湯海磊 ，梁瑞 ，伊海生 ,3，李高杰

（1. 成都理工大學沉積地質研究院, 四川 成都 610059；2. 四川省地質礦產勘查開發(fā)局 成都綜合巖礦測試中心, 四川 成都 610081；3. 油氣藏地質及開發(fā)工程重點實驗室,四川 成都 610059）

前言

白堊紀是距今較近且持續(xù)時間最長的一個溫室氣候期[1]，干旱、炎熱基本籠罩整個特提斯域[2-4]。尤其是內陸地區(qū)呈現(xiàn)廣闊的沙漠氣候環(huán)境，以北半球中低緯度大面積的白堊紀沙漠沉積最為典型[5-10]，如信江盆地[10-12]、蘇北盆地[13-14]、江漢盆地[15]和四川盆地[16-17]、蘭坪-思茅盆地[9,18-20]以及泰國呵叻盆地[5]等地區(qū)。上述白堊紀沙漠群均以發(fā)育厚層狀紅色砂巖為特征，而楚雄盆地作為東亞內陸盆地群之一，白堊系廣泛發(fā)育紅色碎屑巖夾蒸發(fā)巖的組合，但未有風成沉積的報道。目前而言，前人研究多認為楚雄盆地白堊系歸屬于河流、濱湖相沉積[21-22]；針對江底河組，前人僅提及其出露的石膏層指示干鹽湖相，反映楚雄盆地在白堊紀晚期處于炎熱干旱的古氣候環(huán)境[23-24]。同時，楚雄盆地上白堊統(tǒng)在局部地區(qū)發(fā)育的大型交錯層理、平行層理、同生泥礫等沉積構造，特別是高成熟度砂巖的巖石學特征并沒有得到較好的描述和總結，其沉積環(huán)境的解釋仍顯不足。石英顆粒作為一種最常見的造巖礦物，由于較大的硬度和較高的化學穩(wěn)定性等特點，在搬運和沉積過程中，保存有不同地質營力在石英顆粒表面形成的微形貌特征和組合[25-27]。因此，石英顆粒表面特征常作為識別不同沉積環(huán)境的一個重要技術手段。

江底河組發(fā)育高成熟度砂巖間夾蒸發(fā)巖薄層，石英顆粒具有較為典型的風成作用特征，是研究風成沉積（風成砂）和水成沉積（鹽湖）相互作用的理想對象。基于上述科學問題和方法，對楚雄盆地上白堊統(tǒng)江底河組紅色厚層狀碎屑巖的石英顆粒表面特征進行詳細研究，系統(tǒng)分析該套紅層形成的古環(huán)境條件以及鹽湖環(huán)境中風成砂的微觀特征。同時，探討了古代風成石英顆粒和現(xiàn)代沙漠石英顆粒之間表面形態(tài)特征的差異，建立了沉積環(huán)境演化與石英顆粒微形貌特征的模式。

1 地質背景

楚雄盆地位于揚子地臺西南邊緣，是一個受到后期強烈改造的殘留盆地。構造上，楚雄盆地位于揚子克拉通西緣古生代被動大陸邊緣過渡殼基底之上，呈狹長狀夾于哀牢山造山帶和麗江臺緣褶皺帶之間[28-30]，主體屬康滇構造帶，是特提斯構造域和濱太平洋構造域的結合部位。盆地北與攀西裂谷系相連，西為特提斯-青藏構造域的三江構造帶，北西以紅河-哀牢山斷裂構造帶為界，南與滇西蘭坪-思茅盆地相隔[28]（圖1A、1B）。中生代以來，在特提斯構造域和濱太平洋構造域多期聯(lián)合和多次疊加過程中，楚雄盆地所屬盆地邊界及盆地內不同展布方向的先存基底斷裂產生不同的運動特征，控制了其所屬地層塊分異的復雜構造演化過程[31-32]。

圖1 A）東南亞構造簡圖（據(jù)文獻[37]修改）；B）楚雄盆地地質圖（據(jù)20張1∶20萬地質圖清繪）C）楚雄盆地及鄰區(qū)白堊系地層與對比（據(jù)文獻[9,18,33-34]修改）Fig.1 A) Structural outline of Southeast Asia(modified according to literature [37)]; B) Geological map of ChuXiong Basin(according to 201∶200,000 geological maps); C) Cretaceous strata and correlation in Chuxiong Basin and adjacent areas(modified according to literature [9,18,33-34])

楚雄盆地廣泛出露三疊系、侏羅系、白堊系地層，其中，白堊系地層最為發(fā)育，從底置頂依次為下白堊統(tǒng)高峰組、中白堊統(tǒng)普昌河組和馬頭山組以及上白堊統(tǒng)江底河組和趙家店組[9,18,33-34](圖1C)。其中，高峰寺組分布廣泛，巖性主要為河流相灰色薄至中厚層狀砂巖或粉砂巖，局部為灰色石英砂巖夾紅色泥巖，與下伏上侏羅統(tǒng)妥甸組為假整合接觸[35]；普昌河組巖性主要為紅色泥巖夾泥灰?guī)r、薄層砂巖，局部可見薄層鈣結殼沉積，為一套半干旱氣候背景下的河-湖相沉積，與下伏高峰寺組整合接觸；馬頭山組主要為一套紅色石英砂巖夾礫巖及泥巖，砂巖可見大型板狀交錯層理，與下伏普昌河組為假整合接觸；江底河組與下伏馬頭山組整合接觸，巖性多為雜色泥巖、紅色粉砂巖夾石膏，局部可見紅色細砂巖，為氣候炎熱期湖水面積相對縮小背景下的干鹽湖沉積。特征化石組有輪藻：Charites sad-leri(Unger)Horn et Rantzieu，Obtusochara lanpingensisZ. Wang et al.；孢粉：Schizaeosporites；葉肢介：Barchygraplasp.。在Trigonioides,Plicatounio兩屬為主的淡水瓣鰓類動物群占優(yōu)勢外，其中Plicatounioex gr.suzuki一種是僅見于晚白堊世的[23,36]；趙家店組巖性為一套紅色石英砂巖偶夾礫巖及泥巖，發(fā)育大型交錯層理，層面具流水波痕，泥裂及蟲跡，砂巖球形風化發(fā)育，僅在羊九河谷見爬行動物足跡，為干旱氣候下的河流相沉積[23]，與下伏江底河組整合接觸。

2 樣品采集及處理

本次研究集中于楚雄盆地江底河組砂巖層，采樣位置主要位于元謀和南華地區(qū)，共采集砂巖樣品21件，樣品選擇相對新鮮、受污染程度較弱的砂巖，分別通過偏光顯微鏡、掃描電鏡（SEM）、能譜測試（EDS）等手段，對碎屑顆粒結構形態(tài)、表面特征及成分等進行分析。首先通過輕擊、敲打的方式將所選取的砂巖進行碎樣，然后通過0.1～0.14 mm過濾篩篩選出已完全剝落的石英顆粒20 g左右，隨后加入30%的雙氧水中靜置24 h，在60～70℃下加熱2 h，除去可溶有機質。然后除去酸液，用蒸餾水將殘留物洗滌至中性，置于5%的鹽酸溶液中，在60～70℃下加熱1～2 h，并靜置48 h，使石英顆粒表面附著的碳酸鹽充分分解。待反應完全停止后，除去酸液，用熱蒸餾水洗滌至中性，最后烘干。隨后使用雙目鏡對每件樣品隨機挑選30～40粒，同時觀察石英顆粒表面特征，并進行拍照。然后，將選取的顆粒依次放在粘有導電膠的標準靶上，并進行60 s噴金工作，最后開展掃描電鏡分析和能譜測試分析。

光學顯微鏡和掃描電鏡測試分別在油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室和重慶市地質遺跡保護與研究實驗室完成。雙目鏡儀器型號：Nikon LV100POL，場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡型號：Quanta250-FEG和能譜儀型號：Oxford INCAx-max20。

3 石英顆粒表面特征

3.1 顆粒結構

江底河組砂巖以細砂巖為主，顆粒分選較好，磨圓度較高，為圓狀-次棱角狀（圖2A、2B、2E）。按照陳麗華等[38]提出的“目測五級估計法”，所選取的樣品顆粒可達Ⅲ-Ⅳ級，多呈圓狀-渾圓狀。與敦煌鳴沙山現(xiàn)代沙漠沉積物（圖2G）對比，其磨圓度比現(xiàn)代風成砂更高。碎屑顆粒主要由單晶石英顆粒組成（70%～90%），含有少量長石、重礦物、巖屑（約為10%），多晶石英及波狀消光非常少。碎屑顆粒之間以線接觸和凹凸接觸為主（圖2B、2E），鈣質膠結。在石英顆粒表面，廣泛發(fā)育一層褐紅色薄膜（圖2B）。該層薄膜不均勻分布在顆粒表面，顆粒表面凹坑處分布較厚，但厚度通常小于10 μm，顏色多為紅褐色。

3.2 機械作用特征

江底河組砂巖發(fā)育豐富的機械撞擊坑類型，如不規(guī)則撞擊坑、星月型撞擊坑、碟形坑等（圖2、3），其中，碟形撞擊坑多發(fā)育于磨圓度較高的石英顆粒中（圖2D、3A、3D）。在高能量的機械碰撞下，高磨圓度顆粒之間的接觸點應力被均勻分散[18]，碰撞凹坑相對規(guī)則。同時，機械撞擊坑的豐富度與磨圓度的高低也存在一定聯(lián)系[39]，在磨圓較高的石英顆粒表面撞擊痕跡多發(fā)育豐富，在磨圓度較差的顆粒上則相對減少，這不僅在江底河組砂巖中表現(xiàn)顯著，在現(xiàn)代沙漠沉積物中亦得到了印證（圖3E、3F），與Vos and Vandenberghe[39]通過對1300個不同環(huán)境下石英顆粒微觀結構的研究結果相吻合。

圖2 楚雄盆地江底河組石英顆粒鏡下顯微照片F(xiàn)ig.2 Photomicrographs of characteristic quartz grains

風成沉積石英顆粒另一特有的表面特征是新月形撞擊坑（圖3C、3D），其成因與碟形坑相似。顆粒在以懸移或滾動推移負荷搬運搬運時，沖擊能較小，從而形成新月形撞擊坑[40-41]。新月形撞擊坑一般認為是碟形坑和V形坑之間的過渡類型[33,38,42]。后者（V形坑）主要出現(xiàn)在水成沉積環(huán)境中，偶見于低能風成環(huán)境。所觀察到的新月形撞擊坑類似彎曲的貝殼狀裂縫（圖3C、3D）或“指甲印”，其長度約為50 μm，由于缺乏沖擊能而沒有發(fā)展成完整的斷裂面。在江底河組砂巖沉積物中，新月形撞擊坑現(xiàn)象分布于約5%～20%的顆粒表面。

3.2.1 化學作用特征

除上述機械搬運撞擊形成的表面形態(tài)外，在石英砂表面還有化學溶蝕作用形成的溶蝕坑、溶蝕縫等構造，顆粒溶蝕的同時還伴隨一定程度的沉淀作用，形成硅質球、硅質鱗片等化學成因表面特征。

(1)溶蝕作用

江底河組砂巖石英顆粒表面發(fā)育大量不規(guī)則的溶蝕孔和溶蝕洞等微構造（圖3H、圖I），溶蝕孔（洞）直徑可達10 μm，呈蜂窩狀，洞口邊緣相對平滑、規(guī)則。在溶蝕孔、洞周圍還伴生硅質解理薄片（圖3H），其形成與溶蝕孔、洞形成初期，部分硅質鱗片未剝落相關[27]。溶蝕孔、洞也可被溶蝕所連接，形成深邃不規(guī)則但規(guī)模較大的溶蝕孔和溶蝕溝（圖3I）。溶蝕孔、洞的出現(xiàn)和不規(guī)則形狀的產生，主要由石英顆粒在溶蝕作用過程中，溶蝕環(huán)境的化學活性和溶蝕時間差異引起[43]。石英顆粒表面還發(fā)育少量溶蝕縫構造，其具有較好的定向性（圖3J）。在敦煌鳴沙山所采集的沙丘砂顆粒表面同樣也發(fā)育有溶蝕作用（圖3K）。由于相對規(guī)則、定向的外觀特征，蝕刻凹坑與機械制造的三角形V型沖擊裂紋區(qū)容易區(qū)分。

(2) 沉淀作用

表面附著物：在江底河砂巖中所發(fā)育的泥套（圖2E、2F），多以暗褐色出現(xiàn)，其粒徑范圍與石英顆粒較為一致。前文已經提及，風成砂巖顆粒表面的附生物質，大多是被“包裹”的復雜物質，而這些物質多以膠體溶液形式存在，在搬運過程中又可以粘附其他物質，以粉塵中的黏土為主，加之顆粒不斷地滾動搬運，形成較為明顯的泥套，均勻的分布在顆粒表面。在次生作用下，重結晶作用亦會形成晶形完好的黏土礦物（圖3D）。通過鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)上述石英顆粒表面的附著物多為附著在被觀察顆粒上的所有碎片或顆粒，因而導致顆粒的成分和粒徑變化很大[43]。然而，大多數(shù)情況下，納米級附著物（覆蓋了10%的顆粒表面）是風成環(huán)境的特征，因為磨損疲勞導致小顆粒附著在表面[44]。 在這種情況下，這些顆?？赡苁怯墒㈩w粒本身產生的，也可能是由石英顆粒碰撞到的任何其他顆粒產生的。

硅質球和硅質鱗片：在石英顆粒表面分布著相對光滑面，由于硅質的反復溶解夷平和沉淀填平作用以及碰撞磨損圓化，SiO2在顆粒表面形成的硅質薄膜，造成風成環(huán)境中的石英顆粒高磨圓度和表面極其光滑現(xiàn)象（圖3B、3H）。在單個石英顆粒表面，硅質薄膜的厚度通常會有很大的變化，大約在2～10 μm之間[43]。在風成沉積環(huán)境中，強烈的沉淀作用通常和溶蝕作用相伴生，在干濕環(huán)境變化中更為明顯。但由于孔隙水不飽和，不易搬運溶蝕而形成的SiO2沉淀物，一般在顆粒表面就近沉淀。SiO2沉淀的初始作用期，易形成硅質球。在江底河組石英砂巖顆粒表面發(fā)現(xiàn)有硅質球（圖3G），圓球形，直徑在0.3～0.5 μm左右。SiO2再次進一步沉淀，則形成硅質鱗片。在江底河組砂巖石英顆粒表面，發(fā)育凸起的硅質鱗片（圖3B、3H），形似鱗片狀，長徑在20～30μm，與敦煌鳴沙山所采集的沙丘砂顆粒表面發(fā)育凸起硅質鱗片較為相似（圖3L）。

圖3 楚雄盆地江底河組石英顆粒表面掃描電鏡（SEM）Fig.3 Scanning electron microscope images of quartz grain surfaces

除上述溶蝕作用和沉淀作用以外，一些沉淀物和外來物質，在一定的條件下（溫度、壓力、孔隙水）可發(fā)生在石英顆粒表面，如成簇出現(xiàn)的黏土礦物，多形成于顆粒表面的凹陷處（圖3L），上述特征可能反映了沉積期后次生風化作用。

4 討論

（1）沙漠漆形成及保存機制

沙漠漆，即石英顆粒在風成環(huán)境中表面形成的紅色-紅褐色鐵膜的包覆層，在風成砂中普遍發(fā)育，多為紅色、褐紅色[45]，是顆粒機械搬運時反復溶解、氧化作用的產物，為干旱、炎熱沙漠環(huán)境所特有的標志。鐵錳質薄膜經常被后期增生石英所包裹，共同構成了風沙沉積的另一個重要特征[10,18]。石英顆粒表面結構特征除了受搬運的動力條件影響外，還取決于當時的氣候條件。“沙漠漆”作為風成砂巖中典型的表面附生物質[9,20]，幾乎存在于所有環(huán)境中，包括南極洲在內[46]，但最常見的是在干旱和半干旱氣候環(huán)境，其成分主要為氧化鐵和氧化錳，顏色多以暗紅色和黑色為主。

楚雄盆地江底河組砂巖樣品“沙漠漆”發(fā)育廣泛，在石英顆粒周圍普遍存在一層暗紅色環(huán)邊（圖2B），部分“沙漠漆”被后期石英次生加大所包覆。同時，通過對楚雄盆地上白堊統(tǒng)江底河組（圖4A，表1）與滇西云龍地區(qū)中白堊統(tǒng)南新組風成砂巖[18]（圖4B）和景谷地區(qū)下白堊統(tǒng)曼崗組風成砂巖[20]（圖4C）石英顆粒“沙漠漆”成分的對比，發(fā)現(xiàn)中生代風成沉積“沙漠漆”均存在Fe元素（圖4）。在江底河組砂巖中，F(xiàn)e元素最大質量百分比可達25.3%，最小值為0.5%，平均為7.7%，顯著高于甘肅敦煌地區(qū)沙漠（圖4D）、非洲東北部Sinai沙漠[47]（圖4E）和以色列南部Negev沙漠[48]（圖4F）沉積物Fe元素含量。而Mn元素僅在現(xiàn)代沙丘沉積物中存在（圖4D），但質量百分比均不超過1%。

表1 楚雄盆地上白堊統(tǒng)江底河組砂巖石英顆粒能譜分析（EDS）元素統(tǒng)計Table 1 Energy spectrum analysis of late Cretaceous Jiangdihe Formation in Chuxiong Basin,Yunnan and modern desert sediments（EDS）

圖4 不同盆地風成砂巖石英顆粒表面能譜和X射線譜圖特征Fig.4 Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) of quartz grains in sandstone

“沙漠漆”的形成是一個反復溶解、氧化的沉淀過程，涉及錳和鐵元素一系列的溶解、擴散和沉淀作用。這些元素大多來源于石英顆粒自身溶解部分中所含的一系列微量元素，而微量元素的移動可通過溶液傳輸或通過水分膜的離子擴散發(fā)生。搬運介質，如露水和雨水，在Mn、Fe元素搬運過程中一樣重要。部分有機物，如細菌，也可能會導致“沙漠漆”的沉積，但還沒有得到證實[49]。另一方面，在沙漠環(huán)境中，二氧化錳的蒸發(fā)和催化作用也能夠促進鐵錳質“沙漠漆”的形成[50]。

（2）石英顆粒表面形態(tài)及古環(huán)境指示

石英顆粒形態(tài)和表面結構特征可以反映沉積物的搬運距離和搬運過程，以及搬運過程中的所經受的機械、化學作用，進而反映當時的沉積環(huán)境條件[51-53]。不同環(huán)境下沉積的石英顆粒，顆粒表面上記載有不同的結構特征組合（表2）。在水成環(huán)境中，水介質具有一定的緩沖作用，機械動能相對較低。與此相反，風成環(huán)境中當空氣作為運輸介質時，對顆粒碰撞提供的保護非常小。正是由于風成介質的低緩沖作用、高速和高能量碰撞以及頻繁的溫度、濕度和pH值變化，形成了風成沉積高機械能和高化學能的沉積環(huán)境，以及獨特的顆粒表面微形貌特征，對沉積環(huán)境解釋具有重要意義[54]。

表2 不同沉積環(huán)境下石英顆粒的表面特征（據(jù)文獻[38,55]修改）Table 2 Surface characteristics of quartz particles in different sedimentary environments (Modified according to literature [38,55])

基于石英顆粒表面的機械、化學，或兩者的組合特征，可以利用上述三個特征的豐度、強度和空間排列 建立劃分不同沉積階段和風化環(huán)境的模式圖。在風成沉積作用初期，石英顆粒常以機械搬運作用占主，化學作用影響較小，顆粒形態(tài)多呈棱角狀，磨圓較差（圖5-①②）。隨著搬運能量的增加，碰撞磨損圓化和硅質的反復溶解夷平作用，造就了風成環(huán)境中的石英顆粒高磨圓度和表面極其光滑現(xiàn)象（圖5-⑩）。同時，撞擊坑類型愈加豐富，最具代表性的為“碟形撞擊坑”（圖5-?）。隨成巖作用持續(xù)發(fā)展，機械作用相對減弱，化學作用為主。石英顆粒表面結構特征除受機械動力條件影響外，溫度和濕度條件的反復變化在石英顆粒表面也形成了特有沉積記錄，造成一系列SiO2溶蝕與沉淀的微形態(tài)，如溶蝕坑（圖5-⑨）、溶蝕孔洞（圖5-?）、溶蝕縫（圖5-?）等溶蝕構造，以及硅質球（圖5-?）、硅質鱗片（圖5-⑨）等化學沉淀。

另一方面，二氧化硅的沉淀方式也取決于SiO2的沉淀速度，在快速沉淀階段，形成石英顆粒的夷平形態(tài)；中等沉淀速度情況下，SiO2以薄膜形式沉淀在上翻解理薄片之上，或在解理面上產生一組新的翻翹薄片（圖3B、圖3H和圖3L）；在沉淀速率較慢時，不僅會在顆粒棱角上產生沉淀，在空間足夠的情況下，還會生成一端“根植”在石英顆粒表面的石英晶體（圖5-?），即石英次生加大。其一端固定在石英砂巖顆粒表面上，另一端則自由生長，石英顆粒表面晶體生長的大小、范圍與沉積物的埋藏深度、在過飽和環(huán)境中的停留時間和可容納空間息息有關[56,57]。石英顆粒上硅膜的形成是一個相對快速的事件，但晶體過度生長的形成則需要更多的時間[43]。

圖5 風成砂巖石英顆粒表面特征演化與沉積環(huán)境模式Fig.5 Surface characteristics evolution of quartz grains in aeolian sandstone and Pattern of sedimentary environment

溶蝕坑、溶蝕孔洞等溶蝕現(xiàn)象一般為干旱、炎熱環(huán)境下，石英顆粒被高鹽度堿性溶液部分溶解的結果[18,20]。在水分條件比較有利時，即使氣候比較寒冷，水的pH值也會因為溶解鹽類而升高，進而造成石英顆粒表面部分SiO2被溶解；當溫度升高時，蒸發(fā)作用導致含有SiO2的溶蝕液過飽和，使SiO2重新圍繞石英顆粒沉淀，緩慢生長，這種過程在夏季沙漠邊緣能夠頻繁進行[38,42]。因此，這種圍繞石英顆粒生長的石英晶體，可以指示冷暖交替的氣候特征。楚雄盆地白堊紀晚期江底河組砂巖樣品中SiO2的溶蝕與再沉淀作用，反映出滇東北地區(qū)晚白堊世干旱-濕熱的氣候特征。

值得注意的是，在江底河組具典型風成作用特征（高磨圓度、碟形坑）的石英顆粒表面（圖5-⑩?，普遍發(fā)育有水成環(huán)境中強化學溶蝕作用形成的溶蝕孔、洞群[18,20,43]。這種現(xiàn)象在現(xiàn)代沙漠濕丘間沉積物石英顆粒表面（圖5-⑧）同樣發(fā)育，其形成可能歸因于鹽湖周緣的風成砂，經過季節(jié)性雨水及間歇性洪水搬運[6,18]，或強烈的風成吹蝕作用至鹽湖（沙丘間低洼蓄水地帶）中沉積[6,18]，使石英顆粒表面記錄了風成沉積被水成沉積（鹽湖）環(huán)境所改造所形成的“雙相”現(xiàn)象，進而指示鹽湖相與風成砂相互作用的沉積特征。然而，楚雄盆地上白堊統(tǒng)江底河組是否為沙漠尺度的鹽湖環(huán)境[57]，還需要對風成沉積的分布范圍進一步確定。目前，仍可將其視為沙地尺度的鹽湖環(huán)境。

5 結論

（1）白堊紀時期，溫暖、干旱的古氣候環(huán)境，促成了滇東北楚雄盆地干鹽湖沉積的形成。對楚雄盆地上白堊統(tǒng)江底河組紅色砂巖的研究，顯示盆地內局部發(fā)育風成沙地沉積，以高分選、高磨圓碎屑石英顆粒為典型特征，石英顆粒表面發(fā)育特有的碟形坑、溶蝕孔（洞）、硅質球和硅質鱗片等。

（2）基于石英顆粒表面的機械作用、化學作用組合特征，建立了不同沉積階段和環(huán)境演化對應不同微形貌特征的模式圖。在風成沉積作用初期，以機械作用為主，碎屑顆粒具棱角、低圓度為特征；沉積中期，以發(fā)育表面化學溶蝕作用和沉淀作用為特征；晚期，顆粒具高圓度，具碟形坑為特征。而對于鹽湖環(huán)境中的風成砂巖石英顆粒表面表現(xiàn)為強機械作用和強化學作用“雙相”特征。