陆良盆地彩色沙林沉积-成岩特征及其景观成因分析

倪玲梅， 李 忠， 徐建强， 罗 威

(1.曲靖师范学院 文化旅游学院，云南 曲靖 655011； 2.中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029；3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 4.北京市十一学校，北京 100039)

0 引 言

彩色沙林作为碎屑岩(砂岩、砾岩)地貌景观之一[1]，类似陆良彩色沙林的地貌类型有丹霞地貌及土林地貌，形成这些地貌的物质基础大多为陆相碎屑岩[2-3]，地貌的形成均受内外动力作用影响，如构造运动、断层切割、流水及风的侵蚀等.但这三种地貌类型的景观成因也存在差异，丹霞地貌由坚硬的红色岩层组成，大多形成于干旱-半干旱气候条件[2,4]，经过差异性风化后，地貌景观类型比土林及彩色沙林类型丰富.土林及彩色沙林地貌都是由半松散-半固结的碎屑沉积物组成[5]，因此遭受流水侵蚀作用的影响更加明显，景观生命周期比丹霞地貌短.土林地貌中通常存在铁质风化壳，因此下伏岩石得到保护，林柱状景观的高度通常大于彩色沙林的林柱状景观高度，并且形成土林地貌的气候条件较彩色沙林更为干旱，因此土林地貌与彩色沙林的景观成因既有相似的地方，但同时也存在区别.目前在国内外暂未见类似于陆良彩色沙林的景观，只在美国亚利桑那州可见略有起伏的彩色沙漠，因此该种地质旅游资源极度稀缺[2,6].

针对陆良彩色沙林地貌成因，较多的学者认为陆良彩色沙林地貌成因类型为湖积-侵蚀台地，由内外动力作用塑造形成，与陆良盆地的演化有密切的联系，主要强调构造抬升和风化剥蚀的控制作用[6-7]，尤其是流水侵蚀，并从台地、微地貌的形成阶段进行解释[8-9].对于陆良彩色沙林颜色的成因，主要有以下两类观点：一是由物源地层牛头山组丰富多彩的岩石和矿物质成分所定[6]；二是受沉积环境、母岩及染色离子等多种因素的影响[6,9-10].目前关于彩色沙林景观成因的研究主要集中于内外动力作用影响的宏观尺度，对景观形成的物质基础、景观形态及颜色变化成因较少涉及，如岩石学特征及定量化分析等.其中的一个重要原因就是彩色沙林的砂岩固结程度较弱，样品从剖面取下后大部分变成了“散沙”，因此大大增加了分析的难度.此外，对于陆良彩色沙林的沉积环境研究有限，且缺乏定量分析[9-11].为此，将采用类似黄土的取样及粒度分析方法，结合露头、薄片、扫描电镜与主量元素等分析结果，从沉积、成岩的角度阐明彩色沙林景观形态及颜色的成因.通过沉积、成岩方法分析碎屑岩地貌景观成因，既能丰富碎屑岩地貌景观研究内容，也能为其它类型地质景观(如丹霞地貌、土林地貌等)成因解释提供依据.

1 区域地质背景

古近纪早期以来，在印度板块与欧亚板块挤压碰撞背景下，导致了欧亚大陆南缘近南北向地壳缩短、青藏高原内部褶皱隆升及周缘地壳的侧向挤出逃逸.青藏高原东南缘包括云南、川西等地区，由于受扬子克拉通阻挡，沿金沙江-红河和龙门山等断裂带走滑逃逸，扬子克拉通内部产生相应的构造调整，小江断裂带和师宗-弥勒断裂带再次活动，近南北向、北北东向的走滑拉分形成了曲靖、越州、陆良等一系列新生代陆相盆地[12-13](图1).

1.中元古界昆明群；2.震旦系；3.下寒武统；4.中泥盆统；5.上泥盆统；6.下石炭统；7.中石炭统；8.上石炭统；9.下二叠统；10.上二叠统；11.三叠系；12.古近系；13.上新统茨营组；14.第四系；15.水域；16.断层

陆良盆地为云南东部的新生代东断西超的箕状断陷残留盆地，形态呈长轴NNE 向的长三角形.在构造属性上，陆良盆地位于扬子板块西缘的滇东坳褶带，与康滇地块交接，受压扭性主断裂影响，盆地东部地层褶皱变形明显，形成北北东向褶皱构造带，地势由北东向南西方向降低.根据滇黔桂石油局1992年深钻资料，陆良盆地的基底主要为中、上泥盆统，盖层为茨营组、第四系河湖相沉积[14].彩色沙林位于陆良盆地东南缘的五峰山山麓地带，成景地层主要为茨营组，景观形态类型有峰林、峰丛、沙柱、彩壁、彩屏等[4].

2 采样及实验方法

先用铁铲垂直砂岩层理铲除30 cm厚的表层砂岩，把规格为60 cm3的环刀内部边缘涂抹凡士林，垂直于砂岩层理进行原位采样，用钢尺把环刀下面多余样品刮平，共取得15个原状样品.将取得的样品用真空干燥箱在35℃条件下连续烘干48 h后取出待用，此时样品已较为干燥.之后把环刀中的样品取出，过程中保持样品的完整性.取出的样品用环氧树脂胶固结后，磨制普通薄片.

用采样铲从铲除30 cm厚表层砂岩的相对新鲜剖面处采取多个样品，并对这些样品进行扫描电镜分析，具体采样依据有：(1)选取不同颜色的砂岩样品；(2)同种颜色砂岩中选取不同粒度的样品，如黄色中砂岩及黄色细砂岩；(3)在同一沉积微相中采取上、中、下部的砂岩样品.从中选择最具代表性的11个砂样进行粒度测试，18个砂样进行主量元素分析测试，样品的取样位置如图2所示.扫描电镜型号为飞纳电镜能谱一体机Phenom ProX，测试电压为10～15 kV.粒度测定采用Mastersizer 2000型激光粒度仪，样品测试之前用双氧水及稀盐酸进行预处理，去除样品中的有机质及碳酸盐，测试时每个样品测定三次取其平均值，使其重复测量相对误差小于1%[15].主量元素分析采用日本理学ZSX PrimusⅡ 波长色散X射线荧光光谱仪，依据GB/T 14506.28—2010《硅酸盐岩石化学分析方法》进行检测，由于样品中亚铁含量低于0.1%，低于检测限，因此未做亚铁含量测试.

(野外剖面样品编号顺序与粒度及主量元素测试的样品编号顺序一致)

3 茨营组沉积岩相特征及环境恢复

3.1 岩石学特征

3.1.1 砾石统计

本次调研完成4个砾岩露头共计800多个砾石的统计工作，每个测点统计200多个砾石，用于判断沉积环境和物源.第一、二、三个测点中砾岩为粗砾岩，砾石的直径长度在0.8～16.9 cm之间，平均为3.7 cm.砾石以次棱角状为主，大小差异较大.砾石成分以沉积岩及浅变质沉积岩为主，含量为96%～99%，含少量脉石英，含量为1%～4%.这类砾石抗风化能力弱，磨圆度及分选性差，沉积物来不及分选，为近源快速堆积产物.第四个测点中砾岩为细砾岩，砾石以次棱角状为主，其次为次圆状，成分上脉石英含量提高，含量为8%，但仍以沉积岩及浅变质沉积岩成分为主.

3.1.2 砂岩岩石学特征

根据薄片观察及碎屑颗粒数点统计可知，茨营组砂岩为岩屑砂岩，颗粒以次棱角状为主，次圆状及棱角状次之，颗粒之间以点接触为主，含部分线接触(图3 A、B).部分砂岩具有双粒度结构，细-粉砂充填在中-粗砂之间.砂岩中岩屑的成分主要为泥岩(图3 C)、片岩(图3 D、E)、粉砂岩，含少量燧石、变质砂岩及火山岩岩屑.此外，在薄片中还可以看到部分含石英次生加大边的石英颗粒，加大边有不同程度的磨损(图3 F)，为再旋回沉积产物.砂岩中的填隙物含量为4%～15%，一般主要为黏土杂基，胶结物含量较少.但是在一些颜色较深的砂岩中，如蓝灰色、褐黄色砂岩，胶结物含量可达2%～8%(图3 G、H、I).

A.黄色砂岩显微图片，单偏光；B.A的正交偏光图片；C.泥岩岩屑，单偏光；D.片岩岩屑，单偏光；E.D的正交偏光图片；F.栉壳状高价铁氧化物胶结物，单偏光；G.凝块状高价铁氧化物胶结物，单偏光；H.纤维状锰的氧化物与氢氧化物，单偏光；I.石英次生加大边，单偏光

3.2 砂岩粒度分析

粒度实验结果可知研究区茨营组主要为中细砂岩，含细粉砂岩和粗砂岩等.根据11个砂岩样品粒度测试结果绘制频率曲线、累积频率曲线和概率值累积曲线(图4).频率曲线显示茨营组砂岩粒度呈单峰或双峰分布，除了QJ04以粗碎屑为主外，其余样品以细碎屑为主.砂岩累积频率曲线较为平缓，粒度分布范围较宽，因此砂岩分选性较差.从概率值累积曲线中可看出，单峰态砂岩均为上拱“三段式”，以跳跃组分为主，占比70%以上，含悬移组分，缺乏滚动组分，为典型河流沉积样式.双峰态砂岩均为“四段式”，除了QJ04样品外，其它样品以跳跃组分为主，占比60%以上，含滚动及悬移组分，反映沉积水动力条件并不单一.

A.频率曲线 B.累积曲线 C.概率值累积曲线

3.3 茨营组沉积环境

云南早上新世气候早期温暖潮湿，后期有冷干化趋势，中上新世气候暖湿，晚上新世有了冷干化趋势[16-18].根据测井、介形虫及苞粉等资料可知，陆良、曲靖及越州盆地的茨营组由下往上可分为三段或四段[14,19-24]，茨营组一、二段为湖泊沉积体系，主要沉积湖泥；茨营组三段为湖泊和水下扇沉积体系；茨营组四段由下到上水体逐渐变浅，由下部浅湖-半深湖沉积过渡为扇三角洲平原沉积.

陆良彩色沙林露头茨营组中部的灰白色砂岩、浅黄白色砂岩层底部往往含有一层细砾岩，向上砾岩消失，沉积构造主要为水平层理、斜层理等，以样品QJ11为例，砂岩概率值累积曲线为三段式.根据前人研究结果，结合岩性组合、沉积构造及岩石特征等参数分析得出，茨营组中部灰白色砂岩主要为扇三角洲前缘亚相河道沉积.在灰白色砂岩顶部通常存在一层厚度为几厘米到几十厘米不等的灰白色与粉红色韵律互层泥岩，指示弱氧化-弱还原沉积环境.在泥岩层上通常覆盖1～3 mm厚的褐黑色、黑色致密铁质岩层，风化面有铁锈.铁质岩层之上通常是褐黄色粉砂质泥岩、黄色砂岩，发育平行及交错层理，显示强氧化沉积环境.往上逐渐过渡为黄色砂岩与浅色系砂岩互层，中间夹正、逆粒序砾岩层，砂岩概率值累积曲线为三段式及四段式，水动力条件复杂，为河流相与滨浅湖亚相交互沉积.在茨营组顶部可见块状厚层砾岩，砾石分选及磨圆不好，为扇三角洲平原亚相的泥石流沉积.砾岩层中通常夹浅黄白色砂岩层，沉积构造有平行层理、槽状交错层理等，为扇三角洲平原亚相的辫状河道沉积.由此可知，景区内茨营组由下往上沉积水体总体变浅.

4 砂岩成岩作用及成色效应分析

4.1 砂岩成岩作用类型

4.1.1 压实作用

由于茨营组形成时间较短(不到3.2 Ma)，并在距今2 Ma时随陆良盆地抬升[25]，研究区茨营组砂岩埋藏深度不大，压实作用影响有限，砂岩以机械压实作用为主，颗粒以点接触为主，砂岩较为疏松，未完全固结成岩.

4.1.2 胶结作用

1)黏土胶结

通过扫描电镜观察可知，本区茨营组砂岩中普遍含有黏土矿物，类型主要为高岭石(图5 A)，高岭石的产状有两种，一种为填隙物，特征是晶体较为粗大，呈书页状集合体充填粒间孔隙；另一种为成岩胶结物，晶体较小，主要呈蠕虫状分布在长石颗粒的表面，其形成与长石溶蚀有关.

2)铁氧化物及锰氧化物胶结

薄片观察可知，在黄色系砂岩中颗粒表面及粒间含有栉壳状、薄膜状及凝块状的褐红色高价铁氧化物(图3 G、H)，而扫描电镜下颗粒表面高价铁氧化物通常与黏土矿物混合，呈葡萄状、球状、栉壳状等(图5 B、C、D、E)，根据能谱及形态特征分析推测铁氧化物主要为赤铁矿.颗粒接触面及粒间发育的栉壳状铁氧化物表明，铁氧化物的形成早于一定程度的压实作用，并持续到埋藏成岩作用阶段.

薄片中蓝灰色砂岩颗粒表面及粒间含有纤维状、针柱状的黑色锰氧化物(图3 I)及少量高价铁氧化物.扫描电镜下这些锰氧化物呈羽毛状、玫瑰花状、雪花状(图5 F、G、H)，少数情况下雪花状的锰氧化物包围葡萄状的铁氧化物，这说明锰氧化物的形成时间略晚于铁氧化物，但在颗粒接触处面及粒间发育的锰氧化物说明其形成于一定压实作用之前，并持续到埋藏成岩作用阶段.这些在机械压实作用发生之前就大量形成的铁、锰氧化物很可能与河流或河流入湖时高浓度的铁、锰质凝絮状胶体沉淀有关.陆源的Fe、Mn离子的溶解度较低，常产生水解反应形成无定形的水合氧化铁(锰)胶体，这些胶体通常带正电荷，在pH值为4～6的河流或河口处，被黏土矿物吸附沉淀析出[26-27].浅色系砂岩中除了黏土胶结物外，其它胶结物(铁、锰氧化物)几乎不可见.

A.自生高岭石；B.砂岩取样剖面；C.剖面1处砂岩颗粒表面葡萄状胶结物；D.铁氧化物矿物元素组成；E.剖面2处砂岩粒间豆状铁氧化物；F.剖面3处砂岩颗粒表面玫瑰花状胶结物；G.锰钡氧化物矿物元素组成；H.剖面3处石英颗粒表面被溶蚀，并有雪花状锰钡氧化物沉淀；I.长石颗粒溶蚀

4.1.3 溶蚀作用

由于研究区茨营组历史埋深不大，后期又被抬升至地表，因此成岩流体系统为开放至半开放状态，遭受大气淡水林滤，溶蚀作用在砂岩中常见，主要为长石颗粒溶蚀(图5 I)，也有少量石英颗粒溶蚀(图5 H)，溶蚀产物主要为高岭石等胶结物.溶蚀作用降低了颗粒的强度，使颗粒更易破碎，因此对岩石的固结起到了一定破坏性作用.

4.2 砂岩成岩的成色效应

不同颜色的砂岩相应的地球化学特征不同，其中岩石的主量元素对后期的成岩改造响应较为灵敏.根据主量元素测试结果可知(表1)，彩色沙林茨营组砂岩样品中Fe2O3含量在0.16%～3.62%之间，MnO含量在0.00%～2.71%之间.以黄色为主色调的砂岩中Fe2O3含量较高，镜下含大量铁氧化物.当砂岩层从下往上颜色由浅黄色变为黄褐色时，氧化程度逐渐变得强烈，高价铁氧化物含量增高，以河道顶、底部的QJ06及QJ07样品最为典型.浅色系砂岩中Fe2O3含量较低，镜下无高价铁氧化物胶结物.而以蓝灰色为主的砂岩中MnO含量相对较高，超过1%，并含有一定量的Ba元素，镜下含大量锰氧化物及部分铁氧化物，如QJ08及QJ13样品.

表1 样品主量元素组成特征

5 景观成因分析

5.1 沉积作用对景观成因的影响

根据前人研究结果，彩色沙林景观的形成，宏观上经历了原始碎屑物质沉积、埋藏压实，之后地层受到构造作用影响被抬升到地表，后遭受断层切割及风化作用影响，形成了各种不同类型的景观，主要分为两大类，台地及沟谷微地貌，如砂壁、砂林、砂柱等[6-11].但是针对这些景观形态的进一步解释还较为缺乏，鉴于台地及沟谷微地貌的物质组成和形成原因存在差异，现对两者分别研究.

5.1.1 台地景观类型成因

台地为顶部平缓的原沉积地层，由于垂直节理的发育，台地被分割，台地边缘形成了砂壁，为彩色沙林景观单元的边界，顶部被植被覆盖.根据野外剖面及沉积岩相分析可知，台地的物质构成主要为第四纪的砾岩和堆积物及茨营组上部的砾岩层夹砂岩层.根据岩石力学实验研究，砾岩层之间的砂岩层抗风化能力比其上下的砾岩层要差，因而易于风化形成凹槽[28-29].砂壁形态的演化过程可以分为早、中、晚三个阶段[29]，如图6所示.在早期阶段，风化作用对构成台地的厚层砾岩夹薄层砂岩选择性破坏，在砂岩薄层首先发生侵蚀，形成向内凹的形态.当凹槽形成以后，其风化速度会大于周围的岩层，因此凹陷进一步扩大，与“外凸”的砾岩形成鲜明对比.在晚期时，上覆的砾岩层缺乏支撑，由于重力及风化作用影响发生坍塌，砂壁后退.因此，沉积岩相的构成对砂壁形态的形成演化具有控制作用.

a.早期阶段，砂岩层在差异风化作用下初步形成凹槽；b.中期阶段，凹槽在风化作用下进一步扩大; c.晚期阶段，凸出的砾岩层失稳、崩塌，砂壁后退

5.1.2 沟谷微地貌景观类型成因

台地边缘一般发育陡峭的砂壁(图7 A、B)，而沟谷微地貌是台地经过断层切割及风化作用等影响，逐渐分离形成的砂柱、砂峰、砂林等景观(图7 C、D、E)，形态多样，拟人拟物.受沉积环境影响，沟谷微地貌的物质构成大部分为茨营组的互层砂砾岩，顶部有时含第四系红色块状砾岩.砂砾岩中的砂岩常形成凹陷，与凸出的砾岩层形成鲜明对比，从而呈现一些“身形”的景观，如景区内的“神女像”等(图7 E).此外，由于受到季节性流水作用，这些夹在砾岩层中的砂岩层垂向上易被林滤、侵蚀成柱状、笋状形态(图7 F)，如果风化作用持续进行，则上覆岩层垂向上会脱落、坍塌，并在砂岩的小型柱状、笋状体顶部留下砾石的“盖帽”(图7 G).因此，茨营组垂向上不同砂-砾岩的岩性组合，在差异性风化作用影响下，形成大量凹凸形态的地质景观.由此可见，茨营组砂-砾岩性组合是彩色沙林沟谷微地貌中象形景观形成演化的物质基础.

A.砂壁；B.砂壁上的凹槽；C.砂峰；D.柱状砂体；E.“神女像”；F.柱状、笋状小型砂体；G.砾岩的“盖帽”；H.黄色砂岩中的“条带”；I.断层

5.2 成岩作用对景观成因的影响

根据成岩特征分析可知，胶结作用对砂岩固结程度具有重要影响.依据碎屑岩成岩阶段划分标准(SY/T 5477-2003)，推断茨营组砂岩胶结物中的铁、锰氧化物主要形成于同生成岩阶段至早成岩阶段A期，该时期茨营组埋深不大，砂岩处于弱固结-半固结状态.由于湖平面变化、构造运动及沉积物供给速率能影响碎屑岩沉积格架，并且能够通过影响粒间水地化性质、沉积物停留时间、沉积物成分、粒度及结构等因素决定早期成岩作用类型[30-33]，因此研究区茨营组中铁、锰氧化物分布与沉积格架密切相关，通常这些铁氧化物胶结物呈层状、条带状分布在陆上河道的上部，如黄色砂岩中的褐黄色砂岩条带等，而锰氧化物胶结物通常分布在河口处.通常胶结物含量相对较多的砂岩固结程度稍好，抗风化能力较强于周围的浅色砂岩，因此在砂岩中形成了一些局部的凹凸形态(图7 H).

此外，茨营组砂岩中胶结物含量和分布对砂岩颜色具有重要影响(图8).通常当地层中Fe3+/Fe2+比值大于1时，地层以黄色、红色为主[34-35]，研究区茨营组砂岩的地球化学特征也显示这一规律，随着砂岩黄色程度增加，Fe2O3含量增加，铁氧化物含量增高.而蓝灰色砂岩随着颜色加深，MnO含量增加，锰氧化物含量增高.以灰黑色为主的碎屑岩通常含有大量的有机质，厚度为中-薄层，延续性不好，为浅水沼泽沉积.因此，砂岩中的成岩产物(铁和锰氧化物)和有机质含量与分布对砂岩颜色有重要影响.

Kf：钾长石；Plf：塑性岩屑；Kln：高岭石；Al：钠长石；Q：石英；M：杂基；Fe：铁氧化物；Mn：锰氧化物

5.3 其它因素对景观成因的影响

除了沉积、成岩的影响，构造运动也是造成陆良彩色沙林颜色及景观形态变化的原因之一.在景区内地层中多见断裂、滑塌、共轭节理等小构造(图7 I)，因此地层变厚、变薄、错断、尖灭等现象较多，使不同颜色的地层排布样式复杂多变[9].此外，这些构造也在垂向上切割了地层，使地层从整块分离成多块，在风化、侵蚀作用影响下，逐渐形成了现今的峰崖、砂柱、砂壁等景观(图7 A、B、C、D).

6 结论与展望

6.1 研究结论

1)陆良彩色沙林景区成景地层为上新世茨营组，岩性主要为粉细砂岩及砾岩，含有少量泥岩.一般砾岩层在横向上不稳定，粗砾岩层底部通常发育冲刷充填构造，砾石成分以沉积岩及浅变质岩为主.砂岩主要为中细岩屑砂岩，发育平行及斜层理.景区内茨营组露头的沉积相由下向上为：扇三角洲前缘亚相-滨浅湖亚相与河流相交互-扇三角洲平原亚相.

2)景区内茨营组砂岩颜色的多样性与砂岩中高价铁及锰氧化物、有机质含量及分布有重要关系.褐黄色砂岩碎屑颗粒表面及粒间含有较多高价铁氧化物胶结物，蓝灰色砂岩碎屑颗粒表面及粒间含有较多锰氧化物，而浅色系砂岩中胶结物含量较少，砂岩主量元素特征同样显示这一规律，灰黑色砂岩中有机质含量较高.

3)目前茨营组砂岩处于弱固结-半固结状态，综合沉积、成岩对沙林景观的影响可知，沉积作用是沙林景观形态成因的物质基础，成岩作用是沙林局部微形态及砂岩颜色成因的关键因素，构造作用是后期沙林景观复杂化的有效因素.

6.2 研究展望

前人对彩色沙林景观成因的分析主要集中于宏观方面，如成景地层的形成、抬升、风化剥蚀等方面，主要集中于盆地尺度的演化过程.本文在此基础上对茨营组岩相进行了定量与定性的分析，厘清了茨营组沉积相的类型.此外，茨营组砂岩薄片鉴定、扫描电镜及主量元素分析结果表明，砂岩中成岩产物的类型、含量及分布对砂岩的颜色具有重要影响，该结论具有一定的创新性.在对茨营组沉积环境及砂岩成岩作用分析的基础上，对彩色沙林中部分景观类型(砂壁和沟谷微地貌中的象形景观)的形成演化过程进行了详细分析，并构建了相应的成因模式图.但是除了文中介绍的景观类型外，彩色沙林景区还存在其它类型的景观，如部分砂林、砂峰顶部存在的类似“拱桥”，茨营组中部灰白色砂岩中的马蹄状风化凹槽等，这些特殊景观形态的形成演化过程将在下一步的工作中探讨.