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甘肃敦煌现代边滩砂级颗粒叠瓦构造的成因解析

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 沉积学报 2016-05-03甘肃敦煌现代边滩砂级颗粒叠瓦构造的成因解析论文作者:倪良田 钟建华 李勇 黄雷桐 邵珠福 刘圣鑫 孙宁亮 郝兵 毛毳 熊志强 田媛 ,原文发表在《沉积学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 砂 叠瓦构造 倾角 倾向 水流方向 边滩
摘要: 从近年来对甘肃敦煌党河和敦煌阿克塞河进行的详细的工作中发现了在现代边滩砂级颗粒中也会发育叠瓦构造,且远比砾石中的叠瓦构造复杂。首先,研究发现砂级叠瓦构造的倾角比砾石叠瓦构造的倾角变化要大,介于12°~88°之间,倾角均值在51°~63°,明显大于同河段砾石叠瓦构造的倾角34°,倾角如此之大可能与颗粒的紧密堆积有关;其次,倾向无砾石叠瓦构造那么稳定,有时可在小范围内呈现出双倾向。叠瓦构造倾角的统计分析数据也表明其稳定性不好;三是砂级叠瓦构造可以受薄层的控制,也可以呈层块状;四是根据砂级颗粒的接触关系又可以将其分为两种:颗粒支撑的叠瓦构造和含杂基的颗粒支撑叠瓦构造。颗粒支撑的叠瓦构造发育在"清水"环境,一般是在洪水的稳定期形成的;而含杂基的颗粒支撑砂级叠瓦构造则是发育在浊水环境,可能是在洪水的高峰时期形成的。
砂级叠瓦构造的研究对于沉积环境的研究、古流分析和储层的研究具有重要的意义。颗粒支撑的砂级叠瓦构造还可以形成特殊的屏蔽孔隙,成为很好的储集空间,是砂岩储层出现各向异性的根本。

倪良田, 钟建华, 李勇, 黄雷桐, 邵珠福, 刘圣鑫, 孙宁亮, 郝兵, 毛毳, 熊志强, 田媛, 王晓楠, 李伟华 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580
收稿日期: 2015-05-04; 收修改稿日期: 2015-06-27
基金项目: 国家自然科学基金项目(41172093);教育部博士点基金(20030425008,20060425509)
作者简介: 倪良田 男 1985年出生 博士研究生 沉积学
通讯作者: 钟建华 男 教授

0 引言

非三维等轴砾石、尤其是扁平砾石在流水、波浪或重力流的作用下,为了保持其最稳定的排列状态便会发生定向排列,形成类似叠瓦一样的沉积构造,即我们所说的“叠瓦构造”。

美国地质学家Becker(1893)在其著作Finite Homogeneous Strain,Flow and Rupture of Rocks将碎屑颗粒的优选排列作为叠瓦构造[1],是研究叠瓦构造的前驱。随着研究的深入,新问题的不断涌现,有必要进行更深入的研究。

叠瓦构造具有分布的广泛性,无需露头太大而具有很好的实用性[2]。很小的露头区即可利用叠瓦构造来研究古水流,条件是必须从多个方向或砾石被风化出来可以在三维上观察。White[3]及Schlee[4]等利用叠瓦构造来研究古流方向。Krumbein[5, 6, 7]和其他的学者指出,在河流中卵石的短轴通常倾向下游,最大的投影面(中间轴和最长轴)倾向上游。对俄勒冈州西北Santian河的研究表明,在边心滩上叠瓦的方向与河流方向有很大的偏离[8]。砾石的长轴与搬运水流的方向一致,倾向上游[6],但在另一些情况下,砾石也会倾向下游。与此相反,在河流相砾石的长轴与水流方向有着复杂关系[8],尤其是砾石长轴会垂直水流的现象已有学者注意到[9]。Jouansson[10]在实验室模拟了叠瓦构造的形成过程并探讨了叠瓦构造的形成机制。Schmincke et al.[11]、Kamata et al.[12, 13]、Ventura et al.[14]及David et al.[15]等研究了砾级颗粒叠瓦构造,但也有一些人发现在火山碎屑中的叠瓦构造,并通过它们来确定火山口的位置。上个世纪50—60年代是叠瓦构造研究的高峰时期,这期间有许多学者探讨了细粒碎屑岩的叠瓦构造[16, 17, 18, 19, 20, 21],有学者从薄片的角度来研究叠瓦构造,但随后少有人追随,表明这种方法用来研究叠瓦构造的适用性有限。近期,如Millane et al.[22]介绍了一种利用激光扫描方法自动测定叠瓦构造和河流沉积物确定古流向的方法。绝大数学者只是利用叠瓦构造的倾向来确定(古)水流方向或物源区位置[23, 24],只有少数学者研究了叠瓦构造的倾角与环境的关系[25]。事实上,后者的意义同样很大,由于我们目前做的工作极其有限,叠瓦构造倾角的许多意义还未发掘出来。

目前为止,人们对叠瓦构造的研究主要局限在砾石级的颗粒,对于砂级颗粒的叠瓦构造的研究还没有取得突破。在研究过程中我们发现利用数字照相结合照片多倍放大,可以探讨用一种介于微观(薄片尺度)和宏观(肉眼直接观察)之间的方法来研究砂级颗粒的叠瓦构造。事实上,由于砂级颗粒对水流的响应比砾石更敏感,因而砂级颗粒叠瓦构造携带的地质信息远远多于砾石,所以研究砂级颗粒叠瓦构造的意义远比研究砾石叠瓦构造要大。本文从近年来在甘肃敦煌获得的大量现代河流边滩资料出发,初步地研究了砂级颗粒的叠瓦构造。

1 党河边滩与沙沟子边滩的特征

本次研究的两个实例,一是敦煌市附近的党河边滩;二是敦煌阿克塞乡附近的沙沟子边滩。其特点以下分述:

(1) 党河边滩。甘肃敦煌市南郊的党河大桥附近。研究区位于党河中下游,河段为一般宽200~300 m、长近1 km的顺直河,见图 1。党河大桥边滩位于党河大桥下游的东岸,边滩宽150~200 m,长500~600m,高50~120 cm,是一个二级边滩,一级边滩高50~60 cm,向外微倾斜,倾角在6°~7°。二级边滩高100~120 cm,二级边滩上生长了很多植物。边滩主要由含砾中粗砂组成,主要发育了平行层理、水平层理、工具痕、障碍痕、泥裂、小型变形层理及叠瓦构造,图版Ⅰ。砂粒的矿物成份主要为火山岩岩屑和变质岩岩屑,有少量石英和长石。分选性较好,由于大部分砂粒呈板片状,所以颗粒的直径要用两个参数来表征,长轴多在0.5~1.0 mm,短轴多在0.1~0.3 mm,直径取两者的平均值为0.47 mm,落在细砂级范畴。在砂粒细层中有时偶含直径数毫米到数厘米的砾石。砾石主要为火山岩,磨圆很好。一级边滩内缘因河流侵蚀而出露良好,成为了理想的研究场所。党河是一个典型的季节性河流,一年大多数时候干涸,为研究创造了得天独厚的条件。


图 1 党河大桥边滩远景图Fig. 1 The birdeye view of the point bar in Dang River Bridge, Dunhuang, Gansu
图选项
(2) 沙沟子边滩。另一个最典型的实例在敦煌阿克塞的砂沟子剖面(图 2)。砂沟子剖面在阿克塞河上游的砂沟子公路养路站附近,距敦煌71 km,距阿克塞县城8 km。阿克塞河是一个流经沙漠的季节性河流,只有在雨季的过流,一年的大多数时间处于干涸。发育两种类型叠瓦构造剖面:一是薄层状颗粒支撑叠瓦构造剖面;另一个是薄层状杂基支撑叠瓦构造剖面。


图 2 敦煌阿克塞砂沟子剖面位置图Fig. 2 Location of the profile Shagouzi in Akesai, Dunhuang
图选项
第一个研究剖面在图 2中的绿色矩形所在位置。河床主要为中粗砾,成分主要为火山岩和变质岩,磨圆很好到很差,分选较差。所研究的剖面砂粒的成分也是以火山岩和变质岩为主,砂主要由风成砂丘提供,形成这种高成熟度的砂层。整个剖面由细粒物质形成,剖面厚40~45 cm,长30余米,宽20余米,平面上呈三角形,尖端指向河床相反方向。细层非常平坦,连续性极好,具明显的正粒序性。同时发育有泥裂、变形层理及冲刷—充填面。可见一直径约20 cm的大砾石,偶见直径数厘米的泥砾,说明边滩的能量很高。观察发现,该剖面也有两种类型的叠瓦构造:一种是以层厚较大和颗粒较粗的颗粒支撑叠瓦构造;另一种是层厚相对较小(1~2 cm)和粒度也相对较小、发育在软沉积变形褶皱层中的颗粒支撑叠瓦构造。前者的粒度多在细砂级,含板岩、片岩颗粒较多,砂岩颜色相对较深;后者的粒度多在粉砂级,含板岩、片岩颗粒较少,所以颜色偏浅。

第二个研究剖面发育在上一个剖面上游0.1 km处蓝色矩形所在位置,河型与上个剖面相同。该剖面的总厚度约40 cm,长约65 m,宽12~34 m,呈三角状顺河道延伸。其内部发育了10余个次级的正韵律层。正韵律层的厚度在数毫米到10 cm左右。砂级颗粒大部分同样来自于风成砂丘。

上述两个边滩的河床主要为中粗砾,成分主要为火山岩和变质岩,磨圆很好到很差,分选较差。砾石形成的叠瓦构造的倾角在34°左右。

2 砂级叠瓦构造分析

砂级叠瓦构造的分析方法有必要介绍一下操作过程[27]。这项研究主要是通过野外照片在室内条件分析进行的,所以野外采集高质量的图像是关键。我们使用的是佳能SX150相机。该机有较好的近摄功能,可以在数毫米内对对象进行拍摄。

首先用具有微距摄影功能的相机在1~2 cm的近距用5 M或8 M的像素拍摄一系列图片。回到室内后在电脑上将需要的图片和内容进行放大,一般放大到2~3倍就能看到叠瓦构造,最大可以放大到30倍(但图像很模糊)。要特别提及的是,由于球差在照片的四个角上会出现四个离散的叠瓦效应,会使砂级颗粒出现向四个角方向的倾向。所以只有在图片最中央(镜头中心线覆盖的小区域)的5~10%像素才比较真实,可用于分析研究。在手标本上用10倍放大镜仔细观察也可见到这种砂级颗粒形成的叠瓦构造。此外,判断所截图片视域中是否有畸变形成的加叠瓦构造的另一个可靠依据是:在有的情况下可以见到微区中有相邻的反向叠瓦构造,如果是畸变假叠瓦构造应该同向。需要说明的是,由于本次研究的剖面均平行于河流主流向,所以获得的叠瓦构造倾角基本上同于真倾角。

为了获得更精确的结果,在具体分析时我们采用了两种方法进行对比:一种是网格法(图 3),只对交点上的颗粒进行统计;另一种是平行线法(图 4),对直线相交的颗粒进行统计,当一个颗粒横跨两条直线时只统计一次。


图 3 网格法分割图Fig. 3 Segmentation picture by grid method
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图 4 平行线法分割图Fig. 4 Segmentation picture by parallel line method
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根据薄层的厚度、多少、薄层的组合关系、薄层的结构及薄层的产出状况等,本文初步将叠瓦构造分为三种类型,以下分述:

2.1 薄层控制的砂级颗粒支撑叠瓦构造

图版Ⅰ-A中的层理很容易将其定为水平层理,实际上这是一种平行层理。细层很薄,厚度多在1 mm左右,侧向非常稳定。粒度在细砂到粉砂级,中间还夹有 < 1 mm厚的泥质薄层,所以很容易定为水平层理。薄层中发育了很好的叠瓦构造,其侧向可以过渡为含细砾的平行层理。产于河漫滩靠河道一侧,向外微倾斜,倾角在6°~7°,应为滩脊或滩台(图 3)。边滩表面有少量直径数厘米的砾石,并围绕砾石发育了障碍痕,同时还有植物形成的工具痕和小型侵蚀坑穴,说明这种层理形成于高能环境,是一种平行层理,而不是低能环境下形成的水平层理。

将图版Ⅰ-A中心白色方块部分放大约12倍后得到图 5。对图 5中的砂级颗粒的粒度进行统计分析,砂级颗粒的粒度分布区间在0.13~0.89 mm之间,粒度中值在0.45~0.57之间,介于细砂和粉砂的过渡粒度,呈较好的正态分布。同时对砂级颗粒叠瓦构造的倾角进行了统计分析,结果总结在图 6、图 7和表 1中。从图 5可以看出叠瓦构造发育,但非常复杂,主要表现为以下三点:①呈双倾向,既有与水流方向一致的正向倾向,也有与水流方向相反的反向倾向。照片中的水流自右流向左,可见叠瓦构造既有左倾倾向,也有右倾倾向,但以右倾倾向为主(图 6、表 1),倾角分布在22.00°~81.00°之间,平均为53.46°,远大于河床砾石叠瓦构造的倾角(约34°)约20°;从表 1还可以看出,这种叠瓦构造的均值标准差11.88;均值的标准误1.19;方差较大:141.04,说明叠瓦构造倾角比较离散,稳定性较差;②双倾向叠瓦构造可发育在同一薄层中,而且可以在短距离内对冲发育。这一点也说明了图片的真实可靠,没有受畸变的实质性影响。③叠瓦构造的颗粒分选很差,既有长板片状颗粒,也有等轴颗粒,板片状颗粒长轴最大可达0.8 mm,短轴0.1~0.2 mm;等轴颗粒的直径多在0.1~2 mm,落在细砂到粉砂之间。由于大量等轴颗粒存在,而等轴颗粒无定向排列存在,使得叠瓦构造的倾角及倾向变化很大,等轴颗粒多的部位叠瓦构造不发育,从图 5中可以很容易地看到这一点。颗粒之间孔隙非常发育,可占面孔的25%~30%,是一种很好的储层。