0 引 言

受地幔柱或深部热隆起的控制，以及燕山运动远程应力的影响^[1]，早白垩世祁连地区为伸展构造背景，形成了一系列断陷盆地^{[2, 3, 4, 5, 6]}，并沉积了特征迥异的早白垩世地层^{[7, 8, 9, 10]}。前辈学者对祁连山地区进行了许多卓有成效的研究，并在沉积盆地充填^{[11, 12, 13, 14, 15, 16]}和构造演化^{[17, 18, 19, 20, 21, 22]}等方面取得了丰硕成果。研究白垩纪祁连山隆升过程及沉积学响应，对理解青藏高原的形成及环境效应具有重要意义^[23]。兰州盆地下白垩统层序地层序列，由特殊的沉积相单元组成，是早白垩世祁连山隆升过程的沉积学响应，可以为早白垩世东亚大气环流格局的重建提供重要物质记录。

在上游控制的河流环境中，层序演化主要受构造抬升和气候变化控制，无法准确建立与海侵沟蚀过程或强迫型海退过程的对比关系，给传统层序模式的应用带来很大挑战。但是，非常规体系域概念的引入在一定程度上解决了该问题，即“低容纳空间体系域”(LAST)和“高容纳空间体系域”(HAST)^{[24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32]}。河流构架单元比例的变化是区分LAST和HAST的重要标志，LAST阶段以发育聚合河道沉积为特征，而孤立河道沉积序列则代表了HAST阶段的产物^{[24, 30]}。虽然兰州盆地下白垩统的层序地层序列还存在更加复杂的构造与气候的响应机制，但是这种非常规体系域的划分理念基本适用于研究区的层序地层划分。

研究区位于中祁连隆起带上，北临北祁连褶皱带，南接南祁连褶皱带(图 1)。实测了古浪十八里铺和河口镇两个下白垩统剖面，地层出露良好，虽局部受断层破坏严重或第四系黄土覆盖，但总体序列清楚，是研究下白垩统的有利地区。

1.断裂；2.走滑断裂；3.前侏罗系；4.侏罗系；5.下白垩统；6.上白垩统；7.新生界；8.地名；9.剖面位置。Ⅰ.古浪十八里铺剖面；Ⅱ.河口镇剖面。 图 1 兰州盆地构造图(A)及地质简图(B) Fig.1 Sketch of tectonic map(A) and geological map(B) of Lanzhou basin

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古元古代末期，兰州盆地地区发生了区域动力热流变质作用，形成了构成阿拉善地块结晶基底的敦煌岩群^[7]。在中寒武世早期发生裂解，于晚奥陶世末期碰撞成山，并在志留纪发育前陆盆地。至泥盆纪，区内进入造山和强烈剥蚀阶段，并在石炭纪初期发展到准平原化程度；在石炭纪和二叠纪，区内基本为伸展环境，发育山间断陷含煤地层，并且在三叠纪演变为准平原化，仅在部分地区接受山麓相粗碎屑沉积^[2]。1999年葛肖虹等^[33]指出，受中特提斯洋关闭的影响，区内在侏罗纪发生造山运动，造成泥盆系、石炭系和三叠系卷入推覆和逆冲构造中。侏罗纪末期，冈底斯地块与北方大陆碰撞拼接，造成祁连山隆升，并在山前形成一系列断陷盆地^{[7, 8, 9, 10]}。

李麒麟等^[34]通过对兰州-民和盆地层序格架的分析，对研究区早白垩世盆地演化过程和构造演化特点耦合关系进行了详细阐述。早燕山运动晚期，印度板块持续向北俯冲，造成祁连、秦岭褶皱带内相互碰撞，产生的离散作用使研究区基底再次活动并发生走滑运动，导致盆地南北缘发生断裂断陷，形成断陷盆地；早白垩世中期，离散作用进一步加强，强烈的走滑运动使盆地基底沿南缘基底断裂下滑，形成一系列与之垂直的盆地同生拉张断裂，盆地规模持续扩张；早白垩世晚期，受中燕山运动的影响，盆地整体抬升，逐渐缩小，并在早白垩世末期完全抬升为陆，结束了盆地的演化史^[34]。

河口镇剖面白垩系包括3个组，从下往上依次为赤金堡组、下沟组和中沟组，主要为一套黄褐色和紫红色碎屑岩地层。通过野外露头观察和室内综合分析，根据岩性组合和沉积构造特征，笔者将河口镇剖面下白垩统碎屑岩地层进一步划分为冲积扇、辫状河、曲流河、湖泊和干旱湖泊5种相类型。

冲积扇相地层主要由灰色或红色块状中细砾岩组成，夹少量砂岩透镜体或透镜层(图 2A和B)。砾石大小不一，多为2~5 cm，最大可达10 cm，分选性和磨圆度较差，杂基支撑结构，多为厚层块状。

A.冲积扇相地层；B.冲积扇相地层局部放大；C.辫状河相地层及下伏滨浅湖亚相地层，被三级层序界面分开；D.辫状河相地层；E.辫状河泛滥平原沉积；F.辫状河河道砂体。 图 2 冲积扇和辫状河相沉积特征 Fig.2 Characteristics of alluvial facies strata and braided facies strata

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辫状河相地层主要由灰色或红色厚层含砾粗砂岩或砂质砾岩与中薄层泥质砂岩互层构成的韵律层组成(图 2C-F)。下部含细砾粗砂岩或砂质砾岩单元层厚一般在80~130 cm，发育冲刷面，冲刷面之上富集砾石和粗砂(图 2F)；上部泥质砂岩单元层厚一般在10~30 cm(图 2E)。

曲流河相沉积主要由灰色或红色中厚层中细粒砂岩与中厚层砂质泥岩互层构成的韵律层组成(图 3A)。下部砂岩单元层厚30~70 cm不等，少数可达1 m，发育冲刷面，冲刷面之上富集细砾石和粗砂；上部砂质泥岩单元层厚一般在30~50 cm。

A.曲流河相地层；BD.滨湖风成砂岩，颗粒被铁质泥套包裹，发育钙质胶结物，D.为单偏光镜下。 图 3 曲流河和滨湖相风成砂岩沉积特征 Fig.3 Characteristics of meandering river facies strata and lakeshore aeolian sandstone

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兰州盆地下白垩统湖泊相地层普遍发育，主要包括滨湖亚相风成砂丘、滨浅湖亚相和半深湖亚相。研究区白垩纪风成砂岩主要为滨湖风成砂丘，由砖红色及桔红色厚层块状交错层理中细粒砂岩组成，单元层厚80~180 cm，部分可达到2.5 m，部分可见大型交错层理，为典型的风成砂岩(图 3B-D)。这些砖红色风成砂岩胶结疏松，主要为中细粒砂岩，具有典型的“小米种子(millet seed)”结构^[35](图 3C)，是炎热干旱气候背景下的产物。岩石组分主要为泥套包裹的石英颗粒，磨圆和分选较好，钙质胶结物发育(图 3D)。滨浅湖亚相沉积主要由灰色或红色中薄层中细粒砂岩或泥质砂岩与厚层砂质泥岩互层构成的韵律层组成(图 4A)。下部泥质砂岩单元层厚10~30 cm，发育波状交错层理，局部见河道相中粗粒砂岩透镜体和透镜层；上部砂质泥岩单元层厚70~90 cm，局部可以观察到泥裂。半深湖亚相沉积主要由灰色块状砂质泥岩组成，夹少量泥质砂岩透镜体和透镜层(图 4B)。

A.滨浅湖亚相地层；B.半深湖亚相地层；C.干旱湖泊相厚层块状粉砂质泥岩；D.干旱湖泊相泥岩，可见石膏残余。 图 4 湖泊相和干旱湖泊相地层特征 Fig.4 Characteristics of lacustrine strata

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干旱湖泊相沉积，主要由砖红色块状粉砂质泥岩组成，夹泥质粉砂岩透镜体或透镜层，部分可见石膏残余(图 4C和D)。

十八里铺剖面的下白垩统河口群，位于古浪县城南部约30 km的十八里铺村一带，下白垩统由厚上千米的河口群所组成，与下伏的奥陶系变质岩系地层呈角度不整合接触，其顶部为第四系角度不整合覆盖。

古浪十八里铺剖面的下白垩统河口群，自下而上可以识别出5个三级层序(S.1S.5)，都由低可容纳空间体系域和高可容纳空间体系域两个非常规体系域组成(图 5)。三级层序界面为滨浅湖亚相或干旱湖泊相细碎屑岩地层向冲积扇相或辫状河相粗碎屑岩地层转变的不整合面(图 2C)。

图 5 十八里铺剖面下白垩统河口群的沉积相序列及层序地层划分 Fig.5 Sequence stratigraphic division of Lower Cretaceous Hekou Group in Shibalipu section

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古浪十八里铺剖面河口群下部地层包含3个三级层序(S.1S.3)，LAST由冲积扇相、辫状河相和曲流河相粗碎屑沉积物组成，而HAST由滨浅湖和干旱湖泊相细碎屑沉积物组成。其中，仅在第一个三级层序S.1底部发现大套厚层块状灰色及杂色冲积扇相砾岩，砾石大小在2~5 cm，最大可达15 cm，次棱角状至次圆状，主要成分为板岩、燧石和石英岩，砾石之间充填大量砂质物，表现出杂基支撑的特征。这套杂基支撑的砾岩可以解释为席状洪水形成的碎屑流沉积，其中粒径较大的颗粒以底负载的形式搬运，而较细的砂质沉积物可能以悬浮的方式移动^{[35, 36]}。砾岩层中发育间歇性河流形成的交错层理砂岩透镜体。冲积扇相砾岩层向上逐渐过渡为河流相地层。辫状河河道沉积由灰紫色厚层块状砾岩或含砾粗砂岩地层组成，发育交错层理和冲刷面，冲刷面之上充填细砾和粗砂；灰色中薄层砂泥质地层构成河漫滩沉积，可见少量砂岩透镜体。从下往上粒度总体变细，河道沉积中砾岩逐渐消失，演变为砂岩地层，并且河漫滩细碎屑地层逐渐变厚，过渡为曲流河相沉积。沉积地层发生上述转变，是河流能量逐渐降低的物质表现，并且随着时间推移，粒度进一步变细，最终演变为湖泊相砂质泥岩地层。古浪十八里铺剖面河口群下部地层的顶部发育20 m左右的干旱湖泊相地层，主要由砖红色及桔红色黏土质泥岩组成，夹泥质粉砂岩透镜层，可见石膏透镜体。

古浪十八里铺剖面河口群上部地层主要为一套红层沉积，组成两个三级层序S.4和S.5，LAST由冲积扇相和辫状河相粗碎屑沉积物组成，而滨湖风成砂岩和干旱湖泊相地层构成了HAST。冲积扇相厚层块状砾岩分选性和磨圆度很差，砾石多为5~12 cm，在棱角状至次棱角状的砾石中充填了大量的砂泥质物，为洪流搬运的快速堆积产物。叠加在冲积扇相砾岩层之上的为辫状河相地层，主要由砖红色厚层块状含细砾粗砂岩、中薄层泥质砂岩和砂质泥岩3个岩石单元构成的韵律层组成，发育交错层理及冲刷面，冲刷面之上富集细砾石。在LHST的冲积沉积体系向HAST的湖泊沉积体系的转换过程中，常发育风成砂岩地层，组成了干旱气候条件下较为典型的滨湖风成砂丘沉积，与干旱湖泊相泥岩和砂质泥岩共同构成了河口群上部层序的HAST单元，代表更加典型的干旱气候背景下的沉积作用特征。

河口镇剖面位于兰州市河口镇附近，为白垩系河口群的命名剖面，地层发育齐全、出露较好，虽然受后期构造运动破坏较为严重，断层比较发育，但是地层序列总体比较清楚，由于第四系覆盖，未见河口群底部地层和顶部地层。河口镇剖面的白垩系河口群，自下而上可以识别出5个三级层序(S.1S.5)，都由低可容纳空间体系域和高可容纳空间体系域两个非常规体系域组成(图 6)。

图 6 河口镇剖面下白垩统河口群的沉积相序列及层序地层划分 Fig.6 Sequence stratigraphic division of Lower Cretaceous Hekou Group in Hekouzhen section

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河口镇剖面河口群下部地层主要由砂泥岩组成，厚度超过1 000 m，构成低可容纳空间体系域的粗碎屑沉积物所占比例逐渐降低，高可容纳空间体系域细粒砂泥岩比例逐渐增加，显示出一个向上总体变细的地层序列。河口镇剖面河口群下部地层可以识别出3个三级层序(S.1S.3)，它们具有相似的层序构架特征：1)低可容纳空间体系域由灰红色辫状河相含砾砂岩和砂质泥岩地层组成，向上砂岩层逐渐变薄；2)高可容纳空间体系域主要由灰红色滨浅湖亚相和半深湖亚相砂质泥岩组成，总体向上逐渐变厚。

河口镇剖面河口群上部地层主要由砂泥质细碎屑地层组成，厚度超过500 m，识别出的2个三级层序S.4和S.5，都不发育低可容纳空间体系域；高可容纳空间体系域的底部都由深红色滨湖相风成砂岩组成，向上逐渐过渡为滨浅湖亚相和干旱湖泊相地层。

兰州盆地位于走廊盆地之东，白垩系河口群可以根据岩石组合特征分为河口群下部和河口群上部两部分，为一套以红色为主的沉积地层，河口群上部以发育大量风成砂岩地层而区别于河口群下部地层(图 7)。

图 7 兰州盆地层序地层对比图 Fig.7 Stratigraphic correlation chart of Lower Cretaceous Hekou Group in Lanzhou basin

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河口群下部地层在兰州盆地发育普遍，虽然局部被第四系覆盖或断层破坏，但是地层序列总体清楚，可以识别出3个三级层序。河口镇剖面河口群下部地层厚度较大，达到1 040 m，向古浪十八里铺方向逐渐变薄为637 m。兰州盆地河口群下部地层岩性组合和构造特征在空间上发生变化，十八里铺剖面LAST单元的冲积扇和河流相粗碎屑岩地层所占比例要明显大于河口镇剖面；十八里铺剖面的HAST单元顶部为干旱湖泊沉积，而河口镇剖面以半深湖相地层结束。

河口群上部地层在兰州盆地出露也非常广泛，兰州剖面厚度较大达到528 m，向古浪十八里铺方向逐渐减薄为306 m，可以识别出2个三级层序。兰州盆地河口群上部地层岩性组合和构造特征在空间上区别明显，河口镇剖面底部不发育低可容纳空间体系域的粗碎屑沉积物；古浪十八里铺剖面河口群上部地层体系域发育比较完整，出现大套低可容纳空间体系域的冲积扇相和河流相粗碎屑岩地层。

通过对三级层序在横向上追索发现，十八里铺剖面整体冲积扇相、河流相粗碎屑沉积物比较发育，而湖泊相细碎屑岩地层在河口镇剖面比较发育，尤其是河口群上部地层不发育LAST单元，完全由湖泊相沉积组成。这说明十八里铺剖面的河口群形成于兰州盆地湖盆边缘，更加靠近物源区(祁连山)，而河口镇在早白垩世更加靠近沉积中心。

盆地往往与造山运动相伴而生，两者存在密切的成因关系，造山运动不仅可以形成前陆盆地，同时还可以为盆地提供大量沉积物，所以盆地充填序列往往是构造运动的物质表现^{[37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49]}。因此，造山带与沉积盆地存在耦合关系，即受控于统一的地球动力学系统，在运动方式成镜像或其他协调的方式形成的一对盆地和造山带中，统一的地球动力学背景是盆山耦合的原因和基础^[50]。造山带的构造演化对盆地的沉降和沉积物类型有非常强烈的控制作用，而盆地本身的发展也对山脉隆升和剥蚀施加影响^[51]。因此，鉴于两者的这种镜像关系，通过对地层的综合研究来推测造山带的构造演化具有切实可行的理论基础。

在对兰州盆地下白垩统综合分析的基础上，笔者从层序形成机制和风成砂岩形成机理的角度对早白垩世祁连山的阶段性隆升特征进行了推测。

兰州盆地下白垩统的每一个三级层序，都形成于基准面逐渐上升的过程，构成总体向上变细的沉积序列，为山前凹陷快速填充过程的产物，这符合许多学者^{[52, 53, 54, 55]}倡导的陆相层序模式，尤其是陆相层序的非常规体系域划分，即LAST和HAST概念体系^{[26, 27, 56, 57, 58]}。但是，从LAST阶段的冲积体系到HAST阶段的湖泊体系所组成的沉积序列，以及大套风成砂岩地层的出现，又与前人基于河流沉积样式的“非常规体系域”概念框架存在很大差异，代表特殊的构造和气候背景下形成的碎屑岩沉积序列。该复杂构造和气候背景主要包括：1)差异性构造运动，可以控制沉积物供给和河流梯度变化，并通过调整可容纳空间大小控制层序的发育形态；2)气候旋回，可以改变河流排泄量和沉积载荷形式；3)基准面下降过程，导致出现非沉积期，形成层序界面。

虽然风成过程可以在多种沉积环境中出现，并且受各种气候条件的影响，但是风成过程一般与炎热或寒冷的气候背景下的干旱条件具有成因联系^{[59, 60, 61]}。因此，河口群上部地层发育的风成砂岩序列，不仅受特殊区域构造背景的控制，还受白垩纪温室效应条件下全球大气环流格局下行星风系的影响。对研究区下白垩统风成砂岩进行分析，可以为探索祁连山隆升过程及其环境效应提供依据。

河口群上部地层三级层序的HAST单元中发育的风成砂岩(图 3B-D)，属于湖泊沉积初期地下水面较高，在相对潮湿的沉积地层上形成的风成砂丘沉积。这些风成砂岩以砖红色中细粒石英砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度都很高，具有典型的“小米种子”结构^[59]。河口群上部地层中，上覆于河流相沉积之上的风成砂岩，与2008年Simpson等^[62]描述的犹他州Kaiparowits盆地上白垩统Wahweap组砂岩层具有相似的沉积学现象：1)河流砂坝的风成改造过程，一般发生在低水流阶段，并且受季节性排泄量变化的控制；2)干旱气候条件时间延长，增加了风成体系的砂质沉积物供给，导致砂丘在辫状河体系中快速成核并生长；3)从河流作用到风成作用的演变，可能与季节性气候变化有关，而这种季节性短周期气候变化又受到长周期气候变化的影响^[63]。但是，研究区河口群上部地层，从冲积扇和河流相粗碎屑沉积到风成砂岩和湖泊相细粒沉积物的演变，不能简单地用季节性排泄量的变化来解释，这可能是特殊的区域性构造演变和气候变化的沉积学响应。

在研究区构造运动对层序的发育发挥主导作用，气候旋回扮演辅助者的角色。根据兰州盆地白垩系沉积特征的阶段性变化，以及三级层序构架单元的有序叠加样式，推测早白垩世期间祁连山隆升具有下列阶段性特征：

第一，在河口群下部地层的沉积期间，祁连山处于幕式小幅隆升阶段，抬升高度不足以阻挡西南方向的暖湿气流，无法在背风坡形成“焚风效应”，故不发育风成砂岩。暖湿气流带来的较大降水量在山前断陷盆地中形成了大量冲积扇和辫状河相粗碎屑沉积物，构成河口群下部层序的LAST单元。随着祁连山的不断隆升以及山前断陷盆地的持续下沉，研究区转变为湖泊环境，堆积大套细碎屑沉积物，构成层序上部的HAST单元。随后祁连山隆升过程变慢，山前地壳开始均衡反弹上升，最终导致湖泊相沉积环境消失，并产生地层间断，形成层序界面。上述过程的幕式发育，形成了研究区河口群下部地层的3个三级层序。

第二，河口群上部地层沉积期间，祁连山处于快速隆升阶段，抬升幅度较大。侏罗纪末期至白垩纪，冈底斯地块与北方大陆的碰撞，造成青藏高原南部一定幅度的隆升，并在青藏高原东北方向产生“焚风效应”，造成干旱气候在欧亚大陆扩展^{[64, 65]}，类似的情况也可能出现在早白垩世河口群上部地层沉积期间。当祁连山隆升到一定高度后，阻挡了来自西南方向的暖湿气流，在背风坡产生“焚风效应”，导致研究区出现区域性干旱气候，形成以发育滨湖风成砂岩地层为特征的HAST单元。

第三，在早、晚白垩世过渡时期，作为青藏高原北缘边界的祁连山逐渐转变为卸载过程。山前挤压挠曲逐渐转变成地壳均衡反弹的作用过程，使研究区地壳区域性抬升为剥蚀区，故研究区基本缺失上白垩统。

1)受区域性构造运动和气候变化控制，研究区在早白垩世堆积了一套特征迥异的碎屑岩地层，包括赤金堡组、下沟组和中沟组，其形成环境可以归纳为冲积扇、辫状河、曲流河、湖泊和干旱湖泊5种相类型。

2)兰州盆地下白垩统，自下往上可以识别出5个三级层序，包括LAST和HAST两个非常规体系域。三级层序下部发育的粗碎屑岩地层，与上部发育的滨湖相风成砂岩地层，是研究构造控制的陆相层序划分的一个典型实例。

3)从三级层序形成机制和风成砂岩形成机理可以看出，祁连山在早白垩世的隆升过程可以分为幕式隆升、快速隆升和均衡稳定隆升3个阶段。在一定程度上，风成砂岩是祁连山隆升过程中形成的“焚风效应”产物，是区域性气候转变的物质记录。早、晚白垩世之交，研究区开始抬升为剥蚀区，造成上白垩统基本缺失。总之，兰州盆地下白垩统层序地层序列，是特殊的构造运动和气候背景控制下的产物，与祁连山的阶段性隆升具有沉积学上的响应关系。

4)将兰州盆地下白垩统三级层序的形成机制及沉积相单元与祁连山的阶段性隆升结合起来分析，对今后区域性构造活动与地层堆积的复杂响应机制的研究具有重要的借鉴意义。希望本文起到抛砖引玉的作用，可以为祁连山隆升乃至青藏高原隆升的沉积学及环境效应的进一步研究提供基础资料。