莊其天 何宏林 魏榮珠 王忠梅 石峰 閆紀(jì)元

摘 要 【目的】山西地塹系因其獨(dú)特的大地構(gòu)造位置成為研究中國(guó)東部晚新生代變形的熱點(diǎn)地區(qū)，然而受露頭剖面的局限，目前少有報(bào)道地塹系盆地完整的沉積環(huán)境演化的工作，對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地塹系演化過程造成了困難。【方法】通過太原盆地ZK01鉆孔揭露的約8.1 Ma以來的詳細(xì)沉積記錄，開展了沉積環(huán)境和物源分析工作?！窘Y(jié)果和結(jié)論】沉積環(huán)境分析表明太原盆地經(jīng)歷了河流—三角洲/湖泊—河流的沉積環(huán)境演化過程，其中分別在5.8～4.4 Ma和2.2～1.6 Ma發(fā)育兩期覆蓋整個(gè)太原盆地的湖泊。物源分析表明在5.8 Ma前后存在物源轉(zhuǎn)變。5.8 Ma以前物源主要來自東部太行山脈的侏羅系石英砂巖；5.8 Ma以后物源轉(zhuǎn)為以三疊系長(zhǎng)石砂巖為主，同時(shí)呂梁山北部的變質(zhì)巖和火山巖碎屑進(jìn)入盆地，表明汾河開始流入太原盆地。太原盆地沉積環(huán)境演化與區(qū)域古氣候和構(gòu)造的關(guān)系，表明盆地的湖泊擴(kuò)展過程主要受構(gòu)造沉降控制，是青藏高原東向擴(kuò)展作用的構(gòu)造—地貌響應(yīng)。

關(guān)鍵詞 山西地塹系；太原盆地；沉積環(huán)境；物源分析；古氣候

第一作者簡(jiǎn)介 莊其天，男，1992年出生，博士研究生，沉積盆地，E-mail： alvin_ok@126.com

通信作者 何宏林，男，研究員，活動(dòng)構(gòu)造與構(gòu)造地貌，E-mail： honglinhe123@vip.sina.com

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

鄂爾多斯塊體周緣的新生代陸內(nèi)伸展是歐亞大陸新生代變形的重要組成部分[1?4]。早始新世以來鄂爾多斯塊體周緣就已出現(xiàn)一系列盆地，這些盆地的發(fā)育通常被認(rèn)為與青藏高原的演化有關(guān)[1，5?8]。山西地塹系位于鄂爾多斯塊體東緣，是塊體周緣形成最晚的盆地系統(tǒng) [9?11]。前人通過低溫?zé)崮甏鷮W(xué)[12?17]和斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[9，18?20]揭示了山西地塹系晚白堊世以來的主要構(gòu)造事件。然而由于低溫?zé)崮甏鷮W(xué)退火溫度的限制以及斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)中剖面露頭的局限，對(duì)晚中新世以來的盆地演化過程認(rèn)識(shí)仍然不足。另一方面，已有的詳細(xì)沉積學(xué)研究主要來自有限的和不完整的露頭[21?25]，這顯然不足以對(duì)盆地演化進(jìn)行深入理解。因此，完整的盆地地層資料仍然不足，而基于完整沉積序列和沉積環(huán)境演化的分析在盆地演化研究中至關(guān)重要[26]。

由于露頭所揭露地層的局限性，為了獲得太原盆地完整的沉積序列，我們?cè)谂璧貣|部開展了ZK01鉆孔工作。本文通過對(duì)鉆孔巖心所揭露的地層進(jìn)行了沉積環(huán)境和物源分析，探討了盆地的演化過程，并進(jìn)一步討論了氣候變化和構(gòu)造活動(dòng)對(duì)盆地沉積環(huán)境演化的控制作用。這有助于更深入地認(rèn)識(shí)山西地塹系在晚新生代中國(guó)東部構(gòu)造體系中的角色和作用。

1 地質(zhì)概況

山西地塹系位于鄂爾多斯盆地東緣、華北平原西側(cè)，分別由西側(cè)的呂梁山和東側(cè)的太行山相分隔（圖1a）。地塹系在北部終止于陰山—燕山造山帶，在南部與渭河盆地及秦嶺山脈相連。依據(jù)前人鉆孔資料[11，34?35]、風(fēng)成紅黏土和礫石沉積[36?37]，以及新生代玄武巖發(fā)育[38?39]，山西地塹系主要形成于晚中新世以來（<10 Ma）。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)[15，17，27?32]揭示山西地塹系周邊地區(qū)最新一次快速冷卻事件同樣發(fā)生在大約10 Ma（圖1a中白色五角星及時(shí)間標(biāo)簽）。地塹系從北向南一共5個(gè)盆地呈雁列狀左階排列（分別為大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地），延伸長(zhǎng)度超過700 km[40]。盆地間被山脈或隆起相分隔[34，41]。盆山邊界為山前陡傾斷層，斷層以傾滑為主，兼有少量右旋走滑分量[42?45]?；顒?dòng)的正斷層控制著盆地的沉降，使新生代最大沉積厚度超過4 km[41]。前新生代地層構(gòu)成了地塹系盆地周邊山脈的主體。其中，太古代—古元古代火成巖和變質(zhì)基底巖體，以及元古代低變質(zhì)基底巖體主要出露于太原盆地北部和山西裂谷系最南部[46?47]；而古生代海相—陸相地層和中生代河—湖相地層在區(qū)內(nèi)分布廣泛，占主導(dǎo)地位。在燕山期前新生代地層發(fā)生褶皺變形，形成北東—南西走向的太行山—呂梁山褶皺帶[46]。此后，褶皺帶被新生代地層所不整合覆蓋。盡管一般認(rèn)為盆緣斷層是在晚新生代才開始活動(dòng)[7，9，39]，但盆地發(fā)育的位置和幾何形態(tài)可能在一定程度上取決于先存的印支期（235～200 Ma）和燕山期（150～60 Ma）褶皺—逆沖構(gòu)造[46]。

太原盆地位于山西地塹系中部，北西和南東向兩條高角度正斷層（交城斷裂和太谷斷裂）將盆地限制為菱形形態(tài)[34]（圖1b），東西兩側(cè)沉積物厚度的顯著差異表明盆地為非對(duì)稱式沉降[9，11，19]，反映西側(cè)的交城斷裂比東側(cè)的太谷斷裂長(zhǎng)期活動(dòng)性更強(qiáng)。汾河發(fā)源于呂梁山北部，穿過交城斷裂進(jìn)入太原盆地，然后經(jīng)過靈石隆起和臨汾盆地，在臨汾盆地西側(cè)匯入黃河。汾河在呂梁山出山口前發(fā)育深切河曲。在太原盆地北端，石嶺關(guān)隆起位于太原盆地和忻定盆地的結(jié)合處，由古生代灰?guī)r和上覆的第四紀(jì)松散沉積物組成[39，47]。對(duì)石嶺關(guān)隆起是否為滹沱河由忻定盆地進(jìn)入太原盆地的古河道尚有很大爭(zhēng)議[48?51]。在太原盆地南端，汾河通過狹長(zhǎng)的靈石隆起進(jìn)入臨汾盆地，并在靈石隆起的古生代地層上切割出數(shù)百米深的峽谷。大部分新生代沉積物埋藏于盆地中，深度達(dá)4 000 m[34，39]。而其殘余露頭主要分布在盆地東側(cè)的山前臺(tái)地，在西側(cè)盆緣很少見[39]，這可能與交城斷裂的強(qiáng)烈活動(dòng)有關(guān)。太原盆地古地磁年代學(xué)揭示最底部沉積物年齡約8.1 Ma[11]，標(biāo)志著晚中新世沉積開始發(fā)育。

2 地層巖石學(xué)特征

ZK01鉆孔位于太原盆地東北部（112°40′11″ E，37°35′39″ N，圖1b），巖心總長(zhǎng)850 m，揭露出太原盆地完整的新生代地層序列。地層從底到頂劃分為六個(gè)沉積組，分別為下土河組、小白組、紅崖組、大溝組、木瓜組和汾河組（表1）。

下土河組（853～584 m）：不整合覆蓋于上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組上。下部（853～788 m）以棕色礫石和砂互層為特征。在粗粒部分的底部常見侵蝕面構(gòu)造。礫石以中礫為主，磨圓中等—好，礫石成分主要為砂巖。

砂從粉砂到粗砂不等，分選差。值得注意的是，在礫石層之間發(fā)育古土壤夾層（圖2a）。沉積物顆粒大小向上減小，形成細(xì)礫—粉砂序列。上部（788～584 m）為塊狀淺磚紅色粉砂和黏土質(zhì)粉砂，含少量薄黏土夾層。粉砂粒徑均一，富含鈣質(zhì)團(tuán)塊。這些沉積物被氧化鐵染成了淡紅色。此外，常見泥屑，意味著存在高能量流?；僖姟?/p>

小白組（584～399 m）：小白組下部（584～508 m）是整個(gè)鉆心中粒度最細(xì)的部分，大部分為灰白色—灰綠色黏土；上部（508～399 m）為深灰綠色黏土和淡棕色粉砂至粉砂質(zhì)黏土，黑色富有機(jī)質(zhì)黏土層出現(xiàn)在該段上部（圖2b）?？傮w而言，該組呈現(xiàn)出向上變粗的趨勢(shì)。小白組沉積物由于含有大量的碳酸鈣而呈現(xiàn)淺灰色，與下伏的淺磚紅色下土河組有明顯的區(qū)別。小白組大部分為塊狀厚層，夾少量細(xì)層韻律層。常見生活在淡水中的蜆類碎片。

紅崖組（399～264 m）：紅崖組沉積物粒徑變化大。底部（399～338 m）為具正粒序的含礫中砂，上覆褐色塊狀黏土—粉砂質(zhì)黏土。中部（338～320 m）為暗褐色粉砂—中砂與粉砂質(zhì)黏土互層。粉砂質(zhì)黏土中發(fā)育大量銹色的斑點(diǎn)。在該段的頂部，粉砂中可見垂直于層理的被泥土充填的居住洞穴（圖2c）。這部分構(gòu)成了紅崖組中粒度最粗的部分。上部（320～264 m）由灰褐色粉砂和黏土組成。在黏土層中可以觀察到黃綠色斑點(diǎn)。粉砂層中夾有一層10 cm厚的中礫石狀泥屑。泥屑分選差，半棱角狀，層面不規(guī)則（圖2d）。紅崖組中包含少量田螺化石。

大溝組（264～182 m）：大溝組底部（264～246 m）以灰褐色、深褐色粉砂質(zhì)黏土為主，發(fā)育薄層不顯著的交錯(cuò)層理?？梢姶罅康臍ゎ愃槠４至２糠郑?46～215 m）主要為棕色細(xì)砂和粉砂。砂質(zhì)純凈、均一，常見顯著的正粒序，也可見零星分布的磨圓良好的細(xì)礫石。正粒序?qū)拥牡撞砍Ｒ娗治g面構(gòu)造。上部（215～182 m）由淺棕色粉砂和粉砂質(zhì)黏土組成，夾少量薄層細(xì)砂。該段可見大量的黃綠色斑點(diǎn)、條紋和團(tuán)塊。薄層粉砂和黏土互層發(fā)育層狀構(gòu)造，這可能與氣候變化有關(guān)。粉砂層通常呈透鏡狀，且底部界線截然，在其上表面呈現(xiàn)波紋。粉砂中可見大量的殼類碎片（圖2e）。

木瓜組（182～127 m）：木瓜組主要由棕色—灰黑色黏土和粉砂質(zhì)黏土組成。大量破碎的貝殼散布在非常薄的細(xì)砂層中。在下部（172～173 m），大量的銹斑覆蓋了粉砂質(zhì)黏土。平行層理非常發(fā)育，尤其是在粒度最細(xì)的層位。在木瓜組上部，灰色黏土單元中常見黑色富有機(jī)質(zhì)條帶。頂部砂層發(fā)育波狀層理（圖2f）。

汾河組（127～0 m）：棕色和灰褐色粉砂質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂是汾河組的主要特征。汾河組含砂量的顯著增加與下伏以黏土和粉砂質(zhì)黏土為主的木瓜組有明顯差異。從木瓜組最上部深灰色黏土向汾河組最下部粉砂質(zhì)黏土的轉(zhuǎn)變是過渡的。在汾河組下部（127～118 m）出現(xiàn)堅(jiān)硬而致密的白色鈣質(zhì)膠結(jié)物（圖2g）。中部（118～18 m）交替出現(xiàn)淺棕色粉砂質(zhì)黏土—粉砂和深棕色細(xì)砂—中砂。沉積物多為塊狀，常見沖刷充填構(gòu)造。粉砂和砂層中偶見次棱角狀細(xì)礫石。該段的頂部可見蜆類殼體碎片。汾河組的頂部（18～0 m）主要由粉砂和黏土組成，由于與非常細(xì)粒的黃土混合，沉積物特征混亂和模糊，未作進(jìn)一步區(qū)分。

3 研究方法

3.1 沉積環(huán)境分析方法

基于詳細(xì)的鉆孔巖心編錄建立地層柱狀圖，并從沉積物的結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、顏色、化石等方面對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由于鉆孔巖心橫向揭露的沉積物極為有限，一些大型沉積構(gòu)造以及沉積層幾何形態(tài)信息可能不完整甚至缺失，準(zhǔn)確判斷其所處沉積環(huán)境存在困難。因此，對(duì)具有特征性沉積環(huán)境指示意義的標(biāo)志予以特別關(guān)注。如指示長(zhǎng)期暴露風(fēng)化環(huán)境的古土壤、河道滯留沉積礫石，以及湖濱潮汐層理等，確保沉積環(huán)境劃分的準(zhǔn)確性。

3.2 物源分析方法

3.2.1 碎屑成分

在ZK01鉆孔中共計(jì)取了24個(gè)砂樣進(jìn)行碎屑成分識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，每個(gè)樣品重1～1.5 kg，砂樣粒徑為細(xì)粒到中粒。應(yīng)用Gazzi-Dickinson方法[52?53]，每個(gè)樣品制作一個(gè)薄片統(tǒng)計(jì)至少300顆粒，在顯微鏡下鑒定其成分。

3.2.2 重礦物

總計(jì)采集了14個(gè)重礦物樣品，其中ZK01孔13個(gè)，汾河太原西山出山口處河灘1個(gè)。每個(gè)樣品大約重1 kg。將樣品充分分散后，篩選0.063～0.125 mm粒徑的重礦物樣，以盡可能降低水動(dòng)力效應(yīng)的影響[54?55]。然后使用三溴甲烷分離提取重礦物，并用酒精反復(fù)沖洗干凈，烘干后在顯微鏡下鑒定。每個(gè)樣品用條帶計(jì)數(shù)法[56]隨機(jī)選取500粒[57]重礦物顆粒，依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》（DZ/T 0130—2006）鑒定其礦物類型。

4 結(jié)果

4.1 沉積環(huán)境分析結(jié)果

重點(diǎn)從沉積物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色、化石等方面對(duì)沉積環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。將太原盆地沉積環(huán)境劃分為河流環(huán)境、三角洲環(huán)境和湖泊環(huán)境。

4.1.1 河流環(huán)境

鉆孔剖面的河流沉積環(huán)境主要發(fā)育在下土河組下部和汾河組。其中下土河組下部（690～853 m）的河流沉積以礫石、（含礫）粗砂為典型特征，汾河組的河流沉積為（含礫）細(xì)—中砂與下土河組相區(qū)別。

在下土河組底部（839～853 m）發(fā)育大量由次圓中礫石組成的河道滯留沉積，其底部發(fā)育沖刷面，礫石層之上覆蓋中—粗砂。砂體以淺棕紅色為主色調(diào)，反映地表氧化環(huán)境；砂體結(jié)構(gòu)成熟度低，表現(xiàn)為分選差、雜基含量高，反映快速堆積過程；礫石層間夾古土壤層（圖2a），表明長(zhǎng)期暴露風(fēng)化環(huán)境。該段向上（690～853 m）主要為塊狀和具正粒序中—粗砂與粉砂互層，局部夾薄層黏土。中粗砂層底面通常為侵蝕面，指示廢棄河道的充填沉積，黏土為洪水末期懸浮沉積[58]。下土河組下部整體缺乏化石及生物遺跡構(gòu)造，粉砂和黏土含量低，符合沖積扇—砂質(zhì)辮狀河沉積環(huán)境。但鉆進(jìn)作用導(dǎo)致礫石變位、旋轉(zhuǎn)和破碎，并破壞了礫石層間的部分砂體，因此難以準(zhǔn)確劃分下土河組沖積扇與辮狀河環(huán)境的界線，在此將其統(tǒng)一劃分為河流環(huán)境。

汾河組（18～103 m）以具沖刷充填構(gòu)造的細(xì)—中砂和上覆的粉砂質(zhì)黏土—粉砂為特征，相比下土河組下部粗粒沉積物顯著減少，層厚也顯著減薄，而細(xì)粒沉積物比例顯著提高。薄層泥和粉砂的互層為天然堤沉積（圖2h）[59?60]；而厚層黏土和粉砂構(gòu)成泛濫平原沉積；由于泛濫平原沉積物累積速率緩慢，中部古土壤層反映沉積速率緩慢的泛濫平原沉積[61]；在厚層細(xì)粒沉積中夾逆粒序砂（圖2m），為被泛濫平原沉積所包裹的決口扇沉積[62]。這些特征表明該段為曲流河環(huán)境，但是鉆孔位置遠(yuǎn)離主河道，位于泛濫平原中。這種沉積特征與觀察到的現(xiàn)今汾河泛濫平原一致，均表現(xiàn)出成熟、穩(wěn)定的河流性質(zhì)。

4.1.2 三角洲環(huán)境

三角洲環(huán)境分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲亞環(huán)境。

三角洲平原沉積。三角洲平原處于河流與湖泊的過渡帶，三角洲平原可以遵循河流的識(shí)別特征，但比河流沉積物粒度更細(xì)，規(guī)模更小，主要由砂、粉砂和泥組成。下土河組上部發(fā)育較多泥礫，表明洪水對(duì)天然堤或泛濫平原暴露沉積的沖刷作用[63]（圖2d）。小白組的黑色富有機(jī)質(zhì)層解釋為三角洲平原邊緣分流間灣的沼澤環(huán)境沉積[62，64]；泛濫平原沉積廣泛發(fā)育，常見決口扇成因逆粒序砂；此外，鈣質(zhì)硬殼層（鈣結(jié)層）被包裹在松散沉積物中，它們是半干旱氣候下長(zhǎng)時(shí)間在地面風(fēng)化環(huán)境中形成的[62]，一般出現(xiàn)在河道或三角洲環(huán)境中[65]。與豐富的侵蝕構(gòu)造、古土壤和地層中向上變細(xì)的砂層（圖2n）共同構(gòu)成三角洲平原環(huán)境。

三角洲前緣沉積。三角洲前緣沉積位于河口前緣，沉積物受波浪和潮汐作用影響較大[62]。因此，小白組中由薄層粉砂和泥夾層組成的波狀層理和潮汐韻律層（圖2i）是三角洲前緣沉積的重要識(shí)別標(biāo)志。破碎貝殼的出現(xiàn)（如紅崖組頂部和大溝組頂部，圖2e）代表了高能量環(huán)境，比如遭受湖浪沖擊的湖灘[66]。紅崖組上段中發(fā)育的軟沉積變形（圖2j）代表三角洲前緣的斜坡環(huán)境，當(dāng)未固結(jié)沉積物受到地震等因素而振動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)扭曲變形層[67]。

前三角洲沉積。前三角洲是三角洲環(huán)境的最遠(yuǎn)端部分，與湖相沉積物相似，都具有塊狀和水平層理的特征（如木瓜組下部）。然而，與湖泊相比，前三角洲沉積有更多的粉砂和更少的黏土（如下土河組上部與小白組）。

4.1.3 湖泊環(huán)境

在鉆孔巖心中，將厚層塊狀泥解釋為湖相沉積，而帶有侵蝕底部的薄夾層粉砂則解釋為水下水道沉積，在洪水或地震活動(dòng)期間深入到湖泊深處[67]。具湖相沉積特征的層位主要為小白組下部和木瓜組下部。韻律巖是深湖相最具特征的沉積構(gòu)造，由淡色的富碳酸鹽巖和深色的富有機(jī)質(zhì)層組成（圖2k）。小白組沉積物的灰綠色也表明沉積為還原環(huán)境，穩(wěn)定的韻律層和厚層黏土層表明小白組為較深的湖相沉積[68]；而木瓜組下部包含大量侵蝕構(gòu)造和殼類碎片，表明湖泊較淺，甚至木瓜組湖相沉積與前三角洲沉積難以區(qū)分。此外，木瓜組還發(fā)育破碎后原地沉積的深、淺色薄互層黏土碎屑，可能為風(fēng)暴或地震成因（圖2l）。

綜上所述，將ZK01沉積環(huán)境劃分為河流沉積環(huán)境、三角洲沉積環(huán)境和湖泊沉積環(huán)境（圖3）。表現(xiàn)為河流—三角洲/湖泊—河流的沉積環(huán)境演化過程。

4.2 碎屑成分分析結(jié)果

碎屑成分（表2）主要為石英（Q，單晶和多晶顆粒），長(zhǎng)石（F，鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石）和巖屑（L，火山巖屑、沉積巖屑、硅質(zhì)巖屑、碳酸鹽巖巖屑和硅酸鹽巖巖屑的集合體）。副礦物包括云母和含量較低的鋯石、磁鐵礦等重礦物。樣品礦物含量差異較大，說明砂樣的類型復(fù)雜。

根據(jù)Q-F-L三元圖解（圖4a），ZK01鉆孔中的砂可分為長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖。砂碎屑類型與沉積組之間存在一定的規(guī)律性。下土河組組擁有Q-F-L三元關(guān)系中最高比例的石英（59%）和巖屑（68%）組分。相反，長(zhǎng)石的最高比例（65%）出現(xiàn)在最頂部的汾河組。下土河組和木瓜組主要為巖屑砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，紅崖組、大溝組和汾河組樣品主要為長(zhǎng)石砂巖—巖屑長(zhǎng)石砂巖。而中段的小白組被劃分為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，位于長(zhǎng)石砂巖和巖屑砂巖的過渡區(qū)域?？傮w來看，剖面下部長(zhǎng)石含量明顯降低，而石英和巖屑含量略有增加。

4.3 重礦物分析結(jié)果

共識(shí)別出重礦物種類18 種（表3）。重點(diǎn)對(duì)鋯石、金紅石、石榴石和電氣石進(jìn)行形態(tài)特征觀察。其中鋯石以淺粉色和玫瑰色為主，半自形柱狀或次棱角柱狀，表面光亮潔凈。少量磨圓度較高，晶體表面可見淺坑和淺凹槽，反映長(zhǎng)距離的搬運(yùn)和風(fēng)化作用。金紅石以深紅、暗紅色為主，呈柱狀或粒狀，半透明，具金剛光澤或油脂光澤。石榴石主要為粉色和淺粉色，透明粒狀，玻璃光澤。電氣石為茶褐色，次滾圓柱狀和粒狀，玻璃光澤。

對(duì)透明礦物和非自生礦物重新進(jìn)行含量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)礦物含量在不同沉積組或沉積環(huán)境中變化較大（圖3）。其中鋯石和氧化鈦類礦物主要集中在下土河組，并在下土河組頂部開始急劇減少。石榴石含量從下土河組到小白組略有增加，且總體含量較高（>30%），但是從紅崖組開始含量進(jìn)一步增加，最高可達(dá)70%。角閃石含量在大多數(shù)沉積組中含量極低，但在小白組和紅崖組中卻急劇增加，在小白組頂部達(dá)到45%。其他種類重礦物含量分布變化較小?？傮w看來，重礦物含量在下土河組和小白組之間變化明顯，在其他層位相對(duì)穩(wěn)定。

5 討論

5.1 物源分析

太原盆地為一夾于太行山和呂梁山之間的狹長(zhǎng)型盆地?，F(xiàn)今沉積物主要通過汾河及發(fā)源于兩側(cè)山脈的河流和風(fēng)搬運(yùn)至盆地內(nèi)堆積，然后部分沉積物再通過汾河被搬運(yùn)出太原盆地，進(jìn)入臨汾盆地或其他下游盆地中。

代表超穩(wěn)定組分的鋯石、電氣石和TiO2礦物在盆地底部下土河組的中、下段沉積物樣品（HMZK01-9～13）中的含量大約占據(jù)了在整個(gè)盆地樣品中含量的78%（表3）。其中被稱為ZTR組合的鋯石、金紅石和電氣石代表經(jīng)歷多次沉積循環(huán)后殘留下的穩(wěn)定組分，一般來自沉積巖物源區(qū)。利用ZTR 指數(shù)（（鋯石+金紅石+電氣石）/透明重礦物）[69]對(duì)沉積物中重礦物成熟度進(jìn)行判別，可以有效判斷沉積物所經(jīng)歷的再循環(huán)過程和搬運(yùn)距離。ZK01孔中ZTR指數(shù)在下土河組中、下段顯著偏高（0.15～0.45），而下土河組上段及以上層位則不超過0.1（圖3）。這反映下土河組中、下段沉積物經(jīng)歷了更多的再循環(huán)沉積過程，或者經(jīng)歷了更遠(yuǎn)的搬運(yùn)距離，這與其較高的碎屑成熟度（圖3）及其河流環(huán)境相符。

由于沉積物從源到匯的過程會(huì)受風(fēng)化、水動(dòng)力分選以及成巖作用的影響，使用GZi（100×石榴石/（石榴石+鋯石））、RuZi（100×金紅石（/ 金紅石+鋯石））和AT（i 100×磷灰石（/ 磷灰石+電氣石））三個(gè)礦物對(duì)指標(biāo)以降低外在因素對(duì)重礦物物源信息的干擾[55，70]。結(jié)果表明（圖4b），下土河組樣品中有4個(gè)樣品獨(dú)立于其他沉積組的樣品，表現(xiàn)出明顯的物源差異性。下土河組另外2個(gè)樣品沒有表現(xiàn)出與其他沉積組的明顯差異，這可能主要由于樣品已經(jīng)受到其他物源的影響，因?yàn)榕c其他沉積組樣品最接近的為下土河組最頂部的樣品（HM-ZK01-8），屬于三角洲沉積和湖泊沉積高度融合部位。現(xiàn)代汾河樣品與盆地內(nèi)中、上部沉積具有同源屬性。

下土河組中、下部作為太原盆地最底部、砂礫含量最高的層位，具有同裂谷沉積特征，代表裂谷發(fā)育時(shí)最早期沉積[11]，應(yīng)該為近源沉積。該段沉積物ZTR指數(shù)和碎屑成熟度均為最高，反映長(zhǎng)距離搬運(yùn)或再循環(huán)沉積來源，而其重礦物物源屬性與現(xiàn)代汾河差異較大，因此可以排除汾河的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)成因。從區(qū)域地層分布上看，盆地東側(cè)太行山殘留少量中侏羅紀(jì)地層[71]（圖5a），巖性主要為石英砂巖、礫巖和砂質(zhì)泥巖[46]，可以提供下土河組中高含量的石英成分（圖5b，c）；而占據(jù)盆地東側(cè)山脈絕大部分面積的三疊系主要為長(zhǎng)石砂巖[46]，與盆地內(nèi)中、上部地層碎屑成分相符（圖5b，c）。因此，推測(cè)盆地東側(cè)的太行山脈經(jīng)歷了蝕頂剝蝕過程。裂谷發(fā)育初期地表被厚度達(dá)5 000 m的古生代和中生代沉積所覆蓋[72]，其中侏羅系為最新地層。盆地?cái)嘞蓍_始后首先剝蝕最頂部的侏羅系，造成富含石英的碎屑物質(zhì)首先被搬運(yùn)至盆地內(nèi)（圖5d，①～②）。當(dāng)侏羅系被剝蝕殆盡，下伏三疊系大面積出露，盆地內(nèi)沉積物轉(zhuǎn)為以富含長(zhǎng)石碎屑為主圖5d，③）。而盆地發(fā)育到一定程度后，古汾河水系將呂梁山內(nèi)火山巖和變質(zhì)巖碎屑搬運(yùn)至盆地內(nèi)堆積，也進(jìn)一步造成長(zhǎng)石和非ZTR重礦物的富集。

5.2 太原盆地沉積環(huán)境演化及其影響因素

5.2.1 太原盆地沉積環(huán)境和古湖泊演化

太原盆地沉積可劃分為3段，分別為底部的河流沉積、中部的湖相和三角洲沉積，以及頂部的河流沉積。底部的粗粒河流沉積代表了盆地裂陷初期快速沉降過程的響應(yīng)。隨著礫石向上轉(zhuǎn)化為細(xì)砂和泥，中段沉積物粒度急劇減小，幾乎沒有厚層的砂礫石層，也缺乏典型的河流相層理，主要為湖相沉積和三角洲沉積。從木瓜組上部開始，湖泊沉積物最終被反映湖泊收縮的三角洲沉積物所覆蓋，至汾河組湖泊退出，河流沉積再次占據(jù)主體地位。

來自鉆孔巖心的三角洲沉積普遍為細(xì)粒沉積，與扇三角洲或辮狀河三角洲沉積差別較大[73?75]。而陡傾斜前積層的缺失表明三角洲類型為緩坡細(xì)粒河流三角洲而非典型的吉爾伯特型粗粒三角洲。這也符合太原盆地為半地塹的盆地類型。鉆孔位于盆地活動(dòng)性較弱的一側(cè)，坡度和沉降速率較低[76]。

根據(jù)韻律層和穩(wěn)定黏土層的分布，在小白組下部和木瓜組下部可劃分出兩個(gè)大湖期（圖3）。ZK01孔在5.8 Ma（584 m）沉積環(huán)境發(fā)生突變，從棕紅色三角洲沉積到深色富有機(jī)質(zhì)層的轉(zhuǎn)變是突然的而非過渡的。深色有機(jī)質(zhì)層和淺色鈣質(zhì)層標(biāo)志深湖相沉積環(huán)境。沉積速率增大[11]，反映湖泊擴(kuò)張加快。在5.8～4.4 Ma形成一個(gè)覆蓋整個(gè)盆地的湖泊。在這種裂谷盆地環(huán)境中，由于湖泊盆地邊緣更陡峭，湖泊水位的垂直變化可能非常劇烈和迅速[77]。ZK01孔在第一次湖侵之后直到約2.2 Ma都是以三角洲平原和三角洲前緣交互沉積為主，未發(fā)育穩(wěn)定的湖相沉積。而2.2 Ma開始的湖侵事件沉積厚度較薄、持續(xù)時(shí)間短，很快轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵藜昂恿飨喑练e，其湖侵規(guī)模小于第一次湖侵。此后，未再發(fā)育典型湖相沉積，而是轉(zhuǎn)為三角洲沉積，表明太原盆地湖泊逐漸萎縮。ZK01孔0.6 Ma之后三角洲環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鳝h(huán)境，湖泊已大幅萎縮直至完全干涸。因此，太原盆地晚新生代總共發(fā)育兩次湖侵范圍到達(dá)盆地東側(cè)邊緣，形成幾乎覆蓋整個(gè)太原盆地的超大湖期，分別為晚中新世—早上新世（約5.8～4.4 Ma）和早更新世早期（約2.2～1.6 Ma）。

5.2.2 湖泊演化影響因素

陸相盆地的內(nèi)部沉積結(jié)構(gòu)最有可能受構(gòu)造作用和氣候變化的控制[76?77]。具體來說，湖泊是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和濕潤(rùn)氣候的產(chǎn)物[78]。本文嘗試探討氣候和構(gòu)造對(duì)太原盆地湖相演化的控制作用。

從區(qū)域氣候環(huán)境來看，由于北半球海冰擴(kuò)張[79]和青藏高原隆升[80?81]，東亞在晚中新世以來經(jīng)歷了一個(gè)整體的變干和變冷的過程[82?84]（圖6a）。山西地塹系位于現(xiàn)今黃土高原東緣。根據(jù)黃土高原朝那剖面的磁性粒度記錄[85]以及蒿屬、落葉喬木和稻科的花粉記錄[86]，黃土高原在5.8～4.4 Ma期間并不特別濕潤(rùn)，甚至有干旱化趨勢(shì)[86]（圖6b～d）。盡管有些研究認(rèn)為夏季降水在這一時(shí)期由于夏季風(fēng)增強(qiáng)而增加[87?88]，但太原盆地夏季降水模擬表明大部分增加的降雨被太行山脈所阻擋，晚中新世和上新世夏季降水差異小于40 mm[89]，這種量級(jí)的降雨增加顯然不能對(duì)太原盆地的沉積環(huán)境產(chǎn)生決定性的影響。進(jìn)入第四紀(jì)后季風(fēng)增強(qiáng)，氣候波動(dòng)頻繁且劇烈。2.6～1.8 Ma期間榆社盆地草本植物的花粉含量比例[90]（圖6e）和靈臺(tái)地區(qū)的磁化率（圖6f）和土壤碳酸鹽δ13C[91]（圖6g）均表現(xiàn)出顯著的干旱化趨勢(shì)。這兩個(gè)時(shí)期的氣候均不利于湖泊的大規(guī)模擴(kuò)張。因此，氣候變化顯然不是這兩期超大湖泊形成的直接因素。

從區(qū)域構(gòu)造背景來看，山西地塹系及周邊區(qū)域在8～10 Ma經(jīng)歷了一次廣泛的快速隆升過程（圖1），推測(cè)山西地塹系的發(fā)育與該期區(qū)域構(gòu)造事件吻合，而其發(fā)育時(shí)間也與太原盆地ZK01鉆孔最底部沉積物的年齡一致[11]。而之后第一次湖侵與呂梁山5.7 Ma左右的快速隆升事件[92]時(shí)間一致，第二次湖侵與裂谷早更新世開始的構(gòu)造應(yīng)力的轉(zhuǎn)變時(shí)間一致[19，93]，這些構(gòu)造事件均與青藏高原北東向擴(kuò)展相關(guān)。

鄂爾多斯周緣盆地普遍發(fā)育多期大型湖泊，這些湖泊的發(fā)育和消亡往往是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或者重大水系重組的直接反映。如吉蘭泰—河套古湖的形成可能與12萬年前共和運(yùn)動(dòng)造成的鄂爾多斯高原抬升阻礙黃河外流有關(guān)[94?95]，而其消亡也可能與黃河在晉陜峽谷在北端的貫通有關(guān)[96]。因此，推測(cè)構(gòu)造作用主導(dǎo)了太原盆地的湖泊演化。

太原5.8 Ma古大湖的形成可能是盆地快速沉降（約5.7 Ma呂梁山快速隆升[92]）產(chǎn)生巨大的可容納空間，以及因此導(dǎo)致的盆地與靈石隆起的差異抬升作用阻斷了古汾河南流的結(jié)果；2.2 Ma古大湖的形成可能更多與早更新世NE—SW向伸展（早更新世構(gòu)造應(yīng)力轉(zhuǎn)換[19，93]）造成的靈石隆起與盆地的快速差異抬升作用有關(guān)。目前，靈石隆起北部汾河河谷兩側(cè)山區(qū)的平均海拔為1 100 m，遠(yuǎn)高于隆起以北的盆地南端750 m的平均海拔。盡管缺乏隆起和盆地的抬升速率的差異值，但二者之間具有顯著的海拔差異這一事實(shí)表明靈石隆起具備阻擋古汾河進(jìn)入臨汾盆地的地質(zhì)條件。靈石隆起之上晚新生代地層厚度可達(dá)600 m，在中段安樂村剖面和南壇剖面發(fā)育泥灰?guī)r等典型湖相沉積，其中南壇剖面底部可見一套厚約8 m的湖相灰?guī)r[39]，反映靈石隆起之上曾發(fā)育湖泊。因此，我們推測(cè)太原盆地古湖泊在達(dá)到最大湖侵面后，湖水漫過靈石隆起向南溢流至臨汾盆地，并在靈石隆起的低洼地段形成湖泊。溢流也導(dǎo)致靈石隆起在與臨汾盆地邊界處開始出現(xiàn)溯源侵蝕。隨著溯源侵蝕的發(fā)展，逐漸形成連接太原盆地和臨汾盆地的串聯(lián)河流。同時(shí)，隆升作用使古汾河在靈石隆起上開始下切，而盆地也不斷被沉積物充填，當(dāng)河流下切至與盆地地表高度一致時(shí)，太原盆地古湖泊便被排空，汾河在太原盆地中重現(xiàn)并貫穿整個(gè)盆地。

6 結(jié)論

（1） 太原盆地ZK01鉆孔揭示出8.1 Ma以來河流—三角洲/湖泊—河流的沉積環(huán)境演化過程。物源分析表明早期物源主要來自東部太行山中生代砂巖，并揭示了盆地東側(cè)太行山脈的蝕頂剝蝕過程；5.8 Ma開始的湖泊發(fā)育過程伴隨著碎屑成分和重礦物組合的轉(zhuǎn)變，來自呂梁山北部的變質(zhì)巖和火山巖碎屑開始進(jìn)入盆地。

（2） 在5.8～4.4 Ma和2.2～1.6 Ma分別發(fā)育兩期覆蓋整個(gè)太原盆地的超大湖泊。這兩期湖泊擴(kuò)展過程與區(qū)域古氣候變化不同步，但能夠與區(qū)域構(gòu)造事件相關(guān)聯(lián)，表明主要受控于構(gòu)造過程。這兩次構(gòu)造過程同盆地的初始發(fā)育過程一樣，均為青藏高原擴(kuò)展過程在鄂爾多斯塊體東緣的構(gòu)造響應(yīng)。

致謝 感謝天津地調(diào)中心胥勤勉高工在沉積環(huán)境解釋上給予的幫助；感謝山西地質(zhì)調(diào)查院楊鵬生、胡霄等在采樣和編錄上的無私幫助。感謝三位審稿專家提出的寶貴建議以及編輯部老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使文章質(zhì)量得到顯著提升。

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