陸相沉積物風化強度與顏色成因探討

蔣昊原　夏燕青　劉善品　張喜龍　李繼永　王永超

關鍵詞 陸相紅層；風化強度；鐵元素化學種；四川盆地

第一作者簡介 蔣昊原，男，1995年出生，博士研究生，地球化學，E-mail： jianghaoyuan@nieer.ac.cn通信作者 夏燕青，男，研究員，E-mail： yqxia@lzb.ac.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

沉積物中的礦物組成、元素組成與母巖和古氣候密切相關，通常可以利用它們進行古氣候的重建，對揭示風化階段、化學風化強度、母巖風化作用的控制因素和古氣候環境具有重要指示作用[1?4]。沉積巖中廣泛存在的鐵元素對氧化還原條件變化十分敏感，對確定沉積物和巖石氧化還原條件十分有用[5?6]，同時其中的含鐵礦物可以使巖石呈現特定的顏色。而沉積巖的顏色是巖石簡單直接的標志之一，是鑒別巖石類型、劃分和對比地層及指示沉積期氣候環境變化的重要標志[7?9]。

碎屑巖顏色多半由含鐵化合物及游離碳等染色物質造成，同時主要可以分為兩個大類“紅色”和“灰色”[7]，紅色代表氧化環境，灰色代表還原環境；黃色—橙色、棕色、栗色、深紫色和紅色屬于“紅色”大類，通常是由巖石中的含鐵氧化物或氫氧化物染色的結果[10]，而深灰色—淺灰色、褐色、藍灰色、綠色屬于“灰色”類別，顏色通常隨有機碳或分散狀硫化鐵的含量增加而變深[7]。四川盆地陸相沉積物幾乎包含了所有顏色類型，區域內廣泛產出的紅色沉積物極廣泛用作古氣候、古地磁和地球化學指標，以往的研究通常認為不同顏色的沉積物分別代表炎熱干旱或寒冷的古氣候條件，這些顏色的變化與沉積或沉積后的氧化還原條件波動相關[11?14]。長期以來最為主流的觀點認為炎熱干旱的氣候條件下形成的氧化環境導致陸相紅層的形成，其紅色的形成與浸染狀氧化鐵即赤鐵礦的存在相關[15?19]。然而前人研究已經證實現代沙漠環境中紅色沉積物并不典型，同時在不同的沉積條件、氣候條件下仍發現可以形成紅色沉積物[2，20?23]。盡管已經證實紅色的形成與浸染狀赤鐵礦相關，但對于赤鐵礦的成因及其致色原理仍存在爭議。近幾年也有研究人員認為沉積物的顏色是構造和全球氣候循環相互作用的結果[21，24]以及陸相紅層的熱成因[25]。這些爭議的存在使得研究人員質疑單獨考慮沉積物顏色的變化是否可以作為古氣候變化的依據。

本文通過對四川省自貢市中侏羅統上沙溪廟組一剖面的系統分析與測試，基于巖石—礦物指標、地球化學指標及穆斯堡爾譜測試結果，揭示其化學組成特點及風化過程，探討沉積巖中總鐵含量和鐵元素化學種的分布與巖石特性及巖石顏色之間的關系，為陸相紅層的成因提供新的解釋方向。

1 地質背景

四川盆地位于中國西南部，面積為（18～19）×104 km2[26]，由幾個大型構造帶，包括西部的松潘—甘孜褶皺帶和龍門山逆沖帶，北部的秦嶺造山帶和米倉—大巴山逆沖帶，以及東南的雪峰山褶皺帶控制了該盆地的規模和形狀（圖1a，b）[27?28]，是在陸殼內擠壓應力作用下形成的多因素耦合形成的菱形疊合盆地。盆地基底為中晚元古代固結產物，中部為較硬的結晶基底隆起帶，西北、東南兩側為硬化程度較低的褶皺基底坳陷帶，主要為晚元古界淺變質巖。中三疊末期印支早幕及晚三疊末期印支晚幕兩期運動之后，四川盆地由被動大陸邊緣逐漸演化為具有擠壓構造背景的前陸盆地[29]，一系列構造運動使四川盆地侏羅紀沉積物具有早期較薄中后期較厚的特征。

侏羅紀早期以內陸湖相沉積為主，普遍發育暗色泥巖及灰巖；中侏羅統以河流、三角洲及湖泊沉積為主，巨厚紅層沉積；晚侏羅世末期由于燕山運動導致沉積中心由川西地區逐漸遷移至大巴山前緣地區，為沖積扇、扇三角洲沉積（圖1c）[28，30?31]。

四川盆地侏羅系地層典型的陸相紅層，自下而上包括：下統白田壩組（J1b）或對應的自流井組（J1z）；中統為千佛崖組（J2q），下沙溪廟組（J2xs）及上沙溪廟組（J2s）；上統為遂寧組（J3s）、蓬萊鎮組（J3 p）或對應的蓮花口組（J3l）。白田壩組主要為一套黃綠色、灰白色石英砂巖，夾細砂巖、粉砂巖和薄煤層，底部為較厚的石英質礫巖層，與下伏地層呈角度不整合接觸；自流井組分為四個巖性段分別為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段和大安寨段，珍珠沖段主要為紫紅色泥巖夾薄層石英砂巖，東岳廟段主要為黑色頁巖夾灰巖，馬鞍山段主要為紫紅色的泥巖及灰色粉砂巖構成，大安寨段為大套的介殼灰巖沉積；千佛崖組以雜色砂巖與泥巖互層為主，與下伏地層呈整合接觸；下沙溪廟組以大套長石砂巖或石英砂巖與紫紅色泥巖不等厚互層為特征，頂部為灰綠色泥、頁巖；上沙溪廟組為暗紫紅色泥巖，常含鈣質結核，砂巖變化較大，常與灰綠色至灰色砂質泥巖或泥巖呈多韻律組合，底部發育較厚的長石石英砂巖（四川省地礦局，1991）。前人通過對四川盆地侏羅紀地層樣品進行古地磁測試分析顯示沙溪廟組地層沉積時間約為175.6～163.6 Ma[32]，并通過對中侏羅統上沙溪廟組碎屑鋯石年代學研究結合區域資料認為其碎屑鋯石年齡與秦嶺—大巴地區地質體年齡相似，沉積物主要來源為秦嶺造山帶中生代中晚期陸內造山巖漿活動的產物[33]。

2 樣品與分析方法

本次測試的巖石樣品采集自四川省自貢市北高速出口附近（起點坐標為29°25′45″ N， 104°47′18″E；終點坐標為29°25′35″ N， 104°47′20″ E），為一處施工挖掘的新鮮剖面。該剖面顏色界線明顯，呈紅—灰綠—灰色厚層泥質粉砂巖、泥巖或細粒長石石英砂巖不等厚的韻律沉積（圖2a，b），新鮮樣品內部顏色均勻（圖2c為紅色樣品，圖2d為灰綠色樣品）。共采集不同顏色的上沙溪廟組樣品25件，其中泥巖樣品23件，砂巖樣品2件。將采集的巖石樣品風干，用瑪瑙研缽磨碎至200目以上。為了避免樣品污染以及樣品中原始鐵的變化最小，所有樣品均在干燥密閉的環境下保存。這些樣品粉末分別運用X射線衍射（XRD）、X射線熒光光譜（XRF）和穆斯堡爾譜來分析樣品的礦物組成、元素組成特征和鐵元素化學種。

樣品全巖礦物組成采用X 射線衍射儀進行分析，測試采用Cu靶，Kα輻射，X射線管電壓為40 kV，管電流100 mA。定向分析連續掃描速率為2°/min，采樣間隔0.02°。數據分析軟件采用MDI jade5 確定樣品礦物組成，根據衍射峰的峰面積計算各礦物相對含量。樣品的元素組成數據采用X射線熒光光譜儀（Axios，Holland），采用超尖銳陶瓷銠靶X射線光管，功率4 kW，管流160 mA，數據分析軟件為SuperQVersion 5.0測試樣品中元素種類和含量。鐵元素化學種測試采用中科院重點實驗室的Bench MB-500型穆斯堡爾譜進行分析，將大于200目的約200 mg新鮮全巖樣品裝入直徑16 mm、厚度1 mm的黃銅樣品架中，樣品架兩端用不含鐵的塑料封頭封閉，并在恒溫（273 K）的條件下測試，伽馬射線源為0.93GBq57Co/Rh[34]。利用標準線性擬合將測量的光譜擬合呈洛倫茲線型，擬合過程具有足夠小的卡方值和可靠的擬合度，設定四重峰的半峰寬和峰強度相等，異構體位移相當于金屬鐵箔的光譜的質心（56Fe>99.85%）[35]。

3 測試結果

3.1 全巖礦物特征

25個樣品全巖XRD測試數據顯示（圖3），中侏羅統上沙溪廟組泥巖及砂質泥巖主要由石英和黏土礦物組成，石英含量可達58.4%（平均42.6%），黏土礦物含量為12.0%～46.9%，方解石、鉀長石和斜長石平均含量分別為11.5%、2.4%和12.2%。不同顏色的巖石樣品礦物組成具有較為明顯的差異，灰綠色樣品中方解石平均含量為20.8%，黏土礦物平均含量為17.5%，赤鐵礦平均含量為0.2%；紅色樣品中相同礦物的平均含量則分別為9.0%、28.4%、3.5%；灰色樣品中相同礦物的平均含量則分別為12.7%、27.3%、1.9%。不同顏色的樣品具有相對不同的礦物組成，尤其是致色礦物赤鐵礦含量具有較為明顯的差異性（圖3d）。

3.2 全巖主量元素特征

分析結果顯示，所有樣品普遍以SiO₂的含量最高，平均值為57.89wt%，Al₂O₃、CaO、TFe₂O₃平均值分別為15.56wt%、3.94wt%和6.39wt%，MgO、K₂O、Na₂O平均值分別為2.94wt%、2.88wt%、1.25wt%，這幾種常量元素可占總量的90.82wt%（表1）。其中非紅層樣品與紅層樣品中的SiO₂含量相差不大（紅層樣品平均含量58.86wt%，非紅層樣品為54.05wt%），非紅層樣品中的Al₂O₃與TFe₂O₃含量相對較低（紅層Al₂O₃平均值為16.16wt%，TFe₂O₃=6.43wt%；非紅層樣品Al₂O₃平均值為12.99wt%，TFe₂O₃=6.24wt%）。巖石風化強度研究中常用基本未風化的上地殼（UCC）平均化學成分[36]含量進行標準化來分析地層元素淋溶遷移特征。將不同顏色的樣品計算平均值再標準化后的計算結果曲線（圖4）顯示：上沙溪廟組沉積物除Si、Al元素與上地殼平均化學成分相近之外，其他元素均出現了不同程度的偏移，Fe、Mg相對富集，Ca、K、Na元素相對虧損；同時，不同顏色的樣品偏移程度也有所不同。紅色樣品與全巖樣品元素含量特征基本一致，灰綠色樣品的Al、Mg、K元素明顯虧損且小于紅色樣品，Na元素虧損但高于紅色樣品，灰綠色及灰色樣品中的Ca元素明顯富集。

通過一些廣泛應用于評估化學風化強度的地球化學指數來對樣品進行計算分析，如化學蝕變指數[37?38]（CIA=molar（Al₂O₃）/molar（CaO* +Al₂O₃+Na₂O+K₂O）*100%，CaO*代表硅酸鹽礦物中的CaO，采用文獻[39]提出的方法進行校正）、化學風化指數[40]（CIW=molar（Al₂O₃）/molar（CaO* +Al₂O₃+Na₂O）*100%）、風化淋溶系數[18]（Ba=（CaO+K₂O+Na₂O+MgO）/Al₂O₃，氧化物同為分子摩爾數）、退堿指數[41]（（NaO+CaO）/Al₂O₃）、黏土化指數[42]（Al₂O₃/SiO₂）、殘積指數[36]（（Al₂O₃+Fe₂O₃）（/ CaO+Na₂O+MgO））。計算結果顯示（表1）：四川盆地上沙溪廟組剖面CIA指數具有從下至上逐漸降低的趨勢，變化范圍為56.6～75.3，紅色泥巖為66.2～75.3，平均值為70.3，灰綠色泥巖平均值為58.5，灰色泥巖平均值為62.6；CIW指數和CIA指數特征相似，紅色泥巖平均值為0.82，灰綠色樣品為0.65，灰色樣品為0.71；Ba指數和退堿指數具有從下向上逐漸增大的特征，紅色樣品Ba指數最低（1.14），灰綠色樣品為1.92，灰色樣品為2.22。退堿指數同樣紅色樣品最低，為0.26，灰綠色樣品為0.78，灰色樣品為0.75。由下至上剖面黏土化指數和殘積指數逐漸降低，紅色樣品（黏土化指數平均值為0.27，殘積系數平均值為2.38）均略大于灰綠色（黏土化指數平均值為0.26，殘積系數平均值為1.34）和灰色樣品（黏土化指數平均值為0.23，殘積系數平均值為1.19）。

3.3 全巖鐵元素化學種特征

挑選新鮮的紅層泥巖樣品以及不同顏色的巖石樣品進行穆斯堡爾譜測試，測試結果見圖5，在灰色與紅色泥巖樣品中均出現了兩組雙線峰（D1、D2）和一組六線峰（Sextet），但綠色樣品中僅出現了兩組雙線峰。詳細的穆斯堡爾譜數據見表2。

如圖5所示，D1雙峰具有較小的同質異能位移（IS=0.32～0.37 mm/s）和四級分裂（QS=0.49～0.64 mm/s），其參數特征應屬于順磁性高自旋三價鐵para-Fe³⁺或低價態含Fe硫化物（黃鐵礦）[43]。前人研究表明para-Fe³⁺可能為黏土礦物或水合氧化鐵中的三價鐵[35，44]，結合XRD數據則應代表蒙脫石或其他黏土礦物中的Fe；D2雙峰具有較大的四級分裂（QS=2.59～2.75 mm/s）和同質異能位移（IS=1.10～1.16 mm/s），這個雙線分裂是由于八面體配位的順磁性高自旋二價鐵para-Fe²⁺的貢獻，其參數值與黏土礦物（綠泥石和富含綠泥石的沉積物）的穆斯堡爾譜參數值十分相近[45?47]；六線峰Sextet 的IS 值為（0.35～0.48 mm/s）、QS值為（-0.26～-0.04 mm/s），結合超精細場（Bhf）為（50.7～51.5T），同時常溫下只有赤鐵礦可以產生磁分裂，結合其穆斯堡爾譜參數可以判定六線吸收峰代表赤鐵礦中的三價鐵[48?49]。

樣品中鐵元素化學種的含量略有不同（圖5h），紅色、灰色巖石樣品中以氧化態三價鐵為主（紅色樣品為76%～87%；灰色樣品為69%），灰綠色泥巖中則主要為還原態的二價鐵（55%～60%）。紅色泥巖樣品中的三價鐵主要為赤鐵礦中的三價鐵（39%～59%），顏色越深的巖石樣品中代表赤鐵礦中的鐵元素化學種含量越高。

4 討論

4.1 風化強度特征

地球化學元素在化學風化過程中的遷移能力存在明顯差異。K、Na、Ca、Mg等較為活潑的堿金屬元素容易被淋溶而出，Si、Al、Ti等相對穩定的元素富集在殘留相中[37，50]。此次研究樣品的UCC標準化曲線特征顯示所有樣品均存在不同程度的風化作用，紅色樣品Si、Al、Fe含量相對最高，Ca、Na虧損較大，表明經歷了更強的化學風化。為了消除擾動因素的影響以及放大元素指標的意義，通常采用元素含量的加和及比值進行推斷。CIA指數實際反映了含鋁硅酸鹽礦物尤其是長石風化為黏土礦物的程度，在上地殼化學風化作用過程中，Ca、Na、K元素會逐漸從長石中析出，其值越高越表明物源區受到的風化作用越強[37，39，51]。前人研究成果表明，由于成巖作用的鉀交代作用會導致沉積物沉積區的K元素比物源區母巖中的K元素含量高，因此為了排除成巖作用過程中鉀交代作用增加的K元素干擾，將CIA指數中的K₂O排除，計算得到CIW指數[40]，CIW值越高表示物源區風化程度越強。四川盆地中侏羅沉積物計算結果顯示，CIA與CIW曲線基本一致（圖6），表示沉積物成巖過程中基本未受到鉀交代作用的影響；磷灰石裂變徑跡研究顯示，四川盆地中晚侏羅世以慢速沉降為主，沒有發生抬升—再沉積作用，同時沉積環境并未發生重大變化，故沉積分異、再旋回作用對上沙溪廟組CIA指數影響不大[28，52?53]。非紅層沉積物灰綠層與灰層CIA指數明顯低于紅層樣品，表明紅層樣品物源區受到的風化作用最強，風化強度由剖面下部向上逐漸減弱。

A-CN-K 圖解（Al₂O₃-CaO* +Na-K₂O）常用于反映化學風化趨勢及風化過程中的主成分及礦物學變化[37]。將計算得到的結果投入該圖解中（圖7），可以看出所有樣品幾乎位于同一化學風化趨勢線上，化學風化趨勢指向近似平行于A-CN邊，具有未發生鉀交代作用的泥質巖風化趨勢，表明Ca、Na斜長石由于穩定性較差已經大量風化分解，鉀長石也有初步分解[54]。沿趨勢線方向灰綠色樣品—灰色樣品—紅色樣品風化強度依次增強，與CIA風化指數顯示一致。同時，源巖風化產物以伊利石和蒙脫石為主，尚未達到以高嶺石為主的程度。

利用元素在風化作用過程中不同的地球化學特征進行參數指標計算，并對以上觀點進行驗證。風化淋溶指數（Ba）反映活性組分與惰性組分之間的關系，比值越小越表明活性組分被淋溶出的程度越高，化學風化作用越強[18]；退堿指數利用Al₂O₃在風化作用中較為穩定的特性，其比值越小指示化學風化作用越強[41]；殘積系數一般用于反映沉積物成壤強度的變化情況，其值越高指示Al、Fe元素殘積較多，活性組分Ca、Mg、Na受到的淋溶作用越強，化學風化作用越強[36]；在風化作用過程中，鋁硅酸鹽礦物逐漸轉變為黏土礦物，使Al₂O₃含量升高，SiO₂含量相對降低，因此，其比值可以用于衡量物源區的風化作用，比值越高反映風化作用越強[42]。這些風化參數指標計算結果顯示與CIA和CIW具有相同的特征，證明非紅層樣品風化強度明顯低于紅層樣品。

4.2 基于鐵元素化學種變化特征紅層成因識別

相比于海相沉積物，陸相沉積物一般總鐵含量更高，且以三價鐵為主。由于三價鐵相對于二價鐵化學性質更穩定，陸相沉積物源區中風化的含鐵礦物通常為三價鐵，并一般經過長距離的遷移搬運[8]，同時源巖的風化產物經過搬運和快速沉積之后，高價鐵更不易遷移。當水體為氧化環境時，高價鐵等高氧化狀態的化合物更加穩定，淺湖沉積物中通常含有較高含量的赤鐵礦；當水體為還原環境時，特別是溫暖潮濕的環境中，高價態的化合物容易經過還原作用轉化為低價態，故深水環境中Fe常呈二價與大量有機質共存導致樣品呈黑色，所以在氧化條件下，鐵能夠得以保存，而在還原條件下鐵的遷移能力加強，可能導致鐵的流失[8，55]。綜上，沉積物中的鐵元素化學種可以指示元素遷移情況及原生沉積環境。

綜合分析四川盆地中侏羅統樣品及前人研究成果表明，沉積物的顏色等特征與沉積環境的改變有著密切的關系[28，31，56?57]。本次研究所采集的不同顏色樣品中鐵元素化學種的變化特征表明，由于沉積環境的變化，在整體為氧化環境的特征下間歇性出現還原環境，表現為紅色樣品中為三價鐵，灰、綠色樣品中為二價鐵，即灰綠色泥巖為還原環境，灰色泥巖為過渡階段但整體偏氧化，紅色泥巖則為氧化環境。野外樣品產出情況表明四川盆地中侏羅統紅層呈單層產出，上下層接觸界限明顯（圖2a，b），新鮮樣品內部顏色鮮艷均勻（圖2c，d）；紅層中Fe和Al含量呈線性相關（圖8a），表示紅層中Fe元素的來源主要是陸源輸入，但指示碎屑來源的Al、Si等化學元素在不同顏色的樣品中并沒有明顯差異，說明碎屑來源大體相同，因此紅色泥巖樣品中的赤鐵礦應為自生且呈細小分散狀出現在樣品中，與大洋紅層中同沉積—成巖早期階段形成的原生赤鐵礦[17，58?60]類似。蔡元峰等[17]通過詳細研究菱錳礦、鮞狀赤鐵礦和菱錳礦及鮞狀赤鐵礦混合物的可見光吸收光譜的一階導數譜，發現結晶越差的鮞狀赤鐵礦染色能力越強。而含鐵礦物為巖石中最主要的致色因素之一，如赤鐵礦呈紅色、針鐵礦呈棕黃色、氫氧化鐵常呈棕紅色等[61]。XRD 測試結果顯示測試樣品中未發現菱錳礦（圖3a），且長石、含錳方解石一般呈肉紅色或淺紅色、玻璃光澤，與新鮮面呈深紅—紫紅色且主要為金屬光澤不符（圖2c）；結合赤鐵礦含量認為：Fe元素價態的不同為樣品呈現不同顏色的主要原因，且致色礦物主要為赤鐵礦。

自然界中的鐵以Fe²⁺的形式存在于主要礦物（硅酸鹽為主）中，易在低pH值的酸性環境中經風化作用釋放到環境[62]。Fe元素在四面體或八面體晶型中常以不同的二價和三價形式存在于層狀硅酸鹽結構之中，或以可交換陽離子形式出現在片狀黏土礦物及氫氧化物夾層中或吸附在礦物顆粒邊緣，或以鐵氧化物的形式出現在黏土礦物表面[63]，當溫度升高、發生陽離子交換作用甚至懸浮在水中時都會使蒙脫石中的Fe²⁺氧化。穆斯堡爾譜參數顯示para-Fe²⁺為綠泥石中的Fe²⁺，para-Fe³⁺為蒙脫石中的Fe³⁺，mag-Fe³⁺為赤鐵礦中的Fe³⁺。為更好地識別樣品中鐵元素化學種的變化情況，將其含量與相對應樣品測得的Fe元素含量相乘。從圖8b中可以看出，紅層樣品中隨赤鐵礦Fe（mag-Fe³⁺）含量逐漸增多黏土礦物中的Fe（para-Fe²⁺；para-Fe³⁺）含量逐漸減少。曹珂等[64]通過對四川盆地中侏羅黏土礦物分析測試結果顯示上沙溪廟組黏土礦物組合以蒙脫石和伊利石同時出現并交替占據優勢，蒙脫石類型以Al蒙脫石為主；同時前人研究成果表明，成巖作用初期或在地表溫度下的季節性風化過程中，蒙脫石發生伊利石化時，環境中的Al元素會將Fe和Mg離子從蒙脫石結構以及層間置換出來[65]；灰色及灰綠色樣品的交替出現表示當時可能并不缺乏有機質，而在酸性或富有機質環境中Al蒙脫石會轉變為高嶺石[66]，這一過程同樣會導致蒙脫石中的Fe³⁺置換至環境中，與其他陰離子結合最終脫水形成赤鐵礦。

因此，紅層中形成赤鐵礦的Fe離子可能不只來源于盆地附近的變質火成巖基底和酸性火成巖[30， 67]，還可能包括源巖風化作用形成的黏土礦物中經由二次化學風化遷移出的Fe元素，在環境中氧化形成無定型的氫氧化鐵，脫水或老化形成針鐵礦或纖鐵礦。由于泥頁巖滲透性較差，成巖作用完成時會形成相對封閉的環境，以上過程應發生在沉積作用后不久。這種情況的出現同時表示形成紅層時具有更強的風化條件，綠層等非紅層形成時的風化程度較小，因此源巖風化形成的綠泥石等礦物能夠保存在非紅層之中。

4.3 不同顏色沉積物的成因探討

與海相紅層相比陸相紅層，形成時的沉積環境更加多樣，吸引著研究人員的興趣。大量前人研究成果表明陸相紅層是炎熱干旱氣候作用形成的，但也有部分研究人員認為在其他氣候條件中仍可以形成紅色的陸相沉積物，因此近年來在沉積物顏色和氣候變化之間的關系做了越來越多的工作。Einsele[68]認為陸相紅層是潮濕炎熱的熱帶氣候作用的結果，但這種現象在現代沙漠中并未大量出現，同時已經有研究人員證實許多紅色沉積物并非由于炎熱氣候形成[69?70]。Middleton et al.[71]將陸相紅層分為原生、次生作用和成巖作用形成紅層，Turne[72]通過礦物學、巖石學和粒度分析認為陸相紅層致色作用發生在沉積作用之后，在干旱和潮濕的熱帶氣候之中均有陸相紅層出現的記錄，單純依據赤鐵礦礦物的存在不能對古氣候條件進行解釋。研究人員曾認為陸相紅層的形成是由于老紅層的風化和再沉積作用[73]，Walker[70]認為由于陸相紅層中存在大量的鎂鐵質礦物及巖屑導致沉積物呈現紅色；Duiel et al.[74]提出了紅層形成依賴的幾種條件，以及只有結合古生物資料與氣候預測模式相比較，才能解釋古氣候的觀點；Jiang et al.[25]將黑色泥漿進行加熱使其轉變為紅色，進而提出了中國陸相紅層的熱成因；最近幾年也有大量研究人員提出埋藏成巖作用導致的紅層致色的觀點[7，12，75?76]；Sheldon[22]通過對現代紅色沙漠的沉積物顏色成因進行討論，認為其紅色的形成與沉積物的來源和具有良好排水條件密切相關。因此，研究人員認為陸相紅層成因主要歸因于沉積物的埋藏成巖作用、物源風化產物的繼承色以及炎熱潮濕或炎熱干旱的環境，這三種成因之一起到主導作用。

沉積巖中的赤鐵礦來源于盆地邊緣火成巖或變質巖中含鐵硅酸鹽的風化，鐵離子進入水系當中形成水鐵礦，最終脫水老化形成[10，77]。高溫和短期降水能夠促進赤鐵礦形成，長期的高溫干燥環境及短期濕潤的整體為蒸發量大于降水量的干旱環境更利于赤鐵礦生長，因為赤鐵礦的形成需要足夠的水分使礦物發生化學風化，同時水分含量降低，可以促進脫水[5，62]。圖3d赤鐵礦含量變化特征顯示非紅層樣品赤鐵礦含量明顯低于紅層樣品，但不同顏色的樣品中Fe 元素含量并未出現明顯差異（紅層TFe₂O₃=6.43wt%；非紅層樣品TFe₂O₃=6.24wt%），表明環境變化導致的赤鐵礦含量不同是沉積物呈現不同顏色的主要原因。

曹珂等[64]利用黏土礦物特征作為氣候指標對四川盆地古氣候條件進行研究，認為四川盆地在中侏羅世早中期以干冷為主的半干旱氣候，晚期一個極短時間轉變為干冷，至早白堊世逐漸轉為暖濕；王權偉等[78]利用孢粉組合認為沙溪廟組整體氣候較為干旱涼爽；其他研究人員通過中侏羅世恐龍化石及地層中的分子化石建立氣候指標，認為四川盆地整體屬溫濕氣候，但中侏羅至晚侏羅期間存在干冷的氣候條件。因此，上沙溪廟組形成時的整體氣候條件應為相對干冷的氣候條件，這一氣候背景與本次測試計算得出的CIA值平均在70左右相符[51]，而這一氣候條件又與陸相紅層的成因條件不符。對于認為隨時間和埋藏溫度的升高導致碎屑或黏土礦物表面的針鐵礦脫水氧化形成赤鐵礦的觀點，由于古近系和新近系的紅層埋藏溫度并未達到轉化的界線，這一觀點目前仍存在爭議。同時，四川盆地周圍物源區缺乏形成大規模紅層的物源區[33， 79]，因此中侏羅世沉積物紅色并非來源于風化產物的繼承色。

前文中的討論已經得出，不同顏色的樣品連續出現表示氧化還原條件的連續變化，這代表著當時的古氣候條件也是高頻變化的。在有氧水生系統中，氧化性化學物質更加穩定。另一方面，隨著氧化還原條件變得更具還原性，三價鐵將轉化為亞鐵。對于水生沉積物，深水通常適合還原條件，在該條件下，亞鐵化合物將占主導地位，并與有機物結合。總而言之，四川盆地中侏羅世紅層的形成應為自生色，周期性的變紅與沉積環境中的氧氣波動相關，是一種蒸發大于降水或降水大于蒸發交替變化的氣候。由于水面的頻繁變化導致風化作用增強，加速Fe元素從硅酸鹽或黏土礦物中遷移出來。當環境整體處于蒸發量大于降水量的沉積環境時，由于水平面的降低導致沉積物處于更易氧化的條件下，形成無定型的自生赤鐵礦；而當降水量大于蒸發量時形成較為穩定的相對的深水環境，這種相對封閉的還原環境由于化學風化程度相對較低導致樣品中的總鐵含量相對較低，同時由于沉積環境氧化性相對較弱，形成了灰綠色的巖層，灰綠色可能代表沉積物的原始顏色。

5 結論

（1） 四川盆地中侏羅統上沙溪廟組紅色樣品的出現主要由于較高含量的赤鐵礦，控制樣品顏色的主要因素是不同形態的Fe元素化學種；不同顏色的樣品風化強度差異明顯，紅色樣品受到的風化作用最強，灰綠色及灰色樣品相對較弱，紅層樣品Ca、Na斜長石由于穩定性較差已經大量風化分解，鉀長石也有初步分解。

（2） 紅層樣品中形成赤鐵礦的Fe元素可能來自源巖風化與受到二次化學風化的黏土礦物。

（3） 沉積物呈現不同顏色的原因需要結合多種因素綜合考慮，紅色的形成不能簡單歸因于炎熱干旱的氣候條件。

致謝 衷心感謝中科院西北生態環境資源研究院張彩霞老師和馬向賢老師在XRD 測試和穆斯堡爾譜測試中提供的悉心教導，衷心感謝孟強老師在野外工作中的大量幫助。同時，對審稿專家與編輯老師提出的寶貴建議，表示最誠摯的謝意！