劉 鑫，陳留勤，李馨敏，李余亮

(1.東華理工大學(xué) 省部共建核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

丹霞地貌是中國地質(zhì)學(xué)家于20世紀(jì)30年代命名的一種巖石地貌[1]，具有“頂平(近圓形山頂)、坡陡(陡峭崖壁)、麓緩(緩傾坡積物，常被植被覆蓋)”的鑒別特點(diǎn)[2]，是亞熱帶地區(qū)砂巖地貌的典型代表[3]。目前，丹霞地貌比較認(rèn)可的定義為“以陡崖坡為特征的紅層地貌”[4]。丹霞地貌與全球大陸紅層地貌具有可比性，具有重要的科學(xué)研究價值。在過去80年的研究歷史中，我國在丹霞地貌研究方面已取得諸多成果[5-10]。然而，以往的研究主要集中在對丹霞地貌的普查及其外觀形態(tài)的簡單描述方面，對成景地層本身巖石性質(zhì)和沉積環(huán)境研究較少。在丹霞地貌研究國際化發(fā)展和旅游地學(xué)科普的新形勢下，需要加強(qiáng)丹霞地貌的基礎(chǔ)地質(zhì)研究。2011年，“中國地理學(xué)會紅層與丹霞研究工作組”的設(shè)立，說明需要對丹霞地貌成景地層(紅層)進(jìn)行深入的沉積學(xué)研究。

在江西信江盆地，丹霞地貌的成景地層主要是上白堊統(tǒng)圭峰群的陸相紅層，盆地西部的貴溪市象山地質(zhì)公園的丹霞地貌產(chǎn)在圭峰群河口組以礫巖為主的地層中。近年來，信江盆地的研究進(jìn)展主要包括巖石地層基本特征[11-12]、古生物化石和地質(zhì)演化[13]、丹霞地貌類型及分布[6]等方面。前人對中國東南地區(qū)白堊系紅層研究取得了較好的成果[14-17]，但是信江盆地圭峰群紅層的沉積學(xué)研究還較少[18]。陸相沖積地層剖面上沉積組構(gòu)變化可以反映沉積環(huán)境和古氣候變化的信息[17,19]。本文以信江盆地西部的象山地區(qū)圭峰群河口組為例，通過露頭剖面巖石組成、沉積構(gòu)造詳細(xì)觀察及礫石統(tǒng)計(jì)、分析，研究其沉積環(huán)境和水動力過程，討論其與古氣候變化之間的聯(lián)系。

1 地質(zhì)背景

沿著贛杭構(gòu)造帶主要分布有永崇盆地(撫崇盆地)、信江盆地和金衢盆地，這些斷陷盆地一側(cè)以角度不整合覆蓋于晚白堊世之前的地層之上，另一側(cè)以正斷層與其它地層接觸[20]。在靠近斷層界面的盆地邊緣地區(qū)，斷層活動為厚度巨大的沖積扇礫巖地層堆積提供了空間[17]，也為后期遭受侵蝕、切割而形成現(xiàn)如今的丹霞地貌提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)[21]。

信江盆地呈近東西向展布，長180 km，寬10～40 km，面積約為3 148 km2，是在中國東南地區(qū)白堊紀(jì)地殼伸展拉張構(gòu)造背景下形成的眾多陸相斷陷盆地之一。盆地中的上白堊統(tǒng)包括贛州群和圭峰群，丹霞地貌主要發(fā)育在圭峰群礫巖和砂巖地層當(dāng)中。圭峰群自下而上又劃分為三個組，依次為河口組(K2h)、塘邊組(K2t)和蓮荷組(K2lh)。圭峰群主要為一套紅色礫巖、砂巖及少量粉砂巖和泥質(zhì)巖沉積，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)恐龍蛋、介形類、輪藻等化石[11]，總體上反映了晚白堊世時期干旱炎熱的古氣候背景[14,17,22]。

在信江盆地南緣的圭峰群河口組以礫巖為主的紅色地層中，分布著眾多丹霞地貌景觀，其中的龍虎山世界地質(zhì)公園較為典型，它也是世界自然遺產(chǎn)“中國丹霞”的組成部分。龍虎山世界地質(zhì)公園自西向東包括龍虎山園區(qū)、象山園區(qū)和龜峰園區(qū)。

研究區(qū)象山地質(zhì)公園位于信江盆地西部、貴溪市南(圖1)，地理坐標(biāo)為經(jīng)度117°12′37＂，緯度28°16′07＂，自西向東由掛傍山、徐巖、仙人橋三個景區(qū)組成。該地質(zhì)公園位于信江南岸，與貴溪市區(qū)隔江相望，是集崖壁、凸峰、孤峰、石柱、象形山石、巖縫、峽谷、洞穴、懸瀑等自然景觀和佛塔、摩崖字畫、書院等人文景觀于一體的一個省級地質(zhì)公園。園區(qū)斷層和節(jié)理構(gòu)造以北東向?yàn)橹?。研究區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，以亞熱帶溫帶植被類型為主，中低山區(qū)多為山地黃壤和草甸土。

2 研究方法

圖1 江西信江盆地西部地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[23-25]修編)及象山地質(zhì)公園河口組紅層實(shí)測剖面位置Fig.1 Geological map of the western Xinjiang Basin and the location of the measured section of the Hekou Formation redbeds in the Xiangshan Geopark of Jiangxi Province

本次研究過程中，在象山地質(zhì)公園徐巖景區(qū)選擇1條厚度約40 m的連續(xù)露頭，進(jìn)行厘米級逐層測量。根據(jù)沉積作用界面、粒度變化進(jìn)行分層，記錄每層的厚度、巖性、粒度變化、沉積構(gòu)造。在測量礫巖層厚度(BTh)的同時，選擇10個以上最大礫石測量粒徑并求平均值(MPS)。MPS-BTh投圖相關(guān)性可用來判斷沉積水動力條件[26-27]。另外，還選擇了2個礫巖地層露頭進(jìn)行礫石統(tǒng)計(jì)工作。在每個礫石統(tǒng)計(jì)位置，選擇沒有沉積間斷的1 m×1 m正方形范圍，沿著基線隨機(jī)挖出200個礫石，記錄這些礫石的a、b、c軸大小以及巖性、磨圓度和風(fēng)化程度，繪制出礫石粒徑分布的直方圖和累積曲線，計(jì)算粒度參數(shù)、扁度和球度，用于判斷沉積環(huán)境和物源[28-30]。

3 研究結(jié)果

圖2 象山地質(zhì)公園丹霞地貌成景地層露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop photos showing the reddish bedrock of Danxia landforms in the Xiangshan Geopark(a)、(b)丹霞地貌宏觀照片：(a)近圓丘狀山頂和陡峻崖壁；(b)崖壁上發(fā)育順層巖槽、扁平洞穴及穿洞，照片中右下角的人(身高170 cm)為比例尺；(c)發(fā)育正粒序?qū)永順?gòu)造的礫巖，底界面為一個明顯的侵蝕面；(d)不發(fā)育沉積構(gòu)造的礫巖層(地質(zhì)錘所在層)及其上發(fā)育槽狀交錯層理的細(xì)礫巖；(e)可分為A、B、C三層，A層為發(fā)育逆粒序?qū)永淼牡[巖，B層(地質(zhì)錘所在層)為透鏡層狀粗砂巖，其頂?shù)捉缑婢鶠閹r相突變面，C為發(fā)育前積層的礫巖，顯示正粒序?qū)永順?gòu)造；(f)侵蝕面(紅色虛線)之上為具有前積層的礫巖，之下為巢狀礫石聚集的礫巖(見右下角橢圓形局部放大插圖)，可見斜立的較大礫石產(chǎn)出于礫巖層的上部

3.1 紅層與丹霞地貌基本特征

象山地質(zhì)公園的紅層主要為上白堊統(tǒng)圭峰群河口組，以礫巖為主，膠結(jié)致密，總體上抗風(fēng)化能力較強(qiáng)(圖2)。紅層成層性良好，產(chǎn)狀平緩。大多數(shù)礫巖層或砂巖層橫向延伸不遠(yuǎn)，相變快且明顯。礫巖層底界面多為凹凸不平的沖刷侵蝕界面，侵蝕作用強(qiáng)烈，正粒序或逆粒序?qū)永戆l(fā)育。

象山地質(zhì)公園總面積32.76 km2，海拔30～160 m，以丹霞地貌為特色，山麓堆積以山地黃壤和草甸土為主。圍繞赤壁丹霞底部有數(shù)個水塘，紅色陡峭山崖發(fā)育，山頂呈圓丘狀，植被發(fā)育。所以，象山地質(zhì)公園的丹霞地貌具有典型的“頂圓、身陡、麓緩”的特點(diǎn)(圖2(a) 、(b))。另外，崖壁上順層發(fā)育扁平狀洞穴、巖槽(圖2(b))?？癸L(fēng)化能力不同的礫巖和砂巖互層構(gòu)造是形成順層延伸的一系列洞穴地貌景觀的根本原因。在某些層內(nèi)發(fā)育具有顆粒支撐結(jié)構(gòu)的巢狀礫巖(圖2(f))或粒徑較大的礫石(看似漂浮在較細(xì)粒的基質(zhì)當(dāng)中)(圖2(e)、(f))，它們的產(chǎn)出加劇了巖性的不均一性，在差異風(fēng)化作用下更易脫落形成洞穴的雛形。這些初始形成的洞穴地貌，在持續(xù)的風(fēng)化作用下，可進(jìn)一步擴(kuò)大，與旁側(cè)的洞穴連接，逐漸形成較大規(guī)模的扁平狀洞穴或巖槽。

3.2 紅層巖相劃分

在象山地質(zhì)公園徐巖景區(qū)選擇連續(xù)的露頭進(jìn)行厘米級實(shí)測，繪制成柱狀圖，可以識別出7種巖相單元(表1)，現(xiàn)描述如下。

3.2.1 巖相A——正粒序礫巖

此種巖相單元在實(shí)測剖面及鄰區(qū)十分常見(圖2(c)，圖3第②、③、④、⑥、⑦層)，單層的厚度范圍為10～60 cm。一般底界面為一個明顯的凹凸不平的沖刷侵蝕界面，侵蝕底界面之上富集較粗大的礫石，礫石粒徑向上逐漸變小，部分礫巖層與上覆的砂巖層可以組成一個持續(xù)向上變細(xì)的正旋回?？梢姾庸瘸涮钚螒B(tài)。礫石壓實(shí)緊密，顆粒支撐結(jié)構(gòu)，見疊瓦狀構(gòu)造。但是在部分正粒序礫巖單元中，最大粒徑的礫石并不是直接堆積在侵蝕面之上，而是產(chǎn)于底部偏上的位置。在部分這種單個巖相單元中還能識別出2～3個次一級的正粒序單元。可夾數(shù)個砂巖薄透鏡層，如圖2(d)所示。

3.2.2 巖相B——逆粒序礫巖

這種巖相在研究區(qū)也是比較常見的(圖2(e)，如圖3第①、、、層)，單層厚度范圍5～60 cm。底界面通常為凹凸不平的沖刷侵蝕界面，頂界面為與其它巖相單元的突變面。在逆粒序?qū)永淼[巖單元層內(nèi)，從底向頂顯示礫石粒徑由小變大的變化趨勢，粒徑最大的礫石往往集中產(chǎn)出于單元層的頂部。但是，有些薄層的逆粒序?qū)永淼[巖(厚約10 cm)向上轉(zhuǎn)變?yōu)橹?厚層狀的正粒序?qū)永淼[巖(厚約40 cm)，比如第⑥層和第⑦層。

3.2.3 巖相C——無沉積構(gòu)造礫巖

無沉積(不發(fā)育)構(gòu)造礫巖(structureless conglomerate)在研究區(qū)實(shí)測剖面上并不常見(圖2(d)，如圖3第⑩、、、層)。礫巖層厚度范圍變化較大，可以從10 cm到40 cm不等，底界面平直或呈弱起伏狀，顯示對下伏早期地層的侵蝕作用。這種巖相最明顯的特點(diǎn)是不發(fā)育斜層理或粒序?qū)永?，但是可包含有?shù)個砂巖薄透鏡層，也可見透鏡體狀的聚集礫石，其粒徑要比周圍礫巖大。在部分礫巖層中礫石呈線狀排列。

3.2.4 巖相D——平行層理礫巖

表1 象山地質(zhì)公園河口組紅層巖相總結(jié)Table 1 Summary of lithofacies in the redbeds of the Hekou Formation in the Xiangshan Geopark

圖3 象山地質(zhì)公園河口組紅層實(shí)測柱狀圖Fig.3 Stratigraphic section of the Hekou Formation redbeds in the Xiangshan Geopark巖性柱右側(cè)的藍(lán)色折線投點(diǎn)為每個礫巖層中10個最大礫石粒徑平均值(MPS)

3.2.5 巖相E——交錯層理礫巖

巖相F的厚度從15 cm到60 cm不等，交錯層理包括槽狀和板狀交錯層理(如圖3第⑥、、層)。在有的交錯層理的紋層中可顯示清晰的正粒序變化，導(dǎo)致層系也具有微弱的下粗上細(xì)的特點(diǎn)。部分槽狀層系底界面上可見滯留沉積的礫石。

3.2.6 巖相F——聚集狀礫巖

在剖面上，巖相F通常以明顯的礫石聚集狀產(chǎn)出為識別特征(如圖3第、、層)，與周圍較細(xì)粒的礫巖之間具有明顯的界面。部分具有河道充填形態(tài)。厚度為10～20 cm，橫向延伸一般不超過80 cm，所以常顯示為透鏡體或透鏡層狀。顆粒支撐，縱向不顯示粒序變化。

3.2.7 巖相G——砂巖

砂巖單元十分常見，主要為粗粒砂巖，少量為中粒砂巖，通常含有礫石(圖2(e)，比如圖3第⑤、⑧、層)。厚度通常小于40 cm。少量砂巖單元表現(xiàn)為與下伏礫巖向上變細(xì)的過渡延續(xù)部分，但是大多數(shù)砂巖以礫巖之間的夾層形式出現(xiàn)。砂巖層底界面一般為與下伏礫巖層之間的平直整合界面，而頂界面為被上覆礫巖層下切侵蝕形成的侵蝕作用界面。因而砂巖層的實(shí)測厚度必然小于沉積時期的厚度。部分砂巖呈透鏡層狀包含在礫巖層當(dāng)中。有些砂巖層也可以含有數(shù)個礫巖透鏡層。在剖面上，礫巖和砂巖的這種包含關(guān)系導(dǎo)致總體顆粒分選性變差。

3.3 礫石統(tǒng)計(jì)

在象山公園實(shí)測地層剖面上選取兩個礫巖露頭進(jìn)行礫石統(tǒng)計(jì)和分析，礫石統(tǒng)計(jì)層位見圖3。礫石成分主要為凝灰?guī)r、石英、砂巖和花崗巖，平均含量分別為58%～66.5%，15%～21.5%，12%～16%，4.5%～6.5%。礫石磨圓度低，約為17%，球度0.68，扁度1.75～1.79，扁度/球度值為2.52～2.65。大多數(shù)礫石風(fēng)化程度達(dá)到3級，少量為1級和2級，含量分別為71.5%～82.5%，14.5%～20.5%，3.0%～8.0%。

圖4 象山地質(zhì)公園礫巖礫石粒徑分布Fig.4 Gravel size distribution of the conglomerates in the Xiangshan Geopark

礫石a軸粒徑范圍0.5～12.5 cm，平均值為2.80～2.87 cm，中值為2.5～2.6 cm；b軸粒徑范圍0.5～9.0 cm，平均1.83～2.0 cm，中值為1.5～1.9 cm；c軸粒徑范圍0.3～8.7 cm，平均1.27～1.33 cm，中值1.0～1.2 cm。礫石粒徑參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ1)為1.53～1.58，偏度(Sk1)為0.39，峰度(KG)為1.21～1.33。根據(jù)每個測點(diǎn)200個礫石粒徑的實(shí)際測量數(shù)據(jù)繪制出礫石累積頻率曲線和直方圖，如圖4所示。

4 沉積環(huán)境分析及古氣候意義

4.1 紅層巖相的沉積過程

總體上來看，在象山地質(zhì)公園實(shí)測剖面中，由于顆粒粒徑或分選性在垂向上的明顯變化，導(dǎo)致巖石成層性良好，反映了變化的水流和不連續(xù)沉積作用。透鏡體(層)狀礫巖和弧形侵蝕底界面發(fā)育都是辮狀礫質(zhì)沖積層的沉積特點(diǎn)[31]，反映了辮狀河道體系中下切侵蝕和決口作用及單個河道橫向快速遷移、廢棄[26]。同時，以上這些沉積特點(diǎn)也說明物源區(qū)沉積物供應(yīng)充足，且沉積環(huán)境水流速度快、能量較強(qiáng)。碎屑顆粒分選差和結(jié)構(gòu)成熟度低的特點(diǎn)都指示了暫時性河流沉積作用[26]。

其中，發(fā)育正粒序?qū)永順?gòu)造的礫巖(巖相A)為洪水泛濫引起的河道決口和廢棄而產(chǎn)生的疊置壩[32]，剖面中多個正粒序的縱向疊加則指示了多期次河流沉積作用[33]，可能與沖積扇沉積體系中朵葉上發(fā)生的周期性洪泛事件有關(guān)[34]。每個正粒序指示辮狀河道沉積過程中的一次洪水泛濫事件，水流能量由強(qiáng)到弱的變化。底侵蝕界面指示洪水事件形成之初對下伏沉積物的沖刷、侵蝕和改造作用。河谷充填形態(tài)則是洪水?dāng)y帶大量沉積物沖刷、堆積的明顯結(jié)果。發(fā)育逆粒序?qū)永淼牡[巖(巖相B)可以解釋為在分散壓力和動力篩選的共同作用下，碎屑顆粒之間發(fā)生不斷的碰撞而導(dǎo)致粒徑較大的礫石向上遷移而形成[35]。

不發(fā)育沉積構(gòu)造的礫巖(巖相C)分選差，其中包含“漂浮狀”較大礫石，指示了沉積物與水的比值較高及搬運(yùn)過程中較寬的碎屑粒徑范圍[26]。由于受到高雜基強(qiáng)度和低水含量引起的高黏性和剪切力的影響，礫石可以形成線狀排列現(xiàn)象[36]。該巖相為富砂泥石流的產(chǎn)物，在快速沉積作用下形成的近源堆積，沉積物來不及分選。發(fā)育平行層理構(gòu)造的礫巖(巖相D)有兩種情況：一是厘米級的薄層礫巖，可能是在快速遷移和寬而淺的河道中形成的，或者是在沖積扇的下游部位由非河道化的泛濫作用形成；二是礫巖層單層厚度為分米級，指示了在主要的沖積扇水道中更深的河道化水流作用或強(qiáng)烈的河道化泛濫作用[26]。

發(fā)育槽狀和板狀交錯層理的礫巖(巖相E)，指示了在沖積扇上單向高能水流的沉積作用。板狀交錯層理主要是在低流態(tài)條件下由大的直脊波紋和沙丘遷移形成的，而槽狀交錯層理是由小型水流波紋遷移形成的。呈聚集狀(或巢狀)產(chǎn)出的顆粒支撐的礫巖(巖相F)，可以解釋為沖積扇朵葉上的篩狀沉積。片流或越岸流體將初始沉積物表面細(xì)粒的泥、沙組分侵蝕帶走，而留下了相對粗粒的碎屑物質(zhì)，導(dǎo)致粗粒組分相對富集而具有相對較好的分選性[37]。

在大多數(shù)情況下，剖面中的砂巖單元(巖相G)可以看作是與下伏礫巖構(gòu)成的向上變細(xì)序列的細(xì)粒部分。砂巖單元可以解釋為洪水事件水流能量減弱階段的產(chǎn)物，而這部分又常常被下一期洪水事件帶來的粗礫巖所侵蝕。這就導(dǎo)致在剖面中砂巖單元經(jīng)常在橫向上厚度不穩(wěn)定，呈透鏡層狀延伸。因此，下伏礫巖單元代表了源區(qū)沉積物供應(yīng)的幕式增加，而上覆砂巖單元則反映了沉積物供應(yīng)減少的較長時期[34]。

另外，從露頭剖面上實(shí)測的82個礫巖層厚度及其中最大礫石粒徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行MPS-BTh投圖(圖5)，投點(diǎn)比較分散，二者并不呈正相關(guān)線性關(guān)系。據(jù)此可以推斷，研究區(qū)礫巖層是在以河流作用為主要水動力而發(fā)生沉積的[26-27]。

圖5 礫巖層最大礫石粒徑(MPS)與礫巖層厚度(BTh)交匯圖Fig.5 The maximum particle size (MPS) versus bed thickness (BTh) plot for the conglomerates

4.2 礫石統(tǒng)計(jì)及其物源

4.3 巖相變化的古氣候意義

白堊紀(jì)是地史上典型的溫室氣候期，中國東南地區(qū)的上白堊統(tǒng)以廣泛發(fā)育反映干旱古氣候條件的古土壤、蒸發(fā)巖、風(fēng)成砂為特征，反映了總體的干熱古氣候背景。以往的研究表明，永崇盆地圭峰群沉積環(huán)境的變化，不僅與斷陷盆地的構(gòu)造格局和盆緣斷層活動及其導(dǎo)致的物源變化有關(guān)，而且也反映了古氣候的變化趨勢[17]。構(gòu)造抬升不僅提供碎屑物質(zhì)，同時也為碎屑物的堆積提供空間(如沖積扇)，而古氣候變化則通過風(fēng)化作用進(jìn)而控制沉積作用及巖相的類型和分布[34]。通常情況下，氣候變干可導(dǎo)致剖面中夾多層古土壤，而氣候變濕潤導(dǎo)致降水增加，在暴洪事件中將上游粗碎屑搬運(yùn)到盆地發(fā)生沉積[38]。因此，圭峰群河口組礫巖為主的地層，是河流主導(dǎo)的沖積扇沉積體系的結(jié)果，記錄了Coniacian-Santonian期相對濕潤的古氣候。而Campanian期東亞中緯度地區(qū)普遍干旱化[39]，降水減少，河流搬運(yùn)能力減弱，粗碎屑多被保留在源區(qū)附近而不會被帶到下游發(fā)生沉積[38]，因而在信江盆地塘邊組中形成厚層風(fēng)成砂巖夾古土壤的沉積序列。

5 結(jié) 論

(1)象山地質(zhì)公園屬于龍虎山世界地質(zhì)公園的一部分，其丹霞地貌類型多樣，包括峰叢、石崖、石柱、石梁、洞穴等景觀，成景地層為上白堊統(tǒng)圭峰群河口組紅色碎屑巖。在實(shí)測剖面上，礫巖組成具有明顯的優(yōu)勢。砂巖常作為夾層分布于礫巖層之間，呈透鏡層狀，橫向延伸不遠(yuǎn)。由于侵蝕作用強(qiáng)烈，砂巖層在橫向上與礫巖相變快且明顯。

(2)根據(jù)巖石組成和沉積構(gòu)造特點(diǎn)，在象山地質(zhì)公園徐巖景區(qū)實(shí)測剖面中可以識別出7種巖相單元，分別是正粒序礫巖、逆粒序礫巖、無沉積構(gòu)造礫巖、平行層理礫巖、交錯層理礫巖、聚集狀礫巖、砂巖，為沖積扇沉積體系的產(chǎn)物。在沉積作用過程中，在盆地邊緣斷層活動和強(qiáng)降雨的誘導(dǎo)下，物源區(qū)(主要為盆地南部的早白堊世熔結(jié)凝灰?guī)r)提供了充足的碎屑沉積物，辮狀河流攜帶大量沉積物在山前沖積扇沉積體系中堆積下來形成厚度較大的紅層序列。這些紅層后來遭受地殼抬升、斷層和節(jié)理切割、流水侵蝕及其他風(fēng)化作用而形成現(xiàn)如今的丹霞地貌。

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