陜北靖邊丹霞地貌區(qū)紅色砂巖地球化學(xué)沉積特征與古環(huán)境研究

石浩，岳大鵬，趙景波，覃小鋒，劉蓉，王曉寧，胡倩，馬愛華，蘇敏

1) 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安， 710119；2) 桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林， 541004

內(nèi)容提要: 陜北靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)是近年來國內(nèi)外地學(xué)界的新發(fā)現(xiàn)和持續(xù)關(guān)注點(diǎn)。論文通過野外地質(zhì)調(diào)查、粒度分析，巖石地球化學(xué)分析等研究，探討紅色砂巖地球化學(xué)特征、沉積環(huán)境、物源性質(zhì)等相關(guān)問題。研究表明：紅色砂巖以中—細(xì)砂為主，SiO2和Al2O3含量之和在85%以上，沉積環(huán)境為河湖相，為水動(dòng)力中等，水面較淺的河流入湖三角洲河口區(qū)地帶，而不具有目前一些學(xué)者通過宏觀觀察提出的該砂巖為沙漠相沉積特征。沉積階段氣溫較高，存在暖干與暖濕的多次變化。地球化學(xué)分析表明紅色砂巖地球化學(xué)類型為長石砂巖和亞長石砂巖，物源可能來自于盆地內(nèi)部隆起或再旋回造山帶所提供的富石英質(zhì)沉積巖。

紅層是指各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期沉積的紅色巖系的總稱(彭華等，2013)。丹霞地貌是紅層地貌的一種類型，以陡崖坡為特征，是陳國達(dá)等(1939)以廣東丹霞山為代表命名的一種特殊地貌類型。中國的丹霞地貌區(qū)分布廣闊，數(shù)量最多，我國也是研究最早、最深入的國家(歐陽杰等，2011；彭華，2000)。目前在對(duì)丹霞地貌的定義和分類分布(彭華等，2013；趙汀等，2014；郭福生等，2020)，形態(tài)特征(吳昊等，2018；黃進(jìn)， 2010；彭華，2004)，發(fā)育機(jī)理及演化過程(楊望暾，2016；Zhu Cheng et al.，2015；潘志新等，2018；劉鑫等，2019)等方面研究取得了豐富的成果。

一直以來，對(duì)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較少，而陜北地區(qū)丹霞地貌是近年來國內(nèi)外地學(xué)界的新發(fā)現(xiàn)和持續(xù)關(guān)注點(diǎn)(吳昊等，2018，2021；彭小華等，2020；唐永忠等，2020)。部分學(xué)者關(guān)注的是丹霞地貌人文及歷史方面的意義(孫麗等，2013)，或者是從旅游資源的角度來解讀丹霞地貌(周學(xué)軍，2003；崔晨陽，2020)，對(duì)于新發(fā)現(xiàn)的丹霞地貌地層成因，沉積環(huán)境及其巖石的物理化學(xué)特征方面研究相對(duì)較少。陜北靖邊龍洲地區(qū)位于干旱—半干旱的沙漠與黃土高原過渡地帶，其發(fā)育獨(dú)特罕見的丹霞正—負(fù)地貌過渡類型(彭小華等，2020；吳昊等，2021)，主要是受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖性巖相，氣候環(huán)境變化，地理環(huán)境要素等各種條件控制影響下的特殊丹霞地貌，其形態(tài)猶如波浪，流暢圓滑，因此被稱為波浪式丹霞地貌，具有極高的觀賞美學(xué)價(jià)值和科學(xué)研究價(jià)值。紅色砂巖作為丹霞地貌發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，其物質(zhì)組分記錄著物源區(qū)和沉積區(qū)的信息，是丹霞地貌研究不可回避的一個(gè)問題，近年來紅層研究日漸深入(彭華，2011)。筆者等在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，采集了靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)的不同層位，不同類型的紅色砂巖樣品，進(jìn)行系統(tǒng)的粒度成分，巖石地球化學(xué)分析，結(jié)合野外特征深入探討波浪式丹霞地貌區(qū)紅色砂巖沉積特征、沉積環(huán)境、物源性質(zhì)等問題，為進(jìn)一步研究陜北丹霞地貌的科學(xué)價(jià)值及丹霞地貌區(qū)開發(fā)利用保護(hù)等提供一些科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)位于靖邊縣東南方向約22 km的龍洲鎮(zhèn)附近，地理坐標(biāo)東經(jīng) 108°59'30″～109°00'35″，北緯 37°30'35″～37°31'50″，主要范圍北至沙峁梁，東起西門臺(tái)遺址，西至周介，面積約3.3 km2(圖1)。該區(qū)屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，水資源豐富，年平均氣溫為7.8℃，年平均降水量為395.3 mm，主要集中在7～9月。

研究區(qū)內(nèi)出露白堊系志丹群洛河組砂巖，顏色為紅色、紅褐色、紅白色，主要為 細(xì)砂—中砂巖，部分為中—粗砂巖，分選性差，磨圓度中等，礦物成分以斜長石、鉀長石和石英為主。出露的巖石類型特征，按層厚度分為厚層和薄層，主要有 “厚—厚型”、“薄—薄型”、“厚—薄型”三類，其中，厚層厚度約10～50 cm，薄層厚度一般小于1 cm，根據(jù)野外觀察，在相近的海拔高度上，厚層向南逐漸增多，薄層減少，越往南越發(fā)育“厚—厚型”砂巖。巖石易破碎，抗侵蝕能力較差，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)力、水力侵蝕，重力崩塌的共同作用下，形成波浪式丹霞地貌，具有“頂平，麓緩，身陡”的特征，包含丹霞方山、崖壁、石柱、峽谷等丹霞地貌類型，主要成景沉積層是中—上部的“厚—厚層”和“厚—薄層”組成的波浪地貌(圖2)。

圖2 陜北靖邊波浪谷丹霞地貌與沉積特征Fig. 2 Danxia landform and sedimentary characteristics in Jingbian Wave-liked Valley， northern Shaanxi(a) 靖邊波浪谷獨(dú)特的“油塔狀”“陀螺狀”波浪式丹霞地貌；(b) 靖邊波浪谷內(nèi)顯著陡崖，裂隙發(fā)育，流水下切作用形成陡峭峽谷；(c) 靖邊波浪谷上部呈現(xiàn)波浪地貌；(d) 中上部紅砂巖出露大型交錯(cuò)層理，巖石風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重；(e) 波浪谷下部紅、灰白色砂巖出現(xiàn)明顯平行層理，層理相間，厚度接近；(f) 波浪谷中上部紅砂巖中出現(xiàn)白色含鈣質(zhì)薄層理，“厚—薄層”砂巖類型；(g) 波浪谷上部紅砂巖層理厚度較大，“厚—厚層”砂巖類型；(h) “薄—薄層”砂巖類型；(i) 交錯(cuò)層理，“厚—薄層”砂巖類型(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 樣品采集和分析

本次研究選取了靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)內(nèi)不同層位，不同類型的紅色砂巖樣品。根據(jù)野外觀察，主要依據(jù)層理厚度，粒度特征，含鈣質(zhì)層等方面分為“厚—厚型”、“厚—薄型”、“薄—薄型”三種類型紅砂巖，依次從1170 m至1330 m不同海拔高度的剖面，由下至上共采集14份紅色砂巖樣品進(jìn)行粒度，主、微量及稀土元素分析。

粒度測試將每份風(fēng)干的樣品約10 g放入500 mL的燒杯中；加入10 mL 10%的過氧化氫溶液，使其充分反應(yīng)除去有機(jī)質(zhì)；再加入10 mL 10%的鹽酸溶液，加熱除碳酸鹽；當(dāng)反應(yīng)完全后，反復(fù)加入蒸餾水至500 mL，等到液體沉淀澄清后用虹吸法小心抽取上層清液，直至樣品溶液呈中性；在樣品上機(jī)測定之前30 min左右，向盛有待測樣品的燒杯中加入10 mL濃度為0.05 mol/L的分散劑((NaPO3)6溶液。測試儀器為Malvern公司的 Mastersizer 2000型激光粒度儀，該儀器測量范圍為0.01～2000 μm。

表1 陜北靖邊波浪谷紅色砂巖粒度組分分析及參數(shù)特征Table 1 Grain size composition analysis and parameter characteristics of red sandstone in Jingbian wave valley，northern Shaanxi

元素測試將所有樣品均用蒸餾水去污后在恒溫80℃的烘箱中烘干10h后，粉碎為200目。常量元素采用硼酸鋰—硝酸鋰熔融全巖分析，測試儀器為Panalytical Magix PW2403型X熒光光譜儀，微量及稀土元素采用ICP-MS(電感耦合等離子質(zhì)譜法)測定，測試儀器為PerkinElmer公司Elan DRC-c型電感耦合等離子質(zhì)譜儀，精度為0.002μg/g，所有被測樣品的微量和稀土元素含量均大于其檢出限，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于5%，分析結(jié)果準(zhǔn)確可信。樣品處理及測試在陜西師范大學(xué)流域環(huán)境動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粒度特征

圖3 陜北靖邊波浪谷紅色砂巖樣品粒度頻率曲線圖Fig. 3 The frequency curve of the grain sizes of red sandstone in Jingbian wave valley，northern Shaanxi

靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)紅色砂巖粒度測試結(jié)果見表1，粒度頻率曲線圖見圖3。粒度分級(jí)采用伍登—溫德華粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度、峰度登相關(guān)參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)公式計(jì)算(Folk and Ward，1957)。結(jié)果顯示，底部及中—下部紅色砂巖以中—細(xì)砂為主，中—上部以細(xì)—中砂為主，粗砂含量逐漸增加。粒徑整體變化差異不大，其中“厚—厚型”紅砂巖粒徑最大， “薄—薄型”紅砂巖粒徑略大于“厚—薄型”，從平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)離差等特征上看分選性較差, 這與野外觀察的現(xiàn)象基本一致。頻率曲線圖顯示，曲線在中—下部多呈現(xiàn)為雙峰型(圖3a)，中—上部多為單峰型(圖3b)，主峰粒徑對(duì)應(yīng)細(xì)砂和中砂，次峰粒徑對(duì)應(yīng)粉砂；標(biāo)準(zhǔn)離差上看大多數(shù)為極正偏(大于0.3)，少部分為正偏，中—上部的紅砂巖樣品相對(duì)于中—下部偏度略?。黄骄宥蕊@示中—下部多為極尖窄峰態(tài)(大于3)，中—上部多為尖窄峰態(tài)。

圖4 陜北靖邊波浪谷紅色砂巖微量元素蛛網(wǎng)圖(a)和稀土元素配分圖(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

靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)紅色砂巖常量元素測試結(jié)果見表2。紅色砂巖以SiO2和Al2O3為主，其含量之和在85%以上，其次為CaO、Fe2O3、K2O、Na2O，含量在1%～3%，MgO、P2O5TiO2含量較少，均在1%以下，這些特征表明波浪谷丹霞地貌區(qū)內(nèi)從上至下物質(zhì)組成基本一致，來源相對(duì)單一。Al2O3/ SiO2值在0.05～0.14之間，平均值為0.10，說明紅色砂巖中石英或富SiO2的礦物含量極高，在三種類型的紅色砂巖中，“厚—厚型”中的SiO2含量比其他兩種類型高，Al2O3的含量最低。

3.3 微量元素和稀土特征

靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)紅色砂巖微量元素和稀土元素測試結(jié)果見表2，微量元素蛛網(wǎng)圖(4a)和稀土元素配分圖(4b)見圖4。結(jié)果顯示， Ba、W、Pb等元素相對(duì)富集，Nb、Sr、Cr、Y、V等元素相對(duì)虧損。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。紅色砂巖的稀土元素總量變化不大，∑REE平均值為為67.33 μg/g，范圍為42.51～89.49 μg/g。LREE/HREE值在10.09～12.21之間，LaN/YbN值為10.08～15.60，表明稀土元素分異明顯，輕稀土相對(duì)富集，重稀土相對(duì)虧損；δEu值為0.76～1.09，平均值0.94，9個(gè)樣品小于1，呈微弱負(fù)異常；δCe值為1.04～1.14，平均值為1.08，呈弱正異常。通過∑REE含量、δEu值、LREE/HREE值、稀土元素配分圖等與Bhatia等(1986)總結(jié)出的典型構(gòu)造背景碎屑巖地球化學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比，本區(qū)紅色砂巖與來源于被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境或大陸島弧環(huán)境下的碎屑巖特征較為相似。。

表2 陜北靖邊波浪谷紅色砂巖常量元素(%)、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

圖5 陜北靖邊波浪谷紅色砂巖地球化學(xué)類型判別圖Fig. 5 Geochemical rock type determination for red sandstone in Jingbian Wave-liked Valley，northern Shaanxi

4 討論

4.1 地球化學(xué)類型與沉積特征

砂巖的地球化學(xué)類型往往通過常量元素的氧化物含量來確定，根據(jù)Herron(1988)的陸源碎屑巖和頁巖lg[n(SiO2)/n( Al2O3)]-lg[n(Fe2O3)/n(Na2O)]分類判別圖解，可以反映石英、長石類、黏土礦物的富集程度和鐵鎂質(zhì)礦物的穩(wěn)定程度。投圖顯示(圖5)研究區(qū)紅色砂巖主要為長石砂巖和亞長石砂巖，未經(jīng)強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，鎂鐵質(zhì)礦物較穩(wěn)定。

由于紅色砂巖常量元素中K2O、CaO、Na2O含量相對(duì)較低，而黏土礦物比非黏土礦物含有更高的Al2O3，因而化學(xué)成分變異指數(shù)(ICV)可以揭示碎屑巖的成分成熟度，計(jì)算公式為[n(Fe2O3)+n(K2O)+n(CaO)+n(Na2O)+n(MnO)+n(MgO)+n(TiO2)]/n(Al2O3)。當(dāng)ICV接近1時(shí)，表明源區(qū)未經(jīng)歷強(qiáng)烈風(fēng)化，ICV值大于1時(shí)，表示黏土礦物較少，碎屑巖成熟度較高，砂巖是第一次旋回的沉積物，ICV值小于1時(shí)，表示黏土礦物較多，碎屑巖成熟度較低，砂巖可能是再旋回的沉積物(Cox et al.，1995)。結(jié)果顯示，研究區(qū)紅色砂巖ICV值在0.83～1.57之間，平均值為1.07；其中“厚—薄型”和“薄—薄型”紅色砂巖ICV值大部分接近于1 ，而“厚—厚型”紅色砂巖的ICV值普遍較高，均大于1，表明其成熟度較高，可能為首次直接沉積的產(chǎn)物；從垂向分布上看中部(LZ-8)、中上部(LZ-9)、頂部(LZ-13、LZ-14)的樣品ICV值分別為0.88、1.54、1.57、0.83，表明此時(shí)期存在有多期強(qiáng)烈抬升，多次循環(huán)再沉積過程的特點(diǎn)。

4.2 砂巖沉積相和成因

關(guān)于紅色砂巖的成因，一些學(xué)者根據(jù)宏觀觀察認(rèn)為可能是沙漠相沉積(彭小華等，2020；唐永忠等，2020；吳昊等， 2021)，但是缺少相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析證據(jù)。沉積物的粒度組成分布與沉積物形成時(shí)期的環(huán)境背景有很大的關(guān)聯(lián)性，相關(guān)參數(shù)特征在研究沉積環(huán)境和沉積動(dòng)力等方面廣泛應(yīng)用。Sahu(1964)曾通過對(duì)大量不同的風(fēng)成沙丘、三角洲、淺海、湖泊等環(huán)境的沉積物的粒度參數(shù)進(jìn)行研究，得出用以區(qū)分不同沉積環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)判別公式，筆者等采用其中部分公式(表3)。將表1中數(shù)據(jù)代入得知，Y①的范圍在-2.60～18.49之間，平均值為6.56；Y②范圍值在121.83～483.69，平均值為249.60，Y③范圍值在-43.83～-9.66，平均值為-21.87，指示了研究區(qū)紅色砂巖具備河流和湖泊沉積特征。從剖面的粒度頻率曲線圖上看(圖3)，單峰和雙峰均存在，主峰粒徑對(duì)應(yīng)為細(xì)砂和中砂，大多數(shù)屬于極尖窄峰態(tài)，極正偏，分選性較差，表明沉積區(qū)的沉積環(huán)境可能較為復(fù)雜，水位較淺，搬運(yùn)動(dòng)力在進(jìn)行變化，厚層粗粒型搬運(yùn)動(dòng)力大于薄層細(xì)粒型。

Sr/Ba值是一個(gè)常用來區(qū)分海陸相和水動(dòng)力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)(王益友等，1979)，相對(duì)于Ba元素，Sr元素有更強(qiáng)的遷移能力。研究區(qū)紅色砂巖的Sr/Ba值為0.21～0.31，變化范圍不大，數(shù)值遠(yuǎn)小于1，說明為陸相環(huán)境，水動(dòng)力中等，水面較淺。

根據(jù)現(xiàn)代風(fēng)沙沉積的特點(diǎn)(趙景波等，2011，2017b)，風(fēng)沙沉積物中的粉砂含量不超過2%，CaO含量也在1%以下，而研究區(qū)紅色砂巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1、表2)顯示有明顯區(qū)別，此外風(fēng)沙沉積形成的沉積物層理與流水作用形成的沉積物相比，層理顯示不太清晰；結(jié)合野外觀察的現(xiàn)象，紅色砂巖以中—細(xì)砂巖為主，巖層交錯(cuò)層理類型多樣，產(chǎn)狀變化較大，中—下部多見紅白色相間的平行層理，中—上部多見含CaCO3層，礫石少，未見厚層狀礫巖層，斜層理與水平層理間常呈現(xiàn)“頂截下切”的特點(diǎn)，以上特征均與沙漠相風(fēng)沙沉積特點(diǎn)相悖。由于白堊紀(jì)氣候炎熱干燥，一些河流沿岸可能會(huì)出現(xiàn)零星的風(fēng)成沙丘，但它不是本區(qū)紅色砂巖的主要沉積類型。因此綜合以上特征反映了靖邊波浪谷地區(qū)的沉積環(huán)境為河湖相，為河流入湖的三角洲河口區(qū)地帶。

4.3 砂巖沉積時(shí)期的氣候

沉積物的粗細(xì)可以反映水深及水動(dòng)力強(qiáng)弱，進(jìn)而反映降水量大小和干濕變化(趙景波等，2017a；陳敬安等，2003)，平均粒徑粗代表水動(dòng)力變強(qiáng)，湖水淺，降水量減少，湖泊處于收縮階段；反之，平均粒徑細(xì)代表水動(dòng)力變?nèi)酰兩?，降水量增多，湖泊處于擴(kuò)張階段。砂巖的元素含量組成在不同氣候條件下因自身地球化學(xué)性質(zhì)不同而有所差異，通常在降水豐沛、濕潤氣候條件下，Na、Ca、Mg等元素性質(zhì)較活潑的元素會(huì)發(fā)生淋溶遷移，干旱條件下受到抑制(徐方建等，2010)，而Si、Fe等元素相對(duì)穩(wěn)定不會(huì)遷移；Ba、Rb、Sr等微量元素易以黏土吸附形式存在于地層中，因而元素含量變化及相關(guān)比值結(jié)合粒度參數(shù)綜合分析可以反映氣候條件(高蓮鳳等，2017；吳艷宏等，2004)。Na2O、Al2O3、CaO、MgO等氧化物含量低，SiO2含量高，Rb/Sr值和K2O/Na2O值高，揭示氣候溫暖干燥，水動(dòng)力變強(qiáng)，水深較淺；反之則代表氣候溫?zé)釢駶櫍畡?dòng)力變?nèi)酰畲?。結(jié)果顯示(表1、表2)，研究區(qū)沉積階段整體上氣溫較高，存在暖干與暖濕的多次變化，根據(jù)粒度粗細(xì)和Si、Al、Ca、Na、Rb、Sr等元素含量及其比值變化，地層從垂向上變化大致可以分為9個(gè)時(shí)期：

底部(LZ-1、LZ-2階段)，砂巖以細(xì)砂和中砂為主，平均粒徑中等，Al2O3，SiO2，Na2O、等含量較高，Rb/Sr值和K2O/Na2O值均較高，說明該階段降水較少，氣候干旱。

中—下部(LZ-3階段)，砂巖中粉砂與細(xì)砂含量略增多，粗砂含量減少，平均粒徑減小，Al2O3、CaO、MgO含量增加而SiO2大量減少，Rb/Sr值和K2O/Na2O值也變小，說明該階段降水增加，氣候溫暖濕潤。

中—下部(LZ-4、LZ-5階段)，砂巖以細(xì)砂和中砂為主，細(xì)砂含量比LZ-3時(shí)期減少，中砂增加，平均粒徑增大，Al2O3、CaO、MgO呈下降趨勢(shì)， SiO2呈上升趨勢(shì)， Rb/Sr值與K2O/Na2O值與前階段相比先增加后降低，說明該階段降水減少，氣候相對(duì)干旱。

中—部(LZ-6階段)，砂巖以細(xì)砂為主，中砂、粗砂含量大量減少，平均粒徑減小，Al2O3、MgO含量增加，CaO、SiO2減少，Rb/Sr值較高，K2O/Na2O值減小，說明該階段降水增加，氣候暖濕，與前一階段相比氣候變化波動(dòng)大，可能存在極端氣候事件。

中部(LZ-7、LZ-8階段)，砂巖以細(xì)砂和中砂為主，粗砂含量大量增加，平均粒徑逐漸增大，Al2O3、CaO、MgO呈下降趨勢(shì)，而SiO2呈上升趨勢(shì)，Rb/Sr值較高且變化不大，此時(shí)期降水減少，氣候由濕潤轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊怠?/p>

中—上部(LZ-9階段)，砂巖以細(xì)砂為主，粉砂、中砂含量大量減少，粗砂含量大量增加，平均粒徑較大，Al2O3含量減少，SiO2、CaO、MgO含量增加，Rb/Sr值和K2O/Na2O值變大，說明該階段氣候干熱，與前一階段相比降水減少，氣候變化波動(dòng)大，可能存在極端氣候事件。

中—上部(LZ-10階段)，砂巖以細(xì)砂和中砂為主，粉砂、粗砂含量也較多，平均粒徑中等，Al2O3、CaO、MgO含量增加，SiO2含量減少，Rb/Sr值變小，說明該階段相對(duì)降水增多，氣候溫暖濕潤。

中—上部(LZ-11階段)，砂巖以中砂和粗砂為主且達(dá)到最大值，粉砂、細(xì)砂含量大量減少，平均粒徑最大，Al2O3、MgO含量減少， SiO2含量增加達(dá)到最大值，Rb/Sr值變大，說明該階段降水減小，氣候炎熱干旱。

上部(LZ-12、LZ-13、LZ-14階段)，砂巖以細(xì)砂和中砂為主，粉砂、細(xì)砂含量也較多，平均粒徑先變大后變小， Al2O3、MgO等含量呈高—低—高的波動(dòng)性變化，CaO 、SiO2含量呈低—高—低的波動(dòng)性變化， K2O/Na2O值先變大后減小，Rb/Sr值逐漸減小，此時(shí)期的降水由多變少再變多，氣候具有濕潤—干旱—濕潤的旋回特點(diǎn)。

4.4 物源分析

砂巖碎屑組成及其時(shí)空變化，在一定程度上可反演區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的性質(zhì)、強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變時(shí)間等，是源區(qū)母巖性質(zhì)和盆地構(gòu)造古地理信息的直接示蹤物(Allegre et al.，1978；Roser et al.，1988)。Roser等(1988)根據(jù)主量元素的含量定義判別函數(shù)，將陸源碎屑沉積巖的物源分為鐵鎂質(zhì)火山巖物源、中性火山巖物源、長英質(zhì)火山巖物源和富含石英質(zhì)的沉積巖物源四類，投圖顯示(圖6a)，研究區(qū)紅色砂巖樣品都落入富含石英質(zhì)的沉積巖物源區(qū)，結(jié)合La/Th—ΣREE圖解(Allegre et al.，1978)(圖6b)顯示紅色砂巖也都落入沉積巖區(qū)域，表明其源巖主要為富含石英質(zhì)的沉積巖類。鄂爾多斯盆地作為一個(gè)多旋回疊合盆地(劉池洋等，2006)，既有穩(wěn)定板內(nèi)克拉通盆地構(gòu)造簡單、地層平緩，又有周邊活動(dòng)性強(qiáng)、物源近的特點(diǎn)，推測物源可能來自于盆地內(nèi)部隆起或再旋回造山帶所提供的富石英質(zhì)沉積巖。

有學(xué)者認(rèn)為，早古生代時(shí)期，鄂爾多斯盆地部分處于秦祁古洋盆的被動(dòng)大陸邊緣，奧陶紀(jì)期間，秦祁島弧與華北陸塊大面積碰撞，侏羅紀(jì)期間燕山運(yùn)動(dòng)中秦祁造山帶有劇烈的再回旋造山過程；此外，盆地西南部的逆沖推覆構(gòu)造也對(duì)盆地內(nèi)部的白堊系沉積物有重要影響(閆小雄，2001；袁衛(wèi)國等，1996)。有學(xué)者對(duì)鄂爾多斯西南緣白堊統(tǒng)洛河組砂巖的碎屑鋯石研究認(rèn)為北秦嶺造山帶和北祁連造山帶東段是其主要物源區(qū)(程先鈺等，2020)。而研究區(qū)紅色砂巖所顯示的物源區(qū)特征和位于盆地西南部逆沖推覆構(gòu)造帶中的秦祁造山帶在構(gòu)造演化上有諸多相似之處。因此，推測秦祁造山帶對(duì)靖邊波浪谷丹霞地貌區(qū)紅色砂巖的來源有重要影響。

5 結(jié)論

通過以上對(duì)陜北靖邊龍洲波浪谷丹霞地貌區(qū)紅色砂巖的野外地質(zhì)調(diào)查、粒度特征和地球化學(xué)特征分析研究，得到幾點(diǎn)初步結(jié)論：

(1)研究區(qū)底部及中下部紅色砂巖以中—細(xì)砂為主，中上部以細(xì)—中砂為主，粗砂含量逐漸增加，粒徑整體變化差異不大。主要元素為SiO2和Al2O3，其含量之和在85%以上。主要成景沉積層是中上部的“厚—厚層”與“厚—薄層”組成的波浪地貌。

(2)研究區(qū)紅色砂巖化學(xué)成分變異指數(shù)(ICV)顯示存在有多期強(qiáng)烈抬升，多次循環(huán)再沉積過程的特點(diǎn)，砂巖分選性差，巖層交錯(cuò)層理類型多樣，沉積環(huán)境為河湖相，為水動(dòng)力中等，水面較淺的河流入湖三角洲河口區(qū)地帶。

(3)與氣候環(huán)境變化有緊密聯(lián)系的相關(guān)元素含量變化顯示研究區(qū)沉積階段氣溫較高，存在暖干與暖濕的多次變化。

(4)主、微量和稀土元素地球化學(xué)特征分析顯示，研究區(qū)紅色砂巖地球化學(xué)類型為長石砂巖和亞長石砂巖，其源區(qū)母巖主要為富含石英質(zhì)的沉積巖類，秦祁造山帶對(duì)研究區(qū)紅色砂巖的來源有重要影響。