风成沉积是风在干— 湿气候旋回控制下, 在相对持续沉降的古地理背景和古潜水面变化相互作用下的直接和(或)间接产物, 是干旱缺雨、植被稀少、风成作用持久强烈等特殊环境下的地质记录, 与干旱气候密切相关。纵观全球, 晚侏罗世干旱气候条件与风的共同作用导致全球多个大陆都普遍沉积有晚侏罗世风成砂与河流— 干旱湖泊的沉积物组合(许欢等, 2013; Rodrí guez-Ló pez et al., 2014)。

中国西北干旱沉积的时代可上溯到晚侏罗世初期(李孝泽和董光荣, 2006; 戴霜等, 2013)。伴随古气候升温趋干, 西北地区晚中生代逐渐形成了广泛的热带— 亚热带干旱气候, 多地出现荒漠化沉积(邓胜徽等, 2017)。近年来, 学者针对国内中生代风成砂进行了大量研究: 江新胜等(2003)报道的藏南上三叠统德日荣组的海岸风成沙丘沉积的形成时代最早, 而研究最为详尽的则属西部塔里木(梅冥相等, 2004; 江新胜等, 2009)、准噶尔(邓远等, 2015)、鄂尔多斯(李志德等, 2004; 庞军刚等, 2011)等中生代陆相盆地的白垩系风成砂。李孝泽等(1999)通过对鄂尔多斯白垩系志丹群沙丘岩的研究认为, 可能存在一个面积巨大的古鄂尔多斯沙海。董光荣等(1995)根据古风成砂和风成岩的时空分布, 论证了在晚白垩世中国大陆存在1条断续横贯西北— 东南的宽阔红色沙漠带。

柴达木盆地地处中国气候系统聚变交汇区, 盆地中生界沉积记录对于中国西北地区乃至全球中生代古气候和古环境变化反应灵敏(胡俊杰等, 2017)。文中报道的旺尕秀晚侏罗世— 早白垩世风成砂, 是柴达木盆地中生界内首次发现的风成沉积组合, 它的发现对于区域地层对比以及西北地区晚中生代古气候和古环境研究具有重要意义。

研究剖面位于柴达木盆地北缘旺尕秀地区(图1)。剖面由下至上出露中侏罗统大煤沟组6-7段、采石岭组及上侏罗统红水沟组(图2; I段)。其中大煤沟组6-7段以发育黑灰色碳质泥岩夹棕黄色、灰白色砂岩和煤线为主; 采石岭组为一套棕黄色含砾粗砂岩和紫红色泥质粉砂岩组成的杂色层; 上侏罗统红水沟组以大套紫红色粉砂质泥岩夹灰绿色条带状、团块状细砂岩为主要特征。各组地层岩石特征均可与盆地侏罗系标准剖面(大煤沟剖面)进行良好对比。

图1

Fig.1

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	图1 柴达木盆地旺尕秀地区地质简图和研究剖面露头位置Fig.1 Outcrops location of study section and geological sketch map of Wanggaxiu area, Qaidam Basin

图2

Fig.2

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	图2 柴达木盆地旺尕秀地区剖面综合柱状图(剖面位置见图1)Fig.2 Comprehensive column of the study section in Wanggaxiu area, Qaidam Basin(section location in Fig.1)

本次发现的风成沉积位于红水沟组上部的上侏罗统— 下白垩统(图1, 图2; Ⅱ 、Ⅲ 段), 地层整体与下伏红水沟组产状一致, 与上覆第四系呈角度不整合接触。风成沉积组合底部为1套细砾、粗砂岩段, 砂砾岩互层内具有正粒序结构, 层间为冲刷面接触; 地层向上过渡为大套棕黄— 土黄色巨厚中— 粗砂岩层, 广泛发育大型、巨型交错层理。交错层理倾向稳定, 倾角极高, 向下变小并与下界面相切。单个交错层理厚度自下而上变小, 纹层呈舌状与下界面接触, 由均匀的细— 中粒砂组成, 具有典型的风成沙丘沉积基本特征; 地层顶部为1套杂色、紫红色泥岩、泥质粉砂岩层。

在大煤沟侏罗系标准剖面中, 上侏罗统红水沟组以角度不整合与上覆路乐河组接触, 地层出露并不完整, 因此这套旺尕秀风成沉积的地层归属尚待厘定。在实际踏勘中, 笔者分别在旺尕秀地区Ⅱ 、Ⅲ 两处露头观察到风成砂沉积(图1)。其中, 露头Ⅱ 的风成沉积层系与红水沟组相连续, 露头Ⅲ 则与石炭系山体呈不整合接触。通过对比, 2处地层具有相同的岩石特征和风成沉积构造样式, 可以确定为同一套地层。然而在 1︰20 地质图中, 二者分别归属为上侏罗统红水沟组和白垩系犬牙沟群。目前由于该区域缺少详实的生物地层资料和地层年龄数据, 该地层时代仍然悬而未决, 文中暂将该套风成沉积组合定为晚侏罗世— 早白垩世沉积。由于旺尕秀风成砂地层出露厚度较大, 通过踏勘粗略估计为1~2 km。本次研究选择在德令哈至都兰国道旺尕秀煤矿东南约10 km的山沟内(坐标:N36° 54'48.1″, E97° 41'50.9″), 河流水系冲刷切割较好的露头进行风成砂沉积地层实测研究(图1, Ⅲ 段), 实测段地层真厚度81.6 m(图3), 对风成砂沉积地层结构和构造特征开展了详细描述。

图3

Fig.3

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	图3 柴达木盆地旺尕秀地区剖面Ⅲ 段岩石类型及沉积构造特征(剖面位置见图1)Fig.3 Rock types and sedimentary structures of member Ⅲ of the study section in Wanggaxiu area, Qaidam Basin(section loction in Fig.1)

旺尕秀风成沉积为棕黄— 土黄色厚、巨厚细— 中砂岩夹粉砂、粗砂岩(图3), 仅含少量细砾, 基本全由层状砂岩组成, 具有较高的结构和成分成熟度。从采剖面样品中随机选择4件在中海油实验中心渤海实验中心(天津)进行了激光粒度实验, 并采用常用标准(成都地质学院陕北队, 1978)对数据进行处理分析, 粒度参数见表1。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 柴达木盆地旺尕秀地区风成沉积砂岩样品粒度参数(采样位置见图2) Table1 Grain size parameters of eolian sandstone samples from Wanggaxiu area, Qaidam Basin(sampling locations in Fig.2) 样品编号 粒级含量/% < 2.0 μ m 2.0~3.9 μ m 3.9~7.8 μ m 7.8~15.7 μ m 15.7~31.5 μ m 31.5~63 μ m 63~125 μ m FCS-16 0.85 1.19 2.25 1.28 3.82 4.18 14.57 FCS-27 1.96 2.25 4.87 2.65 7.46 9.44 19.67 FCS-68 2.06 2.10 3.81 2.26 7.34 6.76 17.06 FCS-91 0.37 0.92 4.99 1.96 6.33 4.42 17.73 样品编号 粒级含量/% 分布参数 125~250 μ m 250~500 μ m > 500 μ m Mz/ϕ δ 1 Sk1 KL FCS-16 32.29 25.38 14.19 2.120 1.530 0.192 1.451 FCS-27 30.56 19.78 1.36 3.125 1.772 0.400 1.065 FCS-68 38.68 19.83 0.10 3.018 1.678 0.502 1.268 FCS-91 45.49 17.78 0.01 2.882 1.481 0.516 1.626 注: 样品名的后2位数字代表样品所在剖面地层的层号。

表1 柴达木盆地旺尕秀地区风成沉积砂岩样品粒度参数(采样位置见图2) Table1 Grain size parameters of eolian sandstone samples from Wanggaxiu area, Qaidam Basin(sampling locations in Fig.2)

结果表明, 样品粒度平均值(Mz)多数介于2~3 Φ (细砂)之间, 说明旺尕秀的风成沉积以细砂岩为主; 标准偏差(δ ₁)介于1.481~1.772之间, 平均为1.615, 说明样品的分选性中等; 偏度(Sk₁)可判别粒度分布特征的对称性, 并表明平均数与中值数的相对位置: 大于0.3指示极正偏, 0.1~0.3表示正偏, -0.1~+0.1显示近对称, -0.3~-0.1则说明负偏, -1~-0.3表现为极负偏。旺尕秀样品偏度(Sk₁)介于0.192~0.516之间(平均0.403), 说明样品全部具有正偏特征; 峰态(K_L)用于衡量分布曲线的峰凸程度, 峰态为正值时, 是窄峰态; 负值时, 为宽峰态。旺尕秀样品峰态(K_L)介于1.065~1.626之间, 平均为1.353, 说明所有样品属窄峰态分布。

前人统计认为(成都地质学院陕北队, 1978), 风成环境沙丘的粒度参数具有分选好, 偏度大部分小于1, 缺粗尾, 中位数大部分在0.15~0.35 mm之间, 呈单众数的粒度分布, 垂直层序变化小等特征。更有学者对不同沉积环境细粒沉积物的粒度分布特征及其差异进行了系统研究, 从而提出了风成、水成沉积物成因类型的判别依据(陈冬梅和穆桂金, 2004; 殷志强等, 2009)。表2中所列湖泊、河流与风成砂的数据均来源于现代干旱地区相应典型沉积环境的沉积物(陈冬梅和穆桂金, 2004)。通过对比可以看出, 本次研究的柴达木盆地旺尕秀地区砂岩的粒度分布特征不同于河流和湖泊沉积, 而与风成砂沉积基本一致。尤其表现在文中样品的粒度平均值更为集中, 粗粒牵引组分与粉沙级悬移组分含量较少。上述粒度参数与前人文献描述的多数风成砂判别标准相吻合, 因此可以说明研究样品应为风成沙丘沉积。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 不同沉积环境的沉积物粒度参数(据陈冬梅和穆桂金, 2004; 有修改) Table2 Grain size parameters of sediments from different depositional environments(modified from Chen and Mu, 2004) 环境 参数 湖泊 河流 风成砂 本次研究样品 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 Mz/ϕ 7.80 3.91 6.75 7.58 -0.45 4.19 4.65 2.15 2.78 3.13 2.12 2.79 δ 1 3.21 1.29 1.93 2.84 1.67 2.20 1.33 0.52 0.77 1.77 1.48 1.61 Sk1 0.47 -0.32 0.07 0.62 -0.19 0.34 0.26 0.00 0.11 0.52 0.19 0.23 KL 1.99 0.85 1.10 1.75 0.62 1.04 1.32 0.95 1.05 1.63 1.07 1.36

表2 不同沉积环境的沉积物粒度参数(据陈冬梅和穆桂金, 2004; 有修改) Table2 Grain size parameters of sediments from different depositional environments(modified from Chen and Mu, 2004)

风成沉积中, 由于沉积介质的低缓冲作用、颗粒运动的高速度以及强烈频繁的温、湿度和pH值的变化, 形成了高机械能和高化学能环境, 所造成的颗粒表面特征具有典型环境意义(陈清华等, 2008)。风成砂的颗粒形态与圆度是多种多样的, 粒脊从次棱到圆。块状颗粒脊不平滑, 而圆形或椭圆形颗粒则呈平滑的粒脊。小的颗粒通常呈现为“ 水滴形” 或成为具有一长轴的流线型, 是长时期、长距离适应气流搬运的结果, 是风力搬运形成的颗粒形态特征。风成砂的特征标志是撞击痕, 当砂粒随气流搬运时, 颗粒互相撞击使得砂粒表面有很多圆麻点, 有的甚至成为圆形浅坑。圆滑的或者流线型的颗粒具有大量圆麻点是风成砂的最显著特征(王颖和B· 迪纳瑞尔, 1985)。本次研究对采自旺尕秀的样品(FCS-61, FCS-76; 采样位置见图2)进行了扫描电镜下观察, 可以发现石英砂颗粒多呈次圆— 圆状, 颗粒表面常见碟形、新月形、V形撞击坑和贝壳状断口等机械成因结构, 还可以见到溶蚀坑等化学成因结构(图4), 这些都是沙丘砂岩区别与其他环境成因砂岩的重要微观标志(任明达和缪昕, 1984), 因此从石英颗粒表面特征来看, 该套砂岩应为风成成因。

图4

Fig.4

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	图4 柴达木盆地旺尕秀地区剖面Ⅲ 段石英砂颗粒表面特征 A— 颗粒呈圆— 次圆状; B— 碟形撞击坑; C— 贝壳状断口; D— 麻坑; E— 新月型撞击坑; F— V型撞击坑及局部放大, 内部被石英晶体重填; G— 撞击坑被次生硅质覆盖; H— 具长轴流线型颗粒, 可见撞击坑与断口; I— 圆形浅坑Fig.4 Surface features of quartz grains from member Ⅲ of the study section in Wanggaxiu area, Qaidam Basin

前人沉积构造研究(张川波和何元良, 1983; 程守田等, 2000; 陈清华等, 2008)揭示, 古沙漠体系域发育有风成体系、干旱湖泊体系和冲积体系等同期沉积体系: 风成沉积体系由沙丘和沙丘间等沉积组成。

沙丘相以巨型交错层理的风成砂岩为主要特征, 因沙丘移动, 其形态多样, 内部发育不同级别的风蚀界面。沙丘间地带风积与风蚀交替, 可出现风成砂席、水成泥岩及干裂或膏盐沉积。沙丘与沙丘间沉积反复交替构成风成体系垂向沉积层序。冲积体系发育于古沙漠边缘地带, 以季节性冲积扇及辫状河砾质沉积为主, 伴生有风蚀旱谷、砾漠出现。干旱湖泊体系是古沙漠体系域沉积的重要组成部分, 发育于低洼地区, 由杂色泥岩、粉砂岩、泥灰岩、灰岩及膏盐沉积组成, 湖泊体系边缘与风成沉积形成过渡。旺尕秀风成砂地层属于典型的风成— 水成沉积体系。根据沉积地形地貌、岩石特征及沉积构造等差异, 本次研究识别出风成体系、干旱湖泊体系和冲积体系内沙丘、丘间、旱谷及沙漠湖共4种亚相(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 柴达木盆旺尕秀地区剖面风成砂沉积亚相特征(剖面位置见图1, Ⅱ 段, Ⅲ 段)Fig.5 Subfacies characteristics of aeolian subfacies of the study section in Wanggaxiu area, Qaidam Basin (section location in Fig.1, member Ⅱ and member Ⅲ )

4.1 旱谷亚相

旱谷沉积系指沙漠中具有暴洪特征的短暂性/季节性河流沉积, 在层序和岩石学上兼具干旱和水成两方面特征(张川波和何元良, 1983)。在平面上从盆地边缘的冲积扇、旱谷扇向沙漠区演变为旱谷河道、水道, 到沙漠内部逐渐消失, 代之而发育沙丘。在垂向上可与冲积扇、沙丘、丘间沉积交互叠置(陈清华等, 2008)。旺尕秀风成沉积组合底部与上侏罗统红水沟组紫红色泥岩整合接触的砂砾岩段具有旱谷沉积的典型特征: 以粉红色— 肉红色砾岩与灰白色、棕黄色砂岩互层为主, 两者界限清晰且冲刷面发育(图5-A, 5-B)。砂岩具平行层理, 砂粒呈浑圆状和棱角状, 乃未经充分改造、成熟度欠佳的水成砂混有滚圆风成砂形成。砾石以次圆状和次棱角状为主, 分选不好, 排列具有微定向性, 具有砾石渐变为粗砂的递变层理(图6-A, 6-B)。

图6

Fig.6

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	图6 柴达木盆地旺尕秀地区剖面风成砂沉积构造特征 A— 砾石具定向性, 呈正粒序结构; B— 砂岩层具有水平层理; C— 风成沙丘前积层; D— 风成砂亚相内的大型板状交错层理和层间的侵蚀面; E— 槽状交错层理; F— 楔状交错层理; G— 丘间亚相粉砂岩层内发育的虫迹、虫孔; H— 丘间亚相同沉积变形构造Fig.6 Sedimentary structures of aeolian sand of the study section in Wanggaxiu area, Qaidam Basin

水成砾岩切割下伏风成砂岩, 而砂岩又覆于水成砾岩层之上, 指示搬运介质的更替以及介质能量的强弱变化。如此水、风营力不同成因序列的相互交替, 正是沙漠环境中旱谷沉积的特殊组合。

在柴达木盆地旺尕秀地区发现1套晚侏罗世— 早白垩世风成砂沉积, 地层主体为1套棕黄色中砂岩, 由分选、磨圆好的石英砂组成。层内普遍具风成大型高角度板状交错层理, 风成沙丘前积层特征明显; 同时发育牵引褶曲、倒转褶曲等常见的风成沙丘同沉积变形构造。微观结构显示岩石具单众数粒度分布, 几乎不含牵引组分; 扫描电镜下可见风成砂特有的碟形撞击坑和新月形撞击坑, 具有典型风成沉积结构。根据岩性和沉积构造特征共在地层中识别出4种沉积亚相, 其中沙丘亚相以风成大型交错层理为显著特征, 丘间、旱谷和沙漠湖亚相则以水成沉积为主。该套风成砂沉积的存在丰富了柴达木盆地中生代的沉积类型, 为区域地层对比及西北地区晚中生代古气候和古环境研究提供了新的证据和材料。