吳昊，彭小華，陳艷，姚珊，祝捷，唐玉，黨晨，王卓勝

(1.陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710068； 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查規(guī)劃研究中心， 陜西 西安 710068)

0 引言

白堊系洛河組是陜北地區(qū)重要的含水地層，21世紀初，鄂爾多斯盆地地下水勘查將其作為重點研究對象。近幾年，隨著盆地東南陜北丹霞地貌景觀帶的發(fā)現(xiàn)，洛河組作為區(qū)域內(nèi)主要丹霞地貌造景地層，再次引起廣大學者的關(guān)注和重視。

20世紀80年代至今，風成砂巖作為地質(zhì)學科中一個熱門話題，越來越多的學者開展了針對其巖相巖性、物理特征、物源等方面的研究。其中，鄂爾多斯盆地白堊系洛河組是風成砂巖的典型代表，廣泛分布在內(nèi)蒙古伊金霍洛旗，陜西靖邊、志丹、長武、隴縣等地。位于洛河流域的永寧山的洛河組砂巖大型斜層理、交錯層理極為發(fā)育，斜層理厚一般4～6 m，最厚可達20 m，延伸長度30 m，最長可達60～100 m。斜層理傾向一般100°～200°，傾角15°～25°，最大32°。永寧山一帶是研究陜北洛河組的最佳場所之一，但是針對永寧山洛河組的研究幾乎沒有。本文通過對永寧山洛河組巖石抗壓強度測定、薄片鑒定、X衍射分析、常量和微量元素分析，結(jié)合其巖石組合、巖相特征，進一步探討永寧山一帶洛河組沉積、巖相特征、沉積物質(zhì)來源以及古氣候、古環(huán)境變遷與變化，對陜北地區(qū)丹霞地貌成因機理研究，科學保護、合理利用具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

永寧山位于延安市志丹縣，位于洛河北岸(圖1)，鄂爾多斯盆地腹地。盆地北起內(nèi)蒙陰山、大青山，南抵陜西(甘肅)秦嶺，西至甘肅賀蘭山、六盤山，東達山西呂梁山、河南太行山，總面積約37×104km2，是中國第二大沉積盆地(劉文香，2012)。

圖1 永寧山位置圖

根據(jù)震旦紀至第三紀沉積相和古地理環(huán)境的研究，鄂爾多斯盆地早古生代主要為濱海潮坪及臺地環(huán)境，石炭紀至三疊紀為內(nèi)陸盆地濱海平原和河湖沼澤環(huán)境(楊友運等，2008；陜西省地質(zhì)調(diào)查院，2017)。侏羅紀盆地早期遭受剝蝕，晚期接受沼澤相、河流相、湖泊相沉積，湖泊相地層沉積中心位于洛河、葫蘆河一帶，沉積有灰黑色泥質(zhì)巖、灰白色細砂巖夾煤層及油頁巖，代表閉塞的湖心地帶沉積，為區(qū)內(nèi)的重要成煤成油時期。鄂爾多斯盆地總的來說是一個整體升降、坳陷遷移、構(gòu)造簡單的大型多旋回克拉通盆地，基底為太古界及下元古界變質(zhì)巖系，沉積蓋層有長城系、薊縣系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系、第四系等(董敏等，2019)。主要油氣產(chǎn)層是三疊系、侏羅系和奧陶系。煤主要產(chǎn)在石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系。

燕山早期，鄂爾多斯為中生代大型坳陷盆地，內(nèi)陸湖盆相沉積連續(xù)，形成三疊系—中侏羅統(tǒng)地層；燕山中期，主要受特提斯構(gòu)造域控制。在區(qū)外青藏高原，古岡瓦納板塊與亞洲板塊發(fā)生匯聚作用，形成統(tǒng)一的歐亞板塊(張國偉，2015)；秦巴地區(qū)乃至鄂爾多斯地塊南緣，受此影響，表現(xiàn)為強烈的陸內(nèi)逆沖推覆造山。

新生代中晚期以來，受青藏高原整體隆升影響，鄂爾多斯盆地抬升運動頻繁，對盆地及其地貌的塑造和后期改造起到了關(guān)鍵作用，為這一地區(qū)發(fā)育的丹霞地貌的后期改造提供了重要的內(nèi)動力來源(楊望墩，2016)。

2 樣品采集及測試方法

本次研究以陜北永寧山丹霞地貌分布區(qū)出露的典型洛河組風成砂巖為例，進行了剖面測量和系統(tǒng)采樣，進行抗壓強度、薄片鑒定、X衍射分析、常量元素與稀土、微量元素測試，并對其地球化學及物源區(qū)特征進行了初步分析。

抗壓強度利用賽緯HTY-H1數(shù)字回彈儀測試；樣品的X射線衍射分析(XRD)、主量元素、微量元素和稀土元素測試工作在有色金屬西北礦產(chǎn)地質(zhì)測試中心完成；工作環(huán)境溫度為23 ℃，濕度為50%。X射線衍射分析通過電子束對金屬Cu“靶”的轟擊獲取反映樣品所含晶質(zhì)物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的衍射圖譜，主要分析參數(shù)有相對強度值和面間距；樣品的主量元素、微量元素和稀土元素采用X射線熒光(XRF)光譜儀(實驗在Axios PW4400/40(荷蘭PANalytical BV)上完成，溫度為23 ℃，相對濕度為50%)，根據(jù)等效氧化物的質(zhì)量分數(shù)獲得結(jié)果。

3 洛河組地質(zhì)特征

3.1 巖性特征

白堊系志丹群洛河組在鄂爾多斯盆地分布廣泛，在盆地北部邊緣近源區(qū)，以沖積河流相砂礫巖為主，在盆地西緣抬升區(qū)，主要形成辮狀河三角洲沉積；在盆地東翼，及丹霞地貌分布的成景區(qū)域，地形開闊平緩，為風成沙漠相，局部存在沙漠湖相沉積，巖性為一套紫紅、灰紅色細—中粗粒長石砂巖、石英砂巖、巖屑長石石英砂巖，局部夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖透鏡體(唐永忠等，2018)。這套沙漠相是丹霞地貌造景地層，發(fā)育典型的大型風成交錯層理、大型斜層理；粒度均勻，分選好，以中—細砂、極細砂組分為主，缺乏粉砂—黏土顆粒組分；砂巖呈顆粒接觸，缺乏膠結(jié)物，且?guī)r石結(jié)構(gòu)疏松，孔隙大；石英顆粒磨圓度好，表面發(fā)育碟形和新月形坑、溶蝕坑、硅質(zhì)薄膜等風成砂顆粒具有的獨特表面特征(趙雪等，2016)。區(qū)域上洛河組顯著特征上部黃土覆蓋，局部沿溝谷、河谷兩壁基巖出露，構(gòu)成了獨特的溝谷型丹霞地貌(吳昊等，2018)，一般厚度71～348 m(陜西省地質(zhì)調(diào)查院，2017)，永寧山洛河組出露視厚度大于120 m。

3.2 巖石特征

洛河組主要巖石組合有：粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等。泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，多呈透鏡體產(chǎn)出，常見于沙漠湖沉積。砂巖類型主要有長石砂巖、石英長石砂巖、長石砂巖、巖屑長石砂巖、鈣質(zhì)巖屑長石砂巖、長石雜砂巖等。粉砂巖為巖屑長石粉砂巖、鈣質(zhì)含砂屑長石粉砂巖、泥質(zhì)巖屑長石粉砂巖、黑云母長石粉砂巖等。泥質(zhì)巖常見泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等。

圖2 志丹縣永寧山丹霞洛河組砂巖巖石薄片偏光顯微鏡單偏光(a)及正交偏(b)光照片 礦物縮寫：Qtz—石英；Kfs—鉀長石；Pl—斜長石

洛河組風成沙漠相砂巖，巖性為一套紫紅、灰紅色細—中粗粒長石砂巖、石英砂巖、巖屑長石石英砂巖等，具細?！至Ｉ盃罱Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。主要礦物成分為石英(35%～40%)、斜長石(15%～20%)、鉀長石(10%～20%)、巖屑(20%～25%)等。次圓狀，分選中等，碎屑比較破碎，黑云母呈彎曲狀、扭折狀，顯示壓實作用較強。膠結(jié)物為硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏等，有兩個世代，早期為鐵質(zhì)、硅質(zhì)，后期為鈣質(zhì)、石膏。石膏充填在碎屑粒間呈連生膠結(jié)，為成巖晚期形成。巖石支撐類型為顆粒支撐，顆粒接觸性質(zhì)為點線式接觸，膠結(jié)類型為孔隙式、連生膠結(jié)。鐵泥質(zhì)薄層、黑云母析出鐵質(zhì)，金屬礦物氧化形成的赤鐵礦、褐鐵礦。巖石次生變化較強，主要表現(xiàn)為斜長石的絹云母化、泥化。壓實作用較強，碎屑多呈碎裂狀、彎曲狀。壓溶作用較強，石英、斜長石的次生加大邊發(fā)育。重結(jié)晶作用較強，填隙物中的硅質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏等重結(jié)晶形成微粒狀，充填在碎屑粒間呈膠結(jié)物(圖2)。巖石風化作用較強，表現(xiàn)在溶蝕作用較強，部分雜基、膠結(jié)物的淋失較強。砂巖以細粒為主，粒徑0.088～0.250 mm(表1)，分選系數(shù)0.89～1.15，分選性好。巖石抗壓強度一般30.6～47.7 MPa，最大可達52.9 MPa，但由于巖石顆粒支撐結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物含量少等因素，該套砂巖抗風化能力弱。

表1 永寧山洛河組砂巖粒徑統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

3.3 沉積構(gòu)造與巖相特征

研究區(qū)洛河組砂巖中發(fā)育中大型楔狀、板狀斜層理，局部發(fā)育平行層理(圖3)，在51.50 m厚的地層中，共有17組斜層系、1組近水平層系(圖4)。斜層理層厚0.5～9.4 m，紋層傾角多上陡下緩，傾角4°～29°，前積層下部傾角變緩1°～10°，與上下界面一般均呈相切關(guān)系。斜層理傾向多在110°～150°(圖5)，沿走向延伸穩(wěn)定，最長達百米以上，反映沙丘形成時受穩(wěn)定的單向西北風作用。且沉積區(qū)地勢平坦、地下水面平穩(wěn)，與風力沉積、侵蝕作用相結(jié)合，塑造出平直的板狀斜層理。層理產(chǎn)狀相對較穩(wěn)定，產(chǎn)狀變化為145°～210°∠3°～5°，集中于110°～160°∠15°～25°，傾角一般不超過10°，個別傾角可達40°，產(chǎn)狀較穩(wěn)定。層理面較為平整，與下覆地層侵蝕面一致；層內(nèi)紋層構(gòu)造極發(fā)育，呈正粒序。中—大型的楔狀交錯層理的出現(xiàn)，代表著沉積作用期間風向的變化，層理產(chǎn)狀傾向140°～165°，傾角5°～12°，紋層發(fā)育。

圖3 永寧山洛河組層理特征

研究區(qū)局部還可見紫紅色—褐紅色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，發(fā)育近水平層理。上、下層面與風成斜層理相切，上層面不平整，呈曲折狀；下層面較平整。泥質(zhì)粉砂巖中沿水平紋層發(fā)育孔穴，截面呈圓—橢圓狀，直徑0.5～3 cm，最大達5 cm，孔深0.3～3 cm，其成因主要是化學風化、物理風化共同造就的結(jié)果，化學風化主要表現(xiàn)為鹽風化，主要是長石中鈉、鉀、鈣元素的析出，物理風化主要表現(xiàn)為風力侵蝕。

從巖性特征、層理等特征分析，研究區(qū)洛河組主要沉積環(huán)境為半干旱、炎熱氣候條件下的一套沙漠相沙丘亞相、丘間亞相，主要表現(xiàn)為沙丘的推移，沉積砂巖發(fā)育大型板狀、楔狀斜層理，巖石結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)育，是鄂爾多斯盆地重要的含水、保水層位。局部發(fā)育的具水平層理的泥質(zhì)粉砂巖，其沉積相主要為沙漠湖相沉積。

4 巖石地球化學特征

4.1 常量元素

永寧山洛河組砂巖中主量元素Si、Al、Fe、Na、K含量較高，而Ti、P等元素含量較低(表2)。其中SiO2(72.75%～85.66%，平均為81.04%)、Al2O3(6.09%～7.66%，平均為6.76%)、K2O(2.02%～2.53%，平均為2.29%)、Na2O(1.76%～2.37%，平均為2.05%)、Fe2O3(1.45%～4.47%，平均為2.04%)、CaO(0.35%～5.50%，平均為1.61%)。常量元素中，SiO2、Al2O3、CaO、MgO、K2O、TiO2主要來自石英、長石、方解石、白云石、鉀長石、鎂鐵質(zhì)礦物(肖斌，2014)。SiO2含量高代表樣品的成分成熟度高，即搬運距離遠；Al2O3含量較低，指示長石風化分解嚴重；CaO和MgO的質(zhì)量分數(shù)均較低，說明砂巖樣品中碳酸鹽巖的含量很低；CaO值遠遠高于MgO，說明砂巖中礦物含量方解石遠遠高于白云石；K2O/Al2O3介于0.32～0.37，平均為0.34，說明物源區(qū)鉀長石較匱乏(尤麗等，2017)；K2O/Na2O比值是沉積巖中鉀長石、鉀云母總量與斜長石含量的度量，樣品K2O/Na2O介于0.98～1.30，指示鉀長石及含鉀礦物總量，比斜長石及含鈉礦物總量略大(張建軍等，2017)；Al2O3/TiO2含量比介于25.08～47.85，平均值為35.67，代表長英質(zhì)組分在物源區(qū)含量高；CaO、K2O和Na2O成分總量遠大于Al2O3含量，暗示黏土礦物的富集(肖斌，2014)；樣品含少量MnO，推斷有重礦物磷灰石存在。

據(jù)log(SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)圖解(圖6)，橫軸log(SiO2/Al2O3)代表樣品的化學成熟度，縱軸log(Fe2O3/K2O)則表示鎂鐵質(zhì)礦物在風化過程中的穩(wěn)定程度，樣品主要為亞長石砂巖、長石砂巖，少量為石英砂巖，F(xiàn)e2O3/K2O比值變化較大，說明鎂鐵質(zhì)礦物較不穩(wěn)定(Herron，1988)；據(jù)陸源砂巖的log(K2O/Na2O)-log(SiO2/Al2O3)分類圖解(Pettijohn et al.，1972)(圖7)顯示：樣品主要為亞長石砂巖，少量為砂屑砂巖，樣品SiO2/Al2O3比值較大，反映了巖石成熟度較高；據(jù)(Fe2O3+MgO)-Na2O-K2O圖解(Blatt，1967)(圖8)，樣品主要為長石砂巖，少量為雜砂巖和砂屑砂巖。

圖4 永寧山洛河組砂巖柱狀圖

圖5 永寧山洛河組砂巖斜層理傾向玫瑰花圖

Wedepohl(1969)研究指出上地殼石英約占21%、斜長石占41%、鉀長石占21%，長石類礦物在上地殼風化過程中扮演著十分重要的角色，其含量豐富，并與風化作用具有密切關(guān)系。上地殼的風化是一個長石退化伴隨黏土礦物形成的過程，鉀、納、鈣從長石礦物中流失導致硅鋁質(zhì)礦物在風化產(chǎn)物中堆積(楊宗耀等，2019)。

Nesbitt and Young(1982)提出CIA用以衡量巖石風化程度，CIA的平均值可以用于判定物源區(qū)風化水平:若CIA值≤50則代表未風化；若50

表2 永寧山洛河組砂巖主量和微量元素分析數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

圖6 永寧山洛河組砂巖主量元素log(SiO2/Al2O3)-log(Fe2O3/K2O)圖解(據(jù)Herron,1988)

圖7 永寧山洛河組砂巖的log(K2O/Na2O)-log(SiO2/Al2O3)分類圖解(據(jù)Pettijohn et al.，1972)

圖8 永寧山洛河組砂巖((Fe2O3+MgO)-Na2O-K2O)圖解(據(jù)Floyd et al.,1989)

4.2 微量元素

圖9 永寧山洛河組砂巖球粒隕石標準化蜘網(wǎng)圖(標準化數(shù)值據(jù)Boynton，1984)

由稀土微量元素數(shù)據(jù)表(表2)、微量元素配分模式圖(圖9)可知:稀土元素總量(ΣREE)介于51.90×10-6～99.18×10-6，平均值為75.53×10-6。稀土總量約為球粒隕石的稀土元素總量的19.42倍(球粒隕石的稀土總量約等于3.89×10-6)，但遠小于北美頁巖的稀土元素總量(北美頁巖的稀土元素總量約為173.2×10-6)。輕稀土含量(ΣLREE)為42.27×10-6～78.29×10-6，平均值為59.54×10-6，重稀土含量(ΣHREE)為4.03×10-6～7.99×10-6，平均值為6.23×10-6，ΣLREE/ΣHREE值介于8.38～10.51，平均值為9.63，(La/Yb)N值介于1.25～1.51，平均值1.43，以上說明輕稀土元素相對重稀土元素明顯富集，稀土元素分餾不明顯。δEu介于1.26～2.75，平均值為1.79，δEu整體上>1，說明存在Eu正異常；δCe介于0.95～1.08，平均值為1.03，說明Ce存在微弱正異常。

5 砂巖物源探討

Gd/Yb常用于推斷沉積地層相對時代(Taloy and McLennan，1985；McLennan et al.，1993)，10件樣品Gd/Yb均小于2，代表母巖沉積地層的時代處于太古宙之后，強烈的構(gòu)造造山運動使古老的沉積物被帶出。構(gòu)造背景、環(huán)境對洛河組砂巖的物質(zhì)來源、元素的聚集分異等都有控制作用，根據(jù)元素組成可推斷物源區(qū)構(gòu)造背景(王成善和李祥輝,2003)。由洛河組砂巖的Al2O3/SiO2-(Fe2O3總+MgO)判別圖解(圖10)，90%的洛河組樣品落入被動大陸邊緣物源區(qū)域內(nèi)，即經(jīng)歷了長時間的風化、搬運、分選、沉積、成巖，其物源典型的構(gòu)造背景是處于一個相對穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境—被動大陸邊緣(王叢山等，2016)，是在拉張應(yīng)力場下地殼減薄，大幅度沉陷的產(chǎn)物。以生成巨厚的沉積聚集為特征,巖漿活動弱，基本無變形(李祖武，1983)。

圖10 洛河組砂巖(Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO))判別圖解(據(jù)Bhatia,1983)

6 經(jīng)濟社會意義

永寧山丹霞地貌地質(zhì)遺跡與眾多人文、自然景觀相融合，提升了其旅游資源品味，對推動志丹縣旅游業(yè)發(fā)展，對提高志丹縣在國內(nèi)的知名度具有重要意義。雄奇壯美的永寧山丹霞地貌為人們提供了一個具有較高科學品位的度假休閑、科學研究、教育普及等文化娛樂場所，能夠喚起公眾的自然保護意識，提高了對地質(zhì)遺跡資源保護重要性的認識和支持，為今后進一步開展科研、科普教育提供了良好的群眾基礎(chǔ)，對縣域內(nèi)乃至周邊地區(qū)生態(tài)恢復、資源保護和經(jīng)濟社會發(fā)展將起到促進作用。

7 結(jié)論

(1)研究區(qū)白堊系洛河組巖性主要為沙漠相風力作用沉積的一套紫紅、灰紅色細—中粗粒長石砂巖、石英砂巖、巖屑長石石英砂巖，局部夾沙漠湖相沉積的薄—中層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。沙漠相風成砂巖呈顆粒支撐，膠結(jié)類型為孔隙式、連生膠結(jié)，巖石次生變化、壓實作用、壓溶作用、重結(jié)晶作用、風化作用較強，分選性好，巖石抗壓強度較大，但抗風化能力弱等特征。

(2)研究區(qū)洛河組風成砂巖中發(fā)育中大型板狀、楔狀斜層理。在51.50 m厚的地層中，發(fā)育斜層理17組。斜層理傾向在110°～150°，沿走向延伸穩(wěn)定，反映沙丘形成時主要受穩(wěn)定的單向西北風作用。

(3)研究區(qū)洛河組風成砂巖的地球化學巖石類型為亞長石砂巖、長石砂巖和砂屑砂巖，物源區(qū)位于被動大陸邊緣，具有火山、造山運動和巖漿活動微弱的特征。砂巖的成分成熟度高，遭受風化程度很低，古氣候條件屬于干燥、炎熱的環(huán)境。

(4)通過研究探討永寧山一帶洛河組砂巖地質(zhì)特征、古氣候、古環(huán)境變遷與變化，對陜北地區(qū)丹霞地貌成因機理研究，科學保護、合理利用具有重要意義。