江西會(huì)昌盆地晚白堊世周田組砂巖粒度分析和沉積環(huán)境

劉東興，陳留勤，劉富軍

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

碎屑巖粒徑是沉積環(huán)境動(dòng)力條件的直觀反映。因此，碎屑巖樣品粒度分析是判斷沉積環(huán)境特征及變化的有效途徑[1]。

在晚中生代，中國東南地殼受伸展拉張影響，形成了典型的“盆嶺構(gòu)造體系”，盆地接收來自周圍物源區(qū)碎屑物的充填形成厚達(dá)幾百到數(shù)千米的沉積地層[2-6]。這些陸相盆地的形成和演化對(duì)區(qū)域熱液鈾成礦以及丹霞地貌發(fā)育都具有深刻影響[7-8]。近年來，研究者對(duì)于華南晚中生代巖漿巖礦床和丹霞地貌的研究已積累了豐富的成果[7,9-12]。與之相比，對(duì)于記錄區(qū)域構(gòu)造與沉積環(huán)境變化信息的紅色碎屑巖沉積巖則研究較少。

江西邵武-河源斷裂帶中部的會(huì)昌盆地晚白堊世紅層地層出露較好，分布于盆地中西部地區(qū)的周田組是丹霞地貌的主要發(fā)育地層。本文通過對(duì)野外露頭觀測，對(duì)采集樣品制作的薄片進(jìn)行巖礦鑒定和粒度分析，結(jié)合樣品粒度參數(shù)對(duì)周田組沉積環(huán)境進(jìn)行討論，為華南白堊紀(jì)陸相斷陷盆地沉積演化提供實(shí)際材料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

會(huì)昌盆地位于江西省東南部，武夷山南段西側(cè)，受西部石城-尋烏斷裂帶(河源-邵武斷裂帶中部)控制，呈NE向展布，是一個(gè)中生代箕形斷陷盆地(圖1)。盆地紅層發(fā)育且起伏簡單，總體上呈西部厚向東以及南北兩端逐漸變薄，反映盆地沉積由東到西、由南北向中部遷移的過程[13]。紅層自下而上劃分為贛州群茅店組、周田組以及圭峰群河口組，其中贛州群茅店組和周田組分布范圍較廣。茅店組分布于盆地東部地區(qū)，巖性主要為紫紅色粗-中礫巖以及砂巖，發(fā)育粒序?qū)永砗托睂永?。周田組分布于盆地中部和西部地區(qū)，主要巖性為紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖以及泥巖互層，中間夾雜一些黃色和其他雜色泥巖層，水平層理發(fā)育。河口組位于盆地中部西南側(cè)，受洪積扇與沖積扇沉積影響，以紫紅色礫巖、砂巖為主，質(zhì)地堅(jiān)硬富含鐵質(zhì)膠結(jié)物分選性較差[13-14]。

2 研究方法

本次在會(huì)昌縣周田鎮(zhèn)東側(cè)大路凹村的寨下剖面進(jìn)行觀測和取樣，野外對(duì)巖層厚度、沉積巖石特征、粒徑和沉積構(gòu)造等進(jìn)行觀測。對(duì)采集的5個(gè)樣品進(jìn)行薄片鑒定和粒度分析，具體采樣地點(diǎn)見圖1。

1-第四系碎屑巖；2-上白堊統(tǒng)南雄組碎屑巖；3-上白堊統(tǒng)贛州群碎屑巖；4-侏羅系碎屑巖；5-二疊系灰?guī)r、碎屑巖；6-石炭系碳酸鹽巖；7-泥盆系碎屑巖；8-寒武系灰?guī)r、頁巖和板巖；9-震旦系變余砂巖夾千枚巖、變流紋巖；10-燕山期花崗巖；11-印支期花崗巖；12-加里東期花崗巖、二長花崗巖

將采集的樣品制作成巖石薄片，利用偏光顯微鏡對(duì)薄片中的碎屑顆粒按照Gazzi-Dickinson計(jì)點(diǎn)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)量不少于300個(gè)。具體要求為：沿測線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)所有粒徑30 μm以上的顆粒，雜基與膠結(jié)物除外。計(jì)算方法采用?？?Folk)和沃德(Ward)法來獲得不同樣品的平均粒徑(MZ)，標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)，偏度(SK)，以及峰度(KG)[15]；頻率曲線、累積曲線以及概率累積曲線的繪制使用Origin軟件。

3 研究結(jié)果

3.1 巖石學(xué)特征

在野外露頭剖面上，周田組主要巖性為紫紅色和磚紅色中-細(xì)砂巖，夾粉砂巖和泥巖(圖2(a)、(b))。水平層理較為常見，少量正粒序?qū)永?，主要表現(xiàn)為由下部中粒砂巖向上部細(xì)沙砂巖過渡(圖2(c))。局部層位可見遺跡化石(圖2(d))。

對(duì)采集的5個(gè)砂巖樣品進(jìn)行偏光鏡下鑒定，樣品主要為長石砂巖類，碎屑顆粒粒徑為0.02～0.84 mm。碎屑組分占90%以上，主要由石英、長石、云母以及巖屑組成，其中石英占總體組分的68%～71%，主要為單晶石英，偶見脈石英；長石占總體組分27%～30%，以鉀長石為主，含有少量斜長石，且長石表面多發(fā)生黏土化和絹云母化(圖3(b))；巖屑組分含量較低(1%～2%)，以沉積巖巖屑為主。膠結(jié)物以鐵質(zhì)膠結(jié)物和鈣質(zhì)膠結(jié)物為主(圖3(c)、(d))。顆粒之間以線接觸和凹凸接觸為主，呈顆粒支撐結(jié)構(gòu)。顆粒分選性較好，磨圓度較差，呈次棱角狀-次圓狀(圖3(a))。

(a)宏觀露頭照片；(b)水平層理、中-細(xì)砂巖泥巖互層；(c)正粒序?qū)永恚?d)遺跡化石

(a)周田組砂巖分選性較好，磨圓程度較差，次棱角狀-次圓狀；(b)鉀長石礦物發(fā)生蝕變；(c)發(fā)育良好的斜長石顆粒、鐵質(zhì)膠結(jié)物；(d)鈣質(zhì)膠結(jié)物(Q-石英；Kf-鉀長石；Pl-斜長石；Ca-鈣質(zhì)膠結(jié)物)

3.2 沉積物粒度特征

3.2.1 粒度參數(shù)特征 由于外部環(huán)境以及搬運(yùn)動(dòng)力等因素的不同，砂巖的粒度往往呈現(xiàn)不同的分布趨勢，因此通過砂巖粒度分析可以判斷古代沉積環(huán)境[1]。砂巖粒度分析主要是通過計(jì)算碎屑顆粒的平均粒徑(MZ)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)、偏度(SK)和峰度(KG)[15]。本文對(duì)會(huì)昌盆地周田組采集的5個(gè)樣品在鏡下利用Gazzi-Dickinson計(jì)點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)樣品顆粒獲得數(shù)據(jù)后利用公式計(jì)算周田組砂巖的各項(xiàng)粒度參數(shù)(表1)。

表1 周田組寨下剖面砂巖粒度參數(shù)

平均粒徑(MZ)可以用來反映粒度分布的集中趨勢，而粒度集中程度主要受搬運(yùn)顆粒的動(dòng)力以及顆粒自身原始大小的影響[16]。平均粒徑最大值為樣品ZX-35的3.670，最小值為樣品ZX-7的3.103。平均粒徑的均值為3.366，為細(xì)砂巖。

標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)可以用來反映碎屑顆粒大小的均勻程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差大代表沉積物集中趨勢弱，分選性差，而標(biāo)準(zhǔn)偏差小則代表沉積物集中趨勢較強(qiáng)，分選性較好[17]。根據(jù)前人研究確定的沉積物分選級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)[15]，除樣品ZX-7為0.803，處于0.71～1之間，分選性中等，其余樣品均處于0.5～0.71分選性好的區(qū)間。樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為0.656，研究區(qū)樣品總體上分選性較好，與前文顯微鏡觀察結(jié)果一致。

偏度(SK)用來反映粒度分布的不對(duì)稱性，根據(jù)福克(Folk)劃分的五級(jí)偏度[15]，偏度在-1～-0.3之間為很負(fù)偏度，偏度在-0.3～-0.1之間為負(fù)偏態(tài)，偏度在-0.1～0.1之間為近似對(duì)稱，偏度在0.1～0.3之間為正偏態(tài)，偏度在0.3～1之間為很正偏態(tài)。研究區(qū)ZX-7、ZX-25和ZX-35偏度值分別為-0.041、0.004和0.087處于-0.1～0.1之間近似于對(duì)稱，而ZX-5與ZX-20偏度值分別為0.119和0.167位于0.1～0.3之間屬于微正偏態(tài)。

根據(jù)?？?Folk)對(duì)峰度(KG)的劃分[15]，可以將峰度值劃分成6級(jí)，當(dāng)峰度值小于0.67代表頻率曲線很平坦；當(dāng)峰度值處于0.67～0.9之間時(shí)代表頻率曲線平坦；當(dāng)峰度值處于0.9～1.11之間時(shí)代表頻率曲線中等接近正態(tài)分布；當(dāng)峰度值處于1.11～1.56之間時(shí)代表頻率曲線尖銳；當(dāng)峰度值處于1.56～3.00之間時(shí)代表頻率曲線很尖銳；當(dāng)峰度值大于3.00時(shí)代表頻率曲線非常尖銳。研究區(qū)5個(gè)樣品中ZX-5和ZX-35峰度值分別為0.845和0.877，頻率曲線平坦；ZX-7、ZX-20和ZX-25分別為0.916、0.936和1.073處于0.9～1.11之間，頻率曲線中等接近正態(tài)分布(圖4(a))。

(a)頻率曲線與累積曲線；(b)一跳一懸式；(c)兩跳一懸式；(d)滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式

3.2.2 粒度曲線特征 在碎屑巖粒度分析中，可以通過一些簡單直觀的圖件輔助分析沉積環(huán)境，其中最常用到的就是頻率曲線圖、累積曲線圖和概率累積曲線。3種圖的橫坐標(biāo)均為φ值，頻率曲線與累積曲線的縱坐標(biāo)為算術(shù)百分比，而概率累積曲線縱坐標(biāo)為概率百分比[15-17]。通過頻率曲線形態(tài)特征和分布范圍可以直觀地反映沉積物的分選性和沉積作用形式等[18]。通過概率累積曲線各次總體線段的區(qū)間分布和百分比含量、各次總體線段斜率的差異以及次總體之間交切點(diǎn)位置的差異等，可以反映沉積物顆粒分選性以及沉積環(huán)境的動(dòng)力條件[15]。根據(jù)研究區(qū)5個(gè)樣品的粒度參數(shù)分別繪制3種曲線(圖4)。

1)頻率曲線特征。從頻率曲線圖中可看出(圖4(a))，周田組砂巖主要以單峰形式為主(ZX-7為雙峰)，曲線單峰反映周田組沉積時(shí)期沉積環(huán)境簡單，沉積物的搬運(yùn)方式一定，動(dòng)力穩(wěn)定。ZX-7頻率曲線呈雙峰馬鞍式，這種曲線的形成是由于沉積時(shí)有另外一種組分的加入，且加入的組分和之前的組分含量相等，這種曲線的偏度也趨于零，但是分選性較差[15]。沉積物粒徑范圍處于1φ～6φ之間，圖形近似對(duì)稱，峰度中等。結(jié)合前文偏度值，研究區(qū)5個(gè)樣品3個(gè)近似于對(duì)稱，2個(gè)為微正偏態(tài)，而且5個(gè)樣品累積曲線均較為陡峭，研究區(qū)沉積物粒度集中且分選性總體較好。

2)概率累積曲線。通過對(duì)研究區(qū)周田組沉積物概率累積曲線分析，可以識(shí)別出跳躍-懸浮兩段式和滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式(圖4(d))2種曲線，其中跳躍-懸浮兩段式可細(xì)分為一跳一懸式(圖4(b))和兩跳一懸式(圖4(c))。滾動(dòng)次總體在4個(gè)樣品中的缺失說明研究區(qū)總體水流動(dòng)力能量不高，很粗的砂礫無法被搬運(yùn)，具體如下。

a)一跳一懸式。一跳一懸式(ZX-25)由一條跳躍次總體和一條懸浮次總體組成。樣品粒徑范圍為2φ～5φ，成分以跳躍次總體為主約占90%，跳躍次總體和懸浮次總體交切點(diǎn)在4φ～4.25φ之間。跳躍次總體斜率高分選性好，懸浮次總體斜率較低分選性一般，顯示水流作用不是很強(qiáng)。

b)兩跳一懸式。兩跳一懸式(ZX-5,ZX-20,ZX-35)由兩段跳躍次總體和一段懸浮次總體組成。其中ZX-20的概率累積曲線為兩跳一懸夾過渡，兩段跳躍次總體中間有一小段過渡段。不同于一跳一懸式，其跳躍次總體由兩段組成，這主要是受到湖水沖流和回流的改造作用影響沉積而成[15,19]。兩段跳躍次總體的交切點(diǎn)在3φ～3.5φ之間，跳躍次總體和懸浮次總體的交切點(diǎn)在3.75～4.25之間，兩段跳躍次總體斜率不同，但是斜率均較高顯示較好的分選性。懸浮次總體含量小于10%，ZX-20斜率略低，其余兩條曲線斜率較高，總體上懸浮次總體含量少但分選性較高，說明水流作用強(qiáng)于一跳一懸式。

c)滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式。滾動(dòng)-跳躍-懸浮三段式(ZX-7)，滾動(dòng)次總體和懸浮次總體含量較少，跳躍次總體含量多約占90%。滾動(dòng)次總體和跳躍次總體的交切點(diǎn)在1.25φ，跳躍次總體和懸浮次總體交切點(diǎn)在4.25φ。滾動(dòng)次總體含量少且斜率低，分選性差，跳躍次總體分選性中等，可能是由于沉積時(shí)有另外一種組分加入，而且加入的組分顆粒較粗，頻率曲線呈雙峰馬鞍式(圖4(a))。懸浮次總體斜率較高，分選性好。說明水流作用強(qiáng)于前2種。

4 周田組紅層沉積環(huán)境

會(huì)昌盆地周田組紅層沉積于晚白堊世，前人認(rèn)為總體為湖泊環(huán)境，且隨著古氣候變化經(jīng)歷“較濕熱—較冷干—干熱—較濕熱—較冷干”的轉(zhuǎn)換，湖泊也隨之經(jīng)歷淡水湖轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?，在轉(zhuǎn)變?yōu)榈倪^程[13,20]。一般而言，一個(gè)湖盆自湖岸到湖心粒徑由粗到細(xì)，大致為礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖，河水流過河口較粗粒級(jí)物質(zhì)先沉積，較細(xì)粒級(jí)沉積物則被搬運(yùn)至湖心沉積[15]。水平層理往往形成于穩(wěn)定的水動(dòng)力條件，由懸浮物質(zhì)緩慢沉積而成[15]。地層柱狀圖(圖2)顯示周田組以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，夾薄層泥巖，發(fā)育水平層理(圖2(a))，可見生物遺跡化石(圖2(d))。根據(jù)吳崇筠依據(jù)湖水深度和水動(dòng)力條件對(duì)湖泊沉積相的劃分[21]，研究區(qū)周田組主要為淺湖相沉積，與廣豐盆地晚白堊世周田組沉積環(huán)境類似[22]。

河流沉積物概率累積曲線呈滾動(dòng)-懸浮兩段式，主要表現(xiàn)為滾動(dòng)次總體的缺失和較為發(fā)育的懸浮次總體(含量>10%)[15]。研究區(qū)周田組概率累積曲線也是主要由跳躍-懸浮兩段式組成，但不同的是懸浮次總體含量較少2%～9%，而且研究區(qū)4個(gè)兩段式概率累積曲線中有2個(gè)兩跳一懸式和1個(gè)兩跳一懸夾過渡式(圖4(c))，多個(gè)跳躍次總體說明沉積時(shí)受到湖水波浪的改造作用，說明沉積環(huán)境處于湖泊波浪基準(zhǔn)面之上。樣品中滾動(dòng)次總體僅存在于ZX-7中(圖4(d))，而且表現(xiàn)出含量少和分選性差的特點(diǎn)，說明沉積區(qū)環(huán)境水流動(dòng)力能量不高。因此，通過根據(jù)砂巖巖性特征和概率累積曲線說明研究區(qū)周田組沉積環(huán)境主要為水動(dòng)力較弱的淺湖相沉積。

5 結(jié)論

會(huì)昌盆地為一個(gè)近南北向展布的小型陸相斷陷盆地，周田組紅層的巖性包括中砂至泥巖不同粒徑的碎屑物，總體較細(xì)，而且分選性較好，常見水平層理與生物遺跡化石及少量正粒序?qū)永怼?/p>

周田組紅層樣品概率累積曲線以跳躍-懸浮兩段式為主，跳躍次總體含量較高，懸浮次總體含量低，滾動(dòng)次總體在多數(shù)樣品中缺失表明沉積環(huán)境水動(dòng)力能量較弱，跳躍次總體和懸浮次總體斜率較高，表明研究區(qū)砂巖分選性較好。根據(jù)砂巖粒度參數(shù)特征和野外露頭資料顯示，會(huì)昌盆地周田組砂巖沉積環(huán)境是水動(dòng)力較弱的淺湖相沉積。