粒度分析在沉积环境判别中的应用

祁占虎　蒋艳春

摘要：沉积物粒度分析是恢复古气候、研究古环境演变的一把钥匙，根据粒度大小及其分布特征可区分沉积类型，辨别沉积时的自然地理环境及水动力条件。本文介绍了粒度分析的方法和概念，以鄂尔多斯市杭锦旗塔然高勒地区为例，分析了粒度资料在辨别沉积环境中的应用，并说明了其对铀矿找矿工作的指导性意义。

关键词：粒度；沉积环境

引言

近年来，随着在鄂尔多斯市杭锦旗塔然高勒地区铀矿地质工作的不断推进，积累了大量的铀矿地质勘查资料，我们已试图用粒度分析资料来确定沉积环境，取得了良好的成果，且其为古地理环境重建工作奠定了坚实的基础。矿物碎屑和岩屑组成沉积岩的基本颗粒，其大小、形态、组构、来源等是大地构造环境、气候和水动力因素相互作用的结果。其中沉积物颗粒大小是水动力条件的直接反映，同时也是气候干旱和潮湿的指示剂。从沉积物样品的粒度参数中可以解译出大量气候和环境的演化信息。

1.粒度定义及其分析方法

1.1定义

粒度是指碎屑颗粒的大小，但碎屑颗粒的外形常极不规则，它的大小一般用体积值和线性值来表示。体积值可用标准直径dn表示，它代表着与颗粒同体积的球体直径。线性直径是直观度量出来的，由于颗粒形状大都极不规则，因此通常要测量大、中、小三个直径。在实际工作中，往往粒径很小，大多碎屑样品的粒径<1mm。为了运算方便，目前广泛采用φ值代替d值，是克鲁宾根据伍登·温德华粒级标准通过对数变换而来，其表达式定义为：

φ=-log₂d

其中d是颗粒直径（mm）。

1.2粒度分析方法

根据颗粒大小及岩石致密程度不同，分析方法主要有三种：直接测量法、筛析法及薄片粒度法。本文主要讨论筛析法。

筛析法时用一套筛孔直径不同的筛子将砂样过筛，以分成不同的粒级组分。通常，筛析样品需要至少15g～20g，在振筛机上筛15min～20min，分级称重。其中，若发现有未分离开的较大的颗粒集合体，则按一定百分数扣除。最后计算重量和累计百分数。振筛机的筛孔不宜过大，一般为1/2Φ或1/4Φ。筛析法对于具有细砾和砂的松散或弱胶结沉积岩具有比较准确的方法，其操作简单，分析快速。

2.粒度曲线、参数

2.1粒度曲线

根据粒度分析结果，可以编制各种粒度曲线，主要有粒度概率累积曲线及C-M图。

粒度概率累积曲线：是一种粒度累积曲线，是在正态概率纸上绘制而成，其横坐标代表粒径，纵坐标代表累积百分数，并以概率标度。概率曲线中碎屑沉积物的粒度不是一个简单的对数正态分布，而是由几个呈对数正态分布的次总体组成，一般包含三个总体，在曲线上表现为三个直线段，代表了三个不同的搬运方式，即悬浮搬运、跳跃搬运和滚动搬运，其在曲线上分别称为悬浮总体、跳跃总体和滚动总体。其它参数有截点、混合度、次总体拜访含量及分选性。

C-M图：是一种粒度参数散布图，C值为累积曲线上含量为1%的粒径值，M值为累积曲线上含量为50%的粒径值。C值与样品中最粗颗粒的粒径相当，代表了水动力搅动开始搬运的最大能量；M值是中值，代表了水动力的平均能量。

2.2粒度参数

粒度参数是以一定的数值定量的表示碎屑物质的粒度特征。常用的粒度参数包括：平均粒度、分选系数、偏度、峰度。

（1）平均粒径（Mz）：代表粒度分布的集中趋势，即碎屑物质的粒度一般是趋向于围绕着一个平均的数值分布，它反映了搬运介质的平均动能。其公式为：

φ16、φ50和φ84分别代表累积曲线上百分含量为16%、50%、84%三处的粒径（φ值）。

（2）分选系数（σ_i）：分选性的好坏可以作为环境标志，与沉积环境的水动力条件有密切关系。其公式为：

φ84、φ16、φ95和φ5分别代表累积曲线上百分含量为84%、16%、95%和5%四处的粒径（φ值）。

（3）偏态（S_ki）：是用来表示频率曲线对称性的参数，实质上反映粒度分布的不对称程度的。对称形态特征可分为三类：正态（S_ki=0）、正偏态（S_ki>0）、负偏态（S_ki<0）。其公式为：

（4）峰态（K_g）：是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的参数。峰度值一般是用频率曲线尾部展开度与中部展开度之比来表示的，其公式为：

在对称正态曲线中，φ95与φ5之间粒度间距（尾部展开度）是φ75与φ25之间粒度间距（中部展开度）的2.44倍，因此正态粒度分布的K_g=1。

3.粒度分析在塔然高勒地区沉积环境判别中的应用

通过对塔然高勒地区直罗组下段粒度样进行统计分析，其中中侏罗统直罗组下段下亚段砂岩以中粒、粗粒为主，各种粒级的砂岩所占比例以中粒最多，为54.30%，其次为细粒和粗粒，分别为24.8%、18.1%。而直罗组下段上亚段粒级主要为中粒。对数据进行处理后，得出CM图，累积概率曲线，通过这些图件可以对塔然高勒地区的沉积环境进行判别。

3.1粒度累积曲线

直罗组下段下亚段累积概率曲线出现二段式、三段式和一段式，但以二段式为主（图3-1）。其中二段式和三段式主要以跳跃总体为主，一段式则以悬浮总体为主。累积概率曲线跳跃总体段斜率60°～70°，分选性好，悬浮总体段斜率20°～60°，牵引总体段斜率20°～60°。

直罗组下段上亚段累积概率曲线为二段式和一段式（图3-2）。二段式为发育跳跃总体和悬浮总体，缺少牵引总体，且以跳跃总体为主，跳跃总体段斜率约为60°，分选性好，悬浮总体段斜率约为40°，分选性中等。一段式主要以悬浮总体为主，斜率为49°～53°，分选性中等。频率直方图以正偏为主，没有对称和负偏出现。

3.2C-M图

由图3-3可知，塔然高勒地区中侏罗统直罗组下段下亚段整体上符合牵引流的特征，主要出现PQ和QR段，QR段较发育，RS段不发育，即出现滚动段，递变悬浮段，缺失均匀悬浮段，且最大扰动指数Cs=0，为水流起动能力较大的急流沉积，进而判断其为辫状河沉积体系。中侏罗统直罗组下段上亚段主要出现在QR段，PQ段不发育，表明其水动力较直罗组下段下亚段弱，初步推测为砂质辫状河沉积体系。

3.3粒度参数

根据粒度样品分析测试结果统计可知，塔然高勒地区碎屑岩平均粒径Md范围为-0.03mm～2.340mm；标准偏差σ为1.030～1.730，岩石分选较差；偏度SK为-0.02～0.910，以正偏-很正偏为主，部分近于对称；峰度KG为0.640～1.78，频率曲线形态平坦中等为主，部分很平坦和非常尖锐。结合以上粒度参数可以总结本区碎屑物平均砾径变化较大，分选中等-差，偏度为正偏态即沉积物以粗组分为主，峰度以平坦中等为主，在统计数据中还见到一些极端（极高或极低）的峰度值、偏度值，异常峰度值是两组沉积物混合沉积造成的，趋于零的偏度值岩性为不等粒砂岩或细-粗砂岩，即粒度差异较大的两个碎屑组分含量近似相同混合沉积造成的，频率曲线表现为平坦的马鞍状双峰曲线，这两种特殊的参数特征是河流沉积中最常见的。综上所述，塔然高勒地区碎屑岩沉积环境为多物源的粗碎屑河流相沉积。

直罗组下段下亚段平均粒度主要集中在中砂范围内，其次为粗砂，细砂所占比例很小，表明其粒度较粗，细粒较少，标准偏差为分选性中等-好，偏度为正偏和对称，峰度为平坦-尖锐，多集中于中等-尖锐（图3-4）。

与直罗组下段下亚段相比，直罗组下段上亚段平均粒度主要集中在中砂范围内，但粒度相对稍细，水动力相对较弱。标准偏差直罗组下段下亚段和直罗组下段上亚段相似，直罗组下段上亚段均为正偏，没有负偏的出现，表明直罗组下段多数为河流沉积的正偏度值，这也符合该区域的沉积环境特点，偏度为正偏，峰度主要为中等（近正态）（图3-4）。

4.结论

粒度分析法是比较传统的方法，它以统计学和物理学理论为基础，是一种较为精确的分析方法。通过对塔然高勒地区粒度累积曲线、C-M图及各个粒度参数的分析，其能较为准确地分析出塔然高勒地区碎屑岩沉积环境为多物源的粗碎屑河流相沉积。因此，粒度分析在沉积岩地区判别该地区的沉积环境可靠、准确，且能在该地区的找矿中具有指导意义。