陜西寶雞金陵河盆地下白堊統(tǒng)和尚鋪組礫石統(tǒng)計及地質(zhì)意義

趙 雨，樊雙虎，2，孫澤文

1. 長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2. 國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室，陜西西安 710054

0 引言

礫石組構分析包括礫度分析、礫態(tài)分析以及礫向分析[1-2]。依據(jù)礫石層的測量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析，可以得出外營力性態(tài)與礫組特征的相關性和規(guī)律性[3]。金陵河是渭河北岸（左岸）一較大的一級支流，發(fā)源于隴縣以南，貫穿整個金陵河盆地，穿越寶雞市區(qū)注入渭河。金陵河盆地位于陜西省寶雞市北部，陜、甘、寧三省區(qū)結合部位，屬于六盤山盆地的一部分。前人對六盤山盆地和尚鋪組地層做了大量研究，六盤山白堊紀地層最早是由謝家榮命名為隴山系，1925年安特生、袁復禮將隴山系改名為六盤山群，銀川石油勘探處將六盤山群自上而下劃分為乃家河組、馬東山組、李洼峽組、和尚鋪組及三橋組[4-5]。關于其中的和尚鋪組，付國斌、李興亮等[6]認為主要出露在六盤山盆地的主峰以及火石寨一帶，屬于河流相沉積，但屈紅軍等[7]認為主體上為河流—湖泊沉積體系，在盆地邊部以沖積扇和河流沉積為主。對于物源的研究主要是通過地層對比的方式，而劉俊偉[8]通過統(tǒng)計古水流玫瑰花圖，結合對礫石的分析得出盆地南部物源主要來自其西側(cè)和南側(cè)的祁連—秦嶺造山帶；馬凱[9]結合研究區(qū)東南部復雜的古流水流向和礫石成分資料，對其物源進行分析，認為研究區(qū)南部的秦嶺—祁連構造帶以及其東部的華北地臺是主要的物源區(qū)。雖然前人對六盤山群和尚鋪組做了大量的研究，但對于位于六盤山盆地南東段的金陵河盆地的具體研究較少，因此論文對金陵河盆地和尚鋪組礫巖進行組構分析，通過統(tǒng)計分析來判斷盆地沉積相、物源以及大地構造特點，為全面了解六盤山盆地沉積物的古水流特征，分析沉積物源提供資料，對盆地的演化發(fā)展有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

金陵河盆地東西向分別被兩條大的斷裂控制，南西側(cè)為桃園—龜川寺斷裂，北東側(cè)為固關—虢鎮(zhèn)斷裂，在區(qū)域上位于華北板塊與秦—祁—昆中央造山帶結合部位，具體位于華北板塊西部的鄂爾多斯地塊與秦—祁造山帶的結合部位。區(qū)域上以金陵河斷裂為界，北部為鄂爾多斯地塊，南部為秦祁造山帶。新生代形成的六盤山隆起及渭河盆地橫亙在秦祁造山帶與鄂爾多斯地塊之間[10]（圖1）。六盤山隆起的前身是六盤山盆地，于晚三疊世—早白堊世發(fā)生伸展斷陷，晚白堊世收縮隆起，缺失了上白堊統(tǒng)[4，11]。

圖1 金陵河盆地區(qū)域構造位置及礫石統(tǒng)計測點位置圖（改自參考文獻[10]）Fig. 1 Tectonic background of Jingling River Basin and outcrops for gravel statistics

金陵河盆地位于六盤山隆起的南東段，早白堊世發(fā)生伸展斷陷形成了斷陷盆地，沉積了下白堊統(tǒng)三橋組（K1s）和和尚鋪組（K1hs），盆地的基地為祁連造山帶東段的隴山地塊，于晚白堊世收縮隆起，造成了下白堊統(tǒng)三橋組和和尚鋪組巖層發(fā)生了傾斜變形，形成了總體向北東東方向傾斜的單斜構造，其上被第四系黃土覆蓋，二者之間缺失了上白堊統(tǒng)—上新統(tǒng)。由于三橋組只在盆地以北少部分出露，所以只對和尚鋪組進行研究。

1.1 區(qū)域地層概況

金陵河盆地基底為古元古界隴山群、寒武系、奧陶系及中志留—早泥盆世葫蘆河群沉積組成，沉積蓋層屬于六盤山地層區(qū)，僅出露下白堊統(tǒng)，包括兩個巖組，下部為三橋組（K1s），上部為和尚鋪組（K1hs），上白堊統(tǒng)缺失，在下白堊統(tǒng)之上覆蓋了第四紀的黃土沉積物。

古元古代隴山巖群分布于陜西隴縣以西，沿隴山山脈和陜甘接境地帶[12]，金陵河盆地內(nèi)露頭較少，僅在隴縣沙河溝附近發(fā)現(xiàn)露頭，主要是混合巖相片麻巖和混合花崗巖。寒武系分布在金陵河盆地東側(cè)，隴縣一帶，主要出露三山子組（?4s），在隴縣東縣路北出露的三山子組為深灰色臭灰?guī)r，斷面臭味明顯。奧陶系出露在金陵河盆地西北邊界，主要為馬家溝組（O2m），巖性以厚層狀碳酸鹽巖為主，在鶴家莊附近出露的馬家溝組巖性主要為厚層白云巖。中志留世—早泥盆世葫蘆河群主要出露在盆地北東側(cè)，隴縣以南地區(qū)，根據(jù)巖石組合劃分為碎屑巖組合和火山巖組合。碎屑巖組合主要由淺變質(zhì)砂巖、泥巖和碳酸鹽巖組成。火山巖組合片理化凝灰?guī)r、火山角礫巖、火山集塊巖和熔巖。

盆地沉積蓋層為白堊系和第四系。下白堊統(tǒng)三橋組主要為一套紫紅、灰紫色厚層、塊狀復成分礫巖。三橋組在縱向上，礫石成分自下而上由簡單至復雜，粒度由粗變細，單層厚度由厚變薄，顏色由深變淺，礫石磨圓度由差變好，長石砂巖夾層由少變多，層理由不清楚變清楚，三橋組在金陵河盆地內(nèi)露頭較少。和尚鋪組與下伏三橋組呈整合接觸。在涼水泉村金陵河兩岸出露的和尚鋪組比較完整，因此在此處實測剖面（圖2）得到和尚鋪組的底部以紅色—棕黃色砂巖和泥巖為主（圖3左），中部為褐紅色礫巖、砂巖和泥巖互層（圖3右），上部為暗紅色細礫巖夾砂巖和泥巖。在和尚鋪組上覆蓋了第四系黃土沉積物。

圖2 涼水泉和尚鋪組實測剖面（引自參考文獻[10]）Fig. 2 Basic sequence of Heshangpu Formation in Cold water springs village

圖3 和尚鋪組礫巖（左）和砂質(zhì)泥巖與砂巖互層（右）（引自參考文獻[10]）Fig. 3 Conglomerate （left） and sandy mudstone and sandstone interbedded （right） in the Heshangpu Formation

1.2 沉積特征分析

金陵河盆地三橋組底部以粗碎屑巖為主，礫石直徑約為8～10 cm，棱角狀為主，分選性和磨圓度較差，礫石雜亂排列，為洪積相沉積，此時盆地開始裂陷。中部發(fā)育明顯的韻律層，礫巖層和砂巖層互層，主要為河流相，在其上部沉積了厚層的暗紅色砂巖，屬于三角洲相沉積，盆地上部沉積了灰色砂質(zhì)泥巖，為湖相沉積，說明此時地殼下降，沉積了厚層泥巖。

三橋組沉積后，沉積范圍擴大，沉積了和尚鋪組，在盆地以北，盆地中心以及盆地以南均有出露，固關、徐家莊和縣功鎮(zhèn)一帶和尚鋪組底部以紅色—棕黃色砂巖和泥巖為主（圖4a），發(fā)育塊狀層理，水動力條件較弱，為濱湖亞相沉積。和尚鋪組中部為褐紅色礫巖、砂巖和泥巖互層（圖2右，圖4b），并向上變細層序，發(fā)育水平層理（圖4c）和交錯層理（圖4d），沉積厚度約9 m分布，粒徑為1.5～2 cm，礫石含量向上逐漸減少，分選較差，盆地西部總體較東部粗。在泥質(zhì)砂巖中，有鈣質(zhì)結核，屬于河流相沉積。上部為暗紅色細礫巖夾砂巖和泥巖（圖4e、圖4f），發(fā)育水平層理、塊狀層理，為濱湖亞相沉積。和尚鋪組在盆地內(nèi)露頭較多，為砂泥礫石互層，主要表現(xiàn)為湖相和河流相交互沉積。

圖4 金陵河盆地地層野外露頭特征Fig. 4 Outcrop characteristics of the layer of Jinling River Basin

2 礫石組構分析

由于和尚鋪組中部褐紅色細礫巖、砂巖和礫巖互層在金陵河盆地出露范圍較廣，所以在此層中選取具有代表性的和尚鋪組地層礫巖出露點6個（表1），每個測點統(tǒng)計面積不小于1 m2，在此區(qū)域內(nèi)選取100個礫石[13]，對實測礫石的粒徑和傾向進行統(tǒng)計。

表1 金陵河盆地和尚鋪組礫石層采樣點描述Table 1 Description of gravel layers in sampling sites of the Heshangpu Formation in Jinling River Basin

2.1 粒度分析

粒度分析是指礫石的大小、分選狀況以及在分布區(qū)域內(nèi)的變化趨勢[14]。礫石的大小變化與水動力大小以及流程相關，搬運礫石越大，水流速度越大；流程越遠，礫石大小越均勻，但也必須兼顧其他各種有關因素的影響[15-16]。礫度分析的目的在于推斷礫石層在沉積時的流水動力學狀況。野外測量礫石的長軸（a軸）、中軸（b軸）和短軸（c軸），三者各取其相適應的最大距離[17]。

在野外用游標卡尺測量得到每個礫石的3軸粒徑（a、b和c），根據(jù)公式：

從表2數(shù)據(jù)可得到，各測點的平均粒徑（ ）范圍在1.52～2 cm之間，差值較小。中值粒徑范圍在0.53～1.98 cm之間，平均粒徑比中值粒徑大差值在0.05～1.01 cm之間，表明沉積的礫巖主要以細礫巖為主，細礫巖的百分含量較高，礫度比較分散。分選系數(shù)越大，分選作用越差，水流越不穩(wěn)定。從測點數(shù)據(jù)看出1、2、3、5號測點分選系數(shù)較大，說明測點處礫石分選較差，水流不穩(wěn)定，4號、6號測點分選系數(shù)均小于1，分選較好水流穩(wěn)定。

表2 金陵河盆地和尚鋪組礫石層采樣點描述Table 2 Description of gravel layers in sampling sites of the Heshangpu Formation in Jinling River Basin

對于礫巖（石）層的成因，已經(jīng)有一套比較統(tǒng)一的認知方法[18，20-21，29]（表3）。標準偏差表示沉積物的分選程度，即反映顆粒的分散及集中狀態(tài)。根據(jù)所得標準偏差數(shù)據(jù)，數(shù)值范圍在0.71～3.29之間，范圍很大，4號測點標準偏差小于1，相對其他測點而言水動力條件更加穩(wěn)定，分選較好，指示河流成因，D1、D5、D6測點1<σ<2，指示沖擊扇成因，D2為沖擊扇成因。各礫石層的偏度Sk均為正值，范圍在0.27～0.61之間，指示礫石為沖擊層；峰度Kg（峰度值越大峰越尖，越小越平坦）在0.92～1.34之間，D1、D2、D3、D5峰值大于1，表現(xiàn)為窄峰，指示流水沉積，D4、D6峰值略小于 1，表現(xiàn)為中等峰度，指示冰磧礫石沉積。

表3 幾種常見沉積類型粒度特點Table 3 The granulometric features of several common sedimentary types

礫石軸徑頻率分布曲線可以大致反映每個測點礫石礫度的分布特征、分選和均勻程度等[22]，因此從a軸頻率分布直方圖（圖6）分析可得：①各礫石層礫石 a 軸粒徑跨度較大，范圍在 0.7～8.5 cm之間；②頻率分布曲線呈雙峰及多峰，屬于不對稱正偏態(tài)曲線，說明屬于多物源沉積，指示河流沖擊沉積；③粒徑較大的礫石頻數(shù)較少，分布較分散，D3、D4和D6測點a軸粒徑分布較均勻，其余各測點分布較分散且在一些粒徑范圍內(nèi)沒有分布，頻率分布柱狀圖指示礫石經(jīng)歷中短距離的搬運。

圖6 金陵河盆地礫巖層a軸頻率分布直方圖Fig. 6 The histogram map of a-axon size-frequency distribution of the conglomerate layers of Jinling River Basin

總的來說，盆地礫巖層礫度分布比較分散，以細礫巖為主，分選性不好。結合區(qū)域地質(zhì)特征，排除冰磧成因，這些特征表明金陵河盆地和尚鋪組礫巖層主要為河流主導的沖積扇相沉積。

圖5 金陵河盆地各測點a、b、c三軸累計頻率曲線圖Fig. 5 The accumulative frequency diagram of a，b，and c axles in each measurement point at Jinling River Basin

2.2 礫態(tài)分析

礫態(tài)包括扁度、球度和磨圓度。這三個參數(shù)雖不能對沉積環(huán)境提供直接的線索，但也能夠幫助說明沉積物的特征從而進一步了解沉積層的成熟程度。計算公式為：

磨圓度：P=（∑nQ/N）25%（a、b和c表示礫石的三軸長度，n為級數(shù)，Q為對應級數(shù)的礫石個數(shù)，N為礫石的總個數(shù)）[23-24]。搬運距離越遠球度值就越高，扁度值也會相應變低；磨圓度的百分數(shù)越大，表示磨圓度越好[25]。

根據(jù)表4分析得到，球度F沉積范圍在0.91～1.65之間，分布較集中，3號測點最大，4號測點最小；各礫石層在2.02～2.24之間，分布比較集中，3號測點最大，4號測點最小。磨圓度P的范圍在52.9～71.67之間，1號測點磨圓較差，其他磨圓度較好，說明經(jīng)歷較長距離搬運，冰磧物成因礫石磨圓較差（16.75～36）[26]。由此可排除冰磧物成因。對比前人冰磧和河湖相的φ/F值，D4、D6測點符合河流相沉積特點，其余測點/F值均小于河湖相，由于各礫巖層的礫態(tài)系數(shù)分布較集中，說明一致性特征明顯，推斷礫巖層在成因上具有相似性，礫石的磨圓度中等，結合地質(zhì)演化特征，應為不穩(wěn)定河流沖積物成因。

表4 金陵河盆地各測點礫態(tài)特征Table 4 The psephitic features of each measurement point in Jinling River Basin

2.3 礫性分析

金陵河盆地礫石成分復雜，主要以花崗質(zhì)巖和變質(zhì)巖為主，還含少量石英巖及硅質(zhì)巖等。花崗質(zhì)巖最大平均含量為66.5%，變質(zhì)巖次之（片麻巖及少量其他變質(zhì)巖類）平均含量為24.33%，石英巖的平均含量為11.67%，砂巖和硅質(zhì)巖含量較少。各測點礫性分析結果表明：各測點的礫石巖性成分簡單，以花崗質(zhì)巖與變質(zhì)巖為主（圖7），推測來源于盆地以外，鄰近秦嶺—祁造山帶大量發(fā)育花崗質(zhì)巖和變質(zhì)巖[27]，推測物源應來自于盆地南部秦嶺—祁連造山帶。礫石中含少量砂巖，由于盆地北東側(cè)鄂爾多斯南緣隆起主要為石灰?guī)r和砂巖，所以推測砂巖來源于鄂爾多斯南緣隆起地區(qū)。

表5 金陵河盆地各測點礫性特征Table 5 Gravel compositional features of each measurement point in Jinling River Basin

2.4 礫向分析

礫向是指礫石扁平面（ a-b 面） 的產(chǎn)狀要素，礫石原始平面優(yōu)勢指向可反映古河道方向與礫石來向[28]。礫石的排列方位能很好的反映古水流的一些特點，通常礫石a-b面傾向于河流上游。金陵河盆地巖層大致向北東東向傾斜，傾角一般為10°～15°。所以，野外露頭上測得的礫石 a-b 面產(chǎn)狀在室內(nèi)需要經(jīng)過地層產(chǎn)狀校正，繪制不同位置礫石最大扁平面（a-b面）傾向玫瑰花圖（圖7），分析玫瑰花圖的特征。由圖可知測點D2、D4、D5傾向西北方向，D1、D3、D6傾向東南方向，D1古流向較為復雜，其他測點古流向較為簡單。礫石在河水推動下，其長軸總是平行于水流方向，礫石的最大扁平面傾向于上游，玫瑰花圖表明研究區(qū)物源主要來自盆地的東南以及西北方向，結合礫性分析以及前人的研究推測[7-9]盆地和尚鋪組礫石來源于盆地西北部祁連造山帶，以及盆地東南側(cè)秦嶺—祁連造山帶。

圖7 金陵河盆地古流向特征（改自參考文獻[29]）Fig. 7 Characteristics of palaeocurrents directions in Jinling River Basin

3 結論

（1）金陵河盆地下白堊統(tǒng)和尚鋪組礫巖礫組分析結果表明，礫巖礫石成分相對簡單，主要為花崗質(zhì)巖和變質(zhì)巖。礫度、礫態(tài)分析參數(shù)反映礫石球度F范圍在0.91～1.65之間，扁度值φ在2.02～2.24之間，磨圓度P的范圍在52.9%～71.67%之間，礫石磨圓度中等、風化程度低、分選性較差，各礫巖層平均粒徑均大于中值粒徑，細礫巖所占比較大，礫巖層形成時期介質(zhì)水動力不強，礫石屬不穩(wěn)定流水環(huán)境下的近—中距離搬運。礫向研究表明可能有多個古流向，但以北西向和南東向為主。

（2）金陵河盆地是一個呈北西—南東向展布的陸相斷陷盆地，早白堊世地殼拉張斷陷背景，礫巖的沉積特征記錄了重要的物源信息。根據(jù)下白堊統(tǒng)和尚鋪組礫巖的礫向分析結果，認為盆地和尚鋪組物源主要來自盆地的北東和南西部，綜合分析推測盆地礫石來源于盆地南西側(cè)秦嶺—祁連造山帶以及盆地北東側(cè)的鄂爾多斯南緣隆起中三疊系—侏羅系砂巖。由于金陵河盆地下白堊統(tǒng)和尚鋪組礫巖層的主要物質(zhì)來源是秦嶺—祁連造山帶，說明此時秦嶺—祁連造山帶地勢高于金陵河盆地，礫石中大量的花崗質(zhì)巖及變質(zhì)巖說明深層物質(zhì)出露遭到風化剝蝕，證明秦嶺—祁連造山帶在早白堊紀處在隆升階段。