梅冥相,蘇德辰

1) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京,100083； 2) 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100037

內(nèi)容提要：受控于白堊紀(jì)時(shí)期的祁連山隆升過(guò)程,在甘肅省河西走廊地區(qū)形成了一系列的陸相盆地,在這些盆地中堆積了厚度上千米的下白堊統(tǒng),其中,特別的沉積相序列所構(gòu)成的沉積層序,不但代表了“非常規(guī)體系域”概念框架下較為典型的陸相層序樣式,而且對(duì)認(rèn)識(shí)和了解青藏高原的形成及其環(huán)境效應(yīng)具有重要意義。甘肅省古浪十八里鋪剖面的河口群,沉積在早白堊世蘭州盆地的西北邊緣,其地層學(xué)特征和沉積學(xué)屬性成為白堊紀(jì)時(shí)期祁連山隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng),主要包括以下幾個(gè)方面：1, 河口群下部為一套紫色色調(diào)的粗碎屑巖系所構(gòu)成,可以進(jìn)一步劃分為3個(gè)三級(jí)層序,這些層序的低可容納空間體系域?yàn)闆_積扇礫巖和辮狀河沉積所組成,高可容納空間體系域主要為湖泊相沉積所構(gòu)成；2, 河口群上部總體為一套紅層沉積,可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)三級(jí)層序,層序的低可容納空間體系域?yàn)闆_積扇或洪積扇礫巖與辮狀河沉積所組成,高可容納空間體系域?yàn)闉I湖相風(fēng)成沙巖和干旱湖泊相泥巖所構(gòu)成；3,河口群的層序地層學(xué)列,總體上從潮濕氣候背景下的粗碎屑序列演變到干旱氣候條件下的紅層序列,尤其是其上部紅層序列中的風(fēng)成砂巖的發(fā)育及其所表征的“雨影效應(yīng)”的影響,進(jìn)一步說(shuō)明古浪地區(qū)河口群的堆積作用過(guò)程與白堊紀(jì)祁連山隆升過(guò)程存在密切的成因聯(lián)系。因此,古浪地區(qū)下白堊統(tǒng)河口群粗碎屑巖系的層序地層學(xué)列,特殊的沉積相構(gòu)成及其演化序列,不但成為窺視早白堊世祁連山隆升過(guò)程的物質(zhì)記錄,而且為早白堊世東亞大氣環(huán)流格局重建提供了一個(gè)重要的物質(zhì)記錄。

在中生代溫室效應(yīng)時(shí)期,白堊紀(jì)更加典型和強(qiáng)烈,因而被譽(yù)稱為“白堊紀(jì)世界”(Skelton,2003；王成善和胡修綿,2005；Sellwood and Valdes, 2006；王成善等,2009a),這個(gè)時(shí)期的基本特征是：地球整體溫度要比現(xiàn)代高大約6 ℃,大氣濕度較高而且水圈循環(huán)明顯增強(qiáng),更大的降雨量集中在海洋,并且在大陸上留下更加廣闊的沙漠。類似于塔里木盆地下白堊統(tǒng)的風(fēng)成砂巖(Mei Mingxiang et al., 2004；梅冥相等,2004；江新勝等,2009),河西走廊及其鄰區(qū)白堊系與古近系風(fēng)成砂巖相關(guān)的沉積序列(Loope et al., 1999；江新勝和潘忠習(xí),2005；伍皓等,2011；崔曉莊等,2012；江新勝等,2012；肖國(guó)橋等,2012；許歡等,2013；梅冥相和蘇德辰,2013),不但形成較為典型的陸相層序樣式(Bridge,2006；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al., 2009；Ghazi and Mountney,2009；梅冥相,2010；吳因業(yè)等,2010；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),而且代表了青藏高原大規(guī)模隆升與亞洲季風(fēng)形成之前行星風(fēng)系的產(chǎn)物,成為窺視青藏高原隆升的沉積學(xué)響應(yīng)。

作為當(dāng)今地球上海拔最高而且面積最大的高原,青藏高原是一個(gè)具有復(fù)雜地質(zhì)涵義而且極為特別的地理單元(劉東生等,1998；施雅風(fēng)等,1999；崔軍文等,2001；李海兵和楊經(jīng)綏,2004；安芷生等,2006；楊經(jīng)綏等,2009；王成善等,2009b,2010；許志琴等,2008, 2011)。侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)過(guò)渡時(shí)期發(fā)生的岡底斯地塊與北方大陸的碰撞拼接,以及白堊紀(jì)與古近紀(jì)過(guò)渡時(shí)期發(fā)生的喜馬拉雅地塊與北方大陸的碰撞拼接,造成了青藏高原東北部一定幅度的隆升,尤其是青藏高原東北部邊界祁連山的明顯隆升,相應(yīng)地,在祁連山山前的河西走廊及其鄰區(qū)形成了一系列系列具有前陸盆地性質(zhì)的陸內(nèi)坳陷沉積盆地,在這些盆地中堆積了特征迥異的早白堊世地層(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989；楊雨,1997；張二朋等,1998；郭憲璞等,2011；曹珂,2013；陳軍等,2013)。白堊紀(jì)時(shí)期的祁連山隆升過(guò)程及其沉積學(xué)響應(yīng)的研究(唐玉虎等,2008),對(duì)認(rèn)識(shí)青藏高原的形成及其環(huán)境效應(yīng)具有重要意義；甘肅省古浪縣十八里鋪剖面的下白堊統(tǒng)河口群,特殊的沉積相構(gòu)成及其演化序列所組成的層序地層序列,不但成為白堊紀(jì)祁連山隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng),而且為白堊紀(jì)東亞大氣環(huán)流格局的重建提供了一個(gè)重要的物質(zhì)記錄。

圖1 甘肅省西部早白堊世沉積盆地分布和剖面位置圖Fig. 1 Outline map showing the distribution of Early Cretaceous sedimentary basins in the western part of Gansu Province and the section location 圖中箭頭所指代表古浪縣十八里鋪剖面的位置,修改自甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1989)； Ⅰ—北山盆地; Ⅱ—南山盆地; Ⅲ—走廊盆地; Ⅳ—潮水盆地; Ⅴ—蘭州盆地 The arrowed refer to the location of stratigraphic section in this study, and this map is adapted from Bureau of Geology and Mineral Resources of Gansu Province (1989); Ⅰ—Beishan basin; Ⅱ—Nanshan basin; Ⅲ—Corridor basin; Ⅳ—chaoshui basin; Ⅴ—Lanzhou basin

1 地質(zhì)背景

位于青藏高原東北緣的甘肅省河西走廊及其鄰區(qū),即從蘭州市向北西方向一直到敦煌市一帶,形成了一系列特殊的白堊紀(jì)內(nèi)陸盆地,包括北山盆地、南山盆地、走廊盆地、潮水盆地和蘭州盆地(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989；楊雨,1997；張二朋等,1998；王崇孝等,2005；潘良云等,2006；唐玉虎等,2008；曹珂,2013；陳軍等,2013；圖1),在這些盆地中,主要沉積了特征性的下白堊統(tǒng)?；谇叭硕嗄暄芯康倪M(jìn)一步總結(jié),張二朋等(1998)認(rèn)為甘肅省河西走廊及其鄰區(qū)的白堊紀(jì)地層序列,主要受控于以下區(qū)域構(gòu)造事件：①侏羅紀(jì)與白堊紀(jì)過(guò)渡時(shí)期發(fā)生的岡底斯地塊與北方大陸的碰撞拼接,造成了青藏高原的一定幅度的隆升,尤其是青藏高原東北部邊界祁連山的明顯隆升,在祁連山山前發(fā)育一個(gè)具有前陸盆地性質(zhì)的早白堊世走廊盆地為代表的陸相盆地；②發(fā)生在白堊紀(jì)與古近紀(jì)過(guò)渡時(shí)期的喜馬拉雅地塊與北方大陸的碰撞、拼接事件,造成了白堊系與新生界之間的不連續(xù),以及河西走廊及其鄰區(qū)上白堊統(tǒng)的缺失。

在上述區(qū)域地質(zhì)背景下,位于甘肅盆地西北部邊緣的古浪縣南部,下白堊統(tǒng)為厚度上千米的河口群構(gòu)成。該剖面的下白堊統(tǒng)河口群,總體上為一套粗碎屑巖系沉積組成的地層學(xué)列,形成了一套較為特別的陸相層序地層序列,這些陸相層序特殊的沉積相構(gòu)成,不但代表了在“非常規(guī)體系域”概念框架下(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)構(gòu)造作用控制的陸相層序樣式,而且成為窺視祁連山隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng)典型的物質(zhì)記錄。

2 十八里鋪剖面下白堊統(tǒng)的層序地層序列

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的探索和研究,層序地層學(xué)方法體系可以概括為四個(gè)步驟(Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)：①觀察疊置趨勢(shì)和地層終止；②應(yīng)用疊置型態(tài)和/或地層終止型態(tài)去解釋層序地層界面；③應(yīng)用界面、疊置型態(tài)以及地層幾何形態(tài)去識(shí)別體系域；④應(yīng)用界面和體系域去定義層序。層序地層界面和體系域的解釋,不是基于與局部或全球旋回表的推測(cè)性對(duì)比,更多的是依靠露頭、測(cè)井和地震資料中地層疊置型態(tài)和相關(guān)關(guān)系所表征的沉積趨勢(shì)的觀察(Van Wagoner et al.,1990；Van Wagoner,1995；Posamentier and Allen, 1999；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al.,2009)；一旦完成了這些資料所蘊(yùn)含的地層學(xué)特征和沉積學(xué)屬性的識(shí)別,層序界面和體系域形成的相對(duì)時(shí)間進(jìn)程,就可以根據(jù)基準(zhǔn)面旋回的階段或特殊事件來(lái)加以解釋。就像Weller在1930年的研究所展示的那樣,不整合面限定的地層單位在很早以前就在陸相地層之中識(shí)別出,但是,一直到今天,層序地層學(xué)原理只能在有限的范圍內(nèi)應(yīng)用到陸相地層之中,原因是陸相沉積的形成過(guò)程常常與極為廣泛的異成因和自成因過(guò)程相響應(yīng),諸如氣候、構(gòu)造活動(dòng)之類的異成因過(guò)程,以及河道改道之類的自成因過(guò)程；再者,上游控制的河流背景之中,不存在海侵溝蝕作用或強(qiáng)迫型海退作用之類的沉積過(guò)程,但是,陸上不整合面更為普遍,從而可以用來(lái)定義層序界面并劃分層序(Gibling et al., 2005)。鑒于海侵作用和海退作用之類的概念不能使用,但是,在區(qū)域?qū)Ρ戎蟹浅Ｒ?guī)體系域的概念體系,即“低容納空間體系域”以及“高容納空間體系域”的概念框架(Bridge,2006；Catuneanu, 2006；Catuneanu et al., 2009；Ghazi and Mountney,2009；梅冥相,2010；吳因業(yè)等,2010；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),則可以較好地應(yīng)用來(lái)劃分和識(shí)別河流相地層及其相關(guān)的陸相沉積的體系域(Olsen et al., 1995；Martinsen et al., 1999；Arnott et al., 2002；Zaitlin et al., 2002；Leckie et al., 2004)。這種體系域的概念框架,可以通過(guò)河流構(gòu)架單元的比例來(lái)加以定義,聚合河道沉積的存在被解釋為代表一個(gè)低可容納空間的背景；與之相反的是以泛濫平原占優(yōu)勢(shì)的序列,包括湖泊沉積的發(fā)育,則被解釋為形成在高可容納空間階段中。在低和高可容納空間之間的河道聚合作用的變化程度,不需要伴隨著地形梯度和河流形式的變化,它可能純粹是在變化的可容納空間的條件下,河流過(guò)程及其相關(guān)的沉積作用的表現(xiàn)。雖然甘肅古浪十八里鋪剖面下白堊統(tǒng)河口群的層序地層序列還存在更加復(fù)雜的氣候與構(gòu)造響應(yīng)機(jī)制,但是,上述基本理念還是可以較好地應(yīng)用在河口群的層序地層劃分中。

甘肅古浪縣十八里鋪剖面的下白堊統(tǒng)河口群,位于古浪縣城南部約30 km的十八里鋪村一帶,下白堊統(tǒng)為厚度上千米的河口群所組成(圖2),與下伏的奧陶系變質(zhì)巖系地層呈角度不整合接觸,其頂部為第四系角度不整合覆蓋,粗碎屑沉積如沖積扇與洪積扇礫巖、辮狀河砂礫巖等,代表了該剖面的河口群沉積在蘭州盆地湖盆邊緣的特點(diǎn)(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989；楊雨,1997；張二朋等,1998；王崇孝等,2005；潘良云等,2006；唐玉虎等,2008；陳軍等,2013),而且成為內(nèi)陸盆地粗碎屑巖系中識(shí)別與劃分三級(jí)層序的典型實(shí)例。

如圖2所示,古浪十八里鋪剖面的河口群,下部為一套帶紫色色調(diào)的粗碎屑巖系(1到10層；圖2d所示),代表了潮濕氣候背景下的沉積；上部為紅層沉積(11至19層；圖2a至2c所示),尤其是圖2c所示的風(fēng)成砂巖的發(fā)育,代表了干旱氣候背景下的沉積。該剖面的河口群,可以進(jìn)一步劃分為5個(gè)三級(jí)層序,很明顯,這些三級(jí)層序?yàn)闃?gòu)造控制下的基準(zhǔn)面旋回的產(chǎn)物；但是,河口群從潮濕氣候演變到干旱氣候的變化過(guò)程,與構(gòu)造演變過(guò)程,尤其是與古祁連山白堊紀(jì)的隆升過(guò)程之間存在明顯的耦合關(guān)系。

圖2 甘肅古浪十八里鋪剖面下白堊統(tǒng)河口群的沉積相序列及層序地層劃分Fig. 2 Successions of sedimentary facies and sequence-stratigraphic divisions for the Hekou Group of the Lower Cretaceous at the Shibalipu section in Gulang County, Gansu Province 在圖中,1至19代表河口群的分層；圖右的照片表示了河口群的主要沉積特征和現(xiàn)象：(a)為發(fā)育在河口群頂部第19層中的干旱湖泊相磚紅色泥巖；(b) 第14層中的磚紅色風(fēng)成砂巖；(c)第16層中的塊狀淡紅色洪積扇礫巖；(d)第5層紫色色調(diào)的辮狀河沉積。河口群可以進(jìn)一步劃分為5個(gè)層序,這些層序?yàn)榈涂扇菁{空間體系域(LAST)和高可容納空間體系域(HAST)組成；在巖性柱狀圖中,C代表礫巖、S代表砂巖、M代表泥巖的粒徑大小 In theFigure, from 1 to 19 refer to the bed number of the Hekou Group. Images in the right side show chief sedimentary features and depositional phenomena in the Hekou Group: (a) brick-red mudstones of the arid lacustrine facies in the 19th bed; (b) brick-red eolian sandstones in the 14th bed; (c) rosiness and massive conglomerates of the pluvial-fan facies; (d) purple deposits of the braided river in the 5th bed. The Hekou Group can be further subdivided into five sequences that are made up of both the low accommodation system tract (LAST) and the high accommodation system tract (HAST). In the lithological column, “C” refers to the grain size of the conglomerate, “S” represents the grain size of the sandstone, and “M” delegates the grain size of mudstone

總的來(lái)講,河口群中的每一個(gè)三級(jí)層序,形成在一個(gè)基準(zhǔn)面逐漸上升過(guò)程之中,每一個(gè)層序的形成過(guò)程,代表了一個(gè)從低可容納空間到高可容納空間的演變過(guò)程,組成總體向上變細(xì)的沉積序列,代表了一個(gè)山前凹陷的快速填充過(guò)程的產(chǎn)物,符合許多學(xué)者(如Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡導(dǎo)的陸相層序地層模式,尤其是陸相層序的非常規(guī)體系域劃分,如“低容納空間體系域(LAST)”以及“高容納空間體系域(HAST)”的概念(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009)；但是,從低可容納空間階段的沖積體系到高可容納空間階段的湖泊體系所組成的沉積序列,以及這些沉積序列的反復(fù)疊加所構(gòu)成的三級(jí)層序,又與前人所建立的、主要基于河流沉積的“非常規(guī)體系域”概念框架下的陸相層序樣式存在較大差異,從而代表了一個(gè)特殊構(gòu)造背景和氣候背景下的碎屑沉積物的堆積過(guò)程所產(chǎn)生的特別的陸相層序地層樣式。河口群中的三級(jí)層序,低可容納空間體系域主要為沖積體系的粗碎屑沉積物所組成,包括沖積扇和辮狀河沉積；高可容納空間體系域主要為湖泊相細(xì)粒沉積所組成,尤其是在河口群上部三級(jí)層序(即層序4與層序5)中的高可容納空間體系域的下部(第14層和第18層),發(fā)育構(gòu)成濱湖相砂丘的風(fēng)成砂巖,與圖2a所示的干旱湖泊相泥巖一起,代表了干旱氣候背景下的沉積特征。因此,河口群下部潮濕氣候背景下形成的3個(gè)層序(層序1至層序3),與上部干旱氣候背景下形成的兩個(gè)層序(層序4和層序5)一起,組成一個(gè)特別的層序地層序列,該序列不但受控于氣候背景和條件的時(shí)間演變,而且也受控于構(gòu)造背景的演化；再考慮到整個(gè)河西走廊及其鄰區(qū)上白堊統(tǒng)的整體缺失或大部分缺失,那么,圖2所示的古浪縣十八里鋪剖面下白堊統(tǒng)河口群的層序地層序列,與白堊紀(jì)時(shí)期祁連山隆升過(guò)程存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。

3 層序的體系域構(gòu)成

3.1 河口群下部的層序

如圖2所示,河口群下部的3個(gè)層序,其基本相序構(gòu)成是：① 沖積扇扇塊狀礫巖地層以及辮狀河砂礫巖地層組成三級(jí)層序的低可容納空間體系域(LHST)；② 湖泊沉積體系的砂泥巖地層組成三級(jí)層序的高可容納空間體系域(HAST),構(gòu)成這些層序的沉積物的紫色色調(diào)代表了潮濕氣候背景下的沉積特征。

在河口群下部,構(gòu)成三級(jí)層序底部的沖積扇塊狀礫巖,礫石成分多為石英巖、石英砂巖和變質(zhì)巖,而且為中細(xì)粒和少量中粗粒礫石所組成,礫石大小在0.5 ～10 cm之間(圖3c和3d),次圓狀到次棱角狀的礫石之間填充了較多的砂質(zhì)物,表現(xiàn)為雜基支撐的特點(diǎn),礫石較為復(fù)雜的組分表明了來(lái)源于祁連山的古生代變質(zhì)巖地層及其中發(fā)育的侵入巖,多為紫色的色調(diào)顯示出潮濕氣候背景下的沉積特征,這些雜基支撐的礫巖應(yīng)該解釋為席狀洪水形成的碎屑流之類的沖積扇沉積,其中較大的碎屑作為底荷載移動(dòng),然而較為細(xì)粒的砂質(zhì)沉積物可能以懸浮作用形式搬運(yùn)(Blair and McPherson 1994；Leleu et al.,2009)。由于形成在潮濕氣候條件下,水流充足而且作用較為充分,所以在沖積扇中總是殘留有河流作用的痕跡,圖3d和3e所示的塊狀沖積扇礫巖中的交錯(cuò)層理砂巖透鏡體,代表了辮狀河河流的河道在整個(gè)沖積扇的表面遷移的特點(diǎn),從而將塊狀沖積扇礫巖分成若干的正粒序序列,代表了沖積扇表面局限于辮狀河道的水流作用特征。構(gòu)成三級(jí)層序低可容納空間體系域(LHST)上部的沉積,主要是辮狀河沉積(圖2d以及圖3a和3f所示),厚層塊狀的礫巖層與含礫粗砂巖組成辮狀河河道沉積,構(gòu)成辮狀河泛濫平原沉積部分的沉積物是發(fā)育砂巖透鏡體或透鏡層的砂泥巖沉積,而且從下向上泛濫平原的細(xì)粒沉積物逐漸變厚,不但代表河流作用的能量水平在降低,而且最終演變?yōu)閳D3b所示的湖泊相砂質(zhì)泥巖。

圖3 甘肅古浪十八里鋪剖面河口群下部的沉積特征Fig. 3 Images showing sedimentary features for the lower part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County, Gansu Province (a) 代表了河口群第二層序的頂界面(箭頭所指),界面之下為湖泊相泥巖夾砂巖地層,界面之上為辮狀河河道塊狀粗砂巖和含細(xì)礫粗砂巖,這些塊狀含礫砂巖的相對(duì)集中發(fā)育代表了河道砂巖的聚合作用特征；(b) 河口群上部的湖泊相紫色泥巖和砂質(zhì)泥巖沉積,組成第三個(gè)三級(jí)層序的高可容納空間體系域；(c) 河口群底部的沖積扇礫巖,構(gòu)成第一個(gè)三級(jí)層序的低可容納空間體系域的下部沉積單元；(d) 為塊狀沖積扇礫巖[如(c)圖所示]中的交錯(cuò)層理砂巖透鏡體；(e) 為(d)圖的交錯(cuò)層砂巖透鏡體的放大近照；(f) 河口群第2層中的辮狀河沉積序列(箭頭所指),厚層中細(xì)粒礫巖和含細(xì)礫粗砂巖組成河道沉積,夾砂巖透鏡體的紫紅色中薄層砂質(zhì)泥巖構(gòu)成辮狀河的泛濫平原沉積。 河口群的層序劃分和地層分層見圖2所示 (a) A sequence boundary (the arrowed) for top boundary of the second sequence within the Hekou Group, below the boundary are developed mudstones interbedded with sandstones, above the boundary are massive course sandstones and pebbly sandstones that demonstrate the amalgamation of river-channel sandstones; (b) purple mudstones and sandy mudstones that constitute the HAST unit of the third sequence within the Hekou Group; (c) delegates conglomerates developed in the bottom part of the first sequence of the Hekou Group, which make up the lower part of the LAST; (d) refers to cross-bedding sandstones within the massive conglomerates as shown in Photo (c); (e) the enlarge of the Photo (d); (f) the depositional succession of the braided river (the arrowed) within the 2nd bed of the Hekou Group, the thick-bedded medium to fine conglomerates and pebbly sandstones make up the braided-river channel deposits, and amaranth medium to thin-bedded sandy mudstones with lens of sandstone make up the flood-plain deposits. Sequence-stratigraphic division and stratigraphic layering for the Hekou Group are same to those as shown inFig. 2

河口群下部的3個(gè)層序,其層序界面總是表現(xiàn)為沖積扇礫巖或辮狀河砂礫巖地層底部的大型沖蝕面(圖3a所示),層序界面的形成過(guò)程對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)面下降過(guò)程(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012),所以說(shuō),這些層序形成在一個(gè)基準(zhǔn)面逐漸上升的過(guò)程之中,每一個(gè)層序的形成過(guò)程代表了一個(gè)從低可容納空間體系域的沖積體系到高可容納空間體系域的湖泊體系的演變過(guò)程,最終形成總體向上變細(xì)的沉積序列,代表了一個(gè)山前凹陷的從快速填充過(guò)程到均衡沉積過(guò)程的演變。

3.2 河口群上部的層序

如圖2所示,河口群上部主要為一套紅層沉積所組成,這套紅層沉積組成兩個(gè)三級(jí)層序即河口群層序4和層序5,實(shí)際上,層序3頂部的干旱湖泊相泥巖(第11層)也屬于紅層,但是,它組成層序3高可容納空間體系域(HAST)的頂部沉積單元。

在河口群上部層序中,構(gòu)成這些層序的低可容納空間體系域(LAST)的是洪積扇礫巖(圖2c和圖4a所示),這些洪積扇塊狀礫巖,礫石成分多為石英巖、石英砂巖、灰?guī)r和變質(zhì)巖,多為中細(xì)粒礫巖和角礫巖,礫石大小在5 mm～10 cm之間,棱角狀到次棱角狀的礫石之間填充了較多的砂泥質(zhì)物,從而顯示出雜基支撐的特點(diǎn)(圖4a所示),礫石較為復(fù)雜的組分表明了來(lái)源于祁連山的古生代淺變質(zhì)巖地層及其中發(fā)育的侵入巖,紅色的色調(diào)代表了干旱氣候背景下的沉積特征,這些砂泥雜基支撐的礫巖和角礫巖,可以解釋為席狀洪水形成的泥石流之類沉積組成的洪積扇沉積,其中較大的碎屑作為底荷載移動(dòng),然而較為細(xì)粒的物質(zhì)可能以懸浮作用形式搬運(yùn)(Blair and McPherson 1994；Leleu et al.,2009),從而與河口群下部的潮濕氣候背景下的沖積扇礫巖(圖3c至3e所示)在沉積組構(gòu)上形成一些差異,包括：① 更差的分選性；② 礫石間的填充物含有更多的泥質(zhì)物；③ 更大的單層厚度,可達(dá)數(shù)十米(圖2c所示)。在河口群上部層序中的LHST單元中,常常疊加在洪積扇礫巖之上的是礫質(zhì)辮狀河沉積(圖4b),然后向上演變?yōu)樯百|(zhì)辮狀河(圖4c),表現(xiàn)為河流作用的能量水平逐漸減弱的特點(diǎn),構(gòu)成這些辮狀河泛濫平原的沉積多為紫紅色中厚層或中薄層砂質(zhì)泥巖或泥巖,較為特殊的紅色色調(diào)代表了較為干旱的氣候背景下的沉積特征。

河口群上部的三級(jí)層序的HAST單元,主要為圖2a所示的干旱湖泊相泥巖和砂質(zhì)泥巖所組成,在LHST的沖積沉積體系向HAST的湖泊沉積體系的轉(zhuǎn)換過(guò)程之中,常常發(fā)育風(fēng)成砂巖(圖2中的第14層和第18層；圖2b和圖5所示),這些發(fā)育風(fēng)成砂巖的地層組成了干旱氣候條件下較為典型的濱湖相風(fēng)成沙丘,與圖2a所示的干旱湖泊相泥巖和砂質(zhì)泥巖一起組成河口群上部層序的HAST單元,代表了更加典型的干旱氣候背景下的沉積作用特征。

圖4 甘肅古浪十八里鋪剖面河口群上部的沉積特征Fig. 4 Images showing sedimentary features for the upper part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County of Gansu Province (a) 圖2所示的第12層中的塊狀洪積扇礫巖和角礫巖; (b) 圖2所示的第13層下部的中高能礫質(zhì)辮狀河沉積序列; (c) 圖2所示的第13層上部的中低能砂質(zhì)辮狀河沉積序列 (a) shows the massive conglomerates and breccias of the pluvial-fan facies developed in the 12th bed of the Hekou Group as shown inFig. 2; (b) represents the depositional succession of the medium to high-energy braided river deposits developed in the lower part of the 13th bed in the Hekou Group; (c) delegates the medium to low-energy braided river deposits developed in the upper part of the 13th bed in the Hekou Group as shown inFig. 2

總的來(lái)講,就像河口群下部的層序那樣,河口群上部的層序主要形成在一個(gè)基準(zhǔn)面逐漸上升的過(guò)程之中,每一個(gè)層序的形成過(guò)程代表了一個(gè)從低可容納空間到高可容納空間階段的演變過(guò)程,組成總體向上變細(xì)的沉積序列,代表了一個(gè)山前凹陷的從快速填充過(guò)程演變到均衡填充過(guò)程的產(chǎn)物,大致符合許多學(xué)者(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001； Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡導(dǎo)的陸相層序地層模式。也就是說(shuō),構(gòu)成LAST單元的沖積沉積體系(洪積扇以及辮狀河粗碎屑沉積)、以及組成三級(jí)層序HAST單元的湖泊沉積體系(在干旱氣候背景下的濱湖相風(fēng)成沙丘和干旱湖泊細(xì)粒沉積),它們堆積所需的沉積物可容納空間,實(shí)際上與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和特殊氣候效應(yīng)相關(guān)的復(fù)雜過(guò)程存在成因聯(lián)系,這個(gè)復(fù)雜過(guò)程包括：① 能夠調(diào)節(jié)沉積物供應(yīng)量以及河流橫剖面梯度的、并且作用在盆地內(nèi)河流物源區(qū)之間的差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；② 能改變河流排泄和沉積物荷載平衡的氣候旋回；③ 造成非沉積作用期、最終形成層序界面的基準(zhǔn)面下降過(guò)程。雖然在各種各樣的沉積作用背景之中(如海灘、河流和冰水沉積平原和火山巖地區(qū))均存在風(fēng)成過(guò)程,而且風(fēng)成過(guò)程會(huì)受到各種氣候條件的影響,但是,風(fēng)成過(guò)程的產(chǎn)生和出現(xiàn)總是與炎熱和寒冷氣候背景中的干旱氣候條件存在成因關(guān)聯(lián)(Mountney,2006；Nichols,2009；Marshall et al.,2012)；所以,河口群上部層序的HAST單元下部的風(fēng)成砂巖序列,不但受到特殊的區(qū)域構(gòu)造背景的控制,而且還受到白堊紀(jì)特殊的溫室效應(yīng)時(shí)期全球大氣環(huán)流格局下的行星風(fēng)系的控制,最終將提供重要的古環(huán)境變化信息,成為窺視祁連山白堊紀(jì)隆升過(guò)程、以及了解青藏高原形成與環(huán)境效應(yīng)的沉積學(xué)響應(yīng)。

3.3 河口群上部風(fēng)成砂巖的特征和意義

如圖5所示,構(gòu)成河口群上部層序HAST單元下部沉積的風(fēng)成砂巖,以第14層中的塊狀磚紅色砂巖最為典型(圖2a和5a所示),屬于形成在湖泊沉積初期地下水面較高、相對(duì)較為潮濕的沉積底層上的風(fēng)成沙丘沉積。這些風(fēng)成砂巖,主要為膠結(jié)疏松的中細(xì)粒細(xì)砂巖(圖5b),顯示出風(fēng)成砂巖較為典型的“小米種子(millet seed)”結(jié)構(gòu)(Mountney,2006),多為紅色和磚紅色色調(diào),表現(xiàn)為炎熱干旱氣候條件下的產(chǎn)物；在顯微鏡下,這些風(fēng)成砂巖表現(xiàn)為較好的分選性和磨圓度(圖5c至5f所示),而且多為石英砂所組成,顆粒多為次圓狀至次棱角狀,砂顆粒主要為鈣質(zhì)沉積物膠結(jié)(圖5d和5f所示)。如圖2b和5a所示,這些風(fēng)成砂巖,多為塊狀層,單層厚度常常超過(guò)10 m,最為重要的特征是缺乏特征性的大型風(fēng)成交錯(cuò)層理,這個(gè)特征類似于Loope 等 (1999) 在蒙古白堊紀(jì)風(fēng)成砂巖中所論述的現(xiàn)象,表明了以下特征化的沉積作用過(guò)程所形成的特殊沉積構(gòu)造[就像鐘建華和梁剛(2009)所強(qiáng)調(diào)的那樣]：在強(qiáng)降雨事件期間,發(fā)育在較淺的、而且沿著背風(fēng)斜坡向下延伸的方解石帶頂面棲留的地下水面,在風(fēng)成砂丘中將會(huì)產(chǎn)生平移式滑動(dòng),高地勢(shì)起伏的地形要素(可以通過(guò)生長(zhǎng)在干旱期的大型風(fēng)成砂丘所提供)會(huì)加劇這種特別的滑坡過(guò)程,這種滑動(dòng)過(guò)程將轉(zhuǎn)化成快速移動(dòng)的沉積物重力流,這些沉積物重力流將在沙丘的斜坡和沙丘間堆積下來(lái)；實(shí)際上,圖5d和5f所示的鈣質(zhì)沉積物膠結(jié)的風(fēng)成砂巖也映證了這個(gè)作用特征。在河口群上部,覆蓋在辮狀河沉積上的風(fēng)成砂巖,類似于Simpson 等(2008)在猶他州Kaiparowits盆地上白堊統(tǒng)Wahweap組的覆蓋層砂巖段(capping sandstone member)中所描述的沉積學(xué)現(xiàn)象：① 河流砂壩的風(fēng)成改造過(guò)程,將發(fā)生在低水流階段而且受到間歇性(季節(jié)性的)排泄量變化的控制；② 得到延長(zhǎng)的干旱條件的發(fā)育,將導(dǎo)致進(jìn)入風(fēng)成體系的砂質(zhì)沉積物的供應(yīng)量增加,并造成沙丘成核并快速生長(zhǎng)在辮狀河體系之間；③ 從河流到風(fēng)成的變化,可能與發(fā)生在季節(jié)性時(shí)間框架內(nèi)的朝向干旱或半干旱氣候的短周期變化過(guò)程之中,而且這個(gè)短周期變化又發(fā)生在長(zhǎng)周期氣候變化中。但是,在河口群上部,從洪積扇、經(jīng)辮狀河變化到風(fēng)成砂巖和干旱湖泊泥巖的沉積相序列所構(gòu)成的三級(jí)層序,不能用季節(jié)性的排泄量變化來(lái)加以解釋,這種特殊的風(fēng)成砂巖序列可能代表了特別的區(qū)域構(gòu)造背景和氣候背景演變的沉積過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制。

4 層序地層序列的形成機(jī)理和響應(yīng)機(jī)制

綜上所述,古浪地區(qū)的下白堊統(tǒng)河口群,總體上表現(xiàn)為兩個(gè)階段的沉積：下部潮濕氣候背景下的沉積和上部干旱氣候背景下的沉積。如果將河口群下部構(gòu)成三級(jí)層序LAST單元的沖積扇礫巖和辮狀河沉積、以及HAST單元中的濱淺湖砂泥巖地層的紫色色調(diào),將其歸為潮濕氣候背景下的沉積,那么,河口群上部的紅層地層組成的風(fēng)成砂巖序列,則應(yīng)該代表一個(gè)炎熱干旱背景下的沉積序列。所以說(shuō),古浪地區(qū)的下白堊統(tǒng)河口群,特殊的沉積相構(gòu)成所表征的層序地層序列,尤其是圖5所示的風(fēng)成砂巖在河口群上部的發(fā)育,成為在白堊紀(jì)典型溫室效應(yīng)時(shí)期特別的大氣環(huán)流格局控制下,同時(shí)也受控于特別的區(qū)域構(gòu)造背景演變所控制的陸相層序地層序列。

圖5 甘肅古浪十八里鋪剖面河口群上部的風(fēng)成砂巖Fig. 5 Images showing sedimentary features for the eolian sandstones in the upper part of the Hekou Group at the Shibalipu section in Gulang County of Gansu Province (a) 塊狀風(fēng)成砂巖；(b) 風(fēng)成砂巖近照,表現(xiàn)較為特征的“小米種子”結(jié)構(gòu),箭頭所指為石英巖組成的風(fēng)棱石；(c)、(d) 中細(xì)粒砂巖,(c)為單偏光照片,(d)為正交光照片,箭頭所指為鈣質(zhì)膠結(jié)物；(e)、(f)風(fēng)成細(xì)砂巖,(e)為單偏光照片,(f)為正交光照片,箭頭所指為鈣質(zhì)膠結(jié)物。這些風(fēng)成砂巖均產(chǎn)在圖2所示的河口群第14層中,構(gòu)成河口群層序4的高可容納空間體系域的下部單元 (a) Massive eolian sandstones; (b) the near image of eolian sandstones as shown in Photo (a), which demonstrate the “millet seed” texture, and the arrowed is the ventifact; (c), (d) the images of medium to fine-grained sandstones under microscope, (c) is the micrograph under the monopolarized light and (d) is the micrograph under the orthogonal light; (e), (f) are the images of fine-grained sandstones under microscope, (e) is the micrograph under the monopolarized light and (f) is the micrograph under the orthogonal light; In the images of both Photo (e) and Photo (f), the arrowed are the calcareous cement. These aeolian sandstones are developed within the 14th bed of the Hekou Group, and make up the lower unit of the HAST the fourth sequence

古浪十八里鋪剖面下白堊統(tǒng)河口群的層序地層序列(圖2),其中所包括的層序的形成機(jī)制盡管符合許多學(xué)者(Shanley and McCabe 1994；Plint et al.,2001；Holz et al.,2002；Arnott et al., 2002；Bridge,2006；Ghazi and Mountney,2009；Jinnah and Roberts,2011；Hajek and Heller,2012)所倡導(dǎo)陸相層序地層模式,尤其是陸相層序的非常規(guī)體系域劃分如“低容納空間體系域(LAST)”以及“高容納空間體系域(HAST)”的概念框架(Olsen et al.,1995；Gibling et al.,2005；Holbrook et al.,2006；Catuneanu,2006；Catuneanu et al.,2009),但是,由于在河口群上部層序的高可容納空間體系域中發(fā)育風(fēng)成砂巖,所以,河口群層序地層序列將代表了一個(gè)特別的形成和響應(yīng)機(jī)制。也就是說(shuō),構(gòu)成LAST單元的沖積沉積體系(沖積扇或洪積扇以及辮狀河沉積)、以及組成三級(jí)層序HAST單元的湖泊沉積體系,它們堆積所需的沉積物可容納空間,尤其是針對(duì)河口群上部發(fā)育風(fēng)成砂巖的層序4和層序5,實(shí)際上為區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和特殊氣候效應(yīng)相關(guān)的復(fù)雜過(guò)程所產(chǎn)生,這個(gè)復(fù)雜過(guò)程包括：① 能夠調(diào)節(jié)沉積物供應(yīng)量以及河流橫剖面梯度的、作用在盆地內(nèi)河流物源區(qū)之間的差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)；② 能改變河流排泄和沉積物荷載平衡的氣候旋回；③ 造成非沉積作用期、最終形成層序界面的基準(zhǔn)面下降過(guò)程。因此,圖2所示的河口群的層序地層序列,應(yīng)該解釋為早白堊世祁連山隆升過(guò)程從早期的幕式均衡隆升過(guò)程、向晚期的快速隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng),河口群上部的紅層序列以及其中所發(fā)育的風(fēng)成砂巖,可能代表了祁連山快速隆升過(guò)程所造成的 “雨影效應(yīng)”在山前凹陷產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的焚風(fēng)效應(yīng)的結(jié)果和產(chǎn)物。因此,河口群的堆積過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制大致可以包括以下3個(gè)階段。

第一階段,祁連山幕式均衡隆升階段的沉積響應(yīng)特征。該階段是指河口群下部的沉積時(shí)期,伴隨著祁連山的加載過(guò)程和持續(xù)隆升,在山前的蘭州盆地邊緣地帶,將對(duì)應(yīng)著地殼撓曲沉降而產(chǎn)生的沉積物可容納空間,由于隆升的高度不足以產(chǎn)生雨影效應(yīng)和山后的焚風(fēng)效應(yīng)(Sellwood and Valdes,2006；江新勝等,2012),西南方向的夏季季風(fēng)所帶來(lái)的暖濕氣流將造成較大的降雨量,因此,較大的河流徑流量在山前凹陷形成了沖積扇和辮狀河粗碎屑物沉積,這些粗碎屑物沉積組成了河口群下部層序的LAST單元。隨著祁連山的繼續(xù)隆升及其所對(duì)應(yīng)的山前坳陷的繼續(xù)下沉,最終將在山前發(fā)育湖泊環(huán)境,堆積細(xì)粒沉積并構(gòu)成層序的HAST單元；而且伴隨著祁連山加載隆升過(guò)程的強(qiáng)度的減弱,在山前會(huì)造成地殼的均衡反彈和上升,造成湖泊的消失和基準(zhǔn)面上升、并產(chǎn)生地層間斷,結(jié)果就形成圖3a所示的層序界面。上述過(guò)程的幕式發(fā)育,最終形成圖2所示的河口群下部的3個(gè)三級(jí)層序,即河口群層序1至層序3。

第二階段,祁連山快速?gòu)?qiáng)烈隆升階段的沉積響應(yīng)特征。隨著祁連山的繼續(xù)隆升并進(jìn)入快速隆升期,當(dāng)隆升到一定高度并阻止了西南方向的夏季季風(fēng)向北運(yùn)移的時(shí)候,祁連山隆升過(guò)程所造成的“雨影效應(yīng)”將在山前凹陷的古浪地區(qū)產(chǎn)生明顯的焚風(fēng)效應(yīng),從而造成一個(gè)炎熱干旱的區(qū)域性氣候條件,形成以發(fā)育濱湖相風(fēng)成沙丘為特征的三級(jí)層序的HAST單元。正是在白堊紀(jì)這種較為強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)時(shí)期,受控于祁連山隆升的區(qū)域性氣候變化以及河流徑流量變化的結(jié)果,就形成了河口群上部的兩個(gè)三級(jí)層序(圖2中的河口群層序4和層序5)。就像Hallam (1985)指出的那樣,晚侏羅世干燥性氣候在歐亞大陸南部的擴(kuò)展,可能是區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成,即岡底斯地塊與北方大陸的碰撞拼接,造成了青藏高原的一定幅度的隆升而產(chǎn)生了雨影效應(yīng),并在青藏高原東北方向即歐亞大陸南部產(chǎn)生焚風(fēng)效應(yīng)而造成了干燥性氣候的擴(kuò)展(Skelton,2003；Sellwood and Valdes,2006)；類似的狀況發(fā)生在河口群上部地層的沉積時(shí)期,祁連山的更加強(qiáng)烈的加載隆升過(guò)程已經(jīng)隆升到一定高度,從而阻止西南夏季季風(fēng)穿越祁連山或青藏高原東北部,所以在祁連山山前凹陷產(chǎn)生明顯的焚風(fēng)現(xiàn)象而最終造成一個(gè)區(qū)域性的干旱氣候條件,沉積了河口群上部引人注目的紅層沉積,在干旱湖泊的邊緣發(fā)育更多的濱湖相風(fēng)成砂丘。

第三階段,晚白堊世祁連山卸載過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng)和地層學(xué)效應(yīng)。在早、晚白堊世之交,伴隨著全球進(jìn)入了一個(gè)巖石圈異常活躍的時(shí)期,高速的大洋擴(kuò)張和大型火成巖省的發(fā)育是該時(shí)期的主要特征(Skelton,2003；Sellwood and Valdes,2006；王成善等,2009a)；在這樣的全球構(gòu)造背景下,作為青藏高原東北緣邊界的祁連山,有可能從早白堊世的加載隆升過(guò)程逐漸轉(zhuǎn)變成一個(gè)卸載過(guò)程。伴隨著祁連山的卸載過(guò)程,祁連山山前早白堊世沉積盆地的分布區(qū)域(圖1所示),可能從早白堊世的山前擠壓撓曲沉降背景、逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)均衡地殼反彈的特殊構(gòu)造背景,這個(gè)均衡地殼反彈的背景最終造成區(qū)域性地殼抬升,結(jié)果,在在河西走廊及其鄰區(qū)不發(fā)育或者只有少量發(fā)育晚白堊世的沉積(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989；楊雨,1997；張二朋等,1998；郭憲璞等,2011；曹珂,2013；陳軍等,2013)。

5 結(jié)論

甘肅古浪十八里鋪剖面的下白堊統(tǒng)河口群,為一個(gè)從潮濕氣候背景演變到干旱氣候背景的層序地層序列所組成,代表了祁連山白堊紀(jì)隆升過(guò)程從均衡幕式隆升演變到強(qiáng)烈快速隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng),河口群上部風(fēng)成砂巖的發(fā)育或多或少地代表了祁連山隆升過(guò)程產(chǎn)生的雨影效應(yīng)的特征和產(chǎn)物。在早、晚白堊世之交,伴隨者全球進(jìn)入一個(gè)巖石圈活躍期,祁連山及其相連的青藏高原東北緣逐漸演變成一個(gè)卸載過(guò)程,山前的河西走廊及其鄰區(qū)則經(jīng)歷了一個(gè)地殼均衡反彈而進(jìn)入地殼抬升的過(guò)程,結(jié)束了早白堊世地層堆積作用的歷史,最終在研究區(qū)域及其鄰區(qū)造成了上白堊統(tǒng)的缺失。因此,甘肅古浪十八里鋪剖面的下白堊統(tǒng)河口群的層序地層序列,是特殊的全球氣候與構(gòu)造背景(白堊紀(jì)世界)、與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)雙重控制下的特殊產(chǎn)物,成為較為特征化的祁連山加載隆升過(guò)程的沉積學(xué)響應(yīng)。