新疆柯坪地区志留系—泥盆系砂岩粒度分布特征及沉积环境

阎琨， 马伟， 柳晓丹， 李娜

(中国人民武装警察部队黄金第七支队，烟台 264000)

0 引言

碎屑岩的粒度分布特征可以很好地反映沉积环境和水动力条件[1-2]，特别是利用沉积物相关的粒度参数，如分选度、偏度、峰度等，可大致判断沉积物的沉积环境。不同沉积环境形成的砂岩具有不同的粒度曲线，可以反映不同的沉积物搬运介质类型和水动力条件。目前粒度分析已经成为一种分析沉积环境的常用手段，众多学者据此也取得了较多的成果[3-7]。

新疆柯坪地区古生代地层出露较好，其志留纪—泥盆纪沉积环境的研究引起了众多学者的兴趣，取得了一定的成果[8-14]。张翔等[8-9]利用钻孔岩心、地震测井资料，编制了塔里木盆地志留纪—泥盆纪岩相古地理图； 邢凤存等[10]通过对柯坪塔格组野外露头的观察，识别出了三角洲沉积体系。总的来说，前人研究取得了丰硕的成果，但是对沉积环境的认识还存在分歧，如柯坪塔格组是滨岸-陆棚沉积为主[11-12]还是三角洲为主[10，13-14]，塔塔埃尔塔格组主要为潮坪沉积[8，12，15]还是三角洲沉积[10]，克孜尔塔格组为滨岸相沉积[9]还是潮坪沉积[12]。

针对上述分歧，笔者采用碎屑岩粒度分析的方法，结合地层岩性组合、沉积构造等特征，对柯坪地区志留纪—泥盆纪沉积环境进行讨论，为其沉积演化提供一定的资料，并建立柯坪地区古生代碎屑岩粒度概率累积曲线模型，与众多学者进行探讨。

1 研究区地质概况

研究区位于塔里木板块西北缘，构造区划属于柯坪晚古生代前陆盆地(图1)，北以南天山南缘断裂与阔克塔勒晚古生代陆缘盆地为界，南以柯坪塔格断裂与塔里木地块为界[16-17]。主要出露地层为寒武系—奥陶系浅灰色厚层灰岩、白云岩，志留系—泥盆系紫红色、灰绿色砂岩、粉砂岩，石炭系—二叠系灰色薄—中层灰岩、细砂岩及第四系松散堆积物等。

1.寒武系—奥陶系; 2.志留系—泥盆系; 3.石炭系—二叠系; 4.第四系; 5.超基性岩; 6.玄武岩; 7.花岗岩; 8.边界断裂; 9.断裂; 10.剖面位置

柯坪地区的志留系—泥盆系可分为下志留统柯坪塔格组(S1k)、中顶志留统塔塔埃尔塔格组(S2-4t)、下中泥盆统衣木干他乌组(D1-2y)和上泥盆统克孜尔塔格组(D3k)(图2)。

柯坪塔格组主要岩性为灰绿色薄层岩屑砂岩、粉砂质泥岩，岩屑含量多为30%～40%，岩屑成分主要为泥质岩类，呈次棱角状； 石英含量40%左右，呈棱角状—次棱角状。其中，一段(S1k1)底部为底砾岩，上部为灰绿色厚—中层细粒岩屑砂岩、粉砂岩，向上粒度变细，顶部变为粉砂岩、泥岩，多发育舌状波痕和不对称流水波痕(图3(a))； 二段(S1k2)下部为中厚层细粒—中粒岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，槽状交错层理、软沉积变形发育(图3(b))，上部为深灰色、烟草绿色泥岩及粉砂岩、粉砂质泥岩，含笔石、腕足、三叶虫化石； 三段(S1k3)下部为灰绿色薄层细粒岩屑砂岩与暗紫红色薄—中层细砂岩互层，波痕、交错层理发育(图3(c)、(d))。

塔塔埃尔塔格组(S2-4t)其底部为酱红色、紫红色细粒石英砂岩、长石石英砂岩以及紫红色粉砂岩、泥岩，发育板状交错层理(图3(e))，向上为紫红色粉砂岩、泥岩，顶部可见灰绿色细粒石英砂岩、粉砂岩与紫红色细粒石英砂岩、粉砂岩互层。石英砂岩中石英含量多为80%～90%，呈次棱角状，部分砂岩中长石含量达5%～10%。灰绿色石英砂岩中发育对称波痕(图3(f))。

图2 柯坪地区志留系—泥盆系地层柱状图

(a) 波痕(S1k1)(b) 软沉积变形(S1k2)

衣木干他乌组主体为紫红色薄层细粒钙质石英砂岩、紫红色薄层粉砂岩与粉砂质泥岩。钙质石英砂岩中石英含量多为80%～90%，长石以斜长石为主。其中，一段(D1-2y1)主要岩性为紫红色、灰绿色薄层细粒钙质石英砂岩、石英砂岩与粉砂岩互层，砂岩中波痕、泥裂发育(图4(a)、(b))，钙质砂岩中多见腹足化石； 二段(D1-2y2)主要岩性为紫红色粉砂岩、泥岩夹紫红色、灰绿色薄层细粒钙质石英砂岩、岩屑石英砂岩，多见泥裂和波痕。

克孜尔塔格组主要为紫红色中厚层岩屑石英砂岩、粉砂岩，砂岩中石英含量大于85%，其他碎屑为岩屑、长石、云母及少量重矿物。其中，一段(D3k1)为紫红色中厚层岩屑石英砂岩夹灰绿色粉砂岩，可见泥裂(图4(c))、板状交错层理、平行层理(图4(d))等； 二段(D3k2)底部为暗紫红色含砾粗砂岩，砾石成分主要为燧石，主体为暗紫红色含砾粗砂岩与紫红色细砂岩互层，槽状交错层理、波痕发育(图4(e)、(f))。

(a) 波痕(D1-2y1)(b) 泥裂(D1-2y2)

2 样品采样及实验方法

2.1 采样位置

本次研究对柯坪地区柯坪塔格山的志留系—泥盆系进行了系统采样，在每个段级填图单位中挑选2～4个砂岩样品进行薄片鉴定及粒度分析，共统计25件样品，采样剖面位置见图1，样品位置见图2。

2.2 实验方法

将采集的样品制成薄片，利用薄片粒度法对薄片中的颗粒进行测量，对每个样品统计300个以上的颗粒，将数据结果转换成φ值，并进行粒度校正和杂基校正[18]。将统计结果利用GRADISTAT软件计算粒度参数特征，计算方法采用Folk和Wold法[19-20]。将数据导入Grapher软件绘制粒度概率累积曲线。

3 粒度分布特征

3.1 粒度参数特征

表1 各样品粒度参数

图5 标准偏差与偏度离散图[21]

图6 萨胡成因判别图解[22]

3.2 粒度概率累积曲线特征

Visher[23-24]根据不同沉积环境下砂岩概率累积曲线建立了岩石成因模型，可以较好地分析判断岩石形成的沉积环境，通过对柯坪地区砂岩样品的概率累积曲线分析，得到4种类型、8种概率累积曲线。

3.2.1 河控三角洲环境

(1)典型两段式(图7(a))。主要分布于柯坪塔格组，滚动总体不发育，以跳跃总体和悬浮总体为主，跳跃总体一般在80%以上，分选性好—较好，直线段斜率在50°～60°左右，悬浮总体的含量一般小于10%，两总体交切点φ值为3.5～4.0之间。大致为三角洲平原亚相的水上分流河道。

(2)一跳一悬夹过渡式(图7(b))。主要分布于柯坪塔格组二段和三段，滚动总体不发育，具有跳跃和悬浮总体间过渡段的两段式。跳跃总体含量在30%～50%，φ值区间为1.0～2.5，斜率60°～65°； 过渡段40%～50%左右，斜率45°，与跳跃总体交切点φ值为2.0～2.5，与悬浮总体交切点φ值为4左右，悬浮总体小于10%。这一类型体现了河流和波浪综合冲刷作用，跳跃总体分选较好，大致相当于三角洲前缘亚相的河口坝沉积。

(3)低斜多段式(图7(c))。主要分布于塔塔埃尔塔格组，为斜率较低的多段式，由多个折线组成上拱型，斜率小于40°，粒度范围较宽，组分多且分选差，反映洪水期不稳定动荡水流快速堆积的特点，属于三角洲前缘亚相水下分支河道的特点。

3.2.2 扇三角洲环境

上拱弧形式(图7(d))。主要分布于塔塔埃尔塔格组，呈斜率较低、整体缓慢上拱的特点，跳跃总体与悬浮总体缓慢过渡无明显的转折点，分选差，表明水体能量较差且堆积速度较快，体现了浊流或碎屑流沉积的特点，推测属于扇三角洲平原亚相。

图7-1 粒度概率累积曲线

图7-2 粒度概率累积曲线

3.2.3 潮坪环境

(1)典型三段式(图7(e))。主要分布于衣木干他乌组一段，由3个总体构成。滚动总体含量小于5%，与跳跃总体交切点φ值为2.0～2.5。跳跃总体含量为80%～90%，斜率50°～60°，分选较好，部分跳跃总体有2个次总体，其交切点φ值2.5～3.0，与悬浮总体的上交切点φ值为3.5～4.0。整体φ值区间为1～5，分布较广，可能为潮间带的中潮坪环境。

(2)典型多段式(图7(f))。主要分布于衣木干他乌组一段，由多个次总体构成。滚动总体含量小于5%，与跃动总体交切点φ值为1.5～2.0。跳跃总体含量为70%～80%，呈多段式，表现出冲刷、回流2种能量的特点。与悬浮总体交切点φ值为4，悬浮总体含量约10%。跳跃总体上段与悬浮总体分选较好，体现出能量较高的潮间带下潮坪特点。

3.2.4 滨岸环境

(1)高斜两段式(图7(g))。主要分布于衣木干他乌组二段、克孜尔塔格组一段，呈两段式，由跳跃总体和悬浮总体构成。跳跃总体含量高于90%，斜率较大，分选性较好，与悬浮总体交切点φ值为3.5～4.0； 悬浮总体含量小于10%。这一类型表现出水动力条件较强、分选好的特点，体现出前滨的沉积特点。

(2)高斜多段式(图7(h))。主要分布在克孜尔塔格组二段，由跳跃总体和悬浮总体2个总体构成。跳跃总体分为2个次总体，含量约90%，2个次总体交切点φ值为3.0～3.5，与悬浮总体交切点φ值为3.5～4.0； 悬浮总体含量小于10%。这一类型体现出波浪和流水对碎屑的反复冲洗改造的特点，体现出前滨的特点。

4 沉积环境演化

上述沉积学特征和粒度特征分析表明柯坪地区志留纪—泥盆纪沉积环境发生较大但有规律的变化： 主体岩性由灰绿色岩屑砂岩逐步变为紫红色石英砂岩，成熟度逐渐增高； 水体能量逐渐增加，由三角洲环境逐步改变为滨岸环境； 气候由湿润变为干燥。

沉积环境演变如下： 经历了晚奥陶世的地壳抬升，早志留世柯坪地区再次接受海侵，柯坪塔格底部形成了底砾岩，之后处于气候较湿润的三角洲环境，为三角洲平原—三角洲前缘沉积，主体岩性为灰绿色岩屑砂岩与粉砂岩、泥岩，分选较差，成熟度较低，交错层理、流水波痕发育，指示三角洲平原分流河道的特点，灰绿色砂岩与粉砂岩互层，表现出三角洲前缘远砂坝的特点，柯坪塔格组二段富含笔石的块状层黄绿色泥岩，为一套陆棚相的沉积。这整体表现出河控三角洲的层序特征，柯坪塔格组沉积期海平面变化仍比较明显。

塔塔埃尔塔格组沉积期开始，出现小规模海退，气候逐渐干燥，主体岩性为紫红色岩屑石英砂岩夹灰绿色岩屑砂岩，粒度较柯坪塔格组变粗，结构成熟度较柯坪塔格组好，交错层理发育，岩性组合、粒度概率累积曲线与柯坪塔格组有明显不同，粒度参数表现出分选变差、粒度区间变大的特点，表明水动力条件减弱，部分出现扇三角洲平原沉积。

衣木干他乌组沉积期，海侵范围扩大，气候变得干燥，主要岩性为紫红色细粒石英砂岩、钙质石英砂岩与粉砂质泥岩、泥岩互层，上部泥岩增加，泥裂、浪成波痕发育。砂岩成熟度较高，表明处于水动力较强的沉积环境，总体表现出潮间-潮上带的沉积特点。

克孜尔塔格组沉积期，海侵进一步扩大，主要为紫红色细粒石英砂岩夹粉砂岩、含砾粗砂岩，板状交错层理、平行层理发育，波痕、泥裂发育，砂岩成熟度较高，说明处于水动力条件较强的环境中，整体体现出前滨-后滨的沉积特点，表明其处于干燥的滨海环境。

从柯坪地区志留纪—泥盆纪沉积环境演化看，由湿润的河控三角洲沉积环境逐步转变为干燥的滨岸沉积环境，砂岩的成熟度也逐渐增加，表明柯坪地区逐渐远离物源区，逐步处于构造稳定的背景。

5 结论

(1)通过对各组地层特征及砂岩的粒度分析，识别出4种沉积体系，分别为河控三角洲、扇三角洲、潮坪环境、滨海环境。其中首次在塔塔埃尔塔格组中识别出扇三角洲沉积体系。

(2)根据粒度分析的粒度参数及概率累积分布图，识别出8种粒度累积曲线。其中河控三角洲(主要为柯坪塔格组、塔塔埃尔塔格组)为典型两段式、一跳一悬夹过渡式、低斜多段式； 扇三角洲(塔塔埃尔塔格组)为上拱弧形式； 潮坪环境(主要为衣木干他乌组)为典型三段式、典型多段式； 滨海环境(主要为克孜尔塔格组)为高斜两段式、高斜多段式。

(3)柯坪地区从志留纪—泥盆纪，水体能量和流动性经历了先减小后逐渐增加的过程，气候由温暖湿润逐渐变为炎热干燥，砂岩成熟度逐渐升高，距物源区逐渐变远，逐渐处于构造稳定的背景。