2019, Vol. 37扩展功能
文章信息
- 陈留勤, 李鹏程, 郭福生, 刘鑫, 李馨敏
- CHEN LiuQin, LI PengCheng, GUO FuSheng, LIU Xin, LI XinMin
- 粤北丹霞盆地晚白垩世丹霞组沉积相及古气候意义
- Facies Analysis and Paleoclimate Implications of the Late Cretaceous Danxia Formation in the Danxia Basin, Northern Guangdong Province, South China
- 沉积学报, 2019, 37(1): 17-29
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(1): 17-29
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2018.118
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文章历史
- 收稿日期：2018-02-08
- 收修改稿日期: 2018-03-19
2. 东华理工大学地球科学学院, 南昌 330013
2. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
白垩纪是地史上典型的温室气候时期，其古气候和古环境条件是近年来地球科学领域的研究热点[1-5]，对该时期全球变化的深刻认识需要加强对陆相气候记录的研究[6]。陆相沉积记录中保存有丰富的古气候信息，古气候向干旱或湿润转变，通过影响源区风化作用和沉积物供应，进而控制沉积动力过程并影响沉积岩石的组成和沉积构造[7-9]。在地壳伸展拉张构造背景下，中国东南地区晚中生代形成典型的“盆岭构造体系”[10]。为认识该地区的岩石成因和地球动力演化，过去的研究主要集中于花岗岩类火成岩[11-13]。相比之下，对与其毗邻的盆地沉积学研究则相对薄弱。“盆岭构造体系”中的断陷盆地被红色碎屑沉积物充填，其岩相组合、古生物化石、构造古地理等指示该套红层总体上是热带(亚热带)干旱、炎热的半沙漠和盐湖沉积环境的产物[9, 14-18]。
位于广东省韶关市北部的丹霞盆地是一个受断裂带控制的白垩纪陆相断陷盆地[19]，呈菱形状，盆地充填以发育厚达数千米的红色砂岩和砾岩地层(红层)为特征[20]。这些红层在后期地壳抬升过程中，由于断层、节理切割及风化作用最终形成赤壁陡崖和一系列侵蚀地貌[21]，包括天然石堡、石柱、石塔、峡谷以及沟谷中的溪流和瀑布等。丹霞山作为“中国丹霞”世界自然遗产的典型代表，同样也是亚热带地区砂岩地貌的典型代表[22]，被誉为“中国红石公园”[23]。丹霞盆地在地貌方面已经积累了丰富的研究成果[21]，但是对形成丹霞地貌的岩石基础——晚白垩世丹霞组红色碎屑岩的沉积学研究程度仍然较低，对于红层沉积相变化的古气候响应研究则更少了。位于丹霞山园区的巴寨景区以发育丹峰状丹霞地貌为特色，巴寨是丹霞山自然保护区内的最高峰，露头沉积构造清晰，建设有人工阶梯直达山顶。本文对巴寨剖面丹霞组红层进行沉积相研究，分析沉积环境，探讨丹霞组沉积过程中的古气候影响因素。因此，本文研究不仅可以为我国陆相白垩系沉积记录的古气候变化提供素材，还有助于丰富丹霞地貌的科普内容而具有实际意义。
1 地质背景粤北丹霞盆地位于湘、赣、粤三省交界的仁化县境内，总面积约为500 km2(图 1)，与东部的南雄盆地紧邻。白垩纪红层厚度近4 000 m，上白垩统出露较为完整，形成了以赤壁丹崖为特征的丹霞地貌。韶关—仁化断裂带是切割丹霞盆地中心的压扭性断裂构造，属于吴川—四会断层构造带的北部分支，其两侧还有数条与主断裂平行的NNE向断层。韶关—仁化断裂将丹霞盆地分为东西两部分，并控制着两侧地貌的发育[25]。
丹霞盆地的基底是一套由石炭系组成的轴向NNE，SE翼陡而NW翼缓，轴面倾向NW的复式大向斜[19]，白垩纪陆相红层以角度不整合覆盖于其上。白垩系自下而上划分为伞洞组、马梓坪组、长坝组和丹霞组[20]。其中，丹霞组含有介形类和轮藻化石，可进一步划分为三个岩性段，即巴寨段(K2d1)、锦石岩段(K2d2)和白寨顶段(K2d3)，三者的厚度一般为300~500 m、92~300 m、40~60 m[20]。同位素测年、古地磁年龄和古生物化石资料表明丹霞组为晚白垩世中—晚期沉积，其年龄可能为90~66 Ma，巴寨段含有介形虫Yumenella组合，底部年龄大于82.93 Ma，锦石岩段顶部棕红色粉砂质泥岩Rb-Sr法等时线年龄为76±22 Ma，白寨顶段古地磁年龄大于70 Ma[20]。巴寨剖面主要出露巴寨段和锦石岩段地层。
巴寨景区位于丹霞山园区西北部，总面积110 km2，为丹霞山核心景区之一，以雄浑、神奇的丹霞地貌景观为主，兼有古山寨、寺庙等文化遗迹。区内丹霞地貌发育典型，山体密集，沟谷幽深，生态保存完好。其中，巴寨东西长600 m，南北宽150~250 m，四周丹崖高达150~218 m，海拔619.2 m，北侧与茶壶峰相邻。丹霞地貌类型主要为峰丛、峰林，平缓山顶面比例小于10%，侵蚀量为55%~70%，处于演化阶段的壮年晚期[26]。
2 研究方法本次从巴寨底部砖红色砾岩开始进行厘米级测量，沿人工修筑的台阶拾级而上，逐层测量每一层厚度，同时记录每一层砾岩中10个最大砾石的粒径并求平均值(MPS)，做砾岩层厚度(BTh)与最大砾石粒径平均值(MPS)的交汇图，判断沉积水动力条件[27]。另外，还选择了3处砾岩露头进行砾石统计，共测量记录600个砾石的a、b、c轴大小、岩性、磨圆度和风化程度。砾石统计和分析方法与前人相似[28-29]。将采集到的7块砂岩样品磨制成薄片，通过显微镜进行显微组构观察和粒度分析，用于判断沉积环境。
3 沉积岩石特征 3.1 露头剖面特征巴寨具有丹霞地貌特有的三个组成要素：近圆形的山顶、陡峭的崖壁和缓倾斜的山麓(图 2a)。在巴寨露头剖面上，根据颜色、粒度、沉积构造等变化，将实测红层划分为383层。其中，除剖面底部的20层属于长坝组外，其余363层都属于丹霞组。丹霞组巴寨段主要为砾岩，而丹霞组锦石岩段则以厚层风成砂岩夹砾岩或古土壤为特征(图 2)。一般来说，砾岩层厚度在横向上不稳定，其底部常发育明显的冲刷侵蚀界面，顶界面一般是与下一个岩相单元的突变接触面。在砾岩层中常见粒序层理、平行层理、叠瓦状构造、聚集状砾岩等。
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| 图 2 巴寨剖面丹霞组红层岩石露头照片 a.巴寨红层与丹霞地貌总体特征，丹霞地貌具有近圆形的山顶、赤壁陡崖和缓麓三个构成要素；b.聚集状产出的砾岩；c.颗粒支撑的砾岩发育叠瓦状构造，砾岩层顶部和右侧被上覆砂岩层截切；d.呈薄层状的砾岩，可见少量较大的“漂浮状”砾石；e.古土壤中发育垂直或斜交层面的遗迹化石；f.由上部黏化层和下部淀积层构成的红色古土壤发生层；g.连片分布的泥裂构造，泥裂被砂质充填；h.古土壤层面上连片分布的泥裂构造；i.厚层风成砂岩夹中—薄层砂岩(边滩)和古土壤层(泛滥平原) Figure 2 Outcrop photos of the Danxia Formation redbeds in the Bazhai Section |
实际上，在丹霞盆地范围内，丹霞组锦石岩段都以风成砂岩—钙质古土壤序列为识别标志。在研究区，古土壤的识别标志包括遗迹化石、钙质结核、黏化层—淀积层土壤发生层、土壤滑擦面、杂色晕斑、连片产出的泥裂构造等[30-31]。这些鉴别标志与紧邻的南雄盆地[32]以及浙闽地区[16]、江西石城盆地[33]和信江盆地[34]类似。
3.2 岩相划分和解释根据露头实测剖面的岩性、粒度、地层厚度、沉积构造等特点，在巴寨剖面丹霞组红层中共识别出7种岩相单元(表 1)，现介绍如下。
| 岩相 | 厚度/cm | 沉积特征 | 沉积构造 | 成因解释 |
| 正粒序层理砾岩 | 10~70 | 颗粒支撑 | 正粒序层理，叠瓦状构造，底侵蚀面 | 洪水泛滥引起河道决口和废弃从而产生叠置坝，为扇中亚相上的周期性洪泛事件的产物 |
| 逆粒序层理砾岩 | 10~60 | 颗粒支撑 | 逆粒序层理 | 在分散压力和动力筛选作用下，碎屑颗粒发生不断碰撞，导致粒径较大的砾石向上迁移形成 |
| 平行层理砾岩 | 20~70 | 砾石粒径在纵向无变化，横向延伸较稳定 | 平行层理 | 冲积扇中部较深的河道化水流，强烈的河道化泛滥作用，或冲积扇扇端的非河道化泛滥作用 |
| 无沉积构造砾岩 | 25~75 | 砾石粗细混杂，发育底侵蚀面 | 不发育沉积构造 | 快速沉积作用下形成的近源堆积，沉积物来不及分选 |
| 大型交错层理风成砂岩 | 50~1 100 | 层系厚度大，横向延伸较远 | 大型板状、楔状交错层理 | 炎热干旱的沙漠沉积环境 |
| 中—薄层砂岩 | 5~50 | 厚度变化大，粒径变化范围宽，常含砾石 | 透镜体 | 对应于沉积物补给减少的较长时期 |
| 古土壤 | 10~30 | 含遗迹化石，钙质结核，土壤发生层 | 遗迹化石，泥裂构造 | 靠近水道或湖泊附近的漫滩或泛滥平原环境，在地表氧化环境中经成土作用形成 |
正粒序层理砾岩在巴寨剖面下部较为常见(如图 3中的第56、57、60、63层)，单层厚度为10~70 cm。其特征主要表现为砾石颗粒向上变细，砾岩层的底界面一般为凹凸不平的冲刷侵蚀界面，其上富集较多粒径较大的砾石。多为颗粒支撑结构，常见叠瓦状构造。其顶界面常为下个砾岩单元的侵蚀底界面。
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| 图 3 巴寨剖面丹霞组红层实测地层柱状图 古流向玫瑰花图来自丹霞组巴寨段30个砾石ab面产状数据 Figure 3 Measured stratigraphic column of the Danxia Formation redbeds in the Bazhai Section |
一般情况下，正粒序层理砾岩形成于沉积物浓度高且水流能量大的洪泛水流，洪水泛滥引起河道决口和废弃从而产生叠置坝[27]。多层正粒序层理砾岩层的纵向叠加也反映了多期连续的洪水泛滥[35]，是冲积扇沉积体系扇中亚相上的周期性洪泛事件造成的[36]。底侵蚀界面指示在洪水泛滥初期，高能水流对下伏沉积物的冲刷、侵蚀和改造作用[37]。
3.2.2 逆粒序层理砾岩逆粒序层理砾岩在巴寨剖面下部较为常见(如图 3中的第53、62、95和104层)，中部分布较少(如图 3中的第182、184、186层等)。单层厚度一般为10~60 cm。砾岩层的砾石粒径显示向上变粗的趋势，底界面与正粒序层理砾岩一样发育底侵蚀界面，顶界面则为与其他岩相的突变面或是正粒序层理砾岩的底界面。
一般将逆粒序层理砾岩解释为在分散压力和动力筛选的共同作用下，碎屑颗粒发生不断碰撞，导致粒径较大的砾石向上迁移而形成的[38]。其一般出现于冲积扇扇根或是扇根与扇中连接处，推测为高能富碎屑泥石流沉积，搬运过程中沉积物浓度高且粒度范围宽[39]。
3.2.3 平行层理砾岩该岩相单元在巴寨剖面的中、上部出现频率较高(图 2d，如图 3中的第171、172、259、263、270、274层)。单层厚度范围相差较大，一般为20~70 cm。平行层理砾岩中砾石的粒径在纵向上显示较明显的周期性变化，在横向上向两侧延伸较远。偶见较大砾石镶嵌其中。
在研究剖面上，中部平行层理砾岩相较上部厚度更大，反映了冲积扇中部较深的河道化水流或强烈的河道化泛滥作用[27]。而巴寨剖面上部的平行层理砾岩厚度较薄，指示其形成于冲积扇扇端宽而浅的河流环境或冲积扇扇端的非河道化泛滥作用。
3.2.4 无沉积构造(structureless)砾岩无沉积构造砾岩在研究区分布广泛，主要集中于研究剖面的中、下部(图 2b，如图 3中的第82、98、123、131、132层)。单层厚度范围一般为25~75 cm，以中—厚层与厚层状为主。发育底侵蚀面，碎屑颗粒分选性很差。砾石主要呈次棱角状—次圆状，个别为圆状。
该岩相为富砂泥石流的产物，多形成于冲积扇扇根，是在快速沉积作用下形成的近源堆积[36]。在杂基能量高和水含量低的条件下，沉积物具有较高的黏性和剪切力，沉积速率快，不同粒径的砾石来不及分选而快速沉积下来[40]。
3.2.5 大型交错层理风成砂岩实测剖面的上部发育厚层风成砂岩(图 2i、图 3中的第348、354、364层)，层系厚度为50 cm~11 m。碎屑颗粒大小主要为中—细砂，少量为粗砂，有时可见更少量的细砾石。虽然巴寨剖面中丹霞组锦石岩段的风成砂岩交错层理不甚清晰，但是在细美寨、锦石岩寺、禄意堂的相当层位可见发育大型高角度交错层理的中—细粒风成砂岩，粒度相对均匀，在盐风化作用下可形成密集的蜂窝状洞穴地貌(图 4)。
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| 图 4 丹霞组锦石岩段发育大型交错层理的风成砂岩 a.细美寨风成砂岩露头；b.锦石岩寺风成砂岩，长约10 m的蜂窝状洞穴沿崖壁展布，形如飞龙，故名龙鳞片岩 Figure 4 Large-scale cross-bedded aeolian sandstones of the Jinshiyan Member of the Danxia Formation |
巴寨剖面的中—薄层砂岩主要呈砾岩层之间的夹层产出，这一点在实测剖面的巴寨段最为明显(如图 3中的第79、81、112、142、144层)。岩性主要为粗粒砂岩，少量为中—细粒砂岩，部分砂岩层发育粒序层理，有的可夹砾岩透镜体(如图 3中的第112层)。砂岩层厚度变化较大，主要为5~50 cm，少量呈厚层状，厚度达70 cm(如图 3中的第94层)。可以将该岩相解释为洪水泛滥作用减弱阶段的产物，部分呈透镜层状延伸是下一期洪水事件侵蚀所致。因此，砂岩单元对应于沉积物补给减少的较长时期[36]。
3.2.7 古土壤古土壤主要产在研究区丹霞组锦石岩段厚层砂岩之间而形成典型的风成砂岩—古土壤序列。古土壤层厚度主要为10~30 cm，少量小于10 cm(图 2f)，发育泥裂构造(图 2g，h)。砂岩层间的古土壤更容易被风化凹进(图 2g)。
另外，在部分砂岩层顶界面或底界面发育有遗迹化石，呈圆孔或线型凹槽状，为生物扰动所形成的痕迹(图 2e，图 3，第348、350层)。砂岩中除圆形洞穴外，平行层面有管状潜穴，微弯曲或任意弯曲，不分枝，表面具不规则、密集的似泡沫状小凸起痕和少量横肋纹饰，长度不定，一般为7~13 cm，大者超过18 cm，直径10~15 mm。潜穴中部分被细砂岩回填，有些回填后又被风化剥蚀。这种遗迹构造与弯曲似泡沫迹(Cystichuium curvativum ichnogen.et.sp.nov.)相似[41]，形成这种遗迹的生物一般生活在靠近水道或水池附近的漫滩环境。现代河、湖岸边泥和粉砂沉积物底层上的喜泥甲虫或沙蟋蟀可营造类似的表层潜穴[41]。
4 砾岩和砂岩的颗粒组成及粒度分析 4.1 砾石统计和分析 4.1.1 砾石岩性在巴寨剖面丹霞组的第28层、第207层和293层完成了3个砾岩露头共计600个砾石的统计(表 2)。在第一个砾石统计点(DXSLS-9)，砾石岩性比较复杂，以脉石英(38.5%)和石英砂岩(33%)为主，砖红色砂岩(18.5%)次之，灰岩(6%)、燧石(3.5%)和花岗岩(0.5%)含量较少。在第二个砾石统计点(DXSLS-10)，砾石岩性以石英砂岩(39%)和砖红色砂岩(31.5%)为主，脉石英(23%)含量次之，灰岩(3.5%)、燧石(1.5%)和花岗岩(1.5%)含量较少。在第三个砾石统计点(DXSLS-11)，砾石岩性主要包括脉石英(31.5%)、石英砂岩(34%)及砖红色砂岩(34.5%)，三者含量相差不大。可见，研究区丹霞组巴寨段砾岩为复成分砾岩。
| 编号 | 磨圆度 | 石英 砂岩 |
脉石英 | 灰岩 | 燧石 | 花岗岩 | 砖红色 砂岩 |
总计 |
| DXSLS-9 | A | 2.5 | 1 | 1.5 | 0 | 0 | 1 | 6 |
| B | 23 | 29 | 2 | 3.5 | 0 | 9.5 | 67 | |
| C | 7.5 | 8.5 | 2.5 | 0 | 0.5 | 8 | 27 | |
| 合计 | 33 | 38.5 | 6 | 3.5 | 0.5 | 18.5 | 100 | |
| DXSLS-10 | A | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 2 |
| B | 17 | 9.5 | 2 | 1 | 0 | 14.5 | 44 | |
| C | 21 | 13.5 | 1.5 | 0.5 | 1.5 | 16 | 54 | |
| 合计 | 39 | 23 | 3.5 | 1.5 | 1.5 | 31.5 | 100 | |
| DXSLS-11 | A | 1.5 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 1 | 3 |
| B | 17.5 | 18.5 | 0 | 0 | 0 | 22 | 58 | |
| C | 15 | 12.5 | 0 | 0 | 0 | 11.5 | 39 | |
| 合计 | 34 | 31.5 | 0 | 0 | 0 | 34.5 | 100 |
砾石的磨圆度既反映物源区性质，也反映了沉积物搬运介质条件。在搬运过程中砾石的磨圆度主要依赖于岩石硬度和颗粒组成及结构[42]。在河流搬运过程中，脆弱岩石(如灰岩)最容易被磨圆，而坚硬的岩石(如脉石英)则最难磨圆。
本次野外砾石统计时，记录了600个砾石的磨圆度和风化程度。磨圆度(P)是根据野外赋值求和，再与全部为圆状时的和值相比计算求得，以百分数表示。风化程度的划分与磨圆度相似，风化程度根据野外肉眼观察和判断，将岩石风化程度分为4个等级，并分别赋值(未风化为1，弱风化为2，强风化为3，全风化为4)。在DXSLS-9砾石统计点，强风化程度的砾石有70个，弱风化98个，未风化32个。砾石的风化程度主要集中于第2等级(弱风化)，占49%。在DXSLS-10砾石统计点，强风化程度的砾石有101个，弱风化53个，未风化46个。砾石的风化程度主要集中于第3等级(强风化)，占50.5%。在DXSLS-11砾石统计点，强风化程度的砾石有63个，弱风化52个，未风化85个。砾石的风化程度主要集中于第1等级(未风化)，占42.5%。可见，砾石统计点间风化程度差别较大。根据研究区砾石统计结果(表 2)，在DXSLS-9和DXSLS-11，砾石的磨圆度主要为次棱角状，其次为次圆状，棱角状的较少。而DXSLS-10的砾石主要为次圆状，其次为次棱角状，棱角状砾石较少。
4.2 砂岩薄片显微特征 4.2.1 砂岩碎屑颗粒组成本次研究的7个砂岩样品都来自丹霞组锦石岩段。其中，DXS-17、DXS-21、DXS-22为砖红色长石岩屑粉砂岩，其他均为砖红色长石岩屑细砂岩。可以看出，砂岩样品主要为颗粒支撑碎屑结构，颗粒之间多为点—线接触关系(图 5)。碎屑颗粒分选性中等—较好、磨圆度以次棱角—次圆状为主，少量为圆状和棱角状。杂基含量1%~6%，胶结物均为钙质，含量约1%~5%。
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| 图 5 巴寨剖面丹霞组锦石岩段砂岩显微镜照片 a.表面绢云母化的钾长石(DXS-17)；b.斜长石发育聚片双晶(DXS-17)；c.脉石英碎屑颗粒(DXS-18)；d.燧石颗粒(DXS-19)；e.呈长条状的黑云母(DXS-20)；f.斜长石被挤压破碎(DXS-21)；g.脉石英碎屑颗粒(DXS-22)；h.发育聚片双晶的斜长石(DXS-23)，颗粒之间呈线状接触；i.变质岩岩屑(DXS-23) Figure 5 Microscopic photos of sandstone samples from the Jinshiyan Member of the Danxia Formation in the Bazhai Section |
在显微镜下，石英粒径为0.03~0.5 mm，含量为65%~82%，多为单晶石英，无色，可见波状消光，指示来自变质岩，而突变消光者指示来自火山岩。部分单晶石英含有矿物包裹体，部分表面浑浊，可见压裂现象。长石粒径为0.04~0.33 mm，含量约为8%~17%，部分长石呈不规则柱状、板状，斜长石发育聚片双晶，部分钾长石表面发育绢云母化，有发育格子双晶的微斜长石。条纹长石主要有脉状条纹长石和破滴状条纹长石等。岩屑含量为18%~22%，种类较多，主要包括变质岩(千枚岩、片岩)，其次为花岗岩和沉积岩(泥岩、砂岩)。
4.2.2 砂岩粒度分析为了完成砂岩粒度分析，在每个砂岩样品薄片中测量300个以上颗粒的粒径，进行统计分析，绘制累积频率曲线、频率曲线图和概率标度累积百分数曲线(图 6)。在表 3中，Y1~Y6分别代表风成沙丘与海滩、海滩与浅海、浅海与河流(三角洲)、河流(三角洲)与浊流、冰碛物与冲积扇、冰碛物与冰水沉积等环境鉴别函数的函数值[43]。从表 3可以看出，巴寨剖面丹霞组锦石岩段砂岩样品的粒径平均值、偏差、偏度和尖度相差并不大，环境判别函数值Y1均小于-2.741 1，所以判断为风成沙丘沉积[43]。
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| 图 6 巴寨剖面丹霞组锦石岩段砂岩样品粒度分析图 a.累积频率曲线；b.频率曲线图；c.概率标度累积百分数曲线 Figure 6 Grain size distribution diagrams of sandstone samples from the Jinshiyan Member of the Danxia Formation in the Bazhai Section |
| 样品名称 | 平均值 (XM) |
偏差 (σ) |
偏度 (Sk) |
尖度 (K) |
环境判别函数 | |||||
| Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | |||||
| DXS-17 | 3.795 | 0.419 | 0.092 | 0.907 | -10.259 | 89.382 | -0.859 | 8.089 | 0.114 | -0.007 |
| DXS-18 | 3.176 | 0.477 | -0.074 | 1.031 | -7.125 | 82.416 | -0.680 | 7.157 | 0.135 | -0.009 |
| DXS-19 | 3.264 | 0.522 | -0.052 | 1.065 | -7.217 | 87.738 | -1.148 | 7.531 | 0.139 | -0.008 |
| DXS-20 | 3.231 | 0.500 | 0.024 | 0.957 | -7.671 | 85.172 | -1.344 | 7.459 | 0.123 | -0.005 |
| DXS-21 | 3.163 | 0.440 | -0.177 | 1.001 | -7.085 | 77.550 | 0.120 | 6.314 | 0.137 | -0.013 |
| DXS-22 | 3.573 | 0.405 | -0.022 | 1.055 | -8.812 | 85.860 | -0.262 | 7.952 | 0.135 | -0.012 |
| DXS-23 | 3.077 | 0.432 | 0.06 | 1.070 | -7.086 | 81.318 | -1.001 | 8.217 | 0.130 | -0.008 |
结合表 3和图 6可以看出，砂岩样品碎屑颗粒的平均粒径在3.07~3.79 ϕ之间。在频率曲线图中，所有样品均为单峰，反映沉积物来源较为单一。除样品DXS-19偏差值高于0.5，其余偏差值位于0.4~0.5，尖度数值均大于0，样品累积频率曲线(图 6a)均较为陡峭，由此可以判断样品碎屑颗粒分选性较好。从概率标度累积百分数曲线(图 6c)可以看出，样品DXS-17的跳跃组分占绝对优势，样品DXS-18到DXS-21以跳跃组分为主且所占比例较大，少部分为滚动组分。样品DXS-22以跳跃组分为主，悬浮组分为辅，几乎没有滚动组分。样品DXS-23以跳跃组分为主，滚动及悬浮组分为辅。
5 沉积环境分析与古气候讨论丹霞盆地晚白垩世丹霞组三个段具有明显的粗—细—粗变化特征，但是由于风化剥蚀，最上部的白寨顶段不太发育。巴寨剖面的丹霞组巴寨段和锦石岩段发育较好，前者以发育粒序层理、平行层理和侵蚀底界面沉积构造的砾岩为主，后者以厚层风成砂岩夹古土壤为特征，二者在岩相组合上的差异较大，可能反映了古气候的变化。
5.1 沉积环境分析在BTh-MPS交汇图中，BTh反映了流体的黏滞性，MPS反映了流体的载荷能力，如果MPS和BTh呈现出正相关的线性关系，则指示砾石以泥石流方式搬运，而河流成因的砾岩则不会显示相关性[27, 44]。从巴寨剖面丹霞组巴寨段70个砾岩层的厚度及每个砾岩层中10个最大砾石粒径数据所做的BTh-MPS交汇图(图 7)可以看出，二者相关性较差，所以研究区丹霞组巴寨段主要是河流主导的冲积扇沉积体系的产物。在露头剖面上，底侵蚀界面、粒序层理、平行层理、叠瓦状构造等都支持河流作用过程。因此，本研究认为，丹霞组巴寨段沉积时期，降水丰富，沉积物供应充足，由河流将物源区粗大的碎屑颗粒带至盆地发生沉积。根据实测30个砾石ab面产状所做的玫瑰花图(图 3下部的插图)，判断沉积物主要来自北东—东方向。砾石统计结果表明，沉积物源区相对稳定，最上部砾石成分变化(DXSLS-11)可能是由源区构造活动造成的。
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| 图 7 巴寨剖面丹霞组巴寨段砾岩层MPS-BTh投图 Figure 7 Maximum particle size (MPS) versus bed thickness (BTh) of the conglomerate beds from the Bazhai Member of the Danxia Formation in the Bazhai Section |
进入丹霞组锦石岩段沉积时期，盆地构造趋于稳定，气候向干热转变，形成沙漠沉积体系。由风带来的大量碎屑颗粒逐渐堆积形成了发育大型高角度交错层理的风成砂岩。沙漠中的一些暂时性河流、漫滩或干盐湖时而发生暴露，在与大气接触下经成土作用过程形成古土壤，反映了沉积间断，同时也指示该时期为干旱、氧化的地表沉积环境。在干旱、半干旱气候条件下，如果年降水量低于600 mm，会形成土壤黏化层—钙质淀积层的土壤发生层次[32]。连片发育的泥裂构造也指示了沉积物表面经常发生暴露和脱水收缩作用。砂岩样品DXS-22和DXS-23的概率标度累计百分曲线主要由跳跃组分和悬浮组分构成，反映了暂时性河流的沉积特点。
另外，本次研究的丹霞盆地丹霞组锦石岩段的风成砂岩与江西信江盆地弋阳地区的塘边组风成砂岩存在诸多相似之处。二者都以中—细粒砂岩为主，磨圆度和分选性较好，都发育大型高角度交错层理。弋阳塘边组砂岩样品粒度分析表明：粒径平均值多数介于2~3 ϕ(细砂)之间；标准差(SD)全部介于0.5~0.8，且多趋近于0.5；偏度(Sk)大于0.1者占60%，以正偏为主；峰态(K)全部大于0，为极窄峰态分布[15]。相比较而言，本文所述的丹霞组锦石岩段风成砂岩具有几乎相同峰态，标准差与粒度平均值也近似，仅在偏度方面除样品DXS-21为负偏态外，其余均属于近对称，反映了其分选性较好。
虽然丹霞组白寨顶段在巴寨剖面不出露，但是在长老峰、白寨顶一带可以观察到砾岩夹砂岩地层，指示了盆地新的发展阶段，新的冲积扇沉积体系叠覆在锦石岩段风成砂岩—古土壤序列之上。因此，丹霞盆地在晚白垩世晚期丹霞组的沉积过程，大致可以分为三个阶段(图 8)。
研究表明，不论中国东南部巨大沿岸山系(或东部高原)的海拔高度是3 500~4 000 m[14]或4 700±750 m[45]，还是2 000多米[46]，这一突出的地形特点都对华南内陆的沉积环境和古气候形成了重要影响。根据丹霞盆地丹霞组红层样品的主量元素测试结果[25]，计算得出的化学蚀变指数(CIA)[47]为68~73，说明化学风化程度较低，指示了总体干旱的古气候条件。与南雄盆地晚白垩世红层沉积时期的古气候背景相似[32, 48]。
但是，在研究区丹霞组巴寨段中，碎屑颗粒粗大，砾石磨圆程度为中等—差，分选性差，杂基以砾石到砂为主，不发育沉积构造到发育粒序层理、平行层理，也见叠瓦状构造和砾石平行层理方向线状排列，缺乏古土壤。这些特征指示巴寨段为较强水动力条件下的快速堆积，发生了多期次沉积物浓度高且水流能量大的洪泛水流事件[36]，底侵蚀界面说明洪水泛滥初期对下伏沉积物的冲刷、侵蚀和改造作用。它们可能是在相对湿润气候条件下，受频发暴雨事件的影响而形成了河流发育并主导的冲积扇沉积体系[9, 36]，这也指示了气候的季节性[44]。在高能流水作用下，物源区的粗大碎屑颗粒得以被搬运到下游地区发生沉积。
丹霞组锦石岩段风成砂岩层间的古土壤中广泛发育泥裂构造，被视为干旱化或干湿交替环境的标志[49]，该套风成砂岩—古土壤序列反映了干旱气候条件下发育的沙漠沉积体系。古气候条件变干，导致化学风化程度减弱，降水和植被减少，河流搬运能力降低，造成大多数粗粒碎屑保留在源区附近的河流上游地区[8]，结果表现为剖面中沉积物粒径变细和古土壤增加。值得注意的是，在晚白垩世Campanian时期，粤北丹霞盆地和江西信江盆地可能都主要发育沙漠沉积体系，共同反映了东亚中纬度地区广泛的极度干热的古气候条件[50]。
在丹霞组沉积末期，古气候可能再次变得湿润，导致降水增加，河流主导的冲积扇再次发育，叠覆在丹霞组锦石岩段风成砂岩—古土壤序列之上。
6 结论在丹霞盆地西北部的巴寨剖面晚白垩世丹霞组中，共识别出7种岩相单元。在研究剖面中，下部的丹霞组巴寨段以发育底侵蚀界面、河道下切—充填构造、粒序层理、平行层理、叠瓦状构造等的砾岩为特征，砾石粒径变化较大，多为次棱角状—次圆状，分选性差。而剖面上部的丹霞组锦石岩段则以发育大型板状、楔状交错层理的厚层风成砂岩为特征，夹砾岩层和古土壤，古土壤中发育遗迹化石、黏化层—钙质淀积层土壤发生层次、连片分布的泥裂构造。
丹霞组巴寨段砾岩地层可能反映了相对湿润的古气候条件，降水丰富，河流搬运能力强，将大量粗碎屑带至下游发生沉积，反映了河流主导的冲积扇沉积体系。而丹霞组锦石岩段的风成砂岩—古土壤序列则指示了极为干燥炎热的古气候条件下的沙漠沉积体系，古气候变干旱，降水减少，河流搬运能力减弱，沉积物粒度变细，发育多层古土壤，可能与东亚中纬度地区Campanian期广泛的干旱化事件相关。
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