鄂西恩施白垩纪盆地跑马岗组砂砾岩粒度分析

吴 龙, 宗 维, 杜小峰, 李 朋

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

沉积物的粒度主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素控制。因此,通过对沉积物粒度分布研究可以了解沉积物所处的沉积环境[1-2],所以粒度分析资料被广泛地用来研究沉积岩的成因,本文通过对跑马岗组典型砂砾岩进行粒度分析,结合砂砾岩粒度特征参数、粒度概率累计曲线、结构参数散点图解等方法,分析跑马岗组沉积环境。

1 地质背景

恩施盆地位于鄂西地区恩施城—芭蕉一带,总体呈近北北东向不规则矩形展布,南北长约20～25 km,东西宽5～7 km,面积100～150 km2,是由恩施断裂控制并于晚白垩世—新近纪时期形成的山间断陷盆地。大地构造属扬子(华南)板块中部[3],西与四川盆地毗邻,北靠秦岭—大别造山带,东接江南—雪峰滑脱推覆隆起带,其形成与演化直接受控于恩施断裂燕山晚期以来的多期活动。盆地西缘边界为恩施断裂带[4],东缘与下伏地层多呈角度不整合接触关系,仅局部为断层接触关系(图1)。盆地内褶皱变形构造不发育,断层相对较发育。受喜马拉雅运动的影响,部分地区形成北西(西)向、北东向、近南北向小断层,十分宽缓的小型褶曲仅局部出现,宏观上表现为两翼相对宽缓的向斜构造。

图1 恩施盆地地质简图Fig.1 Geological sketch of Enshi Basin1.第四纪地层;2.跑马岗组二段;3.跑马岗组一段;4.三叠纪地层;5.二叠纪—泥盆纪地层;6.志留纪地层;7.奥陶纪—寒武纪地层;8.断层;9.地名;10.道路;11.砾岩采样点;12.砂岩采样点。

跑马岗组根据粒度及岩性组合特征,自下而上可划分为两个岩性段[5]。

跑马岗组一段厚度在183.7～199.1 m之间。主要发育一套砾岩层,上部为含砾细砂岩。砾岩主体成分与所在位置的下伏地层一致,表明总体的物源为近源沉积。砾岩层底部杂乱堆积,砾石砾径变化大,棱角明显,无磨圆,向上砾度逐渐具有一定的分选与磨圆,见前积体堆积样式,上部则为砂砾互层或砂夹砾岩的组合,表明间歇性洪泛的特征(图2),本文在跑马岗组一段采集7处砾岩样品,主要位于盆地两缘。

跑马岗组二段厚度>448 m,主要以砖红色厚层—块状含钙质结核粉—细砂岩、钙质泥岩的叠置为特征。粉—细砂岩中发育大型板状斜层理、槽状交错层理、平行层理,重力滑塌构造;向上总体上泥质成分增多,粉—细砂岩成分减少(图2),在跑马岗组二段采集19件砂岩样品,样品均匀分布于盆地中部。

图2 跑马岗组地层野外照片Fig.2 Photographs of Paomagang Formation strata

2 跑马岗组一段砾岩粒度分析

砾石主要产自跑马岗组一段,主要发育在恩施盆地东部及西部边缘地带,砾石分选差—中,磨圆差,棱角分明。针对跑马岗组一段发育的砾岩,对研究区7处砾岩(位置见图1)进行直接测量法,对>2 mm的砾石直接用尺子进行测量,每颗砾石分别测量长轴(A)与短轴(B),用两轴的平均值(A+B)/2代表砾石的粒径。根据测量的粒径进行分析,砾石粒径范围多集中在0.5～32 cm之间,岩石总体结构成熟度和成分成熟度均较低。

通过野外直接观察记录,7处砾岩样品共测试了695个砾石粒度,经统计分析,可以得到样品频率直方图。主要以单峰式、双峰式为主,双峰式主峰位于较细的部分,主粒径不明显,偏度极正偏,代表由冲积扇扇根的泥石流沉积;单峰式多代表冲积扇扇中的辫状河道沉积[6]。从参数统计图(图3)分析,样品Φ值在-4～1之间,多集中在-3～0之间,以牵引总体A为主,少见跳跃总体B,未见悬浮质,呈两段式,与河流类似,但整体粒度偏粗。牵引总体与跳跃总体间断点FT出现在-1.4～-0.4(Φ值)之间。牵引总体含量高,达到90%以上,斜率较大,分选差;跳跃总体含量少,具有一定的分选性,在岩石地层中表现为发育前积楔状体,为冲积扇扇根的泥石流沉积产物;向上具粒度逐渐变细、分选磨圆变好等特征,显示搬运距离变大,为冲积扇扇中的辫状河道沉积产物。

3 跑马岗组二段砂岩粒度分析

3.1 粒度参数特征

本次研究针对跑马岗组二段砂岩进行采样工作,共采样19件,采样位置主要分布在恩施盆地中部及其周缘(位置见图1),19件砂岩样品共测试了5 879个颗粒的粒度,平均每个样品测量颗粒数目309粒,达到统计需要的测试要求(表1)。

所有样品未见砾级(Φ≤-1)、巨砂(-1<Φ≤0)、粗砂(0<Φ≤1)、细粉砂(5<Φ≤8)组分,所有样品中基本都含有中砂(1<Φ≤2)、细砂(2<Φ≤3)、极细砂(3<Φ≤4)、粘土(Φ>8),只有8件样品含有粗粉砂(4<Φ≤5)。分析结果显示,细砂出现比例最高(2<Φ≤3),占测试样品总数的53.11%,其次为中砂(1<Φ≤2)、极细砂(3<Φ≤4)、粘土(Φ>8)及粗粉砂(4<Φ≤5),所占测试样品总数比例分别为31.82%、7.57%、7.37%、0.08%。样品粒度分布较为集中,未见某件样品3项粒度含量均>16%的现象,以上特征显示跑马岗组二段砂岩显示出较好的分选性,样品中未发现浊流沉积现象。

3.2 粒度概率累积曲线

根据跑马岗组二段砂岩粒度分布参数统计图(图4)可以看出,频率曲线显示较好的正态分布特征,频率直方图多呈单峰式,双峰式较少,标准偏差(σ)在1.11～1.68之间,偏度(SK)为0.22～0.59,低于河流相沉积[7]。正态概率累积曲线主要为二段式和三段式两种。二段式(LD-2、3、4、11、12、13、14、15、16)由跳跃组分和悬浮组分组成,与河流沉积相相类似,样品Φ值在1～4之间,多集中在1.4～2.8之间,以中砂—细砂为主,以跳跃组分为主,少见悬浮组分,主要为三角洲平原分流河道亚沉积环境形成。三段式(LD-1、5、6、7、8、9、10、17、18、19)是在两段式基础上增加了滚动组分,样品Φ值在1.2～4.4之间,多集中在1.8～3.2之间,以细砂为主,主要出现在三角洲前缘河口坝亚相。

图3 跑马岗组一段砾岩粒度分布参数统计图Fig.3 Statistical chart of particle size distribution parameters of conglomerate in the first member of the Paomagang Formation

表1 跑马岗组二段砂岩粒度分析统计表(单位:%)Table 1 Statistical table of grain size analysis of sandstone in the second member of the Pangmagang Formation

岩石名称样品数量测量点数砾石Φ≤-1巨砂-1<Φ≤0粗砂0<Φ≤1中砂1<Φ≤2细砂2<Φ≤3极细砂3<Φ≤4粗粉砂4<Φ≤5细粉砂5<Φ≤8粘土>8中砂岩132000068.9822.310.71008细砂中砂岩131000048.7542.021.23008细砂质中砂岩430700059.8532.460.69007中砂细砂岩130500029.8247.6915.440.0507中砂质细砂岩330500032.6658.532.143007细砂岩631100012.6972.498.60.0506.17细砂质极细砂岩1310000038.5752.321.1208含细粉砂和粘土中砂细砂岩132000031.6746.436.910015含细粉砂和粘土细砂岩130500011.7771.756.48008平均值30900031.8253.117.570.0807.37

图4 跑马岗组二段砂岩粒度分布参数统计图Fig.4 Statistical chart of grain size distribution parameters of sandstone in the second member of the Paomagang Formation

3.3 结构参数离散点图解

根据弗里德曼(1967)的离散图,利用粒度参数偏度(SK)和标准偏差(σ)的对应值对跑马岗组二段19件砂岩进行投点分析(图5),结果表明绝大多数点都落在三角洲前缘与平原区,只有LD-11落在洪泛平原及部分三角洲平原区。结合跑马岗组二段砂岩中板状交错层理、板状斜层理、波状层理、平行层理及基本序列可以判断,跑马岗组二段砂岩主体沉积于三角洲平原—前缘沉积环境。

图5 跑马岗组二段砂岩偏度(SK)与标准偏差(σ)离散图Fig.5 Discrete diagram of standard deviation (σ) for sandstone skewness (SK) of the second member of the Paomangang Formation

4 结论

前人通过岩性组合和层序地层对恩施白垩纪盆地跑马岗组砂砾岩的沉积环境进行判定,得出恩施盆地总体为三角洲前缘—平原沉积特征。本文通过对该组砂砾岩粒度研究来判定水动力条件,从另一个角度分析判别当时的沉积环境,得出如下结论:

(1) 粒度特征方面。跑马岗组一段,样品Φ值在-4～1之间,多集中在-3～0之间,牵引总体与跳跃总体间断点FT出现在-1.4～-0.4(Φ值)之间,牵引总体含量高,达到90%以上。跑马岗组二段,样品频率直方图多呈单峰式,标准偏差(σ)在1.11～1.68之间,偏度(SK)为0.22～0.59,正态概率累积曲线主要为二段式和三段式两种。二段式(LD-2、3、4、11、12、13、14、15、16)由跳跃组分和悬浮组分组成,样品Φ值在1～4之间,多集中在1.4～2.8之间;三段式(LD-1、5、6、7、8、9、10、17、18、19)是在两段式基础上增加了滚动组分,样品Φ值在1.2～4.4之间,多集中在1.8～3.2之间。

(2) 沉积环境方面。跑马岗组一段下部为冲积扇扇根的泥石流沉积产物,上部为冲积扇扇中的辫状河道沉积产物。跑马岗组二段主要为三角洲平原分流河道亚相和三角洲前缘河口坝亚相,总体为一由冲积扇连续过渡到三角洲的沉积相模式。