粒度分析在沉積環境判別中的應用

祁占虎　蔣艷春

摘要：沉積物粒度分析是恢復古氣候、研究古環境演變的一把鑰匙，根據粒度大小及其分布特征可區分沉積類型，辨別沉積時的自然地理環境及水動力條件。本文介紹了粒度分析的方法和概念，以鄂爾多斯市杭錦旗塔然高勒地區為例，分析了粒度資料在辨別沉積環境中的應用，并說明了其對鈾礦找礦工作的指導性意義。

關鍵詞：粒度；沉積環境

引言

近年來，隨著在鄂爾多斯市杭錦旗塔然高勒地區鈾礦地質工作的不斷推進，積累了大量的鈾礦地質勘查資料，我們已試圖用粒度分析資料來確定沉積環境，取得了良好的成果，且其為古地理環境重建工作奠定了堅實的基礎。礦物碎屑和巖屑組成沉積巖的基本顆粒，其大小、形態、組構、來源等是大地構造環境、氣候和水動力因素相互作用的結果。其中沉積物顆粒大小是水動力條件的直接反映，同時也是氣候干旱和潮濕的指示劑。從沉積物樣品的粒度參數中可以解譯出大量氣候和環境的演化信息。

1.粒度定義及其分析方法

1.1定義

粒度是指碎屑顆粒的大小，但碎屑顆粒的外形常極不規則，它的大小一般用體積值和線性值來表示。體積值可用標準直徑dn表示，它代表著與顆粒同體積的球體直徑。線性直徑是直觀度量出來的，由于顆粒形狀大都極不規則，因此通常要測量大、中、小三個直徑。在實際工作中，往往粒徑很小，大多碎屑樣品的粒徑<1mm。為了運算方便，目前廣泛采用φ值代替d值，是克魯賓根據伍登·溫德華粒級標準通過對數變換而來，其表達式定義為：

φ=-log₂d

其中d是顆粒直徑（mm）。

1.2粒度分析方法

根據顆粒大小及巖石致密程度不同，分析方法主要有三種：直接測量法、篩析法及薄片粒度法。本文主要討論篩析法。

篩析法時用一套篩孔直徑不同的篩子將砂樣過篩，以分成不同的粒級組分。通常，篩析樣品需要至少15g～20g，在振篩機上篩15min～20min，分級稱重。其中，若發現有未分離開的較大的顆粒集合體，則按一定百分數扣除。最后計算重量和累計百分數。振篩機的篩孔不宜過大，一般為1/2Φ或1/4Φ。篩析法對于具有細礫和砂的松散或弱膠結沉積巖具有比較準確的方法，其操作簡單，分析快速。

2.粒度曲線、參數

2.1粒度曲線

根據粒度分析結果，可以編制各種粒度曲線，主要有粒度概率累積曲線及C-M圖。

粒度概率累積曲線：是一種粒度累積曲線，是在正態概率紙上繪制而成，其橫坐標代表粒徑，縱坐標代表累積百分數，并以概率標度。概率曲線中碎屑沉積物的粒度不是一個簡單的對數正態分布，而是由幾個呈對數正態分布的次總體組成，一般包含三個總體，在曲線上表現為三個直線段，代表了三個不同的搬運方式，即懸浮搬運、跳躍搬運和滾動搬運，其在曲線上分別稱為懸浮總體、跳躍總體和滾動總體。其它參數有截點、混合度、次總體拜訪含量及分選性。

C-M圖：是一種粒度參數散布圖，C值為累積曲線上含量為1%的粒徑值，M值為累積曲線上含量為50%的粒徑值。C值與樣品中最粗顆粒的粒徑相當，代表了水動力攪動開始搬運的最大能量；M值是中值，代表了水動力的平均能量。

2.2粒度參數

粒度參數是以一定的數值定量的表示碎屑物質的粒度特征。常用的粒度參數包括：平均粒度、分選系數、偏度、峰度。

（1）平均粒徑（Mz）：代表粒度分布的集中趨勢，即碎屑物質的粒度一般是趨向于圍繞著一個平均的數值分布，它反映了搬運介質的平均動能。其公式為：

φ16、φ50和φ84分別代表累積曲線上百分含量為16%、50%、84%三處的粒徑（φ值）。

（2）分選系數（σ_i）：分選性的好壞可以作為環境標志，與沉積環境的水動力條件有密切關系。其公式為：

φ84、φ16、φ95和φ5分別代表累積曲線上百分含量為84%、16%、95%和5%四處的粒徑（φ值）。

（3）偏態（S_ki）：是用來表示頻率曲線對稱性的參數，實質上反映粒度分布的不對稱程度的。對稱形態特征可分為三類：正態（S_ki=0）、正偏態（S_ki>0）、負偏態（S_ki<0）。其公式為：

（4）峰態（K_g）：是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數。峰度值一般是用頻率曲線尾部展開度與中部展開度之比來表示的，其公式為：

在對稱正態曲線中，φ95與φ5之間粒度間距（尾部展開度）是φ75與φ25之間粒度間距（中部展開度）的2.44倍，因此正態粒度分布的K_g=1。

3.粒度分析在塔然高勒地區沉積環境判別中的應用

通過對塔然高勒地區直羅組下段粒度樣進行統計分析，其中中侏羅統直羅組下段下亞段砂巖以中粒、粗粒為主，各種粒級的砂巖所占比例以中粒最多，為54.30%，其次為細粒和粗粒，分別為24.8%、18.1%。而直羅組下段上亞段粒級主要為中粒。對數據進行處理后，得出CM圖，累積概率曲線，通過這些圖件可以對塔然高勒地區的沉積環境進行判別。

3.1粒度累積曲線

直羅組下段下亞段累積概率曲線出現二段式、三段式和一段式，但以二段式為主（圖3-1）。其中二段式和三段式主要以跳躍總體為主，一段式則以懸浮總體為主。累積概率曲線跳躍總體段斜率60°～70°，分選性好，懸浮總體段斜率20°～60°，牽引總體段斜率20°～60°。

直羅組下段上亞段累積概率曲線為二段式和一段式（圖3-2）。二段式為發育跳躍總體和懸浮總體，缺少牽引總體，且以跳躍總體為主，跳躍總體段斜率約為60°，分選性好，懸浮總體段斜率約為40°，分選性中等。一段式主要以懸浮總體為主，斜率為49°～53°，分選性中等。頻率直方圖以正偏為主，沒有對稱和負偏出現。

3.2C-M圖

由圖3-3可知，塔然高勒地區中侏羅統直羅組下段下亞段整體上符合牽引流的特征，主要出現PQ和QR段，QR段較發育，RS段不發育，即出現滾動段，遞變懸浮段，缺失均勻懸浮段，且最大擾動指數Cs=0，為水流起動能力較大的急流沉積，進而判斷其為辮狀河沉積體系。中侏羅統直羅組下段上亞段主要出現在QR段，PQ段不發育，表明其水動力較直羅組下段下亞段弱，初步推測為砂質辮狀河沉積體系。

3.3粒度參數

根據粒度樣品分析測試結果統計可知，塔然高勒地區碎屑巖平均粒徑Md范圍為-0.03mm～2.340mm；標準偏差σ為1.030～1.730，巖石分選較差；偏度SK為-0.02～0.910，以正偏-很正偏為主，部分近于對稱；峰度KG為0.640～1.78，頻率曲線形態平坦中等為主，部分很平坦和非常尖銳。結合以上粒度參數可以總結本區碎屑物平均礫徑變化較大，分選中等-差，偏度為正偏態即沉積物以粗組分為主，峰度以平坦中等為主，在統計數據中還見到一些極端（極高或極低）的峰度值、偏度值，異常峰度值是兩組沉積物混合沉積造成的，趨于零的偏度值巖性為不等粒砂巖或細-粗砂巖，即粒度差異較大的兩個碎屑組分含量近似相同混合沉積造成的，頻率曲線表現為平坦的馬鞍狀雙峰曲線，這兩種特殊的參數特征是河流沉積中最常見的。綜上所述，塔然高勒地區碎屑巖沉積環境為多物源的粗碎屑河流相沉積。

直羅組下段下亞段平均粒度主要集中在中砂范圍內，其次為粗砂，細砂所占比例很小，表明其粒度較粗，細粒較少，標準偏差為分選性中等-好，偏度為正偏和對稱，峰度為平坦-尖銳，多集中于中等-尖銳（圖3-4）。

與直羅組下段下亞段相比，直羅組下段上亞段平均粒度主要集中在中砂范圍內，但粒度相對稍細，水動力相對較弱。標準偏差直羅組下段下亞段和直羅組下段上亞段相似，直羅組下段上亞段均為正偏，沒有負偏的出現，表明直羅組下段多數為河流沉積的正偏度值，這也符合該區域的沉積環境特點，偏度為正偏，峰度主要為中等（近正態）（圖3-4）。

4.結論

粒度分析法是比較傳統的方法，它以統計學和物理學理論為基礎，是一種較為精確的分析方法。通過對塔然高勒地區粒度累積曲線、C-M圖及各個粒度參數的分析，其能較為準確地分析出塔然高勒地區碎屑巖沉積環境為多物源的粗碎屑河流相沉積。因此，粒度分析在沉積巖地區判別該地區的沉積環境可靠、準確，且能在該地區的找礦中具有指導意義。