鄂西恩施白堊紀盆地跑馬崗組砂礫巖粒度分析

吳 龍, 宗 維, 杜小峰, 李 朋

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

沉積物的粒度主要受搬運介質、搬運方式、沉積環境等因素控制。因此,通過對沉積物粒度分布研究可以了解沉積物所處的沉積環境[1-2],所以粒度分析資料被廣泛地用來研究沉積巖的成因,本文通過對跑馬崗組典型砂礫巖進行粒度分析,結合砂礫巖粒度特征參數、粒度概率累計曲線、結構參數散點圖解等方法,分析跑馬崗組沉積環境。

1 地質背景

恩施盆地位于鄂西地區恩施城—芭蕉一帶,總體呈近北北東向不規則矩形展布,南北長約20～25 km,東西寬5～7 km,面積100～150 km2,是由恩施斷裂控制并于晚白堊世—新近紀時期形成的山間斷陷盆地。大地構造屬揚子(華南)板塊中部[3],西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺—大別造山帶,東接江南—雪峰滑脫推覆隆起帶,其形成與演化直接受控于恩施斷裂燕山晚期以來的多期活動。盆地西緣邊界為恩施斷裂帶[4],東緣與下伏地層多呈角度不整合接觸關系,僅局部為斷層接觸關系(圖1)。盆地內褶皺變形構造不發育,斷層相對較發育。受喜馬拉雅運動的影響,部分地區形成北西(西)向、北東向、近南北向小斷層,十分寬緩的小型褶曲僅局部出現,宏觀上表現為兩翼相對寬緩的向斜構造。

圖1 恩施盆地地質簡圖Fig.1 Geological sketch of Enshi Basin1.第四紀地層;2.跑馬崗組二段;3.跑馬崗組一段;4.三疊紀地層;5.二疊紀—泥盆紀地層;6.志留紀地層;7.奧陶紀—寒武紀地層;8.斷層;9.地名;10.道路;11.礫巖采樣點;12.砂巖采樣點。

跑馬崗組根據粒度及巖性組合特征,自下而上可劃分為兩個巖性段[5]。

跑馬崗組一段厚度在183.7～199.1 m之間。主要發育一套礫巖層,上部為含礫細砂巖。礫巖主體成分與所在位置的下伏地層一致,表明總體的物源為近源沉積。礫巖層底部雜亂堆積,礫石礫徑變化大,棱角明顯,無磨圓,向上礫度逐漸具有一定的分選與磨圓,見前積體堆積樣式,上部則為砂礫互層或砂夾礫巖的組合,表明間歇性洪泛的特征(圖2),本文在跑馬崗組一段采集7處礫巖樣品,主要位于盆地兩緣。

跑馬崗組二段厚度>448 m,主要以磚紅色厚層—塊狀含鈣質結核粉—細砂巖、鈣質泥巖的疊置為特征。粉—細砂巖中發育大型板狀斜層理、槽狀交錯層理、平行層理,重力滑塌構造;向上總體上泥質成分增多,粉—細砂巖成分減少(圖2),在跑馬崗組二段采集19件砂巖樣品,樣品均勻分布于盆地中部。

圖2 跑馬崗組地層野外照片Fig.2 Photographs of Paomagang Formation strata

2 跑馬崗組一段礫巖粒度分析

礫石主要產自跑馬崗組一段,主要發育在恩施盆地東部及西部邊緣地帶,礫石分選差—中,磨圓差,棱角分明。針對跑馬崗組一段發育的礫巖,對研究區7處礫巖(位置見圖1)進行直接測量法,對>2 mm的礫石直接用尺子進行測量,每顆礫石分別測量長軸(A)與短軸(B),用兩軸的平均值(A+B)/2代表礫石的粒徑。根據測量的粒徑進行分析,礫石粒徑范圍多集中在0.5～32 cm之間,巖石總體結構成熟度和成分成熟度均較低。

通過野外直接觀察記錄,7處礫巖樣品共測試了695個礫石粒度,經統計分析,可以得到樣品頻率直方圖。主要以單峰式、雙峰式為主,雙峰式主峰位于較細的部分,主粒徑不明顯,偏度極正偏,代表由沖積扇扇根的泥石流沉積;單峰式多代表沖積扇扇中的辮狀河道沉積[6]。從參數統計圖(圖3)分析,樣品Φ值在-4～1之間,多集中在-3～0之間,以牽引總體A為主,少見跳躍總體B,未見懸浮質,呈兩段式,與河流類似,但整體粒度偏粗。牽引總體與跳躍總體間斷點FT出現在-1.4～-0.4(Φ值)之間。牽引總體含量高,達到90%以上,斜率較大,分選差;跳躍總體含量少,具有一定的分選性,在巖石地層中表現為發育前積楔狀體,為沖積扇扇根的泥石流沉積產物;向上具粒度逐漸變細、分選磨圓變好等特征,顯示搬運距離變大,為沖積扇扇中的辮狀河道沉積產物。

3 跑馬崗組二段砂巖粒度分析

3.1 粒度參數特征

本次研究針對跑馬崗組二段砂巖進行采樣工作,共采樣19件,采樣位置主要分布在恩施盆地中部及其周緣(位置見圖1),19件砂巖樣品共測試了5 879個顆粒的粒度,平均每個樣品測量顆粒數目309粒,達到統計需要的測試要求(表1)。

所有樣品未見礫級(Φ≤-1)、巨砂(-1<Φ≤0)、粗砂(0<Φ≤1)、細粉砂(5<Φ≤8)組分,所有樣品中基本都含有中砂(1<Φ≤2)、細砂(2<Φ≤3)、極細砂(3<Φ≤4)、粘土(Φ>8),只有8件樣品含有粗粉砂(4<Φ≤5)。分析結果顯示,細砂出現比例最高(2<Φ≤3),占測試樣品總數的53.11%,其次為中砂(1<Φ≤2)、極細砂(3<Φ≤4)、粘土(Φ>8)及粗粉砂(4<Φ≤5),所占測試樣品總數比例分別為31.82%、7.57%、7.37%、0.08%。樣品粒度分布較為集中,未見某件樣品3項粒度含量均>16%的現象,以上特征顯示跑馬崗組二段砂巖顯示出較好的分選性,樣品中未發現濁流沉積現象。

3.2 粒度概率累積曲線

根據跑馬崗組二段砂巖粒度分布參數統計圖(圖4)可以看出,頻率曲線顯示較好的正態分布特征,頻率直方圖多呈單峰式,雙峰式較少,標準偏差(σ)在1.11～1.68之間,偏度(SK)為0.22～0.59,低于河流相沉積[7]。正態概率累積曲線主要為二段式和三段式兩種。二段式(LD-2、3、4、11、12、13、14、15、16)由跳躍組分和懸浮組分組成,與河流沉積相相類似,樣品Φ值在1～4之間,多集中在1.4～2.8之間,以中砂—細砂為主,以跳躍組分為主,少見懸浮組分,主要為三角洲平原分流河道亞沉積環境形成。三段式(LD-1、5、6、7、8、9、10、17、18、19)是在兩段式基礎上增加了滾動組分,樣品Φ值在1.2～4.4之間,多集中在1.8～3.2之間,以細砂為主,主要出現在三角洲前緣河口壩亞相。

圖3 跑馬崗組一段礫巖粒度分布參數統計圖Fig.3 Statistical chart of particle size distribution parameters of conglomerate in the first member of the Paomagang Formation

表1 跑馬崗組二段砂巖粒度分析統計表(單位:%)Table 1 Statistical table of grain size analysis of sandstone in the second member of the Pangmagang Formation

巖石名稱樣品數量測量點數礫石Φ≤-1巨砂-1<Φ≤0粗砂0<Φ≤1中砂1<Φ≤2細砂2<Φ≤3極細砂3<Φ≤4粗粉砂4<Φ≤5細粉砂5<Φ≤8粘土>8中砂巖132000068.9822.310.71008細砂中砂巖131000048.7542.021.23008細砂質中砂巖430700059.8532.460.69007中砂細砂巖130500029.8247.6915.440.0507中砂質細砂巖330500032.6658.532.143007細砂巖631100012.6972.498.60.0506.17細砂質極細砂巖1310000038.5752.321.1208含細粉砂和粘土中砂細砂巖132000031.6746.436.910015含細粉砂和粘土細砂巖130500011.7771.756.48008平均值30900031.8253.117.570.0807.37

圖4 跑馬崗組二段砂巖粒度分布參數統計圖Fig.4 Statistical chart of grain size distribution parameters of sandstone in the second member of the Paomagang Formation

3.3 結構參數離散點圖解

根據弗里德曼(1967)的離散圖,利用粒度參數偏度(SK)和標準偏差(σ)的對應值對跑馬崗組二段19件砂巖進行投點分析(圖5),結果表明絕大多數點都落在三角洲前緣與平原區,只有LD-11落在洪泛平原及部分三角洲平原區。結合跑馬崗組二段砂巖中板狀交錯層理、板狀斜層理、波狀層理、平行層理及基本序列可以判斷,跑馬崗組二段砂巖主體沉積于三角洲平原—前緣沉積環境。

圖5 跑馬崗組二段砂巖偏度(SK)與標準偏差(σ)離散圖Fig.5 Discrete diagram of standard deviation (σ) for sandstone skewness (SK) of the second member of the Paomangang Formation

4 結論

前人通過巖性組合和層序地層對恩施白堊紀盆地跑馬崗組砂礫巖的沉積環境進行判定,得出恩施盆地總體為三角洲前緣—平原沉積特征。本文通過對該組砂礫巖粒度研究來判定水動力條件,從另一個角度分析判別當時的沉積環境,得出如下結論:

(1) 粒度特征方面。跑馬崗組一段,樣品Φ值在-4～1之間,多集中在-3～0之間,牽引總體與跳躍總體間斷點FT出現在-1.4～-0.4(Φ值)之間,牽引總體含量高,達到90%以上。跑馬崗組二段,樣品頻率直方圖多呈單峰式,標準偏差(σ)在1.11～1.68之間,偏度(SK)為0.22～0.59,正態概率累積曲線主要為二段式和三段式兩種。二段式(LD-2、3、4、11、12、13、14、15、16)由跳躍組分和懸浮組分組成,樣品Φ值在1～4之間,多集中在1.4～2.8之間;三段式(LD-1、5、6、7、8、9、10、17、18、19)是在兩段式基礎上增加了滾動組分,樣品Φ值在1.2～4.4之間,多集中在1.8～3.2之間。

(2) 沉積環境方面。跑馬崗組一段下部為沖積扇扇根的泥石流沉積產物,上部為沖積扇扇中的辮狀河道沉積產物。跑馬崗組二段主要為三角洲平原分流河道亞相和三角洲前緣河口壩亞相,總體為一由沖積扇連續過渡到三角洲的沉積相模式。