江西会昌盆地晚白垩世周田组砂岩粒度分析和沉积环境

刘东兴，陈留勤，刘富军

(东华理工大学地球科学学院，330013，南昌)

0 引言

碎屑岩粒径是沉积环境动力条件的直观反映。因此，碎屑岩样品粒度分析是判断沉积环境特征及变化的有效途径[1]。

在晚中生代，中国东南地壳受伸展拉张影响，形成了典型的“盆岭构造体系”，盆地接收来自周围物源区碎屑物的充填形成厚达几百到数千米的沉积地层[2-6]。这些陆相盆地的形成和演化对区域热液铀成矿以及丹霞地貌发育都具有深刻影响[7-8]。近年来，研究者对于华南晚中生代岩浆岩矿床和丹霞地貌的研究已积累了丰富的成果[7,9-12]。与之相比，对于记录区域构造与沉积环境变化信息的红色碎屑岩沉积岩则研究较少。

江西邵武-河源断裂带中部的会昌盆地晚白垩世红层地层出露较好，分布于盆地中西部地区的周田组是丹霞地貌的主要发育地层。本文通过对野外露头观测，对采集样品制作的薄片进行岩矿鉴定和粒度分析，结合样品粒度参数对周田组沉积环境进行讨论，为华南白垩纪陆相断陷盆地沉积演化提供实际材料。

1 区域地质概况

会昌盆地位于江西省东南部，武夷山南段西侧，受西部石城-寻乌断裂带(河源-邵武断裂带中部)控制，呈NE向展布，是一个中生代箕形断陷盆地(图1)。盆地红层发育且起伏简单，总体上呈西部厚向东以及南北两端逐渐变薄，反映盆地沉积由东到西、由南北向中部迁移的过程[13]。红层自下而上划分为赣州群茅店组、周田组以及圭峰群河口组，其中赣州群茅店组和周田组分布范围较广。茅店组分布于盆地东部地区，岩性主要为紫红色粗-中砾岩以及砂岩，发育粒序层理和斜层理。周田组分布于盆地中部和西部地区，主要岩性为紫红色粉砂岩、细砂岩以及泥岩互层，中间夹杂一些黄色和其他杂色泥岩层，水平层理发育。河口组位于盆地中部西南侧，受洪积扇与冲积扇沉积影响，以紫红色砾岩、砂岩为主，质地坚硬富含铁质胶结物分选性较差[13-14]。

2 研究方法

本次在会昌县周田镇东侧大路凹村的寨下剖面进行观测和取样，野外对岩层厚度、沉积岩石特征、粒径和沉积构造等进行观测。对采集的5个样品进行薄片鉴定和粒度分析，具体采样地点见图1。

1-第四系碎屑岩；2-上白垩统南雄组碎屑岩；3-上白垩统赣州群碎屑岩；4-侏罗系碎屑岩；5-二叠系灰岩、碎屑岩；6-石炭系碳酸盐岩；7-泥盆系碎屑岩；8-寒武系灰岩、页岩和板岩；9-震旦系变余砂岩夹千枚岩、变流纹岩；10-燕山期花岗岩；11-印支期花岗岩；12-加里东期花岗岩、二长花岗岩

将采集的样品制作成岩石薄片，利用偏光显微镜对薄片中的碎屑颗粒按照Gazzi-Dickinson计点法进行统计，数量不少于300个。具体要求为：沿测线进行统计，统计所有粒径30 μm以上的颗粒，杂基与胶结物除外。计算方法采用福克(Folk)和沃德(Ward)法来获得不同样品的平均粒径(MZ)，标准偏差(δ)，偏度(SK)，以及峰度(KG)[15]；频率曲线、累积曲线以及概率累积曲线的绘制使用Origin软件。

3 研究结果

3.1 岩石学特征

在野外露头剖面上，周田组主要岩性为紫红色和砖红色中-细砂岩，夹粉砂岩和泥岩(图2(a)、(b))。水平层理较为常见，少量正粒序层理，主要表现为由下部中粒砂岩向上部细沙砂岩过渡(图2(c))。局部层位可见遗迹化石(图2(d))。

对采集的5个砂岩样品进行偏光镜下鉴定，样品主要为长石砂岩类，碎屑颗粒粒径为0.02～0.84 mm。碎屑组分占90%以上，主要由石英、长石、云母以及岩屑组成，其中石英占总体组分的68%～71%，主要为单晶石英，偶见脉石英；长石占总体组分27%～30%，以钾长石为主，含有少量斜长石，且长石表面多发生黏土化和绢云母化(图3(b))；岩屑组分含量较低(1%～2%)，以沉积岩岩屑为主。胶结物以铁质胶结物和钙质胶结物为主(图3(c)、(d))。颗粒之间以线接触和凹凸接触为主，呈颗粒支撑结构。颗粒分选性较好，磨圆度较差，呈次棱角状-次圆状(图3(a))。

(a)宏观露头照片；(b)水平层理、中-细砂岩泥岩互层；(c)正粒序层理；(d)遗迹化石

(a)周田组砂岩分选性较好，磨圆程度较差，次棱角状-次圆状；(b)钾长石矿物发生蚀变；(c)发育良好的斜长石颗粒、铁质胶结物；(d)钙质胶结物(Q-石英；Kf-钾长石；Pl-斜长石；Ca-钙质胶结物)

3.2 沉积物粒度特征

3.2.1 粒度参数特征 由于外部环境以及搬运动力等因素的不同，砂岩的粒度往往呈现不同的分布趋势，因此通过砂岩粒度分析可以判断古代沉积环境[1]。砂岩粒度分析主要是通过计算碎屑颗粒的平均粒径(MZ)、标准偏差(δ)、偏度(SK)和峰度(KG)[15]。本文对会昌盆地周田组采集的5个样品在镜下利用Gazzi-Dickinson计点法统计样品颗粒获得数据后利用公式计算周田组砂岩的各项粒度参数(表1)。

表1 周田组寨下剖面砂岩粒度参数

平均粒径(MZ)可以用来反映粒度分布的集中趋势，而粒度集中程度主要受搬运颗粒的动力以及颗粒自身原始大小的影响[16]。平均粒径最大值为样品ZX-35的3.670，最小值为样品ZX-7的3.103。平均粒径的均值为3.366，为细砂岩。

标准偏差(δ)可以用来反映碎屑颗粒大小的均匀程度，标准偏差大代表沉积物集中趋势弱，分选性差，而标准偏差小则代表沉积物集中趋势较强，分选性较好[17]。根据前人研究确定的沉积物分选级别标准[15]，除样品ZX-7为0.803，处于0.71～1之间，分选性中等，其余样品均处于0.5～0.71分选性好的区间。样品标准偏差平均值为0.656，研究区样品总体上分选性较好，与前文显微镜观察结果一致。

偏度(SK)用来反映粒度分布的不对称性，根据福克(Folk)划分的五级偏度[15]，偏度在-1～-0.3之间为很负偏度，偏度在-0.3～-0.1之间为负偏态，偏度在-0.1～0.1之间为近似对称，偏度在0.1～0.3之间为正偏态，偏度在0.3～1之间为很正偏态。研究区ZX-7、ZX-25和ZX-35偏度值分别为-0.041、0.004和0.087处于-0.1～0.1之间近似于对称，而ZX-5与ZX-20偏度值分别为0.119和0.167位于0.1～0.3之间属于微正偏态。

根据福克(Folk)对峰度(KG)的划分[15]，可以将峰度值划分成6级，当峰度值小于0.67代表频率曲线很平坦；当峰度值处于0.67～0.9之间时代表频率曲线平坦；当峰度值处于0.9～1.11之间时代表频率曲线中等接近正态分布；当峰度值处于1.11～1.56之间时代表频率曲线尖锐；当峰度值处于1.56～3.00之间时代表频率曲线很尖锐；当峰度值大于3.00时代表频率曲线非常尖锐。研究区5个样品中ZX-5和ZX-35峰度值分别为0.845和0.877，频率曲线平坦；ZX-7、ZX-20和ZX-25分别为0.916、0.936和1.073处于0.9～1.11之间，频率曲线中等接近正态分布(图4(a))。

(a)频率曲线与累积曲线；(b)一跳一悬式；(c)两跳一悬式；(d)滚动-跳跃-悬浮三段式

3.2.2 粒度曲线特征 在碎屑岩粒度分析中，可以通过一些简单直观的图件辅助分析沉积环境，其中最常用到的就是频率曲线图、累积曲线图和概率累积曲线。3种图的横坐标均为φ值，频率曲线与累积曲线的纵坐标为算术百分比，而概率累积曲线纵坐标为概率百分比[15-17]。通过频率曲线形态特征和分布范围可以直观地反映沉积物的分选性和沉积作用形式等[18]。通过概率累积曲线各次总体线段的区间分布和百分比含量、各次总体线段斜率的差异以及次总体之间交切点位置的差异等，可以反映沉积物颗粒分选性以及沉积环境的动力条件[15]。根据研究区5个样品的粒度参数分别绘制3种曲线(图4)。

1)频率曲线特征。从频率曲线图中可看出(图4(a))，周田组砂岩主要以单峰形式为主(ZX-7为双峰)，曲线单峰反映周田组沉积时期沉积环境简单，沉积物的搬运方式一定，动力稳定。ZX-7频率曲线呈双峰马鞍式，这种曲线的形成是由于沉积时有另外一种组分的加入，且加入的组分和之前的组分含量相等，这种曲线的偏度也趋于零，但是分选性较差[15]。沉积物粒径范围处于1φ～6φ之间，图形近似对称，峰度中等。结合前文偏度值，研究区5个样品3个近似于对称，2个为微正偏态，而且5个样品累积曲线均较为陡峭，研究区沉积物粒度集中且分选性总体较好。

2)概率累积曲线。通过对研究区周田组沉积物概率累积曲线分析，可以识别出跳跃-悬浮两段式和滚动-跳跃-悬浮三段式(图4(d))2种曲线，其中跳跃-悬浮两段式可细分为一跳一悬式(图4(b))和两跳一悬式(图4(c))。滚动次总体在4个样品中的缺失说明研究区总体水流动力能量不高，很粗的砂砾无法被搬运，具体如下。

a)一跳一悬式。一跳一悬式(ZX-25)由一条跳跃次总体和一条悬浮次总体组成。样品粒径范围为2φ～5φ，成分以跳跃次总体为主约占90%，跳跃次总体和悬浮次总体交切点在4φ～4.25φ之间。跳跃次总体斜率高分选性好，悬浮次总体斜率较低分选性一般，显示水流作用不是很强。

b)两跳一悬式。两跳一悬式(ZX-5,ZX-20,ZX-35)由两段跳跃次总体和一段悬浮次总体组成。其中ZX-20的概率累积曲线为两跳一悬夹过渡，两段跳跃次总体中间有一小段过渡段。不同于一跳一悬式，其跳跃次总体由两段组成，这主要是受到湖水冲流和回流的改造作用影响沉积而成[15,19]。两段跳跃次总体的交切点在3φ～3.5φ之间，跳跃次总体和悬浮次总体的交切点在3.75～4.25之间，两段跳跃次总体斜率不同，但是斜率均较高显示较好的分选性。悬浮次总体含量小于10%，ZX-20斜率略低，其余两条曲线斜率较高，总体上悬浮次总体含量少但分选性较高，说明水流作用强于一跳一悬式。

c)滚动-跳跃-悬浮三段式。滚动-跳跃-悬浮三段式(ZX-7)，滚动次总体和悬浮次总体含量较少，跳跃次总体含量多约占90%。滚动次总体和跳跃次总体的交切点在1.25φ，跳跃次总体和悬浮次总体交切点在4.25φ。滚动次总体含量少且斜率低，分选性差，跳跃次总体分选性中等，可能是由于沉积时有另外一种组分加入，而且加入的组分颗粒较粗，频率曲线呈双峰马鞍式(图4(a))。悬浮次总体斜率较高，分选性好。说明水流作用强于前2种。

4 周田组红层沉积环境

会昌盆地周田组红层沉积于晚白垩世，前人认为总体为湖泊环境，且随着古气候变化经历“较湿热—较冷干—干热—较湿热—较冷干”的转换，湖泊也随之经历淡水湖转变为咸水湖，在转变为淡水湖的过程[13,20]。一般而言，一个湖盆自湖岸到湖心粒径由粗到细，大致为砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩，河水流过河口较粗粒级物质先沉积，较细粒级沉积物则被搬运至湖心沉积[15]。水平层理往往形成于稳定的水动力条件，由悬浮物质缓慢沉积而成[15]。地层柱状图(图2)显示周田组以细砂岩和粉砂岩为主，夹薄层泥岩，发育水平层理(图2(a))，可见生物遗迹化石(图2(d))。根据吴崇筠依据湖水深度和水动力条件对湖泊沉积相的划分[21]，研究区周田组主要为浅湖相沉积，与广丰盆地晚白垩世周田组沉积环境类似[22]。

河流沉积物概率累积曲线呈滚动-悬浮两段式，主要表现为滚动次总体的缺失和较为发育的悬浮次总体(含量>10%)[15]。研究区周田组概率累积曲线也是主要由跳跃-悬浮两段式组成，但不同的是悬浮次总体含量较少2%～9%，而且研究区4个两段式概率累积曲线中有2个两跳一悬式和1个两跳一悬夹过渡式(图4(c))，多个跳跃次总体说明沉积时受到湖水波浪的改造作用，说明沉积环境处于湖泊波浪基准面之上。样品中滚动次总体仅存在于ZX-7中(图4(d))，而且表现出含量少和分选性差的特点，说明沉积区环境水流动力能量不高。因此，通过根据砂岩岩性特征和概率累积曲线说明研究区周田组沉积环境主要为水动力较弱的浅湖相沉积。

5 结论

会昌盆地为一个近南北向展布的小型陆相断陷盆地，周田组红层的岩性包括中砂至泥岩不同粒径的碎屑物，总体较细，而且分选性较好，常见水平层理与生物遗迹化石及少量正粒序层理。

周田组红层样品概率累积曲线以跳跃-悬浮两段式为主，跳跃次总体含量较高，悬浮次总体含量低，滚动次总体在多数样品中缺失表明沉积环境水动力能量较弱，跳跃次总体和悬浮次总体斜率较高，表明研究区砂岩分选性较好。根据砂岩粒度参数特征和野外露头资料显示，会昌盆地周田组砂岩沉积环境是水动力较弱的浅湖相沉积。