粤北丹霞盆地丹霞组砾岩特征及物源分析

2020-03-13刘国盛陈留勤李馨敏李鹏程李文灏

江西科学 2020年1期

刘国盛，陈留勤，李馨敏，李鹏程，李文灏

(东华理工大学地球科学学院，330013，南昌)

0 引言

中国南方白垩纪陆相断陷盆地以红色碎屑岩充填为特征，普遍发育砾岩地[1－2]。其中，盆地边缘冲积扇成因的厚层砾岩是形成丹霞地貌的重要岩石基础[3－5]。丹霞山位于广东省韶关市丹霞盆地的北部，在2004年被评为世界地质公园，2010年8月与赤水、泰宁、龙虎山、崀山、江郎山一起以“中国丹霞”列入世界自然遗产名录。丹霞山是丹霞地貌的命名地[6]在地貌形态描述和成因分析方面研究程度较高[7－10]，在植物学和生态学方面也取得了创新性成果[11－12]。对于丹霞盆地白垩纪沉积岩，前人在红层时代[13－14]、地层划分[15]、古生物[16]及沉积环境[17]等方面已经取得了一些进展。在丹霞盆地范围内，“赤壁陡崖”特点突出的丹霞地貌主要发育在丹霞组中[7]。丹霞组的巴寨段和白寨顶段以砾岩为主，而锦石岩段以发育大型交错层理的风成砂岩类古土壤为特色[17]。

砾石统计与分析可以为认识砾岩地层的沉积作用过程和物源条件提供重要证据。通过在野外露头观测砾石粒径、岩性、磨圆度以及砾石的排列规律和扁平砾石的产状等，可以为盆地的构造演化及物源分析提供重要的线索与依据[18]。因而，本文以丹霞盆地丹霞组巴寨段砾石地层为研究对象，选择14个砾岩露头，进行砾石成分、粒径、磨圆度以及风化程度等进行测量和统计分析，用于反映砾石的搬运过程、沉积及来源。本研究可以提高丹霞盆地丹霞组沉积作用及物源条件的认识，也可为丹霞山“科学名山”建设提供新的地学科普。

1 区域地质

丹霞盆地发育在石炭纪沉积基底岩系之上，构成一个轴向北东、倾向北西的平缓开阔型复式向斜构造[19]。丹霞地貌主要受韶关－仁化断层带影响，为区域性的大断层[19]。区内主要发育断裂有11条，单条断裂长6～20 km，破碎带一般宽20～50 m，多为压扭性断层，共同控制了丹霞地貌的发育。其中，韶关－仁化断裂规模最大，形成了宽几十米至百米的挤压破碎带[20]。丹霞地貌由内力和外力长期相互作用而形成[21－23]。构造抬升是丹霞地貌演化的内动力，而流水、风化和重力是外部动力条件[24]。

图1 广东省韶关市丹霞盆地地质图

丹霞组(K2d)是丹霞山世界地质公园丹霞地貌形成的主要岩石组合，整合上覆于长坝组(K2c)之上，主要出露于盆地中部，盆地中较高的山峰均由丹霞组岩石构成，诸如锦江之东的长老峰、僧帽峰(人面石)、九菜寨、金龟岩、白寨顶、朝石顶、金龙山、葫芦寨、五马归槽以及锦江之西的燕岩、穿岩、巴寨、观音山、高山、风火岭等。丹霞组总厚度约1 000 m，按岩性可划分为3段(图2)[15]。其中，下段称巴寨段，为褐红色砾岩、砂岩，局部夹紫红色薄层粉砂质泥岩，见介形虫、轮藻化石，厚度变化较大，一般300～500 m，但穿岩剖面仅厚77 m，白寨顶剖面达800 m;中段称锦石岩段，为棕红、褐红色具大型板状交错层理的长石砂岩，夹少量粉砂质泥岩、细砾岩或含砾砂岩，露头常为悬崖峭壁，厚92～300m;上段称白寨顶段，为暗棕红色砾岩、中－粗砂岩夹粉－细砂岩，顶部被剥蚀，残留厚度一般为40～60m，最厚可达200m[9]。

图2 长老峰剖面丹霞组岩性组成及砾岩露头照片

2 砾石统计方法

本次研究主要针对丹霞组巴寨段的14个砾岩露头进行砾石统计。砾岩统计和分析、计算过程与前人相似[25－26]。在具体的一个砾岩露头，一般选择1m×1m范围，沿着4～5条基线随机选取200个以上砾石进行观测，观察和测量砾石的岩性组成、粒径(包括a、b、c3个轴的大小)、磨圆程度、风化程度等数据。砾石扁度(F=(a+b)/2c)和球度。砾石的磨圆程度和风化程度需要观测后再进行分级次赋值。砾石的风化程度与磨圆度划分有所不同，砾石的风化程度是根据砾石风化特征用肉眼进行判断赋值。经过对砾石特征评判后，可将砾石的风化程度划分为4个等级(1未风化，2弱风化，3强风化，4全风化)，砾石的磨圆程度可以分为5个等级(棱角状(0.00～0.15)、次棱角状(0.15～0.25)、次圆状(0.25～0.40)、圆状(0.40～0.60)、极圆状(0.60～1.00))。在野外找到由扁平砾石构成的叠瓦状构造，用罗盘测量其产状。

在数据处理中，需要记录砾石的平均粒度(Mz=)、标准偏差偏度(SK1=)和峰度(KG=)等。

根据在各个砾石统计点得到的砾石粒径，通过测量所得的数值经过计算后求得砾石各个轴平均粒径，砾石各轴的平均粒径集中度和分布趋势在一定程度上反映了物源的相关信息(即物源区粒度分布)[17]，进而得到等体积平均粒径=用同样的方法可求得中值粒径，其中da50、db50、dc50分别为砾石的a轴(长轴)、b轴(中轴)和c轴(短轴)的中值粒径[17]，可在累积曲线上得到(图3)。标准偏差(σ1)是表示沉积物的分选程度，其参数大小反映砾石颗粒均匀程度的高低。

图3 丹霞组砾石沉积特征照片

3 砾石统计结果

3.1 砾石岩性组成

研究区丹霞组14个砾石观测点的统计结果见表1。从表1可见，丹霞组的砾石成分以石英砂岩和脉石英为主，平均含量分别为37.71%和31.65%;砖红色砂岩和灰岩也占较高的比例，平均含量分别为13.36%和11.89%。另外，含有较少量的燧石和花岗岩砾石，其平均含量均不超过3%。

表1 丹霞组砾岩地层砾石成分统计表

3.2 粒度分析

14个砾石统计点粒度特征数据见表2。通过分析后可以看出，14个统计点的砾石平均粒径珔d大于中值粒径，其数值差在0.1～0.45 cm之间，并且差值的范围较小(＜1 cm)。这说明，粒径较小的砾石百分含量大于粒径较大的砾石百分含量，其砾石含量的众数(峰值)靠近于粒径较小的砾石。从砾石a轴(长轴)粒径累积频率曲线图(图4)可以发现，各个砾石统计点的砾石a轴(长轴)粒径曲线具有比较明显的特征，砾石粒径范围分布在0.2～16 cm之间，粒径大小分布较广;其次，曲线呈现出增长先缓后急再变缓的过程，其频数曲线基本服从正态分布特征，峰值分布范围较宽且靠前;粒径较大的砾石含量较少，且砾石的分布比较分散。这些特征指示，丹霞组地层中砾石没有经过长距离的搬运。

表2 丹霞组砾石粒度特征统计表

经过测量数据绘制曲线图(图4)，在绘制的砾岩粒径累积频率曲线图上找到特定累积含量百分数数值所处的对应颗粒粒径，然后用上述的数学公式计算出准确的粒度参数。计算粒度参数时，采用的数学公式是特拉斯克或福克公式[27]。

结果显示，丹霞组各统计点砾石的标准偏差(σ1)为0.40～1.76，绝大多数落入1.00～2.00的范围，说明砾石分选性差，指示其为河流相和冲积扇相成因;偏度(SK1)为0.18～0.66，属于正偏度到极正偏度，指示砾石为稳定流水和冲积成因;峰态(KG)大部分数值在1～1.73，范围较大，只有一个砾石统计点DXSLS－13出现偏差，误差范围内其峰态(KG)同样指示稳定流水和冲积成因。

3.3 砾态分析

通过对丹霞组14个砾石统计点中风化程度分析发现，砾石的风化程度具有很明显特点(表3)。由于砾石种类不同，其抗风化能力有所差距，表现在不同岩性砾石的风化程度不同，石英颗粒和燧石的风化程度都为1级，属于未风化;大部分石英砂岩和砖红色砂岩颗粒的风化程度为2级，属于弱风化，少量砂岩风化程度为3级，为强风化;灰岩、花岗岩、变质岩砾石等风化程度为3级，为强风化。还有一小部分花岗岩砾石风化程度可达4级，属于全风化。砾石扁度(F)分布在1.45～5.93之间，较为集中;球度(ψ)分布在0.42～0.76之间，磨圆度(P)为20.25%～28.00%，砾石扁度和球度之比值(F/ψ)的范围为1.92～13.96。结合以上数据推测，石英砂岩和砖红色砂岩搬运距离较近，风化程度较低;而花岗岩和灰岩则搬运距离中等，风化程度较高。

图4 丹霞组砾岩粒径累积频率曲线图

表3 丹霞组砾石砾态特征

砾石统计数据显示，丹霞组地层中砾石的磨圆度大部分处于0.15%～0.25%的次棱角状，只有少部分地层中的砾石为次圆状，如DXSLS－13为25.16%，DXSLS－22为28.00%。在统计过程中，也常见到外形不规则的砾石。

4 物源分析

在不同地区的砾石统计点上，统计得到砾石的岩性及其含量有所不同。在部分统计点上，脉石英砾石含量占比很高，如FYXLS－01(54%)、KLYLS－01(51%)、CTSLS－01(45.5%)、HLYLS－01(43.5%)、DXSLS－02(31%);而在另一些砾石统计点处，石英砂岩砾石的含量则较高，如DXSLS－28(65.5%)、TTXLS－01(52%)、DXSLS－13(50%)、DXSLS－24(47.5%)、DXSLS－22(44.5%)、BMYLS01(37%)、DXSLS－10(40%)、DXSLS－03(35.5%)、DXSLS－01(29.5%)。总体上，所有统计点的砾石成分都主要是脉石英或石英砂岩，只是两者的相对含量占比存在差异。

有些统计上，灰岩砾石含量占比较高，如DXSLS－01(29%)、CTSLS－01(20.5%)、DXSLS－02(20%)、BMYLS01(20%)、KLYLS－01(17.5%)、DXSLS－24(16.5%)、DXSLS－03(16%)、DXSLS－22(14%)。而在有些统计点，灰岩砾石含量占比却相对较低，甚至缺失。如DXSLS－28(9%)、DXSLS－10(3.5%)、TTXLS－01(0.5%)、DXSLS－13(0%)、HLYLS－01(0%)、FYXLS－01(0%)。通过在测量点所处的区域分析发现，灰岩砾石含量占比较高的统计点大多处在西北部地区，而灰岩历史含量占比较少的测量点则分布在南部。因而推断，灰岩主要是来自西北地区仁化县氮肥厂的船山组和黄龙组灰岩地层，这些砾石受暴雨引发的洪水搬运到盆地发生沉积。因其抗风化能力较低，在流水冲刷作用下易被侵蚀破坏，在灰岩砾石含量占比较高的测量点所在地区，呈现出由北到南含量占比逐渐降低的趋势。这也说明，古流水的方向以及灰岩颗粒的来源是一致的。

花岗岩砾石在含量占比上与灰岩相似，也存在部分测量点含量占比较高，如TTXLS－01(9%)、FYXLS－01(6%)、DXSLS－02(4%)、HLYLS－01(3.5%)、DXSLS－03(2.5%)、DXSLS－10(0.5%);而有些测量点却没有发现花岗岩，如DXSLS－01、DXSLS－13、DXSLS－22、DXSLS－24、DXSLS－28、CTSLS－01、KLYLS－01、BMYLS－01。通过对数据进行分析发现，花岗岩砾石含量占比较高的测量点主要分布在研究区的东北方向，而在研究区的南部和西部花岗岩砾石的含量占比则相对较少。

伞洞组(K1s)零星出露于仁化县城附近、韶关市北的黄岗山以东及盆地西北侧的西牛潭水库至伞洞一带，由火山岩和火山碎屑岩组成，厚60～300 m[15]。伞洞组砾石在流水搬运作用中被带到盆地，从盆地东北方搬运到盆地中。距离伞洞组分布在区域越远的测量点花岗岩的含量越少。这也证明了古流水方向是由北到南的，同时也解释了花岗岩砾石在丹霞组的分布特征和其存在的意义。

砖红色砂岩砾石在统计点上的分布也存在着差异，只是差异相对较小，其空间分布的规律性较差。砖红色砂岩砾石普遍分布在丹霞组地层的各个区域，也是丹霞组砾岩段中含量占比相对较多的主要砾石种类。测量点上砖红色砂岩砾石含量占比由高到低的顺序为DXSLS－10(31.5%)、DXSLS－13(26.5%)、DXSLS－01(25.5%)、DXSLS－02(23.5%)、DXSLS－03(15.5%)、DXSLS－24(15.5%)、BMYLS－01(10.5%)、DXSLS－22(8.5%)、DXSLS－28(7%)、CTSLS－01(7%)、FYXLS－01(7%)、HLYLS－01(4%)、TTXLS－01(3%)、KLYLS－01(2%)。

在野外共测了5个砾石叠瓦状构造，根据其绘制古水流向玫瑰花图(图5)。从图5可以看到，不同地区的古水流向存在差异，但大致方向主要是西北、东北方向。因此，古水流的流动方向大致是由北向南的，在不同地区水流方向有所不同。

图5 丹霞组砾石岩性组成饼图及古水流玫瑰花图

丹霞组砾岩地层砾石沉积物是经过了距离较短的搬运后在盆地内沉积形成的。其砾石分选性较差，以次棱角状和次圆状为主，这些都说明丹霞组沉积物的搬运距离较短。通过对比研究区BMYLS－01和KLYLS－01两处的砾石统计结果发现，BMYLS－01的砾石粒径相对较大，而KLYLS－01的砾石粒径要小很多。不论是从最大粒径或者是平均粒径上，二者都存在较大的差距。因此，推断丹霞组巴寨段砾岩地层主要是干旱－半干旱古气候条件下河流主导的冲积扇沉积体系的扇根和扇中亚相沉积产物。