新疆柯坪地區(qū)志留系—泥盆系砂巖粒度分布特征及沉積環(huán)境

閻琨， 馬偉， 柳曉丹， 李娜

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第七支隊(duì)，煙臺(tái) 264000)

0 引言

碎屑巖的粒度分布特征可以很好地反映沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件[1-2]，特別是利用沉積物相關(guān)的粒度參數(shù)，如分選度、偏度、峰度等，可大致判斷沉積物的沉積環(huán)境。不同沉積環(huán)境形成的砂巖具有不同的粒度曲線，可以反映不同的沉積物搬運(yùn)介質(zhì)類型和水動(dòng)力條件。目前粒度分析已經(jīng)成為一種分析沉積環(huán)境的常用手段，眾多學(xué)者據(jù)此也取得了較多的成果[3-7]。

新疆柯坪地區(qū)古生代地層出露較好，其志留紀(jì)—泥盆紀(jì)沉積環(huán)境的研究引起了眾多學(xué)者的興趣，取得了一定的成果[8-14]。張翔等[8-9]利用鉆孔巖心、地震測(cè)井資料，編制了塔里木盆地志留紀(jì)—泥盆紀(jì)巖相古地理圖； 邢鳳存等[10]通過(guò)對(duì)柯坪塔格組野外露頭的觀察，識(shí)別出了三角洲沉積體系?？偟膩?lái)說(shuō)，前人研究取得了豐碩的成果，但是對(duì)沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)還存在分歧，如柯坪塔格組是濱岸-陸棚沉積為主[11-12]還是三角洲為主[10，13-14]，塔塔埃爾塔格組主要為潮坪沉積[8，12，15]還是三角洲沉積[10]，克孜爾塔格組為濱岸相沉積[9]還是潮坪沉積[12]。

針對(duì)上述分歧，筆者采用碎屑巖粒度分析的方法，結(jié)合地層巖性組合、沉積構(gòu)造等特征，對(duì)柯坪地區(qū)志留紀(jì)—泥盆紀(jì)沉積環(huán)境進(jìn)行討論，為其沉積演化提供一定的資料，并建立柯坪地區(qū)古生代碎屑巖粒度概率累積曲線模型，與眾多學(xué)者進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于塔里木板塊西北緣，構(gòu)造區(qū)劃屬于柯坪晚古生代前陸盆地(圖1)，北以南天山南緣斷裂與闊克塔勒晚古生代陸緣盆地為界，南以柯坪塔格斷裂與塔里木地塊為界[16-17]。主要出露地層為寒武系—奧陶系淺灰色厚層灰?guī)r、白云巖，志留系—泥盆系紫紅色、灰綠色砂巖、粉砂巖，石炭系—二疊系灰色薄—中層灰?guī)r、細(xì)砂巖及第四系松散堆積物等。

1.寒武系—奧陶系; 2.志留系—泥盆系; 3.石炭系—二疊系; 4.第四系; 5.超基性巖; 6.玄武巖; 7.花崗巖; 8.邊界斷裂; 9.斷裂; 10.剖面位置

柯坪地區(qū)的志留系—泥盆系可分為下志留統(tǒng)柯坪塔格組(S1k)、中頂志留統(tǒng)塔塔埃爾塔格組(S2-4t)、下中泥盆統(tǒng)衣木干他烏組(D1-2y)和上泥盆統(tǒng)克孜爾塔格組(D3k)(圖2)。

柯坪塔格組主要巖性為灰綠色薄層巖屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，巖屑含量多為30%～40%，巖屑成分主要為泥質(zhì)巖類，呈次棱角狀； 石英含量40%左右，呈棱角狀—次棱角狀。其中，一段(S1k1)底部為底礫巖，上部為灰綠色厚—中層細(xì)粒巖屑砂巖、粉砂巖，向上粒度變細(xì)，頂部變?yōu)榉凵皫r、泥巖，多發(fā)育舌狀波痕和不對(duì)稱流水波痕(圖3(a))； 二段(S1k2)下部為中厚層細(xì)?！辛r屑砂巖、巖屑石英砂巖，槽狀交錯(cuò)層理、軟沉積變形發(fā)育(圖3(b))，上部為深灰色、煙草綠色泥巖及粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，含筆石、腕足、三葉蟲化石； 三段(S1k3)下部為灰綠色薄層細(xì)粒巖屑砂巖與暗紫紅色薄—中層細(xì)砂巖互層，波痕、交錯(cuò)層理發(fā)育(圖3(c)、(d))。

塔塔埃爾塔格組(S2-4t)其底部為醬紅色、紫紅色細(xì)粒石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖以及紫紅色粉砂巖、泥巖，發(fā)育板狀交錯(cuò)層理(圖3(e))，向上為紫紅色粉砂巖、泥巖，頂部可見(jiàn)灰綠色細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖與紫紅色細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖互層。石英砂巖中石英含量多為80%～90%，呈次棱角狀，部分砂巖中長(zhǎng)石含量達(dá)5%～10%。灰綠色石英砂巖中發(fā)育對(duì)稱波痕(圖3(f))。

圖2 柯坪地區(qū)志留系—泥盆系地層柱狀圖

(a) 波痕(S1k1)(b) 軟沉積變形(S1k2)

衣木干他烏組主體為紫紅色薄層細(xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖、紫紅色薄層粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖。鈣質(zhì)石英砂巖中石英含量多為80%～90%，長(zhǎng)石以斜長(zhǎng)石為主。其中，一段(D1-2y1)主要巖性為紫紅色、灰綠色薄層細(xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖、石英砂巖與粉砂巖互層，砂巖中波痕、泥裂發(fā)育(圖4(a)、(b))，鈣質(zhì)砂巖中多見(jiàn)腹足化石； 二段(D1-2y2)主要巖性為紫紅色粉砂巖、泥巖夾紫紅色、灰綠色薄層細(xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖、巖屑石英砂巖，多見(jiàn)泥裂和波痕。

克孜爾塔格組主要為紫紅色中厚層巖屑石英砂巖、粉砂巖，砂巖中石英含量大于85%，其他碎屑為巖屑、長(zhǎng)石、云母及少量重礦物。其中，一段(D3k1)為紫紅色中厚層巖屑石英砂巖夾灰綠色粉砂巖，可見(jiàn)泥裂(圖4(c))、板狀交錯(cuò)層理、平行層理(圖4(d))等； 二段(D3k2)底部為暗紫紅色含礫粗砂巖，礫石成分主要為燧石，主體為暗紫紅色含礫粗砂巖與紫紅色細(xì)砂巖互層，槽狀交錯(cuò)層理、波痕發(fā)育(圖4(e)、(f))。

(a) 波痕(D1-2y1)(b) 泥裂(D1-2y2)

2 樣品采樣及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 采樣位置

本次研究對(duì)柯坪地區(qū)柯坪塔格山的志留系—泥盆系進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，在每個(gè)段級(jí)填圖單位中挑選2～4個(gè)砂巖樣品進(jìn)行薄片鑒定及粒度分析，共統(tǒng)計(jì)25件樣品，采樣剖面位置見(jiàn)圖1，樣品位置見(jiàn)圖2。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將采集的樣品制成薄片，利用薄片粒度法對(duì)薄片中的顆粒進(jìn)行測(cè)量，對(duì)每個(gè)樣品統(tǒng)計(jì)300個(gè)以上的顆粒，將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成φ值，并進(jìn)行粒度校正和雜基校正[18]。將統(tǒng)計(jì)結(jié)果利用GRADISTAT軟件計(jì)算粒度參數(shù)特征，計(jì)算方法采用Folk和Wold法[19-20]。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Grapher軟件繪制粒度概率累積曲線。

3 粒度分布特征

3.1 粒度參數(shù)特征

表1 各樣品粒度參數(shù)

圖5 標(biāo)準(zhǔn)偏差與偏度離散圖[21]

圖6 薩胡成因判別圖解[22]

3.2 粒度概率累積曲線特征

Visher[23-24]根據(jù)不同沉積環(huán)境下砂巖概率累積曲線建立了巖石成因模型，可以較好地分析判斷巖石形成的沉積環(huán)境，通過(guò)對(duì)柯坪地區(qū)砂巖樣品的概率累積曲線分析，得到4種類型、8種概率累積曲線。

3.2.1 河控三角洲環(huán)境

(1)典型兩段式(圖7(a))。主要分布于柯坪塔格組，滾動(dòng)總體不發(fā)育，以跳躍總體和懸浮總體為主，跳躍總體一般在80%以上，分選性好—較好，直線段斜率在50°～60°左右，懸浮總體的含量一般小于10%，兩總體交切點(diǎn)φ值為3.5～4.0之間。大致為三角洲平原亞相的水上分流河道。

(2)一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式(圖7(b))。主要分布于柯坪塔格組二段和三段，滾動(dòng)總體不發(fā)育，具有跳躍和懸浮總體間過(guò)渡段的兩段式。跳躍總體含量在30%～50%，φ值區(qū)間為1.0～2.5，斜率60°～65°； 過(guò)渡段40%～50%左右，斜率45°，與跳躍總體交切點(diǎn)φ值為2.0～2.5，與懸浮總體交切點(diǎn)φ值為4左右，懸浮總體小于10%。這一類型體現(xiàn)了河流和波浪綜合沖刷作用，跳躍總體分選較好，大致相當(dāng)于三角洲前緣亞相的河口壩沉積。

(3)低斜多段式(圖7(c))。主要分布于塔塔埃爾塔格組，為斜率較低的多段式，由多個(gè)折線組成上拱型，斜率小于40°，粒度范圍較寬，組分多且分選差，反映洪水期不穩(wěn)定動(dòng)蕩水流快速堆積的特點(diǎn)，屬于三角洲前緣亞相水下分支河道的特點(diǎn)。

3.2.2 扇三角洲環(huán)境

上拱弧形式(圖7(d))。主要分布于塔塔埃爾塔格組，呈斜率較低、整體緩慢上拱的特點(diǎn)，跳躍總體與懸浮總體緩慢過(guò)渡無(wú)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分選差，表明水體能量較差且堆積速度較快，體現(xiàn)了濁流或碎屑流沉積的特點(diǎn)，推測(cè)屬于扇三角洲平原亞相。

圖7-1 粒度概率累積曲線

圖7-2 粒度概率累積曲線

3.2.3 潮坪環(huán)境

(1)典型三段式(圖7(e))。主要分布于衣木干他烏組一段，由3個(gè)總體構(gòu)成。滾動(dòng)總體含量小于5%，與跳躍總體交切點(diǎn)φ值為2.0～2.5。跳躍總體含量為80%～90%，斜率50°～60°，分選較好，部分跳躍總體有2個(gè)次總體，其交切點(diǎn)φ值2.5～3.0，與懸浮總體的上交切點(diǎn)φ值為3.5～4.0。整體φ值區(qū)間為1～5，分布較廣，可能為潮間帶的中潮坪環(huán)境。

(2)典型多段式(圖7(f))。主要分布于衣木干他烏組一段，由多個(gè)次總體構(gòu)成。滾動(dòng)總體含量小于5%，與躍動(dòng)總體交切點(diǎn)φ值為1.5～2.0。跳躍總體含量為70%～80%，呈多段式，表現(xiàn)出沖刷、回流2種能量的特點(diǎn)。與懸浮總體交切點(diǎn)φ值為4，懸浮總體含量約10%。跳躍總體上段與懸浮總體分選較好，體現(xiàn)出能量較高的潮間帶下潮坪特點(diǎn)。

3.2.4 濱岸環(huán)境

(1)高斜兩段式(圖7(g))。主要分布于衣木干他烏組二段、克孜爾塔格組一段，呈兩段式，由跳躍總體和懸浮總體構(gòu)成。跳躍總體含量高于90%，斜率較大，分選性較好，與懸浮總體交切點(diǎn)φ值為3.5～4.0； 懸浮總體含量小于10%。這一類型表現(xiàn)出水動(dòng)力條件較強(qiáng)、分選好的特點(diǎn)，體現(xiàn)出前濱的沉積特點(diǎn)。

(2)高斜多段式(圖7(h))。主要分布在克孜爾塔格組二段，由跳躍總體和懸浮總體2個(gè)總體構(gòu)成。跳躍總體分為2個(gè)次總體，含量約90%，2個(gè)次總體交切點(diǎn)φ值為3.0～3.5，與懸浮總體交切點(diǎn)φ值為3.5～4.0； 懸浮總體含量小于10%。這一類型體現(xiàn)出波浪和流水對(duì)碎屑的反復(fù)沖洗改造的特點(diǎn)，體現(xiàn)出前濱的特點(diǎn)。

4 沉積環(huán)境演化

上述沉積學(xué)特征和粒度特征分析表明柯坪地區(qū)志留紀(jì)—泥盆紀(jì)沉積環(huán)境發(fā)生較大但有規(guī)律的變化： 主體巖性由灰綠色巖屑砂巖逐步變?yōu)樽霞t色石英砂巖，成熟度逐漸增高； 水體能量逐漸增加，由三角洲環(huán)境逐步改變?yōu)闉I岸環(huán)境； 氣候由濕潤(rùn)變?yōu)楦稍铩?/p>

沉積環(huán)境演變?nèi)缦拢?經(jīng)歷了晚奧陶世的地殼抬升，早志留世柯坪地區(qū)再次接受海侵，柯坪塔格底部形成了底礫巖，之后處于氣候較濕潤(rùn)的三角洲環(huán)境，為三角洲平原—三角洲前緣沉積，主體巖性為灰綠色巖屑砂巖與粉砂巖、泥巖，分選較差，成熟度較低，交錯(cuò)層理、流水波痕發(fā)育，指示三角洲平原分流河道的特點(diǎn)，灰綠色砂巖與粉砂巖互層，表現(xiàn)出三角洲前緣遠(yuǎn)砂壩的特點(diǎn)，柯坪塔格組二段富含筆石的塊狀層黃綠色泥巖，為一套陸棚相的沉積。這整體表現(xiàn)出河控三角洲的層序特征，柯坪塔格組沉積期海平面變化仍比較明顯。

塔塔埃爾塔格組沉積期開始，出現(xiàn)小規(guī)模海退，氣候逐漸干燥，主體巖性為紫紅色巖屑石英砂巖夾灰綠色巖屑砂巖，粒度較柯坪塔格組變粗，結(jié)構(gòu)成熟度較柯坪塔格組好，交錯(cuò)層理發(fā)育，巖性組合、粒度概率累積曲線與柯坪塔格組有明顯不同，粒度參數(shù)表現(xiàn)出分選變差、粒度區(qū)間變大的特點(diǎn)，表明水動(dòng)力條件減弱，部分出現(xiàn)扇三角洲平原沉積。

衣木干他烏組沉積期，海侵范圍擴(kuò)大，氣候變得干燥，主要巖性為紫紅色細(xì)粒石英砂巖、鈣質(zhì)石英砂巖與粉砂質(zhì)泥巖、泥巖互層，上部泥巖增加，泥裂、浪成波痕發(fā)育。砂巖成熟度較高，表明處于水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，總體表現(xiàn)出潮間-潮上帶的沉積特點(diǎn)。

克孜爾塔格組沉積期，海侵進(jìn)一步擴(kuò)大，主要為紫紅色細(xì)粒石英砂巖夾粉砂巖、含礫粗砂巖，板狀交錯(cuò)層理、平行層理發(fā)育，波痕、泥裂發(fā)育，砂巖成熟度較高，說(shuō)明處于水動(dòng)力條件較強(qiáng)的環(huán)境中，整體體現(xiàn)出前濱-后濱的沉積特點(diǎn)，表明其處于干燥的濱海環(huán)境。

從柯坪地區(qū)志留紀(jì)—泥盆紀(jì)沉積環(huán)境演化看，由濕潤(rùn)的河控三角洲沉積環(huán)境逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锏臑I岸沉積環(huán)境，砂巖的成熟度也逐漸增加，表明柯坪地區(qū)逐漸遠(yuǎn)離物源區(qū)，逐步處于構(gòu)造穩(wěn)定的背景。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)各組地層特征及砂巖的粒度分析，識(shí)別出4種沉積體系，分別為河控三角洲、扇三角洲、潮坪環(huán)境、濱海環(huán)境。其中首次在塔塔埃爾塔格組中識(shí)別出扇三角洲沉積體系。

(2)根據(jù)粒度分析的粒度參數(shù)及概率累積分布圖，識(shí)別出8種粒度累積曲線。其中河控三角洲(主要為柯坪塔格組、塔塔埃爾塔格組)為典型兩段式、一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式、低斜多段式； 扇三角洲(塔塔埃爾塔格組)為上拱弧形式； 潮坪環(huán)境(主要為衣木干他烏組)為典型三段式、典型多段式； 濱海環(huán)境(主要為克孜爾塔格組)為高斜兩段式、高斜多段式。

(3)柯坪地區(qū)從志留紀(jì)—泥盆紀(jì)，水體能量和流動(dòng)性經(jīng)歷了先減小后逐漸增加的過(guò)程，氣候由溫暖濕潤(rùn)逐漸變?yōu)檠谉岣稍?，砂巖成熟度逐漸升高，距物源區(qū)逐漸變遠(yuǎn)，逐漸處于構(gòu)造穩(wěn)定的背景。