三河地区1#钻孔沉积物粒度分析

马丹贞，刘智荣，沈 军，王昌盛，戴训也

(防灾科技学院地球科学学院，河北 三河 065201)

0 引言

粒度是指碎屑颗粒的大小尺寸，是碎屑颗粒最主要的结构特征。粒度大小一般以颗粒直径计量，由于测量方法不同，颗粒直径的含义也有所不同[1]。粒度分析是研究沉积物中各种颗粒的物理组成、沉积物的粒度大小及各粒级所占的百分含量。沉积物粒度分析是判断沉积物物质来源、沉积区水动力环境和沉积环境的常规分析手段[2]。粒度分析沉积环境作为一种定量分析方法，更准确也更具有说服力。粒度分布特征可以反映沉积介质的流体力学性质和能量，是沉积环境及水动力条件的一个重要物理标志。碎屑物质以机械搬运为主，其搬运和沉积受水动力条件控制，因此粒度大小及分布特征，可以直接反映沉积时的水动力条件，进而确定其沉积环境[1-10]。

近年来一些学者利用沉积物粒度特征来分析研究区沉积环境。刘智荣等通过分析沉积物粒度特征，得出三河地区晚更新世地层沉积环境总体为细颗粒的河流相沉积，包括河流砂坝沉积和泛滥平原沉积[5]。陈亚亚等对夏垫活动断裂沉积物进行粒度分析，认为晚更新世以来夏垫活动断裂处地层经历了较低能的沼泽相沉积、中能的河流相沉积、中高能的河流相沉积、高能的河流相沉积—低能的洪积相沉积、中高能的河流相沉积、低能的沼泽相沉积、中低能的浅湖相沉积、中能的浅湖相沉积8个沉积旋回[6]。白相东等通过粒度分析反映潮白河下游晚更新世晚期-全新世早期沉积环境为泛滥平原沉积，对此区沉积环境的推断有一定的启示[11]。应用粒度特征分析三河地区沉积环境的研究相对匮乏，对其沉积环境的认识还不够系统。因此，本文通过对三河地区1#钻孔进行岩性分析和高密度粒度取样测量分析，探讨晚更新世以来该区沉积水动力条件随时间变化特征。

1 区域背景及钻孔地层

钻孔位于三河燕郊开发区，地貌环境为冲积平原，钻孔坐标为北纬39°57′39.93″，东经116°47′43.72″，高程29m(图1)。1689年在三河—平谷一带发生了一个震中烈度达Ⅺ度(相当8级)的大地震，而第四纪发育起来的北东向新夏垫断裂就是此次 8 级大震的发震断层[12]。由于地震发生强度和首都经济圈位置的特殊性，近年来众多学者利用不同研究手段和方法在夏垫活动断层开展了一系列研究，获得了大量成果和资料[12-14]。本文研究剖面正位于夏垫断裂发育地区，对华北平原三河地区新夏垫断裂下盘地层沉积物粒度特征分析，揭示其沉积古环境，为区域地质，特别是地震地质的研究提供基础资料[13]。

图1 研究区位置及主要地质构造(据文献[3]修改)Fig.1 Location of the study area and main geological structures (modified according to Document 3)

2 样品采集与测试方法

钻孔采样深度为 26.5m，根据岩性将其分为 7 层，自上而下分别为：回填土，厚1m；浅黄褐色粉砂，近水平层理，厚3m；黄灰色-灰色粘土，厚6m；灰色西砂夹薄层状粘土，局部见生物化石，厚4m；灰色粉砂质粘土，厚4.5m；粉砂质粘土，含钙质结核，厚4m；土黄色粘土夹粉砂，含大量铁锈色斑点，厚4.5m。

样品采集从钻孔的9.34m开始，至26.5m，共采集289件粒度样品，平均采样间隔为5.94cm。采样前，先清除岩芯表面淤泥，露出新鲜剖面后采集样品，需要注意每次采集完成后把采样工具擦拭干净以避免交叉感染。

粒度分析在防灾科技学院释光测年实验室完成，分析仪器为Malver Mastersizer 3000激光粒度分析仪，粒径测试范围为0.01～3500μm。粒度前处理过程为：取约0.3～0.5g粒度样品放入烧杯中，然后加入适量的H2O2静置一段时间，去除样品中的有机质，而后加入适量浓度的稀盐酸，静置一段时间使其内碳酸盐完全去除后对样品溶液进行清洗后使溶液呈中性；静置12小时后对样品进行测量，在测量前调整超声的时间和强度，超声震荡的时间一般为1分钟，待样品充分分散后进行测试[10]。仪器自动测试3次，取三次测试结果的平均值。重复性不好的样品需要重新称样前处理后再测试。

3 粒度分析结果

3.1 频率曲线特征

本次共测试289件样品，曲线形态变化频繁，样品频率曲线有三种形态：双峰、左偏单峰、对称单峰。其中有157件样品为左偏单峰，59件样品为单峰对称，73件样品为双峰(表1)。说明沉积物成分复杂，在不同的水动力环境下形成。

粒度特征能够反映沉积环境，频率曲线的峰值区间能够反映沉积环境的水动力条件，即峰值在粗粒区间代表水动力条件高，峰值在细粒区间代表水动力条件低[4]。当频率曲线中呈现双峰形态时，显示该样品沉积物有两个主要粒级。当频率曲线中呈现单峰对称形态时，显示该样品沉积物只有一个主要粒级，且居于中央，粗细两端粒级的百分含量都对应着逐渐减小。当频率曲线中呈现正偏态形态时，显然样品沉积物主要粒级左偏，偏向粗粒，曲线向细粒端延伸时有一个尾部出现[2]。本次测试样品中双峰形态有73件，单峰对称的有59件样品。157件样品频率曲线为正偏态，缺少负偏态。频率曲线呈正偏态多于负偏态，说明研究区在沉积过程中，沉积物以粗粒相为主，水动力条件高。根据样品粒度频率曲线的分布特征，将所有样品按形态分为三类(表1)：单峰对称的频率曲线(图2，a、b、d)粒度中值为4～6Φ，代表了中低能的沉积环境；左偏单峰的频率曲线(图2e)其粒度集中在2～3Φ，相对较粗，细尾代表了中等水能条件下的快速沉积环境；样品形态为双峰的频率曲线(图2c)中值粒径分别为：0 Φ和4～6Φ，说明沉积物中含有细砾，代表了中高水能的环境条件。

表1 样品粒度频率曲线分布统计表

图2 钻孔粒度样品频率分布曲线主要类型Fig.2 Main type of frequency distribution curves of boreholes

3.2 概率累积曲线特征

通过对钻孔中 289 件样品的概率累积曲线进行分析，可以看出其概率累积曲线主要为两段式(图3)。

样品整体粒径在1～8Φ，沉积物主要由跳跃组分和悬浮组分组成。根据截点位置不同可分为二类。截点位置在 2～4Φ为水动力条件相对较高的能量状态，在 4～6Φ的属于水动力条件相对低能状态，各自的特征如表1所示。

第一种：跳跃组分和悬浮组分截点在 2～4Φ左右的两段式(如图 3a，3b，3d)，该曲线类型的沉积物由两个组分组成。整体粒径在0 至 8Φ之间，沉积物粒度分布范围广，总体来说细粒成分含量大于粗粒成分，以粉砂为主。

第二种：跳跃组分和悬浮组分截点在 4～6Φ左右的两段式(图3c)，其粒度分布范围在0～8Φ，其相对粗粒成分含量多于细粒成分，且跳跃组分分选较好，总体反映水体能量较高的沉积条件。综合岩性描述，该类型沉积物主要以细砂、粉砂质粘土为主。

3.3 粒度参数特征

在粒度分析应用研究中，平均粒径(Mz)、标准差(σ)、偏度(SK)和峰态(KG)4个粒度参数经常用来进行粒度分析。每一个粒度参数均从不同的角度定量表示沉积物的粒度特征[2]。

福克和沃德的公式为：

(1)

(2)

(3)

福克和沃德将σ值划分为7 个分选等级(表2)，并将偏度划分为5个等级(表3)，定出了峰态等级的数据界线(表4)。

图3 钻孔概率累计曲线主要类型Fig.3 Main type of probability accumulation curves of boreholes

SK-1.00～0.30-0.30～0.10-0.10～0.100.10～0.300.30～1.00偏度极负偏负偏近对称正偏极正偏

表3 粒度偏度等级表(福克和沃德，1957)

表4 粒度峰态等级表(福克和沃德，1957)

根据福克和沃德的粒度参数划分等级，结合研究区的粒度参数特征，可以进一步判别研究区沉积环境演化。频率曲线可以清楚地表明粒度分布特点、分选好坏、粒度分布的偏度及尖度等[15]，粒度参数的变化情况可以在频率分布曲线中得到验证。本次测试的样品标准差σ分布在1～5，表明研究区沉积物分选较差，还有一些样品分选极差。偏度(SK)分布范围在-1～1，大多样品偏度集中在-0.1～0.5，说明沉积物粒度频率曲线有两种形态：正偏、近对称，与本实验所得频率曲线形态一致。峰态(KG)用来判断曲线的钝圆或尖锐程度，并反映粒度分布的集中、分散状况[16]。测试样品峰态集中在1～2，说明粒度分布曲线中粒度相对集中，这与本实验所得频率曲线一致。根据粒度参数垂向变化特征，钻孔岩芯自上而下可以分为5个明显的沉积韵律(图4)，自上而下依次为：

Q3-a段：9.34～10.5m，即样品从M001到M024。粒度总体偏细，平均粒径在3.5～6φ;沉积物分选较差，标准差在1.5～3.2；偏度在-0.1～0.1，偏度以近对称为主，说明沉积物较细；峰态在1～2.2，峰态窄，显示此段样品粒度分布曲线粒径分布集中，有一个主要粒级，频率曲线形态为单峰对称。沉积物均为黄灰色-灰色粘土，代表了低能水动力条件下的沉积韵律。

Q3-b段：10.5～14.5m，即样品从M025到M072。粒度总体偏细，平均粒径在3～7φ；沉积物分选较差，标准差在1.5～3.5；偏度在-0.1～0.6，说明频率曲线对称和正偏形态都有分布；峰态在0.9～2，说明峰态由中等-窄，频率曲线形态有双峰对称、正偏。属灰色细砂夹薄层状粘土，代表了中等水动力条件下的沉积韵律。

Q3-c段：14.5～22m，即样品从M073到M208。粒度总体偏粗，平均粒径在2～7φ；沉积物分选差，标准差在1.4～3.7；偏度在0～0.6，频率曲线形态多样，两种形态都有；峰态在0.8～2.8，峰态有中等、窄、很窄，频率曲线分布集中在不同粒级，频率曲线形态有双峰对称、单峰对称，正偏。沉积物均为灰色粉砂质粘土，代表了中高水动力条件下的沉积韵律。

Q3-d段：22～22.3m，即样品从M209到M283。粒度总体偏粗，平均粒径在3～-6.5φ；沉积物分选差，标准差在1.4～4；偏度在0.3～0.5，频率曲线形态为极正偏，样品粒度较粗；峰态在1～1.8，峰态为窄，反映此段样品粒度分布曲线中粒度分布有一个主要粒级，频率曲线形态为正偏。属土黄色粘土夹粉砂，代表了复杂高能水动力条件下的沉积韵律。

Q3-e段：26.3～26.5m，即样品从M284到M289。粒度总体偏粗，平均粒径在4～6φ；沉积物分选差，标准差在2～2.5；偏度在0.1～0.8，频率曲线正偏、极正偏，反映沉积物粒度比较粗；峰态在1.1～1.5，峰态由窄-很窄，反映此段样品粒度分布曲线中粒度分布有一个主要粒级，频率曲线形态以正偏为主。 此段代表了复杂高能水动力条件下的沉积韵律。

图4 粒度参数垂向变化曲线Fig.4 Vertical variation curves of particle size parameters

从以上分析可以看出，研究区1#钻孔有5个明显的沉积韵律。反映该区经历了较低等水能→中等能→中高→较高等水能的沉积环境变化。

3.4 粒度特征垂向演化及沉积环境分析

基于粒度分析结果作出的频率曲线、概率累积曲线及粒度参数垂向变化，将钻孔分为以下5个层段：

Q3-a：粒径总体偏细，变化幅度小，分选性较差，粗细分布不均匀，细粒多，主要为粘土沉积，水动能条件低等且较为稳定。

Q3-b：粒径大小中等，变化幅度略大，分选性较差，粗细分布较不均匀，主要岩性为细砂及薄层状粘土，反映水动能条件中等且较为稳定。

Q3-c：该段由3个从粗→细粒度变化旋回组成，总体粒径较上两层段偏粗且变化幅度大，粗粒成分含量明显增多，分选性略差，对称-正偏分布，主要岩性为粘土质粉砂，沉积物粒径总体较粗，反映水动能条件为中高能且有明显变化。

Q3-d：沉积物分选性差，主要岩性有粉砂、粉砂质粘土等，粒径总体较细，与其它层段相比水动力条件为低能状态。

Q3-e 层段：由两个由粗→细的沉积旋回组成，粒度变化幅度大，主要岩性有粘土、粉砂，体现了中等沉积水动力条件且不稳定。

4 结论

通过对三河1#钻孔进行岩石学分析和粒度分析，探讨三河地区晚更新世以来沉积环境水动力条件的变化。得到如下结论：

(1)三河地区晚更新世以来的地层以粘土、粉砂为主，含有少量细砂，由上到下为粘土含细粒—粉砂质黏土—粉砂含粘土，总体上是由细到粗的沉积特征。

(2)本次实验测试的289件样品的频率曲线形态中，157件样品为左偏单峰，59件样品为单峰对称，73件样品为双峰。三种形态的变化反映研究区经历了从低能到中能再到高能的沉积演化。

(3)概率累积曲线主要为两段式。按照跳跃组分和悬浮组分截点位置的不同，又将概率累积曲线分为2种，一种代表水体能量较弱，截点位置为2-4Φ，以细粒组分为主，另一种代表水体能量较强，截点位置在4-6Φ，粗粒组分相对增多。根据概率累积曲线的变化总结出沉积环境经历了从低能到中能再到高能的变化，研究区河流沉积物遭受后期流水改造作用强烈。

(4)根据粒度和岩石学特征，将钻孔地层划分出为5个明显的沉积韵律，表明研究区经历了频繁的周期性变化。

(5)综合钻孔粒度参数计算、粒度分析频率曲线、概率累积曲线及沉积物宏观特征，认为钻孔地层沉积环境总体为河流相沉积，并且经历了由较低等水能→中等能→中高→较高等水能的沉积环境变化。