陕北永宁山丹霞地貌造景地层地质特征

吴昊，彭小华，陈艳，姚珊，祝捷，唐玉，党晨，王卓胜

(1.陕西省矿产地质调查中心， 陕西 西安 710068； 2.陕西省地质调查规划研究中心， 陕西 西安 710068)

0 引言

白垩系洛河组是陕北地区重要的含水地层，21世纪初，鄂尔多斯盆地地下水勘查将其作为重点研究对象。近几年，随着盆地东南陕北丹霞地貌景观带的发现，洛河组作为区域内主要丹霞地貌造景地层，再次引起广大学者的关注和重视。

20世纪80年代至今，风成砂岩作为地质学科中一个热门话题，越来越多的学者开展了针对其岩相岩性、物理特征、物源等方面的研究。其中，鄂尔多斯盆地白垩系洛河组是风成砂岩的典型代表，广泛分布在内蒙古伊金霍洛旗，陕西靖边、志丹、长武、陇县等地。位于洛河流域的永宁山的洛河组砂岩大型斜层理、交错层理极为发育，斜层理厚一般4～6 m，最厚可达20 m，延伸长度30 m，最长可达60～100 m。斜层理倾向一般100°～200°，倾角15°～25°，最大32°。永宁山一带是研究陕北洛河组的最佳场所之一，但是针对永宁山洛河组的研究几乎没有。本文通过对永宁山洛河组岩石抗压强度测定、薄片鉴定、X衍射分析、常量和微量元素分析，结合其岩石组合、岩相特征，进一步探讨永宁山一带洛河组沉积、岩相特征、沉积物质来源以及古气候、古环境变迁与变化，对陕北地区丹霞地貌成因机理研究，科学保护、合理利用具有重要意义。

1 地质背景

永宁山位于延安市志丹县，位于洛河北岸(图1)，鄂尔多斯盆地腹地。盆地北起内蒙阴山、大青山，南抵陕西(甘肃)秦岭，西至甘肃贺兰山、六盘山，东达山西吕梁山、河南太行山，总面积约37×104km2，是中国第二大沉积盆地(刘文香，2012)。

图1 永宁山位置图

根据震旦纪至第三纪沉积相和古地理环境的研究，鄂尔多斯盆地早古生代主要为滨海潮坪及台地环境，石炭纪至三叠纪为内陆盆地滨海平原和河湖沼泽环境(杨友运等，2008；陕西省地质调查院，2017)。侏罗纪盆地早期遭受剥蚀，晚期接受沼泽相、河流相、湖泊相沉积，湖泊相地层沉积中心位于洛河、葫芦河一带，沉积有灰黑色泥质岩、灰白色细砂岩夹煤层及油页岩，代表闭塞的湖心地带沉积，为区内的重要成煤成油时期。鄂尔多斯盆地总的来说是一个整体升降、坳陷迁移、构造简单的大型多旋回克拉通盆地，基底为太古界及下元古界变质岩系，沉积盖层有长城系、蓟县系、震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第三系、第四系等(董敏等，2019)。主要油气产层是三叠系、侏罗系和奥陶系。煤主要产在石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系。

燕山早期，鄂尔多斯为中生代大型坳陷盆地，内陆湖盆相沉积连续，形成三叠系—中侏罗统地层；燕山中期，主要受特提斯构造域控制。在区外青藏高原，古冈瓦纳板块与亚洲板块发生汇聚作用，形成统一的欧亚板块(张国伟，2015)；秦巴地区乃至鄂尔多斯地块南缘，受此影响，表现为强烈的陆内逆冲推覆造山。

新生代中晚期以来，受青藏高原整体隆升影响，鄂尔多斯盆地抬升运动频繁，对盆地及其地貌的塑造和后期改造起到了关键作用，为这一地区发育的丹霞地貌的后期改造提供了重要的内动力来源(杨望墩，2016)。

2 样品采集及测试方法

本次研究以陕北永宁山丹霞地貌分布区出露的典型洛河组风成砂岩为例，进行了剖面测量和系统采样，进行抗压强度、薄片鉴定、X衍射分析、常量元素与稀土、微量元素测试，并对其地球化学及物源区特征进行了初步分析。

抗压强度利用赛纬HTY-H1数字回弹仪测试；样品的X射线衍射分析(XRD)、主量元素、微量元素和稀土元素测试工作在有色金属西北矿产地质测试中心完成；工作环境温度为23 ℃，湿度为50%。X射线衍射分析通过电子束对金属Cu“靶”的轰击获取反映样品所含晶质物质晶体结构的衍射图谱，主要分析参数有相对强度值和面间距；样品的主量元素、微量元素和稀土元素采用X射线荧光(XRF)光谱仪(实验在Axios PW4400/40(荷兰PANalytical BV)上完成，温度为23 ℃，相对湿度为50%)，根据等效氧化物的质量分数获得结果。

3 洛河组地质特征

3.1 岩性特征

白垩系志丹群洛河组在鄂尔多斯盆地分布广泛，在盆地北部边缘近源区，以冲积河流相砂砾岩为主，在盆地西缘抬升区，主要形成辫状河三角洲沉积；在盆地东翼，及丹霞地貌分布的成景区域，地形开阔平缓，为风成沙漠相，局部存在沙漠湖相沉积，岩性为一套紫红、灰红色细—中粗粒长石砂岩、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩，局部夹泥岩、泥质粉砂岩透镜体(唐永忠等，2018)。这套沙漠相是丹霞地貌造景地层，发育典型的大型风成交错层理、大型斜层理；粒度均匀，分选好，以中—细砂、极细砂组分为主，缺乏粉砂—黏土颗粒组分；砂岩呈颗粒接触，缺乏胶结物，且岩石结构疏松，孔隙大；石英颗粒磨圆度好，表面发育碟形和新月形坑、溶蚀坑、硅质薄膜等风成砂颗粒具有的独特表面特征(赵雪等，2016)。区域上洛河组显著特征上部黄土覆盖，局部沿沟谷、河谷两壁基岩出露，构成了独特的沟谷型丹霞地貌(吴昊等，2018)，一般厚度71～348 m(陕西省地质调查院，2017)，永宁山洛河组出露视厚度大于120 m。

3.2 岩石特征

洛河组主要岩石组合有：粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩等。泥岩、泥质粉砂岩，多呈透镜体产出，常见于沙漠湖沉积。砂岩类型主要有长石砂岩、石英长石砂岩、长石砂岩、岩屑长石砂岩、钙质岩屑长石砂岩、长石杂砂岩等。粉砂岩为岩屑长石粉砂岩、钙质含砂屑长石粉砂岩、泥质岩屑长石粉砂岩、黑云母长石粉砂岩等。泥质岩常见泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩等。

图2 志丹县永宁山丹霞洛河组砂岩岩石薄片偏光显微镜单偏光(a)及正交偏(b)光照片 矿物缩写：Qtz—石英；Kfs—钾长石；Pl—斜长石

洛河组风成沙漠相砂岩，岩性为一套紫红、灰红色细—中粗粒长石砂岩、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩等，具细粒—粗粒砂状结构，块状构造。主要矿物成分为石英(35%～40%)、斜长石(15%～20%)、钾长石(10%～20%)、岩屑(20%～25%)等。次圆状，分选中等，碎屑比较破碎，黑云母呈弯曲状、扭折状，显示压实作用较强。胶结物为硅质、铁质、钙质、石膏等，有两个世代，早期为铁质、硅质，后期为钙质、石膏。石膏充填在碎屑粒间呈连生胶结，为成岩晚期形成。岩石支撑类型为颗粒支撑，颗粒接触性质为点线式接触，胶结类型为孔隙式、连生胶结。铁泥质薄层、黑云母析出铁质，金属矿物氧化形成的赤铁矿、褐铁矿。岩石次生变化较强，主要表现为斜长石的绢云母化、泥化。压实作用较强，碎屑多呈碎裂状、弯曲状。压溶作用较强，石英、斜长石的次生加大边发育。重结晶作用较强，填隙物中的硅质、钙质、石膏等重结晶形成微粒状，充填在碎屑粒间呈胶结物(图2)。岩石风化作用较强，表现在溶蚀作用较强，部分杂基、胶结物的淋失较强。砂岩以细粒为主，粒径0.088～0.250 mm(表1)，分选系数0.89～1.15，分选性好。岩石抗压强度一般30.6～47.7 MPa，最大可达52.9 MPa，但由于岩石颗粒支撑结构、胶结物含量少等因素，该套砂岩抗风化能力弱。

表1 永宁山洛河组砂岩粒径统计数据表

3.3 沉积构造与岩相特征

研究区洛河组砂岩中发育中大型楔状、板状斜层理，局部发育平行层理(图3)，在51.50 m厚的地层中，共有17组斜层系、1组近水平层系(图4)。斜层理层厚0.5～9.4 m，纹层倾角多上陡下缓，倾角4°～29°，前积层下部倾角变缓1°～10°，与上下界面一般均呈相切关系。斜层理倾向多在110°～150°(图5)，沿走向延伸稳定，最长达百米以上，反映沙丘形成时受稳定的单向西北风作用。且沉积区地势平坦、地下水面平稳，与风力沉积、侵蚀作用相结合，塑造出平直的板状斜层理。层理产状相对较稳定，产状变化为145°～210°∠3°～5°，集中于110°～160°∠15°～25°，倾角一般不超过10°，个别倾角可达40°，产状较稳定。层理面较为平整，与下覆地层侵蚀面一致；层内纹层构造极发育，呈正粒序。中—大型的楔状交错层理的出现，代表着沉积作用期间风向的变化，层理产状倾向140°～165°，倾角5°～12°，纹层发育。

图3 永宁山洛河组层理特征

研究区局部还可见紫红色—褐红色薄层状泥质粉砂岩，发育近水平层理。上、下层面与风成斜层理相切，上层面不平整，呈曲折状；下层面较平整。泥质粉砂岩中沿水平纹层发育孔穴，截面呈圆—椭圆状，直径0.5～3 cm，最大达5 cm，孔深0.3～3 cm，其成因主要是化学风化、物理风化共同造就的结果，化学风化主要表现为盐风化，主要是长石中钠、钾、钙元素的析出，物理风化主要表现为风力侵蚀。

从岩性特征、层理等特征分析，研究区洛河组主要沉积环境为半干旱、炎热气候条件下的一套沙漠相沙丘亚相、丘间亚相，主要表现为沙丘的推移，沉积砂岩发育大型板状、楔状斜层理，岩石结构疏松,孔隙发育，是鄂尔多斯盆地重要的含水、保水层位。局部发育的具水平层理的泥质粉砂岩，其沉积相主要为沙漠湖相沉积。

4 岩石地球化学特征

4.1 常量元素

永宁山洛河组砂岩中主量元素Si、Al、Fe、Na、K含量较高，而Ti、P等元素含量较低(表2)。其中SiO2(72.75%～85.66%，平均为81.04%)、Al2O3(6.09%～7.66%，平均为6.76%)、K2O(2.02%～2.53%，平均为2.29%)、Na2O(1.76%～2.37%，平均为2.05%)、Fe2O3(1.45%～4.47%，平均为2.04%)、CaO(0.35%～5.50%，平均为1.61%)。常量元素中，SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2主要来自石英、长石、方解石、白云石、钾长石、镁铁质矿物(肖斌，2014)。SiO2含量高代表样品的成分成熟度高，即搬运距离远；Al2O3含量较低，指示长石风化分解严重；CaO和MgO的质量分数均较低，说明砂岩样品中碳酸盐岩的含量很低；CaO值远远高于MgO，说明砂岩中矿物含量方解石远远高于白云石；K2O/Al2O3介于0.32～0.37，平均为0.34，说明物源区钾长石较匮乏(尤丽等，2017)；K2O/Na2O比值是沉积岩中钾长石、钾云母总量与斜长石含量的度量，样品K2O/Na2O介于0.98～1.30，指示钾长石及含钾矿物总量，比斜长石及含钠矿物总量略大(张建军等，2017)；Al2O3/TiO2含量比介于25.08～47.85，平均值为35.67，代表长英质组分在物源区含量高；CaO、K2O和Na2O成分总量远大于Al2O3含量，暗示黏土矿物的富集(肖斌，2014)；样品含少量MnO，推断有重矿物磷灰石存在。

据log(SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)图解(图6)，横轴log(SiO2/Al2O3)代表样品的化学成熟度，纵轴log(Fe2O3/K2O)则表示镁铁质矿物在风化过程中的稳定程度，样品主要为亚长石砂岩、长石砂岩，少量为石英砂岩，Fe2O3/K2O比值变化较大，说明镁铁质矿物较不稳定(Herron，1988)；据陆源砂岩的log(K2O/Na2O)-log(SiO2/Al2O3)分类图解(Pettijohn et al.，1972)(图7)显示：样品主要为亚长石砂岩，少量为砂屑砂岩，样品SiO2/Al2O3比值较大，反映了岩石成熟度较高；据(Fe2O3+MgO)-Na2O-K2O图解(Blatt，1967)(图8)，样品主要为长石砂岩，少量为杂砂岩和砂屑砂岩。

图4 永宁山洛河组砂岩柱状图

图5 永宁山洛河组砂岩斜层理倾向玫瑰花图

Wedepohl(1969)研究指出上地壳石英约占21%、斜长石占41%、钾长石占21%，长石类矿物在上地壳风化过程中扮演着十分重要的角色，其含量丰富，并与风化作用具有密切关系。上地壳的风化是一个长石退化伴随黏土矿物形成的过程，钾、纳、钙从长石矿物中流失导致硅铝质矿物在风化产物中堆积(杨宗耀等，2019)。

Nesbitt and Young(1982)提出CIA用以衡量岩石风化程度，CIA的平均值可以用于判定物源区风化水平:若CIA值≤50则代表未风化；若50

表2 永宁山洛河组砂岩主量和微量元素分析数据表

续表2

图6 永宁山洛河组砂岩主量元素log(SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)图解(据Herron,1988)

图7 永宁山洛河组砂岩的log(K2O/Na2O)-log(SiO2/Al2O3)分类图解(据Pettijohn et al.，1972)

图8 永宁山洛河组砂岩((Fe2O3+MgO)-Na2O-K2O)图解(据Floyd et al.,1989)

4.2 微量元素

图9 永宁山洛河组砂岩球粒陨石标准化蜘网图(标准化数值据Boynton，1984)

由稀土微量元素数据表(表2)、微量元素配分模式图(图9)可知:稀土元素总量(ΣREE)介于51.90×10-6～99.18×10-6，平均值为75.53×10-6。稀土总量约为球粒陨石的稀土元素总量的19.42倍(球粒陨石的稀土总量约等于3.89×10-6)，但远小于北美页岩的稀土元素总量(北美页岩的稀土元素总量约为173.2×10-6)。轻稀土含量(ΣLREE)为42.27×10-6～78.29×10-6，平均值为59.54×10-6，重稀土含量(ΣHREE)为4.03×10-6～7.99×10-6，平均值为6.23×10-6，ΣLREE/ΣHREE值介于8.38～10.51，平均值为9.63，(La/Yb)N值介于1.25～1.51，平均值1.43，以上说明轻稀土元素相对重稀土元素明显富集，稀土元素分馏不明显。δEu介于1.26～2.75，平均值为1.79，δEu整体上>1，说明存在Eu正异常；δCe介于0.95～1.08，平均值为1.03，说明Ce存在微弱正异常。

5 砂岩物源探讨

Gd/Yb常用于推断沉积地层相对时代(Taloy and McLennan，1985；McLennan et al.，1993)，10件样品Gd/Yb均小于2，代表母岩沉积地层的时代处于太古宙之后，强烈的构造造山运动使古老的沉积物被带出。构造背景、环境对洛河组砂岩的物质来源、元素的聚集分异等都有控制作用，根据元素组成可推断物源区构造背景(王成善和李祥辉,2003)。由洛河组砂岩的Al2O3/SiO2-(Fe2O3总+MgO)判别图解(图10)，90%的洛河组样品落入被动大陆边缘物源区域内，即经历了长时间的风化、搬运、分选、沉积、成岩，其物源典型的构造背景是处于一个相对稳定的构造环境—被动大陆边缘(王丛山等，2016)，是在拉张应力场下地壳减薄，大幅度沉陷的产物。以生成巨厚的沉积聚集为特征,岩浆活动弱，基本无变形(李祖武，1983)。

图10 洛河组砂岩(Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO))判别图解(据Bhatia,1983)

6 经济社会意义

永宁山丹霞地貌地质遗迹与众多人文、自然景观相融合，提升了其旅游资源品味，对推动志丹县旅游业发展，对提高志丹县在国内的知名度具有重要意义。雄奇壮美的永宁山丹霞地貌为人们提供了一个具有较高科学品位的度假休闲、科学研究、教育普及等文化娱乐场所，能够唤起公众的自然保护意识，提高了对地质遗迹资源保护重要性的认识和支持，为今后进一步开展科研、科普教育提供了良好的群众基础，对县域内乃至周边地区生态恢复、资源保护和经济社会发展将起到促进作用。

7 结论

(1)研究区白垩系洛河组岩性主要为沙漠相风力作用沉积的一套紫红、灰红色细—中粗粒长石砂岩、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩，局部夹沙漠湖相沉积的薄—中层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。沙漠相风成砂岩呈颗粒支撑，胶结类型为孔隙式、连生胶结，岩石次生变化、压实作用、压溶作用、重结晶作用、风化作用较强，分选性好，岩石抗压强度较大，但抗风化能力弱等特征。

(2)研究区洛河组风成砂岩中发育中大型板状、楔状斜层理。在51.50 m厚的地层中，发育斜层理17组。斜层理倾向在110°～150°，沿走向延伸稳定，反映沙丘形成时主要受稳定的单向西北风作用。

(3)研究区洛河组风成砂岩的地球化学岩石类型为亚长石砂岩、长石砂岩和砂屑砂岩，物源区位于被动大陆边缘，具有火山、造山运动和岩浆活动微弱的特征。砂岩的成分成熟度高，遭受风化程度很低，古气候条件属于干燥、炎热的环境。

(4)通过研究探讨永宁山一带洛河组砂岩地质特征、古气候、古环境变迁与变化，对陕北地区丹霞地貌成因机理研究，科学保护、合理利用具有重要意义。