李瑞琴,劉成林 ，LOWENSTEIN T K

(1. 中國地質科學院 礦產(chǎn)資源研究所， 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室， 北京 100037； 2. 北京大學地球與空間科學學院， 北京 100871; 3. 紐約州立大學賓漢姆頓分校， 地質科學與環(huán)境研究系， 紐約 13902)

鈣華，又稱為石灰華，是一種主要由碳酸鈣礦物(方解石、文石)組成的沉積物，廣泛分布于陸地環(huán)境中(Pentecost, 1995; Ford and Pedley, 1996; Pentecost and Zhang, 2001; Bridge and Demicco, 2008; 牛新生等， 2017； 汪智軍等， 2018)。英文travertine和tufa均被翻譯為鈣華， travertine是一般致密狀的鈣華，tufa是多孔隙海綿狀的鈣華(Pentecost， 2005; Neuendorfetal., 2005; Bridge and Demicco, 2008； Jones and Renaut, 2010)。由于鈣華沉積是古氣候、古環(huán)境信息記錄的良好載體，且分辨率可達到年、季、月尺度，因而被廣泛用來研究古氣候環(huán)境信息(Chafetz and Laurence, 1991; Matsuokaetal., 2001; Kanoetal., 2004; Andrews and Brasier, 2005; Liu Zaihuaetal., 2010; Guo and Chafetz, 2014)。鈣華還能夠提供絕對的沉積年代(Andrews, 2006; 劉再華， 2014； 汪智軍等， 2018)。對鈣華的研究在環(huán)境保護方面也發(fā)揮了重要作用(Freytet and Verrecchia, 1999； Janssenetal., 1999； 劉再華等， 2016； 汪智軍等， 2018)。同時鈣華沉積是構造活動和地熱活動的重要標志，能夠為該類研究提供詳實的信息(Hancocketal.，1999; Brogietal., 2009； 汪智軍等， 2018)。因此，鈣華具有重要的科研價值。

西爾斯湖位于美國加利福尼亞州，是一座干鹽湖，因富含大量的鹽類礦物，尤其是天然堿、硫酸鉀、硼酸而聞名(Smith, 1979)。同時西爾斯湖還分布了大量鈣華。幾十年來，關于西爾斯湖的研究側重于天然堿、硼酸等鹽類沉積方面，有關西爾斯湖鈣華沉積研究鮮少看到。截至目前為止，關于西爾斯湖鈣華沉積的研究最早可追溯到Scholl (1960)對部分大型鈣華進行的描述，但是并未深入探求鈣華成因。之后Guo 和Chafetz (2012， 2014)對西爾斯湖的鈣華進行了詳細的描述與分類，并探究了部分鈣華成因。

在我國包括西藏、云南、廣西、貴州和四川等在內的一些地方也分布有許多鈣華(李強等， 2002； 王智慧等， 2008； 牛新生等， 2017； 李剛等， 2018； 王振耀， 2019 )，但大多數(shù)還缺乏系統(tǒng)的研究。西爾斯湖屬于第四系鹽湖，其類型與我國青海、西藏地區(qū)的眾多鹽湖類似。2020年1月份筆者對西爾斯湖鈣華沉積進行了野外考察，本文以美國加利福尼亞州西爾斯湖鈣華為對象，討論其主要沉積類型及沉積成因，以期為我國鈣華研究提供對比參考資料。

1 地質背景

西爾斯湖位于加利福尼亞州莫哈韋沙漠，距洛杉磯270 km，為一典型內陸干鹽湖，鹽湖盆地為北向展布的地塹盆地，長近19 km，最寬處13 km，現(xiàn)存面積約為105 km2(圖1)。西爾斯湖被數(shù)個山脈所環(huán)繞，西面是阿格斯山脈(海拔2 695 m)和斯潘格勒山(海拔1 011 m)，南面為巖熔山(海拔1 392 m)，東面和北面為斯萊特山脈(海拔1 583 m)(Smith, 1965， 2009)。湖區(qū)海拔高度為495.12 m，屬典型的干旱沙漠氣候，晝夜溫差大，地表溫度范圍在-12.2℃～47.8℃，年平均溫度為19.1℃(Smith， 1979)，年平均降雨量約為100 mm(Smith， 2009)，年平均蒸發(fā)量約為1～2 m(Bensonetal., 1990)。

西爾斯湖是一個殘留湖，出露地層主要為第四系，主要包括圣誕峽谷組(Christmas Canyon Formation)和西爾斯湖組(Searles Lake Formation)，鈣華沉積主要在西爾斯湖組，詳細巖性特征見圖2。

在更新世晚期(雨量變化甚大的地質時期)，尤其在氣候較濕潤的時期，上游的古歐文斯湖溢流進入中國湖；當中國湖的水位達到海平面715 m以上時，會溢流進入西爾斯湖；當西爾斯湖的水位達到最高海拔690 m以上時，從下游向東溢流進入帕納斯特湖(圖1)。此時，西爾斯湖與歐文斯湖、中國湖、帕納斯特湖及死亡谷的曼利湖呈鏈狀排列(圖1)。由于大氣降水、地表徑流和冰雪溶水，使得西爾斯湖定期呈現(xiàn)深水湖，最大湖深達200 m(Guo and Chafetz, 2012)。經(jīng)過相當長的時間以后，隨著氣候的變化，西爾斯湖成了這些湖泊中的最后一個，沉積和結晶了大量碳酸鹽、硫酸鹽和硼酸鹽等。

圖 1 西爾斯湖位置圖[據(jù)Hay和Guldman(1987)、David等(2010)]Fig. 1 Location of Searles Lake (modified from Hay and Guldman, 1987; David et al., 2010)

根據(jù)西爾斯湖周圍山坡上的湖岸線、湖泊沉積物和巖芯樣品，識別出了兩個重要的晚更新世洪積湖泊, 分別對應于內華達山脈的塔霍(Tahoe)和蒂奧加(Tioga)兩個冰川階段。塔霍(Tahoe)冰川階段年齡大約在公元前10萬年至3.2萬年；蒂奧加(Tioga)冰川階段年齡大約在公元前2.5萬年至1萬年(Flint and Gale, 1958; Linetal., 1998; Guoetal., 2012, 2014)。在這兩個重要的洪積階段，出現(xiàn)大量的鈣華沉積。

2 鈣華沉積的分布

在西爾斯湖內鈣華分布比較廣泛，其沉積分布特征與加洛克(Garlock)斷層有關的裂縫密切相關，鈣華內部多見泉眼、泉孔和泉口?？傮w上，西爾斯湖鈣華沉積大致沿以下走向呈帶狀分布： N·65°W， N·50°W， N·30°W， N·55°E和N·65°E，總體劃分為三大區(qū)，分別位于西爾斯湖的北部、中部和西南部(圖3)(Scholl， 1960； Guoetal., 2012， 2014)。這些鈣華多呈丘狀，高度范圍在0.3～45 m之間，通常為3～12 m高(Scholl, 1960)。

北部和中部鈣華沉積年齡約在公元前2.5萬年至1萬年之間，相對年輕，受風化作用影響相對弱，原生晶體結構相對易識別，更具研究價值。西南部的鈣華相對較老，年齡約在公元前10萬年至3.2萬年之間，因此西南部鈣華沉積風化相對嚴重，其原生晶體結構與蝕變晶體結構變得難以區(qū)分。在西南部鈣華丘極為發(fā)育，這些鈣華丘高大壯觀、形態(tài)各異，成了著名的地質旅游景觀(圖4)。

圖 2 西爾斯湖地層柱狀圖(據(jù)Smith， 2009)Fig. 2 Stratigraphic column of the Searles Lake(modified from Smith, 2009)

3 鈣華沉積特征

鈣華的形成環(huán)境和條件比較復雜，可以出現(xiàn)于泉水、河流、沼澤、湖泊等環(huán)境中，地質學家為此提出了多種沉積模式，如泉水鈣華、河流障鈣華、沼澤鈣華和湖泊鈣華等(Pedley，1990)。但是，自然環(huán)境中，由于泉水、河流、沼澤、湖泊等環(huán)境彼此相互聯(lián)系、相互依存，很多時候不能用一種沉積模式概括。就西爾斯湖來說，鈣華的形成主要與泉水和湖泊等水體緊密聯(lián)系。沉積相是沉積環(huán)境的記錄，是生成環(huán)境、生成條件和其特征的總和，根據(jù)在西爾斯湖野外所見的大量剖面，這些鈣華多具孔狀、柱狀、結節(jié)狀和薄層狀等結構特征。Guo等(2012， 2014)根據(jù)這些結構特征將西爾斯湖鈣華劃分為4個沉積相，分別為多孔海綿狀鈣華沉積相(P)、結節(jié)狀鈣華沉積相(N)、柱狀鈣華沉積相(C)和薄層結殼狀鈣華沉積相(L)。多孔海綿狀鈣華沉積相又可細分為位于丘狀體的最里面部分(P1)和最外層部分(P2)。在西爾斯湖內，鈣華沉積呈兩種層序，分別為多孔海綿狀鈣華(P1)-結節(jié)狀鈣華(N)-薄層結殼狀鈣華(L)-多孔海綿狀鈣華(P2)和多孔海綿狀鈣華(P1)-柱狀鈣華(C)-薄層結殼狀鈣華(L)-多孔海綿狀鈣華(P2)(圖5)。

完整的沉積層序如圖5所示，但受風化作用影響，野外觀察中發(fā)現(xiàn)，能完整保存下來該沉積層序的鈣華丘較少，尤其在北部和西南部分布區(qū)。多數(shù)情況下，是P2直接覆蓋在P1上，極端情況下只能見到P1，鈣華丘周圍堆積著大量受侵蝕的湖相沉積物，形成碎屑裙，經(jīng)常在這些碎屑裙中發(fā)現(xiàn)結節(jié)狀或柱狀碎片。

3.1 多孔海綿狀鈣華沉積相

在西爾斯湖的北部、中部和西南部分布著大量多孔海綿狀的鈣華丘，孔隙度高達30%～40%。從時空分布上來講，多孔海綿狀鈣華沉積相分別位于丘狀體的最里面部分(P1)和最外層部分(P2)(圖6a)。通常P1在泉孔附近水下堆積，構成鈣華丘的核心，其高度在幾厘米至40 m之間不等。在西南部和北部，由于風化作用影響，大部分P1暴露在外面，受侵蝕較嚴重；中部地區(qū)，P1部分相對保存完好。P2位于鈣華丘的最外層，其最大厚度可達10 m，由于露頭較好，也經(jīng)歷了相當強的風化作用。多孔海綿狀鈣華沉積相多由高度不規(guī)則的孔隙結構組成，局部可見垂直堆積的層流結構，其邊緣向上傾斜(圖7)，這可能是在來自泉孔的地下水從上至下流動過程中沉積形成的。我國云南白水臺和四川黃龍也常見這種垂直方向上層層累積的鈣華特征，且其規(guī)模更大，推測云南白水臺和四川黃龍這種垂直方向上層層累積的鈣華，其形成原因與西爾斯湖多孔海綿狀鈣華類似，可能是在來自泉孔的地下水從上至下流動過程中沉積形成的。

在西爾斯湖內，受風化作用影響，常缺失結節(jié)狀鈣華沉積相、柱狀鈣華沉積相或薄層結殼狀鈣華沉積相，通常P2直接覆蓋在P1上(圖5a)。

3.2 結節(jié)狀鈣華沉積相

結節(jié)狀鈣華沉積相主要分布在西爾斯湖的北部。根據(jù)野外露頭，可以明顯看到結節(jié)狀鈣華沉積相與P1呈突變接觸，該沉積相由結節(jié)結構的沉積物組成(圖8b可以看到明顯的結節(jié)顆粒)，通常每個鈣華丘中含5至7個世代，每代的厚度在6～14 cm之間(圖8)。由內層至最外層，結節(jié)狀結構特征越來越顯著。據(jù)Guo等(2012)薄片鏡下鑒定、 X衍射粉晶衍射分析以及掃描電鏡分析顯示，這些結節(jié)狀結構可能是生物作用的結果。在我國的眾多鈣華沉積點均發(fā)現(xiàn)了生物作用的蹤跡。生物作用能對鈣華微相結構和地球化學特征產(chǎn)生重要影響，弄清與鈣華相關的生物種類以及不同生物所形成的鈣華結構，將有助于解釋古鈣華沉積記錄。西爾斯湖結節(jié)狀結構鈣華，可能是生物作用的結果。Guo等(2012， 2014)對西爾斯鹽湖結節(jié)狀鈣華進行了詳細描述，可以為我國相關鈣華研究提供參考。

圖 3 西爾斯湖鈣華沉積分布圖[地理底圖據(jù)David等(2010)， 鈣華區(qū)域據(jù)Scholl(1960)、Guo等(2012， 2014)]Fig. 3 Distribution of tufa deposition in Searles Lake (geographical map modified from David et al., 2010, tufa area from Scholl，1960； Guo et al., 2012， 2014)

圖 4 西爾斯湖西南部鈣華沉積景觀Fig. 4 The tufa sedimentary landscape in the southwest of Searles Lake

圖 5 西爾斯湖鈣華沉積層序[據(jù)Guo等(2012)]Fig. 5 The sedimentary sequences of tufa at Searles Lake (Guo et al., 2012)

圖 6 西爾斯湖多孔海綿狀鈣華沉積相Fig. 6 Porous tufa facies at Searles Lake

圖 7 西爾斯湖多孔海綿狀鈣華沉積相中的層狀結構Fig. 7 The sub-horizontally laminated structure in the porous tufa facies at Searles Lake

3.3 柱狀鈣華沉積相

柱狀鈣華沉積相主要分布在中部地區(qū)，通常覆蓋在P1上，二者呈突變接觸(圖9a)，或直接沉積在基巖上(圖9b)。在該沉積相中，柱狀鈣華沉積物垂向上呈疊層狀堆積(圖9c)，通常5～7層，由于共生作用或受湖相沉積物和碳酸鹽膠結物的影響，相鄰層之間的邊界不明顯，每層厚度在0.5～3 cm之間，水平方向上由中心向外呈放射狀排列(圖9d)。

薄片鏡下鑒定、 X 衍射粉晶衍射分析以及掃描電鏡分析顯示，柱狀沉積相是由微柱狀疊層石組成，尺寸達微米級，該沉積相可能是生物作用的結果(Guoetal., 2012)。

3.4 薄層結殼狀鈣華沉積相

在西爾斯湖的北部和中部地區(qū)，偶見薄層結殼狀鈣華沉積相，它們或覆蓋在結節(jié)狀沉積相上或覆蓋在柱狀沉積相上(圖10a、10b)。在北部地區(qū)，這些薄層狀結構的厚度通常在0.5～4 cm之間，中部地區(qū)的相對薄，平均厚度大約為0.5 cm。

圖 8 西爾斯湖結節(jié)狀鈣華沉積相[a和b據(jù)Guo等(2012)]Fig. 8 Nodular tufa facies at Searles Lake (a and b from Guo et al., 2012)

圖 9 西爾斯湖柱狀鈣華沉積相[c和d據(jù)Guo等(2012)]Fig. 9 The columnar tufa facies at Searles Lake (c and d from Guo et al., 2012)

圖 10 西爾斯湖薄層結殼狀鈣華沉積相[b據(jù)Guo等(2012)]Fig. 10 Finely-laminated crusts tufa facies at Searles Lake (b from Guo et al., 2012)

Guo等(2012)解釋為這些薄層結殼結構是當湖面水位下降到鈣華丘高度以下時，在壓力作用下，地下水通過泉孔繼續(xù)向上涌，在重力作用下從鈣華丘頂端向下流動，形成散布的片狀水流，沉積為薄層結殼結構。

4 西爾斯湖鈣華沉積相微相特征

受沉積環(huán)境和沉積過程控制，鈣華通常具有各種不同的沉積形態(tài)和結晶構造。鈣華微巖相結構及其形態(tài)能指示特定的鈣華沉積過程。Guo等(2012)對西爾斯湖鈣華沉積的微巖相進行了研究，指出西爾斯湖鈣華主要由方解石和文石組成，識別出了不同的鈣華晶體類型和形態(tài)，包括樹枝狀晶體、納米球晶體、棒狀晶體、文石膠結物、方解石膠結物等(圖11)，部分鈣華受蝕變作用影響，表現(xiàn)在溶解、重結晶、亮晶泥晶化等方面。

圖 11 西爾斯湖鈣華沉積微巖相[據(jù)Guo等(2012)]Fig. 11 The microstructure of tufa facies at Searles Lake (Guo et al., 2012)a—納米球晶體； b—棒狀晶體a—nano-spheres crystals; b—rod-like crystals

經(jīng)過進一步研究確定這些微尺度和納米尺度的沉積形態(tài)是生物作用導致的(Guoetal., 2012)。其他研究表明這些納米球晶體是納米級的球形細菌作用的結果(Folk, 1993, 1994, 1995; Folk and Lynch, 2001; Cavalazzietal., 2007; Zhou and Chafetz, 2009)， 棒狀晶體是桿狀或線狀細菌作用的結果(Loisyetal., 1999; Benzereraetal., 2003; Cavalazzietal., 2007)。我國貴州馬腳沖瀑布鈣華沉積環(huán)境中可觀察到大量棒狀晶體(王智慧等，2008)，應該也是生物作用的結果。

5 鈣華沉積成因

鈣華成因的分類方法有多種，主要是基于形成鈣華的CO2來源劃分，一般分為大氣成因鈣華和熱成因鈣華。大氣成因鈣華主要起因于土壤和大氣來源CO2的脫氣作用，其δ13C值通常較低，一般為-12‰～2‰，熱成因鈣華起因于來自地殼內部熱成因的脫氣作用，其δ13C值通常較高，一般為-1‰～+10‰(劉再華， 2014； 牛新生等， 2017； 杜磊等， 2020)，有國內學者分別將之稱為表生成因和內生成因。

Guo等(2014)對西爾斯湖的各鈣華沉積相進行了δ13C的測定，結果顯示P1中δ13C的平均值為+1.68‰，柱狀鈣華沉積相中δ13C的平均值為+4‰，結節(jié)狀鈣華沉積相中δ13C的平均值為+4.2‰，薄層結殼狀鈣華沉積相中δ13C的平均值為+4.1%，P2中δ13C的平均值為2‰。由于西爾斯湖鈣華的δ13C值均為正值，因此屬于熱成因鈣華，同時受生物作用影響。這與西爾斯湖的地質背景密切相關。在西爾斯湖的南部邊緣存在一條長達250 km的加洛克斷裂，湖內存在與該斷裂有關的裂縫、裂隙，更新世時期該區(qū)地熱活動異常，熱水活動如溫泉極為發(fā)育，這些熱液流體來自地層深部，受巖漿熱源和深循環(huán)影響，含有CO2，自然使得西爾斯湖的鈣華沉積具有熱成因屬性。野外考察時，發(fā)現(xiàn)鈣華丘內普遍存在泉孔、泉眼和泉口(圖12)。但現(xiàn)在沒有活熱泉存在。

圖 12 西爾斯湖鈣華丘內熱泉活動證據(jù)Fig. 12 The evidence of hot springs at Searles Lake

6 結論與建議

6.1 結論

(1) 更新世晚期，西爾斯湖沉積了大量鈣華丘，這些丘狀體表現(xiàn)出了4種沉積相，分別為多孔海綿狀鈣華沉積相、結殼狀鈣華沉積相、柱狀鈣華沉積相和薄層結殼狀鈣華沉積相。從時空分布來講，呈現(xiàn)出兩種沉積層序，分別為多孔海綿狀鈣華沉積相-結殼狀鈣華沉積相-薄層結殼狀鈣華沉積相-多孔海綿狀鈣華沉積相和多孔海綿狀鈣華沉積相-柱狀鈣華沉積相-薄層結殼狀鈣華沉積相-多孔海綿狀鈣華沉積相。

(2) 西爾斯湖鈣華主要由方解石和文石組成， 微相分析表明其內部具有各種不同的沉積形態(tài)和結晶構造，包括樹枝狀晶體、納米球晶體、棒狀晶體、文石膠結物、方解石膠結物等，部分鈣華受蝕變作用影響，表現(xiàn)在溶解、重結晶、亮晶泥晶化等方面。這些微尺度和納米尺度的沉積形態(tài)和結晶構造是微生物作用所致。

(3)在西爾斯湖內，鈣華的形成主要與泉水和湖泊等水體緊密聯(lián)系。鈣華沉積相中δ13C值均為正值，證明西爾斯湖鈣華屬于熱成因鈣華。

6.2 建議

鈣華沉積受地質背景、氣候、生物、水的物理化學性質等多種因素控制。受不同沉積環(huán)境和沉積過程控制，鈣華通常具有不同的沉積形態(tài)。西爾斯湖的鈣華為古鈣華，對其沉積相、微相及其形態(tài)組合的研究揭示了其沉積過程和沉積環(huán)境。西爾斯湖屬于第四紀鹽湖，其類型與我國青藏高原的眾多鹽湖類似。在我國青藏高原及其邊緣(云南白水臺和四川黃龍)鈣華分布比較廣泛，貴州馬腳沖瀑布也分布有鈣華沉積，并且青藏高原部分地區(qū)還存在時代較早的古鈣華，研究其沉積過程和沉積環(huán)境，能夠為當?shù)毓艢夂蛑亟ㄌ峁┛煽啃畔ⅲ瑫r對全球古氣候重建的規(guī)律和可能的機制提供新的科學支撐。但目前國內學者利用鈣華重建古氣候時側重于δ18O 和 δ13C的相關研究，利用詳細的巖相學分析鈣華的沉積過程、沉積環(huán)境、沉積成因的研究相對較少，因此建議加強對鈣華沉積巖相學特征的深入研究。

致謝感謝美國地質調查局Adam Hudson博士、麻省理工學院David McGee教授、紐約州立大學賓漢姆頓分校Kristian J. Olson博士在野外工作中提供的幫助與支持，是他們帶筆者考察了西爾斯湖北部、中部和西南部的鈣華沉積相；感謝審稿專家為本文提出了寶貴的修改意見。