狼山东南麓台地中的粘土矿物及其对古环境的指示意义1Word文件下载.docx

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英文摘要Ⅱ

第一章绪论1

第二章研究区区域概况2

2.1自然地理概况3

2.2区域地质概况4

2.3研究区地层概况4

2.3.1吉兰泰次级凹陷区S32剖面4

2.3.2狼山东南麓台地LS剖面4

第三章研究材料与方法5

3.1研究材料5

3.2研究方法5

3.2.1粘土矿物的分离5

3.2.2粘土矿物含量及成分分析6

3.2.3粘土矿物的结晶度8

第四章数据分析与讨论8

4.1粘土矿物的含量9

4.2粘土矿物的组成9

4.3伊利石结晶度的指示意义14

第五章区域古环境意义15

5.1吉兰泰次级凹陷区15

5.2磴口次级隆起区16

5.3对吉兰泰盆地环境格局的指示16

第六章初步结论与展望16

6.1结论16

6.2问题与展望17

参考文献17

图表索引19

第一章绪论

吉兰泰地区位于阿拉善高原东北边缘，构造上属于河套断陷盆地的一部分，现代属于温带荒漠区。

气候干旱，降雨稀少，不仅受西风环流作用，还受到季风作用的影响。

因此，吉兰泰盆地古环境对于理解河套地区环境演化以及阿拉善干旱荒漠高原等形成演化有重要意义。

陈发虎等（2008）通过野外地质考察、观察探坑剖面以及分析遥感影像，在吉兰泰盐湖周围发现4道高湖面古湖堤岸残留的地质地貌证据，结合湖相沉积剖面资料以及光释光测年的结果认为在距今5-6万年前曾有一覆盖吉兰泰和河套平原大部分地区的“吉兰泰-河套”古大湖。

魏国孝（2011）通过古大湖沉积物的相关信息以及对“吉兰泰-河套”古大湖的水源的研究，以古大湖水量平衡和锶平衡及流域水文模型SWAT相耦合的方法确定了古大湖存在的可能性。

杨丽萍（2008）通过利用现代遥感技术以及对多源遥感影像数据的分析重建了古大湖在不同时期的空间信息，通过区域对比发现古大湖的高湖面记录与青藏高原区的“泛湖面”以及古里雅冰芯、深海氧同位素等记录具有非常好的一致性。

范育新（2008）对吉兰泰周围不同类型的古湖堤岸和湖滨沉积进行了深入研究，结合湖岸线的OSL测年结果以及与古大湖有关的典型湖相沉积地层初步确立了古大湖的年代框架。

春喜（2008）通过1080m湖岸堤沉积物的OSL测年，确认了在MIS3阶段的6Ma前后发育有古大湖，并根据贺日木西尼湖岸堤高程以及分布特征推断此时“吉兰泰-河套”古大湖与河套古湖有水源联系。

此外，前人做了大量工作论证了在晚第四纪时期，在河套地区有湖相沉积，通过前人的共同研究成果可以证实在6万年前吉兰泰盆地存在古湖泊。

吉兰泰-河套盆地由4大凹陷和三大隆起区组成，而当前发现的“吉兰泰-河套”古大湖的存在证据主要来自于吉兰泰次级凹陷、呼包凹陷以及西山咀凸起区。

磴口次级隆起区处于吉兰泰盆地的内部，能够敏感指示古大湖湖面的升降变化，然而目前尚未发现湖泊发育的证据，因此有必要在磴口次级隆起区寻找湖泊发育的证据。

因此，本文在磴口次级隆起区边缘的狼山山前开展研究工作，寻找湖相沉积地层证据。

通过采集相关样品，根据粘土矿物沉积记录，包括粘土矿物的含量、种类组合以及伊利石的结晶度，综合分析吉兰泰盆地在中-晚更新世的环境格局。

第二章研究区区域概况

2.1自然地理概况

吉兰泰盆地（N39°

35′-40°

0′,E105°

30′-105°

50′）位于阿拉善高原东部的阿拉善盟阿拉善左旗北部吉兰泰镇。

盆地东接乌兰布和沙漠，西南为腾格里沙漠，西北为巴音乌拉山，东南为贺兰山，东北与河套平原相望。

吉兰泰盆地今属于典型的温带大陆性荒漠气候，具有干旱少雨，蒸发量远大于降雨量，夏季炎热，冬季寒冷，日、年温差较大，风沙大的气候特点。

据吉兰泰1955-2000年资料统计，多年来该地区平均降水量仅达107.8mm，最低仅有55.4mm。

降雨集中在夏季，年蒸发量为降雨量的27倍。

该地区多年来平均气温为8.6℃，最高气温为40.9℃，最低气温为-31℃（郝贵明等，2013）。

该地区夏季西南风盛行，冬季为西北风，风力一般为4-5级，年平均风速约3m/s，最大风速约17m/s。

位于吉兰泰盆地中部的吉兰泰盐湖，是我国重要的湖盐生产基地，早在汉元狩四年（公元前119年）即开始开采，至今已有2000年的开发历史，是内蒙最大的食盐湖。

盐类矿物以石盐为主，其次为芒硝和石膏。

（魏国孝，2011；

宁夏计委地质局，1976；

庞西磊，2009）

从大的地貌来看，吉兰泰盆地西南与青藏高原相接，东南为黄土高原，北邻内蒙古高原，东与鄂尔多斯高原隔黄河而相望，整体海拔高度处于1023-1100m之间。

由于受到高原隆升与剥蚀、盆地下陷与堆积作用等构造与外力作用的影响，吉兰泰盆地西高东低，向东北方向倾斜，地貌按其形态特征可划分为侵蚀基岩山地、山前倾斜平原、古湖积平原和沙漠带、湖积盐沼平原及干盐滩等4个单元（耿侃等，1989）。

磴口次级隆起区位于吉兰泰盆地东北缘，其大部分地区现已被乌兰布和沙漠所覆盖，现今黄河流经盆地东南缘。

图2-1磴口次级隆起区概况及剖面点位置图（据Chenetal.,2008修改）

2.2区域地质概况

吉兰泰盆地是在中、新生代形成的断陷盆地，处于河套-吉兰泰盆地的西南方向，整体走向NE-SW。

盆地西北方向是巴彦乌拉山，东南方向是贺兰山北段，黄河位于盆地东北处，西南为腾格里沙漠。

盆地处于鄂尔多斯隆起西北边缘、阿拉善隆起、阴山隆起与贺兰山隆起之间，自西北向东南方向由巴彦乌拉山隆起带、吉兰泰沉降带和贺兰山隆起带三个大的构造地貌单元组成（刘兴起等，2002）。

吉兰泰盆地构造运动较活跃，在上新世末的喜马拉雅运动Ⅲ中，鄂尔多斯块体的西北缘受到了强烈挤压作用而使得吉兰泰盆地西北边界发生了断裂。

第四纪时期继承了第三纪末的地质格局，断陷带强烈下陷，而断陷外围贺兰山强烈隆起，基本造就现今的地貌格局（国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）。

磴口次级隆起区位于吉兰泰盆地东北部边缘，近东西向分布，是银川-河套断陷的转折部位，连接着吉兰泰次级坳陷与临河次级坳陷。

该隆起区由于受到北东向的狼山山前断裂的控制，构造运动十分强烈，地震活动频繁。

（国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988）。

狼山山脉位于内蒙古巴彦淖尔市境内，整体走向为NE-SW，是阴山山脉的最西端（曹刚，2001）。

研究区位于磴口次级隆起区内的狼山山脉西段东南麓山前地带（图2-1），山体主要由变质岩以及以不整合接触覆于其上的红色砂岩组成，山麓可见有断层构造，有红色砂岩出露，山前台地由第四纪河湖相黄绿色细粉砂与砂砾岩互层、冲洪积砾石层以及坡积砂砾石层组成。

2.3研究区地层概况

吉兰泰盆地东北部和东南部已被沙漠覆盖，地层出露不好，但盆地西岸以及磴口次级隆起区地层出露较好，因此本文的野外勘察工作选择在磴口次级隆起区内的狼山东南麓台地以及吉兰泰盆地西岸进行。

2.3.1吉兰泰次级凹陷区S32剖面

S32剖面位于吉兰泰盆地西岸，吉兰泰次级凹陷区内，是保存完整的典型的湖相沉积剖面，主要由灰绿色砂质粘土组成。

从老到新简介如下：

2.灰绿色粉砂质粘土，发育有水平层理，有细砂层夹层1.5-6.3m

1.湖滩岩沉积浅红色砂砾石层，上部有砾石和碳酸钙胶结体0-1.5m

2.3.2狼山东南麓台地LS剖面

LS剖面位于磴口次级隆起区西部的狼山东南麓台地上，是一套完整的湖相沉积剖面，地层结构相同，层厚稳定。

层系上部发育有两个小型湖相台地LS-1和LS-2，出露有灰绿色湖相粉砂质粘土层，上覆有冲洪积砾石层。

从老到新如下：

台地LS-1：

4.含砾砂层>

4.5m

3.浅灰色钙质胶结砂岩层4-4.05m

2.青灰色粉砂质粘土岩层1-4m

1.冲洪积砂砾岩层，砾石分选差，磨圆差0-1m

台地LS-2剖面：

6.砾石层>

1.45m

5.灰白色含砾中-粗砂岩层1.25-1.45m

4.灰白色中-粗砂岩层1-1.25m

3.灰绿色粉砂质粘土层0.6-1m

2.砾石质中-粗砂岩层0.2-0.6m

1.冲洪积砾石层0-0.2m

LS剖面：

4.棕黄色风成细砂层14.45-15.35m

3.灰黄色粉砂与灰绿色粘土细层相间构成的韵律层理7.9-14.45m

2.灰黄色细砂与湖滨砂质细砾岩的互层6.4-7.9m

3.灰绿色粉砂质粘土层0.75-6.4m

2.灰黄色细砂岩0.1-0.75m

1.冲洪积砾石层0-0.1m

第三章研究材料和方法

3.1研究材料

本文的研究材料是采自于S32剖面和LS两个剖面的共计24个粘土样品。

3.2研究方法

3.2.1粘土矿物的分离

粘土矿物的分离提纯是在兰州大学地质科学与矿产资源学院实验室完成的，具体操作步骤如下：

1.称取样品：

称取30-40g的粘土样品加入到1000ml的烧杯中。

2.去除有机质：

先将200ml的蒸馏水加入到烧杯中，再将200ml的30%的双氧水加入到烧杯中，然后在恒温箱内加热至无气泡产生并蒸干，温度不能高于60℃。

3.去除碳酸盐：

向已蒸干的烧杯中加入400ml的10%的稀盐酸，放到温度不高于60℃的恒温箱中加热3小时，使其充分反应。

4.洗酸：

将已加热过的样品静置24小时以上，然后将上清液抽掉，再向样品中加入蒸馏水并静置8小时以上直至上部液体清澈，然后再将上清液抽掉，重复进行直到样品为中性。

5.粘土矿物的分离：

向样品中加入50ml的2%的六偏磷酸钠溶液，进行超声波震荡，30分钟后静置，然后再向其中加入蒸馏水并进行充分搅拌，待液面平静后根据Stokes法则得出的不同温度粘土级矿物沉降10cm所耗费的时间抽取液面下10cm的溶液，抽取之后再重新向其中加入蒸馏水并进行搅拌以及抽取，直到液面下10cm的溶液平静后变为澄清。

向抽取出含有＜2μm矿物的溶液加入稀盐酸并进行絮凝，然后加入适量的连二亚硫酸钠以去除非晶态的氧化铁，再用蒸馏水清洗至中性后烘干并称重。

含有＞2μm粒度矿物的溶液直接烘干称重。

3.2.2粘土矿物含量及成分分析

本文对已分离提取出的<

2μm的粘土矿物进行了X射线衍射分析即XRD分析。

X射线是一种电磁波，波长介于紫外线和γ射线之间，穿透力很强。

当X射线照射到粘土矿物的晶格中时，会发生衍射，而不同的粘土矿物的晶格结构有差异，因此产生的衍射图谱也会明显不同。

X射线衍射分析就是利用粘土矿物之间晶格结构的差异，结合X射线衍射原理得到样品中粘土矿物的d值、强度和峰形等特征，然后与标准粘土矿物的衍射图谱进行对比以此来判断粘土矿物的类型从而进行定性分析。

根据各种粘土矿物的衍射峰强度可以计算粘土矿物的相对百分含量，从而可以对粘土矿物进行定量分析（蒲海波，2011；

张荣科，2003）。

本次粘土矿物的X射线衍射分析是在国家海洋局第二海洋研究所进行的，采用的仪器为荷兰帕纳科X’pertMPDPro射线衍射分析仪及其配套设备，分别进行了自然风干片分析、乙二醇饱和片分析、300℃高温片分析和500℃高温片分析等四种X射线衍射分析实验。

实验条件和主要参数如下：

工作电压：

40kV；

工作电流：

40mA；

射线管阳极为铜靶（Cu/K-alpha1），波长：

1.54056Å

；

采样步宽：

0.02°

（2θ）；

扫描步长：

0.01671°

/步；

扫描速度：

69.85s/步（2.4°

/min）；

扫描角度：

3°

～35°

（2θ）。

样片制备方法如下：

1.自然风干片：

用刮片法将已提纯的粘土样品制作成薄片，让其自然风干。

制作时样品需要搅拌均匀，涂层的厚度约0.1m，样品表面需平整光滑，结块的粘土颗粒应尽量研碎，防止测量时改变衍射角度而影响结果。

2.乙二醇饱和片：

把测量后的自然风干片放入40℃-50℃的恒温箱中，为使其充分饱和应放置36小时以上，测量时应逐个测量以防止乙二醇挥发，其余的待测样品需放入乙二醇饱和的密闭容器中。

3.300℃高温片：

将已测量过的乙二醇饱和片加热到300℃并保持恒温，2小时让其自然冷却到常温并进行测量。

4.550℃高温片：

将已测量过的300℃高温片加热到500℃并保持恒温，2小时后让其自然冷却到常温并进行测量。

代表性样品LS-11的X射线衍射图如图3-6所示，通过其中d值出现的位置的差异，可以判断出粘土矿物的种类。

自然片衍射图谱上14Å

处峰为绿泥石或蒙脱石，10Å

处峰为伊利石，7Å

处峰为绿泥石和高岭石，3.58Å

处峰为高岭石，3.54Å

处峰为绿泥石；

乙二醇饱和片衍射图谱上17Å

处峰为蒙脱石，14Å

高温片衍射图谱上3.54Å

处峰增强，7Å

、3.58Å

处峰消失表明存在高岭石（彭淑贞，2007）。

本次实验采用Biscaye（1965）方法进行粘土矿物的半定量计量。

先将乙二醇饱和片的图谱上蒙脱石（17Å

）、伊利石（10Å

）、绿泥石（7Å

）+高岭石（7Å

）等4种矿物的半峰宽分别乘以衍射峰高分别得出峰面积，记录并进行计算。

然后确定各粘土矿物的权因子，蒙脱石的权因子为1，伊利石的权因子为4，绿泥石与高岭石之和的权因子为2，高岭石与绿泥石之间的含量比例K通过计算25℃（2θ）左右3.5Å

处附近的衍射峰高比值求得。

采用的计算式如公式（1-5）所示，式中A1代表蒙脱石峰面积，A2代表伊利石峰面积，A3代表高岭石与绿泥石峰面积之和，W1代表蒙脱石的百分含量，W2代表伊利石的百分含量，K代表高岭石与绿泥石峰高（3.5Å

）之比，W3代表绿泥石的百分含量，W4代表高岭石的百分含量。

通过计算分别得出LS剖面及S32剖面样品中>

2μm碎屑级组分和<

2μm粘土组分在样品中的百分含量以及各种粘土矿物（蒙脱石、伊利石、绿泥石及高岭石）在<

2μm的粘土组分中的百分含量（表5，6及图3-7，3-8）。

A=A1+4A2+2A3

（1）

W1=A1/A*100%

（2）

W2=4A2/A*100%（3）

W3=2A3/A*1/（K+1）*100%（4）

W4=2A3/A*K/（K+1）*100%（5）

图3-2代表性样品LS-11粘土矿物X射线衍射图

（a）为550℃高温片；

（b）为300℃高温片；

（c）为自然定向片；

（d）为乙二醇饱和片

3.2.3粘土矿物的结晶度

粘土矿物中，伊利石的结晶度备受研究着的注意，它反映了伊利石的晶畴大小和结构膨胀的程度（Chamley，1989）。

伊利石在风化过程中，如果伊利石晶层间K+脱落的越多，说明伊利石的结晶度越差，以此可以通过伊利石的结晶度来判断伊利石在源区当时的气候环境下的水解程度，伊利石在化学风化作用下容易发生分解，主要与降水量和温度有关，源区气候较干燥寒冷时，伊利石的结晶度较高，当源区气候较温暖潮湿时，伊利石的结晶度较低（洪汉烈，2010）。

当降雨量大，温度较高时，矿物易发生强烈水解而形成开放结构，而使得矿物的结晶度变差，当处于干旱环境下时，矿物不易发生水解，矿物的结晶程度高。

伊利石的结晶度采用Kü

bler指数，通过测定XRD图谱上伊利石1.0nm衍射峰的半高宽（Δ2θ）来指示。

如果该反射峰的峰形窄且对称性好，则代表伊利石的结晶度高，如果该反射峰的峰形宽且对称性差，则代表伊利石的结晶度差。

第四章数据分析与讨论

4.1粘土矿物的含量

根据粘土矿物的分离提纯结果显示，吉兰泰次级凹陷区S32剖面粘粒（<

2μm）平均含量为6.45%，狼山东南麓台地LS剖面粘粒平均含量为11.78%。

粘土矿物主要通过水和空气两种介质来进行搬运，根据S32剖面的地理位置以及粘土矿物的含量进行分析，剖面中地层中的粘土矿物可能是巴彦乌拉山中的季节性河流流经一定的距离而带来并沉积的，也有可能是通过空气悬浮搬运过来的。

LS剖面中粘土矿物的含量相对较高，最有可能通过河流近距离搬运过来的。

4.2粘土矿物的组成

实验分别选取了S32剖面和LS剖面各12个代表性样品，并对其分别进行了制片以及X射线衍射分析，根据XRD衍射图谱可以看出两剖面的样品中粘土矿物均有蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石。

根据粘土矿物的半定量计量结果显示，在S32剖面中，伊利石的平均含量最高，达53.706%-81.874%，平均含量为65.411%；

蒙脱石的含量次之，为2.506%-31.327%，平均含量为19.07%；

高岭石含量为10.858%-18.729%，平均含量为14.132%；

绿泥石的含量最低，为0.005%-4.874%，平均含量为1.615%。

总体来说，S32剖面中样品主要粘土矿物为伊利石，其次为含量接近相等的蒙脱石和伊利石，绿泥石的含量极少。

在LS剖面中，伊利石的含量最高，达62.858%-83.449%，平均含量为76.415%；

高岭石的含量次之，为9.095%-35.301%，平均含量为17.978%，仅含有极少量的蒙脱石（0.105%-4.124%，平均为1.590%）和绿泥石（0.003%-14.095%，平均为4.030%）。

LS剖面中样品主要粘土矿物伊利石和高岭石，而且两者之间的含量呈现出此消彼长的关系，蒙脱石和绿泥石的含量很少，据此可以判断狼山东南麓台地中粘土矿物的组合为伊利石-高岭石型。

伊利石主要存在于弱碱性环境中，是钾长石在干燥气候的条件下通过强烈的物理风化作用以及弱的淋滤作用中形成的稳定矿物，伊利石的的风化程度相对较低，是干冷气候的特征性矿物（张乃娴，2000）。

当气候环境发生变化，由干冷气候变为热湿时，伊利石会进一步发生化学风化作用，矿物中的碱金属被带走，伊利石向高岭石发生转变（汤艳杰，2002）。

高岭石的风化程度比伊利石高，主要是在酸性条件下，SiO2和Al2O3胶体发生中和析出凝胶而生成，高岭石主要形成于强化学风化作用和强淋滤作用的环境中，反应了弱酸性环境以及湿热的气候特征（鲁春霞，1997）。

蒙脱石主要是在干湿交替的环境下形成的，是寒冷气候环境的特征性矿物（KellerWD.,1970）。

绿泥石是干燥气候环境以及碱性条件下，经过埋藏成岩作用形成的（刘饮甫等，1999），绿泥石的含量增加带表气候逐渐变为干旱。

综上，S32剖面样品中粘土矿物的组合反应了以干冷为特征的古环境，其中，有干冷-干湿交替-湿热-干冷的微小过渡变化过程：

S32-1，S32-2，S32-3,S32-4，S32-5等5个样品中，伊利石和蒙脱石的含量变化较大，伊利石的含量呈上升→下降→上升→下降的关系，而蒙脱石含量呈下降→上升→下降→上升的关系，反应了这段时期吉兰泰次级凹陷区主要处于寒冷的气候环境中，但区域的水量在发生变化，时高时低；

S32-5，S32-6，S32-7，S32-8，S32-9，S32-10等6个样品中粘土矿物的各种类相对含量整体变化不大，处于干湿交替的环境；

S32-11相对S32-10样品，伊利石的含量降低，高岭石的含量有所增加，蒙脱石、绿泥石的含量变化不大，代表此时气温较温暖湿润；

S32-12中，伊利石的含量显著增加，蒙脱石和高岭石的含量均发生下降，表面此时气候变得明显干冷起来。

LS剖面样品中的粘土矿物的组合也反应了以干冷为特征的古环境，其中，有干冷-湿热-干冷-湿热-干冷-湿热-干冷的微小过渡变化过程：

在LS-12，LS-11，LS-10，LS-9四个样品中，伊利石的整体含量较高，并在LS-9样品中达到最大值，说明此时气候十分干冷，但高岭石含量在LS-11中发生，高岭石和绿泥石含量有所上升，说明在整体向更干冷的气候环境转化的过程中，气温有所上升，但此后气温又发生下降，重新向干冷气候转化。

在LS-8样品中，高岭石的含量发生明