西秦嶺北緣武山地區(qū)上白堊統(tǒng)沙漠相沉積特征

惠浪波，郭進(jìn)京，韓文峰，王麗麗，畢娜，向光婭

天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384

西秦嶺北緣武山地區(qū)上白堊統(tǒng)沙漠相沉積特征

惠浪波，郭進(jìn)京，韓文峰，王麗麗，畢娜，向光婭

天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384

西秦嶺廣泛但不連續(xù)分布著一套晚白堊世紅層地層。這套紅層地層所代表的原型沉積盆地是西秦嶺中生代陸內(nèi)造山期發(fā)育的相互孤立的山間盆地?cái)M或是整體統(tǒng)一紅層盆地新生代以來(lái)地殼隆升侵蝕破壞的殘留一直存在爭(zhēng)議。這個(gè)爭(zhēng)議問(wèn)題即關(guān)乎到對(duì)西秦嶺中生代末期的構(gòu)造地貌狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，也關(guān)乎到現(xiàn)今青藏高原東北緣新生代以來(lái)地殼隆升初始地質(zhì)背景。通過(guò)對(duì)西秦嶺北緣武山地區(qū)上白堊統(tǒng)紅層沉積地層中發(fā)育的一套磚紅色砂巖的沉積序列、沉積構(gòu)造、粒度分布等宏觀地質(zhì)特征的較詳細(xì)研究，結(jié)合對(duì)這套砂巖的礦物成分和顯微結(jié)構(gòu)以及石英顆粒SEM表面結(jié)構(gòu)特征的研究，表明這套磚紅色砂巖具有如下特征：1)發(fā)育典型的大型風(fēng)成交錯(cuò)層理；2)粒度均勻，分選好，以中—細(xì)砂、極細(xì)砂組分為主，缺乏粉砂—黏土顆粒組分；3)石英顆粒磨圓度好，表面發(fā)育碟形和新月形坑、溶蝕坑、硅質(zhì)薄膜等風(fēng)成砂顆粒具有的獨(dú)特表面特征。據(jù)此提出這套磚紅色砂巖是典型的沙漠相沉積的新認(rèn)識(shí)，并根據(jù)沙漠相沉積類(lèi)型的識(shí)別標(biāo)志將其分為沙丘沉積和丘間沉積兩種沉積類(lèi)型。秦嶺北緣武山地區(qū)晚白堊世沙漠相沉積的存在，結(jié)合西秦嶺腹地同時(shí)代的哈達(dá)鋪、岷縣西江等地分布在山頂面的晚白堊世紅層地層中存在類(lèi)似的沙漠相沉積分析，提出了西秦嶺晚白堊世不僅處于干旱炎熱氣候環(huán)境，而且曾呈現(xiàn)出地形相對(duì)平緩的泛盆地構(gòu)造地貌狀態(tài)。這套紅層沉積反映了西秦嶺晚白堊世為統(tǒng)一紅層沉積盆地而非孤立的山間盆地，現(xiàn)今多不連續(xù)分布在山頂面之上是新生代以來(lái)地殼不均勻隆升和侵蝕共同作用的結(jié)果。

西秦嶺；上白堊統(tǒng)；沙漠相；風(fēng)成交錯(cuò)層理；石英砂表面結(jié)構(gòu)

0 引言

西秦嶺在經(jīng)歷了古生代—早中生代漫長(zhǎng)的裂解擴(kuò)張的有限洋盆形成、洋盆俯沖—島弧形成到最后陸—弧和陸—陸碰撞等多階段板塊構(gòu)造演化后，印支期完成其主造山過(guò)程而進(jìn)入陸內(nèi)構(gòu)造演化階段[1-3]。白堊紀(jì)是西秦嶺陸內(nèi)構(gòu)造演化的重要階段，特別是晚白堊世紅層盆地的性質(zhì)及構(gòu)造地貌狀態(tài)更是青藏高原東北緣卷入青藏高原系統(tǒng)的初始起點(diǎn)。因此，晚白堊世紅層研究不僅對(duì)認(rèn)識(shí)西秦嶺白堊紀(jì)陸內(nèi)構(gòu)造狀態(tài)和環(huán)境具有重要意義，而且也可為青藏高原東北緣新生代以來(lái)隆升和變形提供重要地質(zhì)約束。

西秦嶺廣泛但不連續(xù)分布的上白堊統(tǒng)紅層地層是西秦嶺白堊紀(jì)構(gòu)造環(huán)境和古構(gòu)造地貌狀態(tài)的客觀地質(zhì)記錄。由于該區(qū)域的這些上白堊統(tǒng)紅層地層分布的不連續(xù)(圖1)，常被冠以不同的盆地名稱，如：宕昌盆地、哈達(dá)鋪盆地、岷縣盆地、臨潭盆地、西和—禮縣盆、武山盆地、漳縣盆地等。關(guān)于這套紅層的時(shí)代一直存在不同認(rèn)識(shí)[4-6]，但該套紅層地層以固結(jié)成巖程度高、穩(wěn)定的北西向構(gòu)造線方向和寬緩的褶皺形態(tài)與其上覆的新近系甘肅群紅層地層相區(qū)分，而其特征的紫紅色—磚紅色和北西向構(gòu)造線與下白堊統(tǒng)以深紫紅色、灰紫色、灰色—灰黑色沉積巖為特征且構(gòu)造線為北東向的東河群—河口群相區(qū)分，并且該套地層角度不整合在下白堊統(tǒng)河口群之上，因此，其時(shí)代應(yīng)晚于早白堊，而早于新近紀(jì)，為晚白堊世[7]。作為青藏高原東北緣重要地質(zhì)單元的西秦嶺，新生代以來(lái)的地殼強(qiáng)烈不均勻隆升和侵蝕作用使得這套紅層地層在不同構(gòu)造部位地層序列保存的完整程度不盡相同。但在西秦嶺腹地的哈達(dá)鋪盆地和東北部的灘歌盆地，上白堊統(tǒng)紅層地層沉積序列保存較為完整，自下而上可分為磨溝組和車(chē)?yán)M[4]。磨溝組主要為磚紅色塊狀層—厚層的洪積相和河流相的礫巖夾砂礫巖；而車(chē)?yán)M主要由下部磚紅色巨厚層—厚層中細(xì)粒砂巖夾含礫砂巖組成，上部主要由紫紅色—紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖且?jiàn)A有沖洪積礫巖及中層狀中細(xì)粒砂巖組成，自下而上清楚的顯示出由粗到細(xì)的兩個(gè)大的沉積旋回[8]。這套紅層地層一般認(rèn)為是西秦嶺陸內(nèi)造山過(guò)程中形成的山間盆地或走滑拉伸盆地[9]。近年來(lái)，對(duì)西秦嶺這套紅層地層沉積序列研究，發(fā)現(xiàn)其中部普遍發(fā)育一套磚紅色中細(xì)粒砂巖，如岷縣西江地區(qū)、哈達(dá)鋪地區(qū)、武山馬力鎮(zhèn)等，這套磚紅色砂巖厚度大(約300 m)，粒度均勻，并且發(fā)育大型風(fēng)成斜層理和平行層理，指示了其具有沙漠成因的特征，這說(shuō)明西秦嶺晚白堊時(shí)期曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)沙漠環(huán)境[8]。考慮到前人對(duì)這套磚紅色砂巖的研究?jī)H做了一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)和少量的樣品分析而首次提出該套磚紅色砂巖的風(fēng)成成因，但沒(méi)有對(duì)層序、沉積構(gòu)造、微觀特征等做詳細(xì)研究。為此，我們對(duì)武山地區(qū)出露的這套典型的磚紅色中細(xì)粒砂巖進(jìn)行了野外觀測(cè)、薄片分析、粒度分析和顆粒的微觀特征研究，并與現(xiàn)代沙漠風(fēng)成砂進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明武山地區(qū)的這套磚紅色砂巖具有沙漠相沉積的基本特征，主要發(fā)育沙丘和丘間兩種沙漠亞相，這為西秦嶺晚白堊世沉積環(huán)境和古地貌狀態(tài)認(rèn)識(shí)提供新的科學(xué)依據(jù)。

圖1 西秦嶺及其鄰區(qū)白堊紀(jì)紅層分布簡(jiǎn)圖(據(jù)郭進(jìn)京等，2014)SF1.商丹縫合帶；SF2.勉略縫合帶；NMF.西秦嶺北緣斷裂；LMTF.臨潭—岷縣—宕昌斷裂；QUF.秦峪斷裂；BLJF.白龍江斷裂Fig.1 Simplified map of Cretaceous red bed strata in the western Qinling and its adjacent areas (after Guo et al., 2014)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

晚三疊世至中侏羅世古特提斯洋盆的閉合和諸多微塊體碰撞拼貼，形成東亞大陸南部巨型印支造山系[10]，完成中國(guó)大陸主體的拼貼[11-12]，作為巨型印支造山系的重要組成部分的西秦嶺，白堊紀(jì)以來(lái)進(jìn)入了不同于印支造山作用的陸內(nèi)構(gòu)造演化階段[1-3]。西秦嶺早白堊世為北東向盆山型構(gòu)造，晚白堊世演變?yōu)樽呋峙璧豙7]。西秦嶺武山地區(qū)早白堊世處在碌曲—合作—和政隆起與舟曲—禮縣—秦安隆起之間的郎木寺—臨潭—渭源裂陷盆地之中；西秦嶺晚白堊世紅層地層現(xiàn)今空間分布呈現(xiàn)出類(lèi)似走滑拉分盆地(圖1)，其盆地長(zhǎng)軸為北西向，長(zhǎng)寬比約為1∶2，地層總體產(chǎn)狀平緩(傾角多小于20°)，構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽飨颍瑯?gòu)造形態(tài)多為寬緩向斜褶皺為主，呈斷續(xù)分布，西秦嶺腹地武山地區(qū)為其分布區(qū)之一，多分布在平緩的山頂面之上，面積約32 200 km2[7]，與現(xiàn)在的毛烏素沙漠面積(42 200 km2)相近。

西秦嶺北緣武山地區(qū)的上白堊統(tǒng)紅層常被稱之為武山盆地。從現(xiàn)今分布看，武山盆地呈NW—SE向展布，長(zhǎng)約31.3 km，寬約20 km，構(gòu)造形態(tài)為開(kāi)闊向斜褶皺，構(gòu)造線方向?yàn)楸蔽飨?，由上白堊統(tǒng)磨溝組和車(chē)?yán)M組成(圖2,3)。這套地層與下伏泥盆系—石炭系—二疊系等造山帶地層的角度不整合面清晰(圖4a、圖5a,b)，南邊界的角度不整合面之上為上白堊統(tǒng)磨溝組。通過(guò)對(duì)武山盆地馬力鎮(zhèn)剖面沉積地層的野外測(cè)繪(圖3A)可知：磨溝組底部為一套紫紅色塊狀巨厚礫巖，礫石多呈棱角狀至次棱角狀，粒徑較大且大小相差懸殊，礫巖分選極差，礫、砂、泥混雜，層理不清楚或不發(fā)育，偶夾砂巖(圖4c、圖5a)；雖然向上粒徑有變細(xì)的趨勢(shì)，但分選性和磨圓度仍然較差，呈雜基支撐，結(jié)構(gòu)成熟度低，呈塊狀，期間發(fā)育河流相沉積，河流相沉積以磚紅色細(xì)礫巖、砂礫巖和粗砂巖為主，水流交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理、平行層理、沖刷面構(gòu)造發(fā)育(圖5c)；再向上為磚紅色中厚層礫巖，分選性和磨圓度仍較差，但礫巖粒度較之前明顯變細(xì)，期間常發(fā)育薄層磚紅色砂巖夾層(厚10～15 cm)與礫巖(厚約1 m)呈互層產(chǎn)出(圖4d、圖5d)。在這套礫巖之上即磨溝組的上部，發(fā)育一套磚紅色砂巖，厚度約300 m，并具一定規(guī)模，其結(jié)構(gòu)疏松、粒度均勻，以發(fā)育大型高角度交錯(cuò)層理為特征(圖4e，f，g)。這套砂巖在馬力鎮(zhèn)出露良好，本文主要對(duì)該地區(qū)出露的厚層磚紅色砂巖進(jìn)行了較詳細(xì)的野外觀測(cè)和系統(tǒng)采樣，并對(duì)其沉積序列、沉積構(gòu)造和沉積相等開(kāi)展了較深入系統(tǒng)的研究。

圖2 武山盆地區(qū)域地質(zhì)略圖(據(jù)甘肅省地調(diào)院，2007編繪，位圖見(jiàn)圖1)Fig.2 Sketch geological map of the Wushan Basin, western Qinling (after Geological Survey of Gansu Province, 2007)

圖3 西秦嶺武山盆地構(gòu)造剖面簡(jiǎn)圖(A.武山盆地剖面A—B，B.馬力鎮(zhèn)剖面C—D，剖面照片見(jiàn)圖5)Fig.3 Tectonic section in Wushan Basin(A.Wushan Basin section A-B, B.Malizhen section C-D, the photos of section shown in Fig.5)

圖4 西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組野外特征a.武山盆地上白堊統(tǒng)與下伏二疊系灰?guī)r的角度不整合；b.磨溝組上部的礫巖與磚紅色細(xì)砂巖分界面；c.磨溝組底部礫巖特征；d.磨溝組磚紅色細(xì)砂巖之下的礫巖特征；e.磨溝組磚紅色細(xì)砂巖露頭特征；f.磨溝組磚紅色細(xì)砂巖中的大型斜層理、平行層理；g.磨溝組磚紅色細(xì)砂巖發(fā)育楔狀層理Fig.4 Field characteristics of the Upper Cretaceous Mogou Formation in Wushan Basin, western Qinling

2 武山盆地上白堊統(tǒng)沙漠相沉積序列特征

武山盆地磨溝組上部磚紅色砂巖在馬力鎮(zhèn)出露良好，直接整合覆蓋在下伏礫巖之上(圖3B)，為一套磚紅色巨厚層細(xì)砂巖，厚度約300 m(圖4e)。這套磚紅色砂巖總體上呈現(xiàn)粒度均勻且以中細(xì)粒砂為主的粒度特征，并且發(fā)育大型高角度交錯(cuò)層理，在一些斜層理頂部可見(jiàn)低角度平行層理為特征的頂積紋層，楔狀層理也有發(fā)育(圖4f，g)，具有沙漠相沉積的特征。在其側(cè)向延伸方向上可見(jiàn)具微細(xì)水平層理的磚紅色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖(厚約10 cm)與塊狀細(xì)砂巖(厚約25～60 cm)呈互層出現(xiàn)(圖5e)。在垂向上，風(fēng)成交錯(cuò)層理的層系界面平直且無(wú)沖刷構(gòu)造，以低角度相交成楔狀或平板狀呈多次疊置，前積層上部陡傾，傾角約為30°，向下傾角變緩直至近于水平，前積紋層凹面向上，兩套具風(fēng)成斜層理的層系之間可見(jiàn)厚度約10 cm薄層席狀砂巖(圖5f)。

3 沙漠相主要沉積類(lèi)型

通過(guò)對(duì)武山盆地馬力鎮(zhèn)剖面上白堊統(tǒng)磨溝組上部磚紅色砂巖微觀特征、粒度分析、顆粒表面結(jié)構(gòu)和宏觀特征等研究,提出了武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部這套磚紅色細(xì)砂巖為一套古沙漠沉積地層。沙漠相沉積可以根據(jù)地形地貌、巖性特征、沉積構(gòu)造及地質(zhì)營(yíng)力等不同，劃分為戈壁、旱谷、沙丘、丘間和沙漠湖五種亞相[13-16]。根據(jù)沙漠相沉積的各亞相沉積特征及識(shí)別標(biāo)志，將武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部沙漠相沉積分為沙丘和丘間兩種沉積類(lèi)型。

圖5 武山盆地地質(zhì)剖面野外地質(zhì)照片F(xiàn)ig.5 The field geological photos of geologic section in Wushan Basin

3.1 沙丘沉積

3.1.1 沙丘砂巖的顏色及組分

武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部砂巖主要呈磚紅色，表明砂巖中三價(jià)鐵含量較高，形成時(shí)為干熱氧化環(huán)境。磚紅色細(xì)砂巖主要為石英砂巖，石英含量高，長(zhǎng)石、巖屑含量較少，極少含有云母片和黏土礦物，分選性好，粒度均勻(圖6a)。石英含量一般大于80%，成分成熟度高，主要以點(diǎn)—線接觸為主，發(fā)育接觸式膠結(jié)和鑲嵌式膠結(jié)，顆粒支撐，空隙填充，主要膠結(jié)物為鐵質(zhì)，石英顆粒表面內(nèi)凹的碟形、新月形坑十分發(fā)育，幾乎所有石英顆粒都呈現(xiàn)粗糙的邊緣，均顯黃褐色—褐紅色鐵錳質(zhì)氧化薄膜(圖6b，c，e)，具有風(fēng)成砂的特征。長(zhǎng)石平均含量較低約5%～10%，主要為鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石；鉀長(zhǎng)石表面干凈但也可見(jiàn)邊緣部分風(fēng)化溶蝕，呈次棱角狀，顯格子雙晶(圖6d)，斜長(zhǎng)石為次棱角狀，聚片雙晶(圖6f)；在本次薄片觀測(cè)中長(zhǎng)石風(fēng)化溶蝕現(xiàn)象較為常見(jiàn)，顆粒表面絹云母化現(xiàn)象容易觀測(cè)，相比石英顆粒保存較困難，屬于弱—中等蝕變，主要呈次棱角狀。巖屑是原巖經(jīng)風(fēng)化剝蝕后形成的細(xì)小的巖石碎塊，其巖性特征在一定程度上繼承了母巖的性質(zhì)，這套砂巖巖屑含量較少，約5%左右，沉積巖巖屑、低級(jí)變質(zhì)巖巖屑、巖漿巖巖屑均可見(jiàn)到(圖6d，f)。

3.1.2 沙丘砂巖的顆粒粒度

砂巖的粒度分布和參數(shù)特征能反映沉積介質(zhì)的能量，沉積物搬運(yùn)方式，是區(qū)分沉積環(huán)境的良好標(biāo)志[17]，根據(jù)這套砂巖膠結(jié)疏松、遇水成沙的特性，篩分樣品不需過(guò)多粉碎因而不會(huì)出現(xiàn)改變?cè)碱w粒粒度問(wèn)題，機(jī)械篩分樣品量大，更具代表性，選用圓孔細(xì)篩對(duì)其進(jìn)行篩析法分析[18-19]，通過(guò)粒度分析實(shí)驗(yàn)對(duì)砂巖樣本顆粒粒徑、粒度參數(shù)、分選性等進(jìn)行分析，判別其沉積環(huán)境。

從六組樣品(表1)的粒度分布直方圖可知，其沙物質(zhì)主要為中砂、細(xì)砂和極細(xì)砂，三者含量占比為94.33%～98.1%；其中細(xì)砂和極細(xì)砂兩者質(zhì)量占比之和可達(dá)61.17%～87.82%，含量相對(duì)較高。粗砂質(zhì)量占比在0.15%～3.16%，粉砂、黏土含量小于1.97%，他們含量相比都很少，礫石和巨砂含量接近于零(圖7)；實(shí)驗(yàn)的六組砂巖樣品中，極細(xì)砂含量只有一組較低且低于中砂和細(xì)砂，為28.75%，另外五組質(zhì)量占比均高于其他，為35.88%～53.4%，極細(xì)砂分選性好，其次為細(xì)砂，六組砂巖樣品粒度頻率曲線均呈單峰(圖7、表2)。風(fēng)成砂沉積黏土含量低，風(fēng)成砂為其主要沉積物，風(fēng)積物粒度在2 mm以下，頻率曲線呈單峰，若呈雙峰，就有兩種分選好的砂粒存在[17, 20]。砂巖粒度集中且基本不含粉砂和黏土，粗砂含量很少，礫石和巨砂含量接近于零，其粒度分布特征與典型風(fēng)成砂比較一致。

躍移為風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要形式，其粒徑主要為0.1～0.5 mm[21]。從概率值累積曲線(圖8)來(lái)看，懸移總體斜率較高，說(shuō)明極細(xì)砂組分的分選較好；跳躍總體由兩個(gè)線段構(gòu)成，較粗線段斜率較高，較細(xì)線段斜率較低，說(shuō)明躍移粒徑在較粗段較為集中。躍移區(qū)間的兩個(gè)次總體合并后的總體有兩組約占60%，另外四組約為70%～80%。分選系數(shù)S0在2.14～2.83之間，分選性中等—好?，F(xiàn)代沙漠沉積研究表明，風(fēng)速大于30 m/s時(shí)在干燥的沙漠地區(qū)能吹走地面的細(xì)礫而出現(xiàn)飛沙走石現(xiàn)象；總體情況表明風(fēng)力推移下的礫、砂運(yùn)動(dòng)速度較慢同時(shí)推移物質(zhì)數(shù)量也少，躍移、懸移為大部分顆粒的主要搬運(yùn)方式[22]。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要形式為躍移，沉積物在三種搬運(yùn)方式中(正常地面風(fēng)力條件下)主要為跳躍搬運(yùn)(約占70%～80%)，下來(lái)是滾動(dòng)搬運(yùn)(小于20%)，懸浮搬運(yùn)很少(小于10%)[20]。

根據(jù)表中(表3)數(shù)據(jù)分析可知，馬力鎮(zhèn)剖面砂巖與塔克拉瑪干沙壟迎風(fēng)坡沙粒粒度均值很靠近且標(biāo)準(zhǔn)偏差也較為接近。馬力鎮(zhèn)剖面六組砂巖樣品偏態(tài)數(shù)據(jù)中有五組表現(xiàn)為負(fù)偏，一組為正偏。正偏與沙丘砂常表現(xiàn)為正偏態(tài)特點(diǎn)一致[23]，負(fù)偏與塔克拉瑪干沙壟迎風(fēng)坡沙粒粒度偏態(tài)均表現(xiàn)為負(fù)偏一致且數(shù)值相近[24]。馬力鎮(zhèn)剖面六組砂巖樣品粒度峰值在0.76～0.97之間。按照?？说扔肒g值確定的等級(jí)界限：Kg=0.67～0.9為平坦，Kg=0.9～1.11為中等峰度[23]，馬力鎮(zhèn)剖面六組砂巖樣品中有五組為平坦，一組為中等峰度。塔克拉瑪干沙壟迎風(fēng)坡沙粒粒度峰值區(qū)間在0.67～0.72，馬力鎮(zhèn)剖面砂巖與之較為相近。相比之下，馬力鎮(zhèn)剖面砂巖峰值更大一些，趨于沙丘砂常表現(xiàn)為中等峰度的特點(diǎn)[23]。以上數(shù)據(jù)分析表明：馬力鎮(zhèn)剖面砂巖具有與現(xiàn)代沙漠砂近一致的粒度分布和粒度參數(shù)特征[24-25]。

圖7 西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組馬力鎮(zhèn)剖面砂巖粒度分布直方圖Fig.7 Histogram of grain size distribution of Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in Wushan Basin, western Qinling

表2 武山盆地馬力鎮(zhèn)剖面砂巖與現(xiàn)代沙漠砂粒徑分布(粒度單位：mm)

圖8 西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組馬力鎮(zhèn)剖面砂巖粒度分布概率累積曲線Fig.8 Cumulative probability curves for grain size distribution of sandstones in the Upper Cretaceous Mogou Formation in Wushan Basin, western Qinling

表3 馬力鎮(zhèn)剖面砂巖與現(xiàn)代沙漠砂粒度參數(shù)對(duì)比

3.1.3 沙丘砂巖的顆粒形態(tài)及表面結(jié)構(gòu)

砂巖主要是因機(jī)械沉積作用形成，巖屑、長(zhǎng)石等不穩(wěn)定組分遭到大量破壞，穩(wěn)定組分石英較為富集，石英顆粒在搬運(yùn)和沉積過(guò)程中在其表面必然會(huì)留下相應(yīng)痕跡[23,26]。石英顆粒形態(tài)及表面顯微特征能夠記錄其搬運(yùn)介質(zhì)類(lèi)型、沉積時(shí)的環(huán)境特征和沉積過(guò)程中的理化風(fēng)化作用。磨溝組砂巖樣品根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需經(jīng)制樣后，選取粒徑為0.25～0.5 mm的石英顆粒20～30顆[27]，進(jìn)行掃描電鏡觀察。

掃描電鏡觀察表明，磨溝組上部磚紅色砂巖石英顆粒普遍體現(xiàn)出很高的磨圓度，可達(dá)4～5級(jí)(鮑爾斯，1953)圓狀，其表面呈毛玻璃狀，具有風(fēng)成砂毛玻璃狀表面及高磨圓度的特征(圖9a,d,g)。風(fēng)成砂中石英顆粒表面最具特色的碟形、新月形物理撞擊坑[26]，在本次分析樣品中普遍發(fā)育(圖9a～h)，指示這套砂巖沉積時(shí)處于高能風(fēng)成環(huán)境[26]。上翻解理薄片并非風(fēng)成環(huán)境所特有，一般認(rèn)為在風(fēng)成環(huán)境中最為發(fā)育[28]，石英顆粒表面上翻解理薄片可見(jiàn)(圖9o)。風(fēng)成砂石英顆粒表面V形坑不具有風(fēng)成環(huán)境指示性，因?yàn)閂形坑主要發(fā)育于水下環(huán)境，其形成是不對(duì)稱顆粒常以最長(zhǎng)軸方向平行于風(fēng)的主方向而求得最小抗力產(chǎn)生的，可見(jiàn)于進(jìn)入風(fēng)成環(huán)境不久的顆粒表面[28-29]。貝殼狀斷口是石英顆粒表面常見(jiàn)形態(tài)，但少見(jiàn)于風(fēng)成環(huán)境，大量存在于水成環(huán)境，僅在剛進(jìn)入風(fēng)成環(huán)境不久的顆粒中可見(jiàn)[28]。所分析的石英顆粒表面V形坑偶爾可見(jiàn)，數(shù)量很少(圖9i)，貝殼狀斷口很難見(jiàn)到。

磨溝組上部磚紅色砂巖石英顆粒表面鱗片狀剝落、深邃的溶蝕坑和溶蝕溝均十分發(fā)育，溶蝕坑常呈蜂窩狀或?yàn)槌纱爻霈F(xiàn)并具一定方向性的近等腰三角形溶蝕坑(圖9k,l,j)。鱗片狀剝落是原始石英顆粒晶體網(wǎng)格缺陷處化學(xué)溶蝕作用發(fā)育而產(chǎn)生的化學(xué)崩解現(xiàn)象[30-32]，解理因溶蝕作用逐漸擴(kuò)大而被分割成大小及厚度均不同的解理片，解理片進(jìn)一步解體形成鱗片狀且脫落傾向明顯；深邃的溶蝕溝和溶蝕坑是由于化學(xué)溶蝕作用深入到石英晶面解體帶與非解體帶之間的過(guò)渡帶而形成；顆粒表面近等腰三角形溶蝕坑是溶蝕作用在晶面非解體帶晶面上沿晶體結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。石英顆粒的強(qiáng)烈溶蝕作用是炎熱氣候的產(chǎn)物[33]，特別是在風(fēng)成環(huán)境中顯著的沉淀作用往往與強(qiáng)烈的溶蝕作用相伴生，SiO2經(jīng)常就近沉淀于顆粒表面，具有非常明顯的沉淀現(xiàn)象[33]。SiO2初始沉淀先形成直徑平均為0.05～0.25 μm的圓球形或近圓球形硅質(zhì)球[28]，此現(xiàn)象在風(fēng)成環(huán)境中普遍[30-32]，凸起的硅質(zhì)鱗片是由于硅質(zhì)球的聚集而形成，石英顆粒表面的硅質(zhì)薄膜是因鱗片狀SiO2沉淀繼續(xù)大面積擴(kuò)展，甚至整個(gè)顆粒被包裹而形成[28]。石英砂表面氧化硅沉淀作用在水域環(huán)境中(海岸、河流等)主要在砂粒表面的低洼處發(fā)育，形成直徑平均為0.05～0.25 μm的散丸狀硅質(zhì)珠，氧化硅沉淀以風(fēng)成砂最發(fā)育，風(fēng)成砂的表面，氧化硅沉淀形成的硅質(zhì)薄膜往往能將其整個(gè)覆蓋[34]。掃描電鏡下這套砂巖石英顆粒表面因沉淀作用形成的凸起的硅質(zhì)鱗片和硅質(zhì)薄膜均十分發(fā)育(圖9m,n)。

圖9 西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組砂巖顆粒表面特征a(Q15041).磨圓石英顆粒，碟形撞擊坑a; b(Q15043).碟形坑a; c(Q15045).磨圓的石英顆粒發(fā)育新月形坑; d(Q15046).碟形坑a; e(15042).新月型坑a, 碟形坑b; f(Q15045).新月形坑a; g(Q15044).新月形坑a; h(Q15041).碟形坑 a; i(Q15033).磨圓石英顆粒發(fā)育V形坑a; j(Q15046).方向性溶蝕; k(Q15044).深邃溶蝕坑a; l(Q15041).蜂窩狀溶蝕坑; m(Q15043).凸起的硅質(zhì)鱗片; n(Q15043).硅質(zhì)薄膜; o(Q15043).上翻解理薄片.測(cè)試單位為天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院掃描電鏡實(shí)驗(yàn)室。Fig.9 Morphological and surface microscopic features of Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in Wushan Basin, western Qinling

以上研究表明：這套砂巖石英顆粒在掃描電鏡下磨圓度高，干熱氣候下風(fēng)沙環(huán)境中石英顆粒表面結(jié)構(gòu)的典型特征在其表面十分發(fā)育而明顯區(qū)別于水成砂沉積，說(shuō)明這套砂巖主要為干熱氣候下的風(fēng)成砂沉積。

3.1.4 沙丘砂巖的沉積構(gòu)造

沙丘砂巖沉積構(gòu)造以交錯(cuò)層理、平行層理、楔狀層理等多種層理為特征及發(fā)育準(zhǔn)同生變形構(gòu)造[35-36]，大型高角度交錯(cuò)層理為風(fēng)成沙丘沉積的顯著特征[37-42]。武山地區(qū)馬力鎮(zhèn)附近磨溝組上部沙丘沉積廣泛出露，沉積構(gòu)造以十分發(fā)育的大型高角度交錯(cuò)層理為特征(圖10a～d)，交錯(cuò)層理前積紋層上凹，前積層上部?jī)A角較大，可達(dá)30°左右(圖10c)，向下逐漸減小(圖10d)，近底處多與下界面近于水平相切；層系厚度較大，可達(dá)1～2 m，部分在2 m以上，細(xì)層厚度一般為2～20 cm(圖10a，c)，平面上展布穩(wěn)定，延伸長(zhǎng)度在20 m以上。交錯(cuò)層理的層系界面平直且無(wú)沖刷構(gòu)造，以低角度相交成楔狀(圖10b)或平行板狀(圖10a)。在一些交錯(cuò)紋層的頂部還觀察到以低角度平行層理為特征的沙丘頂積紋層(圖10d)。本區(qū)沙丘砂巖的沉積構(gòu)造特征與現(xiàn)代沙漠沙丘[43-44]的沉積構(gòu)造特征接近一致。

本區(qū)大型交錯(cuò)層理主要發(fā)育大型板狀單斜層理，同時(shí)楔狀層理、平行層理也有發(fā)育。大型板狀單斜層(圖10a)夾于水平層之間，前積層頂部與上部層面以高角度相交(約30°)，底部與下部層面近以水平相切，板狀單斜層理在橫向上展布長(zhǎng)度一般在10 m以上。層系厚度一般為1 m左右，垂向上多個(gè)層理組合厚度可達(dá)10 m以上。由于古潛水面之上的部分被侵蝕搬運(yùn)，剖面中保留的沙丘沉積是古潛水面之下的部分[45]。大型板狀單斜層理平直且彼此平行的上下層系界面表明沙丘發(fā)育時(shí)具有平穩(wěn)的潛水面，從而水平削切發(fā)育同時(shí)地形非常平坦，剖面中多個(gè)平板狀單斜層理垂向疊置是由于同向風(fēng)多次風(fēng)蝕削切和風(fēng)積共同作用而成。楔狀交錯(cuò)層理(圖10b)紋層斜交于層系界面，層系上下界面彼此不平行、厚度變化明顯呈楔形。其成因復(fù)雜，可能是由于風(fēng)向變化等多種因素所致[36]，楔狀交錯(cuò)層組的分界面為風(fēng)向轉(zhuǎn)換面[37,40-41]。平行層理出現(xiàn)在一些交錯(cuò)紋層的頂部(圖10d)，主要是由平行且近水平的紋層狀細(xì)砂組成，紋層厚度為毫米級(jí)至厘米級(jí)。平行層理一般出現(xiàn)在高能環(huán)境中[23]，說(shuō)明沙丘發(fā)育時(shí)風(fēng)動(dòng)力環(huán)境時(shí)常也會(huì)變得極強(qiáng)，將先存沙丘沉積的頂部削切成一個(gè)平面進(jìn)而在強(qiáng)風(fēng)動(dòng)力環(huán)境下風(fēng)積作用形成具平行層理的風(fēng)成砂沉積。

圖10 西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組馬力鎮(zhèn)剖面砂巖野外特征a.武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組沙丘砂巖發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理；b.馬力鎮(zhèn)剖面沙丘砂巖發(fā)育大型風(fēng)成交錯(cuò)層理；c.馬力鎮(zhèn)剖面沙丘砂巖大型板狀單斜層理；d.馬力鎮(zhèn)剖面沙丘砂巖頂積紋層顯低角度平行層理；e.馬力鎮(zhèn)剖面磚紅色細(xì)砂巖夾薄層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖；f.馬力鎮(zhèn)剖面覆水型沙丘間粉砂質(zhì)泥巖沉積顯微細(xì)水平層理。Fig.10 Field pictures showing the features of the Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in Wushan Basin, western Qinling

3.2 丘間沉積

沙丘間是指沙丘之間低洼的或沙丘暫不足以覆蓋的地帶或地區(qū)[46-48]，丘間沉積按成因分為干丘間和濕丘間，干丘間沉積以風(fēng)成沉積為主，沙席就為干丘間沉積的一種，濕丘間沉積以水成沉積為顯著特征，包括沙漠湖及旱谷等[35]。存在于板狀交錯(cuò)層組之間的低角度或水平分界面屬于風(fēng)蝕波痕面或丘間沉積[37,40-41]，干旱型沙丘間沉積以風(fēng)積作用為主，可形成保存水平至低角度(0°～15°)層理的較薄而平坦的席狀紋層砂，這種紋層是由于沙波推移及顆粒降落的垂向加積作用而形成[45-46,49]。本區(qū)干丘間沉積發(fā)育，在剖面上夾于上下兩套板狀單斜層理之間，沉積構(gòu)造主要表現(xiàn)為水平層理，層系厚度不大，一般為幾十厘米，呈較薄而平坦的席狀砂巖沉積(圖10a)。樣品(Q15042)粒度分析與SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其巖性特征與上下沙丘沉積基本相似，說(shuō)明干丘間沉積以風(fēng)積作用為主。

沙丘間出現(xiàn)明顯積水而轉(zhuǎn)變?yōu)闈袂痖g或稱覆水型沙丘間，覆水型沙丘間沉積物源主要為風(fēng)成細(xì)碎屑，沉積物以具有水平紋層的黏土巖、泥巖、粉砂巖等為特征，這些沉積物保持了原始水平沉積的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造[36,46]。沙漠湖是在沙漠的低洼區(qū)域因暫時(shí)性積水而形成，也可是較小的覆水型丘間演化而成規(guī)模變大的小型沙漠湖泊[17,36,46]。沉積物以具水成沉積為特征、顯水平層理的細(xì)碎屑為主，當(dāng)湖泊處于間歇性干涸時(shí)薄層風(fēng)成砂沉積會(huì)覆蓋其上，沙丘沉積在側(cè)向上和垂向上與其過(guò)渡[35]。本區(qū)濕丘間沉積發(fā)育磚紅色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖沉積，可見(jiàn)微細(xì)水平層理(圖10f)，其沉積厚度一般較小，多為10～20 cm，頂部常被薄層風(fēng)成席狀砂覆蓋，在垂向上呈多次疊置(圖10e)；側(cè)向上延伸較長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)米甚至更大，與風(fēng)成沙丘沉積過(guò)渡。說(shuō)明當(dāng)時(shí)的覆水型沙丘間因降水或潛水面上升形成的暫時(shí)性積水面積的增大而演變?yōu)榍痖g湖泊甚至為更大的沙漠湖。

4 武山盆地晚白堊世沙漠沉積的地質(zhì)意義討論

4.1 氣候環(huán)境意義

武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部磚紅色細(xì)砂巖的顏色、粒度分布、巖石薄片特征、石英顆粒表面結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等均表明其為干熱氣候條件下的風(fēng)成砂沉積。這些特征是其他沉積介質(zhì)條件成因的砂巖所難以觀察到的。說(shuō)明晚白堊世西秦嶺地區(qū)氣候極其干旱炎熱，風(fēng)力較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。同時(shí)，考慮到這套砂巖層理近于水平(圖10a)，其斜層理的傾斜方向大致指示古風(fēng)向(圖10c)，古風(fēng)向的主風(fēng)向應(yīng)為由西向東。

4.2 古地貌意義

西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部厚度巨大的磚紅色細(xì)砂巖主要發(fā)育沙丘沉積和丘間沉積，均為沙漠相沉積的重要類(lèi)型，并且在空間上具有一定的規(guī)模，為一套古沙漠沉積地層。武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組與下伏不同時(shí)代的地層的角度不整合面清晰。角度不整合面是地層經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后在構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期遭受剝蝕、夷平的古夷平面[8]。沙漠形成所需的地貌特征應(yīng)非常平坦，是在十分平坦的地面上發(fā)育的[37]。由此可見(jiàn)，西秦嶺在晚白堊發(fā)育沙漠環(huán)境時(shí)地形已經(jīng)起伏不大，相對(duì)開(kāi)闊平坦。這一結(jié)論與郭進(jìn)京等通過(guò)對(duì)西秦嶺腹地岷縣地區(qū)上白堊統(tǒng)紅層與下伏地層的角度不整合及不整合之上的風(fēng)成砂的研究以及結(jié)合區(qū)域上這套紅層地層的空間分布特征和沉積序列特征分析而初步得出西秦嶺在晚白堊世初期為干旱炎熱的沙漠環(huán)境且西秦嶺當(dāng)時(shí)地形是起伏不大的相對(duì)平坦的古地貌狀態(tài)的認(rèn)識(shí)一致[8]。西秦嶺上白堊統(tǒng)紅層地層自下而上分為磨溝組和車(chē)?yán)M，磨溝組與車(chē)?yán)M為整合接觸。車(chē)?yán)M在保存完整的盆地沉積序列基本一致，都為細(xì)碎屑沉積(紅色或紫紅色泥巖、頁(yè)巖夾砂巖、礫巖)，說(shuō)明晚白堊世末期現(xiàn)今這些孤立的紅層盆地可能為一個(gè)統(tǒng)一的紅層盆地[7]。綜上所述，西秦嶺在早白堊世為盆山型構(gòu)造[7]，在晚白堊世初期已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的剝蝕夷平，應(yīng)為準(zhǔn)平原化階段，地形高差相差不大、相對(duì)平坦，在晚白堊世末期應(yīng)聯(lián)合為同一盆地。這為認(rèn)識(shí)西秦嶺白堊紀(jì)沉積環(huán)境和古地貌狀態(tài)提供了可靠的地質(zhì)約束?，F(xiàn)今斷續(xù)分布的上白堊統(tǒng)紅層地層是由于古近紀(jì)末期以來(lái)[7，50]，印度板塊與歐亞板塊相互碰撞引起的地殼隆升和相伴隨的侵蝕作用的結(jié)果。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西秦嶺武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組上部磚紅色風(fēng)成砂巖的沉積序列、沉積構(gòu)造、粒度組成、微觀結(jié)構(gòu)和石英顆粒表面特征的系統(tǒng)研究，主要取得了以下認(rèn)識(shí)：

(1) 武山盆地上白堊統(tǒng)磨溝組底部為一套紫紅色巨厚塊狀沖洪積相礫巖，期間有河流相沉積發(fā)育，向上礫巖粒度有變細(xì)的趨勢(shì)并出現(xiàn)薄砂巖夾層；在這套礫巖之上為一套磚紅色細(xì)砂巖，巖層厚度大，結(jié)構(gòu)疏松，粒度均勻，成分、結(jié)構(gòu)、顏色、形狀在剖面上差異很小，并且這套磚紅色細(xì)砂巖以發(fā)育大型風(fēng)成高角度交錯(cuò)層理為特征，指示了其具有沙漠沉積的特征。

(2) 磨溝組上部這套砂巖顏色主要呈磚紅色，說(shuō)明形成于干熱氧化環(huán)境；巖性主要為石英砂巖、長(zhǎng)石和巖屑含量很少，幾乎所有石英顆粒表面可見(jiàn)紅褐色—黃褐色鐵錳質(zhì)氧化薄膜，體現(xiàn)了風(fēng)成砂的特征。這套砂巖粒度分布及粒度參數(shù)特征與現(xiàn)代沙漠砂相近，粗砂級(jí)以上顆粒、粉砂、黏土含量很少，沙物質(zhì)主要為中砂、細(xì)砂和極細(xì)砂；砂巖顆粒分選性中等—好，躍移組分含量占主導(dǎo)。石英顆粒電鏡下呈現(xiàn)磨圓度高的特征，表面十分發(fā)育新月形和碟形撞擊坑、溶蝕坑和硅質(zhì)沉淀等。沉積構(gòu)造以發(fā)育大型板狀高角度交錯(cuò)層理為特征，同時(shí)也可見(jiàn)平行層理和楔狀層理。這些特征顯示其形成時(shí)氣候干旱炎熱，風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈，古風(fēng)向的主風(fēng)向由西向東。

(3) 西秦嶺北緣武山地區(qū)晚白堊世沙漠沉積的存在，結(jié)合西秦嶺腹地同時(shí)代的哈達(dá)鋪盆地、岷縣西江盆地中存在類(lèi)似的沙漠相沉積分析，提出了西秦嶺晚白堊世不僅處于干旱炎熱氣候環(huán)境，而且地形地貌也相對(duì)平坦。這為認(rèn)識(shí)西秦嶺白堊紀(jì)古構(gòu)造地貌狀態(tài)和氣候環(huán)境提供可靠的地質(zhì)約束。

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Sedimentary Characteristics of the Cretaceous Desert Facies in the Wushan Area, Northern Margin of the Western Qinling Mountains

HUI LangBo,GUO JinJing,HAN WenFeng,WANG LiLi,BI Na,XIANG GuangYa

School of Geology and Geomatics, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China

The red beds of late Cretaceous are widely and sporadically distributed in the western Qinling Mts. At late Cretaceous, the tectono-geomorphological features in the area are critical in elucidating the structural and geomorphological situation at the end of Mesozoic and determining the beginning time of the uplifting of the northeastern Qinghai-Tibet Plateau. That is, the red beds deposited in the independent intermontane basins or unified flat basin in the intra-continental orogenesis. In this paper, a suite of brick-red sandstones of the red beds of the upper Cretaceous located in the Wushan area, northern margin of the western Qinling Mts. are studied on the sediments sequence, structure and grain size analyses. Combining the mineral compositions, microscopic and SEM surface textures of quartz of the sandstones, the rocks have been discerned to have the following features: 1) developing macroscopic eolian cross-beddings; 2) the medium-fine grained, extremely fine-grained components dominate, but the siltstone-clay components are absent, with even sizes and well-sorting; 3) quartz is well-rounded and the surface develops typical eolian-origin disc- and crescent-type pits, erosion pits, and siliceous films. Therefore, we put forward that the brick-red sandstones are the typical desert facies deposits. According to the desert deposits symbols, the sediments are further subdivided into sand dune and inter-dune deposits. It is well known that the desert deposits have two essentials, the torrid-arid climate and relatively flat topography. Combining the determination of the desert facies sediments at the Wushan area, northern margin of the western Qinling Mts. similar desert facies sediments on the mount tops at Hadapu, Xijiang of Minxian county in the interior of the western Qinling Mts., it is proposed that the western Qinling Mts. were in torrid-arid climate and flat topography in late Cretaceous. That is the large scale, flat and unified basin developed in the area at that period. This deduction is critical for re-constructing the paleo-topography and climate of the western Qinling Mts. in late Cretaceous, and for geological constraining the geological background before the uplifting of the western Qinling Mts. since the Cenozoic.

western Qinling Mountains; Upper Cretaceous; desert facies; aeolian cross-beddings; surface structure of quartz sands

1000-0550(2017)04-0649-15

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.04.001

2016-05-13； 收修改稿日期： 2016-08-24

惠浪波，男，1987年出生，碩士研究生，沉積學(xué)與沉積盆地構(gòu)造分析，E-mail: wicsky@163.com

郭進(jìn)京，男，教授，E-mail: gjj@tcu.edu.cn

P512.2+1

A