泥溪河盆地東部地區(qū)上新統(tǒng)曉氏組沉積組合特征

泥溪河盆地東部地區(qū)上新統(tǒng)曉氏組沉積組合特征

泥溝盆地位于河北省張家口市陽原縣桑干河流域。盆地東西長約80公里，南北長約15.20公里。盆地充填物主要為上新統(tǒng)和更新統(tǒng),以更新統(tǒng)為主,富含真牛、真馬等哺乳動物化石、軟體動物化石和植物孢粉等,并以眾多古人類文化遺址而聞名。該套組合長期以來被視為我國北方早更新世的標(biāo)準(zhǔn)地層,在我國第四紀(jì)地質(zhì)研究中居重要地位。前人對該套組合從不同方面進(jìn)行了詳細(xì)研究,尤其在古環(huán)境、古地磁、古生物、古人類、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,對于該套組合形成的沉積相研究相對缺乏,從而影響了華北地區(qū)第四紀(jì)古環(huán)境演化的深入研究。泥河灣盆地充填序列為一套新生代陸相沉積組合,因受河流切割和后期構(gòu)造作用的破壞,盆地充填序列在不同區(qū)段呈現(xiàn)不同巖性組合,嚴(yán)重影響了盆地沉積相空間變化特征研究。相對而言,泥河灣盆地充填序列露頭在盆地東部出露最佳。長期以來,泥河灣盆地的新生代充填物被稱作“泥河灣層”[5,7,9,27,29,32,33],并被認(rèn)為是以湖相為主的河湖相沉積組合[9,22,34,35,36,37]。我們在對陽原縣桑干河流域郝家臺地區(qū)系統(tǒng)野外研究基礎(chǔ)上,對該地區(qū)臺兒溝東剖面詳細(xì)的沉積相進(jìn)行分析,結(jié)果表明臺兒溝東剖面更新統(tǒng)主要為一套三角洲相沉積組合,上新統(tǒng)為一套濱湖、淺湖相沉積組合。這一認(rèn)識將為泥河灣盆地和華北地區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造演化研究提供基本地質(zhì)依據(jù)。1晉冀盆地基底泥河灣盆地位于大同—桑干河盆地的東部,為北東-南西向斷裂控制下的晚新生代山間盆地,該盆地西起晉冀交界的許家窯—侯家窯遺址,東至桑干河峽谷;其北側(cè)為熊耳山,南側(cè)為六棱山、鳳凰山(圖1)。盆地基底主要由太古宙變質(zhì)巖、元古宙碳酸鹽巖、寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)沉積巖以及侏羅紀(jì)—新近紀(jì)火山-沉積組合共同構(gòu)成1。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動頻繁,斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。2因地層中的小變形物質(zhì)組成的灰黑石組的沉積相臺兒溝東剖面位于河北省陽原縣化稍營鎮(zhèn)郝家臺南側(cè),距臺兒溝剖面東側(cè)約30m,剖面總厚近130m。我們在對臺兒溝和臺兒溝東剖面巖性精細(xì)對比基礎(chǔ)上,結(jié)合前人對臺兒溝剖面的研究結(jié)果,初步劃分了臺兒溝東剖面的時間序列和巖石地層單位。臺兒溝東剖面除最上部厚度為9.4m的馬蘭黃土和古土壤外,其下部約120m分別由更新統(tǒng)郝家臺組、泥河灣組和上新統(tǒng)蔚縣組共同構(gòu)成(圖2)。根據(jù)巖性組合特征,上新統(tǒng)蔚縣組可劃分為兩個巖性段:下段由黃、紅灰、灰綠、褐色厚層塊狀細(xì)砂、粉砂質(zhì)粘土、粘土等共同構(gòu)成,底沖刷面構(gòu)造、泄水構(gòu)造十分發(fā)育,偶見波紋交錯層理;上段由灰綠、棕黃、褐、灰、灰白色薄層粘土、粉砂等共同構(gòu)成,偶夾薄層細(xì)砂,發(fā)育水平層理。該套組合出露于剖面底部,在臺兒溝以東地區(qū)出露較好,并在下巖性段底部出露有灰、灰綠色塊狀粘土;在臺兒溝西側(cè)大道坡一帶則未出露。該套組合中產(chǎn)有大量魚化石、哺乳動物化石,并含有豐富炭屑。另外,該套組合在臺兒溝、洞溝、小水溝、稻地以及蔚縣盆地東窯子頭剖面中產(chǎn)有豐富的小哺乳動物化石Mimomysyouhenicus(游河模擬鼠)-Mesosiphneusparatingi(副丁氏鼢鼠)組合,并在紅崖、鋪路等剖面產(chǎn)有大量腹足類化石和瓣鰓類化石Lamprotula(麗蚌)(?)、Cuneopsis(楔蚌)(?)等,也含有Ochotonasp.(鼠兔屬)和Chardinomysnihewanicus(泥河灣日進(jìn)鼠)等。泥河灣組可劃分出4個巖性段:下巖性段以灰綠、灰、黃、褐色細(xì)砂、粉砂為主夾薄層砂礫石,發(fā)育板狀交錯層理、波紋層理、水平層理、平行層理,富含軟體動物化石。中下巖性段以灰、灰綠、褐色細(xì)砂、粉砂為主夾粘土和礫石透鏡體,發(fā)育交錯層理、水平層理、波紋層理;含豐富軟體動物化石和植物化石,在透鏡狀礫石層中產(chǎn)有大型哺乳動物化石(未定名);礫石礫徑一般為2～5cm,最大可達(dá)25～20cm。中上巖性段以灰、灰綠、黃綠、灰黑色粘土、粉砂質(zhì)粘土為主夾薄層砂,水平層理發(fā)育,偶見波紋層理。上巖性段為灰黃、黃、灰白色粉砂、細(xì)砂、粗砂和礫石層組合,剖面上向上粒度逐漸變粗,粗砂層底部發(fā)育底沖刷面構(gòu)造;該套組合中所含化石稀少,偶見嚙齒類動物及軟體動物化石(均未定名),但在臺兒溝剖面同一層位中產(chǎn)有大脊椎動物化石(未定名)和小哺乳動物化石Pitymyshintoni(辛頓松田鼠)、Allophaiomyscf.pliocaenicus[上新異費(fèi)鼠(相似種)]、Lasiopodomysp.robrandti(原布氏田鼠)和Microtusminoeconomus(小根田鼠)等。郝家臺組下部表現(xiàn)為灰黃、褐色粘土和灰黃色至棕黃色粉砂互層,夾有透鏡狀粗砂和礫石層,在粉砂層底部通常發(fā)育底沖刷面構(gòu)造;上部為黃、灰黃、黃褐色粉砂、細(xì)砂、粘土和灰、灰綠色粘土、粉砂質(zhì)粘土、粉砂構(gòu)成的韻律層,波紋層理在粘土和粉砂層中十分發(fā)育。粗砂、礫石、泥礫透鏡體在郝家臺組上巖性段中相對較為常見。整體上,在郝家臺組中鹽度較高,且含有石膏,在臺兒溝東剖面上可見大量膏鹽晶體。此外,臺兒溝東剖面郝家臺組中產(chǎn)有豐富的炭屑、軟體動物和介形蟲化石。3蘭黃土古土壤外土古地理野外系統(tǒng)觀察和室內(nèi)綜合分析結(jié)果共同表明,臺兒溝東剖面除了頂部分成馬蘭黃土和古土壤外,上新統(tǒng)蔚縣組和更新統(tǒng)泥河灣組、郝家臺組分別由湖泊相和三角洲相沉積組成,其中湖泊相可分為濱湖亞相和淺湖亞相,三角洲相可分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲亞相(圖2、3),具體特征如下。3.1色砂與粘土的構(gòu)造湖泊相見于臺兒溝東剖面底部蔚縣組,系一套灰、黃、紅等顏色粉砂、粘土交替出現(xiàn)并呈現(xiàn)明顯的韻律性特征的巖石組合,局部夾有砂礫透鏡體(圖3,4)。該套組合可分為濱湖亞相和淺湖亞相。(1)不同巖性的粗提物支持級為一套灰、黃、紅等雜色厚層塊狀粉砂和細(xì)砂組合,發(fā)育波紋層理及水平層理,為砂質(zhì)湖灘沉積(圖3a)。局部夾有含礫粗砂透鏡體,礫石以次圓狀硅質(zhì)巖為主,礫徑一般為0.2～1cm。多層發(fā)現(xiàn)由壓實作用形成的泄水構(gòu)造(圖4a),粘土層中含有泥礫(圖4b)。砂層厚度相對穩(wěn)定,局部可見脈狀或透鏡狀砂(圖4c)和泥質(zhì)楔入體(圖4d)。在該套組合中產(chǎn)有豐富的植物化石碎屑和炭屑(圖4e)、魚化石(圖4f)以及少量嚙齒動物化石和軟體動物化石。這些特征表明,該套組合形成于地形相對較緩的濱湖環(huán)境。(2)次抗風(fēng)險組合是由灰綠、棕黃、褐色、灰白、灰等不同顏色薄層粘土構(gòu)成的韻律層,僅局部夾有薄層粉砂和礫石。礫石為硅質(zhì)巖,次圓狀,礫徑多為0.5～1cm,最大可達(dá)2cm。該套組合以塊狀層理為主,局部發(fā)育水平層理(圖4g),偶見波紋層理。部分粘土層中可見大量直徑約10cm的粘土團(tuán)塊(圖4h)。軟體動物和介形蟲化石發(fā)育。該套組合以細(xì)粒級沉積為主,且層位穩(wěn)定并缺乏波紋層理,表明此段沉積水動力較弱,為平緩湖底形成的淺湖沉積。3.2粘土質(zhì)粉砂巖三角洲相是臺兒溝東剖面的主要沉積相類型,系一套以灰黃、黃褐色粉砂、細(xì)砂、粗砂為主的巖石組合,并含有少量灰、灰綠、黃綠、灰黃色粘土、粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂,整體構(gòu)成向上變粗的沉積序列?？偟膩砜?三角洲前緣和三角洲平原相對較為發(fā)育,沉積厚度較大,兩者總厚約100m,發(fā)育交錯層理、波紋層理、水平層理以及底沖刷面等沉積構(gòu)造。前三角洲則不發(fā)育,僅7m左右,沉積構(gòu)造不發(fā)育,以水平層理為主。前三角洲亞相及三角洲前緣亞相的部分層位僅見少量軟體動物化石和哺乳動物化石,三角洲平原亞相則化石種類十分豐富,可見大量炭屑、植物碎片、哺乳動物、魚,以及軟體動物、介形蟲等化石(圖2,圖3b)。(1)薄細(xì)砂砂、灰砂砂前三角洲亞相由灰、灰白、灰綠色粘土、粉砂質(zhì)粘土共同組成(圖3f),夾有薄層灰黃色粉砂、細(xì)砂(圖3g)。不同顏色粘土、粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂通常形成韻律層(圖5a),單層厚度一般為1～2mm,最厚可達(dá)10mm。剖面上,向上粒度增粗且砂質(zhì)層增多。該套組合發(fā)育水平層理,古生物化石稀少。(2)砂壩上白堊系河口砂壩三角洲前緣亞相主要由灰白、灰黃、棕黃色細(xì)砂至粗砂構(gòu)成,夾有少量粉砂、粘土層和含礫粗砂層。砂質(zhì)相對純凈,分選較好,發(fā)育末端砂壩、河口砂壩、水下分支流河道、支流間灣等四種微相。末端砂壩(圖2,圖3b、h)為一套由灰黃、棕黃色細(xì)砂、粉砂層夾少量薄層粘土組成。發(fā)育槽狀交錯層理、沖洗交錯層理(圖5b、c)和波紋交錯層理。同時,可見軟體動物化石碎片和嚙齒類動物化石。河口砂壩(圖2,圖3i),黃色、棕黃色細(xì)、中、粗砂沉積組合,砂質(zhì)純凈;垂向上具有上粗下細(xì)的反粒序結(jié)構(gòu)特征?？梢娚暗[石透鏡體和底沖刷面構(gòu)造,兩者常同時發(fā)育(圖5d、e);生物化石稀少。礫石有硅質(zhì)巖、灰?guī)r和泥質(zhì)礫等。泥質(zhì)礫磨圓好,礫徑0.2～0.5cm;硅質(zhì)巖和灰?guī)r礫石表現(xiàn)為次棱角狀-次圓狀,分選差,礫徑0.2～1.5cm,常與中、粗砂共同出現(xiàn),呈透鏡狀分布于巖層中,并具一定的疊瓦狀排列特征(圖5e)。板狀交錯層理、波紋層理、水平層理和塊狀層理發(fā)育。水下分支流河道微相(圖2,圖3c)為一套灰黃、灰白色細(xì)、中、粗砂和棕紅色細(xì)砂、砂礫石層組合。含礫砂層和礫石層多表現(xiàn)為透鏡狀,礫石主要為硅質(zhì)巖和火山巖。發(fā)育大型板狀交錯層理(圖5f)、小型板狀交錯層理(圖5g)、沖洗交錯層理、波紋層理、水平層理以及底沖刷面構(gòu)造,顯示較強(qiáng)且快速變化的水動力環(huán)境。沖刷面之上多為礫石層,向上多為板狀交錯層理中、細(xì)砂,小型板狀交錯層理、沖積交錯層理或波紋交錯層理細(xì)、粉砂,水平層理粉砂、粘土等,河道側(cè)向遷移特征明顯。軟體動物化石、介形蟲豐富。支流間灣微相以灰綠、褐、灰等顏色的塊狀粘土(圖5h)為主,含粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂。發(fā)育交錯層理,未見化石。(3)砂、粘土、砂、基主要巖性為分選差的黃、灰黃、灰綠、灰等顏色的砂、粘土等組合,粒級變化大,夾有少量砂礫石層。含豐富的植物碎片和軟體動物化石;發(fā)育交錯層理、波紋交錯層理?？煞譃檎訚伞⒌?、分支河道、分支間灣和天然堤5個微相。沼澤微相(圖2,圖3e)為一套顏色較深的深綠、灰綠、黃綠色至灰白色的粘土、粉砂質(zhì)粘土組合,夾薄層粉砂。其典型特征表現(xiàn)為,粘土或粉砂質(zhì)粘土交替發(fā)育,或呈互層狀,單層厚0.5～5mm,一般小于2mm,極少含有粗顆粒物質(zhì)。發(fā)育水平層理和波紋層理,紋層不穩(wěn)定而呈緩波紋或斷續(xù)發(fā)育(圖6a),未發(fā)現(xiàn)其他層理類型。植物碎片和炭屑極為豐富(圖6b),順層分布,為較淺水體環(huán)境的沼澤沉積。淡水湖泊微相以發(fā)育灰黃、灰綠、灰等顏色的粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土為主要特征。沉積物粒度細(xì),分選好,通常呈現(xiàn)連續(xù)過渡特征,野外難以從粒度上對其進(jìn)行區(qū)分(圖6c);同時也可見砂、粘土互層出現(xiàn),單層一般厚度不大(圖6d)。層理不發(fā)育。分支河道微相(圖2,圖3d、k)以灰黃色、棕黃色至褐色細(xì)砂、中砂、粗砂至礫石層組合為特征,夾厚1～2cm的含砂鈣質(zhì)結(jié)核。發(fā)育有板狀交錯層理、砂紋交錯層理、沖洗交錯層理(圖6e)、波紋層理、平行層理、水平層理及底沖刷面等構(gòu)造。礫石以硅質(zhì)巖為主,礫徑均小于3cm,分選、磨圓中等至較差;泥礫(圖6f)直徑約為1cm,分選、磨圓好。此外,可見鈣質(zhì)礫,直徑可達(dá)10～20cm,分選、磨圓極差。該套組合中化石種類豐富,除了大型哺乳動物(圖6g)、軟體動物和介形蟲化石外,還產(chǎn)有豐富的植物碎屑,為近源快速堆積。分支間灣微相(圖2和圖3j)為灰黃、黃、灰、灰綠色細(xì)砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粘土組合,偶見含砂礫石層,水平層理發(fā)育?？梢姴煌伾纳?、粘土互層,單層砂一般厚度約為3～5mm,粘土層厚度一般為5～20mm。砂礫石透鏡體發(fā)育(圖3j),并與粘土、粉砂層之間構(gòu)成清晰的底沖刷面構(gòu)造(圖6h)。含有少量軟體動物化石。天然堤微相(圖2和圖3l)以黃、灰黃色薄層砂、粘土質(zhì)粉砂,或灰、灰綠色粘土、粉砂質(zhì)粘土組合為特征。砂、粘土常形成韻律層(圖6i),并夾鈣質(zhì)透鏡體,可見石膏晶體(圖6j)。4巖相及物源區(qū)早期研究認(rèn)為,泥河灣盆地以發(fā)育湖相地層為主,夾有少量河流相沉積組合。Barbour在1924年首先提出泥河灣組是一套河湖相沉積組合。隨后,吳子榮等1980年根據(jù)巖性組合及其接觸關(guān)系、化石組合類型及其所代表的古氣候等因素,將泥河灣組分為3個層段:第一層段形成于湖泊形成時期,以充水期的急流相沉積為特征;第二層段形成于湖泊發(fā)育期,全部為湖泊相沉積;第三層段形成于湖泊萎縮期,以湖相-河流相交替沉積為特征。韓云生1982年則根據(jù)泥河灣盆地內(nèi)鉆井、剖面地層的巖性、巖相、電性等特征和所包含的軟體、微體古生物化石組合關(guān)系,提出“泥河灣組”以湖相為主,間夾河流相,湖泊邊緣間有湖沼相發(fā)育的沉積組合。近年來,部分學(xué)者對郝家臺一帶第四系露頭剖面進(jìn)行了大量研究,結(jié)果認(rèn)為該地區(qū)的更新統(tǒng)泥河灣組和郝家臺組是一套以湖泊相為主河流相為輔的沉積組合,且局部地段為三角洲相沉積。王云生、陳茅南等認(rèn)為,小渡口剖面某些層位的沉積物顆粒表現(xiàn)為上粗下細(xì)的反粒序沉積,具有波紋層理、水平層理,沉積物累積曲線以跳躍和懸移組分為主,幾乎無滾動組分,為濱湖相-三角洲相沉積,下沙溝等剖面某些層位亦具有類似的特征。同時,他們對小渡口、紅崖南溝剖面重礦物的研究,認(rèn)為剖面沉積物以近源堆積為主。楊小強(qiáng)認(rèn)為,郝家臺剖面底部發(fā)育有三角洲相,其巖石組合以淺褐色的粉砂質(zhì)粘土沉積為主,含鈣質(zhì)結(jié)核,夾含礫石粗砂透鏡體,平均粒度較小,礫石棱角狀、次磨圓,眾數(shù)值2～3cm,發(fā)育平行、包卷層理,沉積物磁化率和P、L值較大;沉積物累積曲線以跳躍和懸移組分為主。然而,在郝家臺地區(qū)臺兒溝東剖面上,蔚縣組表現(xiàn)為一套多種顏色的粘土、粉砂組合,局部夾有透鏡狀砂礫層,發(fā)育泥裂、泄水和滑塌構(gòu)造,并產(chǎn)有魚化石,呈現(xiàn)出典型的濱淺湖相沉積;泥河灣組則表現(xiàn)為不同顏色的細(xì)砂、粉砂、粘土組合并夾有透鏡狀砂礫石層,總體上具有下細(xì)上粗的沉積結(jié)構(gòu),發(fā)育板狀斜層理和豐富的底沖刷面構(gòu)造,并產(chǎn)有豐富的軟體動物、脊椎動物、小哺乳動物和植物化石,呈現(xiàn)出三角洲相沉積特征。郝家臺組主要表現(xiàn)為灰黃、黃褐色細(xì)砂、粉砂和粘土組合,夾有少量沙礫石透鏡體,剖面上向上粒度逐漸變粗,產(chǎn)有豐富的介形蟲和植物碎屑化石或炭屑,同時還產(chǎn)有石膏晶體,表明其形成水體較淺,具有三角洲平原沉積特征。這些事實進(jìn)一步表明,分布于郝家臺地區(qū)的蔚縣組、泥河灣組和郝家臺組發(fā)育以三角洲相為主,三角洲相和湖泊相共同發(fā)育的沉積組合。然而,關(guān)于郝家臺地區(qū)泥河灣組和郝家臺組三角洲相和湖泊相沉積組合空間分布范圍以及前三角洲相的出露位置,還有待于進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)域性系統(tǒng)研究。特別是需要對泥河灣盆地不同地段露頭剖面進(jìn)行野外系統(tǒng)觀察,結(jié)合古水流分析、古地磁資料、新生代構(gòu)造變形以及盆地內(nèi)已有鉆孔和地球物理資料來綜合研究,以查明泥河灣盆地沉積相時空變化,進(jìn)而揭露泥河灣盆地演化歷史、古環(huán)境變化與古人類演化之間的必然聯(lián)系。楊小強(qiáng)通過對泥河灣盆地郝家臺和東谷坨剖面沉積構(gòu)造和古地磁綜合分析認(rèn)為,泥河灣盆地沉積物源主要來自于其NNW側(cè)。王紅強(qiáng)對東谷坨剖面的磁性特征研究認(rèn)為磁組構(gòu)的最大軸方位角指示物源主要來自于盆地NNW、SSE側(cè)。本文對臺兒溝東剖面古水流進(jìn)行了野外測量和統(tǒng)計(圖2),結(jié)果表明,上新統(tǒng)蔚縣組沉積物源區(qū)位于泥河灣盆地NE側(cè),更新統(tǒng)泥河灣組和郝家臺組碎屑沉積物來自于NE和NW兩個方向,而泥河灣組底部約15m厚沉積物除了來自NE方向外,還有部分沉積物來自SSE方向物源區(qū)。這可能是由于區(qū)域性構(gòu)造隆升導(dǎo)致盆地基底局部隆升所致。沉積物粒度分析結(jié)果表明,泥河灣盆地內(nèi)“泥河灣層”自西向東從郝家臺、小長梁到東谷坨一帶具有粒度逐漸變粗特征,表明其