兰州兰州民和盆地河口群沉积相和岩石磁化率祁连山白垩纪隆升的记录

兰州兰州民和盆地河口群沉积相和岩石磁化率祁连山白垩纪隆升的记录

青藏高原是世界上最重要的高原之一。它的崛起对构建亚洲乃至世界气候变化产生了重大影响。它是研究大陆动力学和全球变化理论最重要的领域之一。高原隆升的时间、幅度和机制是认识青藏高原形成和环境效应的关键问题。目前认为印度—亚洲板块碰撞是导致高原隆升的主要原因,但是对高原的隆升过程,目前还存在着激烈的争论,一种观点认为印度板块俯冲导致高原下部地幔增厚并拆沉使地壳反弹,导致高原隆升,8Ma或者更早高原达到最大高度,并引发印度季风和东亚季风,以及全球变冷和亚洲干旱化;第二种观点认为高原地壳和岩石圈的增厚不是一个连续过程和均衡的反弹上升过程,而是从南到北分块体阶段性隆升,首先是高原南部在始新世逃逸并隆升,其次是高原中部在渐新世隆起,高原北部自上新世以来才开始隆升;第三种观点认为高原隆升是分阶段、差异性的整体隆升,上新世以来高原快速隆升到现今高度,并产生了巨大的环境效应[14,15,16,17,18,14,17]。近年来,通过对高原北部一系列新生代盆地沉积物磁性地层年代和热年代学[24,25,26,27,28,24,25,28]及控制高原北部隆升的阿尔金断裂走滑活动的时间与幅度[24,26,27,28,24,28]等研究,对新生代高原北部隆升时间与过程有了比较明确的认识。如沉积物磁性地层年代研究揭示高原北部隆升最早可能发生在约55～58Ma,同时,热年代学研究还揭示在晚中生代阿尔金断裂曾强烈活动、祁连山及天山开始隆升,区域地质地球物理资料也显示中生代构造活动在一定程度上制约着新生代高原的形成,因此,要全面认识高原隆升过程,还要研究印度—亚洲板块碰撞前特别是白垩纪高原北部的构造变形及其对高原形成的制约作用。陇中盆地位于青藏高原东北部,是中生代祁连山东部发育起来的大型断陷盆地,盆地演化与阿尔金—祁连山断裂密切相关(图1a),盆地内充填了厚达6000多米的中生代沉积物,这些沉积物较好地记录了盆地演化过程中祁连山抬升和剥蚀、阿尔金—祁连山断裂活动及气候变化的信息,是恢复青藏高原北部中生代构造演化历史的理想地区。盆地进一步可分为民和盆地、双临(临夏、临洮)盆地和静宁盆地。其中民和盆地是陇中盆地白垩系出露最广、最齐全的次级盆地,盆地进一步可分为西宁盆地和兰州—民和盆地。本文通过对兰州—民和盆地下白垩统河口群地层序列、沉积相分析结合岩石磁化率测量,探讨了河口群沉积物记录的早白垩世祁连山构造隆升过程。1下白垩统河口群兰州—民和盆地位于甘、青交界地带,是中生代中祁连隆起带东段发育的断拗山间盆地,北接北祁连造山带,南临南祁连造山带。盆地北接高山,南以拉脊山—雾宿山为界,盆地西部为大坂山、天王山和哈拉古山。盆地基底由元古宇煌源群、寒武—奥陶纪变质火山-沉积岩及加里东期侵入岩组成,盖层自下而上分别为下—中三叠统五佛寺组杂色砂岩、泥岩、泥质粉砂岩,厚600m;上三叠统南营儿组灰绿色粉砂岩、泥岩及页岩,厚808m;下侏罗统炭沟洞组砾岩、砂岩、页岩夹煤线,厚184m;中侏罗统窑街组和红沟组砾岩、页岩、油页岩、砂岩夹煤层,厚612m;上侏罗统享堂组泥岩、粉砂质泥岩,厚595m;及白垩系、第三系和第四系。兰州河口—盐锅峡—喇嘛沟一带下白垩统发育较好、地层连续、厚度较大、出露广泛,是研究白垩纪祁连山隆升的理想地区(图1)。兰州—民和盆地下白垩统河口群为一套河湖相红色碎屑岩系,总厚度3482m。孙健初、王尚文(1949)对这套不整合于前侏罗系之上,第三系之下的碎屑岩命名为河口群,分为上下两个岩组;蔡雄飞等[33,34,35,33,34,35]划分为朱家台组、盐锅峡组、红古城组、花庄组;1∶25万区调报告《民和幅》将河口群分为8个非正式组级岩石地层单位。野外经对建组剖面和贯穿盆地的辅助剖面考察发现,河口群为干旱气候条件下形成的红色碎屑岩系,总体粒度从下向上由粗变细(图2)。2河口沉积序列组合根据对河口、盐锅峡、喇嘛沟等建组典型剖面及贯穿盆地南北的河口—咸水河、朱家台—盐锅峡剖面地层岩性和沉积构造野外观测,河口群可以鉴别出6种沉积序列(见图3),按照沉积序列组合特征可以划分出7种沉积相。2.1扇中下河口群第1组扇根分布于河口群第1组下部(0～15m),沉积物以巨厚层状灰绿色—绿色砾岩为主夹薄层砂岩、砂质泥岩(图2,图3a)。砾岩最大单层厚约15m,砾石含量占70%～80%,次棱角状—次浑圆状,砾径为0.5～30cm,大小悬殊,发育弱平行层理。主要成分为闪长岩(60%),花岗岩(40%);扇中分布于河口群第1组中上部(15～56m),由灰绿色砾岩、砾质砂岩与紫红色砂岩组成,夹钙质泥岩透镜体,砾质砂岩厚0.4～1m,含砾石10%～20%,次棱角状,砾径小于2cm,成分主要为闪长岩(60%～70%),花岗岩(30%～40%),石英岩(5%),下部砾岩发育叠瓦状构造;扇端分布于河口群第2组下部(56～139m),由块状暗紫红色钙质泥岩(厚2～6m)夹紫红色泥质粉砂岩(厚0.3～0.6m)及蓝灰色泥质粉砂岩条带(厚1～8cm)组成,发育平行层理。表明河口群第1组和第2组下部沉积物形成于近物源的山麓环境,风化剥蚀作用强烈,为盆缘快速堆积的产物。2.2钙加构造岩分布于河口群第2组中上部(139～587m),由块状—巨厚层状灰紫红色中细粒石英砂岩与紫红色泥岩(蓝灰色泥质粉砂岩条带)互层组成(图2,图3b)。砂岩约占50%,单层厚0.6～2m,最厚13m,发育大型斜层理、平行层理;泥岩单层厚0.2～10m,含有少量钙结核条带,结核大小约为2～5cm;含钙结核泥岩层呈棕黄色,其上部泥岩呈褐红色、疙瘩状,断面凹凸不平,可见灰黑色铁锰膜及灰白色碳酸盐膜,推测是经压实变质的古土壤层。该套沉积是下部冲积扇的外延沉积,表明山体抬升、剥蚀及沉积速率经历了间歇性的快慢变化。2.3含砾砂岩夹泥质粉砂岩、泥岩分布于河口群第3组(587～668m),由巨厚层状紫红色含砾砂岩、砂岩、泥质粉砂岩、泥岩组成。砂岩底部发育冲刷面,并有砾石滞留,发育大型斜层理和平行层理(图2,图3c)。下部为含砾砂岩夹泥质粉砂岩、泥岩,含砾砂岩单层厚2～4m,砾石呈条带,厚约10cm,砾石约占5%～20%,砾径一般0.2～4cm,最大20cm;主要成分为闪长岩(60%)、花岗岩(10%～15%)、石英岩(10%～20%)、变安山岩(5%～10%),片麻岩(3%～5%),次棱角状—次浑圆状。粉砂岩、泥岩单层厚度0.3～4m,泥岩中夹有2～3层钙结核,条带状分布,厚约5cm,单个结核大小为1～5cm,其上发育古土壤,说明在沉积过程中曾发生过沉积间断和漫滩沉积物的土壤化。中上部主要为巨厚层状砂岩,含少量砾石条带,大型斜层理发育。2.4英砂泥岩储集岩分布于河口群第4组下段(668～1050m),由灰紫—紫红色中细粒石英砂岩、块状暗紫红色钙质泥岩组成(图2,图3d)。砂岩厚0.1～0.6m,最厚4m,浪成波痕、交错层理、平行层理和泥裂发育,泥岩单层厚1～10m。在中上部分别夹灰绿色—蓝绿色石英砂岩及灰绿色—暗紫色钙质泥岩2层,各6m和3m,沿走向厚度变薄,可能是湖水位变深或沼泽化的沉积产物;同时在上部泥岩与砂岩的交界部位泥岩一侧,见有砂楔沉积,砂楔深度达2～5m,宽2～15cm,向上逐渐变宽,并与泥岩顶部砂岩相连。2.5含矿岩石及细砂岩分布于河口群第4组上部、第5组及第6组底部(1050～2150m)(图2,图3d),下部为巨厚层状灰绿色、灰紫红色含砾砂岩夹泥质砂岩薄层,砾石含量小于5%,砾径小于0.5cm,次棱角状,成分主要为钾长花岗岩(40%～75%)、片麻岩(15%～30%)、硅质岩(10%)、石英岩(5%)。砂岩占90%以上,单层一般0.5m,最薄0.2m,最厚可达15m,发育底冲刷、斜层理、平行层理、虫管等;中部为灰绿色、灰紫红色厚—巨厚层状砂岩夹泥岩条带,砂岩单层厚0.2～3m,最厚达6m,发育斜层理、交错层理,泥岩条带厚0.1～0.4m;上部为中厚层状灰紫红色—灰紫色细砂岩夹中薄层状泥质砂岩、褐红色、紫灰色、黄绿色及绿色砂质泥岩,平行层理、波痕、泥裂发育。总体反映湖水由浅变深。2.6粉砂岩层理带分布于河口群第6组(2150～3040m),为褐红色—暗紫红色粉砂质泥岩、钙质泥岩夹粉砂岩薄层(图2,图3e),粉砂岩中发育浪成波痕,平行层理。该组从下向上夹有3～4套蓝灰色—灰绿色、灰黄色标志层,层厚0.3～4m,其中蓝灰色层是盆地扩张时期的标志,厚0.2～1m,代表最大湖泛面,分别组成了3个完整的沉积旋回;顶部为绿色—黄绿色、黑色钙质泥页岩,厚约6m。反映水体经历了4次从浅到深的变化过程。2.7色粉砂岩、粉砂质泥岩分布于河口群第7组、第8组(3040～3482m),该段前三角洲不发育,三角洲前缘沉积分布于第7组,由灰紫色粉砂岩、粉砂质泥岩组成(图2,图3f),粉砂岩单层厚0.2～2m,层理不发育,偶见小型斜层理、不对称波痕、虫管,该段粒度由下向上逐渐变粗,代表三角洲前缘沉积;三角洲平原沉积分布于河口群第8组,由褐红色粉砂质泥岩、钙质泥岩组成,粉砂岩厚5～20cm,粉砂岩中发育小型层理、虫管、泥裂。该段粒度由下向上逐渐变细,代表三角洲平原岸后湖泊沉积。3岩石磁化率测量对河口、盐锅峡和喇嘛沟3个剖面(图1b)进行了连续采样,采样间距平均4m,样品采集砂岩和泥岩,共采集797件,室内加工成2cm×2cm×2cm大小的立方体块样,在兰州大学古地磁与环境磁学实验室用BartingtonMS2双频磁化率仪进行了高、低频磁化率测量,然后根据样品体积与重量换算成了质量磁化率,以低频磁化率值减去高频磁化率值表示磁化率差,测量结果见图2。河口群岩石磁化率值总体较低,其中低频质量磁化率值为(0.14～1.96)×10-8m3/kg,平均0.88×10-8m3/kg;高频质量磁化率值为(0.13～1.84)×10-8m3/kg,平均0.82×10-8m3/kg;高、低频质量磁化率值变化趋势基本一致(图2)。经对不同岩性磁化率值统计发现,泥岩高频磁化率(0.98×10-8m3/kg)比砂岩(0.67×10-8m3/kg)高,而且在不同岩性段、不同沉积相中泥岩磁化率也比砂岩的要高;不同颜色的岩石比较,磁化率值从高到低为绿色(0.88×10-8m3/kg,54块样品)、红色(0.85×10-8m3/kg,737块样品)、蓝色(0.61×10-8m3/kg,4块样品)及黄色(0.17×10-8m3/kg,2块样品)为主的岩石;从沉积环境来看,磁化率值从高到低为冲积扇相(1.19×10-8m3/kg)、半深湖相(1.03×10-8m3/kg)、滨湖相(0.95×10-8m3/kg)、三角洲相(0.88×10-8m3/kg)、扇三角洲相(0.75×10-8m3/kg)、滨浅湖相(0.70×10-8m3/kg)和辫状河相(0.34×10-8m3/kg)。为查明上述岩石磁化率变化的内在原因,即岩石中磁性矿物种类及其含量对磁化率的贡献,选择不同沉积环境的代表性岩石样品25块在兰州大学古地磁和环境磁学实验室进行了岩石等温剩磁、剩磁矫顽力及三轴等温剩磁热退磁测量。结果显示,以红色色调为主的岩石在外加磁场达到2500mT时才饱和或接近饱和,剩磁矫顽力一般在300～500mT(图4),中、高矫顽力等温剩磁分量在700℃时解阻(图4),说明岩石中磁性矿物为赤铁矿。对于在1600～1700m及1900～2000m处出现较多的灰绿色砂岩,等温剩磁在300mT时已经达到饱和剩磁的80%,此后逐渐达到饱和,剩磁矫顽力为100mT左右(图4),低矫顽力分量对岩石饱和剩磁强度贡献较大,并在580℃附近解阻,而中、高矫顽力分量剩磁在700℃解阻(图4),说明岩石中磁性矿物为磁铁矿和赤铁矿,由于磁铁矿对磁化率的贡献远大于赤铁矿,因而磁铁矿的出现是该段岩石磁化率偏高的主要原因。对于绿色泥岩及黄—黄绿色、蓝灰色泥岩,砂质泥岩,岩石磁学测量显示其中的磁性矿物为磁铁矿(图略),由于它们多以红色岩系的夹层零星出现,厚度一般较薄,数量有限,包括前述1600～1700m及1900～2000m处的灰绿色砂岩在内,其磁化率值的变化并不影响剖面上磁化率阶段性变化趋势。因此,河口群岩石磁化率变化趋势可以以剖面上占绝对优势的红色岩系的磁化率来表示,而这些岩石中的磁性矿物均为赤铁矿,结合图2和图4可以看出,赤铁矿可以出现在不同沉积环境的砂岩和泥岩中,说明它对岩性和沉积环境没有选择性,因此磁化率值的差异仅仅与岩石中赤铁矿的含量有关,含量越高,磁化率越高。河口群岩石磁化率变化明显可分为3段(以高频磁化率为例,见图2):第1段为河口群第1至第5组(0～2150m),磁化率平均值小于剖面总体平均值,为0.78×10-8m3/kg,且波动较大,根据磁化率值、岩性和沉积相变化又可以分为5个次级阶段:(1)河口群第1组和第2组下部(0～139m),高频磁化率平均值为1.44×10-8m3/kg,远远大于剖面平均值,岩性为大套灰绿色砾岩夹砾质砂岩、泥岩,为冲积扇沉积;(2)河口群第2组中上部(139～587m),高频磁化率值平均为0.79×10-8m3/kg,接近剖面平均值,但波动较大,岩性主要为砂岩、粉砂岩,为扇三角洲沉积;(3)河口群第3组(587～668m),高频磁化率值平均为0.32×10-8m3/kg,为剖面磁化率最小段,岩性为砾岩、含砾砂岩、泥岩,为辫状河沉积;(4)河口群第4组下部(668～1050m),高频磁化率值平均为0.96×10-8m3/kg,高于剖面平均值,岩性为石英砂岩、泥岩,为滨湖相沉积;(5)河口群第4组上部、第5组及第6组底部(1050～2150m),高频磁化率值平均为0.67×10-8m3/kg,低于剖面平均值,岩性为巨厚层砂岩、粉砂岩、泥岩,为滨浅湖相沉积。第2段为河口群第6组底部以上至第7组底部(2150～3040m),高频磁化率平均值为1.02×10-8m3/kg,远大于总体平均值,磁化率值波动较小,该段岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主,夹细砂岩薄层。第3段为河口群第7组和第8组(3040～3482m),可分为两个次级阶段:(1)河口群第7组大部(3040～3252m),高频磁化率平均值为0.81×10-8m3/kg,接近剖面平均值,纵向上变化较小,岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩,为三角洲前缘沉积;(2)河口群第8组(3252～3482m),高频磁化率平均值为0.91×10-8m3/kg,磁化率值偏高,岩性为粉砂质泥岩、钙质泥岩,为三角洲平原沉积。4讨论和结论4.1高频磁化率分布及盆地沉积特征依据高频磁化率主要反映岩石中粒度较粗(主要为单畴及多畴)磁性矿物的含量多少,一般情况下可以认为是在风化搬运过程中残留的碎屑矿物;而低频磁化率还包括超顺磁性矿物对磁化率的贡献,这部分磁性矿物是在搬运-沉积过程中形成的,主要与当时的气候关系密切。因此高频磁化率可以用来反映构造隆升-剥蚀-搬运信息,低频磁化率倾向于反映构造隆升、气候变化等综合信息,而低频磁化率与高频磁化率差值可以近似地被看作沉积物在搬运-沉积过程中气候变化的指示剂。河口群样品低频磁化率与高频磁化率曲线变化基本一致,低、高频磁化率差值比较稳定(图2),说明气候因素对磁化率影响较小,因此高频磁化率的变化可以用来反映盆地演化过程中祁连山抬升-剥蚀过程的信息。沉积物的粒径特征可以反映源区抬升-剥蚀的强度及搬运距离的远近,粒径大、磨圆度和分选性差说明构造抬升强烈、搬运距离近,反之则构造抬升缓慢、搬运距离远。结合地层沉积和磁化率测量结果分析,剖面上磁化率高值段对应构造相对稳定的半深湖相沉积及冲积扇沉积;低值段对应构造相对活跃时期的扇三角洲、辫状河、滨湖及三角洲沉积环境。这种对应关系的可能机制是:在构造相对活跃时期,从山体剥蚀下来的碎屑物质被高能量的水体搬运到盆地边缘地带快速堆积下来,没有经历充分的风化、分选,作为重矿物的赤铁矿在碎屑中未能富集,相应的磁化率总体偏低;而在构造相对稳定时期,碎屑物从源区到沉积盆地中心的半深湖相沉积环境,其中的赤铁矿有相对足够的时间分选、富集,相应的磁化率值较高。因此,高频磁化率值的大小可以近似地反映构造抬升-盆地下陷过程中山体的剥蚀速率和盆地的沉降速率,构造抬升幅度和速率越大,盆地沉降速率越大,磁化率越低(图5)。对于磁化率值高的剖面底部的冲积扇环境,可能与物源为闪长岩有关,从图2可以看出,该段砾石主要为富含铁镁质矿物的闪长岩,此后砾石成分则以石英岩等为主,磁化率值的变化与山体抬升剥蚀及盆地沉降速率呈正相关关系(图5)。4.2aptian-al东南角关于河口群的时代,根据生物化石资料普遍认为属于早白垩世,孟自芳对河口群中下部厚394m的地层古地磁测量认为其年龄约为距今143～128Ma,吉利明根据下白垩统顶部层位孢粉组合特征推断其上部大致位于Aptian-Albian期,结合古地磁测年获得的剖面平均沉积速率10.3cm/ka,按照线性法粗略获得了剖面的参考年代序列(见图2和图5),其底、顶界年龄推测分别大致在143Ma和109Ma。综合河口群地层沉积序列、沉积环境演变、古水流方向及砾石成分统计和磁化率测量结果,参照获得的参考年代序列,河口群沉积物记录的早白垩世祁连山隆升过程可以划分为早期(约143～123Ma)快速强烈隆升阶段、中期(约123～113Ma)稳定隆升阶段及晚期(约113～109Ma)快速隆升阶段。4.2.1晚古生代隆升期岩相古地理陇中盆地沉积-构造演化与阿尔金—祁连山断裂密切相关,研究表明阿尔金断裂带可能形成于三叠纪,其后经历了侏罗纪、白垩纪的强烈左旋走滑活动,陇中盆地是在三叠纪小型山前盆地的基础上发育起来的断陷-拗陷盆地,在盆地北部及南部沉积了厚约1400m的三叠系砾岩、砂岩和粉砂岩、泥岩及页岩,构成一个下粗上细的沉积巨旋回;在盆地中—北部沉积厚约1400m的侏罗系砾岩、砂岩、页岩夹煤线、泥岩、粉砂质泥岩,总体构成一个细—粗—细的沉积巨旋回;此后沉积了厚近4000m的河口群砾岩、砂岩、泥岩,构成从下到上粗—细—粗的沉积旋回,3个巨旋回之间均为不整合接触,代表盆地3次大的充填序列也即祁连山中生代三次隆升过程,因此,民和—兰州盆地发育在时间上与阿尔金断裂活动的时间耦合,也即中生代阿尔金断裂的走滑活动导致了祁连山的隆升。盆地中河口群无论出露厚度还是分布范围都远比前述三叠系和侏罗系要厚和广泛,说明白垩纪祁连山隆升进入了一个新的时期。首先在约143～123Ma期间,盆地沉积了一套相对高能状态下厚达2150m的碎屑岩,古水流方向总体向北,岩层中含有砾岩或者砾石条带,对应磁化率Ⅰ阶段,磁化率均值总体较低,代表盆地南部祁连山发生了快速、强烈的隆升-剥蚀过程(图2、图5)。根据沉积相、古水流方向、砾石成分及磁化率值变化特征,该期隆升过程可以分为两个次级阶段,第一阶段大致在143～137Ma,对应磁化率(1)—(2)阶段(图2),首先在南部雾宿山前沉积了冲积扇相的砾岩、砂岩和泥岩,底部砾岩层发育,砾石成分主要为近源闪长岩、花岗岩,砾径0.5～30cm,大小悬殊,次棱角状—次浑圆状,分选差;然后接受了扇三角洲相砂岩、泥岩沉积,构成一个下粗上细的沉积旋回,古水流方向总体向北,但期间曾发生过游移;磁化率总体由高变低,代表一次由快到慢的隆升过程(图5)。第二阶段大致发生在约137～123Ma,对应磁化率(3)—(5)阶段(图2),首先在约137～136Ma沉积了辫状河流相的砂岩、泥岩,古水流方向总体向北,砾石ab面统计显示水流方向曾从北变为北西,然后再变为北,砾石成分比较复杂,下部以石英岩和花岗岩为主,上部则以闪长岩为主,花岗岩、石英岩及变安山岩次之,说明源区曾发生过比较大的变化,磁化率值为全剖面最低,表示隆升速度较快。然后在约136～133Ma期间沉积了滨湖相的砂岩、泥岩,可见砾石条带,砾石成分主要为花岗岩、钾长花岗岩、石英岩、片麻岩、变安山岩、硅质岩及铁碧玉岩组成,岩石中斜层理发育,总体指向水体向北流动。泥岩中可见绿色钙质泥岩夹层及冰缘环境的砂楔沉积,分别说明水体曾经变深及变浅、气候干冷,该段磁化率较高,总体反映隆升速度较慢;最后在约133～123Ma期间沉积了滨浅湖相的砂岩、泥岩,总体以红色岩系为主,但在上部加有较多的绿色砂岩层,推测祁连山山体抬升逐渐变高,湖盆水体逐渐变深;磁化率值比较稳定,只在上部1600～1700m及19