湖北黄石地区下侏罗统桐竹园组下部物源和粒度分析及其地质意义

覃永军, 杜远生, 杨江海, 白雪峰

(1.贵州省地质矿产勘查开发局 贵州省地质调查院,贵州 贵阳 550005; 2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院,湖北 武汉 430074; 3.大港油田勘探开发研究院,天津 300280)

湖北黄石地区下侏罗统桐竹园组下部物源和粒度分析及其地质意义

覃永军1,2, 杜远生2, 杨江海2, 白雪峰3

(1.贵州省地质矿产勘查开发局 贵州省地质调查院,贵州 贵阳 550005; 2.中国地质大学(武汉) 地球科学学院,湖北 武汉 430074; 3.大港油田勘探开发研究院,天津 300280)

黄石地区处于大别山南麓,扬子地块东北缘,其沉积物必然敏感地反映扬子地块大地构造格架的演化和周缘山体隆升等信息。本次通过岩矿鉴定,进行物源和粒度分析,系统研究了采自黄石地区下侏罗统桐竹园组下部的典型砂岩样品。研究表明,样品中碎屑成分含量相对稳定,主要为石英、长石、岩屑及副矿物,以石英为主,少量长石,极少量岩屑并以沉积岩屑为主,少见云母,偶见辉石和普通角闪石等副矿物;碎屑物的分选性和磨圆度较好,成分成熟度较高。物质组成及组构显示物源区为远源的“再旋回造山带物源”类型。粒度特征显示为稳定的曲流河沉积,沉积环境未明显受周缘山体隆升的影响。结合古流向资料,表明当时物源可能主要来自华夏板块内部,而来自附近大别山的物源贡献较小。

物源分析;粒度分析;沉积环境;侏罗纪;桐竹园组;湖北黄石

山体隆升必然制约两侧盆地的沉积,其制约体现在盆地的沉积体系及沉积物组成[1]。盆地内沉积物既能反映沉积区的沉积环境信息,也是山体存在的记录和解释山体构造运动特性的证据[2]。物源分析方法是用沉积物的物质组成、含量和结构构造等研究恢复古环境、古地理和物源区的构造背景。迪金森[3-4]和Valloni[5]等学者利用碎屑物成分探讨盆地物源和形成的构造背景,取得了一套定量指标和图解,深化了人们对板块构造盆地类型、构造演化的认识,且在盆地物源和演化分析中得以广泛应用。而粒度分析方法在提取、识别、判断和分析沉积环境、沉积水动力条件以及油气沉积储存评价方面被广泛运用[6]。许多学者利用粒度参数和数据进行统计曲线和图解分析来判别沉积环境、沉积条件和沉积动力背景[7-9]。

黄石地区自元古代以来发育完整的沉积地层被视为研究扬子板块的良好地带,尤其是中生代以来,黄石地区的沉积物忠实地记录了相邻构造带的变形过程。然而,学者们研究了黄石地区的古生物学和古植物学[10-13],层序地层[14]、沉积相与沉积环境[15]、盆地演化[16]等,但未见运用物源和粒度分析方法研究侏罗纪的成果。因此,本次在桐竹园组下部地层中系统地采集碎屑岩样品,进行岩矿鉴定、物源和粒度分析,取得了黄石地区下侏罗统桐竹园组的物源和沉积环境的新信息,为判别黄石地区下侏罗统桐竹园组时期的沉积环境及大地构造背景提供了素材。

1 区域地质概况

黄石地区大地构造位置横跨扬子地块东北缘与大别山南缘。北接大别造山带,南接江南隆起中段,处于南北两大基底隆起之间,经历了稳定地台型沉积及后期的变形改造,盖层显然受控于南北两大隆起[17](图1)。

黄石地区前陆盆地同造山碎屑沉积覆盖于三叠纪浅海—海陆交互相的滨相碳酸盐和碎屑岩之上,主要包括上三叠统九里岗组、王龙滩组,下侏罗统桐竹园组和中侏罗统花家湖组。上三叠统在黄石地区岀露较差,其厚度为20 m左右,与下伏蒲圻组平行不整合接触。主要岩性为黑色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩,底部见砂砾岩,内夹煤层。桐竹园组与花家湖组为整合接触,花家湖组与上覆马架山组为平行不整合接触。桐竹园组划分为三个岩性段:第一段以灰—灰白色中—厚层状中—细粒石英砂岩为主,上部夹灰—灰绿色泥质粉砂岩、炭质泥岩及薄煤层,一般厚120～160 m;第二段底部为灰白色厚层状中—细粒石英砂岩,中上部为灰—深灰色粉砂岩、粉砂质泥岩,含菱铁矿结核,间夹炭质泥岩及薄煤层,一般厚120～140 m;第三段主要为灰黄色、灰绿色粉砂岩及粉砂质泥岩,间夹炭质泥岩及薄煤层,一般厚100～140 m。花家湖组为灰黄色、紫红色石英砂岩、长石石英砂岩,厚度1 000 m左右。早中侏罗世地层中见有大量植物和双壳类化石。上侏罗统—白垩系的马架山组、灵乡组和大寺组主要为一套火山—沉积建造,主要为流纹质火山角砾岩、凝灰岩、霏细岩和流纹质岩等火山岩,火山碎屑岩和灰色、紫红色、灰黄色砂砾岩,含砾砂岩,粉砂岩,泥质岩。

图1 黄石地区大地构造位置图(A)及地质简图(B)(据文献[17]修编)Fig.1 Location map of tectonics and generalized geological map图1-A显示秦岭—大别—苏鲁造山带的主要构造单元及分别位于大别山的北麓、南麓和东南麓的合肥、黄石和潜山前陆盆地。该造山带是华北和华南两地块早中生代碰撞拼合的缝合带。黑色区域代表华南地块上主要的古元古代基底露头,包括武夷、黄陵、铜陵和崆岭等地。图1-A中的斜线方框为图1-B的位置,代表黄石盆地位置。

2 采样信息及样品特征

2.1 采样信息

采样剖面位于黄石市内隧道口附近加油站对面(图1),剖面特征及采样层位见图2。剖面描述如下:

下侏罗统桐竹园组下部:野外实测真厚(下同)

14.7 m

图2 黄石地区下侏罗统桐竹园组下部岩性及采样位置示意图Fig.2 Schematic diagram of sampling location and lithology of Tongzhu Formation of the Lower Jurassic in Huangshi area

未见顶,第二段。

厚7.1 m

5层 细砂岩,在5.2 m段为平行层理,在5.5 m处可见大型楔状交错层理。

厚2.8 m

4层 中细粒砂岩,在此层4.0 m处见到砂岩中夹0.1 m厚、0.8 m宽的砂板岩透镜体。

厚3.8 m

3层 底部见冲刷面,为底砾岩、细砾岩、砂砾岩,多数为含砾粗砂岩,砾含量少,砾径较小且从下至上逐渐变细。

厚0.5 m

第一段。

厚7.6 m

2层 灰色、红褐色中层状粉砂岩、砂质泥岩,灰色泥岩。该段在7 m处见0.2 m灰色炭质页岩,上伏0.55 m厚的灰白色块状泥质粉砂岩,产状65°∠11°。

厚2.5 m

1层 灰黄色、灰绿色、黄褐色的粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩。

厚5.1 m

未见底

2.2 样品特征

经显微鉴定,砂岩薄片中的碎屑成分主要为石英、长石、岩屑、副矿物及重矿物,定名为岩屑石英砂岩,个别为石英砂岩、岩屑砂岩。其中以石英为主,见单晶和多晶石英,发育勃母纹现象。长石含量少,高岭土化。岩屑含量少,主要为泥晶—微晶碳酸盐岩屑、火山岩屑。副矿物主要为云母,少量辉石、普通角闪石。重矿物有磁铁矿、褐铁矿、绿帘石、榍石、电气石和锆石等。碎屑物的分选性及磨圆度较好,成分成熟度高。

3 物源与粒度分析的方法和结果

3.1 物源分析

3.1.1 物源分析方法

为了保证碎屑骨架组成统计结果的可靠性,本文依据Dickinson的方法特别约定了五条统计原则:①列入统计和作图的砂岩样品,其平均粒度限定在中粒—粗粒(包括含砾砂岩)之间,即算术粒级0.2～2 mm,砾岩样品仅供参考。目的是尽可能减小由于碎屑粒度—成分习性而导致的统计误差。②排除杂基含量>25%的杂砂岩样品。③由于区域上不存在内源灰岩物源,或供给的可能性极小(<1%),故灰岩岩屑按常规沉积岩岩屑进行统计。④被自生矿物交代的骨架颗粒,按残留颗粒或恢复的原碎屑组分统计。⑤采用镜下正方网格交点法统计组分含量,每个样品统计颗粒数不少于300颗,网格间距取样品平均粒度的两倍值。

3.1.2 物源分析结果

除去基质和其他成分,仅对石英(单晶、多晶)、长石、岩屑(火山岩屑、沉积岩屑)进行百分含量计算。结果显示:石英总含量高,除B2(79.6%)、B3(74.5%)和B4(97.3%)外,均在80%～90%之间,下部出现波动,整体呈现出不太明显的增多趋势(图3,Qt/Qt+F+L);但在石英含量中多晶石英含量呈减少趋势(图3,Qp/Qp+Qm)。长石含量很小,多数在1%～4%之间,仅B2达到8%(图3,F/ Qt+F+L),高岭土化强。岩屑含量大多数在10%～15%之间(除B3为24.04%和B4为2.71%外)(图3,L / Qt+F+L),火山岩屑在碎屑总数中<7.5%(除B11为9.61%)。在岩屑含量中火山岩屑含量总体<50%(图3,Lv/L)。副矿物中不稳定的辉石、普通角闪石含量少,碎屑的分选性、磨圆度和成熟度均高。

图3 黄石地区下侏罗统桐竹园组砂岩特征组分含量变化Fig.3 Contents variation of characteristics of sandstone of Tongzhu Formation of the Lower Jurassic in Huangshi areaQ t.石英总量;Qm.单晶石英;Qp.多晶石英、燧石;F.长石总量;L.岩屑总量;Lv.火山岩、变火山岩岩屑。

3.2 粒度分析

3.2.1 粒度分析方法

根据粒度分析需要,挑选11个层位的11件样品进行粒度统计。所选标本石英总含量均>70%,溶蚀交代和次生加大边等现象弱,符合统计标准。按照常规方法进行预处理[18-19],采取薄片粒度统计方法中的线计法[20],平行直线之间的距离为Φ平均值的两倍,凡是落在直线上的颗粒均测量其最大视直径,每个薄片至少统计300颗。把统计数据换算成Φ值,运用公式D=0.381 5+0.902 7d(D为校正后的筛选直径Φ值,d为薄片中视直径Φ值)计算出D值,按照1/4Φ区间进行颗粒数统计,各个区间所测到的颗粒数与总颗粒数之比值为该区间颗粒的数量百分含量,按1/4Φ间距对某一Φ值颗粒进行累积百分含量统计,在数据处理过程中同时进行杂基校正。

3.2.2 粒度分析结果

测试结果利用已开发的粒度分析软件数据系统进行计算机处理,绘制出每个样品的频率曲线图、概率累积曲线图(图4)。

粒径分布特征 剖面样品粒度粒径范围在0.5～4.5Φ之间,变化较大;颗粒总体偏小,从剖面底部向顶部峰值从1.75～2Φ区间逐渐增大至2.5～2.75Φ区间,反映粒度总体变小。

频率曲线特征 粒度频率分布曲线(图4)显示粒度频率分布较为简单,其主要特征有:①发育单峰式和双峰式,不发育三峰式,其中B1、B3、B14、B18、B20为双峰式,B4、B6、B8、B9、B11、B16为单峰式;峰值粒径范围1.8～2.55Φ,对称性不好,峰态以正态分布为主,从下至上峰式呈下部双峰—中部单峰—上部双峰的总体变化模式,中部个别双峰式(B14)。②峰态(尖度)不正常,基本为中—窄峰,仅B6为宽峰。③偏度总体为正偏,部分接近正态分布。

累积频率曲线特征 概率粒度累积曲线(图4)显示主要特征有:①整体呈两段型,仅B8呈两段型延伸的上三段型;②跳跃段主体斜率为60%～75%;③跳跃段直线与悬浮段直线的交角为135°～165°;④大多数截点在2.75～3.25Φ之间。

众数分布特征 众数分布(图5)显示的主要特征有:①从下至上粒度的众数Φ值逐渐增大,表明粒径逐渐变细;②中部的B6与B8之间和B11与B14之间众数Φ值呈现忽然减小的变化,与整体变大的趋势相反,反映粒径存在突然增粗的两个旋回。

图4 桐竹园组剖面柱状图与沉积构造、频率曲线、概率曲线及众数分布特征对比图Fig.4 Colummar section of profile about Tongzhu Formation and contrast diagram of sedimentary structure,frequency curve,probability curve and mode distribution

4 讨论与结论

石英含量的多少除受物源区的影响外,还可以反映沉积物搬运距离的远近。岩屑的含量及其特殊的岩屑(泥晶、微晶碳酸盐)一定程度上也可以反映物源区的远近。火山岩屑含量指示源区构造活动的强弱。长石含量的变化取决于分解速度与侵蚀速度的平衡关系,富集长石往往预示着活动强。黄石地区桐竹园组中石英含量高,岩屑含量少并含泥晶、微晶碳酸岩盐岩屑,火山岩屑含量仅占7.5%左右,上述信息反映该区桐竹园组下部物源区远且构造活动弱的特点。另外,副矿物中不稳定的辉石、普通角闪石含量少,碎屑的分选性、磨圆度和成熟度均高,反映当时沉积区的环境相对稳定。

利用Dickinson的砂岩碎屑组分图解投图(图5)。在图5中Q-F-L图上桐竹园组除个别投在大陆块物源区外,几乎都落在再旋回造山物源区,而在Qm-F-Lt图上得到同样的结果。在Qp-Lv-Ls图上分布比较散,一部分投在碰撞缝合带或褶皱—冲断带物源区,少数落在俯冲混杂物源区,而大多数属混合造山带物源区。反映黄石地区桐竹园组物源源区复杂,主要为“混合造山带的再旋回物源”类型兼有碰撞缝合带或褶皱—冲断带物源和俯冲混杂物源。

图5 黄石地区武昌组砂岩Dickinson[7]模式组分物源判别图解Fig.5 Discrimination diagram of provenance of Dickinson model components of sandstoneQt.石英总量;Qm.单晶石英;Qp.多晶石英、燧石;F.长石总量;L.岩屑总量;Lv.火山岩、变火山岩岩屑;Ls.沉积岩、变沉积岩岩屑;Lt.单晶石英与岩屑总量。

不同的粒度参数和粒度曲线图解反映的沉积环境不尽相同。频率曲线的单峰态表明沉积物成分单一,为相对稳定的低水能条件下形成;双峰态表明沉积物有两种主要成分组成,在沉积过程中有其他作用参加进来[21],一般代表河流相沉积;三峰态反映受基岩风化沉积作用影响。本区频率曲线主要为单峰、双峰,未发育三峰,反映沉积环境可能属于河流相沉积而未受基岩风化沉积作用影响。对比频率曲线和剖面沉积构造(图5),其峰态和岩性、层理构造的变化关系为:下部双峰对应剖面上岩性较为混杂,主要为粗—中粒砂岩、砂砾石,沉积构造为冲刷构造、均匀层理和平行层理,反映了距冲刷面较近,水流较大而带动颗粒较粗特征,可能为相对波动的中等能量环境;中部单峰对应剖面上岩性为中—细砂岩,岩石颗粒分选性好,沉积构造为槽状交错层理、板状交错层理和水平层理夹波状层理透镜体,反映了水流动力条件为相对稳定的中—低能环境;上部双峰对应岩性为细砂岩夹板岩,局部泥岩,沉积结构构造为楔状交错层理、水平层理、波状层理和爬升层理,反映该时期水动力条件为相对低能环境。另外,中部B6和B14的峰态与其上下的峰态存在不协调性,其意义不尽相同。B6的峰态宽缓,似双峰特征,之上B8和之下B4均为单峰,在剖面上B4的岩性为较纯的中—细粒砂岩,B6为细砂岩,B8为夹泥岩的中—细粒砂岩,反映水动力条件忽然减弱后又增强的沉积作用变化。B14为中—窄的双峰式,而上下均为中等宽缓的单峰式,在剖面上B14对应的岩性为细砂岩,发育大型楔状交错层理,而上下岩性虽也为细砂岩,但其下发育水平层理,其上发育波状或水平层理,反映了该时期的水动力条件有忽然加强的特征。

沉积物的粒度主要受搬运介质、搬运方式和沉积环境等因素控制。其中,沉积物的搬运方式主要有悬浮、跳跃和底面推移3种[1,20]。不同的搬运方式,在概率累积曲线上呈现不同的几条直线段。每一段的斜率代表分选性的好坏,斜率越大代表分选性越好,反之则分选性差。线段之间的交角可以表示不同成因粒度组分的混合程度,交角越大,混合度越高,表示组分混合强,水力学条件变化大[1,22-23]。线段相交的地方为截点,截点的大小可以反映搬运介质的扰动强度,强度高的在较粗粒度上发生截断[1,20,24]。本区主要为两段型及衍生的上三段型曲线,不发育三段型,说明本区不发育推移总体,仅发育跳跃总体和悬浮总体,其中跳跃总体占主导地位,体积分数>60%,多数为75%～99%。跳跃总体的斜率在60%～75%,说明分选性好。跳跃总体线段与悬浮总体线段的交角在135°～165°之间,表明组分混合从一般到较强,水力学条件变化较大。跳跃总体线段与悬浮总体线段的截点基本在2.75～3.25Φ区间,表明水体的扰动强度较大。从下部(B1)到上部(B20)跳跃总体含量呈减少趋势,而颗粒粒度也逐渐变细,剖面层理类型从下至上依次为冲刷层理、均匀层理、平行层理、槽状交错层理、板状交错层理、水平层理夹波状层理透镜体、大型楔状层理和爬升层理,两者共同反映该区从下至上水动力条件上逐渐减弱。本区的概率累积图上参数特征与曲流河的特征非常一致[24],反映本区可能为曲流河相沉积环境。

众数是含量最多的颗粒粒径,它对研究混合来源的物质特别有效。它的各种变化反映陆源沉积物的分选性、偏度、峰态的变化,对于确定岩石单元或沉积总体的沉积趋势以及对物源区的研究也具有明显的意义,可以在一个结构大类所代表的范围中更详细区分沉积物,提供一个更为准确的粒度分布特征。该区众数Φ值从下至上逐渐变大,反映粒度从下至上逐渐变细,这与频率曲线图、累积曲线图上反映的粒度变化趋势整体一致,也与采样剖面的岩性和沉积构造的变化一致。中部的B6和B14的众数Φ值发生了明显变化,而频率曲线上的峰型和峰态也相应发生了与上下不协同的变化,其变化特征与剖面图上的岩性、结构和构造也可以对比。

综上所述,本文研究的黄石地区桐竹园组下部的沉积环境发育有稳定的曲流河沉积。沉积环境从下至上、从中等能量环境到稳定的中—低能环境,最后演化为低能环境。发生两次沉积环境变化,一次(B6)是从中等能量的沉积环境忽然变化为低能沉积环境,再突变至中—低能环境;一次(B14)是从中—低能环境突变至中能环境,随后沉积环境量能逐渐变低。

5 地质意义

本文研究结果显示下侏罗纪桐竹园组下部物源区主要属于远源的混合造山带的再旋回物源,沉积环境为稳定的曲流河沉积。“远源区”物源特征和沉积区稳定的沉积环境,结合当时古流方向资料[25-26]和来自碎屑锆石的物源研究,反映物源可能主要来自华夏板块内部,是华夏板块内部碰撞拼接的信息体现,而来自毗邻的大别山物源贡献微弱。发育较少的碰撞缝合带(褶皱—冲断造山带)、俯冲混杂物源和基本未见岩浆弧物源,结合微弱的沉积环境变化,可能是大别山南麓发生大规模隆升的前兆。直至中侏罗纪花家湖组物源从底部向上虽然表现长石和岩屑含量逐渐增大而石英含量逐渐减小的趋势,但物质组成仍然以石英含量为主体,而弧造山带物源供应虽有增多的趋势但不明显。反映了大别山南麓在下、中侏罗统时期尚未根本改变中三叠纪的盆山格局,此时期中国的大地构造格架可能为东高西低的格局。而上侏罗统—白垩纪发育酸性火山岩与火山碎屑岩的旋回填充,盆地充填物以造山后火山弧为主,上白垩统砂岩岩屑和砾石组成指出其物源区为“弧造山带”类型,物源发生了根本的变化[27]。反映黄石地区构造格架发生根本的变化,大别山的最终隆起,中国的大地构造格架也最终变成了西高东低的格局。

致谢：感谢中国地质大学(武汉)地球科学学院黄思骥教授和张哲老师在岩石薄片鉴定和粒度统计过程中给予的指导;感谢中国地质大学(武汉)资源学院王思源教授为论文提出的修改建议;感谢编辑及审稿专家为论文做的编辑和审阅工作。

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(责任编辑：于继红)

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

贵州省地质矿产勘查开发局地质科学基金[黔地矿(2012)8号]资助。

覃永军(1983-),男,工程师,博士生,古生物学与地层学专业,从事矿产资源管理与规划、区域地质矿产调查和研究工作。E-mail:qinyongjun2008@163.com

P539

A

1671-1211(2015)03-0252-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503003

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1100.016.html 数字出版日期:2015-04-22 11:00