西秦岭北缘上新世韩家沟砾岩岩石学特征及物源分析
2021-06-07赵海涛郭进京刘重庆许何弘昕
赵海涛,郭进京,刘重庆,许何弘昕
(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.天津城建大学地质与测绘学院，天津 300384)
习惯上以徽成盆地(亦或宝成铁路)为界将秦岭造山带分为西秦岭和东秦岭2个部分(张国伟等，2004；冯益民等，2003)，二者在大陆岩石圈结构、造山带深部结构及地表地貌特征等方面均有所区别(张国伟等，1995)。其中，西秦岭在中国大陆完成主体拼合过程中，受特提斯-喜马拉雅、古亚洲和滨太平洋等三大构造域相互作用，最终成为东西向中国大陆中央造山系、近南北向川滇-贺兰构造带以及中、新生代以来形成与隆升的青藏高原之间交接转换的关键构造域(张国伟等，2004；裴先治等，2009；郭进京等，2018a；董云鹏等，2019)。包含西秦岭在内的高原东北缘地区受青藏高原形成过程中向外扩展影响强烈，形成自西南向东北海拔高度逐渐降低、构造活动和抬升活跃的地区，被认为是研究青藏高原隆升过程和机制最好的模型(Clark et al.，2000；Tapponnier et al.，2001)。
以往人们对东北缘初始响应印度-欧亚板块碰撞的时间、开始强烈隆升和隆升至现今高度的时间以及过程进行了广泛探讨(李吉均等，1979；Tapponnier et al.，2001；张培震等，2006；Yin et al.，2008；Clark et al.，2010；施炜等，2013；Fang et al.，2019；Harrison et al.，1992；Coleman et al.，1995)。其中，砾岩作为分布局限且对形成环境反应敏感的岩石类型一直备受关注(李吉均等，1996；Zhang et al.，2001；郑德文等，2006；郭进京等，2016；王元元等，2019)，但是此类砾岩的沉积学特征及物源还有待深入研究。
西秦岭北缘漳县韩家沟发育具有磨拉石建造特征的砾岩，其下伏含盐红层的孢粉组合特征，厘定了砾岩大致形成时代为上新世(郭进京等，2017)。与青藏高原周缘其他新生代巨厚砾岩(积石山砾岩、玉门砾岩、大邑砾岩、雅安砾岩)地质意义类似，韩家沟砾岩揭示了西秦岭北缘新生代以来对青藏高原隆升的地质响应(郭进京等，2016)。对底部剖面及漳县地区夷平面的分析，认为韩家沟砾岩代表了西秦岭向北逆冲推覆构造背景下形成的前陆磨拉石盆地沉积，青藏高原东北缘大幅抬升是新近纪末期的地质事件(郭进京等，2017；毕娜等，2017)。但是人们对近500 m厚度砾岩层沉积特征和构造背景尚不清楚。笔者在砾石成分、砾石形态、粒度特征、古流向、物源特征等分析的基础上，探讨了韩家沟砾岩形成的沉积环境和构造背景，为重建西秦岭北缘上新世以来盆-山格局和地壳隆升提供了地质依据。
1 地质背景
漳县盆地位于西秦岭北缘断裂带东段，是渐新世—中新世形成的伸展断陷盆地(图1A)。盆地表现为由4条断层和断层所夹持的不同时代地层块体所组成的构造带，断层自北而南依次为F1、F2、F3和F4(郭进京等，2017)。其中，F2断层为西秦岭北缘活动断层的漳县段(袁道阳等，1999)，F4为漳县含盐红层盆地南边界断层(图1B)。F1和F2断层向南陡倾，其余断层皆向北陡倾。
区内分布下古生界李子园群、鸳鸯镇蛇绿岩、上古生界泥盆系大草滩群、石炭系巴都组和下加岭组、二叠系大关山组和石关组等造山带地层以及白垩系磨沟组、渐新统—中新统含盐盆地红层地层(张二朋等，1992)、上新统韩家沟砾岩等中—新生代红层(郭进京等，2017)(图1B)。其中，李子园群为一套中-浅变质沉积-火山岩-沉积碎屑岩组合(裴先治等，2009)；鸳鸯镇蛇绿岩主要由变质橄榄岩、辉长岩和玄武岩组成(董云鹏等，2007)；大草滩群下部以石英砂岩或石英岩为主，向上过渡为紫红色砂页岩，上部则以黑色、灰绿色砂质页岩夹薄层灰岩为主(陈义兵等，2010)；巴都组由深灰色-浅灰色长石石英砂岩、石英砂岩、钙质岩屑砂岩、粉砂质板岩、粉砂岩夹泥灰岩及少量煤线组成；下加岭组主要为深灰色-褐灰色钙质岩屑砂岩、石英砂岩、钙质粉砂岩、砂屑灰岩夹泥灰岩、粉晶灰岩、碳质板岩组成(郭进京等，2018b)；大关山组和石关组主要为灰岩。新生代地层中，渐新统—中新统主要由灰色湖湘沉积和红色山麓-河流相砂泥岩地层，成岩性较差。
漳县西侧的韩家沟近南北向展布，长约2 500 m，海拔2 000～2 574 m，现今暂时性水流向南汇入近东西向漳河。上新统砾岩在韩家沟出露最为典型，以特征性丹霞地貌与周围其他时代地层地貌区别明显。砾岩零散分布在冲沟两侧，多见单个产出的砖红色山体，胶结致密，剖面上多见水平层理或缓倾斜层理。整体上砾岩岩性垂向变化并不明显，但通过野外观察自下而上仍显示一定规律性：下部棱角状、次棱角状、分选较差的洪积砾岩；中部砾石磨圆变好，中砾和细砾含量有所增加；上部以中-细砾岩和砂砾岩为主。F1断层以北的四点村附近出露上新统砾岩与韩家沟砾岩相比粒度明显减小，再向北岩性逐渐演变为砂砾岩，具有洪积扇远端沉积的特征(郭进京等，2017)。
图1 研究区区域地质简图及韩家沟剖面图(A为大地构造位置图，据冯益民等，2003；B为研究区地质简图，据郭进京等，2017；C为韩家沟剖面图)Fig.1 Regional geological map of the study area and the cross-section of Hanjiagou conglomerates(Fig.1 A geotectonic location map after FENG et al.,2003;Fig.1B regional geological map after GUO et al.,2017 and Fig.1C the cross-section of Hanjiagou conglomerates)
2 砾岩沉积特征及沉积环境
通过野外观测发现，韩家沟地层以洪积砾岩为主，根据沉积构造和岩性特征自下而上可划分为洪积砾岩、河床底砾岩、洪积砾岩、冲积砾岩、洪积砾岩等(图2)。
最下部的中-粗砾岩，砾石呈次棱角状，分选较好，最大粒径为23 cm，基质支撑，砂砾质胶结。沿韩家沟西侧陡壁可见岩石呈块状构造，表面洋葱状剥落，球状风化作用显著。洪积砾岩之上的中砾岩，砾石以次圆状-圆状为主，颗粒支撑，砂质胶结，具有交错层理和冲刷面构造，砾石扁平面定向性较好。
图2 韩家沟砾岩地层柱状图及古流向图Fig.2 Stratigraphic section and paleocurrent of Hanjiagou conglomerates
再向上，出现中-粗砾岩，砾石成分以砂岩和灰岩为主，泥质含量较高，砾石呈棱角或次棱角状，分选较好，砂砾质胶结，杂基支撑，宏观上层理不明显。在此之上出现冲积扇成因的中-粗砾岩，砾石分选较好，扁平面具有良好的定向性，局部见含砾粗砂和泥质粉砂岩透镜体。最上部露头发现中细砾岩，呈杂乱堆积，无可辨别的层理和层面构造，显示洪积砾岩的特征。
总的来看，韩家沟砾岩自下而上岩石粒度具有粗-细-粗-细的特征。根据砾岩结构及砾石扁平面定向性，本区韩家沟砾岩垂向上反映了洪积-冲击-洪积-冲击-洪积的沉积环境。
3 砾石统计分析
在韩家沟从低到高选取9处岩性发生明显变化的观测点(图3)，形成一条由南向北的地质剖面(图1C)。在观测点露头上画若干条横线，统计每条横线所切砾石长轴和短轴长度、砾石上横线的长度，磨圆度、成分、砾石扁平面产状，露头上所含透镜体长轴和短轴长度、长轴所在平面产状、地层产状。砾石长轴和短轴长度利用三角尺进行测量，仅统计粒径大于1 cm的砾石，精确到0.1 cm。按长轴大小将砾石分为为细砾(D≤6.4 cm)、中砾(6.4
3.1 砾石含量
以所切砾石线长与线段总长之比表示砾石含量占比(图4A)。不同观测点砾石含量整体上表现出2个旋回，自点2～点6、点7～点9，砾石含量持续减少。基质含量与砾石含量呈此消彼长关系，即从点2～点6，及点7～点9基质含量增加，意味着出现2次堆积速率加快过程，可能代表了物源逐渐靠近或是地形高差变大的沉积过程。基质含量可用于判别流态成因：大于35%为碎屑流，15%～35%为洪流，小于15%为牵引流(于兴河等，2018)。由于本次只统计了粒径大于1cm的砾石，因此实际基质含量要比图3A显示数据要高。虽没有获得确切数值，但相对大小仍然能够从一定程度上定性地揭示流态成因。观测点2和点7的基质含量最少，其流态成因更偏向于牵引流；观测点8和点9的基质含量最高，其流态成因更偏向于碎屑流。
3.2 砾石成分
统计表明，各观测点砾石成分包括石英岩、长石砂岩、长石石英砂岩、灰岩和斑状花岗岩、花岗闪长岩或闪长玢岩，将它们合并为砂岩、花岗岩、灰岩、石英岩等4个岩性类。其中，砂岩和灰岩砾石占砾石总量的96.5%，其次为花岗岩，石英岩占比最少，不同观测点砾石成分相差悬殊(图4B)。
图3 韩家沟砾岩各观测点野外照片Fig.3 Field photos of Hanjiagou conglomerates
图4 韩家沟砾岩各观测点砾石特征统计图Fig.4 Statistical chart of gravel characteristics of Hanjiagou conglomerates
砂岩砾石主要分布在点1、点2、点5、点6和点9，含量60%～91%；灰岩砾石主要出现在点3、点4、点7和点8，含量58%～91%；花岗岩主要出露于点1、点2和点5，含量8%～13%；石英岩在点2、点3和点4之外的其他统计点零星出露，含量均在1%左右。砂岩砾石含量呈现出降低(点1～点3)、增加(点3～点5)、再降低(点5～点8)、再增加(点8～点9)的趋势，而灰岩砾石含量的变化则与其相反。这种灰岩和砂岩此消彼长的旋回性变化反映了砾岩形成过程中气候变化、地形抬升与侵蚀等周期性变化导致的水动力条件和物源区规律性变化。
3.3 粒径
各测点砾石统计显示中砾含量在5%～31%变动(图4C)，细砾含量最多，最少的也占到69%(测点7)，最多可达95%(测点1)。粒径是反映水动力条件最直观的指标，二者具有正相关性，而水动力主要与坡度有关，统计数据说明不同时期各观测点坡度一直在发生变动。此外，相同搬运距离条件下，粒径与砾石母岩岩性关系较为密切。有研究显示石英岩耐磨性最强，长石和花岗岩相对减弱，石灰岩磨损最大，搬运1 km可损失2.4%～5%的重量(何开华，1988)。观测点7灰岩砾石含量最高(90%)，但细砾含量最少，中砾含量最多(高达31%)，结合28.6 km的搬运距离(图4F)，这种粒径分布可能揭示了更为强烈的构造运动引起的较大地貌高差(李冰晶等，2019)或更为湿润的气候条件(于秋莲等，2010)。因粒径粗细程度，还受气候干湿变化的影响，粒径较细，往往反映更为干燥的古气候特征(于秋莲等，2010)。研究区9个观测点总体上以细砾为主，砾径较小的沉积层可能代表了更为干旱的气候条件，这与下伏砂岩地层中石英颗粒表面特征所揭示出的沙漠相环境(郭进京等，2015)，及下伏湖相含蒸发岩地层(郭进京等，2017)所表明的气候条件是一致的。即自晚白垩世开始，该区总体上处于干旱炎热的气候环境。
对9个观测点砾石长轴长度数据进行粒径φ值概率分布及概率累积曲线分析(图5、图6)，并计算中值粒径、均值MZ、标准偏差σ1、偏度SK1和峰度KG等5 个反映砾石分布和分选的统计量(表1)。
砾石a 轴粒径的频数分布柱状图(图5)表明，粒径在-7.5～-3均有分布，粒径跨度大。频数曲线基本服从正态分布特征，峰值分布范围较宽且靠近较小粒径一端。除观测点7呈洪流双峰特征外，其他点均显示牵引流的单峰特征(于兴河等，2018)，峰值介于-4和-5。不同区域最大峰值对应粒径相差约1倍，反映沉积动力环境差异较小(安庆等，2017)。频数分布柱状图整体特征指示了砾石未经历长距离搬运(陈留勤等，2013)。纵向上，表现为自下而上多个层系砾岩层砾石组成反韵律(图2)，反映随着青藏高原北东向扩展，西秦岭快速隆起，物源供给充足，沉积物不断进积的相带变化特征。
一般而言，河成砾岩粒度标准偏差(σ1)介于0.50～0.71，介于1～2的为冲积扇成因，冰碛砾岩为2～4。对于偏度(SK1)来说，时负时正不稳定为冰碛砾石沉积；大于0时为流水作用形成，当大于0且较小时(一般小于0.3)为正偏度，是稳定流水成因；当大于0.3时为极正偏度，可能指示砾石为冲积层。峰态(KG)曲线较为宽缓(一般小于1)时为冰碛砾石沉积；窄峰曲线(一般大于1)时为流水沉积，且越大峰态就越尖锐，指示流水作用强。一般河流沉积物的KG在1.26～1.52，洪积层为1.01(陈留勤等，2013)。
韩家沟各统计点砾石粒度参数(表1)表明，除统计点1的标准偏差(σ1)为0.69，属于分选较好的河流成因范畴，其余统计点的标准偏差介于0.81～0.95，表明其分选介于稳定河流和冲积扇之间；偏度(SK1)负偏居多同样表明粒径分布中主要粒度集中在细粒部分。峰态(KG)为0.90～1.73，以尖峰为主，偶有宽峰及非常尖峰，指示水动力条件不稳定，与流水和冲积的KG曲线形态相似，同样指示稳定流水和冲积成因。中值粒径和平均粒径的数据显示只有观测点2的平均粒径与中值粒径相等，而测点4的平均粒径小于中值粒径，其余7个测点的平均粒径都大于中值粒径，表明峰值靠近粒径较小的砾石，粒径较小的砾石百分含量大于较大砾石的含量。
综合砾石的砾径分布特征、a轴砾径频数曲线图及偏差(σ1)、偏度(SK1)和峰态(KG)等参数特征分析，砾岩层中砾石砾径较小的含量较多且没有经受长距离搬运(磨圆不好)，成因上属于以冲积为主的强流水作用。砾径偏向细砾，可以由气候因素或构造因素所致。构造成因方面，认为在构造稳定期，源区地势较低，物理风化较弱，碎屑产率较低，河流搬运作用弱，前陆地区主要接受泥岩、粉砂岩等细粒沉积；而在构造活跃阶段，随着基岩山地隆升，地势增高，河流搬运动力增大，侵蚀作用随之增强，前陆地区沉积地层岩性将显著变粗(吕红华等，2010；李冰晶等，2019)；气候成因方面，认为湿润气候下易形成粗粒沉积物，干燥条件下易形成细粒沉积物(于秋莲等，2010)。该区上新世地层虽然粒径偏细，但均为砾岩，无砂级或更细粒径碎屑物质，并非构造稳定期的沉积物，而构造活跃时期干燥气候条件下的强烈风化更易形成这种以细砾为主的巨厚砾岩层。
图5 韩家沟各测点砾石长轴φ值概率分布直方图Fig.5 Probability distribution histogram of long axis of Hanjiagou conglomerates gravel
表1 砾石长轴长度φ值分布统计表Tab.1 Distribution statistics of gravel long axis length
图6 韩家沟各测点砾石长轴φ值概率累积曲线图Fig.6 Probability cumulative curves of long axis of gravel in Hanjiagou conglomerates
传统粒度概率累计曲线是反映沉积物搬运方式最被人们认可的方法(于兴河等，2018)。韩家沟砾岩不同观测点砾石长轴概率累积曲线显示，整体上砾岩分选较差，曲线斜率都较小(图6)。颗粒以跳跃搬运组和细粒悬浮搬运组分为主，呈两段式截点明显，表现为洪积砾岩曲线特征(于兴河等，2018)，且悬浮组分φ值均为-3左右，处于重力流中悬浮组分的最粗端元，充分体现了冲积扇砾岩以粗粒沉积为主的特征。需要特别指出的是，图中这些样品的粒度都属于粗粒，主要是因为只统计了粒径大于1cm的砾石，更细的砾石颗粒难以进行统计，因此未在结果中列出。
3.4 砾态
研究区各观测点磨圆特征为棱角状砾石占15%，次棱角状占47%，次圆状27%，圆状砾石仅为10%，可见整体磨圆较差，主要是近源碎屑物质快速堆积的产物(图4D)。同时，不同地点也存在差异性：观测点1磨圆最差，以棱角状和次棱角状为主，各占45%，次圆状砾石占10%，无圆状砾石，表现为典型洪积物近源快速堆积的特征。观测点3的砾石磨圆最好，圆状砾石占28%，次圆状砾石占36%，为较远距离河道牵引流沉积。观测点3～点7，磨圆逐渐变差，继而又逐渐变好。自下而上，砾石磨圆表现出磨圆最差→磨圆最好→磨圆较差→磨圆较好的规律性变化，表现出自下而上洪积砾岩与冲积砾岩交替主导，物源远近更替的分布特征。
砾岩的磨圆度是砾岩搬运距离、形成的水动力条件和砾岩成因类型等主要判别标志。较差磨圆意味着砾石没有发生远距离搬运，较弱的水动力条件或源区基岩更弱的抗侵蚀能力。结合韩家沟各统计点磨圆柱状图(图4D)、圆度状图(图4E)、砾石岩性柱状图(图4B)及物源距离柱状图(图4F)和由概率密度直方图及分选系数、标准偏差所反映出的砾石分选性揭示的并不悬殊的水动力条件可知，岩性、水动力条件、搬运距离这些因素中没有哪项对砾石的磨圆起到主导作用，而是表现出这些因素共同作用的结果。
4 物源分析
4.1 搬运距离估算
砾岩主要分布在盆地边缘，并指示了物源区的存在。估算砾石搬运距离可间接反映沉积物源区的远近变化。依据韩家沟砾岩沉积相类型、主要砾径范围及砾石成分变化，对各统计点砾石的沉积搬运距离进行了定量估算。
估算公式采用祁连山北麓昌马洪积扇研究建立的冲积扇沉积中砾石直径与搬运距离关系式(万静萍等，1989)：
H=69.7-26.3 lnG
式中：H为搬运距离(km)；G为平均砾石直径(cm)。
通过计算，研究区9个统计点物源距离分布在28.6～42.7 km(图4F)。
4.2 物源方向
通过测量各观测点砾石扁平ab面产状发现，5个观测点砾石具有定向排列的特征，在每个观测点选取不少于20 颗扁平砾石进行测量。由于后期构造运动的影响，砾岩层发生了倾斜，需要将扁平面产状校正到原始沉积状态，绘制倾向玫瑰花图(图2)。可以看出韩家沟不同层位古水流方向大多从南向北，只有最顶部观测点的水流是从南西西向北东东方向流动，可能为水道迁移造成的小范围水流方向变化。单个统计点古流向的偏差并不影响全区古水流分布模式的判断和分析(黎兵等，2007)。
4.3 物源区分析
扁平砾石定向排列指示了其向北的流向，主要为受控于出口在岷县东部向北流的河流，物源主要为30～50 km外南部及西南部山区。韩家沟砾岩成分以砂岩和灰岩为主，其次为花岗岩和石英岩，从侧面也反映了物源区的岩石类型。在韩家沟南部地区，大草滩群和西汉水群均发育碎屑岩沉积。其中，大草滩群主要为粗碎屑，而西汉水群则以细碎屑和含海相生物化石的灰岩为主。此外，韩家沟砾岩中的砂岩与野外观测到的大草滩群砂岩特征十分相似，综合判断砾岩中的砂岩砾石主要来自大草滩群。南部搬运距离范围内岩石类型为灰岩的主要为二叠系大关山组和石关组，结合砾岩中深灰色灰岩砾石及结晶程度，判断灰岩砾石来源于大关山组。花岗岩-花岗闪长岩砾石主要出现在第1、2和5统计点，可能来自漳县以南40～80 km范围内出露的教场坝-碌础坝花岗闪长岩-二长花岗岩侵入序列，指示上新世以来西秦岭腹地快速隆升剥蚀过程中，这几个时间段内水道的改变使得部分花岗岩碎屑物搬运到韩家沟地区，或物源区的削顶过程。
5 砾岩成因分析
韩家沟砾岩沉积受近东西向西秦岭北缘断层控制，发育在渐新统—中新统伸展断陷盆地之中(郭进京等，2017)。上新世以来，随着青藏高原隆升向西秦岭北缘扩展，区域构造运动活跃，漳县南部地区强烈抬升，整体干旱气候条件下源区形成大量碎屑物，漳县盆地性质也由断陷盆地反转为前陆盆地。由南向北的河流搬运的碎屑物质沉积在盆地边缘，形成一套近-中源间歇性河流冲积及洪积为主的陆相冲积扇沉积体系(退积)，并伴有短时、局部的稳定河流沉积。韩家沟砾岩整体上处于扇根中-前部，大多数层位砾石源于单一物源区，主要体现在以下几个方面。
(1)岩间可见植物化石，表明该套砾岩为陆相沉积环境。
(2)砾石粒径偏细，分选较好，缺乏洪积扇扇根巨砾的分布及极差分选，发育巨厚的筛状沉积，故其环境应为扇根，但较为靠前。
(3)多层位砾岩在沉积特征上表现为砾岩层夹透镜状粗砂岩层，砾石磨圆度较好，且标准偏差(σ1)、偏度(SK1)、峰态(KG)特征及各轴砾径的分选系数等综合指示砾岩层为冲积成因，且沉积过程中水动力条件不稳定。
(4)统计点3砾石以次圆状和圆状为主，具交错层理及冲刷面，扁平砾石定向好，表现出稳定河流沉积特征。
(5)砾岩中透镜体常见，但规模小，厚度薄，应为邻近扇中的辫状河道沉积。
(6)砾石长轴φ值概率分布直方图显示除统计点7为双峰外，其他层位都以尖峰为主的单峰，表明主体物源较为单一。
(7)纵向上，表现为自下而上多个层系的砾岩层砾石组成正韵律，表明扇体退积发育，物源供给减少。
(8)底部的砾岩砾石大小混杂，磨圆分选极差，向上砾径缓慢减小，砾石整体磨圆度以棱角-次棱角为主，整体上为冲-洪积相，典型的近源快速堆积陆内前陆磨拉石沉积特征，说明了这套砾岩形成的构造背景为逆冲挤压所致。
6 结论
(1) 韩家沟砾岩砾石以细砾为主，其次是中砾；砾石(>1 cm)含量自35%～76%不等，垂向上出现2次堆积速率加快过程；砾石成分主要为砂岩和石灰岩，其次是花岗岩；砾石磨圆是由搬运距离、岩性及水动力条件共同作用的结果，并不受单一因素主。
(2) 洪积砾岩与冲积砾岩交替出现，表现为垂向上洪积砾岩、冲积砾岩、冲洪积砾岩、洪积砾岩不同岩性段相叠置，粒径呈现反旋回，揭示了扇体的进积发育。
(3) 经验公式计算表明，砾石搬运距离为28.6～42.7 km，具有砾石定向排列的观测点砾石扁平面产状显示自南向北的古水流方向；韩家沟砾岩中砂岩的砂岩砾石主要来自大草滩群，灰岩砾石来源于大关山组。花岗岩-花岗闪长岩砾石可能来自漳县以南40～80 km范围内出露的教场坝-碌础坝花岗闪长岩-二长花岗岩侵入序列。
(4) 韩家沟砾岩形成背景主要归结为青藏高原隆升向北东向扩展。漳县盆地由渐新世—中新世的伸展断陷盆地反转为前陆盆地，南部褶皱冲断带强烈抬升提供的大量碎屑物在造山带前缘形成冲积扇为主的沉积体系。
