甘肃古浪河口群粗碎屑岩系的层序地层序列：祁连山白垩纪隆升的沉积学响应

梅冥相,苏德辰

1) 中国地质大学地球科学与资源学院,北京,100083； 2) 中国地质科学院地质研究所大陆构造与动力学国家重点实验室,北京,100037

内容提要：受控于白垩纪时期的祁连山隆升过程,在甘肃省河西走廊地区形成了一系列的陆相盆地,在这些盆地中堆积了厚度上千米的下白垩统,其中,特别的沉积相序列所构成的沉积层序,不但代表了“非常规体系域”概念框架下较为典型的陆相层序样式,而且对认识和了解青藏高原的形成及其环境效应具有重要意义。甘肃省古浪十八里铺剖面的河口群,沉积在早白垩世兰州盆地的西北边缘,其地层学特征和沉积学属性成为白垩纪时期祁连山隆升过程的沉积学响应,主要包括以下几个方面：1, 河口群下部为一套紫色色调的粗碎屑岩系所构成,可以进一步划分为3个三级层序,这些层序的低可容纳空间体系域为冲积扇砾岩和辫状河沉积所组成,高可容纳空间体系域主要为湖泊相沉积所构成；2, 河口群上部总体为一套红层沉积,可以进一步划分为两个三级层序,层序的低可容纳空间体系域为冲积扇或洪积扇砾岩与辫状河沉积所组成,高可容纳空间体系域为滨湖相风成沙岩和干旱湖泊相泥岩所构成；3,河口群的层序地层学列,总体上从潮湿气候背景下的粗碎屑序列演变到干旱气候条件下的红层序列,尤其是其上部红层序列中的风成砂岩的发育及其所表征的“雨影效应”的影响,进一步说明古浪地区河口群的堆积作用过程与白垩纪祁连山隆升过程存在密切的成因联系。因此,古浪地区下白垩统河口群粗碎屑岩系的层序地层学列,特殊的沉积相构成及其演化序列,不但成为窥视早白垩世祁连山隆升过程的物质记录,而且为早白垩世东亚大气环流格局重建提供了一个重要的物质记录。

在中生代温室效应时期,白垩纪更加典型和强烈,因而被誉称为“白垩纪世界”(Skelton,2003；王成善和胡修绵,2005；Sellwood and Valdes, 2006；王成善等,2009a),这个时期的基本特征是：地球整体温度要比现代高大约6 ℃,大气湿度较高而且水圈循环明显增强,更大的降雨量集中在海洋,并且在大陆上留下更加广阔的沙漠。类似于塔里木盆地下白垩统的风成砂岩(Mei Mingxiang et al., 2004；梅冥相等,2004；江新胜等,2009),河西走廊及其邻区白垩系与古近系风成砂岩相关的沉积序列(Loope et al., 1999；江新胜和潘忠习,2005；伍皓等,2011；崔晓庄等,2012；江新胜等,2012；肖国桥等,2012；许欢等,2013；梅冥相和苏德辰,2013),不但形成较为典型的陆相层序样式(Bridge,2006；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al., 2009；Ghazi and Mountney,2009；梅冥相,2010；吴因业等,2010；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),而且代表了青藏高原大规模隆升与亚洲季风形成之前行星风系的产物,成为窥视青藏高原隆升的沉积学响应。

作为当今地球上海拔最高而且面积最大的高原,青藏高原是一个具有复杂地质涵义而且极为特别的地理单元(刘东生等,1998；施雅风等,1999；崔军文等,2001；李海兵和杨经绥,2004；安芷生等,2006；杨经绥等,2009；王成善等,2009b,2010；许志琴等,2008, 2011)。侏罗纪与白垩纪过渡时期发生的冈底斯地块与北方大陆的碰撞拼接,以及白垩纪与古近纪过渡时期发生的喜马拉雅地块与北方大陆的碰撞拼接,造成了青藏高原东北部一定幅度的隆升,尤其是青藏高原东北部边界祁连山的明显隆升,相应地,在祁连山山前的河西走廊及其邻区形成了一系列系列具有前陆盆地性质的陆内坳陷沉积盆地,在这些盆地中堆积了特征迥异的早白垩世地层(甘肃省地质矿产局,1989；杨雨,1997；张二朋等,1998；郭宪璞等,2011；曹珂,2013；陈军等,2013)。白垩纪时期的祁连山隆升过程及其沉积学响应的研究(唐玉虎等,2008),对认识青藏高原的形成及其环境效应具有重要意义；甘肃省古浪县十八里铺剖面的下白垩统河口群,特殊的沉积相构成及其演化序列所组成的层序地层序列,不但成为白垩纪祁连山隆升过程的沉积学响应,而且为白垩纪东亚大气环流格局的重建提供了一个重要的物质记录。

图1 甘肃省西部早白垩世沉积盆地分布和剖面位置图Fig. 1 Outline map showing the distribution of Early Cretaceous sedimentary basins in the western part of Gansu Province and the section location 图中箭头所指代表古浪县十八里铺剖面的位置,修改自甘肃省地质矿产局(1989)； Ⅰ—北山盆地; Ⅱ—南山盆地; Ⅲ—走廊盆地; Ⅳ—潮水盆地; Ⅴ—兰州盆地 The arrowed refer to the location of stratigraphic section in this study, and this map is adapted from Bureau of Geology and Mineral Resources of Gansu Province (1989); Ⅰ—Beishan basin; Ⅱ—Nanshan basin; Ⅲ—Corridor basin; Ⅳ—chaoshui basin; Ⅴ—Lanzhou basin

1 地质背景

位于青藏高原东北缘的甘肃省河西走廊及其邻区,即从兰州市向北西方向一直到敦煌市一带,形成了一系列特殊的白垩纪内陆盆地,包括北山盆地、南山盆地、走廊盆地、潮水盆地和兰州盆地(甘肃省地质矿产局,1989；杨雨,1997；张二朋等,1998；王崇孝等,2005；潘良云等,2006；唐玉虎等,2008；曹珂,2013；陈军等,2013；图1),在这些盆地中,主要沉积了特征性的下白垩统。基于前人多年研究的进一步总结,张二朋等(1998)认为甘肃省河西走廊及其邻区的白垩纪地层序列,主要受控于以下区域构造事件：①侏罗纪与白垩纪过渡时期发生的冈底斯地块与北方大陆的碰撞拼接,造成了青藏高原的一定幅度的隆升,尤其是青藏高原东北部边界祁连山的明显隆升,在祁连山山前发育一个具有前陆盆地性质的早白垩世走廊盆地为代表的陆相盆地；②发生在白垩纪与古近纪过渡时期的喜马拉雅地块与北方大陆的碰撞、拼接事件,造成了白垩系与新生界之间的不连续,以及河西走廊及其邻区上白垩统的缺失。

在上述区域地质背景下,位于甘肃盆地西北部边缘的古浪县南部,下白垩统为厚度上千米的河口群构成。该剖面的下白垩统河口群,总体上为一套粗碎屑岩系沉积组成的地层学列,形成了一套较为特别的陆相层序地层序列,这些陆相层序特殊的沉积相构成,不但代表了在“非常规体系域”概念框架下(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)构造作用控制的陆相层序样式,而且成为窥视祁连山隆升过程的沉积学响应典型的物质记录。

2 十八里铺剖面下白垩统的层序地层序列

经过数十年的探索和研究,层序地层学方法体系可以概括为四个步骤(Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)：①观察叠置趋势和地层终止；②应用叠置型态和/或地层终止型态去解释层序地层界面；③应用界面、叠置型态以及地层几何形态去识别体系域；④应用界面和体系域去定义层序。层序地层界面和体系域的解释,不是基于与局部或全球旋回表的推测性对比,更多的是依靠露头、测井和地震资料中地层叠置型态和相关关系所表征的沉积趋势的观察(Van Wagoner et al.,1990；Van Wagoner,1995；Posamentier and Allen, 1999；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al.,2009)；一旦完成了这些资料所蕴含的地层学特征和沉积学属性的识别,层序界面和体系域形成的相对时间进程,就可以根据基准面旋回的阶段或特殊事件来加以解释。就像Weller在1930年的研究所展示的那样,不整合面限定的地层单位在很早以前就在陆相地层之中识别出,但是,一直到今天,层序地层学原理只能在有限的范围内应用到陆相地层之中,原因是陆相沉积的形成过程常常与极为广泛的异成因和自成因过程相响应,诸如气候、构造活动之类的异成因过程,以及河道改道之类的自成因过程；再者,上游控制的河流背景之中,不存在海侵沟蚀作用或强迫型海退作用之类的沉积过程,但是,陆上不整合面更为普遍,从而可以用来定义层序界面并划分层序(Gibling et al., 2005)。鉴于海侵作用和海退作用之类的概念不能使用,但是,在区域对比之中非常规体系域的概念体系,即“低容纳空间体系域”以及“高容纳空间体系域”的概念框架(Bridge,2006；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al., 2009；Ghazi and Mountney,2009；梅冥相,2010；吴因业等,2010；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),则可以较好地应用来划分和识别河流相地层及其相关的陆相沉积的体系域(Olsen et al., 1995；Martinsen et al., 1999；Arnott et al., 2002；Zaitlin et al., 2002；Leckie et al., 2004)。这种体系域的概念框架,可以通过河流构架单元的比例来加以定义,聚合河道沉积的存在被解释为代表一个低可容纳空间的背景；与之相反的是以泛滥平原占优势的序列,包括湖泊沉积的发育,则被解释为形成在高可容纳空间阶段中。在低和高可容纳空间之间的河道聚合作用的变化程度,不需要伴随着地形梯度和河流形式的变化,它可能纯粹是在变化的可容纳空间的条件下,河流过程及其相关的沉积作用的表现。虽然甘肃古浪十八里铺剖面下白垩统河口群的层序地层序列还存在更加复杂的气候与构造响应机制,但是,上述基本理念还是可以较好地应用在河口群的层序地层划分中。

甘肃古浪县十八里铺剖面的下白垩统河口群,位于古浪县城南部约30 km的十八里铺村一带,下白垩统为厚度上千米的河口群所组成(图2),与下伏的奥陶系变质岩系地层呈角度不整合接触,其顶部为第四系角度不整合覆盖,粗碎屑沉积如冲积扇与洪积扇砾岩、辫状河砂砾岩等,代表了该剖面的河口群沉积在兰州盆地湖盆边缘的特点(甘肃省地质矿产局,1989；杨雨,1997；张二朋等,1998；王崇孝等,2005；潘良云等,2006；唐玉虎等,2008；陈军等,2013),而且成为内陆盆地粗碎屑岩系中识别与划分三级层序的典型实例。

如图2所示,古浪十八里铺剖面的河口群,下部为一套带紫色色调的粗碎屑岩系(1到10层；图2d所示),代表了潮湿气候背景下的沉积；上部为红层沉积(11至19层；图2a至2c所示),尤其是图2c所示的风成砂岩的发育,代表了干旱气候背景下的沉积。该剖面的河口群,可以进一步划分为5个三级层序,很明显,这些三级层序为构造控制下的基准面旋回的产物；但是,河口群从潮湿气候演变到干旱气候的变化过程,与构造演变过程,尤其是与古祁连山白垩纪的隆升过程之间存在明显的耦合关系。

图2 甘肃古浪十八里铺剖面下白垩统河口群的沉积相序列及层序地层划分Fig. 2 Successions of sedimentary facies and sequence-stratigraphic divisions for the Hekou Group of the Lower Cretaceous at the Shibalipu section in Gulang County, Gansu Province 在图中,1至19代表河口群的分层；图右的照片表示了河口群的主要沉积特征和现象：(a)为发育在河口群顶部第19层中的干旱湖泊相砖红色泥岩；(b) 第14层中的砖红色风成砂岩；(c)第16层中的块状淡红色洪积扇砾岩；(d)第5层紫色色调的辫状河沉积。河口群可以进一步划分为5个层序,这些层序为低可容纳空间体系域(LAST)和高可容纳空间体系域(HAST)组成；在岩性柱状图中,C代表砾岩、S代表砂岩、M代表泥岩的粒径大小 In theFigure, from 1 to 19 refer to the bed number of the Hekou Group. Images in the right side show chief sedimentary features and depositional phenomena in the Hekou Group: (a) brick-red mudstones of the arid lacustrine facies in the 19th bed; (b) brick-red eolian sandstones in the 14th bed; (c) rosiness and massive conglomerates of the pluvial-fan facies; (d) purple deposits of the braided river in the 5th bed. The Hekou Group can be further subdivided into five sequences that are made up of both the low accommodation system tract (LAST) and the high accommodation system tract (HAST). In the lithological column, “C” refers to the grain size of the conglomerate, “S” represents the grain size of the sandstone, and “M” delegates the grain size of mudstone

总的来讲,河口群中的每一个三级层序,形成在一个基准面逐渐上升过程之中,每一个层序的形成过程,代表了一个从低可容纳空间到高可容纳空间的演变过程,组成总体向上变细的沉积序列,代表了一个山前凹陷的快速填充过程的产物,符合许多学者(如Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡导的陆相层序地层模式,尤其是陆相层序的非常规体系域划分,如“低容纳空间体系域(LAST)”以及“高容纳空间体系域(HAST)”的概念(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)；但是,从低可容纳空间阶段的冲积体系到高可容纳空间阶段的湖泊体系所组成的沉积序列,以及这些沉积序列的反复叠加所构成的三级层序,又与前人所建立的、主要基于河流沉积的“非常规体系域”概念框架下的陆相层序样式存在较大差异,从而代表了一个特殊构造背景和气候背景下的碎屑沉积物的堆积过程所产生的特别的陆相层序地层样式。河口群中的三级层序,低可容纳空间体系域主要为冲积体系的粗碎屑沉积物所组成,包括冲积扇和辫状河沉积；高可容纳空间体系域主要为湖泊相细粒沉积所组成,尤其是在河口群上部三级层序(即层序4与层序5)中的高可容纳空间体系域的下部(第14层和第18层),发育构成滨湖相砂丘的风成砂岩,与图2a所示的干旱湖泊相泥岩一起,代表了干旱气候背景下的沉积特征。因此,河口群下部潮湿气候背景下形成的3个层序(层序1至层序3),与上部干旱气候背景下形成的两个层序(层序4和层序5)一起,组成一个特别的层序地层序列,该序列不但受控于气候背景和条件的时间演变,而且也受控于构造背景的演化；再考虑到整个河西走廊及其邻区上白垩统的整体缺失或大部分缺失,那么,图2所示的古浪县十八里铺剖面下白垩统河口群的层序地层序列,与白垩纪时期祁连山隆升过程存在着复杂的耦合关系。

3 层序的体系域构成

3.1 河口群下部的层序

如图2所示,河口群下部的3个层序,其基本相序构成是：① 冲积扇扇块状砾岩地层以及辫状河砂砾岩地层组成三级层序的低可容纳空间体系域(LHST)；② 湖泊沉积体系的砂泥岩地层组成三级层序的高可容纳空间体系域(HAST),构成这些层序的沉积物的紫色色调代表了潮湿气候背景下的沉积特征。

在河口群下部,构成三级层序底部的冲积扇块状砾岩,砾石成分多为石英岩、石英砂岩和变质岩,而且为中细粒和少量中粗粒砾石所组成,砾石大小在0.5 ～10 cm之间(图3c和3d),次圆状到次棱角状的砾石之间填充了较多的砂质物,表现为杂基支撑的特点,砾石较为复杂的组分表明了来源于祁连山的古生代变质岩地层及其中发育的侵入岩,多为紫色的色调显示出潮湿气候背景下的沉积特征,这些杂基支撑的砾岩应该解释为席状洪水形成的碎屑流之类的冲积扇沉积,其中较大的碎屑作为底荷载移动,然而较为细粒的砂质沉积物可能以悬浮作用形式搬运(Blair and McPherson 1994；Leleu et al.,2009)。由于形成在潮湿气候条件下,水流充足而且作用较为充分,所以在冲积扇中总是残留有河流作用的痕迹,图3d和3e所示的块状冲积扇砾岩中的交错层理砂岩透镜体,代表了辫状河河流的河道在整个冲积扇的表面迁移的特点,从而将块状冲积扇砾岩分成若干的正粒序序列,代表了冲积扇表面局限于辫状河道的水流作用特征。构成三级层序低可容纳空间体系域(LHST)上部的沉积,主要是辫状河沉积(图2d以及图3a和3f所示),厚层块状的砾岩层与含砾粗砂岩组成辫状河河道沉积,构成辫状河泛滥平原沉积部分的沉积物是发育砂岩透镜体或透镜层的砂泥岩沉积,而且从下向上泛滥平原的细粒沉积物逐渐变厚,不但代表河流作用的能量水平在降低,而且最终演变为图3b所示的湖泊相砂质泥岩。

图3 甘肃古浪十八里铺剖面河口群下部的沉积特征Fig. 3 Images showing sedimentary features for the lower part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County, Gansu Province (a) 代表了河口群第二层序的顶界面(箭头所指),界面之下为湖泊相泥岩夹砂岩地层,界面之上为辫状河河道块状粗砂岩和含细砾粗砂岩,这些块状含砾砂岩的相对集中发育代表了河道砂岩的聚合作用特征；(b) 河口群上部的湖泊相紫色泥岩和砂质泥岩沉积,组成第三个三级层序的高可容纳空间体系域；(c) 河口群底部的冲积扇砾岩,构成第一个三级层序的低可容纳空间体系域的下部沉积单元；(d) 为块状冲积扇砾岩[如(c)图所示]中的交错层理砂岩透镜体；(e) 为(d)图的交错层砂岩透镜体的放大近照；(f) 河口群第2层中的辫状河沉积序列(箭头所指),厚层中细粒砾岩和含细砾粗砂岩组成河道沉积,夹砂岩透镜体的紫红色中薄层砂质泥岩构成辫状河的泛滥平原沉积。 河口群的层序划分和地层分层见图2所示 (a) A sequence boundary (the arrowed) for top boundary of the second sequence within the Hekou Group, below the boundary are developed mudstones interbedded with sandstones, above the boundary are massive course sandstones and pebbly sandstones that demonstrate the amalgamation of river-channel sandstones; (b) purple mudstones and sandy mudstones that constitute the HAST unit of the third sequence within the Hekou Group; (c) delegates conglomerates developed in the bottom part of the first sequence of the Hekou Group, which make up the lower part of the LAST; (d) refers to cross-bedding sandstones within the massive conglomerates as shown in Photo (c); (e) the enlarge of the Photo (d); (f) the depositional succession of the braided river (the arrowed) within the 2nd bed of the Hekou Group, the thick-bedded medium to fine conglomerates and pebbly sandstones make up the braided-river channel deposits, and amaranth medium to thin-bedded sandy mudstones with lens of sandstone make up the flood-plain deposits. Sequence-stratigraphic division and stratigraphic layering for the Hekou Group are same to those as shown inFig. 2

河口群下部的3个层序,其层序界面总是表现为冲积扇砾岩或辫状河砂砾岩地层底部的大型冲蚀面(图3a所示),层序界面的形成过程对应于基准面下降过程(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),所以说,这些层序形成在一个基准面逐渐上升的过程之中,每一个层序的形成过程代表了一个从低可容纳空间体系域的冲积体系到高可容纳空间体系域的湖泊体系的演变过程,最终形成总体向上变细的沉积序列,代表了一个山前凹陷的从快速填充过程到均衡沉积过程的演变。

3.2 河口群上部的层序

如图2所示,河口群上部主要为一套红层沉积所组成,这套红层沉积组成两个三级层序即河口群层序4和层序5,实际上,层序3顶部的干旱湖泊相泥岩(第11层)也属于红层,但是,它组成层序3高可容纳空间体系域(HAST)的顶部沉积单元。

在河口群上部层序中,构成这些层序的低可容纳空间体系域(LAST)的是洪积扇砾岩(图2c和图4a所示),这些洪积扇块状砾岩,砾石成分多为石英岩、石英砂岩、灰岩和变质岩,多为中细粒砾岩和角砾岩,砾石大小在5 mm～10 cm之间,棱角状到次棱角状的砾石之间填充了较多的砂泥质物,从而显示出杂基支撑的特点(图4a所示),砾石较为复杂的组分表明了来源于祁连山的古生代浅变质岩地层及其中发育的侵入岩,红色的色调代表了干旱气候背景下的沉积特征,这些砂泥杂基支撑的砾岩和角砾岩,可以解释为席状洪水形成的泥石流之类沉积组成的洪积扇沉积,其中较大的碎屑作为底荷载移动,然而较为细粒的物质可能以悬浮作用形式搬运(Blair and McPherson 1994；Leleu et al.,2009),从而与河口群下部的潮湿气候背景下的冲积扇砾岩(图3c至3e所示)在沉积组构上形成一些差异,包括：① 更差的分选性；② 砾石间的填充物含有更多的泥质物；③ 更大的单层厚度,可达数十米(图2c所示)。在河口群上部层序中的LHST单元中,常常叠加在洪积扇砾岩之上的是砾质辫状河沉积(图4b),然后向上演变为砂质辫状河(图4c),表现为河流作用的能量水平逐渐减弱的特点,构成这些辫状河泛滥平原的沉积多为紫红色中厚层或中薄层砂质泥岩或泥岩,较为特殊的红色色调代表了较为干旱的气候背景下的沉积特征。

河口群上部的三级层序的HAST单元,主要为图2a所示的干旱湖泊相泥岩和砂质泥岩所组成,在LHST的冲积沉积体系向HAST的湖泊沉积体系的转换过程之中,常常发育风成砂岩(图2中的第14层和第18层；图2b和图5所示),这些发育风成砂岩的地层组成了干旱气候条件下较为典型的滨湖相风成沙丘,与图2a所示的干旱湖泊相泥岩和砂质泥岩一起组成河口群上部层序的HAST单元,代表了更加典型的干旱气候背景下的沉积作用特征。

图4 甘肃古浪十八里铺剖面河口群上部的沉积特征Fig. 4 Images showing sedimentary features for the upper part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County of Gansu Province (a) 图2所示的第12层中的块状洪积扇砾岩和角砾岩; (b) 图2所示的第13层下部的中高能砾质辫状河沉积序列; (c) 图2所示的第13层上部的中低能砂质辫状河沉积序列 (a) shows the massive conglomerates and breccias of the pluvial-fan facies developed in the 12th bed of the Hekou Group as shown inFig. 2; (b) represents the depositional succession of the medium to high-energy braided river deposits developed in the lower part of the 13th bed in the Hekou Group; (c) delegates the medium to low-energy braided river deposits developed in the upper part of the 13th bed in the Hekou Group as shown inFig. 2

总的来讲,就像河口群下部的层序那样,河口群上部的层序主要形成在一个基准面逐渐上升的过程之中,每一个层序的形成过程代表了一个从低可容纳空间到高可容纳空间阶段的演变过程,组成总体向上变细的沉积序列,代表了一个山前凹陷的从快速填充过程演变到均衡填充过程的产物,大致符合许多学者(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001； Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡导的陆相层序地层模式。也就是说,构成LAST单元的冲积沉积体系(洪积扇以及辫状河粗碎屑沉积)、以及组成三级层序HAST单元的湖泊沉积体系(在干旱气候背景下的滨湖相风成沙丘和干旱湖泊细粒沉积),它们堆积所需的沉积物可容纳空间,实际上与区域构造活动和特殊气候效应相关的复杂过程存在成因联系,这个复杂过程包括：① 能够调节沉积物供应量以及河流横剖面梯度的、并且作用在盆地内河流物源区之间的差异性构造运动；② 能改变河流排泄和沉积物荷载平衡的气候旋回；③ 造成非沉积作用期、最终形成层序界面的基准面下降过程。虽然在各种各样的沉积作用背景之中(如海滩、河流和冰水沉积平原和火山岩地区)均存在风成过程,而且风成过程会受到各种气候条件的影响,但是,风成过程的产生和出现总是与炎热和寒冷气候背景中的干旱气候条件存在成因关联(Mountney,2006；Nichols,2009；Marshall et al.,2012)；所以,河口群上部层序的HAST单元下部的风成砂岩序列,不但受到特殊的区域构造背景的控制,而且还受到白垩纪特殊的温室效应时期全球大气环流格局下的行星风系的控制,最终将提供重要的古环境变化信息,成为窥视祁连山白垩纪隆升过程、以及了解青藏高原形成与环境效应的沉积学响应。

3.3 河口群上部风成砂岩的特征和意义

如图5所示,构成河口群上部层序HAST单元下部沉积的风成砂岩,以第14层中的块状砖红色砂岩最为典型(图2a和5a所示),属于形成在湖泊沉积初期地下水面较高、相对较为潮湿的沉积底层上的风成沙丘沉积。这些风成砂岩,主要为胶结疏松的中细粒细砂岩(图5b),显示出风成砂岩较为典型的“小米种子(millet seed)”结构(Mountney,2006),多为红色和砖红色色调,表现为炎热干旱气候条件下的产物；在显微镜下,这些风成砂岩表现为较好的分选性和磨圆度(图5c至5f所示),而且多为石英砂所组成,颗粒多为次圆状至次棱角状,砂颗粒主要为钙质沉积物胶结(图5d和5f所示)。如图2b和5a所示,这些风成砂岩,多为块状层,单层厚度常常超过10 m,最为重要的特征是缺乏特征性的大型风成交错层理,这个特征类似于Loope 等 (1999) 在蒙古白垩纪风成砂岩中所论述的现象,表明了以下特征化的沉积作用过程所形成的特殊沉积构造[就像钟建华和梁刚(2009)所强调的那样]：在强降雨事件期间,发育在较浅的、而且沿着背风斜坡向下延伸的方解石带顶面栖留的地下水面,在风成砂丘中将会产生平移式滑动,高地势起伏的地形要素(可以通过生长在干旱期的大型风成砂丘所提供)会加剧这种特别的滑坡过程,这种滑动过程将转化成快速移动的沉积物重力流,这些沉积物重力流将在沙丘的斜坡和沙丘间堆积下来；实际上,图5d和5f所示的钙质沉积物胶结的风成砂岩也映证了这个作用特征。在河口群上部,覆盖在辫状河沉积上的风成砂岩,类似于Simpson 等(2008)在犹他州Kaiparowits盆地上白垩统Wahweap组的覆盖层砂岩段(capping sandstone member)中所描述的沉积学现象：① 河流砂坝的风成改造过程,将发生在低水流阶段而且受到间歇性(季节性的)排泄量变化的控制；② 得到延长的干旱条件的发育,将导致进入风成体系的砂质沉积物的供应量增加,并造成沙丘成核并快速生长在辫状河体系之间；③ 从河流到风成的变化,可能与发生在季节性时间框架内的朝向干旱或半干旱气候的短周期变化过程之中,而且这个短周期变化又发生在长周期气候变化中。但是,在河口群上部,从洪积扇、经辫状河变化到风成砂岩和干旱湖泊泥岩的沉积相序列所构成的三级层序,不能用季节性的排泄量变化来加以解释,这种特殊的风成砂岩序列可能代表了特别的区域构造背景和气候背景演变的沉积过程和响应机制。

4 层序地层序列的形成机理和响应机制

综上所述,古浪地区的下白垩统河口群,总体上表现为两个阶段的沉积：下部潮湿气候背景下的沉积和上部干旱气候背景下的沉积。如果将河口群下部构成三级层序LAST单元的冲积扇砾岩和辫状河沉积、以及HAST单元中的滨浅湖砂泥岩地层的紫色色调,将其归为潮湿气候背景下的沉积,那么,河口群上部的红层地层组成的风成砂岩序列,则应该代表一个炎热干旱背景下的沉积序列。所以说,古浪地区的下白垩统河口群,特殊的沉积相构成所表征的层序地层序列,尤其是图5所示的风成砂岩在河口群上部的发育,成为在白垩纪典型温室效应时期特别的大气环流格局控制下,同时也受控于特别的区域构造背景演变所控制的陆相层序地层序列。

图5 甘肃古浪十八里铺剖面河口群上部的风成砂岩Fig. 5 Images showing sedimentary features for the eolian sandstones in the upper part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County of Gansu Province (a) 块状风成砂岩；(b) 风成砂岩近照,表现较为特征的“小米种子”结构,箭头所指为石英岩组成的风棱石；(c)、(d) 中细粒砂岩,(c)为单偏光照片,(d)为正交光照片,箭头所指为钙质胶结物；(e)、(f)风成细砂岩,(e)为单偏光照片,(f)为正交光照片,箭头所指为钙质胶结物。这些风成砂岩均产在图2所示的河口群第14层中,构成河口群层序4的高可容纳空间体系域的下部单元 (a) Massive eolian sandstones; (b) the near image of eolian sandstones as shown in Photo (a), which demonstrate the “millet seed” texture, and the arrowed is the ventifact; (c), (d) the images of medium to fine-grained sandstones under microscope, (c) is the micrograph under the monopolarized light and (d) is the micrograph under the orthogonal light; (e), (f) are the images of fine-grained sandstones under microscope, (e) is the micrograph under the monopolarized light and (f) is the micrograph under the orthogonal light; In the images of both Photo (e) and Photo (f), the arrowed are the calcareous cement. These aeolian sandstones are developed within the 14th bed of the Hekou Group, and make up the lower unit of the HAST the fourth sequence

古浪十八里铺剖面下白垩统河口群的层序地层序列(图2),其中所包括的层序的形成机制尽管符合许多学者(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡导陆相层序地层模式,尤其是陆相层序的非常规体系域划分如“低容纳空间体系域(LAST)”以及“高容纳空间体系域(HAST)”的概念框架(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009),但是,由于在河口群上部层序的高可容纳空间体系域中发育风成砂岩,所以,河口群层序地层序列将代表了一个特别的形成和响应机制。也就是说,构成LAST单元的冲积沉积体系(冲积扇或洪积扇以及辫状河沉积)、以及组成三级层序HAST单元的湖泊沉积体系,它们堆积所需的沉积物可容纳空间,尤其是针对河口群上部发育风成砂岩的层序4和层序5,实际上为区域构造活动和特殊气候效应相关的复杂过程所产生,这个复杂过程包括：① 能够调节沉积物供应量以及河流横剖面梯度的、作用在盆地内河流物源区之间的差异性构造运动；② 能改变河流排泄和沉积物荷载平衡的气候旋回；③ 造成非沉积作用期、最终形成层序界面的基准面下降过程。因此,图2所示的河口群的层序地层序列,应该解释为早白垩世祁连山隆升过程从早期的幕式均衡隆升过程、向晚期的快速隆升过程的沉积学响应,河口群上部的红层序列以及其中所发育的风成砂岩,可能代表了祁连山快速隆升过程所造成的 “雨影效应”在山前凹陷产生对应的焚风效应的结果和产物。因此,河口群的堆积过程和响应机制大致可以包括以下3个阶段。

第一阶段,祁连山幕式均衡隆升阶段的沉积响应特征。该阶段是指河口群下部的沉积时期,伴随着祁连山的加载过程和持续隆升,在山前的兰州盆地边缘地带,将对应着地壳挠曲沉降而产生的沉积物可容纳空间,由于隆升的高度不足以产生雨影效应和山后的焚风效应(Sellwood and Valdes,2006；江新胜等,2012),西南方向的夏季季风所带来的暖湿气流将造成较大的降雨量,因此,较大的河流径流量在山前凹陷形成了冲积扇和辫状河粗碎屑物沉积,这些粗碎屑物沉积组成了河口群下部层序的LAST单元。随着祁连山的继续隆升及其所对应的山前坳陷的继续下沉,最终将在山前发育湖泊环境,堆积细粒沉积并构成层序的HAST单元；而且伴随着祁连山加载隆升过程的强度的减弱,在山前会造成地壳的均衡反弹和上升,造成湖泊的消失和基准面上升、并产生地层间断,结果就形成图3a所示的层序界面。上述过程的幕式发育,最终形成图2所示的河口群下部的3个三级层序,即河口群层序1至层序3。

第二阶段,祁连山快速强烈隆升阶段的沉积响应特征。随着祁连山的继续隆升并进入快速隆升期,当隆升到一定高度并阻止了西南方向的夏季季风向北运移的时候,祁连山隆升过程所造成的“雨影效应”将在山前凹陷的古浪地区产生明显的焚风效应,从而造成一个炎热干旱的区域性气候条件,形成以发育滨湖相风成沙丘为特征的三级层序的HAST单元。正是在白垩纪这种较为强烈的温室效应时期,受控于祁连山隆升的区域性气候变化以及河流径流量变化的结果,就形成了河口群上部的两个三级层序(图2中的河口群层序4和层序5)。就像Hallam (1985)指出的那样,晚侏罗世干燥性气候在欧亚大陆南部的扩展,可能是区域构造运动所造成,即冈底斯地块与北方大陆的碰撞拼接,造成了青藏高原的一定幅度的隆升而产生了雨影效应,并在青藏高原东北方向即欧亚大陆南部产生焚风效应而造成了干燥性气候的扩展(Skelton,2003；Sellwood and Valdes,2006)；类似的状况发生在河口群上部地层的沉积时期,祁连山的更加强烈的加载隆升过程已经隆升到一定高度,从而阻止西南夏季季风穿越祁连山或青藏高原东北部,所以在祁连山山前凹陷产生明显的焚风现象而最终造成一个区域性的干旱气候条件,沉积了河口群上部引人注目的红层沉积,在干旱湖泊的边缘发育更多的滨湖相风成砂丘。

第三阶段,晚白垩世祁连山卸载过程的沉积学响应和地层学效应。在早、晚白垩世之交,伴随着全球进入了一个岩石圈异常活跃的时期,高速的大洋扩张和大型火成岩省的发育是该时期的主要特征(Skelton,2003；Sellwood and Valdes,2006；王成善等,2009a)；在这样的全球构造背景下,作为青藏高原东北缘边界的祁连山,有可能从早白垩世的加载隆升过程逐渐转变成一个卸载过程。伴随着祁连山的卸载过程,祁连山山前早白垩世沉积盆地的分布区域(图1所示),可能从早白垩世的山前挤压挠曲沉降背景、逐渐转变为一个均衡地壳反弹的特殊构造背景,这个均衡地壳反弹的背景最终造成区域性地壳抬升,结果,在在河西走廊及其邻区不发育或者只有少量发育晚白垩世的沉积(甘肃省地质矿产局,1989；杨雨,1997；张二朋等,1998；郭宪璞等,2011；曹珂,2013；陈军等,2013)。

5 结论

甘肃古浪十八里铺剖面的下白垩统河口群,为一个从潮湿气候背景演变到干旱气候背景的层序地层序列所组成,代表了祁连山白垩纪隆升过程从均衡幕式隆升演变到强烈快速隆升过程的沉积学响应,河口群上部风成砂岩的发育或多或少地代表了祁连山隆升过程产生的雨影效应的特征和产物。在早、晚白垩世之交,伴随者全球进入一个岩石圈活跃期,祁连山及其相连的青藏高原东北缘逐渐演变成一个卸载过程,山前的河西走廊及其邻区则经历了一个地壳均衡反弹而进入地壳抬升的过程,结束了早白垩世地层堆积作用的历史,最终在研究区域及其邻区造成了上白垩统的缺失。因此,甘肃古浪十八里铺剖面的下白垩统河口群的层序地层序列,是特殊的全球气候与构造背景(白垩纪世界)、与区域构造活动双重控制下的特殊产物,成为较为特征化的祁连山加载隆升过程的沉积学响应。