湖北黃石地區下侏羅統桐竹園組下部物源和粒度分析及其地質意義

覃永軍, 杜遠生, 楊江海, 白雪峰

(1.貴州省地質礦產勘查開發局 貴州省地質調查院,貴州 貴陽 550005; 2.中國地質大學(武漢) 地球科學學院,湖北 武漢 430074; 3.大港油田勘探開發研究院,天津 300280)

湖北黃石地區下侏羅統桐竹園組下部物源和粒度分析及其地質意義

覃永軍1,2, 杜遠生2, 楊江海2, 白雪峰3

(1.貴州省地質礦產勘查開發局 貴州省地質調查院,貴州 貴陽 550005; 2.中國地質大學(武漢) 地球科學學院,湖北 武漢 430074; 3.大港油田勘探開發研究院,天津 300280)

黃石地區處于大別山南麓,揚子地塊東北緣,其沉積物必然敏感地反映揚子地塊大地構造格架的演化和周緣山體隆升等信息。本次通過巖礦鑒定,進行物源和粒度分析,系統研究了采自黃石地區下侏羅統桐竹園組下部的典型砂巖樣品。研究表明,樣品中碎屑成分含量相對穩定,主要為石英、長石、巖屑及副礦物,以石英為主,少量長石,極少量巖屑并以沉積巖屑為主,少見云母,偶見輝石和普通角閃石等副礦物;碎屑物的分選性和磨圓度較好,成分成熟度較高。物質組成及組構顯示物源區為遠源的“再旋回造山帶物源”類型。粒度特征顯示為穩定的曲流河沉積,沉積環境未明顯受周緣山體隆升的影響。結合古流向資料,表明當時物源可能主要來自華夏板塊內部,而來自附近大別山的物源貢獻較小。

物源分析;粒度分析;沉積環境;侏羅紀;桐竹園組;湖北黃石

山體隆升必然制約兩側盆地的沉積,其制約體現在盆地的沉積體系及沉積物組成[1]。盆地內沉積物既能反映沉積區的沉積環境信息,也是山體存在的記錄和解釋山體構造運動特性的證據[2]。物源分析方法是用沉積物的物質組成、含量和結構構造等研究恢復古環境、古地理和物源區的構造背景。迪金森[3-4]和Valloni[5]等學者利用碎屑物成分探討盆地物源和形成的構造背景,取得了一套定量指標和圖解,深化了人們對板塊構造盆地類型、構造演化的認識,且在盆地物源和演化分析中得以廣泛應用。而粒度分析方法在提取、識別、判斷和分析沉積環境、沉積水動力條件以及油氣沉積儲存評價方面被廣泛運用[6]。許多學者利用粒度參數和數據進行統計曲線和圖解分析來判別沉積環境、沉積條件和沉積動力背景[7-9]。

黃石地區自元古代以來發育完整的沉積地層被視為研究揚子板塊的良好地帶,尤其是中生代以來,黃石地區的沉積物忠實地記錄了相鄰構造帶的變形過程。然而,學者們研究了黃石地區的古生物學和古植物學[10-13],層序地層[14]、沉積相與沉積環境[15]、盆地演化[16]等,但未見運用物源和粒度分析方法研究侏羅紀的成果。因此,本次在桐竹園組下部地層中系統地采集碎屑巖樣品,進行巖礦鑒定、物源和粒度分析,取得了黃石地區下侏羅統桐竹園組的物源和沉積環境的新信息,為判別黃石地區下侏羅統桐竹園組時期的沉積環境及大地構造背景提供了素材。

1 區域地質概況

黃石地區大地構造位置橫跨揚子地塊東北緣與大別山南緣。北接大別造山帶,南接江南隆起中段,處于南北兩大基底隆起之間,經歷了穩定地臺型沉積及后期的變形改造,蓋層顯然受控于南北兩大隆起[17](圖1)。

黃石地區前陸盆地同造山碎屑沉積覆蓋于三疊紀淺海—海陸交互相的濱相碳酸鹽和碎屑巖之上,主要包括上三疊統九里崗組、王龍灘組,下侏羅統桐竹園組和中侏羅統花家湖組。上三疊統在黃石地區岀露較差,其厚度為20 m左右,與下伏蒲圻組平行不整合接觸。主要巖性為黑色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖,底部見砂礫巖,內夾煤層。桐竹園組與花家湖組為整合接觸,花家湖組與上覆馬架山組為平行不整合接觸。桐竹園組劃分為三個巖性段:第一段以灰—灰白色中—厚層狀中—細粒石英砂巖為主,上部夾灰—灰綠色泥質粉砂巖、炭質泥巖及薄煤層,一般厚120～160 m;第二段底部為灰白色厚層狀中—細粒石英砂巖,中上部為灰—深灰色粉砂巖、粉砂質泥巖,含菱鐵礦結核,間夾炭質泥巖及薄煤層,一般厚120～140 m;第三段主要為灰黃色、灰綠色粉砂巖及粉砂質泥巖,間夾炭質泥巖及薄煤層,一般厚100～140 m。花家湖組為灰黃色、紫紅色石英砂巖、長石石英砂巖,厚度1 000 m左右。早中侏羅世地層中見有大量植物和雙殼類化石。上侏羅統—白堊系的馬架山組、靈鄉組和大寺組主要為一套火山—沉積建造,主要為流紋質火山角礫巖、凝灰巖、霏細巖和流紋質巖等火山巖,火山碎屑巖和灰色、紫紅色、灰黃色砂礫巖,含礫砂巖,粉砂巖,泥質巖。

圖1 黃石地區大地構造位置圖(A)及地質簡圖(B)(據文獻[17]修編)Fig.1 Location map of tectonics and generalized geological map圖1-A顯示秦嶺—大別—蘇魯造山帶的主要構造單元及分別位于大別山的北麓、南麓和東南麓的合肥、黃石和潛山前陸盆地。該造山帶是華北和華南兩地塊早中生代碰撞拼合的縫合帶。黑色區域代表華南地塊上主要的古元古代基底露頭,包括武夷、黃陵、銅陵和崆嶺等地。圖1-A中的斜線方框為圖1-B的位置,代表黃石盆地位置。

2 采樣信息及樣品特征

2.1 采樣信息

采樣剖面位于黃石市內隧道口附近加油站對面(圖1),剖面特征及采樣層位見圖2。剖面描述如下:

下侏羅統桐竹園組下部:野外實測真厚(下同)

14.7 m

圖2 黃石地區下侏羅統桐竹園組下部巖性及采樣位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling location and lithology of Tongzhu Formation of the Lower Jurassic in Huangshi area

未見頂,第二段。

厚7.1 m

5層 細砂巖,在5.2 m段為平行層理,在5.5 m處可見大型楔狀交錯層理。

厚2.8 m

4層 中細粒砂巖,在此層4.0 m處見到砂巖中夾0.1 m厚、0.8 m寬的砂板巖透鏡體。

厚3.8 m

3層 底部見沖刷面,為底礫巖、細礫巖、砂礫巖,多數為含礫粗砂巖,礫含量少,礫徑較小且從下至上逐漸變細。

厚0.5 m

第一段。

厚7.6 m

2層 灰色、紅褐色中層狀粉砂巖、砂質泥巖,灰色泥巖。該段在7 m處見0.2 m灰色炭質頁巖,上伏0.55 m厚的灰白色塊狀泥質粉砂巖,產狀65°∠11°。

厚2.5 m

1層 灰黃色、灰綠色、黃褐色的粉砂巖、泥巖、泥質粉砂巖。

厚5.1 m

未見底

2.2 樣品特征

經顯微鑒定,砂巖薄片中的碎屑成分主要為石英、長石、巖屑、副礦物及重礦物,定名為巖屑石英砂巖,個別為石英砂巖、巖屑砂巖。其中以石英為主,見單晶和多晶石英,發育勃母紋現象。長石含量少,高嶺土化。巖屑含量少,主要為泥晶—微晶碳酸鹽巖屑、火山巖屑。副礦物主要為云母,少量輝石、普通角閃石。重礦物有磁鐵礦、褐鐵礦、綠簾石、榍石、電氣石和鋯石等。碎屑物的分選性及磨圓度較好,成分成熟度高。

3 物源與粒度分析的方法和結果

3.1 物源分析

3.1.1 物源分析方法

為了保證碎屑骨架組成統計結果的可靠性,本文依據Dickinson的方法特別約定了五條統計原則:①列入統計和作圖的砂巖樣品,其平均粒度限定在中粒—粗粒(包括含礫砂巖)之間,即算術粒級0.2～2 mm,礫巖樣品僅供參考。目的是盡可能減小由于碎屑粒度—成分習性而導致的統計誤差。②排除雜基含量>25%的雜砂巖樣品。③由于區域上不存在內源灰巖物源,或供給的可能性極小(<1%),故灰巖巖屑按常規沉積巖巖屑進行統計。④被自生礦物交代的骨架顆粒,按殘留顆粒或恢復的原碎屑組分統計。⑤采用鏡下正方網格交點法統計組分含量,每個樣品統計顆粒數不少于300顆,網格間距取樣品平均粒度的兩倍值。

3.1.2 物源分析結果

除去基質和其他成分,僅對石英(單晶、多晶)、長石、巖屑(火山巖屑、沉積巖屑)進行百分含量計算。結果顯示:石英總含量高,除B2(79.6%)、B3(74.5%)和B4(97.3%)外,均在80%～90%之間,下部出現波動,整體呈現出不太明顯的增多趨勢(圖3,Qt/Qt+F+L);但在石英含量中多晶石英含量呈減少趨勢(圖3,Qp/Qp+Qm)。長石含量很小,多數在1%～4%之間,僅B2達到8%(圖3,F/ Qt+F+L),高嶺土化強。巖屑含量大多數在10%～15%之間(除B3為24.04%和B4為2.71%外)(圖3,L / Qt+F+L),火山巖屑在碎屑總數中<7.5%(除B11為9.61%)。在巖屑含量中火山巖屑含量總體<50%(圖3,Lv/L)。副礦物中不穩定的輝石、普通角閃石含量少,碎屑的分選性、磨圓度和成熟度均高。

圖3 黃石地區下侏羅統桐竹園組砂巖特征組分含量變化Fig.3 Contents variation of characteristics of sandstone of Tongzhu Formation of the Lower Jurassic in Huangshi areaQ t.石英總量;Qm.單晶石英;Qp.多晶石英、燧石;F.長石總量;L.巖屑總量;Lv.火山巖、變火山巖巖屑。

3.2 粒度分析

3.2.1 粒度分析方法

根據粒度分析需要,挑選11個層位的11件樣品進行粒度統計。所選標本石英總含量均>70%,溶蝕交代和次生加大邊等現象弱,符合統計標準。按照常規方法進行預處理[18-19],采取薄片粒度統計方法中的線計法[20],平行直線之間的距離為Φ平均值的兩倍,凡是落在直線上的顆粒均測量其最大視直徑,每個薄片至少統計300顆。把統計數據換算成Φ值,運用公式D=0.381 5+0.902 7d(D為校正后的篩選直徑Φ值,d為薄片中視直徑Φ值)計算出D值,按照1/4Φ區間進行顆粒數統計,各個區間所測到的顆粒數與總顆粒數之比值為該區間顆粒的數量百分含量,按1/4Φ間距對某一Φ值顆粒進行累積百分含量統計,在數據處理過程中同時進行雜基校正。

3.2.2 粒度分析結果

測試結果利用已開發的粒度分析軟件數據系統進行計算機處理,繪制出每個樣品的頻率曲線圖、概率累積曲線圖(圖4)。

粒徑分布特征 剖面樣品粒度粒徑范圍在0.5～4.5Φ之間,變化較大;顆粒總體偏小,從剖面底部向頂部峰值從1.75～2Φ區間逐漸增大至2.5～2.75Φ區間,反映粒度總體變小。

頻率曲線特征 粒度頻率分布曲線(圖4)顯示粒度頻率分布較為簡單,其主要特征有:①發育單峰式和雙峰式,不發育三峰式,其中B1、B3、B14、B18、B20為雙峰式,B4、B6、B8、B9、B11、B16為單峰式;峰值粒徑范圍1.8～2.55Φ,對稱性不好,峰態以正態分布為主,從下至上峰式呈下部雙峰—中部單峰—上部雙峰的總體變化模式,中部個別雙峰式(B14)。②峰態(尖度)不正常,基本為中—窄峰,僅B6為寬峰。③偏度總體為正偏,部分接近正態分布。

累積頻率曲線特征 概率粒度累積曲線(圖4)顯示主要特征有:①整體呈兩段型,僅B8呈兩段型延伸的上三段型;②跳躍段主體斜率為60%～75%;③跳躍段直線與懸浮段直線的交角為135°～165°;④大多數截點在2.75～3.25Φ之間。

眾數分布特征 眾數分布(圖5)顯示的主要特征有:①從下至上粒度的眾數Φ值逐漸增大,表明粒徑逐漸變細;②中部的B6與B8之間和B11與B14之間眾數Φ值呈現忽然減小的變化,與整體變大的趨勢相反,反映粒徑存在突然增粗的兩個旋回。

圖4 桐竹園組剖面柱狀圖與沉積構造、頻率曲線、概率曲線及眾數分布特征對比圖Fig.4 Colummar section of profile about Tongzhu Formation and contrast diagram of sedimentary structure,frequency curve,probability curve and mode distribution

4 討論與結論

石英含量的多少除受物源區的影響外,還可以反映沉積物搬運距離的遠近。巖屑的含量及其特殊的巖屑(泥晶、微晶碳酸鹽)一定程度上也可以反映物源區的遠近。火山巖屑含量指示源區構造活動的強弱。長石含量的變化取決于分解速度與侵蝕速度的平衡關系,富集長石往往預示著活動強。黃石地區桐竹園組中石英含量高,巖屑含量少并含泥晶、微晶碳酸巖鹽巖屑,火山巖屑含量僅占7.5%左右,上述信息反映該區桐竹園組下部物源區遠且構造活動弱的特點。另外,副礦物中不穩定的輝石、普通角閃石含量少,碎屑的分選性、磨圓度和成熟度均高,反映當時沉積區的環境相對穩定。

利用Dickinson的砂巖碎屑組分圖解投圖(圖5)。在圖5中Q-F-L圖上桐竹園組除個別投在大陸塊物源區外,幾乎都落在再旋回造山物源區,而在Qm-F-Lt圖上得到同樣的結果。在Qp-Lv-Ls圖上分布比較散,一部分投在碰撞縫合帶或褶皺—沖斷帶物源區,少數落在俯沖混雜物源區,而大多數屬混合造山帶物源區。反映黃石地區桐竹園組物源源區復雜,主要為“混合造山帶的再旋回物源”類型兼有碰撞縫合帶或褶皺—沖斷帶物源和俯沖混雜物源。

圖5 黃石地區武昌組砂巖Dickinson[7]模式組分物源判別圖解Fig.5 Discrimination diagram of provenance of Dickinson model components of sandstoneQt.石英總量;Qm.單晶石英;Qp.多晶石英、燧石;F.長石總量;L.巖屑總量;Lv.火山巖、變火山巖巖屑;Ls.沉積巖、變沉積巖巖屑;Lt.單晶石英與巖屑總量。

不同的粒度參數和粒度曲線圖解反映的沉積環境不盡相同。頻率曲線的單峰態表明沉積物成分單一,為相對穩定的低水能條件下形成;雙峰態表明沉積物有兩種主要成分組成,在沉積過程中有其他作用參加進來[21],一般代表河流相沉積;三峰態反映受基巖風化沉積作用影響。本區頻率曲線主要為單峰、雙峰,未發育三峰,反映沉積環境可能屬于河流相沉積而未受基巖風化沉積作用影響。對比頻率曲線和剖面沉積構造(圖5),其峰態和巖性、層理構造的變化關系為:下部雙峰對應剖面上巖性較為混雜,主要為粗—中粒砂巖、砂礫石,沉積構造為沖刷構造、均勻層理和平行層理,反映了距沖刷面較近,水流較大而帶動顆粒較粗特征,可能為相對波動的中等能量環境;中部單峰對應剖面上巖性為中—細砂巖,巖石顆粒分選性好,沉積構造為槽狀交錯層理、板狀交錯層理和水平層理夾波狀層理透鏡體,反映了水流動力條件為相對穩定的中—低能環境;上部雙峰對應巖性為細砂巖夾板巖,局部泥巖,沉積結構構造為楔狀交錯層理、水平層理、波狀層理和爬升層理,反映該時期水動力條件為相對低能環境。另外,中部B6和B14的峰態與其上下的峰態存在不協調性,其意義不盡相同。B6的峰態寬緩,似雙峰特征,之上B8和之下B4均為單峰,在剖面上B4的巖性為較純的中—細粒砂巖,B6為細砂巖,B8為夾泥巖的中—細粒砂巖,反映水動力條件忽然減弱后又增強的沉積作用變化。B14為中—窄的雙峰式,而上下均為中等寬緩的單峰式,在剖面上B14對應的巖性為細砂巖,發育大型楔狀交錯層理,而上下巖性雖也為細砂巖,但其下發育水平層理,其上發育波狀或水平層理,反映了該時期的水動力條件有忽然加強的特征。

沉積物的粒度主要受搬運介質、搬運方式和沉積環境等因素控制。其中,沉積物的搬運方式主要有懸浮、跳躍和底面推移3種[1,20]。不同的搬運方式,在概率累積曲線上呈現不同的幾條直線段。每一段的斜率代表分選性的好壞,斜率越大代表分選性越好,反之則分選性差。線段之間的交角可以表示不同成因粒度組分的混合程度,交角越大,混合度越高,表示組分混合強,水力學條件變化大[1,22-23]。線段相交的地方為截點,截點的大小可以反映搬運介質的擾動強度,強度高的在較粗粒度上發生截斷[1,20,24]。本區主要為兩段型及衍生的上三段型曲線,不發育三段型,說明本區不發育推移總體,僅發育跳躍總體和懸浮總體,其中跳躍總體占主導地位,體積分數>60%,多數為75%～99%。跳躍總體的斜率在60%～75%,說明分選性好。跳躍總體線段與懸浮總體線段的交角在135°～165°之間,表明組分混合從一般到較強,水力學條件變化較大。跳躍總體線段與懸浮總體線段的截點基本在2.75～3.25Φ區間,表明水體的擾動強度較大。從下部(B1)到上部(B20)跳躍總體含量呈減少趨勢,而顆粒粒度也逐漸變細,剖面層理類型從下至上依次為沖刷層理、均勻層理、平行層理、槽狀交錯層理、板狀交錯層理、水平層理夾波狀層理透鏡體、大型楔狀層理和爬升層理,兩者共同反映該區從下至上水動力條件上逐漸減弱。本區的概率累積圖上參數特征與曲流河的特征非常一致[24],反映本區可能為曲流河相沉積環境。

眾數是含量最多的顆粒粒徑,它對研究混合來源的物質特別有效。它的各種變化反映陸源沉積物的分選性、偏度、峰態的變化,對于確定巖石單元或沉積總體的沉積趨勢以及對物源區的研究也具有明顯的意義,可以在一個結構大類所代表的范圍中更詳細區分沉積物,提供一個更為準確的粒度分布特征。該區眾數Φ值從下至上逐漸變大,反映粒度從下至上逐漸變細,這與頻率曲線圖、累積曲線圖上反映的粒度變化趨勢整體一致,也與采樣剖面的巖性和沉積構造的變化一致。中部的B6和B14的眾數Φ值發生了明顯變化,而頻率曲線上的峰型和峰態也相應發生了與上下不協同的變化,其變化特征與剖面圖上的巖性、結構和構造也可以對比。

綜上所述,本文研究的黃石地區桐竹園組下部的沉積環境發育有穩定的曲流河沉積。沉積環境從下至上、從中等能量環境到穩定的中—低能環境,最后演化為低能環境。發生兩次沉積環境變化,一次(B6)是從中等能量的沉積環境忽然變化為低能沉積環境,再突變至中—低能環境;一次(B14)是從中—低能環境突變至中能環境,隨后沉積環境量能逐漸變低。

5 地質意義

本文研究結果顯示下侏羅紀桐竹園組下部物源區主要屬于遠源的混合造山帶的再旋回物源,沉積環境為穩定的曲流河沉積。“遠源區”物源特征和沉積區穩定的沉積環境,結合當時古流方向資料[25-26]和來自碎屑鋯石的物源研究,反映物源可能主要來自華夏板塊內部,是華夏板塊內部碰撞拼接的信息體現,而來自毗鄰的大別山物源貢獻微弱。發育較少的碰撞縫合帶(褶皺—沖斷造山帶)、俯沖混雜物源和基本未見巖漿弧物源,結合微弱的沉積環境變化,可能是大別山南麓發生大規模隆升的前兆。直至中侏羅紀花家湖組物源從底部向上雖然表現長石和巖屑含量逐漸增大而石英含量逐漸減小的趨勢,但物質組成仍然以石英含量為主體,而弧造山帶物源供應雖有增多的趨勢但不明顯。反映了大別山南麓在下、中侏羅統時期尚未根本改變中三疊紀的盆山格局,此時期中國的大地構造格架可能為東高西低的格局。而上侏羅統—白堊紀發育酸性火山巖與火山碎屑巖的旋回填充,盆地充填物以造山后火山弧為主,上白堊統砂巖巖屑和礫石組成指出其物源區為“弧造山帶”類型,物源發生了根本的變化[27]。反映黃石地區構造格架發生根本的變化,大別山的最終隆起,中國的大地構造格架也最終變成了西高東低的格局。

致謝：感謝中國地質大學(武漢)地球科學學院黃思驥教授和張哲老師在巖石薄片鑒定和粒度統計過程中給予的指導;感謝中國地質大學(武漢)資源學院王思源教授為論文提出的修改建議;感謝編輯及審稿專家為論文做的編輯和審閱工作。

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(責任編輯：于繼紅)

Analysis of the Grain size and Provenance of the Tongzhu Formation of the LowerJurassic in Huangshi Area,Hubei Privince and Its Geological Significance

QIN Yongjun1,2, DU Yuansheng2, YANG Jianghai2, BAI Xuefeng3

(1.GeologicalSurveyofGuizhouProvince,Guiyang,Guizhou550005; 2.FacultyofEarthScience,ChinaUniversityofGeoscience(Wuhan),Wuhan,Hubei430074; 3.ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofDagangOilfield,Tianjin300280)

Huangshi area is located in the south of Dabie Mountain and northeast of Yangtze Block.The sediment must have contained some information of the evolution of geotectonic framework of Yangtze Block and the uplift of Dabie Mountain,and so on.In this study,the authors conduced a comprehensive survey of microscopic examination of thin-sections,analysed of provenance and grain size statistic for the typical sedimentary rock samples collected from different beds of the Lower Jurassic Tongzhu Formation from Huangshi area.The present study indicates that clastic constituents are relative stable and mainly consist of quartzs,feldspars,debris and accessory minerals,the quartz content is high,feldspars and the debris content is low,with the later mainly composed of micritic/microcrystalline carbonate debris and accessory minerals including mica,pyroxene,hornblende.The debris are characteristic by good sorting and psephicity,and high compositional maturity.All these above suggest that the source regions are far away from study area.The grain size feature manifest:this area frequency grain-size curves mainly develop as bimodal and unimodal shapes.The characteristics of Grain size show that it is a stable meandering river sedimentary and the depositional environment has not been significantly affected by the uplift of the Dabie Mountains.

provenance analysis; grain size analysis; sedimentary environment; Jurassic; Tongzhu Formation; Huangshi area in Hubei

2014-07-24;改回日期:2015-03-12

貴州省地質礦產勘查開發局地質科學基金[黔地礦(2012)8號]資助。

覃永軍(1983-),男,工程師,博士生,古生物學與地層學專業,從事礦產資源管理與規劃、區域地質礦產調查和研究工作。E-mail:qinyongjun2008@163.com

P539

A

1671-1211(2015)03-0252-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503003

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1100.016.html 數字出版日期:2015-04-22 11:00