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中国沙漠, 2020, 40(4): 1-9 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00030

准噶尔盆地西缘白杨河上游莫合台冲积洪积扇戈壁的特征、时代及过程

李夙超,1,2, 邱曼3, 李孝泽,1,2, 刘景德4, 王立民5, 胡杨4, 李志刚1, 牛改红1,2

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学，北京 100049

3.新疆生产建设兵团地质勘查中心，新疆 乌鲁木齐 830000

4.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000

5.农业部新疆勘测设计院/新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000

Characteristics, age and process of Mohetai alluvial fan gobi in the upper reaches of Baiyang River in the western margin of Junggar Basin, NW China

Li Suchao,1,2, Qiu Man3, Li Xiaoze,1,2, Liu Jingde4, Wang Limin5, Hu Yang4, Li Zhigang1, Niu Gaihong1,2

1.Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3.Xinjiang Production and Construction Corps Geological Exploration Center, Urumqi 830000, China

4.Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation, Shihezi 832000, Xinjiang, China

5.Xinjiang Surveying & Designing Institute, Ministry of Agriculture / Xinjiang Production and Construction Corps Surveying & Designing Institute (Group) Co. , Ltd, Urumqi 830000, China

通讯作者: 李孝泽（E-mail: leeyan@lzb.ac.cn）

收稿日期: 2020-01-14   修回日期: 2020-03-09   网络出版日期: 2020-08-20

基金资助: 新疆生产建设兵团地质勘查基金项目.  BTJY00GK2018001.  2016006

Received: 2020-01-14   Revised: 2020-03-09   Online: 2020-08-20

作者简介 About authors

李夙超（1996—）,女，山西平遥人，硕士研究生，主要从事地貌与第四纪研究E-mail:1140679579@qq.com , E-mail：1140679579@qq.com

摘要

准噶尔盆地西缘白杨河上游莫合台地区冲积洪积扇戈壁地貌与沉积发育，且富锶水土资源丰富，古环境和水土资源研究意义明显。结合以前研究资料，野外考察和室内分析综合表明：扇群按照形态参数可分为大、中、小3种；扇体基底地层主要由侏罗至新近系下部的倾斜地层组成；扇体地层主要由新近系上部与第四系砾质层组成；扇体地层沉积相主要包括风成亚相（风棱石、沙丘及黄土等）、水成亚相（冲积洪积相、河湖相等）、重力坍塌亚相及疑似冰碛亚相等；扇体主要是在3.596 Ma BP以来形成；地貌与沉积及其环境过程可分为3个阶段7个亚阶段，分别与区域构造-气候阶段相对应。

关键词： 准噶尔盆地 ; 冲积洪积扇 ; 戈壁地貌 ; 形成时代 ; 发育过程

Abstract

Gobi geomorphology and sedimentary of the alluvial fan had developed in the Mohetai area, which is located in the upper reaches of Baiyang River in the western margin of Junggar Basin, NW China. There are abundant strontium-rich water and soil resources. It is of great significance to study the paleoenvironment and water and soil resources. Based on previous studies, our field investigation and laboratory analysis, the fan groups were classified into three types by morphological parameter characteristics: large, medium and small. The basement of the fan is mainly composed of dipping strata from Jurassic to the early Neogene. The fan body strata chiefly consist of the upper part of Neogene and the Quaternary gravel layer. The sedimentary facies of the fan body strata include aeolian sub-facies (ventifacts, sand dunes and loess etc.), aquatic sub-facies (fluvial, lacustrine facies etc.), gravity collapse sub-facies and suspected moraine sub-facies. The fan bodies had been primarily formed since 3.596 Ma BP. The process of geomorphology, sedimentation and environment were divided into three stages and seven sub-stages, corresponding to the regional tectonic-climate stages, respectively.

Keywords： Junggar Basin ; alluvial fan ; gobi geomorphology ; formation age ; development process

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本文引用格式

李夙超, 邱曼, 李孝泽, 刘景德, 王立民, 胡杨, 李志刚, 牛改红. 准噶尔盆地西缘白杨河上游莫合台冲积洪积扇戈壁的特征、时代及过程. 中国沙漠[J], 2020, 40(4): 1-9 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00030

Li Suchao, Qiu Man, Li Xiaoze, Liu Jingde, Wang Limin, Hu Yang, Li Zhigang, Niu Gaihong. Characteristics, age and process of Mohetai alluvial fan gobi in the upper reaches of Baiyang River in the western margin of Junggar Basin, NW China. Journal of Desert Research[J], 2020, 40(4): 1-9 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00030

0 引言

莫合台冲积洪积扇群戈壁位于准噶尔盆地西缘白杨河上游、乌日可下亦山东段南麓（图1），西至布尔阔台河扇西缘也斯克库勒（84°23′05.38″E），东至白杨河谷（84°54′20.33″E），北至沙尔巴斯托（46°22′06.99″N）等山麓基岩出露处，南至白杨河扇南缘（46°09′30.35″N），东西、南北最大宽度分别约为40、30 km，面积约1 000 km2，主要由白杨河扇、布尔阔台河扇、蒙戈尔姜扇群等三大扇戈壁组成，地貌、沉积发育，且地下水资源丰富。该区既是中国典型西风降水区[1-2]，也是古尔班通古特沙漠的重要物源区[3-7]，对准噶尔盆地西缘环境演变及沙漠的形成演变等古环境研究具有重要意义。20世纪40年代以来，在该区进行了地质、地理方面的考察或调查[8-19]。近期，对水成地貌与沉积、构造运动等进行了研究[20-26]，但有关该区荒漠地貌与沉积及其古环境的研究甚少。尤其是有关该区冲积洪积扇戈壁地貌的特征、形成时代、发育过程等地貌与第四纪研究的基本问题仍未进行研究。本文对此进行探讨。

图1

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图1   莫合台冲积洪积扇群及钻孔位置

Fig.1   The location of alluvial fan groups and drill holes in Mohetai area


1 区域概况

研究区是新疆兵团某师某团部驻地，北部为乌日可下亦山，南部为加依尔山。区域内地层从老到新发育有志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、古近系、新近系和第四系[8]。据当地气象站资料，2005－2015年，该区年均气温7.7 ℃，极端最高温34.4 ℃，最低温-25.9 ℃；年均降水量70.7 mm；年均风速3.3 m·s-1，年最大风速5.6 m·s-1；年均蒸发量1 859.1 mm；年均湿度58%；年均日照2 766.6 h，无霜期128 d，≥10 ℃积温天数177 d。本区属荒漠至荒漠草原生物气候带，植物主要有琵琶柴（Reaumuria songonica）、红柳（Tamarix ramosissima）、盐爪爪（Kalidium foliatum）、芨芨草（Achnatherum splendens）、芦苇（Phragmites communis）、胡杨（Populus euphratica）、梭梭（Haloxylon ammodendron）等。动物主要有黄羊（Procapra przewalskii）、蛇（Dendroaspis polylepis）、狐狸（Vulpes）等。土壤类型主要是戈壁砾漠土，但潜水溢出带草甸土多见，汇水洼地盐土较多。地表径流以白杨河最大，达1.21×108 m3·a-1，布尔阔台河次之，为0.45×108 m3·a-1，布里格太河最小。地下水较丰富，水质较好。

2 地貌与沉积特征

2.1　基底地层

调查表明，莫合台冲积洪积扇砾岩底部普遍存在显著的不整合面（剥蚀面或夷平面）。该不整合面下伏地层由老至新主要包括3个层系：①侏罗系，为扇体基底地层的主体，在布尔阔台河扇北部、白杨河谷两侧均有出露。自下而上包括八道湾组、三工河组及西山窑组，为杂色含煤层的厚层河湖相沉积，总厚超过3 000 m[10-13]，普遍褶皱或倾斜，走向近东西向。②白垩系，主要分布在扇南部不整合面之下。在白杨河谷出露完整，岩性以红色或灰绿、灰黄、灰白等杂色巨厚层河湖相或含风成相砂泥岩为主，并含白色钙质结核，厚度超过200 m[11-12]。③古-新近系，分布于扇缘地带，在白杨河谷剖面为红色泥岩与灰黄色砂岩、灰色砾岩互层的较缓倾斜地层[8]。总之，上述扇基底地层，侏罗系至古近系褶皱、倾斜较强烈，新近纪以来地层倾角逐渐变小，具同构造现象。

2.2　扇体形态

扇体形态特征常用面积、平均坡度、比降、高差、扇长、扇宽、宽长比、扇顶角等指标来表征[27]。依据扇体的比降、宽长比及扇顶角的差异（表1），扇群各子扇体可分为3种：①大扇，包括白杨河扇，其面积、高差、长、宽、宽长比、扇顶角较大，平均坡度和扇比降较小；②中扇，包括布尔阔台河扇，其面积、高差、长、宽、宽长比、扇顶角较小，平均坡度和扇比降较大；③小扇，包括蒙戈尔姜扇群各小扇体，其面积、高差、长、宽、宽长比、扇顶角小，平均坡度和扇比降大。相关性分析表明:扇面积与扇比降呈负相关，而与扇长、扇宽、宽长比呈正相关;扇顶角与扇平均坡度、扇比降为负相关，与扇高差呈正相关（表2）。

表1   冲积洪积扇地貌形态参数

Table 1  Geomorphic parameters of alluvial fans

冲积洪积扇

名称

编号

扇体

规模

冲积洪积扇地貌形态参数
面积/km2平均坡度/（°）比降高差/m长/km宽/km宽长比扇顶角/（°）
白杨河扇大715.664.090.02942232.7845.821.40125
布尔阔台河扇中253.974.450.05564417.0219.901.17136
蒙戈尔姜扇群1小19.256.960.1843195.893.950.67123
28.216.900.2083104.702.210.4780
39.016.710.2162834.632.570.5680
47.218.510.2332793.912.230.5770
518.296.040.2044785.404.300.79103
68.044.860.1823435.533.000.54110

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表2   冲积洪积扇形态参数之间的相关性矩阵

Table 2  Correlation matrix between the morphologic parameters of alluvial fan

面积平均坡度比降高差长宽宽长比
平均坡度-0.647
比降-0.894**0.831*
高差0.408-0.672-0.699
长0.995**-0.723*-0.933**0.480
宽0.998**-0.699-0.915**0.4570.999**
宽长比0.914**-0.727*-0.943**0.709*0.938**0.935**
扇顶角0.548-0.786*-0.797*0.714*0.6150.5870.726*

**表示参数间相关性在0.01水平显著；*表示参数间相关性在0.05水平显著。

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2.3　白杨河阶地

白杨河河谷位于其扇体中央，一处较典型的阶地（46°21′01.39″N、84°54′20.33″E），在右岸可见五级（图2），其中从第Ⅱ至第Ⅰ级之间落差10 m以上。东西两岸的Ⅰ、Ⅱ级阶地面对应的洪积体结构明显分为上、下两层：上层为砂砾石层，砾石由钾长花岗岩砾、深灰色火山碎屑砂岩和砾岩为主组成，尤其是红色钾长花岗岩砾多，色调突出，砾石圆度高，分选好；下层也是砂砾石层，色调灰暗、分选差于上层，以次棱角状、次圆状砾石为主，粒径较小，泥砾混杂，有明显的固结，砂砾石层中夹有薄的粗砂、中砂层，发育近水平状波状层理和斜层理[20]。各级阶地多具有基座阶地性质，表面覆盖砾石层厚度变化大。阶地面越高，时代越老，花岗岩成分越少，火山岩组成越多，风棱石越发育。

图2

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图2   白杨河右岸阶地横剖面

Fig.2   The cross-section of the terraces on the right bank of the Baiyang River


2.4　扇体沉积相

野外可见扇体地层沉积相类型主要包括风成、水成、重力坍塌及冰川沉积等（图3）。

图3

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图3   莫合台冲积洪积扇沉积相类型

A：蜂窝石；B：风棱石与戈壁面；C：沙丘；D：砂质透镜体；E：黄土；F：冲积洪积相；G：河床相；H：沼泽相（泉水溢出带泥炭）；I：疑似冰碛

Fig.3   Type of alluvial fan sedimentary facies in Mohetai area


2.4.1　风成相

蜂窝石（图3A）:多分布于扇顶,主要是花岗质巨砾，最大直径可达400 cm，磨圆度好，球状风化明显，表面多发育褐色漆皮，且常具风蚀窝等形态。

风棱石（图3B）:主要在扇体中下部地表,岩性以灰色火山岩为主，粒径一般为2~10 cm，磨圆度差，并普遍具有“阴阳面”特征。“阳面”是砾石暴露于大气的表面，具有两到三个磨蚀面，褐黑色荒漠漆发育，厚度小于1 mm。“阴面”朝下，是被埋藏的表面，漆皮少发育。

沙丘（图3C）:常见于泉水溢出带生草部位,砾石层中可见埋藏沙丘相（图3D），风成层理显著。

黄土（图3E）:主要分布在扇缘天然露头剖面，呈条带状或透镜体状、块状，失水较硬，为灰白或灰黄色粉砂质黏土层，有时可见灰红色古土壤层。

2.4.2　水成相

冲积洪积相（图3F）:是扇体的主要组成部分，广泛分布于扇体各处。全新统主要分布于河道、扇缘，如白杨河、布尔阔台河现代河床（图3G）和河滩上，以砾石和粗砂为主，分选性与磨圆度较差，砾石成分以火山岩和花岗岩为主。上更新统，在白杨河一、二级阶地，高出现代河床5~10 m，以砾石、砂、泥组成。砾石成分复杂，以钾长花岗岩砾、深灰色火山碎屑砂岩和砾岩为主，分选和磨圆度都较好。

湖相:主要分布在扇缘，呈条带状或透镜体状，厚度可达40~100 m，主要为灰、暗灰色泥岩、粉砂岩互层，偶含砾。

沼泽相（图3H）:多分布于扇群前缘。以莫合台洼地为例，顺地下隐伏断裂呈带状分布，面积10 km2余。主要为含砾或砂的碳质或钙质泥岩。

2.4.3　重力坍塌相

在出山河口地段，特别是河道与断层重合或交汇处，地形陡峭，多重力坍塌巨石分布，特别是花岗岩山石部位，巨石较多。

2.4.4　冰川相

疑似冰碛（图3I）:在布尔阔台河口右岸，分布大量疑似冰碛垄地貌，组成物质多为磨圆度较好的花岗岩漂砾和卵砾石层，一般砾径30~50 cm，大者可达5~8 m，漂砾表面荒漠漆发育，甚至有风蚀窝等形态。相应地，在该河源山顶可见显著冰川侵蚀地貌发育，包括冰斗、刃脊等。

2.5　扇体地层组合

从扇体不同部位地层剖面对比可见，扇体地层组合具有下述特点（图4）：①扇体地层岩性主要由砾岩层或含砾砂层组成，并可能含一些泥质层。②扇体厚度自中央至两翼逐渐变薄。所以，白杨河剖面显示的扇体厚度接近最大值。③扇中与扇缘部位的地层剖面普遍具有自下而上粒度逐渐变粗的趋势。④扇中与扇缘部位的地层剖面序列普遍具有3阶段特点：下段较细，泥质含量较多；上段较粗，砾质含量较多；中段处于过渡状态，砾、砂质含量均较多。

图4

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图4   莫合台冲积洪积扇地层剖面对比

a：国际标准磁性柱[28]；b：白杨河剖面磁性柱[23]；A：白杨河剖面[23]；B：ZK1井；C：ZK2井；D：ZK3井；E：东22井；F：J16井；G：J22井；剖面A~G的具体位置见图1

Fig.4   Comparison of the alluvial fan stratigraphic profiles in Mohetai area


3 讨论

3.1　扇体形成时代

该扇体群地貌与沉积明显具有整体性，可以看作地质环境事件沉积体，其初始年龄的确定意义重大。由于扇体发育过程具有同构造性或穿时性，扇体的形成时代是需要商榷的问题。由于白杨河剖面位于扇体中央，其代表性意义最为重要，所以较理想的方法是利用白杨河剖面确定扇体形成时代。用其巨厚砾岩层的底界即大规模砾质层开始出现时代代表扇体初始年龄应该比较合理。利用白杨河剖面已有的古地磁研究资料[22-23]，可以推断扇体的初始年龄和各发育阶段的时代。

在白杨河剖面，由于巨厚砾石层底界正好接近古地磁C2An.3n期底界(图4)，所以，扇体发育初始年龄取3.596 Ma BP[28]比较精确。关于扇体发育的顶界年龄，从砾石层的面上分布看，应该持续至今。在白杨河剖面C1r.1n期底界上下，沉积速率和岩性发生明显突变，可看作扇体沉积中、上段之间界线，精确年龄为1.072 Ma BP。关于3.596 Ma BP以前的阶段，主要是富含泥砂质的山前洪积相，其底界至少在6.733 Ma BP（C3An.2n期底界）之前发生。

3.2　扇体发育过程

综合考虑上述扇体沉积相组合、地层结构及沉积速率（图5）等特征，研究区冲积洪积扇荒漠地貌与沉积及其环境演变过程可以划分为3个阶段7个亚阶段（表3）。

图5

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图5   白杨河剖面沉积速率演变（据Ai等[23]修改）

Fig.5   Evolution of deposition rates in Baiyang River section（modified from Ai et al. [23] ）


表3   莫合台冲积洪积扇发育阶段及其特征

Table 3  Development stages and characteristics of alluvial fans in Mohetai area

阶段亚阶段时段/Ma BP沉积速率/(m·ka-1)速率状态岩相源区冷/暖沉积区干/湿
Ⅲ7<1.0720.139快灰色砾岩冷冷干
Ⅱ62.581~1.0720.022慢灰黄色泥砂质砾岩较冷冷干
53.032~2.5810.090较慢灰黄色泥砂质砾岩冷冷干
43.330~3.0320.016最慢灰黄色泥砂质砾岩弱冷温干
33.596~3.3300.242最快灰黄色泥砂质砾岩最冷冷干
Ⅰ26.033~3.5960.020慢红色泥质岩弱冷温干
16.733~6.0330.085较慢浅红色含砾泥质砂岩较暖暖干

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阶段Ⅰ：6.733~3.596 Ma BP，为冲积洪积扇发育的孕育期。该阶段扇体地层主要由偏红色泥质地层组成，洪积相居多。但扇体地层中也出现少量砾石，指示西准噶尔山地的初步隆升 [22-23]，也对应于青藏运动序幕[29-31]，还与晚中新世亚洲季风增强事件[32]同期。沉积速率较慢，推测沉积环境较暖干，而物源区物理风化作用可能不甚强烈，相应山体可能未达冰冻圈。按照白杨河剖面沉积速率变化，可进一步划分为2个阶段：

亚阶段1，6.733~6.033 Ma BP，对应古地磁C3An.2n、C3An.1r、C3An.1n事件期，沉积速率较慢；

亚阶段2，6.033~3.596 Ma BP，对应古地磁C2Ar至C3r事件期，沉积速率变慢。

阶段Ⅱ：3.596~1.072 Ma BP，为冲积洪积扇正式发育期或形成期。扇体地层主要为砂泥质砾岩。对应于青藏运动主幕[29-31] ，具体对应于青藏高原西北缘西域砾岩[33-34]以及东北缘兰州盆地五泉砾岩[35-36]、临夏盆地积石组砾岩[37-39]、西宁盆地[40]、循化-贵德盆地[39-41]、酒泉盆地玉门砾岩[42-43]、四川盆地大邑砾岩[44]等形成期；还与晚上新世-早更新世全球降温、北半球冰盖发育对应[32]。根据沉积速率变化，可进一步划分为4个阶段：

亚阶段3，3.596~3.330 Ma BP，对应古地磁C2An.3n事件期，沉积速率最快，同期酒西盆地发生荒漠草原干旱事件[45]，说明西北内陆干旱化阶段性加强；

亚阶段4，3.330~3.032 Ma BP，对应古地磁C2An.1r、C2An.1n 、C2An.2r事件期，沉积速率最慢，岩性为泥质层，似为短的构造平缓期；

亚阶段5，3.032~2.581 Ma BP，对应古地磁C2An.1n事件期，沉积速率较快；

亚阶段6，2.581~1.072 Ma BP，对应古地磁C2r.2r至C1r.2n事件期，青藏运动主幕B、C阶段，黄土高原午城黄土沉积期，沉积速率较快。

阶段Ⅲ（亚阶段7）：1.072 Ma BP至今，沉积速率变快，对应青藏高原隆升的晚期，包括“昆黄运动”和“共和运动”[29-31]以及黄土高原离石、马兰黄土沉积期，沉积巨厚较纯砾岩层，为扇体快速发育期。

可见，当沉积速率增大的时期，对应区域新构造运动加剧期和气候演变的降温期，说明该扇体发育过程的阶段性兼与区域新构造运动和气候演变阶段性具有良好对应性。

4 结论

准噶尔盆地西缘白杨河上游莫合台冲积洪积扇扇群按照形态参数可分为大、中、小3种；扇体基底地层主要由侏罗至新近系下部的倾斜地层组成；扇体地层主要由新近系上部与第四系砾质层组成；扇体地层沉积相主要包括风成亚相（风棱石、沙丘及黄土等）、水成亚相（冲积洪积相、河湖相等）、重力坍塌亚相及疑似冰碛亚相等；扇体主要是在3.596 Ma BP以来形成；地貌与沉积及其环境过程可分为3个阶段7个亚阶段，主要与晚新生代以青藏高原隆升为代表的新构造运动阶段性和全球变冷阶段性相对应。

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