陕北靖边丹霞地貌区红色砂岩地球化学沉积特征与古环境研究

2022-02-19石浩岳大鹏赵景波覃小锋刘蓉王晓宁胡倩马爱华苏敏

地质论评 2022年1期

石浩，岳大鹏，赵景波，覃小锋，刘蓉，王晓宁，胡倩，马爱华，苏敏

1) 陕西师范大学地理科学与旅游学院，西安， 710119；2) 桂林理工大学地球科学学院，广西桂林， 541004

内容提要: 陕北靖边波浪谷丹霞地貌区是近年来国内外地学界的新发现和持续关注点。论文通过野外地质调查、粒度分析，岩石地球化学分析等研究，探讨红色砂岩地球化学特征、沉积环境、物源性质等相关问题。研究表明：红色砂岩以中—细砂为主，SiO2和Al2O3含量之和在85%以上，沉积环境为河湖相，为水动力中等，水面较浅的河流入湖三角洲河口区地带，而不具有目前一些学者通过宏观观察提出的该砂岩为沙漠相沉积特征。沉积阶段气温较高，存在暖干与暖湿的多次变化。地球化学分析表明红色砂岩地球化学类型为长石砂岩和亚长石砂岩，物源可能来自于盆地内部隆起或再旋回造山带所提供的富石英质沉积岩。

红层是指各个地质历史时期沉积的红色岩系的总称(彭华等，2013)。丹霞地貌是红层地貌的一种类型，以陡崖坡为特征，是陈国达等(1939)以广东丹霞山为代表命名的一种特殊地貌类型。中国的丹霞地貌区分布广阔，数量最多，我国也是研究最早、最深入的国家(欧阳杰等，2011；彭华，2000)。目前在对丹霞地貌的定义和分类分布(彭华等，2013；赵汀等，2014；郭福生等，2020)，形态特征(吴昊等，2018；黄进， 2010；彭华，2004)，发育机理及演化过程(杨望暾，2016；Zhu Cheng et al.，2015；潘志新等，2018；刘鑫等，2019)等方面研究取得了丰富的成果。

一直以来，对丹霞地貌的研究，主要集中在南方丹霞，北方丹霞地貌的研究较少，而陕北地区丹霞地貌是近年来国内外地学界的新发现和持续关注点(吴昊等，2018，2021；彭小华等，2020；唐永忠等，2020)。部分学者关注的是丹霞地貌人文及历史方面的意义(孙丽等，2013)，或者是从旅游资源的角度来解读丹霞地貌(周学军，2003；崔晨阳，2020)，对于新发现的丹霞地貌地层成因，沉积环境及其岩石的物理化学特征方面研究相对较少。陕北靖边龙洲地区位于干旱—半干旱的沙漠与黄土高原过渡地带，其发育独特罕见的丹霞正—负地貌过渡类型(彭小华等，2020；吴昊等，2021)，主要是受构造运动，岩性岩相，气候环境变化，地理环境要素等各种条件控制影响下的特殊丹霞地貌，其形态犹如波浪，流畅圆滑，因此被称为波浪式丹霞地貌，具有极高的观赏美学价值和科学研究价值。红色砂岩作为丹霞地貌发育的物质基础，其物质组分记录着物源区和沉积区的信息，是丹霞地貌研究不可回避的一个问题，近年来红层研究日渐深入(彭华，2011)。笔者等在野外调查的基础上，采集了靖边波浪谷丹霞地貌区的不同层位，不同类型的红色砂岩样品，进行系统的粒度成分，岩石地球化学分析，结合野外特征深入探讨波浪式丹霞地貌区红色砂岩沉积特征、沉积环境、物源性质等问题，为进一步研究陕北丹霞地貌的科学价值及丹霞地貌区开发利用保护等提供一些科学依据。

1 研究区域概况

靖边波浪谷丹霞地貌区位于靖边县东南方向约22 km的龙洲镇附近，地理坐标东经 108°59'30″～109°00'35″，北纬 37°30'35″～37°31'50″，主要范围北至沙峁梁，东起西门台遗址，西至周介，面积约3.3 km2(图1)。该区属半干旱大陆性季风气候，水资源丰富，年平均气温为7.8℃，年平均降水量为395.3 mm，主要集中在7～9月。

研究区内出露白垩系志丹群洛河组砂岩，颜色为红色、红褐色、红白色，主要为细砂—中砂岩，部分为中—粗砂岩，分选性差，磨圆度中等，矿物成分以斜长石、钾长石和石英为主。出露的岩石类型特征，按层厚度分为厚层和薄层，主要有 “厚—厚型”、“薄—薄型”、“厚—薄型”三类，其中，厚层厚度约10～50 cm，薄层厚度一般小于1 cm，根据野外观察，在相近的海拔高度上，厚层向南逐渐增多，薄层减少，越往南越发育“厚—厚型”砂岩。岩石易破碎，抗侵蚀能力较差，在构造运动、风力、水力侵蚀，重力崩塌的共同作用下，形成波浪式丹霞地貌，具有“顶平，麓缓，身陡”的特征，包含丹霞方山、崖壁、石柱、峡谷等丹霞地貌类型，主要成景沉积层是中—上部的“厚—厚层”和“厚—薄层”组成的波浪地貌(图2)。

图2 陕北靖边波浪谷丹霞地貌与沉积特征Fig. 2 Danxia landform and sedimentary characteristics in Jingbian Wave-liked Valley， northern Shaanxi(a) 靖边波浪谷独特的“油塔状”“陀螺状”波浪式丹霞地貌；(b) 靖边波浪谷内显著陡崖，裂隙发育，流水下切作用形成陡峭峡谷；(c) 靖边波浪谷上部呈现波浪地貌；(d) 中上部红砂岩出露大型交错层理，岩石风化剥蚀严重；(e) 波浪谷下部红、灰白色砂岩出现明显平行层理，层理相间，厚度接近；(f) 波浪谷中上部红砂岩中出现白色含钙质薄层理，“厚—薄层”砂岩类型；(g) 波浪谷上部红砂岩层理厚度较大，“厚—厚层”砂岩类型；(h) “薄—薄层”砂岩类型；(i) 交错层理，“厚—薄层”砂岩类型(a) Jingbian wave-liked valley has unique "oil tower" and "gyro" wave Danxia landform; (b) In Jingbian wave-liked valley, there are steep cliffs with developed fissures, and the steep canyon is formed by the downward cutting of water; (c) The upper part of Jingbian wave-liked valley presents wave landform; (d) Large cross bedding is exposed in the middle and upper red sandstone, and the rock is seriously weathered and denuded; (e) The red and gray white sandstone in the lower part of the wave-liked valley has obvious parallel bedding, alternating bedding and close thickness; (f) White calcareous thin bedding and "thick thin layer" sandstone type appear in the red sandstone in the middle and upper part of the wave valley; (g) The bedding thickness of red sandstone in the upper part of wave-liked valley is large, and the "thick thick layer" sandstone type; (h) "Thin thin layer" sandstone type; (i) Cross bedding, "thick thin" sandstone type

2 样品采集和分析

本次研究选取了靖边波浪谷丹霞地貌区内不同层位，不同类型的红色砂岩样品。根据野外观察，主要依据层理厚度，粒度特征，含钙质层等方面分为“厚—厚型”、“厚—薄型”、“薄—薄型”三种类型红砂岩，依次从1170 m至1330 m不同海拔高度的剖面，由下至上共采集14份红色砂岩样品进行粒度，主、微量及稀土元素分析。

粒度测试将每份风干的样品约10 g放入500 mL的烧杯中；加入10 mL 10%的过氧化氢溶液，使其充分反应除去有机质；再加入10 mL 10%的盐酸溶液，加热除碳酸盐；当反应完全后，反复加入蒸馏水至500 mL，等到液体沉淀澄清后用虹吸法小心抽取上层清液，直至样品溶液呈中性；在样品上机测定之前30 min左右，向盛有待测样品的烧杯中加入10 mL浓度为0.05 mol/L的分散剂((NaPO3)6溶液。测试仪器为Malvern公司的 Mastersizer 2000型激光粒度仪，该仪器测量范围为0.01～2000 μm。

表1 陕北靖边波浪谷红色砂岩粒度组分分析及参数特征Table 1 Grain size composition analysis and parameter characteristics of red sandstone in Jingbian wave valley，northern Shaanxi

元素测试将所有样品均用蒸馏水去污后在恒温80℃的烘箱中烘干10h后，粉碎为200目。常量元素采用硼酸锂—硝酸锂熔融全岩分析，测试仪器为Panalytical Magix PW2403型X荧光光谱仪，微量及稀土元素采用ICP-MS(电感耦合等离子质谱法)测定，测试仪器为PerkinElmer公司Elan DRC-c型电感耦合等离子质谱仪，精度为0.002μg/g，所有被测样品的微量和稀土元素含量均大于其检出限，平均相对标准差优于5%，分析结果准确可信。样品处理及测试在陕西师范大学流域环境动力学重点实验室进行。

3 实验结果与分析

3.1 粒度特征

图3 陕北靖边波浪谷红色砂岩样品粒度频率曲线图Fig. 3 The frequency curve of the grain sizes of red sandstone in Jingbian wave valley，northern Shaanxi

靖边波浪谷丹霞地貌区红色砂岩粒度测试结果见表1，粒度频率曲线图见图3。粒度分级采用伍登—温德华粒度分级标准，平均粒径、标准偏差、偏度、峰度登相关参数依据文献公式计算(Folk and Ward，1957)。结果显示，底部及中—下部红色砂岩以中—细砂为主，中—上部以细—中砂为主，粗砂含量逐渐增加。粒径整体变化差异不大，其中“厚—厚型”红砂岩粒径最大， “薄—薄型”红砂岩粒径略大于“厚—薄型”，从平均粒径、标准离差等特征上看分选性较差, 这与野外观察的现象基本一致。频率曲线图显示，曲线在中—下部多呈现为双峰型(图3a)，中—上部多为单峰型(图3b)，主峰粒径对应细砂和中砂，次峰粒径对应粉砂；标准离差上看大多数为极正偏(大于0.3)，少部分为正偏，中—上部的红砂岩样品相对于中—下部偏度略小；平均峰度显示中—下部多为极尖窄峰态(大于3)，中—上部多为尖窄峰态。

图4 陕北靖边波浪谷红色砂岩微量元素蛛网图(a)和稀土元素配分图(b)Fig. 4 Spidergram of trace elements (a) and Distribution patterns of rare earth elements (b) for red sandstone in Jingbian Wave-liked Valley，northern Shaanxi

3.2 常量元素特征

靖边波浪谷丹霞地貌区红色砂岩常量元素测试结果见表2。红色砂岩以SiO2和Al2O3为主，其含量之和在85%以上，其次为CaO、Fe2O3、K2O、Na2O，含量在1%～3%，MgO、P2O5TiO2含量较少，均在1%以下，这些特征表明波浪谷丹霞地貌区内从上至下物质组成基本一致，来源相对单一。Al2O3/ SiO2值在0.05～0.14之间，平均值为0.10，说明红色砂岩中石英或富SiO2的矿物含量极高，在三种类型的红色砂岩中，“厚—厚型”中的SiO2含量比其他两种类型高，Al2O3的含量最低。

3.3 微量元素和稀土特征

靖边波浪谷丹霞地貌区红色砂岩微量元素和稀土元素测试结果见表2，微量元素蛛网图(4a)和稀土元素配分图(4b)见图4。结果显示， Ba、W、Pb等元素相对富集，Nb、Sr、Cr、Y、V等元素相对亏损。底部及中下部的Ba、Sr、Th、Pb等元素含量大于中上部，W、Cr等元素含量小于中上部。红色砂岩的稀土元素总量变化不大，∑REE平均值为为67.33 μg/g，范围为42.51～89.49 μg/g。LREE/HREE值在10.09～12.21之间，LaN/YbN值为10.08～15.60，表明稀土元素分异明显，轻稀土相对富集，重稀土相对亏损；δEu值为0.76～1.09，平均值0.94，9个样品小于1，呈微弱负异常；δCe值为1.04～1.14，平均值为1.08，呈弱正异常。通过∑REE含量、δEu值、LREE/HREE值、稀土元素配分图等与Bhatia等(1986)总结出的典型构造背景碎屑岩地球化学特征进行对比，本区红色砂岩与来源于被动大陆边缘环境或大陆岛弧环境下的碎屑岩特征较为相似。。

表2 陕北靖边波浪谷红色砂岩常量元素(%)、微量元素含量(μg/g)和稀土元素(μg/g)含量Table 2 The major elements(%), trace elements(μg/g) and REE elements(μg/g) contents of red sandstone in Jingbian wave valley，northern Shaanxi

图5 陕北靖边波浪谷红色砂岩地球化学类型判别图Fig. 5 Geochemical rock type determination for red sandstone in Jingbian Wave-liked Valley，northern Shaanxi

4 讨论

4.1 地球化学类型与沉积特征

砂岩的地球化学类型往往通过常量元素的氧化物含量来确定，根据Herron(1988)的陆源碎屑岩和页岩lg[n(SiO2)/n( Al2O3)]-lg[n(Fe2O3)/n(Na2O)]分类判别图解，可以反映石英、长石类、黏土矿物的富集程度和铁镁质矿物的稳定程度。投图显示(图5)研究区红色砂岩主要为长石砂岩和亚长石砂岩，未经强烈的风化作用，镁铁质矿物较稳定。

由于红色砂岩常量元素中K2O、CaO、Na2O含量相对较低，而黏土矿物比非黏土矿物含有更高的Al2O3，因而化学成分变异指数(ICV)可以揭示碎屑岩的成分成熟度，计算公式为[n(Fe2O3)+n(K2O)+n(CaO)+n(Na2O)+n(MnO)+n(MgO)+n(TiO2)]/n(Al2O3)。当ICV接近1时，表明源区未经历强烈风化，ICV值大于1时，表示黏土矿物较少，碎屑岩成熟度较高，砂岩是第一次旋回的沉积物，ICV值小于1时，表示黏土矿物较多，碎屑岩成熟度较低，砂岩可能是再旋回的沉积物(Cox et al.，1995)。结果显示，研究区红色砂岩ICV值在0.83～1.57之间，平均值为1.07；其中“厚—薄型”和“薄—薄型”红色砂岩ICV值大部分接近于1 ，而“厚—厚型”红色砂岩的ICV值普遍较高，均大于1，表明其成熟度较高，可能为首次直接沉积的产物；从垂向分布上看中部(LZ-8)、中上部(LZ-9)、顶部(LZ-13、LZ-14)的样品ICV值分别为0.88、1.54、1.57、0.83，表明此时期存在有多期强烈抬升，多次循环再沉积过程的特点。

4.2 砂岩沉积相和成因

关于红色砂岩的成因，一些学者根据宏观观察认为可能是沙漠相沉积(彭小华等，2020；唐永忠等，2020；吴昊等， 2021)，但是缺少相关实验分析证据。沉积物的粒度组成分布与沉积物形成时期的环境背景有很大的关联性，相关参数特征在研究沉积环境和沉积动力等方面广泛应用。Sahu(1964)曾通过对大量不同的风成沙丘、三角洲、浅海、湖泊等环境的沉积物的粒度参数进行研究，得出用以区分不同沉积环境的经验判别公式，笔者等采用其中部分公式(表3)。将表1中数据代入得知，Y①的范围在-2.60～18.49之间，平均值为6.56；Y②范围值在121.83～483.69，平均值为249.60，Y③范围值在-43.83～-9.66，平均值为-21.87，指示了研究区红色砂岩具备河流和湖泊沉积特征。从剖面的粒度频率曲线图上看(图3)，单峰和双峰均存在，主峰粒径对应为细砂和中砂，大多数属于极尖窄峰态，极正偏，分选性较差，表明沉积区的沉积环境可能较为复杂，水位较浅，搬运动力在进行变化，厚层粗粒型搬运动力大于薄层细粒型。

Sr/Ba值是一个常用来区分海陆相和水动力强弱的重要指标(王益友等，1979)，相对于Ba元素，Sr元素有更强的迁移能力。研究区红色砂岩的Sr/Ba值为0.21～0.31，变化范围不大，数值远小于1，说明为陆相环境，水动力中等，水面较浅。

根据现代风沙沉积的特点(赵景波等，2011，2017b)，风沙沉积物中的粉砂含量不超过2%，CaO含量也在1%以下，而研究区红色砂岩实验结果(表1、表2)显示有明显区别，此外风沙沉积形成的沉积物层理与流水作用形成的沉积物相比，层理显示不太清晰；结合野外观察的现象，红色砂岩以中—细砂岩为主，岩层交错层理类型多样，产状变化较大，中—下部多见红白色相间的平行层理，中—上部多见含CaCO3层，砾石少，未见厚层状砾岩层，斜层理与水平层理间常呈现“顶截下切”的特点，以上特征均与沙漠相风沙沉积特点相悖。由于白垩纪气候炎热干燥，一些河流沿岸可能会出现零星的风成沙丘，但它不是本区红色砂岩的主要沉积类型。因此综合以上特征反映了靖边波浪谷地区的沉积环境为河湖相，为河流入湖的三角洲河口区地带。

4.3 砂岩沉积时期的气候

沉积物的粗细可以反映水深及水动力强弱，进而反映降水量大小和干湿变化(赵景波等，2017a；陈敬安等，2003)，平均粒径粗代表水动力变强，湖水浅，降水量减少，湖泊处于收缩阶段；反之，平均粒径细代表水动力变弱，湖水变深，降水量增多，湖泊处于扩张阶段。砂岩的元素含量组成在不同气候条件下因自身地球化学性质不同而有所差异，通常在降水丰沛、湿润气候条件下，Na、Ca、Mg等元素性质较活泼的元素会发生淋溶迁移，干旱条件下受到抑制(徐方建等，2010)，而Si、Fe等元素相对稳定不会迁移；Ba、Rb、Sr等微量元素易以黏土吸附形式存在于地层中，因而元素含量变化及相关比值结合粒度参数综合分析可以反映气候条件(高莲凤等，2017；吴艳宏等，2004)。Na2O、Al2O3、CaO、MgO等氧化物含量低，SiO2含量高，Rb/Sr值和K2O/Na2O值高，揭示气候温暖干燥，水动力变强，水深较浅；反之则代表气候温热湿润，水动力变弱，水深大。结果显示(表1、表2)，研究区沉积阶段整体上气温较高，存在暖干与暖湿的多次变化，根据粒度粗细和Si、Al、Ca、Na、Rb、Sr等元素含量及其比值变化，地层从垂向上变化大致可以分为9个时期：

底部(LZ-1、LZ-2阶段)，砂岩以细砂和中砂为主，平均粒径中等，Al2O3，SiO2，Na2O、等含量较高，Rb/Sr值和K2O/Na2O值均较高，说明该阶段降水较少，气候干旱。

中—下部(LZ-3阶段)，砂岩中粉砂与细砂含量略增多，粗砂含量减少，平均粒径减小，Al2O3、CaO、MgO含量增加而SiO2大量减少，Rb/Sr值和K2O/Na2O值也变小，说明该阶段降水增加，气候温暖湿润。

中—下部(LZ-4、LZ-5阶段)，砂岩以细砂和中砂为主，细砂含量比LZ-3时期减少，中砂增加，平均粒径增大，Al2O3、CaO、MgO呈下降趋势， SiO2呈上升趋势， Rb/Sr值与K2O/Na2O值与前阶段相比先增加后降低，说明该阶段降水减少，气候相对干旱。

中—部(LZ-6阶段)，砂岩以细砂为主，中砂、粗砂含量大量减少，平均粒径减小，Al2O3、MgO含量增加，CaO、SiO2减少，Rb/Sr值较高，K2O/Na2O值减小，说明该阶段降水增加，气候暖湿，与前一阶段相比气候变化波动大，可能存在极端气候事件。

中部(LZ-7、LZ-8阶段)，砂岩以细砂和中砂为主，粗砂含量大量增加，平均粒径逐渐增大，Al2O3、CaO、MgO呈下降趋势，而SiO2呈上升趋势，Rb/Sr值较高且变化不大，此时期降水减少，气候由湿润转变为干旱。

中—上部(LZ-9阶段)，砂岩以细砂为主，粉砂、中砂含量大量减少，粗砂含量大量增加，平均粒径较大，Al2O3含量减少，SiO2、CaO、MgO含量增加，Rb/Sr值和K2O/Na2O值变大，说明该阶段气候干热，与前一阶段相比降水减少，气候变化波动大，可能存在极端气候事件。

中—上部(LZ-10阶段)，砂岩以细砂和中砂为主，粉砂、粗砂含量也较多，平均粒径中等，Al2O3、CaO、MgO含量增加，SiO2含量减少，Rb/Sr值变小，说明该阶段相对降水增多，气候温暖湿润。

中—上部(LZ-11阶段)，砂岩以中砂和粗砂为主且达到最大值，粉砂、细砂含量大量减少，平均粒径最大，Al2O3、MgO含量减少， SiO2含量增加达到最大值，Rb/Sr值变大，说明该阶段降水减小，气候炎热干旱。

上部(LZ-12、LZ-13、LZ-14阶段)，砂岩以细砂和中砂为主，粉砂、细砂含量也较多，平均粒径先变大后变小， Al2O3、MgO等含量呈高—低—高的波动性变化，CaO 、SiO2含量呈低—高—低的波动性变化， K2O/Na2O值先变大后减小，Rb/Sr值逐渐减小，此时期的降水由多变少再变多，气候具有湿润—干旱—湿润的旋回特点。

4.4 物源分析

砂岩碎屑组成及其时空变化，在一定程度上可反演区域构造活动的性质、强度和转变时间等，是源区母岩性质和盆地构造古地理信息的直接示踪物(Allegre et al.，1978；Roser et al.，1988)。Roser等(1988)根据主量元素的含量定义判别函数，将陆源碎屑沉积岩的物源分为铁镁质火山岩物源、中性火山岩物源、长英质火山岩物源和富含石英质的沉积岩物源四类，投图显示(图6a)，研究区红色砂岩样品都落入富含石英质的沉积岩物源区，结合La/Th—ΣREE图解(Allegre et al.，1978)(图6b)显示红色砂岩也都落入沉积岩区域，表明其源岩主要为富含石英质的沉积岩类。鄂尔多斯盆地作为一个多旋回叠合盆地(刘池洋等，2006)，既有稳定板内克拉通盆地构造简单、地层平缓，又有周边活动性强、物源近的特点，推测物源可能来自于盆地内部隆起或再旋回造山带所提供的富石英质沉积岩。

有学者认为，早古生代时期，鄂尔多斯盆地部分处于秦祁古洋盆的被动大陆边缘，奥陶纪期间，秦祁岛弧与华北陆块大面积碰撞，侏罗纪期间燕山运动中秦祁造山带有剧烈的再回旋造山过程；此外，盆地西南部的逆冲推覆构造也对盆地内部的白垩系沉积物有重要影响(闫小雄，2001；袁卫国等，1996)。有学者对鄂尔多斯西南缘白垩统洛河组砂岩的碎屑锆石研究认为北秦岭造山带和北祁连造山带东段是其主要物源区(程先钰等，2020)。而研究区红色砂岩所显示的物源区特征和位于盆地西南部逆冲推覆构造带中的秦祁造山带在构造演化上有诸多相似之处。因此，推测秦祁造山带对靖边波浪谷丹霞地貌区红色砂岩的来源有重要影响。