鲁西大汶口地区全新世临沂组沉积物粒度分布特征及地质意义

高明波

(山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

0 引言

大汶口盆地地处鲁西隆起区鲁中隆起的北部，是鲁中隆起区中新生代构造盆地的重要组成部分。作为鲁西地区最大的一个沉积富矿盆地，大汶口盆地受到地学界的广泛关注[1-7]。前人对大汶口盆地的研究多集中于前第四纪的沉积演化、成矿作用等方面[1-8]，对第四纪以来的沉积作用及沉积环境研究较少。

粒度分析作为研究沉积环境的重要手段之一，可以对其物质来源、沉积区水动力环境、输移能力、输移路线、物质运动方式和沉积环境进行综合反映[9-12]。传统的粒度分析方法主要有直接测量法、筛析法、沉降法等[9]。20世纪80年代以来，激光粒度分析法以其动态测量粒径范围宽、误差小、重复性好、自动化水平高、测试时间短等突出优点[13-15]，逐渐取代传统的分析方法。该文在区域地质调查工作的基础上，采用激光粒度分析法，对临沂组碎屑沉积物进行了分析，对其沉积相和沉积环境进行了研究。

1 区域地质概况

大汶口盆地地处鲁西隆起区鲁中隆起的北部，泰山山脉的西南麓，北邻东平-布山凸起，南部与蒙山凸起相接，东部以磁窑断裂为界与汶东凹陷相通(图1)[4,16]。区内岩浆岩以太古代侵入岩为主，局部发育少量中生代侵入岩；地层主要发育新太古代泰山岩群，寒武-奥陶纪长清群、九龙群、马家沟群，古近纪官庄群，新近纪黄骅群及第四系[2]。大汶口地区第四系主要发育大站组、临沂组和沂河组，其中临沂组和沂河组为河流沉积产物。

临沂组作为大汶口盆地第四系松散堆积物的一部分，主要沿河流两侧分布，出露面较大，与下伏大汶口组呈不整合接触，下部由棕色含砾粗砂、含砾极粗砂组成，上部以土黄色、灰黄色含砂质粉砂、粉砂质粘土为主。

图1 汶东凹陷构造位置图(据朱猛[4]修改)

2 样品特征

该次采集样品的QK1钻孔位于大汶口镇曹家庄村东约300m(图1)。钻孔第四系厚度为10.80m，依据其野外分层情况，共采集了23件粒度分析样品，其中0～0.60m为人工回填土，5.25～5.90m、6.36～6.90m及7.80～8.35m明显由粘土组成，未对其进行采样。采样时剔除了岩心外围的泥浆，并按深度顺序对样品进行了编号，编号为LD-1～LD-23。

3 分析方法

粒度分析在中国冶金地质总局山东局测试中心完成，分析仪器为Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析仪，粒径测试范围为0.01～3500μm。取约0.5～1g样品放入50mL烧杯中，加入适量的H2O2浸泡样品，静置24h，使其内的有机质充分分解；再将其放置在电热板上加热，直至H2O2完全挥发；放置至常温后，加入适量浓度为1mol/L的盐酸，静置24h，使其内的碳酸盐完全反应；用1mol/L的NaOH溶液调节pH值至中性，加入0.05mol/L的六偏磷酸钠分散剂，超声震荡10min，使样品充分溶解，然后进行测试。测试3次，重复性不好则重新进行分析，重复性好则出结果，取平均值。

4 分析结果及讨论

沉积物的粒度大小是沉积物最主要的结构特征之一，能够直接反映沉积物及沉积作用的物理性质[17]。为便于粒度参数的分析讨论，该文部分粒度参数采用乌登-温特沃思粒级。乌登-温特沃思粒级φ与直径d之间的转换公式为：

φ=-log2d

式中：d为直径毫米值，粒度直径越小，对应粒级φ值越大；粒度直径越大，对应粒级φ值越小。

该文对频率曲线、概率累积曲线的特征进行了讨论，对大汶口地区临沂组的粒度分布特征和水动力条件进行了分析，并对其沉积韵律进行了讨论，结果如图2、表1所示。

4.1 粒径分布特征

粒度分析结果显示，23件样品粒度范围变化较大，粒径范围在0.01～3500μm之间。因受分析仪器所限，在样品处理时已将粒径>3500μm的颗粒剔除，故实际的样品粒度分布范围更大。

依据样品粒度分布特征，可将临沂组分为2部分：下部(LD-19～LD-23号样)以含砾粗砂、含砾极粗砂为主，直径普遍大于500μm；上部(LD-1～LD-18号样)以含泥粉砂、细砂、粘土为主，直径普遍小于100μm，少量颗粒直径最大可达1000μm。

说明大汶口地区临沂组的沉积物具有下粗上细的特征，同时也指示了其早期水动力较强，晚期水动力较弱。

4.2 频率曲线特征

频率分布曲线分为单峰态和双峰态，其中单峰态表明沉积物成分单一，为相对稳定的环境下沉积形成；双峰态表明沉积物由2种主要成分组成，在沉积过程中有其他作用参加进来，水动力条件较为复杂[9,14，17]。

临沂组下部5件样品中有1件为双峰态，粒径主峰值多集中在1500μm左右，次峰值多在100μm左右；4件为单峰态，粒径峰值范围集中在1000μm左右，频率曲线均呈极正偏态，说明在临沂组早期沉积过程中，其他作用参与较少，水动力条件简单。

临沂组上部18件样品中有14件为双峰态，粒径主峰值多集中在30μm左右，次峰值多在200μm左右；4件为单峰态，粒径峰值范围集中在30μm左右。频率曲线多呈近对称分布，其次为正偏态，1个呈负偏态，说明在临沂组晚期沉积过程中，其他作用参与较为频繁，水动力条件较为复杂。

图2 临沂组钻孔柱状图频率曲线、概率曲线及众数分布特征图

样品号定名平均粒径φ标准偏差偏度峰度频率曲线特征双峰1～10μm10～100μm100～3000μm水动力条件解释累积曲线特征截点位置/φ水动力条件解释总体分析LD1含泥粗粉砂4.12.140.151.54双15.3583.271.38复杂,中能5～7中低能LD2含泥粗粉砂4.281.610.061.78双10.1189.670.22复杂,中能5～7中低能LD3极细砂3.772.340.051.05双13.5485.80.66复杂,中能5～7中低能LD4含泥粗粉砂4.571.610.171.59单13870简单,中能5～7中低能LD5极细砂3.6220.070.98双9.0990.820.09复杂,中能5～7中低能LD6含泥粉砂5.21.830.131.33双24.0175.990复杂,中能5～7中低能LD7含泥粗粉砂4.331.650.141.72双11.2488.760复杂,中能5～7中低能LD8含泥粗粉砂4.771.590.041.54双13.5586.390.06复杂,中能5～7中低能LD9极细砂3.971.970.121.75单12.12870.88简单,中能5～7中低能复杂中低能LD10含泥粗粉砂4.41.640.111.37单11.8988.110简单,中能5～7中低能LD11含泥粗粉砂51.990.081.46双22.0477.960复杂,中能5～7中低能LD12含泥粗粉砂4.331.540.631.24单12.9786.660.37简单,中能5～7中低能简单中低能未采样粘土低能LD13含粉砂泥5.332.480.021.06双36.4763.530复杂,中能一段式LD14含泥粗粉砂4.51.8101.43双14.0485.960复杂,中能5～7中低能未采样粘土低能LD15含泥粗粉砂4.82.040.0031.08双23.476.60复杂,中能5～7中低能未采样粘土低能LD16含泥粗粉砂4.532.790.080.89双27.4372.520.05复杂,中能一段式LD17极细砂3.632.710.050.799双17.3580.861.79复杂,中能一段式LD18细砂2.832.420.250.9双10.987.171.93复杂,中高能一段式复杂中低能|复杂中能LD19含砾极粗砂0.42.190.491.43单2.3653.3844.26简单,高能01高能LD20含砾极粗砂0.752.590.551.09单4.9646.4748.57简单,高能0～1高能LD21含砾极粗砂0.772.460.450.77双3.0654.4642.48复杂,高能1～3高能LD22含砾粗砂2.032.70.570.81单11.1975.1313.68简单,高能1～3高能LD23含砾粗砂0.72.290.491.43单4.3259.9135.77简单,高能1～3高能简单高能

4.3 概率累积曲线特征

概率累积曲线特征显示，有19件二段式，4件一段式。

临沂组下部5件样品均为二段式，样品整体粒径在-2φ～10φ之间，二段式截点位于0～2φ之间。总体看来，跳跃组分分选较好，含量最高可达70%；悬浮组分分选较差，含量最高可达40%。表明沉积物粒度分布广泛，粗粒组分含量多于细粒组分，总体粒度偏粗，以含砾粗砂为主，对应高能水动力条件。

临沂组上部18件样品中有14件为二段式，4件为一段式。样品整体粒径在-1φ～10φ之间，二段式的截点位于5～7φ之间。总体看来，跳跃组分分选程度较好，含量最高可达80%；悬浮组分分选程度较差，含量最高可达30%，表明沉积物粒度分布范围广，细粒组分含量多于粗粒组分，总体粒度偏细，以含泥粗粉砂、粉砂质粘土等为主。结合其内含有指示低能水动力条件下的3层粘土，综合认为临沂组晚期为中低能水动力条件。4件一段式样品粒径分布于-1φ～10φ之间，分选程度较差，反映了洪积的沉积条件。

4.4 众数分布特征

通过上述分析结果可知，临沂组粒度从下至上整体由粗变细，其中下部主要为粗砂质，粒度变化不大；上部主要为泥质和粉砂成分，在二者之间变化较频繁。

临沂组下部众数值变化和分布范围变化不大，众数在1000μm左右变化，属于粗砂质，总体偏粗，对应中高能水动力的沉积环境。

临沂组上部众数值变化和分布范围变化不大，众数在300μm左右变化，属于粉砂质。另外，鉴于未对其进行采样的5.25～5.90m,6.36～6.90m及7.80～8.35m以泥质为主，故临沂组上部以泥质和粉砂为主，总体偏细，指示中低能水动力的沉积环境。

5 讨论

5.1 沉积微相划分

大汶口地区全新世临沂组下部自下至上岩性依次由砂砾石层、含砾粗砂和含砾极粗砂组成，为一套正韵律沉积旋回。概率累积曲线显示，5件样品均为二段式，跳跃组分分选较好，含量多在60%～70%之间，对应高能水动力条件，因此推测牵引流搬运在临沂组下部沉积过程中占绝对优势。结合临沂组下部的沉积特征，认为其沉积相为河床亚相边滩沉积微相。

临沂组上部主要由泥质和粉砂组成，自下而上可以划分出由砂砾石层—含砾粗砂和(细砂—极细砂—)含泥粗粉砂—粘土组成的正韵律沉积旋回。概率累积曲线显示，14件样品为二段式，跳跃组分分选程度较好，含量多在70%～80%之间，结合粘土分布层位综合认为对应中低能水动力条件；其余4件样品为一段式，分选程度较差，反映了洪积的沉积条件。结合临沂组上部的沉积特征，综合认为其沉积相为河漫亚相河漫滩沉积微相。

5.2 粒度特征纵向变化及沉积环境分析

依据大汶口地区临沂组的野外特征及粒度分析的频率曲线、概率累积曲线等特征进行了详细分析，并将其垂向的粒度变化和沉积环境进行了分析。

(1)9.30～10.80m：岩性自下至上依次表现为砂砾石层—含砾粗砂—含砾极粗砂，频率曲线表现为4件单峰态，1件双峰态；概率累积曲线均表现为二段式，总体指示了简单高能的沉积环境。

(2)5.25～9.30m：可以划分为由(细砂—极细砂—)含泥粗粉砂—粘土组成的3个自下而上、粒径由粗到细的正韵律沉积旋回。频率曲线均表现为双峰态，概率累积曲线表现为4件一段式，2件二段式，结合3层粘土的分布层位，总体指示了复杂中能—复杂中低能的沉积环境，并且存在洪水泛滥导致的沉积物。

(3)3.85～5.25m：岩性自下至上依次表现为粉砂质粘土—含泥粗粉砂—极细砂，结合3件单峰态、1件双峰态的频率曲线特征和截点位于5～7φ的二段式概率累积曲线特征，认为该段为简单中低能的沉积环境。

(4)0.60～3.85m：岩性表现为由极细砂和含泥粗粉砂组成的沉积韵律组，结合7件双峰态、2件单峰态的频率曲线特征和截点位于5～7φ的二段式概率累积曲线特征，认为该段为复杂中低能的沉积环境。

5.3 沉积韵律划分

依据QK1钻孔岩心由下至上总体众数分布特征，可以划分出4个明显的沉积韵律和1个不明显的沉积韵律组。其中4个明显的沉积韵律自下而上依次为：①9.30～10.80m均为含砾极粗砂、含砾粗砂，代表了高能水动力条件下的沉积；②7.80～9.30m自下向上粒度依次变细，分别为细砂、极细砂、含泥粗粉砂、含细砂粘土和粘土，代表了一个中等水动力条件下的沉积韵律；③6.36～7.80m自下向上粒度依次变细，分别为含泥粗粉砂、粘土，代表了一个中低水动力条件下的沉积韵律；④5.25～6.36m自下向上粒度依次变细，分别为含泥粗粉砂、含粉砂泥和粘土，代表了一个中低水动力条件下的沉积韵律。1个不明显的沉积韵律为：0～5.25m，粒度均在极细砂与含泥粗粉砂之间变化，应为震荡中低能水动力环境下的若干小的沉积韵律组。

6 结论

结合粒度分析频率曲线、概率累积曲线、粒度参数及沉积物宏观特征，综合认为，大汶口地区临沂组下部为河床亚相边滩沉积微相，上部为河漫亚相河漫滩沉积微相，并且经历了由简单高能→复杂中能-复杂中低能→简单中低能→复杂中低能的沉积环境变化。

依据样品粒度分析的众数分布特征，将大汶口地区临沂组划分为4个明显的沉积韵律和1个不明显的沉积韵律组，其中不明显的沉积韵律组为震荡中低能水动力条件下沉积形成。

致谢：该文得到了《山东省1∶5万大汶口、楼德幅区域地质调查》项目(项目编号：SDZS-2015-GTT01)资助；实验工作得到了中国冶金地质总局山东局测试中心实验室的大力协助；审稿专家对该文的修改和完善提出了许多宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢！。

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