楚雄盆地白垩纪晚期盐湖风成砂微观组构特征研究

汤海磊 ，梁瑞 ，伊海生 ,3，李高杰

（1. 成都理工大学沉积地质研究院, 四川 成都 610059；2. 四川省地质矿产勘查开发局 成都综合岩矿测试中心, 四川 成都 610081；3. 油气藏地质及开发工程重点实验室,四川 成都 610059）

前言

白垩纪是距今较近且持续时间最长的一个温室气候期[1]，干旱、炎热基本笼罩整个特提斯域[2-4]。尤其是内陆地区呈现广阔的沙漠气候环境，以北半球中低纬度大面积的白垩纪沙漠沉积最为典型[5-10]，如信江盆地[10-12]、苏北盆地[13-14]、江汉盆地[15]和四川盆地[16-17]、兰坪-思茅盆地[9,18-20]以及泰国呵叻盆地[5]等地区。上述白垩纪沙漠群均以发育厚层状红色砂岩为特征，而楚雄盆地作为东亚内陆盆地群之一，白垩系广泛发育红色碎屑岩夹蒸发岩的组合，但未有风成沉积的报道。目前而言，前人研究多认为楚雄盆地白垩系归属于河流、滨湖相沉积[21-22]；针对江底河组，前人仅提及其出露的石膏层指示干盐湖相，反映楚雄盆地在白垩纪晚期处于炎热干旱的古气候环境[23-24]。同时，楚雄盆地上白垩统在局部地区发育的大型交错层理、平行层理、同生泥砾等沉积构造，特别是高成熟度砂岩的岩石学特征并没有得到较好的描述和总结，其沉积环境的解释仍显不足。石英颗粒作为一种最常见的造岩矿物，由于较大的硬度和较高的化学稳定性等特点，在搬运和沉积过程中，保存有不同地质营力在石英颗粒表面形成的微形貌特征和组合[25-27]。因此，石英颗粒表面特征常作为识别不同沉积环境的一个重要技术手段。

江底河组发育高成熟度砂岩间夹蒸发岩薄层，石英颗粒具有较为典型的风成作用特征，是研究风成沉积（风成砂）和水成沉积（盐湖）相互作用的理想对象。基于上述科学问题和方法，对楚雄盆地上白垩统江底河组红色厚层状碎屑岩的石英颗粒表面特征进行详细研究，系统分析该套红层形成的古环境条件以及盐湖环境中风成砂的微观特征。同时，探讨了古代风成石英颗粒和现代沙漠石英颗粒之间表面形态特征的差异，建立了沉积环境演化与石英颗粒微形貌特征的模式。

1 地质背景

楚雄盆地位于扬子地台西南边缘，是一个受到后期强烈改造的残留盆地。构造上，楚雄盆地位于扬子克拉通西缘古生代被动大陆边缘过渡壳基底之上，呈狭长状夹于哀牢山造山带和丽江台缘褶皱带之间[28-30]，主体属康滇构造带，是特提斯构造域和滨太平洋构造域的结合部位。盆地北与攀西裂谷系相连，西为特提斯-青藏构造域的三江构造带，北西以红河-哀牢山断裂构造带为界，南与滇西兰坪-思茅盆地相隔[28]（图1A、1B）。中生代以来，在特提斯构造域和滨太平洋构造域多期联合和多次叠加过程中，楚雄盆地所属盆地边界及盆地内不同展布方向的先存基底断裂产生不同的运动特征，控制了其所属地层块分异的复杂构造演化过程[31-32]。

图1 A）东南亚构造简图（据文献[37]修改）；B）楚雄盆地地质图（据20张1∶20万地质图清绘）C）楚雄盆地及邻区白垩系地层与对比（据文献[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])

楚雄盆地广泛出露三叠系、侏罗系、白垩系地层，其中，白垩系地层最为发育，从底置顶依次为下白垩统高峰组、中白垩统普昌河组和马头山组以及上白垩统江底河组和赵家店组[9,18,33-34](图1C)。其中，高峰寺组分布广泛，岩性主要为河流相灰色薄至中厚层状砂岩或粉砂岩，局部为灰色石英砂岩夹红色泥岩，与下伏上侏罗统妥甸组为假整合接触[35]；普昌河组岩性主要为红色泥岩夹泥灰岩、薄层砂岩，局部可见薄层钙结壳沉积，为一套半干旱气候背景下的河-湖相沉积，与下伏高峰寺组整合接触；马头山组主要为一套红色石英砂岩夹砾岩及泥岩，砂岩可见大型板状交错层理，与下伏普昌河组为假整合接触；江底河组与下伏马头山组整合接触，岩性多为杂色泥岩、红色粉砂岩夹石膏，局部可见红色细砂岩，为气候炎热期湖水面积相对缩小背景下的干盐湖沉积。特征化石组有轮藻：Charites sad-leri(Unger)Horn et Rantzieu，Obtusochara lanpingensisZ. Wang et al.；孢粉：Schizaeosporites；叶肢介：Barchygraplasp.。在Trigonioides,Plicatounio两属为主的淡水瓣鳃类动物群占优势外，其中Plicatounioex gr.suzuki一种是仅见于晚白垩世的[23,36]；赵家店组岩性为一套红色石英砂岩偶夹砾岩及泥岩，发育大型交错层理，层面具流水波痕，泥裂及虫迹，砂岩球形风化发育，仅在羊九河谷见爬行动物足迹，为干旱气候下的河流相沉积[23]，与下伏江底河组整合接触。

2 样品采集及处理

本次研究集中于楚雄盆地江底河组砂岩层，采样位置主要位于元谋和南华地区，共采集砂岩样品21件，样品选择相对新鲜、受污染程度较弱的砂岩，分别通过偏光显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱测试（EDS）等手段，对碎屑颗粒结构形态、表面特征及成分等进行分析。首先通过轻击、敲打的方式将所选取的砂岩进行碎样，然后通过0.1～0.14 mm过滤筛筛选出已完全剥落的石英颗粒20 g左右，随后加入30%的双氧水中静置24 h，在60～70℃下加热2 h，除去可溶有机质。然后除去酸液，用蒸馏水将残留物洗涤至中性，置于5%的盐酸溶液中，在60～70℃下加热1～2 h，并静置48 h，使石英颗粒表面附着的碳酸盐充分分解。待反应完全停止后，除去酸液，用热蒸馏水洗涤至中性，最后烘干。随后使用双目镜对每件样品随机挑选30～40粒，同时观察石英颗粒表面特征，并进行拍照。然后，将选取的颗粒依次放在粘有导电胶的标准靶上，并进行60 s喷金工作，最后开展扫描电镜分析和能谱测试分析。

光学显微镜和扫描电镜测试分别在油气藏地质及开发工程国家重点实验室和重庆市地质遗迹保护与研究实验室完成。双目镜仪器型号：Nikon LV100POL，场发射环境扫描电子显微镜型号：Quanta250-FEG和能谱仪型号：Oxford INCAx-max20。

3 石英颗粒表面特征

3.1 颗粒结构

江底河组砂岩以细砂岩为主，颗粒分选较好，磨圆度较高，为圆状-次棱角状（图2A、2B、2E）。按照陈丽华等[38]提出的“目测五级估计法”，所选取的样品颗粒可达Ⅲ-Ⅳ级，多呈圆状-浑圆状。与敦煌鸣沙山现代沙漠沉积物（图2G）对比，其磨圆度比现代风成砂更高。碎屑颗粒主要由单晶石英颗粒组成（70%～90%），含有少量长石、重矿物、岩屑（约为10%），多晶石英及波状消光非常少。碎屑颗粒之间以线接触和凹凸接触为主（图2B、2E），钙质胶结。在石英颗粒表面，广泛发育一层褐红色薄膜（图2B）。该层薄膜不均匀分布在颗粒表面，颗粒表面凹坑处分布较厚，但厚度通常小于10 µm，颜色多为红褐色。

3.2 机械作用特征

江底河组砂岩发育丰富的机械撞击坑类型，如不规则撞击坑、星月型撞击坑、碟形坑等（图2、3），其中，碟形撞击坑多发育于磨圆度较高的石英颗粒中（图2D、3A、3D）。在高能量的机械碰撞下，高磨圆度颗粒之间的接触点应力被均匀分散[18]，碰撞凹坑相对规则。同时，机械撞击坑的丰富度与磨圆度的高低也存在一定联系[39]，在磨圆较高的石英颗粒表面撞击痕迹多发育丰富，在磨圆度较差的颗粒上则相对减少，这不仅在江底河组砂岩中表现显著，在现代沙漠沉积物中亦得到了印证（图3E、3F），与Vos and Vandenberghe[39]通过对1300个不同环境下石英颗粒微观结构的研究结果相吻合。

图2 楚雄盆地江底河组石英颗粒镜下显微照片Fig.2 Photomicrographs of characteristic quartz grains

风成沉积石英颗粒另一特有的表面特征是新月形撞击坑（图3C、3D），其成因与碟形坑相似。颗粒在以悬移或滚动推移负荷搬运搬运时，冲击能较小，从而形成新月形撞击坑[40-41]。新月形撞击坑一般认为是碟形坑和V形坑之间的过渡类型[33,38,42]。后者（V形坑）主要出现在水成沉积环境中，偶见于低能风成环境。所观察到的新月形撞击坑类似弯曲的贝壳状裂缝（图3C、3D）或“指甲印”，其长度约为50 µm，由于缺乏冲击能而没有发展成完整的断裂面。在江底河组砂岩沉积物中，新月形撞击坑现象分布于约5%～20%的颗粒表面。

3.2.1 化学作用特征

除上述机械搬运撞击形成的表面形态外，在石英砂表面还有化学溶蚀作用形成的溶蚀坑、溶蚀缝等构造，颗粒溶蚀的同时还伴随一定程度的沉淀作用，形成硅质球、硅质鳞片等化学成因表面特征。

(1)溶蚀作用

江底河组砂岩石英颗粒表面发育大量不规则的溶蚀孔和溶蚀洞等微构造（图3H、图I），溶蚀孔（洞）直径可达10 µm，呈蜂窝状，洞口边缘相对平滑、规则。在溶蚀孔、洞周围还伴生硅质解理薄片（图3H），其形成与溶蚀孔、洞形成初期，部分硅质鳞片未剥落相关[27]。溶蚀孔、洞也可被溶蚀所连接，形成深邃不规则但规模较大的溶蚀孔和溶蚀沟（图3I）。溶蚀孔、洞的出现和不规则形状的产生，主要由石英颗粒在溶蚀作用过程中，溶蚀环境的化学活性和溶蚀时间差异引起[43]。石英颗粒表面还发育少量溶蚀缝构造，其具有较好的定向性（图3J）。在敦煌鸣沙山所采集的沙丘砂颗粒表面同样也发育有溶蚀作用（图3K）。由于相对规则、定向的外观特征，蚀刻凹坑与机械制造的三角形V型冲击裂纹区容易区分。

(2) 沉淀作用

表面附着物：在江底河砂岩中所发育的泥套（图2E、2F），多以暗褐色出现，其粒径范围与石英颗粒较为一致。前文已经提及，风成砂岩颗粒表面的附生物质，大多是被“包裹”的复杂物质，而这些物质多以胶体溶液形式存在，在搬运过程中又可以粘附其他物质，以粉尘中的黏土为主，加之颗粒不断地滚动搬运，形成较为明显的泥套，均匀的分布在颗粒表面。在次生作用下，重结晶作用亦会形成晶形完好的黏土矿物（图3D）。通过镜下观察，发现上述石英颗粒表面的附着物多为附着在被观察颗粒上的所有碎片或颗粒，因而导致颗粒的成分和粒径变化很大[43]。然而，大多数情况下，纳米级附着物（覆盖了10%的颗粒表面）是风成环境的特征，因为磨损疲劳导致小颗粒附着在表面[44]。 在这种情况下，这些颗粒可能是由石英颗粒本身产生的，也可能是由石英颗粒碰撞到的任何其他颗粒产生的。

硅质球和硅质鳞片：在石英颗粒表面分布着相对光滑面，由于硅质的反复溶解夷平和沉淀填平作用以及碰撞磨损圆化，SiO2在颗粒表面形成的硅质薄膜，造成风成环境中的石英颗粒高磨圆度和表面极其光滑现象（图3B、3H）。在单个石英颗粒表面，硅质薄膜的厚度通常会有很大的变化，大约在2～10 µm之间[43]。在风成沉积环境中，强烈的沉淀作用通常和溶蚀作用相伴生，在干湿环境变化中更为明显。但由于孔隙水不饱和，不易搬运溶蚀而形成的SiO2沉淀物，一般在颗粒表面就近沉淀。SiO2沉淀的初始作用期，易形成硅质球。在江底河组石英砂岩颗粒表面发现有硅质球（图3G），圆球形，直径在0.3～0.5 µm左右。SiO2再次进一步沉淀，则形成硅质鳞片。在江底河组砂岩石英颗粒表面，发育凸起的硅质鳞片（图3B、3H），形似鳞片状，长径在20～30µm，与敦煌鸣沙山所采集的沙丘砂颗粒表面发育凸起硅质鳞片较为相似（图3L）。

图3 楚雄盆地江底河组石英颗粒表面扫描电镜（SEM）Fig.3 Scanning electron microscope images of quartz grain surfaces

除上述溶蚀作用和沉淀作用以外，一些沉淀物和外来物质，在一定的条件下（温度、压力、孔隙水）可发生在石英颗粒表面，如成簇出现的黏土矿物，多形成于颗粒表面的凹陷处（图3L），上述特征可能反映了沉积期后次生风化作用。

4 讨论

（1）沙漠漆形成及保存机制

沙漠漆，即石英颗粒在风成环境中表面形成的红色-红褐色铁膜的包覆层，在风成砂中普遍发育，多为红色、褐红色[45]，是颗粒机械搬运时反复溶解、氧化作用的产物，为干旱、炎热沙漠环境所特有的标志。铁锰质薄膜经常被后期增生石英所包裹，共同构成了风沙沉积的另一个重要特征[10,18]。石英颗粒表面结构特征除了受搬运的动力条件影响外，还取决于当时的气候条件。“沙漠漆”作为风成砂岩中典型的表面附生物质[9,20]，几乎存在于所有环境中，包括南极洲在内[46]，但最常见的是在干旱和半干旱气候环境，其成分主要为氧化铁和氧化锰，颜色多以暗红色和黑色为主。

楚雄盆地江底河组砂岩样品“沙漠漆”发育广泛，在石英颗粒周围普遍存在一层暗红色环边（图2B），部分“沙漠漆”被后期石英次生加大所包覆。同时，通过对楚雄盆地上白垩统江底河组（图4A，表1）与滇西云龙地区中白垩统南新组风成砂岩[18]（图4B）和景谷地区下白垩统曼岗组风成砂岩[20]（图4C）石英颗粒“沙漠漆”成分的对比，发现中生代风成沉积“沙漠漆”均存在Fe元素（图4）。在江底河组砂岩中，Fe元素最大质量百分比可达25.3%，最小值为0.5%，平均为7.7%，显著高于甘肃敦煌地区沙漠（图4D）、非洲东北部Sinai沙漠[47]（图4E）和以色列南部Negev沙漠[48]（图4F）沉积物Fe元素含量。而Mn元素仅在现代沙丘沉积物中存在（图4D），但质量百分比均不超过1%。

表1 楚雄盆地上白垩统江底河组砂岩石英颗粒能谱分析（EDS）元素统计Table 1 Energy spectrum analysis of late Cretaceous Jiangdihe Formation in Chuxiong Basin,Yunnan and modern desert sediments（EDS）

图4 不同盆地风成砂岩石英颗粒表面能谱和X射线谱图特征Fig.4 Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) of quartz grains in sandstone

“沙漠漆”的形成是一个反复溶解、氧化的沉淀过程，涉及锰和铁元素一系列的溶解、扩散和沉淀作用。这些元素大多来源于石英颗粒自身溶解部分中所含的一系列微量元素，而微量元素的移动可通过溶液传输或通过水分膜的离子扩散发生。搬运介质，如露水和雨水，在Mn、Fe元素搬运过程中一样重要。部分有机物，如细菌，也可能会导致“沙漠漆”的沉积，但还没有得到证实[49]。另一方面，在沙漠环境中，二氧化锰的蒸发和催化作用也能够促进铁锰质“沙漠漆”的形成[50]。

（2）石英颗粒表面形态及古环境指示

石英颗粒形态和表面结构特征可以反映沉积物的搬运距离和搬运过程，以及搬运过程中的所经受的机械、化学作用，进而反映当时的沉积环境条件[51-53]。不同环境下沉积的石英颗粒，颗粒表面上记载有不同的结构特征组合（表2）。在水成环境中，水介质具有一定的缓冲作用，机械动能相对较低。与此相反，风成环境中当空气作为运输介质时，对颗粒碰撞提供的保护非常小。正是由于风成介质的低缓冲作用、高速和高能量碰撞以及频繁的温度、湿度和pH值变化，形成了风成沉积高机械能和高化学能的沉积环境，以及独特的颗粒表面微形貌特征，对沉积环境解释具有重要意义[54]。

表2 不同沉积环境下石英颗粒的表面特征（据文献[38,55]修改）Table 2 Surface characteristics of quartz particles in different sedimentary environments (Modified according to literature [38,55])

基于石英颗粒表面的机械、化学，或两者的组合特征，可以利用上述三个特征的丰度、强度和空间排列 建立划分不同沉积阶段和风化环境的模式图。在风成沉积作用初期，石英颗粒常以机械搬运作用占主，化学作用影响较小，颗粒形态多呈棱角状，磨圆较差（图5-①②）。随着搬运能量的增加，碰撞磨损圆化和硅质的反复溶解夷平作用，造就了风成环境中的石英颗粒高磨圆度和表面极其光滑现象（图5-⑩）。同时，撞击坑类型愈加丰富，最具代表性的为“碟形撞击坑”（图5-⑫）。随成岩作用持续发展，机械作用相对减弱，化学作用为主。石英颗粒表面结构特征除受机械动力条件影响外，温度和湿度条件的反复变化在石英颗粒表面也形成了特有沉积记录，造成一系列SiO2溶蚀与沉淀的微形态，如溶蚀坑（图5-⑨）、溶蚀孔洞（图5-⑪）、溶蚀缝（图5-⑯）等溶蚀构造，以及硅质球（图5-⑬）、硅质鳞片（图5-⑨）等化学沉淀。

另一方面，二氧化硅的沉淀方式也取决于SiO2的沉淀速度，在快速沉淀阶段，形成石英颗粒的夷平形态；中等沉淀速度情况下，SiO2以薄膜形式沉淀在上翻解理薄片之上，或在解理面上产生一组新的翻翘薄片（图3B、图3H和图3L）；在沉淀速率较慢时，不仅会在颗粒棱角上产生沉淀，在空间足够的情况下，还会生成一端“根植”在石英颗粒表面的石英晶体（图5-⑮），即石英次生加大。其一端固定在石英砂岩颗粒表面上，另一端则自由生长，石英颗粒表面晶体生长的大小、范围与沉积物的埋藏深度、在过饱和环境中的停留时间和可容纳空间息息有关[56,57]。石英颗粒上硅膜的形成是一个相对快速的事件，但晶体过度生长的形成则需要更多的时间[43]。

图5 风成砂岩石英颗粒表面特征演化与沉积环境模式Fig.5 Surface characteristics evolution of quartz grains in aeolian sandstone and Pattern of sedimentary environment

溶蚀坑、溶蚀孔洞等溶蚀现象一般为干旱、炎热环境下，石英颗粒被高盐度碱性溶液部分溶解的结果[18,20]。在水分条件比较有利时，即使气候比较寒冷，水的pH值也会因为溶解盐类而升高，进而造成石英颗粒表面部分SiO2被溶解；当温度升高时，蒸发作用导致含有SiO2的溶蚀液过饱和，使SiO2重新围绕石英颗粒沉淀，缓慢生长，这种过程在夏季沙漠边缘能够频繁进行[38,42]。因此，这种围绕石英颗粒生长的石英晶体，可以指示冷暖交替的气候特征。楚雄盆地白垩纪晚期江底河组砂岩样品中SiO2的溶蚀与再沉淀作用，反映出滇东北地区晚白垩世干旱-湿热的气候特征。

值得注意的是，在江底河组具典型风成作用特征（高磨圆度、碟形坑）的石英颗粒表面（图5-⑩⑫，普遍发育有水成环境中强化学溶蚀作用形成的溶蚀孔、洞群[18,20,43]。这种现象在现代沙漠湿丘间沉积物石英颗粒表面（图5-⑧）同样发育，其形成可能归因于盐湖周缘的风成砂，经过季节性雨水及间歇性洪水搬运[6,18]，或强烈的风成吹蚀作用至盐湖（沙丘间低洼蓄水地带）中沉积[6,18]，使石英颗粒表面记录了风成沉积被水成沉积（盐湖）环境所改造所形成的“双相”现象，进而指示盐湖相与风成砂相互作用的沉积特征。然而，楚雄盆地上白垩统江底河组是否为沙漠尺度的盐湖环境[57]，还需要对风成沉积的分布范围进一步确定。目前，仍可将其视为沙地尺度的盐湖环境。

5 结论

（1）白垩纪时期，温暖、干旱的古气候环境，促成了滇东北楚雄盆地干盐湖沉积的形成。对楚雄盆地上白垩统江底河组红色砂岩的研究，显示盆地内局部发育风成沙地沉积，以高分选、高磨圆碎屑石英颗粒为典型特征，石英颗粒表面发育特有的碟形坑、溶蚀孔（洞）、硅质球和硅质鳞片等。

（2）基于石英颗粒表面的机械作用、化学作用组合特征，建立了不同沉积阶段和环境演化对应不同微形貌特征的模式图。在风成沉积作用初期，以机械作用为主，碎屑颗粒具棱角、低圆度为特征；沉积中期，以发育表面化学溶蚀作用和沉淀作用为特征；晚期，颗粒具高圆度，具碟形坑为特征。而对于盐湖环境中的风成砂岩石英颗粒表面表现为强机械作用和强化学作用“双相”特征。