泥溪河盆地东部地区上新统晓氏组沉积组合特征

泥溪河盆地东部地区上新统晓氏组沉积组合特征

泥沟盆地位于河北省张家口市阳原县桑干河流域。盆地东西长约80公里，南北长约15.20公里。盆地充填物主要为上新统和更新统,以更新统为主,富含真牛、真马等哺乳动物化石、软体动物化石和植物孢粉等,并以众多古人类文化遗址而闻名。该套组合长期以来被视为我国北方早更新世的标准地层,在我国第四纪地质研究中居重要地位。前人对该套组合从不同方面进行了详细研究,尤其在古环境、古地磁、古生物、古人类、古地理等方面取得了一系列重要成果[1,3,6,7,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。然而,对于该套组合形成的沉积相研究相对缺乏,从而影响了华北地区第四纪古环境演化的深入研究。泥河湾盆地充填序列为一套新生代陆相沉积组合,因受河流切割和后期构造作用的破坏,盆地充填序列在不同区段呈现不同岩性组合,严重影响了盆地沉积相空间变化特征研究。相对而言,泥河湾盆地充填序列露头在盆地东部出露最佳。长期以来,泥河湾盆地的新生代充填物被称作“泥河湾层”[5,7,9,27,29,32,33],并被认为是以湖相为主的河湖相沉积组合[9,22,34,35,36,37]。我们在对阳原县桑干河流域郝家台地区系统野外研究基础上,对该地区台儿沟东剖面详细的沉积相进行分析,结果表明台儿沟东剖面更新统主要为一套三角洲相沉积组合,上新统为一套滨湖、浅湖相沉积组合。这一认识将为泥河湾盆地和华北地区第四纪构造演化研究提供基本地质依据。1晋冀盆地基底泥河湾盆地位于大同—桑干河盆地的东部,为北东-南西向断裂控制下的晚新生代山间盆地,该盆地西起晋冀交界的许家窑—侯家窑遗址,东至桑干河峡谷;其北侧为熊耳山,南侧为六棱山、凤凰山(图1)。盆地基底主要由太古宙变质岩、元古宙碳酸盐岩、寒武纪—奥陶纪沉积岩以及侏罗纪—新近纪火山-沉积组合共同构成1。区内新构造活动频繁,断裂构造十分发育。2因地层中的小变形物质组成的灰黑石组的沉积相台儿沟东剖面位于河北省阳原县化稍营镇郝家台南侧,距台儿沟剖面东侧约30m,剖面总厚近130m。我们在对台儿沟和台儿沟东剖面岩性精细对比基础上,结合前人对台儿沟剖面的研究结果,初步划分了台儿沟东剖面的时间序列和岩石地层单位。台儿沟东剖面除最上部厚度为9.4m的马兰黄土和古土壤外,其下部约120m分别由更新统郝家台组、泥河湾组和上新统蔚县组共同构成(图2)。根据岩性组合特征,上新统蔚县组可划分为两个岩性段:下段由黄、红灰、灰绿、褐色厚层块状细砂、粉砂质粘土、粘土等共同构成,底冲刷面构造、泄水构造十分发育,偶见波纹交错层理;上段由灰绿、棕黄、褐、灰、灰白色薄层粘土、粉砂等共同构成,偶夹薄层细砂,发育水平层理。该套组合出露于剖面底部,在台儿沟以东地区出露较好,并在下岩性段底部出露有灰、灰绿色块状粘土;在台儿沟西侧大道坡一带则未出露。该套组合中产有大量鱼化石、哺乳动物化石,并含有丰富炭屑。另外,该套组合在台儿沟、洞沟、小水沟、稻地以及蔚县盆地东窑子头剖面中产有丰富的小哺乳动物化石Mimomysyouhenicus(游河模拟鼠)-Mesosiphneusparatingi(副丁氏鼢鼠)组合,并在红崖、铺路等剖面产有大量腹足类化石和瓣鳃类化石Lamprotula(丽蚌)(?)、Cuneopsis(楔蚌)(?)等,也含有Ochotonasp.(鼠兔属)和Chardinomysnihewanicus(泥河湾日进鼠)等。泥河湾组可划分出4个岩性段:下岩性段以灰绿、灰、黄、褐色细砂、粉砂为主夹薄层砂砾石,发育板状交错层理、波纹层理、水平层理、平行层理,富含软体动物化石。中下岩性段以灰、灰绿、褐色细砂、粉砂为主夹粘土和砾石透镜体,发育交错层理、水平层理、波纹层理;含丰富软体动物化石和植物化石,在透镜状砾石层中产有大型哺乳动物化石(未定名);砾石砾径一般为2～5cm,最大可达25～20cm。中上岩性段以灰、灰绿、黄绿、灰黑色粘土、粉砂质粘土为主夹薄层砂,水平层理发育,偶见波纹层理。上岩性段为灰黄、黄、灰白色粉砂、细砂、粗砂和砾石层组合,剖面上向上粒度逐渐变粗,粗砂层底部发育底冲刷面构造;该套组合中所含化石稀少,偶见啮齿类动物及软体动物化石(均未定名),但在台儿沟剖面同一层位中产有大脊椎动物化石(未定名)和小哺乳动物化石Pitymyshintoni(辛顿松田鼠)、Allophaiomyscf.pliocaenicus[上新异费鼠(相似种)]、Lasiopodomysp.robrandti(原布氏田鼠)和Microtusminoeconomus(小根田鼠)等。郝家台组下部表现为灰黄、褐色粘土和灰黄色至棕黄色粉砂互层,夹有透镜状粗砂和砾石层,在粉砂层底部通常发育底冲刷面构造;上部为黄、灰黄、黄褐色粉砂、细砂、粘土和灰、灰绿色粘土、粉砂质粘土、粉砂构成的韵律层,波纹层理在粘土和粉砂层中十分发育。粗砂、砾石、泥砾透镜体在郝家台组上岩性段中相对较为常见。整体上,在郝家台组中盐度较高,且含有石膏,在台儿沟东剖面上可见大量膏盐晶体。此外,台儿沟东剖面郝家台组中产有丰富的炭屑、软体动物和介形虫化石。3兰黄土古土壤外土古地理野外系统观察和室内综合分析结果共同表明,台儿沟东剖面除了顶部分成马兰黄土和古土壤外,上新统蔚县组和更新统泥河湾组、郝家台组分别由湖泊相和三角洲相沉积组成,其中湖泊相可分为滨湖亚相和浅湖亚相,三角洲相可分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲亚相(图2、3),具体特征如下。3.1色砂与粘土的构造湖泊相见于台儿沟东剖面底部蔚县组,系一套灰、黄、红等颜色粉砂、粘土交替出现并呈现明显的韵律性特征的岩石组合,局部夹有砂砾透镜体(图3,4)。该套组合可分为滨湖亚相和浅湖亚相。(1)不同岩性的粗提物支持级为一套灰、黄、红等杂色厚层块状粉砂和细砂组合,发育波纹层理及水平层理,为砂质湖滩沉积(图3a)。局部夹有含砾粗砂透镜体,砾石以次圆状硅质岩为主,砾径一般为0.2～1cm。多层发现由压实作用形成的泄水构造(图4a),粘土层中含有泥砾(图4b)。砂层厚度相对稳定,局部可见脉状或透镜状砂(图4c)和泥质楔入体(图4d)。在该套组合中产有丰富的植物化石碎屑和炭屑(图4e)、鱼化石(图4f)以及少量啮齿动物化石和软体动物化石。这些特征表明,该套组合形成于地形相对较缓的滨湖环境。(2)次抗风险组合是由灰绿、棕黄、褐色、灰白、灰等不同颜色薄层粘土构成的韵律层,仅局部夹有薄层粉砂和砾石。砾石为硅质岩,次圆状,砾径多为0.5～1cm,最大可达2cm。该套组合以块状层理为主,局部发育水平层理(图4g),偶见波纹层理。部分粘土层中可见大量直径约10cm的粘土团块(图4h)。软体动物和介形虫化石发育。该套组合以细粒级沉积为主,且层位稳定并缺乏波纹层理,表明此段沉积水动力较弱,为平缓湖底形成的浅湖沉积。3.2粘土质粉砂岩三角洲相是台儿沟东剖面的主要沉积相类型,系一套以灰黄、黄褐色粉砂、细砂、粗砂为主的岩石组合,并含有少量灰、灰绿、黄绿、灰黄色粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂,整体构成向上变粗的沉积序列。总的来看,三角洲前缘和三角洲平原相对较为发育,沉积厚度较大,两者总厚约100m,发育交错层理、波纹层理、水平层理以及底冲刷面等沉积构造。前三角洲则不发育,仅7m左右,沉积构造不发育,以水平层理为主。前三角洲亚相及三角洲前缘亚相的部分层位仅见少量软体动物化石和哺乳动物化石,三角洲平原亚相则化石种类十分丰富,可见大量炭屑、植物碎片、哺乳动物、鱼,以及软体动物、介形虫等化石(图2,图3b)。(1)薄细砂砂、灰砂砂前三角洲亚相由灰、灰白、灰绿色粘土、粉砂质粘土共同组成(图3f),夹有薄层灰黄色粉砂、细砂(图3g)。不同颜色粘土、粉砂质粘土和粘土质粉砂通常形成韵律层(图5a),单层厚度一般为1～2mm,最厚可达10mm。剖面上,向上粒度增粗且砂质层增多。该套组合发育水平层理,古生物化石稀少。(2)砂坝上白垩系河口砂坝三角洲前缘亚相主要由灰白、灰黄、棕黄色细砂至粗砂构成,夹有少量粉砂、粘土层和含砾粗砂层。砂质相对纯净,分选较好,发育末端砂坝、河口砂坝、水下分支流河道、支流间湾等四种微相。末端砂坝(图2,图3b、h)为一套由灰黄、棕黄色细砂、粉砂层夹少量薄层粘土组成。发育槽状交错层理、冲洗交错层理(图5b、c)和波纹交错层理。同时,可见软体动物化石碎片和啮齿类动物化石。河口砂坝(图2,图3i),黄色、棕黄色细、中、粗砂沉积组合,砂质纯净;垂向上具有上粗下细的反粒序结构特征。可见砂砾石透镜体和底冲刷面构造,两者常同时发育(图5d、e);生物化石稀少。砾石有硅质岩、灰岩和泥质砾等。泥质砾磨圆好,砾径0.2～0.5cm;硅质岩和灰岩砾石表现为次棱角状-次圆状,分选差,砾径0.2～1.5cm,常与中、粗砂共同出现,呈透镜状分布于岩层中,并具一定的叠瓦状排列特征(图5e)。板状交错层理、波纹层理、水平层理和块状层理发育。水下分支流河道微相(图2,图3c)为一套灰黄、灰白色细、中、粗砂和棕红色细砂、砂砾石层组合。含砾砂层和砾石层多表现为透镜状,砾石主要为硅质岩和火山岩。发育大型板状交错层理(图5f)、小型板状交错层理(图5g)、冲洗交错层理、波纹层理、水平层理以及底冲刷面构造,显示较强且快速变化的水动力环境。冲刷面之上多为砾石层,向上多为板状交错层理中、细砂,小型板状交错层理、冲积交错层理或波纹交错层理细、粉砂,水平层理粉砂、粘土等,河道侧向迁移特征明显。软体动物化石、介形虫丰富。支流间湾微相以灰绿、褐、灰等颜色的块状粘土(图5h)为主,含粉砂质粘土、粘土质粉砂。发育交错层理,未见化石。(3)砂、粘土、砂、基主要岩性为分选差的黄、灰黄、灰绿、灰等颜色的砂、粘土等组合,粒级变化大,夹有少量砂砾石层。含丰富的植物碎片和软体动物化石;发育交错层理、波纹交错层理。可分为沼泽、淡水湖泊、分支河道、分支间湾和天然堤5个微相。沼泽微相(图2,图3e)为一套颜色较深的深绿、灰绿、黄绿色至灰白色的粘土、粉砂质粘土组合,夹薄层粉砂。其典型特征表现为,粘土或粉砂质粘土交替发育,或呈互层状,单层厚0.5～5mm,一般小于2mm,极少含有粗颗粒物质。发育水平层理和波纹层理,纹层不稳定而呈缓波纹或断续发育(图6a),未发现其他层理类型。植物碎片和炭屑极为丰富(图6b),顺层分布,为较浅水体环境的沼泽沉积。淡水湖泊微相以发育灰黄、灰绿、灰等颜色的粘土质粉砂、粉砂质粘土为主要特征。沉积物粒度细,分选好,通常呈现连续过渡特征,野外难以从粒度上对其进行区分(图6c);同时也可见砂、粘土互层出现,单层一般厚度不大(图6d)。层理不发育。分支河道微相(图2,图3d、k)以灰黄色、棕黄色至褐色细砂、中砂、粗砂至砾石层组合为特征,夹厚1～2cm的含砂钙质结核。发育有板状交错层理、砂纹交错层理、冲洗交错层理(图6e)、波纹层理、平行层理、水平层理及底冲刷面等构造。砾石以硅质岩为主,砾径均小于3cm,分选、磨圆中等至较差;泥砾(图6f)直径约为1cm,分选、磨圆好。此外,可见钙质砾,直径可达10～20cm,分选、磨圆极差。该套组合中化石种类丰富,除了大型哺乳动物(图6g)、软体动物和介形虫化石外,还产有丰富的植物碎屑,为近源快速堆积。分支间湾微相(图2和图3j)为灰黄、黄、灰、灰绿色细砂、粉砂、粘土质粉砂、粘土组合,偶见含砂砾石层,水平层理发育。可见不同颜色的砂、粘土互层,单层砂一般厚度约为3～5mm,粘土层厚度一般为5～20mm。砂砾石透镜体发育(图3j),并与粘土、粉砂层之间构成清晰的底冲刷面构造(图6h)。含有少量软体动物化石。天然堤微相(图2和图3l)以黄、灰黄色薄层砂、粘土质粉砂,或灰、灰绿色粘土、粉砂质粘土组合为特征。砂、粘土常形成韵律层(图6i),并夹钙质透镜体,可见石膏晶体(图6j)。4岩相及物源区早期研究认为,泥河湾盆地以发育湖相地层为主,夹有少量河流相沉积组合。Barbour在1924年首先提出泥河湾组是一套河湖相沉积组合。随后,吴子荣等1980年根据岩性组合及其接触关系、化石组合类型及其所代表的古气候等因素,将泥河湾组分为3个层段:第一层段形成于湖泊形成时期,以充水期的急流相沉积为特征;第二层段形成于湖泊发育期,全部为湖泊相沉积;第三层段形成于湖泊萎缩期,以湖相-河流相交替沉积为特征。韩云生1982年则根据泥河湾盆地内钻井、剖面地层的岩性、岩相、电性等特征和所包含的软体、微体古生物化石组合关系,提出“泥河湾组”以湖相为主,间夹河流相,湖泊边缘间有湖沼相发育的沉积组合。近年来,部分学者对郝家台一带第四系露头剖面进行了大量研究,结果认为该地区的更新统泥河湾组和郝家台组是一套以湖泊相为主河流相为辅的沉积组合,且局部地段为三角洲相沉积。王云生、陈茅南等认为,小渡口剖面某些层位的沉积物颗粒表现为上粗下细的反粒序沉积,具有波纹层理、水平层理,沉积物累积曲线以跳跃和悬移组分为主,几乎无滚动组分,为滨湖相-三角洲相沉积,下沙沟等剖面某些层位亦具有类似的特征。同时,他们对小渡口、红崖南沟剖面重矿物的研究,认为剖面沉积物以近源堆积为主。杨小强认为,郝家台剖面底部发育有三角洲相,其岩石组合以浅褐色的粉砂质粘土沉积为主,含钙质结核,夹含砾石粗砂透镜体,平均粒度较小,砾石棱角状、次磨圆,众数值2～3cm,发育平行、包卷层理,沉积物磁化率和P、L值较大;沉积物累积曲线以跳跃和悬移组分为主。然而,在郝家台地区台儿沟东剖面上,蔚县组表现为一套多种颜色的粘土、粉砂组合,局部夹有透镜状砂砾层,发育泥裂、泄水和滑塌构造,并产有鱼化石,呈现出典型的滨浅湖相沉积;泥河湾组则表现为不同颜色的细砂、粉砂、粘土组合并夹有透镜状砂砾石层,总体上具有下细上粗的沉积结构,发育板状斜层理和丰富的底冲刷面构造,并产有丰富的软体动物、脊椎动物、小哺乳动物和植物化石,呈现出三角洲相沉积特征。郝家台组主要表现为灰黄、黄褐色细砂、粉砂和粘土组合,夹有少量沙砾石透镜体,剖面上向上粒度逐渐变粗,产有丰富的介形虫和植物碎屑化石或炭屑,同时还产有石膏晶体,表明其形成水体较浅,具有三角洲平原沉积特征。这些事实进一步表明,分布于郝家台地区的蔚县组、泥河湾组和郝家台组发育以三角洲相为主,三角洲相和湖泊相共同发育的沉积组合。然而,关于郝家台地区泥河湾组和郝家台组三角洲相和湖泊相沉积组合空间分布范围以及前三角洲相的出露位置,还有待于进一步进行区域性系统研究。特别是需要对泥河湾盆地不同地段露头剖面进行野外系统观察,结合古水流分析、古地磁资料、新生代构造变形以及盆地内已有钻孔和地球物理资料来综合研究,以查明泥河湾盆地沉积相时空变化,进而揭露泥河湾盆地演化历史、古环境变化与古人类演化之间的必然联系。杨小强通过对泥河湾盆地郝家台和东谷坨剖面沉积构造和古地磁综合分析认为,泥河湾盆地沉积物源主要来自于其NNW侧。王红强对东谷坨剖面的磁性特征研究认为磁组构的最大轴方位角指示物源主要来自于盆地NNW、SSE侧。本文对台儿沟东剖面古水流进行了野外测量和统计(图2),结果表明,上新统蔚县组沉积物源区位于泥河湾盆地NE侧,更新统泥河湾组和郝家台组碎屑沉积物来自于NE和NW两个方向,而泥河湾组底部约15m厚沉积物除了来自NE方向外,还有部分沉积物来自SSE方向物源区。这可能是由于区域性构造隆升导致盆地基底局部隆升所致。沉积物粒度分析结果表明,泥河湾盆地内“泥河湾层”自西向东从郝家台、小长梁到东谷坨一带具有粒度逐渐变粗特征,表明其