粒度分析在沉積環(huán)境判別中的應用

祁占虎　蔣艷春

摘要：沉積物粒度分析是恢復古氣候、研究古環(huán)境演變的一把鑰匙，根據(jù)粒度大小及其分布特征可區(qū)分沉積類型，辨別沉積時的自然地理環(huán)境及水動力條件。本文介紹了粒度分析的方法和概念，以鄂爾多斯市杭錦旗塔然高勒地區(qū)為例，分析了粒度資料在辨別沉積環(huán)境中的應用，并說明了其對鈾礦找礦工作的指導性意義。

關鍵詞：粒度；沉積環(huán)境

引言

近年來，隨著在鄂爾多斯市杭錦旗塔然高勒地區(qū)鈾礦地質(zhì)工作的不斷推進，積累了大量的鈾礦地質(zhì)勘查資料，我們已試圖用粒度分析資料來確定沉積環(huán)境，取得了良好的成果，且其為古地理環(huán)境重建工作奠定了堅實的基礎。礦物碎屑和巖屑組成沉積巖的基本顆粒，其大小、形態(tài)、組構(gòu)、來源等是大地構(gòu)造環(huán)境、氣候和水動力因素相互作用的結(jié)果。其中沉積物顆粒大小是水動力條件的直接反映，同時也是氣候干旱和潮濕的指示劑。從沉積物樣品的粒度參數(shù)中可以解譯出大量氣候和環(huán)境的演化信息。

1.粒度定義及其分析方法

1.1定義

粒度是指碎屑顆粒的大小，但碎屑顆粒的外形常極不規(guī)則，它的大小一般用體積值和線性值來表示。體積值可用標準直徑dn表示，它代表著與顆粒同體積的球體直徑。線性直徑是直觀度量出來的，由于顆粒形狀大都極不規(guī)則，因此通常要測量大、中、小三個直徑。在實際工作中，往往粒徑很小，大多碎屑樣品的粒徑<1mm。為了運算方便，目前廣泛采用φ值代替d值，是克魯賓根據(jù)伍登·溫德華粒級標準通過對數(shù)變換而來，其表達式定義為：

φ=-log₂d

其中d是顆粒直徑（mm）。

1.2粒度分析方法

根據(jù)顆粒大小及巖石致密程度不同，分析方法主要有三種：直接測量法、篩析法及薄片粒度法。本文主要討論篩析法。

篩析法時用一套篩孔直徑不同的篩子將砂樣過篩，以分成不同的粒級組分。通常，篩析樣品需要至少15g～20g，在振篩機上篩15min～20min，分級稱重。其中，若發(fā)現(xiàn)有未分離開的較大的顆粒集合體，則按一定百分數(shù)扣除。最后計算重量和累計百分數(shù)。振篩機的篩孔不宜過大，一般為1/2Φ或1/4Φ。篩析法對于具有細礫和砂的松散或弱膠結(jié)沉積巖具有比較準確的方法，其操作簡單，分析快速。

2.粒度曲線、參數(shù)

2.1粒度曲線

根據(jù)粒度分析結(jié)果，可以編制各種粒度曲線，主要有粒度概率累積曲線及C-M圖。

粒度概率累積曲線：是一種粒度累積曲線，是在正態(tài)概率紙上繪制而成，其橫坐標代表粒徑，縱坐標代表累積百分數(shù)，并以概率標度。概率曲線中碎屑沉積物的粒度不是一個簡單的對數(shù)正態(tài)分布，而是由幾個呈對數(shù)正態(tài)分布的次總體組成，一般包含三個總體，在曲線上表現(xiàn)為三個直線段，代表了三個不同的搬運方式，即懸浮搬運、跳躍搬運和滾動搬運，其在曲線上分別稱為懸浮總體、跳躍總體和滾動總體。其它參數(shù)有截點、混合度、次總體拜訪含量及分選性。

C-M圖：是一種粒度參數(shù)散布圖，C值為累積曲線上含量為1%的粒徑值，M值為累積曲線上含量為50%的粒徑值。C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當，代表了水動力攪動開始搬運的最大能量；M值是中值，代表了水動力的平均能量。

2.2粒度參數(shù)

粒度參數(shù)是以一定的數(shù)值定量的表示碎屑物質(zhì)的粒度特征。常用的粒度參數(shù)包括：平均粒度、分選系數(shù)、偏度、峰度。

（1）平均粒徑（Mz）：代表粒度分布的集中趨勢，即碎屑物質(zhì)的粒度一般是趨向于圍繞著一個平均的數(shù)值分布，它反映了搬運介質(zhì)的平均動能。其公式為：

φ16、φ50和φ84分別代表累積曲線上百分含量為16%、50%、84%三處的粒徑（φ值）。

（2）分選系數(shù)（σ_i）：分選性的好壞可以作為環(huán)境標志，與沉積環(huán)境的水動力條件有密切關系。其公式為：

φ84、φ16、φ95和φ5分別代表累積曲線上百分含量為84%、16%、95%和5%四處的粒徑（φ值）。

（3）偏態(tài)（S_ki）：是用來表示頻率曲線對稱性的參數(shù)，實質(zhì)上反映粒度分布的不對稱程度的。對稱形態(tài)特征可分為三類：正態(tài)（S_ki=0）、正偏態(tài)（S_ki>0）、負偏態(tài)（S_ki<0）。其公式為：

（4）峰態(tài)（K_g）：是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。峰度值一般是用頻率曲線尾部展開度與中部展開度之比來表示的，其公式為：

在對稱正態(tài)曲線中，φ95與φ5之間粒度間距（尾部展開度）是φ75與φ25之間粒度間距（中部展開度）的2.44倍，因此正態(tài)粒度分布的K_g=1。

3.粒度分析在塔然高勒地區(qū)沉積環(huán)境判別中的應用

通過對塔然高勒地區(qū)直羅組下段粒度樣進行統(tǒng)計分析，其中中侏羅統(tǒng)直羅組下段下亞段砂巖以中粒、粗粒為主，各種粒級的砂巖所占比例以中粒最多，為54.30%，其次為細粒和粗粒，分別為24.8%、18.1%。而直羅組下段上亞段粒級主要為中粒。對數(shù)據(jù)進行處理后，得出CM圖，累積概率曲線，通過這些圖件可以對塔然高勒地區(qū)的沉積環(huán)境進行判別。

3.1粒度累積曲線

直羅組下段下亞段累積概率曲線出現(xiàn)二段式、三段式和一段式，但以二段式為主（圖3-1）。其中二段式和三段式主要以跳躍總體為主，一段式則以懸浮總體為主。累積概率曲線跳躍總體段斜率60°～70°，分選性好，懸浮總體段斜率20°～60°，牽引總體段斜率20°～60°。

直羅組下段上亞段累積概率曲線為二段式和一段式（圖3-2）。二段式為發(fā)育跳躍總體和懸浮總體，缺少牽引總體，且以跳躍總體為主，跳躍總體段斜率約為60°，分選性好，懸浮總體段斜率約為40°，分選性中等。一段式主要以懸浮總體為主，斜率為49°～53°，分選性中等。頻率直方圖以正偏為主，沒有對稱和負偏出現(xiàn)。

3.2C-M圖

由圖3-3可知，塔然高勒地區(qū)中侏羅統(tǒng)直羅組下段下亞段整體上符合牽引流的特征，主要出現(xiàn)PQ和QR段，QR段較發(fā)育，RS段不發(fā)育，即出現(xiàn)滾動段，遞變懸浮段，缺失均勻懸浮段，且最大擾動指數(shù)Cs=0，為水流起動能力較大的急流沉積，進而判斷其為辮狀河沉積體系。中侏羅統(tǒng)直羅組下段上亞段主要出現(xiàn)在QR段，PQ段不發(fā)育，表明其水動力較直羅組下段下亞段弱，初步推測為砂質(zhì)辮狀河沉積體系。

3.3粒度參數(shù)

根據(jù)粒度樣品分析測試結(jié)果統(tǒng)計可知，塔然高勒地區(qū)碎屑巖平均粒徑Md范圍為-0.03mm～2.340mm；標準偏差σ為1.030～1.730，巖石分選較差；偏度SK為-0.02～0.910，以正偏-很正偏為主，部分近于對稱；峰度KG為0.640～1.78，頻率曲線形態(tài)平坦中等為主，部分很平坦和非常尖銳。結(jié)合以上粒度參數(shù)可以總結(jié)本區(qū)碎屑物平均礫徑變化較大，分選中等-差，偏度為正偏態(tài)即沉積物以粗組分為主，峰度以平坦中等為主，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中還見到一些極端（極高或極低）的峰度值、偏度值，異常峰度值是兩組沉積物混合沉積造成的，趨于零的偏度值巖性為不等粒砂巖或細-粗砂巖，即粒度差異較大的兩個碎屑組分含量近似相同混合沉積造成的，頻率曲線表現(xiàn)為平坦的馬鞍狀雙峰曲線，這兩種特殊的參數(shù)特征是河流沉積中最常見的。綜上所述，塔然高勒地區(qū)碎屑巖沉積環(huán)境為多物源的粗碎屑河流相沉積。

直羅組下段下亞段平均粒度主要集中在中砂范圍內(nèi)，其次為粗砂，細砂所占比例很小，表明其粒度較粗，細粒較少，標準偏差為分選性中等-好，偏度為正偏和對稱，峰度為平坦-尖銳，多集中于中等-尖銳（圖3-4）。

與直羅組下段下亞段相比，直羅組下段上亞段平均粒度主要集中在中砂范圍內(nèi)，但粒度相對稍細，水動力相對較弱。標準偏差直羅組下段下亞段和直羅組下段上亞段相似，直羅組下段上亞段均為正偏，沒有負偏的出現(xiàn)，表明直羅組下段多數(shù)為河流沉積的正偏度值，這也符合該區(qū)域的沉積環(huán)境特點，偏度為正偏，峰度主要為中等（近正態(tài)）（圖3-4）。

4.結(jié)論

粒度分析法是比較傳統(tǒng)的方法，它以統(tǒng)計學和物理學理論為基礎，是一種較為精確的分析方法。通過對塔然高勒地區(qū)粒度累積曲線、C-M圖及各個粒度參數(shù)的分析，其能較為準確地分析出塔然高勒地區(qū)碎屑巖沉積環(huán)境為多物源的粗碎屑河流相沉積。因此，粒度分析在沉積巖地區(qū)判別該地區(qū)的沉積環(huán)境可靠、準確，且能在該地區(qū)的找礦中具有指導意義。