西秦嶺北緣漸新世礫巖沉積特征及沉積環(huán)境

摘 要 西秦嶺北緣漳縣—武山地區(qū)沿漳河兩岸出露一套厚度近300 m的漸新統(tǒng)紅色礫巖、砂礫巖夾粗砂巖組成的礫巖組合。這套礫巖角度不整合在古生代、中生代不同時(shí)代地層之上或以斷層與前新生代地層相接觸，其在孫家峽一帶出露典型，層序完整，故稱其為孫家峽礫巖。這套礫巖向上逐漸過渡為紅色或灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖等湖相沉積，構(gòu)成了一個(gè)下粗上細(xì)正旋回沉積組合。這套沉積組合是漳縣漸新世—中新世含鹽盆地最下部的一個(gè)沉積旋回，其沉積旋回、沉積環(huán)境及其沉積的構(gòu)造背景研究對于漳縣漸新世—中新世含鹽盆地的構(gòu)造屬性確定和認(rèn)識(shí)印度—?dú)W亞板塊碰撞匯聚動(dòng)力學(xué)的遠(yuǎn)程地質(zhì)響應(yīng)等具有重要意義。通過對孫家峽礫巖的沉積旋回、沉積構(gòu)造、礫石特征、古流向等詳細(xì)研究，結(jié)合控制這套礫巖組合的邊界斷層多期變形資料和區(qū)域上同時(shí)代相應(yīng)沉積地層的對比，取得了如下認(rèn)識(shí)：（1）孫家峽礫巖沉積旋回、沉積構(gòu)造和礫石分選、磨圓、排列等特征指示了其除底部為沖洪積扇和扇上河道沉積外，主體為山區(qū)辮狀河道相、曲流河道相夾洪泛相沉積為主的河流加積沉積；礫石成分和古流向指示了F1斷層之南的志留紀(jì)—三疊紀(jì)造山帶地層雖對其物源有一定貢獻(xiàn)，但其主要物源區(qū)更可能是來自西部祁連地塊；（2）依據(jù)孫家峽礫巖及上覆湖相沉積共同構(gòu)成的具有斷陷盆地的正旋回沉積特征和控制盆地沉積的F1斷層早期伸展正斷層作用，證實(shí)這套礫巖組合為伸展斷陷河谷盆地沉積，礫巖之上的湖相沉積是持續(xù)快速伸展斷陷而形成的湖相沉積；（3）西秦嶺北緣漸新世斷陷盆地性質(zhì)確認(rèn)，澄清了地學(xué)界長期持有的壓陷盆地或前陸撓曲盆地的模糊認(rèn)識(shí)，也指示了西秦嶺北緣漸新世—中新世盆地發(fā)育初期無疑是處于伸展拉張狀態(tài)，這與印度—?dú)W亞碰撞匯聚向北擴(kuò)展的擠壓縮短構(gòu)造相悖。因此，推測漸新世印度—?dú)W亞碰撞匯聚的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)尚未波及到該區(qū)域。

關(guān)鍵詞 西秦嶺北緣；漸新世；孫家峽礫巖；河流加積；斷陷盆地

第一作者簡介 常西玲，女，1994年出生，碩士研究生，地質(zhì)學(xué)，E-mail： changxl001@163.com

通信作者 郭進(jìn)京，男，教授，斷裂構(gòu)造與沉積盆地，E-mail： gjj@tcu.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

青藏高原東北緣一系列新生代盆地的沉積地層被認(rèn)為是青藏高原東北緣隆升的地質(zhì)記錄，國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家曾對這些沉積地層的沉積巖石序列及沉積環(huán)境演變、古地磁年代和磷灰石熱年代學(xué)、同位素物源示蹤和碎屑鋯石的物源示蹤、孢粉組合和動(dòng)物大化石等做了大量研究，提出了各種青藏高原擴(kuò)展生長和東北緣隆升模型[1?20]，其中3.6 Ma和8 Ma以來東北緣快速隆升，并且已隆升到一定高度的觀點(diǎn)[2，5，13，21]在地學(xué)界影響深遠(yuǎn)，但爭議依然存在[22-26]。西秦嶺北緣構(gòu)造帶作為青藏高原東北緣重要的組成部分，其漳縣—武山段新生代沉積記錄保存較完整，既保存有厚度近4 000 m的漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)由紅到灰的多個(gè)旋回的沉積地層[25-26]又出露一套產(chǎn)狀近水平、角度不整合在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)之上的、厚度近400 m的上新統(tǒng)洪積扇粗礫巖層，這套礫巖層、與貴德—循化盆地的甘家礫巖、臨夏盆地的積石山礫巖等具有相似的地質(zhì)背景和巖石組合及成因，是約束青藏高原東北緣隆升的重要的地質(zhì)記錄[27-28]。加上該地區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造系統(tǒng)和豐富多期的構(gòu)造現(xiàn)象，使得其成為研究青藏高原東北緣新生代地質(zhì)過程、印度—?dú)W亞碰撞匯聚的遠(yuǎn)程動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及高原擴(kuò)展生長等科學(xué)問題難得的天然實(shí)驗(yàn)室。西秦嶺北緣構(gòu)造帶及其北側(cè)的臨夏盆地—循化盆地—貴德盆地底部普遍發(fā)育一套被稱為它拉組的礫巖、砂礫巖、砂巖沉積地層，并被認(rèn)為是一套沖積扇或山區(qū)河流相沉積，年齡29.0～21.4 Ma（臨夏盆地）[1，13，16]或23.1～21.1 Ma（貴德—循化盆地）[2，17，20]，厚度約100 m，它代表青藏高原東北緣新生代沉積盆地發(fā)育的初始記錄，但這套礫巖是伸展構(gòu)造背景下的斷陷盆地沉積，還是擠壓背景下的撓曲前陸盆地沉積，還存有爭議。這一問題涉及青藏高原東北緣新生代盆地的構(gòu)造屬性和印度—?dú)W亞碰撞匯聚的以擠壓縮短為主的動(dòng)力學(xué)在東北緣的響應(yīng)等重要科學(xué)問題，值得進(jìn)一步研究。西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣—武山地區(qū)孫家峽漳河兩岸出露的漸新統(tǒng)，主要由河流加積的礫巖、砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和整合其上的湖相灰色和紅色泥巖沉積組成，構(gòu)成一個(gè)完整的下粗上細(xì)的沉積旋回，與它拉組沉積巖石組合和旋回特征相近，但層序和旋回更為完整，厚度達(dá)600 m，僅下部礫巖、砂礫巖為主的礫巖層厚度就達(dá)300 m。鑒于漸新統(tǒng)底部礫巖層在孫家峽漳河兩岸出露齊全，層序完整，厚度巨大，具有代表性，因此，我們將其命名為孫家峽礫巖[29]。本文試圖通過對孫家峽礫巖沉積旋回、沉積構(gòu)造、礫石成分、古流向等沉積特征研究，查明其沉積環(huán)境，并結(jié)合對控制這套礫巖沉積的邊界斷層多期變形的關(guān)系分析，探討這套地層發(fā)育的構(gòu)造背景，試圖澄清西秦嶺北緣漸新世沉積盆地到底是伸展斷陷盆地還是擠壓撓曲前陸盆地的分歧，為印度—?dú)W亞碰撞匯聚的以擠壓縮短為主的動(dòng)力學(xué)在東北緣的響應(yīng)及東北緣隆升等提供新的地質(zhì)依據(jù)和約束條件。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

西秦嶺北緣構(gòu)造帶主要由一系列北西西向斷層和由斷層所夾持的形成于不同時(shí)代的地層塊體組成，自南向北發(fā)育4條北西西向斷層，依次為F1、F2、F3和F4 （圖1）[30]。研究區(qū)內(nèi)出露地層包括古生代、新生代地層和新生代地層。前者主要包括下古生界李子園群、鴛鴦鎮(zhèn)蛇綠巖和上古生界泥盆系、石炭系、二疊系大關(guān)山組等造山帶地層和白堊系（圖1）[30]；后者主要分布在F1斷層以北，包括漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)和角度不整合在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)之上的上新統(tǒng)[26，31]。鴛鴦鎮(zhèn)蛇綠巖和下古生界李子園群出露在構(gòu)造帶東部，其中鴛鴦鎮(zhèn)蛇綠巖主要由綠簾陽起片巖、黑云陽起片巖、陽起斜長片巖及變質(zhì)玄武巖、玄武安山巖等變質(zhì)基性火山巖組成，同時(shí)含有輝石巖、輝長巖和墨綠色蛇紋巖、滑石蛇紋巖和片理化蛇紋巖等變質(zhì)超基性巖；李子園群由黑云二長變粒巖、灰色黑云變粒巖、灰色黑云斜長變粒巖夾淺灰色長石石英巖、二長淺粒巖、黑云纖閃石角巖、透閃石大理巖等組成。研究區(qū)內(nèi)出露的上古生界包括泥盆系、石炭系、二疊系等，其中泥盆系被稱為大草灘群，為一套紫紅色—紫色—灰紫色中薄層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖與灰色—灰綠色中—厚層狀含礫長石石英砂巖、長石石英砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖互層。石炭系由下統(tǒng)巴都組深灰色—淺灰色的中—薄層狀長石石英砂巖、石英砂巖、鈣質(zhì)巖屑砂巖、粉砂質(zhì)板巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r及少量煤線和上統(tǒng)下加嶺組深灰—褐灰色鈣質(zhì)巖屑砂巖、石英砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、砂屑灰?guī)r、含生屑砂巖灰?guī)r夾泥灰?guī)r、粉晶灰?guī)r、含炭板巖組成；二疊系由上統(tǒng)石關(guān)組細(xì)粒長石石英砂巖、巖屑石英砂巖、粉砂質(zhì)頁巖與生物灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r互層和中統(tǒng)大關(guān)山組灰白—深灰色微晶灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂質(zhì)板巖組成。白堊系大面積分布在F1斷層以南，角度不整合在下伏泥盆系、石炭系、二疊系等不同時(shí)代的造山帶地層之上，由下白堊統(tǒng)磨溝組紫紅色—紅色河流相—洪泛相礫巖、砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖和沙漠相磚紅色中—厚層狀砂巖[32-33]組成（圖1，2）。

2 孫家峽礫巖分布與時(shí)代

研究區(qū)內(nèi)紅色陸相沉積地層單元?jiǎng)澐趾蜁r(shí)代一直存在不同方案。陜西省地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)測量隊(duì)（1970）1∶20萬隴西幅地質(zhì)圖將西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣地區(qū)出露的中生代—新生代地層厘定為白堊系（K）、老第三系（E）和新第三系（N），其中老第三系（E）角度不整合在白堊系之上，老第三系與新第三系以F3 斷層為界[34]；甘肅省地質(zhì)調(diào)查院（2007）修編的1∶25萬岷縣幅地質(zhì)圖把F4斷層之南的老第三系修訂為上白堊統(tǒng)麥積山組，之北的老第三系則修訂為新近系，漳河北岸的麥積山組之下的地層厘定為白堊系河口群，漳河南岸鹽井溝—孫家峽一帶的地層修訂為白堊系磨溝組，而孫家峽以東的原新第三系修訂為新近系甘肅群[30]。基于我們近年來對研究區(qū)內(nèi)被厘定為白堊系—古近系—新近系不同時(shí)代的地層之間的接觸關(guān)系、沉積序列和沉積環(huán)境以及構(gòu)造變形的差異性研究，依據(jù)漳縣含鹽盆地沉積序列的中—上部灰色湖相沉積的泥巖—泥灰?guī)r中具有中新世孢粉組合特征、孫家峽一帶底部砂礫巖中碎屑磷灰石裂變徑跡年齡34～43 Ma峰值年齡數(shù)據(jù)等，結(jié)合與臨夏盆地、天水盆地、循化—貴德盆地等沉積地層序列對比，將漳縣—武山地區(qū)沿漳河兩岸分布的新生代地層厘定為漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)，主要為一套厚度近4 000米由多個(gè)河流相—洪泛相—三角洲相—淺湖相—深湖相旋回性沉積組成的沉積巖系；而把原厘定為老第三系或上白堊統(tǒng)麥積山組、現(xiàn)分布在山頂之上的粗礫巖地層修訂為角度不整合在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)之上的上新統(tǒng)韓家溝礫巖（圖1）[26，31]。而且在F1斷層以南發(fā)現(xiàn)角度不整合在下伏白堊系紅色厚層狀河床相礫巖和沙漠相砂巖之上的木梯寺礫巖[35]與F3斷層以北角度不整合在漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)之上的上新統(tǒng)韓家溝礫巖[31]具有完全相似的地貌特征、巖石組合和成因特征，因此，將其厘定為上新統(tǒng)（圖1）。本文所研究的孫家峽礫巖在孫家峽—高樓鎮(zhèn)一帶沿漳河兩岸呈帶狀分布，南以F1斷層為邊界，是一套厚280～300 m、產(chǎn)狀平緩的厚層—巨厚層礫巖夾紅色砂質(zhì)黏土巖或互層狀厚層礫巖與紅色砂質(zhì)黏土巖的沉積組合（圖1），其與整合覆于其上紅色泥巖、灰色泥巖、泥灰?guī)r互層的湖相沉積構(gòu)成了漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)最下部的一個(gè)由粗到細(xì)的正沉積旋回，這一正沉積旋回自下而上可以分為三個(gè)巖性段，即下部礫巖、砂礫巖段（Ⅰ）、中部灰色泥巖段（Ⅱ）和上部紅色泥巖、泥灰?guī)r段（Ⅲ）（圖3，4），與臨夏盆地和循化—貴德盆地的漸新統(tǒng)它拉組沉積組合和旋回特征相似[1?2，13，17]，因此，其時(shí)代應(yīng)該同樣為漸新世。

3 孫家峽礫巖層的沉積特征

孫家峽礫巖層是一套由厚層—中厚層礫巖與砂礫巖、粗砂巖和砂質(zhì)黏土巖組成近300 m厚的粗碎屑沉積，呈中等傾斜或緩傾狀角度不整合在下伏造山帶地層之上（圖3），礫石粒度、成分、形態(tài)、分選性、巖層厚度等在垂向上存在明顯的變化，自下而上分別是近40 m厚的礫巖、含礫粗砂巖和含礫砂質(zhì)黏土巖層、近60 m厚的厚層—巨厚層礫巖和粉砂巖互層、近120 m厚的礫巖、砂巖、泥巖互層和約60 m厚的礫巖夾細(xì)礫巖層（圖4a～d），沉積旋回發(fā)育，成層性顯著，存在大旋回里發(fā)育小旋回、小旋回間具有垂向差異的多旋回沉積特征。礫石成分以長石石英砂巖、石英砂巖和脈石英等成分成熟度高的礫石為主，底部石灰?guī)r礫石成分較多，隨著海拔的升高，石灰?guī)r礫石含量逐漸減少、礫石粒徑逐漸減小，磨圓度以次圓狀—圓狀為主，細(xì)礫普遍較粗礫的磨圓度差，具有典型的下粗上細(xì)的正旋回沉積特征，指示了河流相—洪泛相礫巖的特征。不同層位礫巖層的礫石疊瓦斜列、砂巖層的平行層理、斜層理以及礫巖層底部的沖刷面和沖蝕槽等沉積構(gòu)造，作為古流向識(shí)別的重要標(biāo)志，指示了孫家峽礫巖的河流加積成因及其古水流方向。

3.1 沉積旋回特征

沉積旋回是指沉積地層剖面上巖性的有規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)，地殼運(yùn)動(dòng)、沉積環(huán)境及氣候條件的周期性變化是各類沉積旋回形成的重要原因[36-38]。對一套巖層沉積旋回的觀測和分析，往往能作為確定其沉積環(huán)境的必要依據(jù)。這套孫家峽礫巖沉積旋回非常發(fā)育（圖3a，b、圖4a～d），自下而上在旋回?cái)?shù)量、厚度、巖層組合、變化頻率和顏色等方面具有顯著特征。自底部到頂部，不僅發(fā)育從礫巖層開始到泥巖層結(jié)束的完整的沉積旋回，而且也發(fā)育多個(gè)自礫巖層開始至細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖層結(jié)束的旋回，每一旋回都是從底部礫巖沖刷面開始，有的旋回頂部缺少泥質(zhì)巖層（圖5b旋回Ⅰ、圖5c旋回Ⅱ，旋回Ⅲ）、有的旋回以礫巖和粗砂巖互層為主且頂、底層沉積厚度相近，有的旋回砂巖層和泥質(zhì)層沉積厚度顯著加大甚至超過礫巖層，是大量細(xì)粒懸浮物在河流洪泛期垂向加積的結(jié)果（圖5d），具有河流型沉積旋回的典型特征[37，39]。底部單個(gè)旋回厚度近2 m（圖5a），中上部層位發(fā)育的旋回單個(gè)厚度約1 m左右（圖5b～f），甚至有的旋回僅約0.35 m（圖5d旋回Ⅳ），也存在大旋回中發(fā)育小旋回的情況，約1 m厚的旋回中發(fā)育著若干由礫巖和砂巖互層組成的小旋回（圖5b旋回Ⅱ、圖5d旋回Ⅱ），總體上，底部旋回?cái)?shù)量明顯少于中上部，自下而上，旋回?cái)?shù)量由少增多，單個(gè)旋回厚度及旋回單層厚度由厚變薄。綜合以上特征可以判斷：從底部到頂部，水動(dòng)力條件由強(qiáng)變?nèi)酢⒑拥烙烧儗?，碎屑物由粗變?xì)且單個(gè)旋回具有下粗上細(xì)的二元結(jié)構(gòu)，指示了孫家峽礫巖河流相的沉積環(huán)境。

3.2 沉積構(gòu)造特征

沉積構(gòu)造是指沉積巖的各組分在空間上的分布和排列方式所表現(xiàn)出的總體特征，是沉積物中最常見的宏觀特征之一，攜帶著大量沉積時(shí)水動(dòng)力條件和沉積環(huán)境等信息，如平行層理和水平層理代表了強(qiáng)弱不同的水動(dòng)力條件；交錯(cuò)層理或斜層理形態(tài)和產(chǎn)狀既可反映不同的沉積環(huán)境，又是古流向的主要標(biāo)志；礫巖中礫石的形態(tài)和長軸定向性和扁平面疊瓦排列等是確定古流向和沉積環(huán)境的主要依據(jù)[39-42]。

研究區(qū)內(nèi)孫家峽礫巖層中河流流動(dòng)沉積構(gòu)造十分發(fā)育，類型豐富，包括沖刷面、沖蝕槽（圖6a，b）、礫石疊瓦斜列（圖6c），以及平行層理（圖6d）、斜層理、交錯(cuò)層理（圖6e～f）等層理構(gòu)造。厚層礫巖層中廣泛發(fā)育沖刷面和沖蝕槽等沉積構(gòu)造，這種高低起伏、凹凸不平的不規(guī)則侵蝕面是由于流動(dòng)介質(zhì)流速的突然增大，侵蝕下伏疏松沉積物形成的[40]，指示了孫家峽礫巖各層位底部礫巖層較強(qiáng)的水動(dòng)力條件，下部層位實(shí)測沖蝕槽走向?yàn)闁|西向，指示了該層位古水流為自西向東流（圖6a，b）。礫石疊瓦狀構(gòu)造主要是指扁平礫石在流水的作用下均向同一方向傾斜排列的現(xiàn)象[40]。這套孫家峽礫巖層局部礫石呈明顯的疊瓦狀相互疊置，并以迎流疊瓦為主，最大扁平面向源傾斜（圖6c）。孫家峽礫巖不同層位砂巖或粗砂巖層中發(fā)育典型的平行層理，指示了較強(qiáng)的水動(dòng)力條件[43-44]，不同層位粗砂巖及粉砂質(zhì)泥巖層中發(fā)育的斜層理和小型交錯(cuò)層理，前積層傾角平緩、傾向多樣（圖6d～f），說明從底部到頂部，流速逐漸放緩，水動(dòng)力條件不斷減小、河道逐漸變寬且不停擺動(dòng)變道，流向多變，指示了孫家峽礫巖河流相的沉積特征。

3.3 礫巖礫石特征

沉積物在搬運(yùn)過程中，隨著搬運(yùn)距離的增加，其礫石成分、顆粒大小、顆粒形態(tài)、顆粒分選性、磨圓度等都發(fā)生規(guī)律性的變化[39-40，44]。礫石大小、分選性及排列方式、礫石磨圓度和礫石成分等多被用于判斷距離沉積源區(qū)的遠(yuǎn)近和沉積介質(zhì)的水動(dòng)力條件[45]。孫家峽礫巖在礫石粒徑、礫石成分、磨圓度等方面特征顯著（圖7），本文在西秦嶺北緣漳縣—武山地區(qū)孫家峽礫巖出露良好的礫巖層剖面上選取了不同層位的7個(gè)典型礫巖露頭觀測點(diǎn)（圖3，4），對區(qū)域內(nèi)大于1 cm礫石的粒徑、礫石成分、磨圓度以及礫石最大扁平面產(chǎn)狀等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析。

對孫家峽礫巖層不同層位7個(gè)觀測點(diǎn)的礫石粒徑的測量和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，孫家峽礫巖礫石粒徑分為多個(gè)粒級范圍，但主要集中在1～4 cm，雖然不同層位常有粒徑大于10 cm的礫石，但其含量一般不超過5%?？傮w上，分選性較好（圖8），反映其經(jīng)過了一定距離的搬運(yùn)。自底部到頂部，5～10 cm范圍內(nèi)的礫石含量減少，1～4 cm范圍內(nèi)的礫石含量增加，整體上，從下到上，礫石粒徑逐漸減小，分選程度較好，反映水動(dòng)力條件減弱、搬運(yùn)距離增長。

礫石磨圓度，也稱圓度，是指碎屑顆粒由原始狀態(tài)被磨圓的程度。顆粒的圓度與顆粒的成分、結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)等有關(guān)，一般來講，搬運(yùn)越遠(yuǎn)，其磨圓度越好，通常情況下，石英砂巖的磨圓度可初步用來判斷距離沉積源區(qū)的遠(yuǎn)近[39，44]。對7個(gè)觀測點(diǎn)的礫石磨圓度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，孫家峽礫巖總體上粗礫石磨圓度較細(xì)礫石磨圓度好，以次圓狀—圓狀為主，所占比例為80%～90%，其次為次棱角狀—棱角狀，含量在11%及以下（圖9）。說明這套礫巖在流水作用下經(jīng)過了長距離的搬運(yùn)，指示了河流成因的沉積環(huán)境。

礫巖的礫石成分及垂向變化可以揭示物源區(qū)地殼隆升—?jiǎng)兟哆^程、古構(gòu)造地貌狀態(tài)、巖石組成及變化等特征[46]。孫家峽礫巖雖然底部層位石灰?guī)r礫石含量較多，但總體上以砂巖、脈石英等成分成熟度較高的礫石為主，偶見變質(zhì)巖礫石，罕見侵入巖礫石，在一定程度上指示了孫家峽礫巖的物源區(qū)范圍。自下而上，石灰?guī)r礫石含量呈較快下降趨勢，砂巖含量占比遠(yuǎn)超50%，脈石英含量占比為2%～16.5%，且磨圓度很好（圖10），反映其經(jīng)過較長距離的搬運(yùn)和沉積，指示了河流搬運(yùn)沉積的沉積環(huán)境。

3.4 古流向特征

古水流是指沉積時(shí)期的水流體系，古水流體系的分析研究是識(shí)別沉積環(huán)境和古地理重建的重要內(nèi)容和有效手段之一，有助于確定古盆地的邊緣和物源區(qū)的位置、盆地沉積物充填的布局等[47-48]。古流向的信息會(huì)在沉積地層中以特定的形式保存下來，根據(jù)保存于沉積巖中的指向構(gòu)造和顆粒的組構(gòu)，可以判斷恢復(fù)古水流的方向[47]。本文主要觀察或測量了孫家峽礫巖層不同層位各個(gè)觀測點(diǎn)的斜層理、沖刷面、沖蝕槽和礫石的疊瓦斜列等（圖6）。通過測量疊瓦斜列礫石的最大扁平面產(chǎn)狀，繪制古流向玫瑰花圖（圖11），反映了層位①的古流向總體為自西向東，層位②的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，這一層位古流向?yàn)橛赡衔飨虮睎|流和由北西向南東流，總體上也符合自西向東流的特征；層位③的礫石最大扁平面統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該層位古水流方向主要為自西向東或自北西向南東流，但據(jù)砂巖層斜層理前積層傾向又可得出自南西向北東流和自南東向北西的古水流方向，斜層理前積層傾角較小，推測水動(dòng)力條件較小，河道由窄變寬；層位④的古流向?yàn)橛晌飨驏|流。通過觀察、測量各層位砂巖層的斜層理產(chǎn)狀，由其前積層傾向，同時(shí)結(jié)合礫巖層底部的沖蝕槽和沖刷面，可以得出：研究區(qū)的古流向雖然在個(gè)別層位存在古流向偏轉(zhuǎn)或反向現(xiàn)象，但總體為由西向東或由北西向南東流。

4 孫家峽礫巖沉積環(huán)境分析

如前所述，孫家峽礫巖主要是一套紅色的礫巖、砂礫巖、砂巖夾砂質(zhì)黏土巖組成厚度近300 m粗碎屑巖沉積，沉積旋回發(fā)育。自下而上可分為四個(gè)不同巖性層。

底部礫巖層①，為礫巖、含礫粗砂巖、含礫砂質(zhì)黏土巖或黏土質(zhì)砂巖。礫巖中礫石以石灰?guī)r為主體，各種砂巖次之；礫石磨圓度較差，多以次圓狀—次棱角狀為主；部分礫巖中礫石疊瓦斜列較好，指示自西向東的水流方向；沉積旋回清楚，一般從礫巖開始，到砂巖或泥質(zhì)砂巖結(jié)束，指示洪積扇和扇上河道沉積交替的特征[49]。由于地層未見底，推測這套礫巖、砂巖地層之下應(yīng)該有更粗的洪積礫巖存在。

下部礫巖層②，為厚層—巨厚層礫巖和粗砂巖互層。礫巖中礫石磨圓度好，以圓狀—次圓狀為主；雖然含有巨大礫石，但多數(shù)礫石在中礫和細(xì)礫之間，可見礫石疊瓦斜列；礫石成分以各種砂巖為主，可見變質(zhì)巖礫石，偶見石灰?guī)r礫石，未見花崗巖類礫石；粗砂巖發(fā)育典型的平行層理，偶見斜層理，厚層礫巖底部往往存在凸凹不平的沖刷面；礫石排列和斜層理指示從西到東的古流向；沉積旋回清晰，但只是礫巖—砂礫巖—砂巖旋回，旋回頂部常缺少砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖層，上述特征指示了山區(qū)辮狀河流沉積的特點(diǎn)[49]。

中部礫巖層③，為礫巖、砂巖、泥巖互層狀組合。含礫粗砂巖—粗砂巖—砂質(zhì)黏土巖沉積旋回非常發(fā)育，自下而上呈現(xiàn)出底部河床滯留礫巖—河床相粗砂巖、中細(xì)粒砂巖—洪泛相砂質(zhì)黏土巖的沖積平原典型沉積旋回序列。礫巖礫石磨圓度好；礫石成分單調(diào)，主要為各種砂巖，變質(zhì)巖礫石也常見；礫石可見疊瓦排列，砂巖平行層理發(fā)育，斜層理也常見，礫巖底部多發(fā)育沖刷面。礫石疊瓦排列、斜層理和沖刷槽指示的古流向總體為由西向東或由北西向南東流，但不同層位存在古流向偏轉(zhuǎn)或反向現(xiàn)象。該巖性段上述沉積特征指示其具有曲流河—洪泛平原的沉積環(huán)境[49]。

上部礫巖層④，主要為砂巖夾細(xì)礫巖，砂巖主要為粗砂巖、中粒砂巖，平行層理發(fā)育，細(xì)礫巖常呈透鏡體出現(xiàn)，礫石粒徑主要為1～4 cm，分選較好，但磨圓度較差；夾有泥質(zhì)細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖薄層，礫巖層可見自下而上粒度變細(xì)的遞變層。這些沉積特征同樣指示了其為河流環(huán)境沉積地層[49]。應(yīng)該指出，孫家峽礫巖頂部層位雖然也是河流相沉積，但與其他層位特征性的紅色相比，突出特征是顏色呈灰色或灰白色，并且其上直接為厚度近百米的灰色—灰綠色薄層狀、紋層狀泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r等湖相沉積地層整合覆蓋。這種顏色的突變，是氣候突然變冷，還是其他原因，有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，西秦嶺北緣漳縣—武山地區(qū)的孫家峽礫巖總體為厚度巨大的山區(qū)辮狀河道相、洪泛平原—曲流河道相沉積，底部出現(xiàn)少量沖洪積扇和扇上河道沉積。

5 孫家峽礫巖地質(zhì)意義討論

青藏高原東北緣廣泛發(fā)育的一系列新生代沉積盆地，如貴德盆地、循化盆地、西寧盆地、臨夏盆地、天水盆地等，這些盆地沉積記錄被認(rèn)為是青藏高原隆升的地質(zhì)檔案庫。來自這些盆地或盆地不同部位的地層剖面詳細(xì)研究，提出各種高原隆升過程模型或認(rèn)識(shí)[1?7，9?20]。其中多認(rèn)為盆地南邊界的西秦嶺北緣斷層是一條向北逆沖的斷層，正是該斷層向北逆沖荷載導(dǎo)致下盤撓曲才形成了循化、臨夏、天水等盆地，也就是說這些盆地是西秦嶺造山帶在印度—?dú)W亞碰撞匯聚的動(dòng)力學(xué)背景下重新復(fù)活隆升形成的撓曲前陸盆地或類前陸盆地[1?2，17-18，50]，而Wang et al.[51]則提出了這些新生代盆地是西秦嶺北緣斷裂和海原斷裂30 Ma以來走滑轉(zhuǎn)換的北東向拉張盆地，10 Ma才轉(zhuǎn)換為北東向擠壓縮短盆地。無論是擠壓撓曲前陸盆地還是轉(zhuǎn)換拉張盆地，都缺乏來自斷層本身變形的幾何學(xué)—運(yùn)動(dòng)學(xué)直接證據(jù)約束。因此，只能是一種推斷或假說。郭進(jìn)京等[26-27，52-53]通過對西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣地區(qū)新生代沉積盆地和盆地南邊界斷層的研究，提出了漳縣地區(qū)晚漸新世—中新世（也可能到早上新世）沉積盆地為伸展斷陷盆地，并且得到了北緣斷層最早期變形為向北傾的韌脆性伸展正斷作用佐證。那么，青藏高原東北緣新生代盆地發(fā)育的初始構(gòu)造背景到底是伸展拉張背景還是擠壓縮短背景，仍需要對盆地沉積本身和控制盆地的斷層變形演化歷史開展進(jìn)一步研究。本文僅就西秦嶺北緣漳縣—武山地區(qū)孫家峽礫巖成因，結(jié)合盆地沉積旋回和控制盆地?cái)鄬訕?gòu)造變形演化以及區(qū)域?qū)Ρ鹊葘ε璧匕l(fā)育的初始構(gòu)造背景進(jìn)行初步討論。

西秦嶺北緣斷裂北側(cè)的循化盆地、臨夏盆地底部都發(fā)育一套礫巖夾砂巖為主的沖洪積扇和山區(qū)河流相沉積，統(tǒng)稱為它拉組[13]。循化盆地的它拉組，厚度124.1 m，與下伏地層呈角度不整合接觸，以紅褐色厚層狀中—粗礫巖、含礫中—粗粒砂巖為主，上部夾紫紅色泥巖，發(fā)育平行層理、楔狀交錯(cuò)層理及沖刷面等沉積構(gòu)造，古流向?yàn)樽员蔽飨蚰蠔|流，上部時(shí)代23.1～21.2 Ma，屬?zèng)_積扇—湖泊相沉積[20]。而臨夏盆地底部的它拉組，厚度僅91 m，下部為洪積相紫紅色砂礫巖，中部為河湖相粉砂巖、泥巖，上部為紫紅色塊狀湖相泥巖，時(shí)代為29～21.4 Ma[13，16]。本文所述的孫家峽礫巖底部為洪積相礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖，下部為辮狀河道相礫巖、砂巖，中部為曲流河道相—洪泛相礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖，頂部為灰色曲流河道相砂巖夾細(xì)礫巖透鏡體，總厚度約300 m；如果加上礫巖之上的100 m灰色泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾粉細(xì)砂巖和180 m的紅色的泥巖夾灰綠色泥巖（含有石膏），這套由河流相—洪泛相到湖相的下粗上細(xì)的正旋回沉積地層厚度達(dá)580 m。從漸新世—中新世漳縣盆地下部沉積地層和沉積旋回特征看，其與循化盆地和臨夏盆地的它拉組的沉積旋回與沉積巖石組合基本相同，又都發(fā)育于相同的構(gòu)造背景，中部河流相粗砂巖的碎屑磷灰石裂變徑跡年齡峰值在34～43 Ma，這說明漳縣—武山地區(qū)孫家峽礫巖和上覆泥巖地層與循化、臨夏盆地的它拉組為同時(shí)代、同成因的沉積地層，只是厚度差別巨大。如前所述，循化、臨夏、天水等新生代盆地的構(gòu)造屬性存在截然不同的認(rèn)識(shí)，作為盆地最下部由礫巖、砂礫巖、砂巖、泥巖等組成的它拉組到底是擠壓撓曲前陸盆地沉積還是伸展斷陷盆地沉積？盆地南邊界斷層是否存在與盆地構(gòu)造類型發(fā)育相匹配的構(gòu)造變形記錄？這一問題的澄清對于青藏高原東北緣隆升和印度—?dú)W亞碰撞匯聚的遠(yuǎn)程構(gòu)造響應(yīng)等問題具有重要意義。

陸相沉積盆地，按照其形成的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制一般可分為擠壓縮短背景下沖斷帶前緣的前陸盆地、伸展構(gòu)造背景下斷陷盆地和走滑構(gòu)造背景下拉分?jǐn)嘞菖璧豙38，54-55]。一般來說，前陸盆地沉積具有典型的下細(xì)上粗的反旋回特征[38]，而拉張斷陷盆地則具有下粗上細(xì)的正旋回特征[54]。大陸造山帶復(fù)活形成的逆沖構(gòu)造帶形成的前陸盆地，除了上述下細(xì)上粗的反旋回外，古流向應(yīng)該多與沖斷帶垂直或大角度相交。據(jù)此，它拉組無論東西厚度差異有多大，都具有正旋回的特征，并且古流向多向東或南東，與西秦嶺北緣斷層走向近平行，因此，認(rèn)為孫家峽礫巖和上覆泥巖共同構(gòu)成的正旋回沉積應(yīng)該代表伸展斷陷盆地沉積。

僅從沉積旋回特征判別孫家峽礫巖為斷陷盆地沉積證據(jù)還是不充分的，必須有相應(yīng)控制盆地的伸展正斷層存在才充分。我們對控制孫家峽礫巖沉積的南邊界斷層F1的觀測表明，這是一條寬度達(dá)100 m的多期變形的復(fù)雜斷層帶，斷層帶內(nèi)巨大的構(gòu)造透鏡體、數(shù)米寬的黑色斷層泥帶和規(guī)模不等的斷層碎裂巖帶以及多個(gè)方向斷層摩擦鏡面，指示其具有漫長的多期變形歷史[55]。在斷層帶內(nèi)保留有最早期的向北北東傾的韌性—韌脆性剪切帶，剪切帶中S-C面理指示了北盤下降南盤上升的伸展正斷作用，并且晚期的高角度脆性逆沖斷層作用截切了韌性剪切帶（圖12a），與F1接觸的漸新統(tǒng)礫巖層也卷入了晚期的脆性逆沖斷層，形成多個(gè)斷層核部帶（fault core）和斷層破壞帶（damage zone）（圖12b），還可見晚期斷層逆沖拖曳作用導(dǎo)致靠近斷層部位礫巖層產(chǎn)狀變陡。因此，晚期脆性逆沖斷層作用不能作為控制盆地沉積斷層作用，而是改造盆地沉積的構(gòu)造活動(dòng)，近百米的斷層帶內(nèi)不存在南傾的逆沖斷層現(xiàn)象[53]。這說明控制盆地沉積的邊界斷層是早期韌性—脆韌性伸展正斷層作用，這與其沉積旋回指示的斷陷盆地沉積組合相匹配。

上述以孫家峽礫巖及上覆湖相沉積為代表的伸展斷陷盆地性質(zhì)的確定，為認(rèn)識(shí)印度—?dú)W亞板塊碰撞匯聚產(chǎn)生地殼擠壓縮短作用何時(shí)波及到西秦嶺北緣和青藏高原東北緣何時(shí)隆升成為現(xiàn)今高原組成部分等重要科學(xué)問題提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。如果青藏高原東北緣漸新世開始發(fā)育的盆地為伸展斷陷盆地，那么就標(biāo)志著印度—?dú)W亞板塊碰撞匯聚產(chǎn)生構(gòu)造擠壓應(yīng)力尚未波及到西秦嶺北緣，更談不上地殼隆升問題。如果說西秦嶺隆升也是伸展作用下的相對隆升，北緣斷層由伸展正斷到擠壓逆沖的構(gòu)造轉(zhuǎn)換才標(biāo)志印度—?dú)W亞板塊碰撞以擠壓縮短為主的動(dòng)力學(xué)過程擴(kuò)展到西秦嶺北緣，構(gòu)造反轉(zhuǎn)，盆地封閉，具有磨拉石沉積特征的粗礫巖的出現(xiàn)應(yīng)該才是碰撞匯聚的遠(yuǎn)程地質(zhì)響應(yīng)。因此，我們認(rèn)為僅僅根據(jù)青藏高原東北緣新生代沉積地層的沉積學(xué)、同位素地球化學(xué)、古生物學(xué)、磁性地層學(xué)、碎屑礦物熱年代學(xué)等研究，依據(jù)沉積環(huán)境和沉積速率變化、古氣候演變以及有關(guān)指標(biāo)突變等提出的青藏高原東北緣隆升過程的認(rèn)識(shí)就值得商榷。

另外，沿西秦嶺北緣斷層發(fā)育的新生代循化盆地、臨夏盆地最底部的它拉組和漳縣—武山地區(qū)沿漳河兩岸出露的孫家峽礫巖，雖然沉積巖石組合和沉積旋回等特征基本相近，但沉積厚度卻差別巨大，前者厚度僅100 m，而后者厚度達(dá)300 m，并且自下而上紅—灰—紅、粗—細(xì)旋回更為完整。這些地層中礫巖和砂巖中古流向標(biāo)志都指示自北西向南東流，也就是說古流向平行北緣斷層走向。這種東西相距200 km的相同時(shí)代、同沉積環(huán)境形成的地層，厚度差異如此巨大，內(nèi)在原因是什么？是沉積間斷和侵蝕造成的？還是初始就存在西高東低的河谷或沖積平原地貌？如果存在西高東低的地貌，那么它又是什么原因造成的？對此問題，我們根據(jù)沿區(qū)域斷層走向的位移量一般變化規(guī)律（單向變化和雙向變化），結(jié)合北緣斷層存在向南東東側(cè)伏的滑動(dòng)矢量指示的北盤，即盆地所在盤，斜向下向南東滑移而形成東低西高的盆地地貌；也可能是北緣斷層早期的伸展正斷作用起始于東部，在斷陷發(fā)育過程中，北緣斷層伸展斷陷作用逐漸向西擴(kuò)展，無論瞬時(shí)沉降幅度還是累計(jì)沉降幅度，東部都大于西部，從而造成同時(shí)代沉積地層厚度相差巨大。但上述分析還有待對北緣斷層本身，特別是斷層變形的相關(guān)信息沿走向的變化規(guī)律和它拉組的地層學(xué)、沉積學(xué)和年代學(xué)等詳細(xì)特征研究予以證實(shí)。

6 結(jié)論

通過對西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣—武山地區(qū)沿漳河兩岸出露的漸新統(tǒng)孫家峽礫巖的沉積旋回、沉積構(gòu)造、礫石特征、古流向等研究，結(jié)合控制這套礫巖的邊界斷層多期變形和與區(qū)域上相應(yīng)同時(shí)代沉積地層的對比，取得如下認(rèn)識(shí)。

（1） 孫家峽礫巖沉積旋回、沉積構(gòu)造和礫石分選、磨圓、排列等特征指示了其除底部為沖洪積扇和扇上河道沉積外，主體為山區(qū)辮狀河道相、曲流河道相夾洪泛相沉積為主的河流加積沉積；礫石成分和古流向指示了F1斷層之南的志留紀(jì)—三疊紀(jì)造山帶地層雖對其物源有一定貢獻(xiàn)，但其主要物源區(qū)更可能是來自西部祁連地塊。

（2） 依據(jù)孫家峽礫巖及上覆湖相沉積共同構(gòu)成的具有斷陷盆地的正旋回沉積特征和控制盆地沉積的F1斷層早期伸展正斷層作用，證實(shí)這套礫巖組合為伸展斷陷河谷盆地沉積，礫巖之上的湖相沉積是持續(xù)快速伸展斷陷而形成的湖相沉積。

（3） 西秦嶺北緣漸新世斷陷盆地性質(zhì)確認(rèn)，澄清了地學(xué)界長期持有的壓陷盆地或前陸撓曲盆地的模糊認(rèn)識(shí)，也指示了西秦嶺北緣漸新世—中新世盆地發(fā)育初期無疑是處于伸展拉張狀態(tài)，這與印度—?dú)W亞碰撞匯聚向北擴(kuò)展的擠壓縮短構(gòu)造相悖。因此，推測漸新世印度—?dú)W亞碰撞匯聚的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)尚未波及到該區(qū)域。

致謝 感謝于美娜、沈迪、宮恩麟、崔夢瑤等碩士研究生野外考察中的協(xié)助。特別對論文評審專家詳細(xì)審閱和提出的富有建設(shè)性修改意見表示衷心感謝。

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