西秦岭岷县地区红层砂岩成因分析

惠浪波，郭进京，赵海涛，王利晓

(天津城建大学地质与测绘学院，天津　300384)



西秦岭岷县地区红层砂岩成因分析

惠浪波，郭进京，赵海涛，王利晓

(天津城建大学地质与测绘学院，天津300384)

岷县西江盆地红层地层为上白垩统磨沟组，这套地层底部为一套紫红色厚块状砾岩，砾岩上部为厚度巨大的红层砂岩。本文试图通过对这套砂岩的研究，揭示其成因背景，对恢复晚白垩世西秦岭岷县地区古地理具有重要意义。根据岷县地区红层砂岩良好出露剖面测绘和取样资料，从沉积序列特征、粒度特征、石英颗粒表面特征方面对其成因进行分析。研究表明，这套砂岩厚度大，岩层中发育薄砾石层与干河床沉积物夹层，薄砾石层中砾石具沙漠漆等特征。粒径相对集中，缺乏粉砂和粘土组分，以中砂、细砂、极细砂组分为主。石英颗粒磨圆度好，表面发育碟形和新月形坑、溶蚀坑、硅质薄膜等典型特征。综合各种特征，认为这套砂岩为干热气候环境下风沙活动的产物。

西江盆地；SEM；粒度；石英颗粒表面特征

现今西秦岭地区白垩纪红层分布广泛，但不连续，主要包括西和-礼县盆地、武山的滩歌盆地、宕昌的哈达铺盆地、车拉盆地、牛顶山盆地、岷县的西江-梅川盆地等，自下而上分为磨沟组和车拉组两个岩组，其时代厘定为晚白垩世构造层[1,5]。磨沟组总的沉积序列为下部紫红色厚层块状砾岩，上部为砖红色中-厚层状砂岩、砾岩；车拉组为浅紫红色含砾粗砂岩、砂砾岩、砖红色细砂岩、泥岩[5]。岷县西江盆地是西秦岭造山带内一个具有代表性的白垩纪红层盆地，由于构造运动的发生和侵蚀程度的差异，这套红层地层保存不尽完整。西江盆地红层地层为上白垩统磨沟组,其底部紫红色厚块状砾岩与下伏石炭系巴都组呈清晰的角度不整合。在砾岩之上为一套砖红色厚层状砂岩，即红层砂岩地层。

现有研究表明，白垩纪以来西秦岭进入陆内构造演化阶段[2-4]。西秦岭晚白垩世红层盆地为走滑拉分盆地，现今空间分布特征为统一盆地，形态为长轴、呈北西向、长宽比约为1∶2的四边形，总体产状平缓，地层倾角多小于20°，多分布在平缓的山顶面之上[1]。西秦岭上白垩统与下伏地层角度不整合面之上缺乏铁铝风化壳物质残存，其上的含砾砂岩、砂岩均具有风成砂的特征，指示西秦岭在晚白垩世初期为干旱炎热的沙漠环境。同时西秦岭当时地貌已基本处于起伏有限的平坦面貌，特别是晚期演变成为统一的盆地面貌[7]。

综上所述，这套红层砂岩成因问题是研究西秦岭晚白垩世沉积构造环境和构造地貌状态及现今应对其工程和环境治理问题的基础，但目前对西秦岭地区白垩纪红层地层中的砂岩研究(尤其是成因问题)较少。为此，本文结合前期研究基础，以西秦岭岷县地区上白垩统红层地层为研究区域，以岷县西江盆地上白垩统磨沟组红层砂岩为研究对象，通过现场对出露良好的婆婆庄剖面进行测绘、砂岩样品的室内粒度分析、SEM分析，并与现代沙漠风成砂对比，分析这套砂岩的成因，以期从本质上认识这套砂岩，为进一步研究西秦岭晚白垩世沉积构造环境和构造地貌状态提供基础和理论支持，同时为西秦岭中—新生代陆内构造演化过程研究提供参考。

图1岷县西江-梅川盆地区域地质略图

Fig.1Simplified geological map of the Xijiang-Meichuan Basin, Minxian,Gansu

1　区域地质背景

在岷县地区，上白垩统红层分布较为广泛，但不连续，为断续分布，表现为被一系列不整合界线所包围并与周边不同时代的地层块体相区分。地层沉积序列由于侵蚀程度差异，保存的完整程度也有差异。西江盆地上白垩统磨沟组发育较为完整，盆地呈NW-SE向展布，长约16km，宽约3.5km。盆地西北与东南为石炭系巴都组，东北部为二叠系，南部为泥盆系，东南缘有石炭系与二叠系的交互出露(图1)。这套红层地层与下伏地层的角度不整合面清晰，不整合面之上为一套上白垩统紫红色厚块状砾岩，砾岩上部为砖红色厚层状砂岩，在西江盆地出露十分明显，厚度巨大，在100m以上。这套砂岩不仅粒度较细、非常均匀、结构疏松并且还发育薄砾石层(图3a)和具透镜状构造的灰绿色含砾粗碎屑沉积物(图3b、d)与厚层状细砂岩成互层出现，为上白垩统良好的标志层。西江盆地这套红层地层构造形态为开阔向斜褶皱，构造线方向为北西向。其两翼产状分别为：倾向50°，倾角56°，产状较陡；倾向210°，倾角24°，产状较缓。这套砂岩的顶部被近水平的新近系甘肃群砂砾岩、红色粘土岩等角度不整合覆盖(图2a)。西江盆地婆婆庄剖面这套厚层状砖红色细砂岩露头良好，是这次研究的目的层段，对其进行了详细的野外测量和岩相岩性组合及相序的综合分析和重点研究(图2b)。

2　上白垩统砂岩的地质特征

白垩纪以来，西秦岭进入陆内构造演化阶段[2-4]，所发生的沉积事件均为陆相沉积。现今西秦岭地区上白垩统红层分布广泛，但不连续，岷县西江盆地上白垩统磨沟组就是其中之一。西江盆地上白垩统磨沟组婆婆庄剖面出露良好，底部紫红色厚块状砾岩与下伏石炭系巴都组呈清晰的角度不整合，在砾岩之上为一套砖红色厚层状砂岩。这套砖红色厚层状砂岩是本次研究的对象。为了研究这套砂岩的成因环境，我们对剖面进行了仔细观察和实测，分析其沉积序列特征。自下而上在不同层位采集了5组砂岩样品(图2b)，对其颗粒粒径、粒度参数、分选性、磨圆度、表面特征进行分析，并根据上述砂岩地质特征判别其沉积环境。

图2西江盆地构造剖面简图

a.婆婆庄剖面A-B；b.西江盆地剖面C-D

Fig.2Schematic architectures of the Popozhuang section (a) and Xijiang Basin section (b) in the Xijiang Basin, Minxian

2.1砂岩沉积序列特征分析

通过对婆婆庄剖面测绘(图2b)可知，这套红层砂岩的岩层产状近于一致，岩层在较大范围内为砖红色厚层细砂岩(图3c，e，f)，厚度在100m以上(图3g)。这套砖红色厚层细砂岩沉积序列的底部即磨沟组底部砾岩之上多发育薄砾石夹层(图3a)；向上为砖红色厚层细砂岩，中间被两套厚度较薄、产状近于一致的、具透镜状构造的灰绿色含砾粗碎屑沉积物(图3b，d)分割，灰绿色含砾粗碎屑沉积物与砖红色厚层细砂岩(一般大于10m)呈互层产出(图2b);再向上为砖红色厚层(大于10m)细砂岩(图3e)，偶有薄砾石夹层。薄砾石层中砾石之间被砖红色细砂岩充填，为冲刷充填构造。砾石边角清晰圆滑(图3h)，具有红棕色、灰黑色光亮的氧化薄膜，显示出沙漠漆的特征，表面撞击麻坑清晰可见(图3i)。灰绿色粗碎屑沉积物主要为含砾中粗砂岩，水流层理发育，呈透镜状构造包裹于砖红色厚层细砂岩之中，底部冲刷界面明显，为干河床沉积物；再上部的砖红色厚层细砂岩中可见数毫米水平纹层(图3e)。这套砂岩成分、结构、颜色、形状在剖面上差异很小，结构疏松，粒度均匀，层理不明显，上覆地层为新近系甘肃群。

2.2 砂岩粒度特征分析

从粒度分布直方图特征可以看出，在测试的5组样品中，中砂、细砂和极细砂为主要物质，含量占比为69.4%～97.76%。其中以中砂和极细砂为主，含量占比达54.92%～78.68%；砾石和巨砂含量极少，几乎为零；粗砂含量相比也很少，质量占比在1.43%～13.45%；粉砂、粘土有一组含量达到16.21%，其余4组含量小于1.5%(图4)。砂岩粒度频率曲线有4组为双峰，中砂和极细砂两者的分选性好，质量占比远高于其它且这两者相差不大，其次为细砂；剩余一组为单峰，极细砂含量较高。从表中(表1)可以看出，西江盆地婆婆庄剖面砂岩与塔克拉玛干沙漠沙垄迎风坡风成砂粒度级配较接近。风成砂沉积主要沉积物为风成砂，粘土含量低，频率曲线为单峰，若为双峰，就有两种分选好的砂粒存在[6]，风积物粒度在2mm以下[8]。剖面砂岩基本不含粉砂和粘土组分，砾石和巨砂含量几乎为零，粗砂含量也很少。粒度集中，粒度分布特征与现代塔克拉玛干典型风成砂粒度分布特征较接近，砂岩粒度分布特征与典型风成砂沉积比较一致。

风沙运动以跃移运动为主要形式，跃移粒径主要为0.1～0.5mm[10]。从概率累积曲线(图5)特征来看，跳跃总体由两个线段构成，较粗线段斜率较高，

图3西秦岭岷县西江盆地上白垩统磨沟组砂岩野外特征

a.婆婆庄剖面砖红色细砂岩夹薄砾石层；b.婆婆庄剖面砖红色细砂岩夹呈透镜状构造的含砾粗碎屑沉积；c.婆婆庄剖面砖红色块状细砂岩；d.婆婆庄剖面砖红色细砂岩夹灰绿色含砾粗碎屑沉积；e.婆婆庄剖面砖红色细砂岩显水平纹层；f.婆婆庄剖面砖红色厚层细砂岩；g.西江盆地上白垩统磨沟组婆婆庄沟出露特征；h.婆婆庄剖面砖红色细砂岩夹薄砾石层中砾石；i.婆婆庄剖面砖红色细砂岩夹薄砾石层中砾石

Fig.3Field pictures of the Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in the Xijiang Basin, Minxian

图4西秦岭岷县西江盆地上白垩统磨沟组婆婆庄剖面砂岩粒度分布直方图

Fig.4Histograms showing the grain size distribution of the sandstones from the Popozhuang section of the Upper Cretaceous Mogou Formation in the Xijiang Basin, Minxian

表1　西江盆地婆婆庄剖面砂岩与现代沙漠风成砂粒径对比(mm)

较细线段斜率较低，说明跃移粒径在较粗段较为集中；悬移总体斜率也较高，说明极细砂组分的分选较好。分选系数S0在2.45～3.86之间，分选性中等-好。跃移区间的两个次总体合并后的总体有一组约为50%，其余4组约占70%～76%。据现代沙漠的沉积观察发现，在干燥的沙漠地区，风速大于30m/s时，可将地面的细砾吹走，造成飞沙走石的现象。总的来说，在风力推移下的砾、砂运动速度较慢，推移物质数量亦少，大部分颗粒以跃移、悬移为主[9]。风沙运动以跃移运动为主要形式，在正常地面风力条件下，沉积物在3种搬运方式中以跳跃搬运为主(约占70%～80%)，其次为滚动(小于20%)，而悬浮很少(小于10%)[8]。婆婆庄砂岩粒度累积曲线特征也体现了典型风成砂所具有的特征。

图5西秦岭岷县西江盆地上白垩统磨沟组婆婆庄剖面砂岩粒度分布概率累积曲线

Fig.5Grain size probability accumulation curves for the Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in the Xijiang Basin, Minxian

通过表中(表1)数据可以看出，婆婆庄剖面砖红色细砂岩粒度均值与塔克拉玛干沙垄迎风坡沙粒粒度均值很靠近，标准偏差也比较接近。婆婆庄剖面五组数据中两组负偏，这与塔克拉玛干沙垄迎风坡风成砂粒度偏态均表现为负偏一致且数值相近。其余3组正偏，这与沙丘砂常表现为正偏态特点一致[11]。婆婆庄剖面5组砂岩样品粒度峰值在0.65～0.84之间，塔克拉玛干沙垄迎风坡沙粒粒度峰值区间在0.67～0.72，两者极为相近。根据福克等用KG值确定的等级界限：KG=0.67～0.9为平坦[11],婆婆庄剖面砂岩与塔克拉玛干沙垄粒度均属这一等级。相比之下，婆婆庄剖面砂岩峰值更大，KG=0.9～1.11，峰值界限确定为中等峰度，这与沙丘砂常表现为中等峰度的特点吻合[11]。综合上述粒度参数分析，婆婆庄剖面砂岩与塔克拉玛干沙垄迎风坡风成砂有着极为相近的粒度参数特征。婆婆庄剖面砂岩符合现代沙漠风成砂的粒度参数特征。

2.3砂岩石英颗粒表面显微特征

砂岩是机械沉积作用的产物，不稳定组分(如长石和岩屑)已被大量破坏、淘汰，而稳定组分石英却相对富集[14]。石英颗粒脱离母岩后，在搬运和沉积过程中受外界的影响，必然在颗粒表面留下搬运和沉积的痕迹[15]。石英颗粒的形态特征和表面微结构标志真实地记录其在沉积前后所经历的物理化学风化过程、搬运动力介质及沉积环境的特征。下面通过SEM测试对其进行分析。

样品制备：从剖面不同层位所取得的5组样品中各取结构松散砂样50g，用蒸馏水浸泡分别作如下处理：(1)加入少许NaCl充分分散砂样；(2)加30%过氧化氢煮沸10min氧化有机质；(3)过0.25～0.5mm)筛，选取直径为0.25～0.5mm砂岩颗粒5～10g，该粒级范围被认为基本是各种成因沉积物中的最活跃组分，表面结构成因组合发育齐全，比较灵敏和全面地记录其成因信息[16]；(4)将石英颗粒置于10%稀盐酸中煮沸约10min，然后用蒸馏水洗净后烘干，装入样品袋并编号；(5)在双目镜下挑选石英颗粒20～30颗；(6)将石英颗粒成行粘于导电胶上，置于标准真空镀膜机中镀上一层金粉；(7)将镀金样品贴于样品墩上，分别进行扫描电镜观察。样品的基本处理在天津城建大学地测学院土工实验室进行，测试在天津城建大学材料学院扫描电镜实验室进行。

在本次样品观测中，研究区砂岩石英颗粒普遍具有很高的磨圆度。根据鲍尔斯(1953)规定的圆度的形状和分级，可达4～5级圆状。电镜下颗粒表面呈毛玻璃状，与风成砂具有很高磨圆度和毛玻璃状表面的特征一致(图6A、B)。上翻解理薄片在本次样品中可见(图6O)，其并非风成环境所特有，但一般认为上翻解理薄片在风成环境中最为发育[17]。碟形、新月形撞击坑在本次样品中大量存在(图6A、

图6西秦岭岷县西江盆地上白垩统磨沟组砂岩颗粒表面特征

A.Q14143,磨圆石英颗粒,碟形撞击坑a;B.Q14143,碟形坑a,新月形b,V型坑c;C.Q14145,V型坑a;D.Q14136,碟形坑a;E.Q14136,碟形坑a;F.Q14146,碟形坑a,新月形b;G.Q14136,新月形a;H.Q14136,V型坑a;I.Q14145,新月形a,碟形b;J.Q14136,方向性溶蚀;K.Q14146,溶蚀坑a;L.Q14145,蜂窝状溶蚀坑a;M.Q14146,凸起的硅质鳞片;N.Q14146,硅质薄膜;O.Q14141,上翻解理薄片

Fig.6Surface features of the Upper Cretaceous Mogou Formation sandstones in the Xijiang Basin, Minxian

B、D、E、F、G、H、I)，都是风成环境最具特色的标志，指示高能风成环境[15,18]。V形坑在本次样品中偶尔可见，数量很少，特征不明显(图6B、C、H)。其形成是不对称颗粒常以最长轴方向平行于风的主要方向而求得最小抗力而产生的[19]。由于V形坑主要发育于水下环境，所以不具有风成环境指示的确定性，在进入风成环境不久的颗粒中也可见[17]。贝壳状断口为常见石英颗粒表面形态特征之一，因断裂面上具有同心圆纹的规则曲面形似贝壳的壳面而得名。贝壳状断口在水成环境中大量存在，在风成环境中少见，仅在刚进入风成环境不久的颗粒中可以见及[17]。在本次样品中很难见到。

鳞片状剥落是石英晶面的解体现象，是由于原始石英颗粒晶体网格有严重缺陷化学溶蚀沿这些缺陷发育而成的化学崩解现象[20-22]。溶蚀作用沿晶面网格缺陷处开始发生并逐步扩大，解理被分割，形成大小不一、厚度差异的解理片，并进一步解体形成鳞片状，有明显的脱落倾向(图6K)。石英晶面的解体带和非解体带之间有一个过渡带，化学溶蚀作用深入到过渡带形成深邃的溶蚀沟和溶蚀坑。本次样品中，这种现象十分发育，通常形成蜂窝状溶蚀坑(图6L)。在晶面非解体带晶面上沿晶体结构产生近等腰三角形溶蚀坑，形态规则，无破裂痕迹，成簇出现并有一定的方向性，为方向性溶蚀坑(图6J)。在样品中，沉淀作用形成的凸起的硅质鳞片和硅质薄膜均十分发育(图6M)。SiO2初始沉淀先形成硅质球，其形状为圆球形或近圆球形，直径平均为0.05～0.25μm[17]，是风成环境和成岩作用中常见现象[20-22]。硅质球相互聚集，进一步形成凸起的硅质鳞片，鳞片状SiO2沉淀进一步大面积扩展，甚至包裹整个颗粒，形成硅质薄膜[17](图6N)。石英颗粒的强烈溶蚀作用是炎热气候的产物，反映了高能化学环境[24]。在各种环境的石英砂表面都见到不同程度的氧化硅沉淀的产物，河流和海岸等水域环境的氧化硅沉淀作用限于砂粒表面的低洼处，形成散丸状的硅质珠,珠的直径平均为0.05～0.25μm，氧化硅沉淀以风成砂最发育[23]。显著的沉淀作用往往与强烈的溶蚀作用相伴生，尤其在风成环境中，干湿变化极为明显。但孔隙水不饱和，不易带走溶蚀的SiO2，仅在颗粒表面就近沉淀，因此沉淀现象十分明显[24]。风成砂往往整个砂粒表面被氧化硅沉淀形成的硅质薄膜复盖起来[23]。

这套砂岩石英颗粒表面十分发育，是风沙环境中石英颗粒表面结构的典型特征。由此可见这套红层砂岩主要为风成砂沉积，与干热气候相适应，与水成砂沉积明显不同。

3　结论

(1)通过对婆婆庄剖面测绘，从砂岩的沉积序列特征分析，这套砂岩岩层厚度大，成分、结构、颜色、形状在剖面上差异很小，结构疏松，粒度均匀。砖红色厚层细砂岩中砾石边角清晰圆滑，具有红棕色、灰黑色光亮的氧化薄膜，显示出沙漠漆的特征，表面撞击麻坑清晰可见。

(2)这套砂岩颗粒主要由中砂、细砂、极细砂组分组成，粉砂和粘土及粗砂级以上颗粒含量很少并与现代沙漠砂粒度分布特征接近。跳跃总体由两个线段构成，较粗线段斜率较高，较细线段斜率较低，说明跃移粒径在较粗段较为集中，分选性中等-好，跃移组分含量占主导。粒度参数特征与现代沙漠砂极为相近，显示砂岩粒度特征分析与典型风成砂比较吻合。

(3)石英颗粒表面特征显示其颗粒磨圆度高，表面碟形、新月形、溶蚀坑和硅质沉淀等均十分发育，这些均是干热气候下风沙环境中石英颗粒表面结构的典型特征，主要为风成砂沉积，与水成砂沉积明显不同。

综上所述，沉积序列特征、粒度特征、石英颗粒表面特征等表明，岷县西江盆地上白垩统磨沟组这套砂岩属于一套与干热气候相适应、形成于干旱气候环境下风沙活动的产物。

目前已有研究认为，西秦岭在晚白垩世初期为干旱炎热的沙漠环境。西秦岭当时地貌已基本处于起伏有限的平坦面貌，特别是晚期演变成为统一的盆地面貌[7]。沙漠形成不仅需要干燥炎热的气候，同时地形对沙漠的形成也起着重要作用，较高的地形造成迎风坡多雨，但背风坡由于焚风现象而利于沙漠的发展，同时盆地内部地形起伏对风的搬运和沉积也有着控制作用[25]。本文对岷县西江盆地上白垩统红层砂岩成因及环境的研究及干旱环境风成沉积的结论，将对西秦岭晚白垩世沉积构造环境和构造地貌状态的研究具有重要的基础和理论意义。为有待研究的沙漠环境范围、古地貌形态及中-新生代陆内构造演化等热点问题提供重要参考。

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Genesis of red-bed sandstones in the Minxian region, western Qinling Mountains

HUI Lang-bo, GUO Jin-jing, ZHAO Hai-tao, WANG Li-xiao

(SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

The red-bed strata represented by the Upper Cretaceous Mogou Formation in the Xijiang Basin， Minxian are made up of purplish red thick massive conglomerates at the base, followed upwards by red-bed sandstones with tremendous thickness. The genetenic analysis based on depositional sequences, grain sizes and surface features of quartz grains shows that this succession of sandstones has tremendous thickness interbedded with dry channel deposits and thin gravel beds in which the gravels have the features of desert varnish. The sandstones are well sorted, and dominated by medium-grained, fine-grained and very fine-grained sands without clay and silt. The quartz grains are well-rounded, and have well-developed wind scoop, trittkarren, morel basin and siliceous films. All the above-mentioned features suggest that the red-bed sandstones in the study area should be generated from the eolian deposition in the xerothermic conditions.

Xijiang Basin; SEM; grain size; surface feature of quartz grains

1009-3850(2016)02-0038-09

2015-08-06； 改回日期： 2015-10-09

惠浪波(1987-)，男，硕士研究生，沉积学与沉积盆地构造分析方向。E-mail：wicsky@163.com

郭进京，男，教授，博士，主要从事青藏高原东北缘中新生代构造地质与沉积盆地教学研究。

E-mail：gjj@tcu.edu.cn；tjgjj@126.com

国家自然科学基金项目资助(41072149、41340002)

P512.2+1；P581

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