贺兰山地区三叠纪沉积特征及其地质意义

李 蒙，李文厚,赵红格,任战利,王 星,段玉良

(1.西北大学 地质学系/西北大学 大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069；2.中国地质调查局 青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071)

贺兰山地区中晚三叠世盆地的沉积特征研究是解决鄂尔多斯西北部沉积相空间展布规律的重要内容之一,其沉积特征的改变也是贺兰山地区古气候古地理条件改变的重要反应之一。因此，研究区是研究构造、古地理和气候之间协同演化的理想场所。

贺兰山三叠纪盆地沉积学方面的系统研究相对较少,且主要集中在荒草滩—汝箕沟—二道岭一线。叶连俊通过对贺兰山汝箕沟地区的研究认为，汝箕沟地区为鄂尔多斯盆地西北缘的边缘相沉积[1]。孙国凡和刘景平研究认为，贺兰山晚三叠世盆地为准A型俯冲下的前渊盆地[2]。柯保嘉等对贺兰山汝箕沟地区冲积扇沉积特征进行了详细研究,认为其是高渗流区域的筛积物,砾石沉积粒度具有明显的“双峰式”特征,即砾石支撑、砂质充填[3]。柯保嘉等认为，香池、子沟一带，延长组二段及三段下部主要为碎屑流沉积,为冲积扇的扇根区;三段中上部依次出现扇中辫状河和扇端细粉砂岩沉积;四段沉积粒度下粗上细,总体属于辫状河沉积；五段为半深湖—深湖相,并发现了浊积岩沉积,同时推测贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地二者分立[4]。苏春乾和刘仿韩认为，纸坊组和延长组中段总体为冲积扇扇中相,通过粒度分析反映暴涨暴落的沉积特征,并识别出了冲积扇沉积体系、河流沙漠体系、湖泊体系3大类[5]。魏红红等对汝箕沟地区上三叠统的研究认为,其沉积演化自下而上经历了冲积扇、辫状河、辫状河三角洲以及湖泊相沉积[6]。Ritts等对贺兰山、桌子山一带中—晚三叠纪地层进行了沉积学研究,自下而上区分出了冲积扇、辫状河平原、曲流河、湖泊三角洲和湖泊相沉积体系[7]。

前人关于研究区晚三叠世物源以及沉积构造背景的研究相对较多。通过砾石成分分析、古流向分析、重矿物分析、地球化学分析以及锆石定年分析[6-20],对主体物源来自西部、西北部形成了共识，但盆地东部、南部是否存在物源仍有争议。

贺兰山晚三叠世大地构造背景是沉积演化的主控因素之一,主要有伸展构造背景[4,7-8,18-28]、挤压构造背景[29-32]和走滑拉分背景[33]3种认识。物源和构造背景研究是分析沉积相展布空间规律的重要参考,沉积相的空间展布特点也是对大地构造背景研究的重要佐证。系统研究沉积相的空间演化规律是解决争议问题重要的方法,具有重要的地质意义。

1 区域地质概况

贺兰山地区位于鄂尔多斯地块与阿拉善地块的交接部位,南接走廊过渡带,北部和东部分别为新生代河套盆地与银川地堑,处于古亚洲洋和特提斯两大构造域之间,具有明显的多旋回、多阶段性演化特征。

现今,研究区岩浆岩、变质岩主要为北部古元古界角闪岩相麻粒岩相的高级区域变质岩系,即孔兹岩系[34-39]、研究区南部赵池沟群和黄旗口花岗岩以及部分基性侵入岩[40]。沉积岩系主要为长城系、蓟县系、震旦系至古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系以及侏罗系,且遍布于研究区及周邻区域,以中晚三叠系出露最为广泛(见图1)。相邻阿拉善地块东部斜坡带白垩系之下即为变质岩基底[17-18],阿拉善中部地区白垩系之下存在侏罗系和石炭系,反映了阿拉善东部上古生界被大范围剥蚀。北部河套地区白垩系下统固阳组之下即为太古界古元古界乌拉山群变质岩系结晶基底,缺失上古生界和三叠系地层。银川地堑现今钻遇最老地层为奥陶纪,位于南部吴忠一带(银参2井)。据地震资料推断，银川地堑北部可能存在上古生界,但存在一定程度的剥蚀。

图1 研究区地质特征及野外观察点位置图Fig.1 Geological characteristics of the study area and location of field observation points

贺兰山地区现今的构造形态主要为复向斜构造,大型断裂主要有贺兰山东、西麓正断层、正谊关走滑断层、大水沟—鬼头沟逆断层以及汝箕沟—香棒子沟逆断层。由于贺兰山地区具有显著的多阶段性演化过程,使得断层往往具有多期活动的特征。

2 沉积特征分析

根据现今中晚三叠系地层的出露情况,本文对插旗口—大水沟—荒草滩—汝箕沟—古拉本一线、鬼头沟以及韭菜沟地区的沉积特征进行了详细的观察,在地层接触关系和同层位沉积特征横向对比方面进行了重点分析,并参考了白芨芨沟、香池子沟、水磨沟、哈拉乌沟和香棒子沟一带的地层组合特征。

2.1 石千峰组沉积特征

石千峰组主要分布于大水沟沟口、汝箕沟沟口和鬼头沟沟口一带。鬼头沟地区石千峰组正断层发育,主要为灰绿色中细砂岩与紫红色细粉砂岩、紫红色泥岩互层(见图2),其中部分紫红色细砂岩中夹有灰绿色中细砂岩,二者接触界面具有渐变特征。汝箕沟沟口、荒草滩(西)地区沉积特征与鬼头沟相似,说明石千峰组沉积时的古地理和物源来源较为简单,构造活动较弱。

石千峰组整体表现为一套炎热气候下湖泊相沉积(见图2),不同岩石类型的频繁互层反映了此时气候的频繁改变,雨季旱季的频繁交互导致水动力条件和搬运物质的改变。石千峰组在整个研究区与中三叠统纸坊组呈假整合接触,顶部有明显的侵蚀现象(见图2c，d)。

图2 研究区不同观测点石千峰组沉积特征Fig.2 Sedimentary characteristics of Shiqianfeng Formation at different observation points in the study area

2.2 纸坊组沉积特征

纸坊组主要出露于研究北部磨盘山—西沟一线、南部插旗口—哈拉乌沟一线和研究区东部边缘。乌仁都喜地区纸坊组为灰色含砾粗砂岩,砾石分选较差,发育大量板状交错层理,砂体展布较稳定,河漫滩沉积较发育,表现为曲流河沉积的特征(见图3a，b)。乌仁都喜地区纸坊组与贺兰山其他地区的沉积特征具有显著差异,二者可能分属于不同的沉积体系。韭菜沟地区纸坊组总体为浅红色色调,为辫状河沉积；辫状河底部含有大量暗红色粉砂岩、泥岩砾块(见图3c，d),主要为下伏石千峰组沉积物,这说明了周围石千峰组遭受了明显剥蚀。韭菜沟、西沟纸坊组沉积色调明显区别于磨盘山、汝箕沟地区,从研究区周邻石千峰组普遍剥蚀的特征来看,韭菜沟、西沟一带可能更靠近沉积边界。鬼头沟地区纸坊组总体为灰绿色砂岩,中下部存在暗红色细粉砂岩与灰绿色砂岩互层(见图3e)；相较于石千峰组的频繁互层,其暗红色地层明显减少,且暗红色地层的沉积粒度明显增大,体现了二叠纪、三叠纪之交气候条件由炎热干燥向湿润气候的过渡；沉积粒度的增大也说明了物源供给以及水动力条件的明显增多和增强；该处纸坊组下部表现为辫状河三角洲平原相(见图3f),中上部渐变为辫状河沉积体系。汝箕沟沟口纸坊组为灰绿色砂岩,砂岩中含有粉红色砂泥质包体,包体接触界限不明显,体现了沉积过程中不同物源岩性的混合过程(见图3g，h)。汝箕沟沟口纸坊组与鬼头沟地区总体相似,表现为辫状河沉积特征。荒草滩(西)纸坊组下部为辫状河三角洲平原沉积,分流河道和河漫滩发育(见图3i)；上部同样为辫状河沉积的特征,河道砂体极发育,表现了较强的水动力和充足的物源供给；纸坊组顶部存在明显的冲刷侵蚀现象(见图3j)。插旗口纸坊组整体色调为灰绿色,顶部砂岩中含有大量沙泥包体,表现了河流较强的水动力条件,为辫状河沉积特征；向上则过渡为延长组一段冲积扇沉积体系(见图3k，L)。大水沟地区纸坊组沉积特征与汝箕沟沟口一带比较相似,河道砂体发育,上下叠置,层面凹凸接触(见图3L),亦为辫状河沉积体系，总体沉积相空间分布如图7a所示。

研究区纸坊组总体为中粗粒、细粒砂岩,不同区域岩石色调存在明显差异,西沟、韭菜沟(见图5)主体为浅红色,鬼头沟(见图3b)、汝箕沟沟口(见图4)、大水沟(见图9a)和插旗口(见图7a)主体为灰绿色为主,磨盘山一带、西北部沙巴台色调同样以灰绿色为主。汝箕沟、鬼头沟、韭菜沟纸坊组均含有紫红色泥岩砾块,根据下伏石千峰组的剥蚀情况和主要色调来看,纸坊组沉积过程中存在大量来自石千峰组的沉积物质,研究区东北部主要为浅红色色调亦与此相关。插旗口地区纸坊组上部主要含有灰绿色泥砾,南北不同地区沉积色调的差异及所含砾块的区别可能体现了物源来源的不同。

从沉积特征上来看,纸坊组底部的砂体频繁叠置,凹凸接触以及整个研究区普遍含有泥砾、或砂泥质包体等沉积特征，整体表现为辫状河沉积的特征。纸坊组下部在鬼头沟—荒草滩一线存在辫状河三角洲平原沉积。

2.3 延长组一段沉积特征

延长组一段在整个研究区表现为明显的冲积扇沉积特征,砾石砾径在研究区西北部边缘明显较大,研究区内部及东部则相对较小。

乌仁都喜一带，铜川组表现为紫红色含砾粗砂岩沉积,河道砂体发育,河道砂体之间保存部分漫滩沉积(见图4a),板状交错层理发育(见图4b),为辫状河沉积特征。荒草滩(西)地区延长组一段底部为厚层砾岩,砾石砾径在3～8 cm,较大可达15 cm,向上为中—厚层砾岩与砂岩组成的互层沉积,表现为不同扇体的叠置,其中砂岩中存在平行层理,为扇端上部片流沉积,总体处于扇中、扇端的过渡区,自下而上向扇端转移(见图4c);中上部以含砾砂岩和粗粒砂岩为主,交错层理发育,转变为辫状河沉积。大水沟地区延长组一段整体色调为黄绿色,岩性以含砾粗砂岩为主,变相为扇端沉积的特征(见图3d)。插旗口一带色调亦为黄绿色,砾石砾径主要在2～8 cm,最大可达20 cm,不同扇体叠置关系明显,扇体辫状河水道发育,整体表现为扇中、扇端沉积(见图3L)，总体沉积相空间分布如图7b所示。

图4 研究区不同观测点延长组一段、二段沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of Firstand Second sections of Yanchang Formation at different observation points in the study area

研究区西部延长组一段沉积未出露,但从二段沉积特征来看,一段砾石砾径应更大,更靠近冲积扇的扇根。插旗口、荒草滩、西沟至白芨芨沟一带延长组一段岩性基本相同,底部均为黄绿色厚层砾岩,向上则以砂砾岩、含砾砂岩为主,哈拉乌沟地区主要以砾岩沉积为主,香棒子沟一带砾石层厚度和层数也明显多于研究区东部,表现为沿哈拉乌沟、香棒子沟、插旗口、汝箕沟逐渐减少变细的特征。

2.4 延长组二段沉积特征

延长组二段主体为黄绿色中粒砂岩,夹少量厚层含砾粗砂岩。二道岭地区主要为砾石沉积,主体色调为紫红色,砾石主要成分为砂岩,较大砾石砾径可达30 cm(见图4e),磨圆较好,体现了一定距离的搬运过程,沉积相表现为扇根沉积的特征。该处砾石沉积特征明显区别于研究区其他位置,体现了物源源区空间不一致。鬼头沟地区二段下部主要为黄绿色含砾粗砂岩,大型板状交错层理，河道砂体发育,说明水动力条件很强,呈大型河流沉积特点,为辫状河沉积相(见图4f)。荒草滩(西)延长组二段发育大型辫状河砂体(见图4j),槽状交错层理发育,不同其次砂体紧密叠置,漫滩沉积不发育,表现为很强的水动力条件;荒草滩(东)延长组二段以板状交错层理为主,也发育一定槽状交错层理(见图4h),荒草滩东西两侧均表现为辫状河沉积，总体沉积相空间分布如图7c所示。

2.5 延长组三段沉积特征

延长组三段岩性组合以黄绿色中—粗砂岩夹灰黑—黑色细粉砂岩、砂泥岩为主,自下而上粒度有逐渐变细之趋势。二道岭延长组三段为扇中沉积特征,砾石层与辫状河水道交替沉积；三段砾石相较于二段砾石明显变小,层厚减薄(见图5a),应是由于水动力条件明显减弱或是退积作用造成的。鬼头沟(西)延长组三段砂体同样很发育,呈紧密叠置,砂体横向稳定性较好,不同层位凹凸接触,表现为辫状河三角洲平原相沉积(见图5b);鬼头沟(东)分流河道同样很发育,砂体横向展布稳定,有部分滞留沉积,为辫状河三角洲平原相(见图5c)。汝箕沟地区心滩、河道很发育,砂体上下紧密叠置,亦为明显的辫状河沉积特征(见图5d)。草滩(西)延长组三段下部发育大型板状交错层理,以中—粗粒砂岩为主,为辫状河沉积体系(见图5e);荒草滩(东)延长组三段上部仍以中—粗粒沉积为主,细粉砂岩开始增多,沉积相表现为辫状河三角洲平原相(见图5f)，总体沉积相空间分布如图7d所示。

图5 研究区不同观测点延长组三段、四段沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of Thirdand Foursections of Yanchang Formation at different observation points in the study area

2.6 延长组四段沉积特征

延长组四段整体表现为黄绿色中—厚层细砂岩夹黑色粉砂岩、页岩沉积。二道岭地区延长组四段为黑色页岩夹少量黄绿色薄层细粉砂岩,表现为浅湖—半深湖的沉积特征(见图5g、h)；相较于同地区延长组三段沉积特征来看,该处物源供给减少显著,体现了该地区水系动力条件改变明显。鬼头沟地区延长组四段总体为辫状河三角洲前缘和前三角洲相沉积,该处发现重力流沉积,重力流顶部水下分流河道侵蚀明显；该观察点水下分流河道发育大型板状交错层理,包卷构造(见图5i，j),体现了洪水期分流河道沉积的特征,洪水期河道下切至前三角相沉积,也体现了湖盆水深不大的特点。汝箕沟水下分流河道和大型板状交错层理发育,岩层横向稳定,表现为辫状河三角洲前缘沉积特征(见图5k)。荒草滩延长组四段为中粗粒、中粒砂岩与细粉粒、页岩互层沉积,砂体中发育板状交错层理,层位横向稳定,河道砂体与漫滩沉积均发育(见图5L),总体为辫状河三角洲平原相沉积，总体沉积相空间分布如图7e所示。

图6 研究区不同观测点延长组五段沉积特征Fig.6 Sedimentary characteristics of Fivesectionsof Yanchang Formation at different observation points in the study area

2.7 延长组五段沉积特征

延长组五段整体为灰黑色页岩、粉砂岩与黄绿色、灰绿色细粉砂岩互层。二道岭地区延长组五段下部分流河道与漫滩沉积发育(见图6a),表现为辫状河三角洲平原沉积特征,上部砂体横向展布稳定,发育大量波痕构造(见图6b),表现为滨湖相沉积特征。古拉本延长组五段为灰黑色薄板状粉砂岩与中薄层中细砂岩互层,中厚层砂岩顶部明显发育波痕(见图6c，d),反映了滨湖相沉积的特征。白芨芨沟地区基本为黑色页岩、粉砂岩与中厚层、薄层砂岩互层,与古拉本地区基本相似。汝箕沟延长组五段整体为中厚层中细砂岩与细粉砂岩、页岩互层,发育水下分流河道,岩层厚度较薄,层位横向稳定,表现为前三角洲相沉积特征(见图6e，f)。鬼头沟地区主体为浅湖—半深湖沉积和辫状河三角洲前缘沉积,部分层段水下分流河道发育(见图6g，h),其中存在巨厚单层水下分流河道,同样反映了洪水期沉积的特征。荒草滩延长组五段为薄层页岩、粉砂岩、细砂岩与中厚层中细砂岩互层,总体为浅湖相,局部层位可至半深湖相(见图6i，j)。大水沟地区延长组五段的沉积特征与汝箕沟非常相似,中薄层砂岩与黑色泥岩互层,黑色泥页岩比例更高(见图9k，L),总体为半深湖相沉积，总体沉积相空间分布如图7f所示。

图7 研究区三叠纪沉积演化模式图Fig.7 Triassic sedimentary evolution model in the study area

3 讨 论

研究区石千峰组整体为炎热气候下的湖泊相沉积,频繁的紫红色泥岩、粉砂质泥岩与黄绿色、灰绿色砂岩互层表现了雨季和旱季的频繁交替。纸坊组沉积初期,鬼头沟一带仍然存在紫红色粉砂岩与黄绿色砂岩互层的现象,至纸坊组中后段紫红色砂岩消失,沉积相也由石千峰组湖泊相向辫状河沉积过渡。这段时期岩性组合和沉积相的演变与北部古亚洲洋的闭合时限吻合,研究区北部石千峰组含有的多层火山凝灰岩和上三叠统的缺失也是这次构造事件的客观反映。纸坊组底部普遍含有石千峰组泥砾,结合研究区周邻上古生界的普遍缺失可知,石千峰组及其下覆地层普遍为研究区三叠系提供物源。西沟、韭菜沟一带纸坊组明显区别于研究区其他区域,说明研究区东北物源明显区别于其他地区,并一定程度上控制着研究区东北部及其相邻区域。乌仁都喜纸坊组沉积特征也一定程度上反映了东北部物源的复杂性。

延长组一段与纸坊组之间存在较明显的相变关系,纸坊组顶部也存在冲刷侵蚀现象。延长组一段砾石分析表明，整个研究区可分为南部、西部、西北部、北部和东北部几个区域[7,15,17-18],其中西北部二道岭一带砾石特征明显区别于其他地区。根据前期物源分析的结果[7-20],延长期早期物源具有自西北向东南的搬运方向,因此,二道岭一带物源一定程度上将研究区一分为二,区域相带展布规律也受此影响。乌仁都喜铜川组沉积特征与研究区存在明显区别,同样表现为东北部物源的异源特征。

研究区西部延长组二段、三段仍以冲积扇沉积体系为主,东部二段总体为辫状河沉积体系,三段汝箕沟地区为辫状河沉积,荒草滩(东)、鬼头沟为辫状河三角洲平原沉积,沉积相自西向东为连续相变。延长组四段二道岭一带为辫状河前三角洲沉积,汝箕沟地区为辫状河三角洲前缘沉积;鬼头沟表现为辫状河三角洲前缘与半深湖沉积;荒草滩一带为辫状河三角洲平原沉积。由此可见，延长组四段沉积时,贺兰山地区东西两侧已经没有明显的连续相变关系了,东部荒草滩一带水体最浅,西部二道岭一带水体较深,汝箕沟为二者的过渡区,此时东部或者东北部存在新的物源输送体系,这与文献[18-19]得出的结果一致。延长组五段西部二道岭表现为辫状河三角洲平原沉积,顶部为滨湖相沉积,古拉本地区为滨浅湖相沉积,汝箕沟地区位于三角洲前缘与前三角洲过渡沉积区,荒草滩地区表现为前三角洲沉积的特征,大水沟地区亦为辫状河前三角洲沉积的特征,鬼头沟地区主要为三角洲前缘和前三角洲沉积。由此可见,延长组五段同样不存在自东向西连续相变的情况,此时至少存在古拉本、鬼头沟和汝箕沟3个方向的物源输送体系。

鬼头沟延长组四段、五段洪水期发育的大型河流沉积,体现了该地区为辫状河输送的主要区域之一。延长组四段、五段时期，湖泊面积并不大(见图7),水深最深可达半深湖,研究区西部五段顶部薄层砂岩波痕发育反映总体水深并不大。砂岩层的变薄减少,反映西部物源供给已经大大减少,蚀源区随着剥蚀的递进而逐步后退,古坡度减少带来的水动力条件的减弱应是其主要原因。研究区东部或东北部(荒草滩一带)延长组三段、四段之间存在新的物源输送体系,从沉积学的角度反映了研究区延长期沉积盆地与鄂尔多斯盆地既不完相连,也不完全分离,而是早期完全相连,后期半连通(见图7)。

从中三叠统纸坊组红层的逐渐减少到大型辫状河普遍发育,从延长组一段砾石长距离搬运到鬼头一带暴雨形成的大型分流河道沉积,反映了整个贺兰山地区与乃至华北板块西部古气候条件的快速变化,体现了古亚洲洋闭合产生的区域古地理、古气候的显著改变。贺兰山地区三叠纪沉积演化是研究构造运动、古地理演化、古气候演变协同作用的理想时期和场所。

4 结 论

1) 石千峰组沉积与纸坊组岩性组合的改变和沉积相演化与古亚洲洋闭合在时限上相统一,古亚洲洋闭合产生的古地理、古气候改变是其最重要的主控因素。

2) 纸坊组、延长组沉积特征反映了研究区丰富的物源供给和强烈的水动力条件,反映了此时研究区周边较高的地势落差和充沛的降水。

3) 纸坊组、延长组一段至三段沉积时期，贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地完全连通,延长组四段、五段沉积时期二者呈半连通。