著，达到0.9895，因其根据B含量计算，故不能直接表征古盐度可信度（图3a）；与B/Ga、Rb/K的相关系数分别为0.8639、0.8484（图3b，c）；与K+Na质量分数的相关系数为0.8275（图3d）；与Sr/Ba的相关性较低，其值为0.3491（图3e）；除Sr/Ba比值、K+Na质量分数外均显示与TZK-1井、TZK-2井古盐度变化趋势的相似性（图2），进一步验证了利用Couch公式得出的巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段古盐度的可靠性。

图3 沉积物中B和Ga、Sr和Ba含量及Sr/Ba、Rb/K、B/Ga和w(K+Na)比值与盐度关系图Fig. 3 The relation between paleo-salinity and B content, Sr/Ba, Rb/K, B/Ga and w(K+Na) content of the pre-selected region

（7）研究区泥岩样品硼含量、“相当硼”含量及古盐度分析结果显示巴音戈壁组上段为半咸水的沉积环境，而Sr/Ba值与古盐度的相关性偏低，指示其沉积相为超咸环境。由于巴音戈壁盆地地质条件复杂，而古环境是又一个开放的系统，故各个划分标准范围仅作为一定的参考，通过Ga-B-Rb微量元素三角图（大森昌卫等，1980；李智超等，2015），根据大环境上分析，其为半咸水—咸水环境，局部水体盐度值较高（图4），与上述的硼含量、“相当硼”含量及古盐度分析结果相对一致。另外图4中亦有部分数据显示在淡水环境区，可能由于Ga在风化作用形成的黏土矿会明显富集，Ga在岩石中淡水成因较海洋条件下形成的含量高（许璟等，2010；刘庆等，2004）。故该比值反映的盐度可以更好的用来区分海陆相地层，而对于湖湘沉积环境的古盐度判别可能存在一定偏差。

图4 Ga-B-Rb 含量三角关系图解Fig. 4 Triangle of gallium，boron，rubidium content

5 结果分析讨论

5.1 沉积学特征

5.1.1 沉积构造

沉积岩构造特征是判断岩石形成时期水动力条件强弱的重要手段，是记录沉积环境特征的重要载体，分析沉积构造特征已成为正确划分沉积相的重要工具（刘宗堡等，2008；Pan et al., 2013）。依据预选区钻孔目的层岩心精细编录，发现其构造为层理构造、变形构造和生物构造。预选区目的层泥岩主要为块状层理，也见水平层理，反映了水动力相对条件较弱且稳定的低能环境；交错层理及平行层理在水动力较强的分流河道或者席状砂微相之中（图5a，c）。同时，在多个河道底部见冲刷层面构造（图5a），反映高能水体沉积时对相对低能水体中沉积物的冲刷作用。在预选区目的层由于差异压实作用，可见火焰构造，反映出三角洲平原的沉积环境特征。同时，由于原生层理的变形作用，也见包卷层理，反映了三角洲前缘分流间湾微相沉积特征（图5b）。预选目的层深灰色泥岩中可见植物根系化石；同时在目的层建组剖面（巴隆乌拉山剖面）中也能发现植物根系化石（图5d，e）。

图5 预选区（ZKH104-40井）目的层典型沉积构造特征Fig. 5 Typical sedimentary structural characteristics of the target layer in the pre-selected region（ZKH104-40）

5.1.2 沉积微相特征

经过对研究区白垩系巴音戈壁组上段沉积系分析（图6），发现其主要沉积期为扇三角洲相和湖相沉积。因沉积体系内众多不同拗陷和断陷类型的存在，从而对湖盆地的沉积充填过程产生了不同的影响，进而表现出复杂多样沉积体系。通过岩心选样辨识巴音戈壁组上段的沉积环境与沉积体系，发现沉积期内可能空气比较湿润、降水较丰沛，沉积碎屑物基本为灰色，可以看出沼泽相转为湖相，湖盆地范围迅速扩大，流水的搬运作用明显加强。并且该区域辫状三角洲沉积分布比较广；湖相沉积发育也非常好。研究区K1b2-1沉积期，深湖相展布大于200 km2，分布最广。地层厚度超过300 m，产状平坦，倾斜度很小。

图6 巴音戈壁组上段泥岩钻孔岩心照片Fig. 6 Rock core photos of mudstone drilling in upper section of Bayingobi formation

5.1.3 沉积相展布

通过对研究区巴音戈壁组野外实地勘察和岩心取样分析，发现此地段沉积环境以扇三角洲—湖泊沉积环境模式为主（图7）。该盆地坳陷沉降均有平稳出现，沉积模式变化明显。早白垩世时期，燕山Ⅲ幕构造运动强烈，沉积盆地逐渐坳陷沉降，不断发育为湖相沉积，泥砂碎屑物质从物源区被携带、迅速搬运，并在附近沉积，最终成为扇三角洲沉降带。隆起作用在宗乃山—沙拉扎山继续加强，沉积物产生进积作用，湖盆进一步迁移且缩小。

图7 巴音戈壁组沉积模式图（改自李松倬，2018）Fig. 7 The Sedimentary pattern map in Bayingebi Formation

由于巴音戈壁盆地在早白垩世处于拉分盆地全面发展阶段，预选区所处的因格井坳陷沉降迅速，远大于沉积速度，此时湖盆厚层泥岩沉积面积最大，且湖盆长轴呈北东—南西方向展布，区内相对深的钻孔TZK-1井、TZK-2井均钻遇该套泥岩。此时扇三角洲沉积范围较小，仅在盆缘靠近物源区的北西、南东方向沉积物受河流作用泥砂沉积显著，呈狭窄的长条形形态展布于湖盆边缘，且北西方向河道以砂砾岩及砂岩为主，表明沉积物具有快速堆积特征，推测为湖盆陡坡带。在K1b2-2岩性段，预选区目的层河流作用明显增强，发育扇三角洲相和湖相沉积（图8b）。同K1b2-1岩性段相比（图8a），北东、北西方向湖相泥岩范围缩小，向TZK-2井收缩。而扇三角洲相沉积作用显著，沉积范围向湖盆扩近，狭窄的长条形形态增宽。K1b2-3岩性段，受早白垩世晚期盆地差异抬升作用，预选区目的层同样发育扇三角洲相和湖相（图8c）。湖相以浅湖为主，湖盆面积逐渐缩小，扇三角洲前缘范围扩大。

图8 预选区目的层沉积相平面图Fig. 8 Sedimentary facies plan view of the target layer in the pre-selected region

前人研究表明，巴音戈壁盆地研究区巴音戈壁组地层以碎屑岩为主，由扇三角洲—湖泊沉积环境形成。研究区西南、东北部以扇三角洲平原及前缘亚相为主，中部是湖相。初期湖盆面积最大，大于200 km2，后逐渐收缩，气候也由温暖潮湿转变为炎热干燥（向龙等，2019b）。

5.2 泥岩粘土矿物组成特征

成岩作用过程中，粘土矿物的形成受古盐度影响。一般盐度越高，越利于粘土矿物的演化。巴音戈壁组目的层岩性结构为泥粉质，发育较好的矿物粘土有伊利石、蒙脱石。TZK-1井、TZK-2井古盐度具有随深度增加升高—降低特点，与伊利石含量的变化一致。这种现象可能是因为古盐度的增高有益于蒙脱石转化为伊利石，进而对粘土矿物的形成演化有利（戴朝成等，2018）。

通过对预选区目的层TZK-1井和TZK-2井岩心泥岩结构特征开展系统研究。发现两口钻孔岩心固结程度上段泥岩均以暗灰色为主，有机质含量较高；巴音戈壁组上段（K1b2）下部泥岩均以浅灰色为主。泥岩岩心标本总体均一性、固结度良好，结构精致紧密。粘土矿物主要是伊利石、高岭石等。

研究区巴音戈壁组上段泥岩样品，结合XRD含量与扫描电子显微镜（SEM）微观形貌特征分析可知（图9），该段泥岩的粘土矿物来源为自生粘土矿物和陆源碎屑，其间蒙脱石和伊利石均分布于颗粒表面，伊利石大多表现为羽毛状，有时分布于颗粒间并以粘土桥的形式存在；蒙脱石多为棉絮状。通过分析X衍射数据和各深度样品发现，当埋深不断增加时，成岩作用会逐渐增强，伊利石含量随之会逐步上升，而蒙脱石含量则不同。由此可见微观形貌特征可检验实验获得的XRD数据，并发现该段泥岩伊利石、蒙脱石、伊蒙混层发育较好，绿泥石和高岭石极少。

5.3 古盐度演化

沉积环境不同时，根据Rb/K、K+Na、Sr/Ba和B/Ga等古盐度判别指标充分说明湖泊水体总体盐度偏高，为咸湖沉积。在此环境下，TZK-2井上部岩性段岩心中发育的石膏应是由此产生。在巴音戈壁组上段，Rb/K、K+Na、Sr/Ba、B/Ga值指示在垂向上古盐度波动明显，目标层下部比值主要表现为先增大再减小的趋势。表明目的层岩性段中部相对于下部沉积气候更为干旱，即沉积晚期古气候干旱程度更强，指示目的层中下部（深约450 m左右）古气候存在干湿变换。垂向上在450 m和550 m至650 m处存在明显波动（图2），进一步指示目的层中、下部存在干湿转换的古气候。而后者波动幅度较大，显示在下部岩性段（K1b2-1）干热环境下可能产生过较强的湿冷周期沉积。另外向龙等（2019b）依据氧化还原敏感微量元素（如U、V等）在沉积环境中的化学行为特征，发现在垂向变化上，目的层中部和下部（K1b2-1）界面（约450 m处）存在还原—氧化界面，约550~600 m处为氧化—还原界面，这可能是气候在当时异常干旱的响应。由此可见，干燥炎热不断增强的条件下，目的层上部有古盐度随之增大的特点，同时中部和下部盐度也随之发生变化。该古盐度变化与古气候及氧化还原研究在该岩性段部位耦合。

图 9 扫描电镜下塔木素巴音戈壁组上段泥岩的矿物特征Fig. 9 Mineral characteristics of mudstones in the upper segment of the Bayingebi group in Tamusu basin by scanning electron microscopy

水体咸度通常认为是受海水影响或干旱气候水体蒸发结果。塔木素所在区域巴音戈壁组上段，并没有发现煤线或可采煤层，说明该段沉积时期为半干旱的气候背景。巴音戈壁组上段中出现的钙质泥岩和部分泥灰岩和薄层石膏纹层，也说明了当时气候为半干旱，湖盆水出现浓缩的现象。从早白垩世末期开始，气候开始出现干旱，目的层巴音戈壁组上段上覆地层乌兰苏海组为一套干旱环境下的冲洪积和河流相沉积，颜色为黄色、奶黄色或赤色，其中不含炭屑等有机质。其后进入新生代，干旱极端的条件继续维持，并出现了沙漠化，地表几乎无植被。

根据，陶晓风和吴德超（2007）对古盐度的分类，巴音戈壁上段水体计算所得古盐度介于5.25%~20.25%之间，平均值为11.02%，表明其水体以半咸水为主、局部为微咸水。结合前文沉积相的研究，因此本研究计算所得古盐度反映的是半干旱气候下湖盆不断萎缩下水体不断咸化的一个反映。

5.4 古盐度对深地质处置的影响

蒙脱石经过发展变化成为伊利石在泥岩中非常普遍。然而经过大量研究发现，阻滞放射性核素的效果，蒙脱石比伊利石明显强（李清梅，2015）。在处置环境中，巴音戈壁组泥岩作为处置库围岩，伊利石的逐渐增加在阻滞核素迁移方面存在不利因素。然而，当前有关此方面产生的影响仍未知。因此，今后需深入研究蒙脱石向伊利石转化及古盐度变化情况对核素迁移行为、高放废物处置库围岩选择的影响（向龙等，2018）以更精确地、更顺利的展开处置库围岩方面的安全评价。

6 结论

文中通过对巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段不同深度泥岩的微量元素测试及粘土矿物组分等分析，讨论了微量元素及其比值在垂向上的变化规律，并结合沉积学宏观方面的特征，得出以下几点结论。

（1）研究区巴音戈壁组上段沉积碎屑物基本为灰色，以半深湖—深湖沉积环境为主，发育厚层深灰色泥岩，以块状为主，偶见水平层理。随着河流作用增强，沉积物供给量增加，扇三角洲前缘发育，湖盆面积缩小，发育半深湖沉积环境。以半深湖至深湖相沉积为主，湖盆面积继续缩小，扇三角洲平原沉积面积增大。

（2）研究区目的层岩性结构为泥粉质，该段泥岩伊利石、蒙脱石、伊蒙混层发育较好，绿泥石和高岭石极少，粘土矿物主要为伊利石、蒙脱石。

（3）使用Couch公式所得内蒙古巴音戈壁盆地巴音戈壁组上段古盐度的恢复值，分析发现其盐度值为5.25‰~20.25‰，均值为11.10‰。选取样品的Sr/Ba、Rb/K、B/Ga、Na+K值同古盐度变化趋向相似，表明Couch表达式所得值基本符合湖水的盐度变化特征，且结果可信度较高。巴音戈壁组上段不同深度各层位的古盐度变化有一定的规律性。TZK-2井古盐度随深度增加逐渐下降，且半咸水逐步发展成为微咸水。TZK-1井古盐度总体偏高，表现出半咸水特征。该古盐度变化与古气候及氧化还原的相关研究在该岩性段部位耦合。

（4）随着古盐度的增加，蒙脱石向伊利石有逐步转化的趋势，从而导致目的层伊利石含量与古盐度变化情况相似。因此，为后期深入研究粘土矿物对核素吸附性能及核素在泥岩中的迁移情况提供一定依据。