我国的特殊地层——红层

 

 

国内以往的红层研究绝大部分是针对陆相红层,但20世纪末由我国科学家提出的大洋红层富氧事件的研究，已经成为国际白垩纪研究的热点问题。因为世界上形成丹霞地貌的红层基本上是陆相粗碎屑红色岩系和少量滨-浅海相红层,故这里不讨论大洋红层。

关于红层的定义，大多强调红层是发育在中生代到新生代，特别是侏罗纪中期至古近纪的陆相红色岩系。但是现实中，国内外学者并不以沉积时代作为红层的限制因素。世界各地的红层形成时期有巨大的差别，在冈瓦纳古陆上，已经发现了十几亿年前的红层，如澳大利亚卡卡杜国家公园（KakaduNationalPark）的Kombolgie 组老红层是17亿年前的沉积。我国也有震旦纪和古生代的老红层，但主要是中一新生代沉积。因此，红层应是包括各个地质历史时期沉积的红色岩系的总称。

 

 

红层基本上由陆相碎屑岩组成，岩石构成极其复杂，包含岩、砂岩（含砾砂岩或含砂砾岩）、砂岩、粉砂岩和黏土岩（泥质岩），并可能夹风成沉积、淡水灰岩和石膏等蒸发岩。如甘肃的临夏组（NI）红层综合面中，有砖红色黏土岩互层，夹石膏及薄层灰岩（黄可光，1996）。此外，红层还可能包含火山碎屑即火山熔岩夹层（如中国东南部白垩纪红层、广东三水盆地、丹霞盆地等）或风成沉积（如陕甘宁盆地、四川盆地南部和江西信江盆地等）。

一般情况下，在大型盆地边缘堆积巨厚的洪积砾岩，山前洪积扇红层中的巨砾粒径可达数十厘米甚至几米，盆地边缘也有河流相透镜状产出的泥砾透镜体，往湖盆中心渐变为洪冲积砂砾岩，河积砂岩，河湖积细砂、粉砂岩和黏土岩。由于陆地沉积环境在时间和空间上的变化剧烈，沉积过程复杂，我们可以看到红层在横向与纵向上的变化也十分剧烈，各次沉积的平面形态和垂向组合表现出很大差异。小型盆地中沉积分异表现不明显，往往主要由洪积岩组成，但也包含各种砂质或泥质夹层。

 

 

南雄盆地的丹霞地貌和红层丘陵分布基本上反映出红层堆积期洪积扇的分布格局

砾岩和砂砾岩红层的岩屑成分与化学成分取决于盆地外围碎屑源地的岩石其成分十分复杂，填隙物以泥沙为主，胶结物主要为硅质、钙质和铁质。细颗粒红层如粉砂岩和黏土岩，多沉积在大中型盆地中部或河漫滩及河间洼地，属静水沉积，物质比较均质，在干旱封闭的环境下胶结物含可溶盐类较多或形成泥灰岩夹层及蒸发岩类夹层。我国的红层分布区，出露的黏土岩和粉砂岩占很大比例。

粉砂质和黏土岩中CaCO₃的含量往往比砂砾岩中大得多，如浙江江郎山洞穴粉砂岩中方解石的含量超过50%，是崖壁砾岩的三倍；湖南新宁盆地红层的CaCO₃含量随盆地外围地层不同而有很大差别，在接近碳酸岩碎屑源地的地方，CaCO₃含量可达25%以上（肖自心和邹文发，1998）。因此，红层往往具有一定的可溶性，尤其是粉砂岩和黏土岩的可溶性更强。

四川盆地中部大部分区域为泥质和粉砂质红层，矿物成分以石英、长石、蒙脱石、绿泥石等为主，Na₂O、KO、CaO等含量偏高。南雄盆地中部的黏土岩和粉砂岩，颗粒越细的岩石其SiO₂含量越低，黏土岩中SiO₂的含量低于克拉克值约10个百分点，Fe2O₃、CaO、KO、MgO、MnO、Ti0₂等含量普遍偏高；此外，矿物分析显示，南雄红层软岩中的矿物组成以石英、黏土矿物和方解石为主，黏土矿物在黏土岩中的含量远超过石英，黏土矿物以伊利石为主，含少量的蒙脱石和绿泥石。

红层中的砾岩和砂砾岩一般比较坚硬,可以发育以陡崖坡为特征的丹霞地貌。但是，砂砾岩并不都是坚硬的，还要看砂砾岩中的填隙物成分，如果填隙物中含有较多的蒙脱石、伊利石等黏土矿物或胶结物含有太多易溶盐类，则砂砾岩也是易风化的。

大中型盆地中心洼地一般会沉积粉砂岩和黏土岩，这些细颗粒红层中的黏土矿物和可溶盐类含量较高，特别易于风化、侵蚀和溶蚀，往往发育低缓的丘岗地红层中分布最广的是粉砂岩和黏土岩，其原岩仍然较为坚硬，但遇水后迅速崩解和软化，力学性质大幅度降低。周翠英等（2003，2004，2005）曾针对工程地质问题设计了若干软岩饱水软化试验，水溶液pH和化学成分动态变化实验，不同饱水状态的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度变化实验，探讨软岩饱水破坏的过程和机制，对饱水软岩的耗散结构形成过程及岩石变形破坏的突变过程进行了一系列有意义的探讨。

而较硬的砂砾岩红层也大都包含多层黏土岩夹层，小型盆地中在砾岩和砂砾岩中也常常有细颗粒夹层，它们可能是局部洼地如两个洪积扇之间的洼地、河间洼地等局部静水沉积，一般以透镜体的形式夹于砂砾岩中。这些夹层使得岩体整体强度受到巨大的破坏，软岩夹层往往构成上覆岩层位移、崩塌、滑坡、长期蠕变的结构面，形成地质灾害隐患。因此，软岩夹层的岩性特征和力学性质对岩体的稳定性至关重要，所以在丹霞地貌区灾害和地貌研究过程中重视对软弱夹层的研究具有十分重要的意义。

世界上的红层主要为陆相沉积，但也包含部分滨-浅海相红层，中国的红层绝大部分是陆相红层。

中国东南部在白垩纪之前为滨海盆岭火山活动带，因此白垩纪红层盆地的早期沉积普遍夹有火山堆积物，中西部的红层盆地少有火山岩及火山碎，表明其内陆断陷-坳陷盆地的特点。同期的河湖相沉积物中多处发现恐龙、恐龙蛋及脚印化石，是陆地恐龙化石最集中产出的层位;而巨厚的山麓洪积相堆积则比较难以保存化石，只发现少许介形类和轮藻化石。

由于红层中含有较多的钙质，甚至有蒸发岩夹层，且各个时代的红层大多分布在热带和亚热带地区，学者们一般认为红层形成的古气候类似于热带和亚热带半干旱气候或干湿季气候。目前在内蒙古二连盆地、陕甘宁盆地、四川盆地乃至于东南部地区都发现了风沙沉积类的红层，江西东北部的信江盆地晚白垩世红层中被证明含风成沙粒、风棱石、石音及岩盐矿床，表明这时中国东南部的气候变得更为干旱,具有热带-亚热带半荒漠和盐湖化特征,这一状况持续到晚白垩世末。红层成分、岩性、结构和构造、沉积相和古生物化石(包括植物孢粉)等地层研究成果也表明，中国绝大部分红层是干旱型内陆湖盆沉积。大部分红层中含可溶盐较多，丹霞山、崀山砂岩样中的 Ca0、K0、Naz0 的含量均超过砂岩的克拉克值（彭华，1992；吴起俊，1994；肖自心和邹文发，1998），粤北丹霞盆地的长坝组粉砂-黏土岩、南雄盆地的红色黏土岩、皖南休宁盆地红层、川南和甘肃等地的红层中都夹有多层含石膏层（彭华，1992；黄可光，1996；罗成德，1998）。也从多个侧面证实大部分红层堆积在封闭的、相对干燥的内流盆地环境中。而在盆地堆积后期，可能随着盆地回返抬升，湖水外泄，沉积环境淡化。如丹霞盆地的丹霞组红层，是典型的外流盆地堆积，除了局部夹层外，基本不含蒸发岩。

红层是一种偏红色的陆相碎屑堆积，这是之所以称为红层的主要标志。但现在所看到的红层，其颜色差异是巨大的。有的呈鲜艳的红色，有的则红色不显著，大致上变化于暗紫一紫红-灰紫色、暗褐-褐红一灰褐色、暗红-砖红-淡红色、暗棕一浅棕一土黄色之间，但总体上星暖色调。

上文已述及，红层的颜色可能是沉积时期干热气候的反映，其中最重要的证据是同期沉积了蒸发岩等多种可溶性成分。不过也有学者认为红层的红颜色可能是成岩过程中含铁矿物脱水氧化成赤铁矿，并无气候意义。另外，许多大型红层盆地发现风沙沉积。但是不是在沉积的同时形成红色一直是遭受质疑的，其中比较有意思的说法是认为成岩过程中低价铁转化为高价铁所形成的红色。

在一套红色岩系中，不论是垂直方向还是水平方向，都不可能保持沉积环境在时间和空间上的完全一致。加上在成岩过程中的物理化学变化和隆起后各种环境因素的后期影响，其颜色也可能再发生变化。因此，各地的红层在色度上有较大的差别。同一套红色岩系中，上下的颜色也可能存在较大的差别，有时可能含有多层的非红色夹层。因此，只要一个沉积单元的总体颜色呈现偏红色，则没有必要因为其含有一些非红色夹层而把它排斥在红层之外。此外，红层砾石的原岩成分、砾石本身的颜色、砾石的含量、胶结物成分、矿物成分、砂质、岩层的含水量等都对红层的颜色和色调产生较大的影响其中影响最大的莫过于砾石本身的颜色，许多砾岩红层的泥砂质填隙物较少，岩石的颜色基本上是砾石本身的颜色，只有在新鲜岩石面上可见砾石间的填隙物是红色，但仍然应该归入红层。