临夏盆地是什么?关于临夏盆地的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:24:52

临夏盆地位于青藏高原东北缘,属于东部季风区、西北干旱区和青藏高原寒旱区的交界区,在区域地理上属于季风边缘区半湿润气候向半干旱气候过渡区。临夏盆地的基底为古生代花岗岩,其上沉积了从始新世末期到第四纪几近连续的地层,厚度可达1600m以上,可分为下部的河湖相和上部的黄土-古土壤及红粘土风成沉积序列(图1)。沉积序列中埋藏着丰富的哺乳动物化石,迄今已出土化石数以万计,是全球新生代化石最全和最多的盆地之一,以晚渐新世巨犀动物群、中中新世铲齿象动物群,晚中新世三趾马动物群和早更新世真马动物群为重要代表。独特的区域位置、完整的沉积序列和丰富的哺乳动物化石产出为探索一系列科学问题(青藏高原隆升及其环境效应、东亚季风环流系统形成、亚洲内陆干旱化和生命系统演化等)提供良好的研究载体。自上世纪八十年代,学者们已经分别从生物地层学、古地磁年代学、岩石地层学等学科研究领域对临夏盆地的地层进行了详细的划分和精准的年代标定,取得了丰硕的研究成果。

临夏盆地地质地理背景

临夏盆地位于甘肃省东南部,是由青藏高原东北缘雷积山深大断裂、秦岭北深大断裂和祁连山东延余脉马衔山围成的一个山前挠曲盆地,在地质构造上属于青藏高原东北边缘陇中盆地西南隅的一个次级盆地(图2)。盆地西、南和北面界线清晰,东面逐渐过渡的与陇中盆地连接在一起,没有清晰的界线。临夏盆地的基底为早古生代花岗岩,其上沉积了从始新世末期到第四纪几近连续的地层,该地层在盆地中部和北部较薄,300~500m,向西和南侧的山前显著增厚,可达1600m以上,与下伏花岗岩不整合接触。岩性主要为湖泊相粉砂岩和泥岩,夹有河流相的砾岩和砂岩,顶部覆有30-200米厚的风成沉积物。沉积序列中产出数以万计的哺乳动物化石,可为盆地晚新生代地层的划分和对比提供可靠的生物年代学素材。

临夏盆地位于兰州市南约100Km处,所在区行政区划为甘肃省临夏回族自治州。地势由西南向东北变低,多发育山谷,平均海拔约2000米。地处黄土高原向青藏高原过渡地区,位于东部季风区、西北干旱区和青藏高原寒旱区的交界处,在区域地理上属于季风边缘区半湿润气候向半干旱气候过渡区。气候温凉半湿润,主要为大陆性季风气候,西南地区因海拔高且多地形雨,气温低,降雨量大,阴湿寒冷,东北部则温和干旱。年平均气温8℃,最高气温32.5℃,最低气温零下27.8℃,年平均降雨量422mm,蒸发量1198至1745mm。临夏盆地内发育的主要河流有黄河及其一级支流大夏河和洮河与二级支流广通河,地势的不断抬升和河流长时间的切割作用造成了盆地内出现较多可供研究的剖面。

临夏盆地地层划分

临夏盆地地层划分沿革

上世纪五十年代学者们多以“甘肃群”和“第四纪沉积”对临夏盆地晚新生代地层进行描述。1965年,甘肃省地质测队在临夏盆地开展了广泛的野外地质调查工作,同时把临夏盆地新生代红层统一命名为“临夏组”,并对红层进行了较为细致的划分,确定了4段地层划分方案,依据剖面上部发现的三趾马化石把临夏组时代定为上新世。1984年,甘肃省地质区调队依据发现的三趾马动物群化石调整临夏组仅相当于剖面的第三和第四岩性段。邱占祥等(1990)和谢骏义(1991)通过细致研究发现的哺乳动物化石,认为临夏组时代全部属于中新世,合并第一和第二岩性段新建“椒子沟组”,时代属早中新世,第三岩性段被命名为“东乡组”,时代属中中新世,临夏组仅限于第四岩性段。上世纪九十年代中后期,兰州大学科研团队依据沉积旋回理论对临夏盆地的新生代地层进行了详细划分,建立了从晚渐新统塔拉组到全新统统洒勒山组详细的岩石地层单位,并以高分辨率的磁性地层测定为主、辅以14C、裂变径迹和OSL等测年法对临夏盆地北部的的新生代地层进行了年代测定,将原临夏组第三段上下部分别命名为“东乡组”和“上庄组”,时代分别属晚中新世早期和中中新世。第四段的下部则以柳树组命名,时代为晚中新世晚期。邓涛等(2004)在大量的野外调查中发现,柳树组和东乡组之间普遍发育一套砂砾岩,并富含通古尔期铲齿象动物群化石,命名为“老沟组”,随后发现这一地层命名曾经是废弃组名,而废弃的组名不能重新使用,便把这套地层重新命名为“虎家梁组”,时代属于中中新世。

沉积序列岩性及所含哺乳动物化石

临夏盆地不仅发育了厚度巨大的晚新生代沉积序列,地层中还埋藏着丰富的哺乳动物化石,为生物地层学的研究提供了良好的素材。古生物学者自上世纪八十年代便对哺乳动物化石展开了广泛地研究,近几年仍有研究成果不断地涌现。古生物学家的研究表明,临夏盆地是整个东亚地区新纪哺乳动物化石保存最丰富的地区。为保护宝贵的化石资源,临夏州先后在和政县建立了古动物化石博物馆和哺乳动物化石原址埋藏馆。临夏盆地富含的哺乳动物化石跨越时代长,几乎无间断占据了整个沉积序列的时代。盆地产出的化石种类丰富多样,目前发现的化石包括了啮齿目、食虫目、兔形目、灵长目、肉齿目、食肉目、长鼻目、蹄兔目、奇蹄目和偶蹄目在内共有10目42科131属172种,这些化石甘在种级水平上全部都是绝灭类型,仅少数属有现生代表;化石产出地点多,主要集中在和政县、广河县西部,东乡县南部以及临夏市等地,分布面积达1300km2。下文将对临夏盆地的沉积序列及其所含哺乳动物化石做简要描述:

塔拉组:该组地层以角度不整合的接触关系直接发育于早古生代花岗岩之上,地层可细分为3层,下层为深紫红色细砾岩、含砾粗砂岩和含板状或片状石膏泥岩,中部为紫红色粉砂岩和泥岩,上部为紫红色块状泥岩。塔拉组中至今仍未发现哺乳动物化石,时代可能属于早渐新世。

椒子沟组:该组地层可分为2段,上段为含有大量板状和片状石膏的褐红色钙质块状粘土,具微细层理。下段为褐黄色砂岩和砂砾岩,夹薄层紫红色泥岩。砂岩和砂砾岩中产巨犀动物群化石。时代属晚渐新世。

上庄组:该组地层可分为2段,下段为黄褐色块状中砂岩,钙质胶结,具平行层理。上段为浅红褐色粉砂质粘土和块状粘土。上庄组内产“寺沟动物群”化石,时代属于早中新世。

东乡组:上部以一套醒目的震荡湖泊相紫红色粘土和灰绿色泥灰岩互层发育为主要特征,因其酷似斑马条纹,被学者们形象地称之为“斑马层”。下部为褐红色、灰绿色粉砂、砂及粘土。产“石那奴动物群”化石,时代为中中新世。

虎家梁组:可分为三层。上层为灰白色局部呈锈黄色砂砾岩,砂泥弱胶结,砾石成分主要为石英岩、石英闪长岩和硅质岩。砾石分选差,磨圆度好,滚圆度差,粒径可达50mm。该层砂砾岩厚度和岩性均不够稳定,厚度分布范围1-10米,岩性可相变为钙质胶结的砂岩和粉砂岩,因抗风化能力强而在地貌上外凸或者形成悬崖,局部甚至相变为含砾泥灰岩。中部为浅红棕色、黄棕色块状粉砂质粘土和粉砂岩。部分地区可见夹灰绿色,局部呈锈黄色块状灰质粉砂质粘土,具水平层理,含大量小哺乳动物化石。此层厚度的变化较大,甚至于消失,厚度0-8米。下层上部为灰白色砂砾岩,钙质胶接,分选、磨圆度和滚圆度均好,砾石成分主要为石英岩、硅质岩和中性火山岩,含化石碎片。下部为钙质灰白色石英长石中砂岩,具交错层理,含少量线状排列的细砾石,砾石分选、磨圆度和滚圆度均好。该层产出通古尔期的铲齿象动物群化石。虎家梁组岩性特征明显的不同于其余地层单位,且产出有大量的铲齿象动物群化石。独特的岩石和古生物特征为临夏盆地地层的追索和对比提供了可靠的证据,常常作为标志层。

柳树组:柳树组以发育典型的黄棕色、褐黄色和浅红棕色粉砂质粘土和粉砂岩为特征,并含有大量的钙质结核,钙质结核有时可汇聚成薄层到中厚层与粉砂质粘土互层,盆地南部柳树组地层可夹中厚层砂岩透镜体和厚层砂砾岩透镜体。含四层三趾马动物群化石。时代为晚中新世。

何王家组:该组地层具有明显两分性质,下段为河流相的弱钙质胶结的砂砾岩层,具叠瓦构造,砾石成分主要为石灰岩、石英岩和砂岩。砾石无分选,颗粒支撑。上段为褐黄色块状粉砂质粘土,含较多钙质结核,产“十里墩动物群”化石,时代为早上新世。

积石组:灰黑色砂砾石,钙质胶结,硬度大,磨圆度和滚圆度极好,可见巨砾,表面常被钙质壳包裹,局部可见黑色薄层、具斜层理的砂岩和棕红色粉砂岩透镜体。砾石成份主要为肉红色亮晶灰岩、灰色泥晶灰岩、石英岩、板岩和火山岩。该层不含哺乳动物化石,根据上覆黄土和下伏何王家组的时代可以确定其形成年代为晚上新世。

东山组:可分为三段,上段为黄褐色粉砂岩,含大量钙质结核。中段为褐黑色粉砂岩。下段为褐黄色湖相粉砂岩,含板状钙质结核层。在临夏盆地的东部,与该组相当的地层主要为午城黄土堆积,含真马动物群化石,时代为晚更新世早期。

临夏盆地研究进展

临夏盆地磁性地层学研究进展

临夏盆地在上世纪六十年代便发现了大量哺乳动物化石,到八十年代古生物学者对盆地产出的化石展开了研究,而磁性地层学的研究时代要晚于古生物化石的研究。直到上世纪九十年代,兰州大学团队开展了对临夏盆地的广泛研究,研究地层包括沉积序列下部的河湖相地层以及上部的风成沉积序列,命名了一套全新的岩石地层单位,以盆地北部的毛沟剖面为主体研究剖面,通过以古地磁为主要研究手段的方法为盆地内的晚新生代沉积序列建立了从塔拉组到洒勒山组13个地层单位的年代标尺。研究成果表明,盆地内以角度不整合上覆于加里东期花岗岩上的塔拉组的年龄可达29Ma,而盆地最新的洒勒山组沉积地层的年龄为0-0.01Ma。这段时期的古地磁年龄的限制主要依据是盆地内发现的少量且处于初步研究的古生物化石,研究剖面仅仅出土少量零散的哺乳动物群化石,是通过地层的对比来实现哺乳动物化石对磁性地层年代的限制。而后,随着越来越多哺乳动物化石点的发现和深入研究,磁性地层学的研究与生物地层的结合更加紧密,一方面研究剖面中也有较多的哺乳动物化石发现并作为古地磁年代学的限制。王久一等(2010)对盆地南部边缘的黑林顶剖面中部的东乡组与柳树组地层的磁性地层学研究表明,研究剖面的年龄为12.1-5.2Ma,依据沉积速率计算出了黑林顶剖面上部三趾马动物群的生活年代为6.3Ma,下部铲齿象动物群年代为11.1Ma。随后,Wu et al(2017)对黑林顶剖面的上部和下部进行磁性地层学研究,研究沉积序列厚度近千米,地层从塔拉组到第四系东山组,时间跨度26.5-1.8Ma。Fang et al(2016)对盆地中部郭泥沟剖面的磁性地层学研究结果显示,郭泥沟剖面形成于17.3-7.7Ma,沉积序列在岩石地层上属于上庄组-柳树组。孙蕗(2014)为盆地北部的牛家村-牙沟剖面建立了高分辨率的磁性年代学框架,对塔拉组-柳树组下部的地层年代学研究表明其形成时代为34-9Ma,椒子沟组下部砂砾岩层所产出的“巨犀动物群”年龄大约为27Ma。另一方面,部分学者主要应用磁性地层学为临夏盆地重要化石产出地点进行古地磁年代学测量。孔艳芬(2018)对柳树组内下部三层哺乳动物化石及地层界线的年龄进行了古地磁年代学测定,结果显示“郭泥沟动物群”的年龄为11.592-11.056Ma,“大深沟动物群”年龄约为9Ma,“杨家山动物群”的年龄为6.318Ma,柳树组与虎家梁组界线的年龄为11.938Ma,柳树组与何王家组界线的年龄为5.971Ma。Zhang at al(2019)的研究说明了老沟剖面的杨家山动物群和铲齿象动物群年龄分别为约为6.4Ma和11.5Ma。Zan et al(2016)对龙胆地区产于武城黄土中的“真马动物群”年代进行了限制,认为该动物群的生活时代为2.5-2.2Ma。近期Zhang et al(2020)的研究结果展示了产于临夏盆地最上层的三趾马化石的年龄为5.3Ma。

临夏盆地古气候学和古环境学方面研究进展

在对临夏盆地的沉积序列和哺乳动物群建立高分辨率年代标尺的同时,学者们还通过多样的手段和气候替代指标恢复盆地的古气候和重建古环境,以实现对盆地演化及其周边区域的地质构造的研究,进一步来揭示青藏高原隆升、东亚季风演化的过程和机理。

粒度和粉尘通量一直是我国黄土高原地区冬季风强度变化的替代性指标,基于此理论基础,Fan et al(2006)的研究表明,临夏盆地风成沉积物可以追索到13.1Ma,在已知风成沉积物中,10-70微米的部分占主体。在7.4Ma之后,风成成分逐渐的占主导地位,到6.2Ma之后几乎所有的沉积物都为风成。风成粉尘揭示了亚洲冬季风在7.4Ma和5.3Ma的两次突然增强。这两次冬季风的突然增强叠加在开始于8.0-7.4Ma的亚洲冬季风上,而这两个突然加强可能与北极冰层体积增加有关。7.4Ma之后逐渐增强的亚洲冬季风伴随着中亚沙漠化,可能与青藏高的隆升有关。Zan et al(2018)以盆地中部那勒寺地区黄土-红粘土序列的钻孔为研究材料,对亚洲冬季风的变化进行了研究。结果表明,中值粒径(Md)和含砂量的记录在~3.7-2.4Ma的时间间隔内钻孔总体呈上升趋势,表明逐级增强的东亚冬季风和青藏高原东北缘的干旱。另外,L34单元的粒度粗化记录了约2.75Ma的一次大的气候变化,可能与与上新世晚期北半球冰川作用的主要强化有关。王建力等(1998)依据沉积序列30Ma以来的粒度特征划分了7个沉积旋回,指出青藏高原在距今约3.4Ma前存在强烈的抬升。王建力和方小敏(2000)依据地层中石英砂的扫描电镜结果指出了风成砂在15Ma开始一直存在于沉积序列中,在8Ma和6-5Ma含量达到鼎盛,第四纪的风成沉积砂多存在远源物质,可能是青藏高原隆升造成的大气环流变化所致。

马玉贞等(1998)对毛沟剖面的沉积序列展开了细致的孢粉学研究,识别出了7个孢粉组合带、4个植被演化阶段和5个重大气候事件:阶段A(30.6–21.8Ma)为疏林–草原植被带(带1),阶段B(21.8–8.5Ma)为森林(带2–5),阶段C(8.5–6.0Ma)为草原(带6),阶段D(6.0–5.0Ma)为森林(带7)。5个重大气候事件包括:18.6–13.0Ma之间的降温事件,21.8–16.8Ma,13.0–8.5Ma和6.0–5.0Ma3个阶段的温暖湿润期和8.5–6.0Ma之间的干旱化事件。

闫晓丽(2014)对黑林顶剖面展开了系统的环境磁学研究,同时结合漫反射光谱分析、粒度、色度和碳酸钙含量这些古环境代用指标的研究成果指出,沉积物中主要的载磁矿物是磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,含有少量针铁矿,磁化率的增大由亚铁磁性矿物含量的增加所导致,物源的变化是导致亚铁磁性矿物增加的重要原因。青藏高原在~8Ma发生过强烈的构造抬升,造成物源区剥蚀速率明显加快,风化作用减弱,磁性小颗粒来不及氧化便迅速沉积下来,只有少部分氧化为赤铁矿,是黑林顶剖面8.5Ma后增大的主要原因。

钟巍等(1997)应用地球化学研究手段对盆地西部的王家山剖面做了主微量元素分析,研究表明上新世气候频繁的大幅度波动是气候过渡性特征的反映,地球化学特征与第四纪时期东山古湖沉积的东山组地层存在明显的差异,这种差异的形成与青藏高原隆升的关系紧密。王建力等(1998a)以以盆地西部王家山剖面东山组的第四纪湖相沉积物为研究载体,以地层中CaCO3的含量为重建古气候的代用指标,通过CaCO3含量的变化曲线来研究古气候的变化。其研究指出,2.28Ma与1.75-1.8Ma为两个明显的冷湿时期,气候的波动具有明显的主导周期,时间为41000a。宋春晖(2007)以主微量元素地球化学特征为主要古气候代用指标对时间跨度可达8.6Ma的沉积序列进行研究,划分出这一时段4大气候演化阶段:13–12Ma之间气候为湿润类型;12–7.8Ma之间气候总体以湿润为主,夹杂了短暂的干旱;7.8–6.2Ma之间其后发生了明显的干旱化,此时的气候已经以干旱为主导;6.2–4.4Ma之间气候的干旱化在进一步的加剧。并进一步的指出7.8Ma前后的气候转型可能与冬季风加强关系密切,6.2Ma以来的有规律的高频气候波动可能与现代季风形成有关。

邓涛(2004b)以临夏盆地产出的四个代表性动物群为研究对象,对每个动物群中产出的典型分子进行了形态学剖析,以提取动物群生存时代的古环境和古气候信息。研究表明:巨犀动物群生活的晚渐新世为间杂一些开阔地带,温暖湿润的森林环境;铲齿象动物群生活的中中新世为森林茂密、水源丰富的森林环境;三趾马生活的晚中新世环境发生明显的变化,已经成为季节性变化加强的炎热半干旱的稀树草原;真马动物群生活的早更新世气候已经转变的寒冷干燥,临夏盆地的海波明显的升高。

临夏盆地沉积构造学研究进展

Fang et al(2003,2016)和方小敏(2019)以早期在盆地北部研究的毛沟剖面及后期于盆地中部和南部展开重点工作的的郭泥沟和黑林顶剖面为研究对象,建立了跨越盆地晚新生代沉积序列的高分辨率磁性地层学框架。以此年代学框架为基础,结合剖面的沉积学、岩石学、岩相学特征对盆地沉积-构造演化史和盆地性质进行了深刻的探讨,认为临夏盆地是一个典型的山前挠曲拗陷盆地或陆内再生前陆盆地,该种盆地与典型的前陆盆地具有相似的楔顶、前渊、前隆和隆后特征,自盆地中心地带到山前的前渊地带沉积物的厚度增厚显著,沉积速率明显加快。盆地的演化以8Ma为时间界线,可分为早期的冲压拗陷沉积阶段和晚期的冲断褶皱阶段,盆地的填充和沉积相的变化主要受到构造运动的控制,而气候的影响仅仅只是叠加在构造之上。郑德文(2003)运用裂变径迹热年代学的方法,结合前人在临夏盆地建立的磁性地层学结果指出,临夏盆地的沉积序列中记录了2次青藏高原隆升事件,年代分别为14Ma和约5.4—8.0Ma。其中,早期的隆升事件可能是因为青藏高原北部岩石圈的对流较薄而引起地壳增厚,进而诱发青藏高原隆升;晚期的隆升事件是因为高原在隆升到较大高度需要维持并调节南北汇聚,其东北边界向东向北进行了扩展,进而引起青藏高原的隆升。而后,郑德文等(2006)继续应用裂变径迹年代学对积石砾岩进行了研究,明确的提出积石山在8Ma便开始了隆升,明显的要早于积石砾岩形成的时间(3.6Ma),积石砾岩是在积石山隆升到较大高度时形成的地形雨汇聚成河流携带山区的碎裂岩石快速堆积沉积的,并非青藏高原的隆升造成。Yan et al(2014)综合对比毛沟和黑林顶剖面的磁化率曲线,发现两个剖面在18-4Ma之间的磁化率曲线变化趋势与周边气候记录的不一致,认为青藏高原东北部发生的构造作用是临夏盆地内部沉积序列磁化率变化的的主控因素,构造运动改变了沉积物中磁性矿物的性质和含量,并对沉积环境产生了影响。Duvall et al(2011)利用40Ar/39Ar定年法对盆地南缘的西秦岭逆冲断层内的伊利石进行年代学研究,认为该断层在约50Ma时已经开始活动,至少在中中新世依旧在活动。范马洁和宋春晖(2003)对王家山剖面的沉积相进行了细致的研究后划出了7个沉积旋回,通过对沉积旋回的分析来实现对青藏高原隆升的研究。结果显示,盆地沉积与高原隆升之间的关系紧密,可以很好地揭示出29Ma以来高原的隆升,29-21.4Ma处于高原的初期隆升和稳定阶段,21.4-6.25Ma为高原的中期隆升至稳定阶段,6.25-3.58Ma是青藏高原后期逐步隆升阶段,3.58~0Ma为青藏高原晚期急剧隆升阶段,由此得出青藏高原的隆升是一个多阶段、不等速和非均变的复杂过程。杨永锋等(2013)的研究指出,中新世早期西秦岭和拉脊山已经开始隆升,为临夏盆地的充填提供物源;中新世中期西秦岭和拉脊山抬升明显,隆升的差异性造成了临夏盆地胡博体系的形成,在盆地内形成了较为广泛的湖相沉积,中新世晚期积石山也开始隆升成为临夏盆地的物源区。

古生物学者从生物群的演化对临夏盆地的沉积构造进行了研究,邓涛从沉积序列中产出的四个典型动物群的研究入手,重点讨论了哺乳动物群的生活环境及其演化,通过青藏高原南北的动物群的对比发现,晚渐新世青藏高原有一定程度的隆升,但是隆升高度不足以阻挡动物群的迁徙和交流,“巨犀动物群”产出的化石在青藏高原南部的沉积盆地中依然存在,但是中中新世“铲齿象动物群”的化石在青藏高原南部的盆地中未有发现,说明青藏高原至少在中中新世已经隆升到足够高的高度,阻止了哺乳动物群的交流,到“三趾马动物群”主要生活的晚中新世对动物迁徙的阻碍作用更加突出,早更新世的“真马动物群”生活时期,临夏盆地已经演变为为一个高原或者高山地区,该动物群已经属于高山动物群,说明临夏盆地已经隆升到了相当大的高度。