天水-秦安一带中新世黄土分布与演化

天水-秦安一带中新世黄土分布与演化

清代风沙的积累是中国洛杉矶高原的广泛发展。最近2.6Ma的第四纪黄土-古土壤序列是全球环境变化研究的重要记录。东部黄土高原晚中新世-上新世的风成红粘土为研究8.0～2.6Ma期间的环境变化提供了大量信息。黄土高原西部,保存有下界年龄可达22Ma的中新世黄土-古土壤序列;在合适的地貌部位,还保存了与三趾马红粘土同时代的晚中新世-上新世黄土-古土壤序列。近年来对更大区域的中新世黄土的年代地层学研究,不仅进一步证实了上述年代地层框架,而且揭示出中新世风尘堆积具有大范围分布的特征。已有研究表明,西宁地区的高阶地上,也保存有中新世14Ma以来典型的风尘堆积。自秦安地区的风尘堆积序列报道以后,其风成成因已从多个角度得到进一步证实。主要证据包括:1)数百层发育良好的古土壤及黄土层均具有典型的成壤特征1),因而是气下环境的有力证据;2)序列中(特别是黄土层)保存了壳体完整的旱生蜗牛化石,未发现任何水生和两栖种属,表明其是原地风尘堆积;3)持续约16Ma,厚达253m的序列一直以细粉砂为主,>63μm的颗粒最多占6.5%,基本不含>120μm的组分,中值粒径变化于6～14μm之间,不能用风力以外的任何其他沉积动力来解释;4)在大范围内岩性和磁性地层、磁化率等指标具有很好的空间可对比性,是风尘堆积所独有的特征;5)石英颗粒形态具有典型风尘沉积的特征;6)常量、微量、稀土元素地球化学组成与第四纪黄土和上地壳平均成分的一致性,表明粉尘物质来源于广阔源区,并高度混合,是源自大范围沙漠粉尘的特征。中新世时期的粉尘也为当时的河湖相沉积提供了大量细物质,使其在化学成分的若干方面与风尘堆积具有相似性。早在20世纪50年代,刘东生等通过对黄土高原大范围的沉积-地貌调查,获得了第四纪黄土堆积演化的详细认识,揭示了黄土高原不同类型沉积物之间的关系,为后来的气候和构造演化研究奠定了坚实的基础。然而迄今为止,对中新世黄土堆积区的沉积-地貌演化尚未进行系统研究。本文主要在近年来野外调查的基础上,结合已有年代地层学研究结果,对天水-秦安地区中新世黄土堆积的地貌背景、黄土堆积期间的地貌演化及其可能原因、黄土堆积与其他类型沉积物的关系等进行初步分析。这些内容属于黄土研究的基础地质工作,有益于进一步理解风尘堆积的发育历史,准确提取其中包含的各类环境信息,辨别构造和气候事件对堆积区沉积环境的影响。1新生代的沉积和古近纪财研究区位于青藏高原东北边缘(图1),商丹板块主缝合带沿武山-天水断裂将其分割为南北两个构造单元:以北地区属祁连山褶皱带,以南地区属西秦岭褶皱带。大量研究[19,20,21,22,23,24,25]表明,它们各自经历了不同的构造演化历史,构造特征差异明显。祁连山褶皱带源于志留纪末期的秦祁昆古海板块俯冲增生而形成。一些学者认为中生代至新生代初,本区处于剥蚀和准平原化阶段。而以南的西秦岭褶皱带,源于中、晚三叠世增生楔和扬子板块碰撞褶皱造山作用所形成,即现今的西秦岭山地。因此,天水和秦安地区一直属于两个不同的构造区,构造演化历史的不同,是二者在新生代的地貌演化和沉积历史不同的重要原因。进入新生代,本区经历了两次重要的构造事件:(1)古近纪早期,本区内发育近EW或WNW向断裂带,武山-天水断裂是主要活动带之一。秦岭沿断裂相对抬升,山前下沉形成断陷盆地(如甘泉盆地)。秦岭山地内也出现了一些小规模的断陷型山间盆地(如礼县-西和盆地)。差异运动导致秦岭山地的剥蚀,在上述山前和山间盆地堆积了厚层砂砾岩,在1∶200000天水幅地质图上标示为“E”砾石层。这套砾岩的砾石成分复杂,分选磨圆都较差,发育厚层层理,可见泥岩、砂岩透镜体;砾石有向山地变粗现象。上述特征表明它是古近纪秦岭山地抬升而在山前和山间盆地发育的冲洪积平原堆积。砂砾岩的厚度在甘泉一带可达600m以上,向北逐渐变薄(图2),宽阔的冲洪积平原与上述开阔的基岩准平原密切相关。说明当时天水-秦安地区主要为冲洪积平原地形。后期黄土堆积的正地形在当时尚未形成。前人将这套砂砾岩的时代确定为古近纪。由于其下伏于中新世黄土,也表明是古近纪沉积。(2)古近纪末-新近纪初是我国北方构造大变革时期。在天水-秦安地区,早期的北西向断裂重新活动导致古近纪冲洪积平原解体。中祁连隆起从华家岭向东南,经王甫梁至中山镇,形成一条NW-SE向的基岩台地,两侧为相对下陷的长条形盆地。天水以南的礼县与西和盆地是在古近纪盆地基础上发育的新近纪走滑拉分盆地,有关研究推测它们是东昆仑-秦岭断裂系左旋走滑活动所造成,并根据礼县-宕昌地区的新生代钾霞橄黄长岩的年龄来确定断裂活动年代。喻学惠等测得的该区新生代火山岩40Ar/39Ar年龄为22～23Ma,说明此时走滑断裂已开始活动。走滑断裂活动除导致拉分盆地的形成外,还导致走滑挤压山脊的发育。西和盆地与礼县盆地之间、礼县盆地与天水盆地之间,都有上述古近纪的砂砾岩被抬升,形成NW-SE向山脊而成为分隔这些盆地的分水岭。至此,在秦安地区,形成基岩台地和沉陷盆地相间的地貌景观;天水-西和地区形成拉分盆地与隆起山地交错的地形特征。这就是该区新近纪黄土堆积前的古地形面貌。2沉积类型及沉积特征研究区内包括中新世风尘堆积在内的新近纪沉积过去均被划归甘肃群,在1∶200000天水幅地质图上标示为Na和Nb,1∶200000秦安幅地质图上标示为N1,当时并未对其中的沉积类型进行详细研究和划分。实际上,甘肃群包含了多种成因类型的沉积物。野外调查表明,天水-秦安一带的甘肃群至少包含风成和水成两类沉积系列,其中包括原生黄土、次生黄土、河流相和湖相沉积等。不同沉积类型的分布与古地形密切相关。这种风成、水成沉积在空间上共存的特征,与第四纪的黄土高原是相似的。(1)中新世风环境特征古近纪形成的洪积平原解体后,基岩台地与山麓较平坦的部位,为风尘堆积的保存提供了良好的地形条件。因为秦安地区的基岩台地顶面为前述的基岩准平原面,黄土堆积在该区的保存更为完整。目前秦安一带发现的长序列典型风尘堆积均位于基岩台地之上,最完整的QA-I序列厚达253.1m,年龄为22.0～6.2Ma。中新世风尘堆积与第四纪黄土一样,披覆于方圆数百公里不同高程的、相对平缓的高地上。其向西北达到华家岭海拔约2400m的基岩面上,向南至礼县一带的山前高地,向东到庄浪县仁大乡约1400m高程的山坡上,以披覆形式覆盖于高差如此之大的基底地形,是黄土堆积的重要特征之一。但是,由于古地形和后期侵蚀程度的差异,各地黄土剖面的完整程度差异很大。就同时期的地层来讲,黄土粒度在北部的秦安地区偏粗,中值粒径变化于6～13μm之间,而在天水以南地区,除少数层位能达到这个粒级,多数则变化于6～9μm之间1),因而空间上具有北粗南细的变化特征,与第四纪黄土粒度的空间变化一致。(2)水成岩中结构层序原生黄土主要分布在前述的高地上,而黄土状土在高地周围的洼地或盆地分布最广,有时在盆地边缘作为风成黄土与水成沉积的过渡相出现,甚至与典型风成沉积、水成沉积互层。即便在典型黄土保存的高地上,因局部侵蚀导致的小范围黄土状土也时有出现,因其在低洼处堆积,有时夹杂一些洼地静水沉积。但多数分布范围小,均可通过平行探槽将其避开而不影响典型黄土序列的建立。实际上,被侵蚀的黄土区内,原生黄土与黄土状土在空间上共存,与第四纪黄土区的特征并没有什么两样。(3)杂色层及中的古土壤、浅湖相的分布时代及其古地理研究区内甘肃群的水成系列主要为一套河湖相沉积,主要分布于天水一带,除个别盆地外,一般最大沉积厚度为200m左右。该沉积部分层段以河流相为主,表现为含交错层理的砂砾堆积。有时其中发育褐红色的古土壤、淡色的砂砾层与褐红色的古土壤层相间,在远处看有些类似于黄土-古土壤序列中的黄土层与古土壤层的交替,但稍近观察可知这些浅色层却是砂砾岩。该套沉积的另一些层段以间歇性的浅湖相为主,为灰绿色亚粘土与褐色、棕红色、灰黄色亚粘土互层,每层厚0.5～1.0m左右,组成色彩明朗的杂色层。灰绿色层形成于静水环境,一般无薄层理,所以形成时水深较浅;褐色-灰黄色层是暂时性水流的堆积,较长时间处于氧化环境,有时可见较强的成壤特征。灰绿色与褐色层相间出现,反映了古水文的周期性变化。上述河流相为主的层段,无疑指示了一种非封闭式的水体环境;而杂色层及其中的古土壤指示一种不稳定的浅湖沉积环境,随着气候的周期性变化,浅湖时而干枯,时而出现。杂色层中含有坡缕石,具有脱色和吸附性能,矿产部门对其分布做过调查。我们确定的分布范围与前人结果基本一致(图3)。这套沉积主要分布于天水以南的盆地中,类似的沉积在天水以北的远门、莲花一带也有分布。虽然浅湖在多个小盆地内有所出现,但各自的范围均很小(见图3),说明当时杂色层发育时期的浅湖是相对独立而分散的小湖。盆地或洼地之间有基岩或古近纪洪积砂砾岩组成的分水岭相隔。从杂色层的岩性和分布特征可以断定,对应时期一直没有典型深水湖泊发育的条件,而且各个小盆地中杂色层的时代也需要详细的年代学研究。关于这套河湖相沉积的确切时代,过去一直没有系统的研究。近期深入的古地磁研究揭示出天水西北部尧店一带典型剖面的时代为11.67～7.43Ma。该套沉积在天水以南约30km一带也有较好出露,但向基岩高地侧向很快过渡为一套黄土状土与坡积物互层的堆积,下伏地层为中新世黄土-古土壤序列,二者之间有清楚的侵蚀面。古地磁研究确定典型黄土的古地磁年龄为15.4～11.0Ma1),指示该地的河湖相沉积下界年龄可能也在11Ma前后。上述结果均说明,天水地区这套河湖相沉积发育于晚中新世,与秦安地区典型黄土-古土壤序列的最上部属同期异相沉积。值得指出的是,在天水西南甘泉一带的断陷盆地内古近纪的洪积砂砾岩上,以不整合覆盖了一套厚约1000m的泥质岩夹砂砾岩的河流相沉积。由于目前缺乏深入的地层年代学研究,前人推测其可能为新近系。这套地层在研究区内仅见于甘泉盆地,有明显的变形,岩层倾角在10°左右。该砾石层从甘泉盆地的峡门村向北延续约13km,至渭河南岸的潘集寨形成高约200m的长墚状低山。而在渭河北岸,渭河支流牛头河切出的支沟中(距潘集寨不足10km),只出露厚200多米的新近纪河湖相地层,不整合覆盖于古近纪洪积砂砾岩之上,且没有明显变形。目前如果将甘泉厚达千米、明显变形的砂砾石层,与牛头河支沟出露的只有200余米的无明显变形的河湖相地层进行对比,会有很大的不确定性,它们完全有可能是不同时代的沉积。因此,甘泉盆地厚层砂砾石堆积的时代及其与本区其他地层的对比,尚需深入的年代地层学研究。(4)秦安地区右下湖内杂色层甘肃群的上部包含一套灰绿色或灰白色亚粘土,在1∶200000天水幅地质图上标示为Nb。这套沉积在研究区南部的天水、西和、礼县一带较厚,最大厚度可达50m左右,具水平层理,是一套较典型的湖泊沉积。分布地域与上述杂色层基本一致,以不整合超覆于黄土、黄土状土或上述晚中新世的河湖相沉积上。我们的调查未发现整合接触。在北部秦安地区,有类似水成沉积只零星分布于地形较低的区域。由于目前对这套沉积的时代还缺乏详细研究,进行空间上的地层年代对比尚有不确定性。但其在天水一带的一些地点覆盖于中新世晚期地层之上,因而应该是上新世,甚至第四纪初期的沉积物,与过去研究的风成三趾马红粘土、董湾的黄土-古土壤序列,甚至早第四纪黄土是同期异相沉积。3地貌历史的确定根据上述沉积的岩性、成因、分布特征、接触关系和年代学结果,可以较清楚地揭示它们之间的关系,并确定研究区地貌演化历史。从古近纪洪积平原解体,形成高地和低地相间的基底地形以后,研究区的地貌演化经历了以下几个大的阶段。(1)黄土-古土壤序列的初始堆积古近纪末-新近纪初不仅是我国北方的构造大变革时期,同时也是东亚地区环境大变革的时期。当时,我国古近纪的“行星风系主控型”的环境,转变为“季风主控型”环境[37,48,49,50,51,52,53]。东亚原有的与副热带高压相关的干旱带解体,而在大陆内部形成内陆型干旱区。在这个过程中,对内陆荒漠区(风尘源区)来说是一个干旱化的过程,而对季风控制区(包括黄土堆积区)来说,则因为季风环流的加强自然是一个湿润化过程。因此,“干旱化”和“湿润化”分别发生于不同的地区。这次重大事件发生于渐新世/中新世交界前后[37,48,49,50,51,52,53],与22Ma黄土堆积的起始时间具有较好的一致性。从22Ma开始直到约11Ma,研究区内高地上一直堆积黄土,并形成较连续完整的黄土-古土壤序列1)。在黄土-古土壤序列以下,往往发育一定厚度的黄土状土或具有坡地水流作用的坡地沉积。它们是风力搬运的粉尘降落于基底地形后,首先在坡地流水作用下填平小范围的地形起伏,当地面坡度广泛达到当时适宜粉尘堆积的坡度后,开始堆积典型的黄土-古土壤序列。野外调查还发现,一些地貌部位的黄土在此期间也有侵蚀,但总体上规模较小。与第四纪黄土区一样,这类小规模的侵蚀与相关堆积在典型黄土-古土壤序列附近有时就可以观察到,但因为其侧向延伸范围十分有限,可通过平行探槽将其避开而对建立典型黄土-古土壤序列不构成影响。该时期在高地以外的盆地或洼地中,主要发育黄土状土(或次生黄土)堆积。在天水以南地区到目前为止发现的典型黄土-古土壤序列的底界年龄为15.4Ma1),该区是否有更老的黄土堆积目前尚不清楚。特别值得指出的是,研究区内目前尚未发现22～11Ma时段内的典型河湖相沉积序列。因此,除次生黄土外,该区与秦安中新世黄土-古土壤序列主体所对应的同期异相沉积是什么,目前是不清楚的,需要做更深入的工作。就现有资料判断,该时期研究区的地貌景观可能与今天陕西一带的黄土高原很相似,区域排水系统良好,但不像今天的黄土高原那么支离破碎。(2)秦安中新世黄土-古土壤序列的侵蚀研究区内的黄土堆积在中新世晚期发生过一次较大规模的侵蚀。在天水以南地区,这次侵蚀最明显的表现是原有较平坦的黄土堆积地形被侵蚀成洼地,局部可侵蚀到下伏基岩面。洼地内部发育了前述的晚中新世河流相和浅湖相为主的河湖相沉积。而在洼地向周围高地的过渡部位,发育较厚的次生黄土,与下伏典型黄土-古土壤序列有清晰的侵蚀面。根据前述的河湖相沉积的底界年龄、及同期异相的次生黄土与下伏典型黄土-古土壤序列的古地磁年龄,该侵蚀期的起始时间大约为11Ma。从此,该区以黄土地貌为主的景观,变成了黄土堆积与洼地间歇性水体相间的地貌景观。从前述的河湖相沉积分布范围可以确定,这些洼地的规模均较小(见图3)。在天水以北地区,基岩台地上的黄土堆积此时也遭到侵蚀。野外初步估计有的部位切割深度可达100m左右,并且形成一些宽谷地形。侵蚀期结束后,宽谷的平坦部位或堆积风成黄土(如董湾),或堆积黄土状土,后者有时还夹有较薄的灰绿色洼地沉积。这些沉积与中新世黄土之间有清晰的侵蚀面(图4)。我们在秦安一带的调查中,发现一些地点保存有大型哺乳动物化石,这些化石均出自该侵蚀期以后洼地内堆积的次生黄土或洼地水成沉积中。而在侵蚀期以后的典型风尘堆积中,依然只有小哺乳动物化石,因为大化石的保存需要相对快速的埋藏过程,其相对富集也需要流水搬运;而黄土相对较慢的沉积速率很难使大化石得到完好保存。由于地貌部位的差异,不同地点遭到侵蚀的时间和程度是有差异的。在相对平坦的地貌部位,风尘堆积持续进行。秦安中新世黄土-古土壤序列在大约10Ma有侵蚀。向北至莲花一带,该侵蚀面表现为董湾晚中新世至上新世的黄土-古土壤序列下部与中新世黄土的不整合。从董湾剖面老于6Ma的地层中仍包含少量坡地流水作用的痕迹,至7Ma以下次生黄土更多,而6Ma以后为典型风尘堆积表明,本次侵蚀最晚大约到距今6Ma结束,但主要应在7Ma以前。因此,从大约距今11Ma开始到7Ma期间,是研究区发生较大规模侵蚀的阶段,但尚未形成今天的墚峁地形。在这段时间内,侵蚀作用是否可进一步划分为不同的次一级的侵蚀期,仍然需要进一步的研究。我们认为,这次侵蚀事件代表了晚中新世一期构造运动。一些学者认为青藏高原此时可能发生了较大规模的抬升。(3)湖泊发育的原因上节论述的地质图标示为Nb的典型湖泊沉积,代表了本区一次湖泊发育期。它主要出现于南部的天水、西和、礼县一带,在北部的秦安地区分布零星,并且1∶200000秦安幅地质图上并未标示。就南部湖泊沉积的特征来看,属较深湖水的沉积,不同于中新世时期的间歇性湖泊;但湖泊的范围仍然限制在晚中新世浅湖泊发育的盆地内(见图3)。本次湖泊发育的原因很值得研究,可能是构造运动引起的排水系统破坏,也可能是气候变化引起的。在一些地形相对较低的地点,该套湖泊沉积超覆于中新世黄土、黄土状土或上述晚中新世河湖相沉积上,表明这些先前形成的沉积在较低部位曾一度被淹没于水下。原有以黄土堆积和间歇性湖泊发育为主的沉积特征指示区域排水系统良好;而此时突然发育湖泊,为何排水不畅,河道堵塞?水源从哪里来?均是十分有意义的、值得进一步深入调查的科学问题。从湖泊主要分布于天水以南的秦岭褶皱带内来看,这次湖泊发育可能源于一次造山带内盆地的下陷。在研究区北部,董湾剖面的黄土-古土壤序列一直持续到3.5Ma,表明秦安地区地形较高的区域到上新世晚期仍然以黄土堆积为主。(4)侵蚀的形成与意义今天在天水-秦安一带的长墚状地貌,是晚上新世甚至第四纪初期才形成的。虽然中新世晚期的侵蚀已经使该区地形有一定起伏,但直到本次侵蚀以前,黄土堆积区的地面一直比较完整。本次侵蚀代表了西部黄土区一次很强烈的侵蚀,由于强烈的下切,此前形成的黄土堆积、河湖相沉积、次生黄土等均在侵蚀所形成的沟谷中出露,这就是一些区域在同一高度的不同部位,有时会有不同类型沉积物出现的根本原因。而长墚顶部具有相对一致的高度,代表了侵蚀前的相对平坦的地形的主体。本次侵蚀使新近纪沉积下伏的基岩也遭到切割(见图4),形成峡谷地形,估计一些部位的切割深度可达100多米。关于这次侵蚀的确切时代,目前由于缺乏相关沉积的年代地层研究而尚未确定。但从一些地区仍然保存有3.5Ma前的典型黄土-古土壤序列来看,它应当发生于3.5Ma以后,可能与前人命名的华北汾河侵蚀期相对应。因而应为上新世晚期,或第四纪初期。侵蚀形成以长墚为主的地形以后,由于缺乏宽阔平坦地面,使第四纪黄土堆积很难保存下来,这就是研究区第四纪黄土保存很差的根本原因。关于侵蚀的原因,目前尚难定论,可能主要受构造因素控制,也可能与气候因素有关,或二者共同作用。因为3.5Ma以后是北半球快速变冷、北极冰盖大规模发展的时期,也是青藏高原快速生长的时期。此时北半球变冷引起的气候–植被变化与构造抬升均可能引起大规模侵蚀。在第四纪时期,侵蚀持续进行,在基岩台地间的洼地和低地中形成三级河流阶地(见图4)。4沉积-地貌演化过程本文通过对天水-秦安地区新生代构造、沉积、地貌等基本资料的分析,可以将研究区沉积-地貌演化划分为以下主要阶