Exploration of 1:50000 geological mapping in Gobi desert shallow covered area: a practice in Hami area of East Tianshan
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摘要:
为了更好地服务生态文明建设和经济社会高质量发展，区域地质填图工作亟需从基岩区向盆山结合带、盆地等覆盖区进行拓展。戈壁荒漠浅覆盖区是研究中国北方中小城市和大城市边缘干旱区找水、隐伏区找矿、盆地基底性质、盆山耦合演化的关键地区，但一直缺乏针对性的区域地质填图技术方法。以东天山哈密地区觉罗塔格山与吐哈盆地结合部位的戈壁荒漠浅覆盖区为例，利用地质、物探、遥感、钻探等多技术手段，采用由“已知”到“未知”的思路，从调查内容、调查方法、技术手段、成果表达等方面，针对不同覆盖层深度、覆盖层结构和地质矿产目标，通过大量方法实验和实践，开展适用性、经济性和分辨率的综合分析，完善优化了地球物理和钻探的技术方法组合。利用GeoModeller软件，实现了戈壁荒漠浅覆盖区三维地质结构的可视化表达，建立了从地表、覆盖层到覆盖区基岩的立体式透明化的区域地质填图技术方法体系，查明了地质填图区域的三维地质结构及其成矿地质背景，满足戈壁荒漠浅覆盖区1:5万区域地质填图的目标，也为东天山大草滩断裂带性质、吐哈盆地基底性质及其中新生代盆地构造环境演化等关键地质问题提供了重要信息。
Abstract:In order to better serve the construction of ecological civilization and high-quality economic and social development, geological mapping is urgently needed to be expanded from the bedrock area to covered area containing the basin-mountain combination zone and basin cover areas.Gobi desert shallow covered area is the key for investigating water, prospecting in hidden areas, and studying basin base properties, basin-mountain tectonic relationships and evolution in the midde-small cities and margin of metropotis of North China.However, there has been lack of systematic geological mapping techniques and methods for Gobi desert shallow covered area.In this paper, taking the Gobi desert shallow cover area in the joint part of Jueluotage Mountain and Turpan-Hami Basin in Hami area of East Tianshan Mountains as an example, using multiple technical methods such as geology, geophysics, remote sensing and drilling, and adopting the idea from "known" to "unknown", the geological mapping technology method which consist of the content, method, technical means of geological survey and achievement expression is systematically summarized.In particular, on the basic of experiment and practice, for different cover depth, different cover structure and different geological and mineral targets, the combination of geophysical and drilling technology were summed up on the main evaluation indicators of applicability, economy and resolution.Moreover, by GeoModeller software, the technical method of 3D geological structure modeling was explored in Gobi desert cover.Through the above work, a three-dimensional and transparent geological survey technology and method system has been established from the surface, the overburden and the bedrock, and the geological structure and its metallogenic geological background have been identified, which fully meet the expected goal of 1:50000 regional geological mapping in Gobi desert shallow covered area.At the same time, it provides important information for the nature of the Dacaotan fault zone, the structural evolution of the Turpan-Hami Basin, and the basement nature of the Turpan-Hami Basin.
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鄂尔多斯盆地位于中国中西部地区，为中国第二大沉积盆地，跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区，盆地面积达到25×104km2。鄂尔多斯盆地的中上三叠统—下白垩统发育，发现有多门类的动植物化石[1]，盆地沉积了巨厚的白垩系。含恐龙等脊椎动物足迹的地层属于下白垩统志丹群，自下而上包含宜君组、洛河组、华池组、环河组、罗汉洞组、泾川组，以及仅分布于东北部的喇嘛湾组[2]。在鄂尔多斯盆地西北部，恐龙足迹主要产于罗汉洞组和泾川组[3]。在鄂尔多斯盆地南部边缘旬邑县洛河组也发现过恐龙足迹[1]。
2017年9—11月，陕西省地质调查中心承担的“陕北丹霞地貌地质遗迹调查项目”及神木市公格沟丹霞地质公园申报项目，在鄂尔多斯盆地东北缘神木市中鸡一带的下白垩统洛河组(K1l)上部紫红色砂岩中发现恐龙与其他四足类足迹多处，该组合的发现在中国尚属首次。
1. 地质背景
洛河组由“洛河砂岩”演变而来，区域上平行不整合在中侏罗统安定组之上[4]。研究区，即鄂尔多斯东北部一带，洛河组厚度63.79m，以紫红色-暗紫红色厚-块状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与薄层中-粗粒长石石英砂岩、石英砂岩为主，构成典型的丹霞地貌景观。
鄂尔多斯盆地在中侏罗统安定组沉积末期，受晚侏罗世燕山运动末期的隆升影响，盆地抬升掀斜遭受剥蚀[5]。到早白垩世初期，鄂尔多斯盆地伸展，洛河组开始沉积。前人研究与1：5万区域地质调查资料①指出，洛河组的沉积环境属河流、湖泊相[6]，而近年来不少学者则认为其属于沙漠相[7-8]，在洛河期，鄂尔多斯盆地进入白垩纪第一个沙漠沉积发育的鼎盛期[8]。综合区调等资料，洛河组早期沉积时盆地具准平原性质，河流宽阔，河漫滩较发育，沉积了紫红色、棕红色、砖红色厚层砂岩，并夹有灰白色高岭石质细砂岩，砂岩体中发育以大-巨型槽状交错层、交错层理为特征的中粒长石砂岩夹少量粉砂岩沉积组合，属河流及冲积扇沉积；中期沉积形成紫红色、棕红色、砖红色厚层中粗粒砂岩，砂岩体中发育以大-巨型风成板状交错层、风成斜层理为特征的中粗粒长石砂岩，明显具有沙漠相沙丘、丘间亚相；晚期沉积则形成一套紫红色块状泥岩、粉砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩组合，发育水平层理、低角度斜层理、泥裂、雨痕等，指示了浅水沙漠湖泊相沉积沙丘砂岩发育的低角度斜层理方向，可能反映了以西北风为主，局部有东南暖风作用。
现将研究区含恐龙等脊椎动物足迹地层岩性描述如下。
上覆地层：第四纪全新世风成沙、黄土层
~~~~~~~~~~~~~~~~~不整合接触~~~~~~~~~~~~~~~~~
早白垩世洛河组(K1l) ＞18.74m
6.紫红色薄层状细粒长石石英砂岩 0.51m
5.紫红色薄层中-粗粒长石石英砂岩，发育板状斜层理，有三趾型恐龙足迹 4.74m
4.紫红色薄层细粒石英砂岩，发育平行层理 5.20m
3.紫红色中厚层中粒长石石英砂岩，具平行层理 5.80m
2.紫红色薄层细粒长石石英砂岩，发育水平层理 1.53m
1.紫红色薄层中粒石英砂岩，有二趾型恐龙足迹与小型四足类足迹，未见底 0.96m
~~~~~~~~~~~~~~~~~不整合接触~~~~~~~~~~~~~~~~~
下伏地层：中侏罗统安定组(J2a)深灰色微-薄层粉砂质泥岩
2. 足迹点与足迹形态
2.1 足迹点概貌
神木市中鸡镇脊椎动物足迹化石分布在宝刀石梨村公格沟水库东岸边，在30km2红色丹霞景观范围内，目前已发现3处恐龙足迹点及2处小型四足类足迹点(图 1)。
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图 1 神木市中鸡镇恐龙等脊椎动物足迹化石分布Figure 1. Distribution map of footprint fossil from dinosaurs and other vertebrate in Zhongji town, Shenmu city1号足迹点目前发现两枚足迹，产于洛河组上部紫红色块状泥岩、粉砂质泥岩与微–薄层泥质粉砂岩中的湖泊相近底部薄层泥质粉砂岩层面上，层面发育泥裂。2~5号足迹点分布在洛河组上部滨岸相紫红色薄层中细粒石英砂岩中岩层面上。其中2号足迹点发现21枚三趾型足迹，层面发育雹痕、雨痕。3、5号足迹点为小型四足类所留。4号足迹点，目前发现16枚二趾型脚印，层面发育浅水流水波痕、雹痕、雨痕、虫迹。
2.2 小型四足类足迹
小型四足类足迹约200个，至少组成5道行迹。其中保存最好的行迹长约1.5m(图版Ⅰ-A)，由前足迹与后足迹组成，都呈扁椭圆形。前足迹平均长1.0cm，宽1.3cm；后足迹平均长1.1cm，宽1.6cm，前足迹位于后足迹的前内侧。因保存或后期风化的原因，绝大部分足迹的趾痕不清，保存最好的后足迹能观察到至少4个趾痕。这些小型四足类足迹的形态与尺寸都与巴西足迹(Brasilichnium) [9]非常相似。巴西足迹最初发现于巴西上侏罗统—下白垩统博图卡图组，传统上被归于哺乳形类(Mammaliamorpha)或衍生的兽孔类(Therapsida)。此类足迹为中国首次发现。
2.3 三趾型兽脚类足迹
三趾型兽脚类分布于1号和2号足迹点。1号足迹点仅1个足迹保存较好(图版Ⅰ-B)，长14.5cm，宽15.8cm，长宽比为0.9，三趾较纤细，第Ⅱ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角约为110°。2号足迹点的21枚三趾型足迹形成一道拐弯的行迹(图版Ⅰ-C)。拐弯的行迹相对罕见。其中保存最好的足迹长12.5cm，宽10.0cm，长宽比为1.3，第Ⅱ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角为69°，其趾垫不清，跖趾垫较发育。从整体形态看，2号足迹点的三趾型足迹与实雷龙足迹类(Eubrontidae) [10]较相似。实雷龙足迹类最初发现于北美的下侏罗统，但衍生的足迹形态广泛出现在中国的侏罗系—白垩系[11-12]，鄂尔多斯盆地的白垩系也有类似发现[13]。1号足迹点的孤立足迹的形态特征与实雷龙足迹类完全不同，但其较尖锐的爪痕与宽的趾间角表明其属于兽脚类足迹。
2.4 两趾型兽脚类足迹
2号足迹点的一道行迹揭示了有趣的受沉积物影响的保存现象。大多数足迹只留下明显的一个趾痕(图版Ⅰ-D)，但在一处沉积物条件适宜区，该造迹者留下了一个保存良好的两趾型足迹(图版Ⅰ-E)。该足迹长14.5cm，宽5.0cm，长宽比为2.9，第Ⅲ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角为20°。这是二趾型足迹在陕西省的首次记录，与该区相邻的内蒙古鄂托克旗查布地区也曾有报道[3]。
由于与鸟类系统发育学上的紧密联系，近年来，恐爪龙类(deinonychosaurian)演化支得到学者们的充分研究。恐爪龙类包括驰龙类(dromaeosaurids)和伤齿龙类(troodontids)，该类群最具代表性的特征是其第Ⅱ趾上有一个高度发育的大爪，这个大爪可以伸出并高度延展[14]。恐爪龙类运动时，该特化的第Ⅱ趾处于扬起状态，因此留下足迹为两趾，仅由第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的印迹组成[11]。因此，两趾型足迹对应恐爪龙类造迹者，是迄今为止特征最鲜明的兽脚类足迹之一。自1994年在中国首次发现以来[15]，现在至少发现了十余个足迹点[11]，均来自白垩系，分布于四川盆地与攀西地区的多个点，以及山东莒南与岌山、河北赤城、北京延庆、甘肃盐锅峡等。中鸡恐爪龙类足迹的尺寸与甘肃盐锅峡标本类似，该记录增加了该类造迹者的古地理分布范围。
3. 结论
在鄂尔多斯盆地东北缘神木市中鸡白垩系丹霞地貌中发现的恐龙与其他四足类的足迹化石，展示了一个非常独特的组合类型：哺乳形类/兽孔类足迹-实雷龙足迹类-恐爪龙类足迹。这种多样性的兽脚类行迹与小型四足类足迹的组合，在中国属首次发现。虽然其详细分类还有待进一步研究，但这无疑对中国白垩纪沙漠相恐龙动物群的类型与分布，乃至该地区的古气候、古地理和地层对比都具有重要的意义。
致谢: 戈壁荒漠浅覆盖区1:5万区域地质填图技术方法探索是一项集体成果，是中国地质调查局西安地质调查中心与中国地质大学(武汉)共同合作的结果，项目组百余名一线地质工作人员付出了辛勤的努力。在项目实施过程中，得到胡健民研究员、计文化研究员、Steve教授、李荣社教授级高工、王永和教授级高工、李建星研究员、李振宏研究员、唐小平高级工程师和杨建国教授级高工等多位专家的辛勤指导和帮助，也感谢审稿专家提出的诸多建设性意见，在此一并表示最诚挚的感谢。 -
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图 1 中国不同类型覆盖区分布范围及研究区位置(据王东明等，2021修改)
(中国地图引自中国主要河流、湖泊图(审图号: GS(2019)4345号), 据自然资源部标准地图服务系统(http://dzdt.ch.mnr.gov.cn))
Figure 1. Distribution of different of coverage areas in China and study area
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图 2 东天山哈密地区戈壁荒漠区地质地貌特征
a—地表基岩露头地貌特征；b—中生代地层风化剥蚀地貌特征；c—第四系冲洪积物地貌特征
Figure 2. Geological and geomorphological characteristics of the Gobi desert in Hami area, East Tianshan
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图 3 哈密地区红丘陵图幅主要岩石类型物性参数对比图
Figure 3. Physical parameters of main rock types in the Hongqiuling sheet in Hami area
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图 4 哈密地区红丘陵图幅主要地层填图单元物性参数标准对比图
Figure 4. Physical property parameters of main stratigraphic mapping units in the Hongqiuling sheet in Hami area
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图 5 哈密地区前中生代基岩面(覆盖层底面)三维形态图
Figure 5. 3D morphological map of the pre-Mesozoic bedrock surface(bottom of overburden)in Hami area
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图 6 哈密地区烟墩区块重力与磁法结合反演基岩深度及覆盖层底面深度
Figure 6. Depth map of bedrock top and cover bottom of Yandun block in Hami area, according to gravity and magnetic data
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图 7 东天山哈密地区红丘陵区块浅源反射地震剖面揭示覆盖层厚度、结构及其基岩分布图
C1—早石炭世地层；C2—晚石炭世地层；C2w1—晚石炭世梧桐窝子组一段；J2x1—中侏罗世西山窑组下段；J2x2—中侏罗世西山窑组上段；J2t—中侏罗世头屯河组；E3N1t—渐新世-中新世桃树园组
Figure 7. The shallow reflection seismic section which revealing the thickness, structure of cover and bedrock distribution in the Hongqiuling sheet of Hami area
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图 8 东天山哈密地区红丘陵区块高密度电法剖面揭示覆盖层厚度和结构及钻探验证示意图
J2x—中侏罗世西山窑组；E3N1t—渐新世-中新世桃树园组；Qp3X—晚更新世新疆群
Figure 8. High-density electrical section and drilling verification which showing the thickness and structure of cover in the Hongqiuling sheet of Hami area
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图 9 东天山尾亚-南庙尔沟大地电磁测深剖面二维NLCG反演电性结构模型
Figure 9. Two-dimensional NLCG inversion electrical structure model of the MT sounding profile in Weiya-Namiaoergou, East Tianshan
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图 10 东天山哈密地区红丘陵幅重力异常线性(a)和航磁异常线性特征(b)识别与断裂/断层推断图
Figure 10. Faults inferred map according to the linear feature of the gravity anomaly(a) and aeromagnetic anomaly(b)in the Hongqiuling sheet of Hami area
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图 11 地表地质图图面表达
a—采用“色系-颜色-图案花纹”表示“地层岩群或岩组-岩性段-自然层”；b—不同颜色线条表达不同岩石类型岩脉；c—不同颜色表达不同期次构造样式，线条粗细表示断层(裂)的级别；d—古流向与古风向地质图表达方式；e—侵蚀阶地图面表达方式
Figure 11. Expression of surface geological map
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图 12 基岩地质图图面表达
a—基岩地质图中钻探位置、编号及其岩心钻柱表达；b—不同覆盖层地质界面展布形态；c—调查区航磁化极异常附图
Figure 12. Representation of the bedrock geological map
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图 13 哈密地区长干河幅三维地质建模示意图
a—地表DEM高程三维展示；b—钻孔空间展布；c—断层空间展示；d—石炭纪地质体及钻探空间展布；e—基岩三维地质结构展示；f—覆盖区三维地质结构模型
Figure 13. Schematic diagram of 3D geological structure modeling for Changgan River sheet by GeoModeller software in Hami area
表 1 戈壁荒漠浅覆盖区揭示覆盖层结构和基岩地质结构的地球物理及钻探技术方法
Table 1 The combination of geophysics and drilling techniques for revealing the geological structure of the overburden and bedrock in Gobi desert shallow cover area
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