魯西大汶口地區(qū)全新世臨沂組沉積物粒度分布特征及地質(zhì)意義

高明波

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014)

0 引言

大汶口盆地地處魯西隆起區(qū)魯中隆起的北部，是魯中隆起區(qū)中新生代構(gòu)造盆地的重要組成部分。作為魯西地區(qū)最大的一個沉積富礦盆地，大汶口盆地受到地學界的廣泛關(guān)注[1-7]。前人對大汶口盆地的研究多集中于前第四紀的沉積演化、成礦作用等方面[1-8]，對第四紀以來的沉積作用及沉積環(huán)境研究較少。

粒度分析作為研究沉積環(huán)境的重要手段之一，可以對其物質(zhì)來源、沉積區(qū)水動力環(huán)境、輸移能力、輸移路線、物質(zhì)運動方式和沉積環(huán)境進行綜合反映[9-12]。傳統(tǒng)的粒度分析方法主要有直接測量法、篩析法、沉降法等[9]。20世紀80年代以來，激光粒度分析法以其動態(tài)測量粒徑范圍寬、誤差小、重復性好、自動化水平高、測試時間短等突出優(yōu)點[13-15]，逐漸取代傳統(tǒng)的分析方法。該文在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)上，采用激光粒度分析法，對臨沂組碎屑沉積物進行了分析，對其沉積相和沉積環(huán)境進行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大汶口盆地地處魯西隆起區(qū)魯中隆起的北部，泰山山脈的西南麓，北鄰東平-布山凸起，南部與蒙山凸起相接，東部以磁窯斷裂為界與汶東凹陷相通(圖1)[4,16]。區(qū)內(nèi)巖漿巖以太古代侵入巖為主，局部發(fā)育少量中生代侵入巖；地層主要發(fā)育新太古代泰山巖群，寒武-奧陶紀長清群、九龍群、馬家溝群，古近紀官莊群，新近紀黃驊群及第四系[2]。大汶口地區(qū)第四系主要發(fā)育大站組、臨沂組和沂河組，其中臨沂組和沂河組為河流沉積產(chǎn)物。

臨沂組作為大汶口盆地第四系松散堆積物的一部分，主要沿河流兩側(cè)分布，出露面較大，與下伏大汶口組呈不整合接觸，下部由棕色含礫粗砂、含礫極粗砂組成，上部以土黃色、灰黃色含砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土為主。

圖1 汶東凹陷構(gòu)造位置圖(據(jù)朱猛[4]修改)

2 樣品特征

該次采集樣品的QK1鉆孔位于大汶口鎮(zhèn)曹家莊村東約300m(圖1)。鉆孔第四系厚度為10.80m，依據(jù)其野外分層情況，共采集了23件粒度分析樣品，其中0～0.60m為人工回填土，5.25～5.90m、6.36～6.90m及7.80～8.35m明顯由粘土組成，未對其進行采樣。采樣時剔除了巖心外圍的泥漿，并按深度順序?qū)悠愤M行了編號，編號為LD-1～LD-23。

3 分析方法

粒度分析在中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心完成，分析儀器為Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析儀，粒徑測試范圍為0.01～3500μm。取約0.5～1g樣品放入50mL燒杯中，加入適量的H2O2浸泡樣品，靜置24h，使其內(nèi)的有機質(zhì)充分分解；再將其放置在電熱板上加熱，直至H2O2完全揮發(fā)；放置至常溫后，加入適量濃度為1mol/L的鹽酸，靜置24h，使其內(nèi)的碳酸鹽完全反應(yīng)；用1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至中性，加入0.05mol/L的六偏磷酸鈉分散劑，超聲震蕩10min，使樣品充分溶解，然后進行測試。測試3次，重復性不好則重新進行分析，重復性好則出結(jié)果，取平均值。

4 分析結(jié)果及討論

沉積物的粒度大小是沉積物最主要的結(jié)構(gòu)特征之一，能夠直接反映沉積物及沉積作用的物理性質(zhì)[17]。為便于粒度參數(shù)的分析討論，該文部分粒度參數(shù)采用烏登-溫特沃思粒級。烏登-溫特沃思粒級φ與直徑d之間的轉(zhuǎn)換公式為：

φ=-log2d

式中：d為直徑毫米值，粒度直徑越小，對應(yīng)粒級φ值越大；粒度直徑越大，對應(yīng)粒級φ值越小。

該文對頻率曲線、概率累積曲線的特征進行了討論，對大汶口地區(qū)臨沂組的粒度分布特征和水動力條件進行了分析，并對其沉積韻律進行了討論，結(jié)果如圖2、表1所示。

4.1 粒徑分布特征

粒度分析結(jié)果顯示，23件樣品粒度范圍變化較大，粒徑范圍在0.01～3500μm之間。因受分析儀器所限，在樣品處理時已將粒徑>3500μm的顆粒剔除，故實際的樣品粒度分布范圍更大。

依據(jù)樣品粒度分布特征，可將臨沂組分為2部分：下部(LD-19～LD-23號樣)以含礫粗砂、含礫極粗砂為主，直徑普遍大于500μm；上部(LD-1～LD-18號樣)以含泥粉砂、細砂、粘土為主，直徑普遍小于100μm，少量顆粒直徑最大可達1000μm。

說明大汶口地區(qū)臨沂組的沉積物具有下粗上細的特征，同時也指示了其早期水動力較強，晚期水動力較弱。

4.2 頻率曲線特征

頻率分布曲線分為單峰態(tài)和雙峰態(tài)，其中單峰態(tài)表明沉積物成分單一，為相對穩(wěn)定的環(huán)境下沉積形成；雙峰態(tài)表明沉積物由2種主要成分組成，在沉積過程中有其他作用參加進來，水動力條件較為復雜[9,14，17]。

臨沂組下部5件樣品中有1件為雙峰態(tài)，粒徑主峰值多集中在1500μm左右，次峰值多在100μm左右；4件為單峰態(tài)，粒徑峰值范圍集中在1000μm左右，頻率曲線均呈極正偏態(tài)，說明在臨沂組早期沉積過程中，其他作用參與較少，水動力條件簡單。

臨沂組上部18件樣品中有14件為雙峰態(tài)，粒徑主峰值多集中在30μm左右，次峰值多在200μm左右；4件為單峰態(tài)，粒徑峰值范圍集中在30μm左右。頻率曲線多呈近對稱分布，其次為正偏態(tài)，1個呈負偏態(tài)，說明在臨沂組晚期沉積過程中，其他作用參與較為頻繁，水動力條件較為復雜。

圖2 臨沂組鉆孔柱狀圖頻率曲線、概率曲線及眾數(shù)分布特征圖

樣品號定名平均粒徑φ標準偏差偏度峰度頻率曲線特征雙峰1～10μm10～100μm100～3000μm水動力條件解釋累積曲線特征截點位置/φ水動力條件解釋總體分析LD1含泥粗粉砂4.12.140.151.54雙15.3583.271.38復雜,中能5～7中低能LD2含泥粗粉砂4.281.610.061.78雙10.1189.670.22復雜,中能5～7中低能LD3極細砂3.772.340.051.05雙13.5485.80.66復雜,中能5～7中低能LD4含泥粗粉砂4.571.610.171.59單13870簡單,中能5～7中低能LD5極細砂3.6220.070.98雙9.0990.820.09復雜,中能5～7中低能LD6含泥粉砂5.21.830.131.33雙24.0175.990復雜,中能5～7中低能LD7含泥粗粉砂4.331.650.141.72雙11.2488.760復雜,中能5～7中低能LD8含泥粗粉砂4.771.590.041.54雙13.5586.390.06復雜,中能5～7中低能LD9極細砂3.971.970.121.75單12.12870.88簡單,中能5～7中低能復雜中低能LD10含泥粗粉砂4.41.640.111.37單11.8988.110簡單,中能5～7中低能LD11含泥粗粉砂51.990.081.46雙22.0477.960復雜,中能5～7中低能LD12含泥粗粉砂4.331.540.631.24單12.9786.660.37簡單,中能5～7中低能簡單中低能未采樣粘土低能LD13含粉砂泥5.332.480.021.06雙36.4763.530復雜,中能一段式LD14含泥粗粉砂4.51.8101.43雙14.0485.960復雜,中能5～7中低能未采樣粘土低能LD15含泥粗粉砂4.82.040.0031.08雙23.476.60復雜,中能5～7中低能未采樣粘土低能LD16含泥粗粉砂4.532.790.080.89雙27.4372.520.05復雜,中能一段式LD17極細砂3.632.710.050.799雙17.3580.861.79復雜,中能一段式LD18細砂2.832.420.250.9雙10.987.171.93復雜,中高能一段式復雜中低能|復雜中能LD19含礫極粗砂0.42.190.491.43單2.3653.3844.26簡單,高能01高能LD20含礫極粗砂0.752.590.551.09單4.9646.4748.57簡單,高能0～1高能LD21含礫極粗砂0.772.460.450.77雙3.0654.4642.48復雜,高能1～3高能LD22含礫粗砂2.032.70.570.81單11.1975.1313.68簡單,高能1～3高能LD23含礫粗砂0.72.290.491.43單4.3259.9135.77簡單,高能1～3高能簡單高能

4.3 概率累積曲線特征

概率累積曲線特征顯示，有19件二段式，4件一段式。

臨沂組下部5件樣品均為二段式，樣品整體粒徑在-2φ～10φ之間，二段式截點位于0～2φ之間?？傮w看來，跳躍組分分選較好，含量最高可達70%；懸浮組分分選較差，含量最高可達40%。表明沉積物粒度分布廣泛，粗粒組分含量多于細粒組分，總體粒度偏粗，以含礫粗砂為主，對應(yīng)高能水動力條件。

臨沂組上部18件樣品中有14件為二段式，4件為一段式。樣品整體粒徑在-1φ～10φ之間，二段式的截點位于5～7φ之間?？傮w看來，跳躍組分分選程度較好，含量最高可達80%；懸浮組分分選程度較差，含量最高可達30%，表明沉積物粒度分布范圍廣，細粒組分含量多于粗粒組分，總體粒度偏細，以含泥粗粉砂、粉砂質(zhì)粘土等為主。結(jié)合其內(nèi)含有指示低能水動力條件下的3層粘土，綜合認為臨沂組晚期為中低能水動力條件。4件一段式樣品粒徑分布于-1φ～10φ之間，分選程度較差，反映了洪積的沉積條件。

4.4 眾數(shù)分布特征

通過上述分析結(jié)果可知，臨沂組粒度從下至上整體由粗變細，其中下部主要為粗砂質(zhì)，粒度變化不大；上部主要為泥質(zhì)和粉砂成分，在二者之間變化較頻繁。

臨沂組下部眾數(shù)值變化和分布范圍變化不大，眾數(shù)在1000μm左右變化，屬于粗砂質(zhì)，總體偏粗，對應(yīng)中高能水動力的沉積環(huán)境。

臨沂組上部眾數(shù)值變化和分布范圍變化不大，眾數(shù)在300μm左右變化，屬于粉砂質(zhì)。另外，鑒于未對其進行采樣的5.25～5.90m,6.36～6.90m及7.80～8.35m以泥質(zhì)為主，故臨沂組上部以泥質(zhì)和粉砂為主，總體偏細，指示中低能水動力的沉積環(huán)境。

5 討論

5.1 沉積微相劃分

大汶口地區(qū)全新世臨沂組下部自下至上巖性依次由砂礫石層、含礫粗砂和含礫極粗砂組成，為一套正韻律沉積旋回。概率累積曲線顯示，5件樣品均為二段式，跳躍組分分選較好，含量多在60%～70%之間，對應(yīng)高能水動力條件，因此推測牽引流搬運在臨沂組下部沉積過程中占絕對優(yōu)勢。結(jié)合臨沂組下部的沉積特征，認為其沉積相為河床亞相邊灘沉積微相。

臨沂組上部主要由泥質(zhì)和粉砂組成，自下而上可以劃分出由砂礫石層—含礫粗砂和(細砂—極細砂—)含泥粗粉砂—粘土組成的正韻律沉積旋回。概率累積曲線顯示，14件樣品為二段式，跳躍組分分選程度較好，含量多在70%～80%之間，結(jié)合粘土分布層位綜合認為對應(yīng)中低能水動力條件；其余4件樣品為一段式，分選程度較差，反映了洪積的沉積條件。結(jié)合臨沂組上部的沉積特征，綜合認為其沉積相為河漫亞相河漫灘沉積微相。

5.2 粒度特征縱向變化及沉積環(huán)境分析

依據(jù)大汶口地區(qū)臨沂組的野外特征及粒度分析的頻率曲線、概率累積曲線等特征進行了詳細分析，并將其垂向的粒度變化和沉積環(huán)境進行了分析。

(1)9.30～10.80m：巖性自下至上依次表現(xiàn)為砂礫石層—含礫粗砂—含礫極粗砂，頻率曲線表現(xiàn)為4件單峰態(tài)，1件雙峰態(tài)；概率累積曲線均表現(xiàn)為二段式，總體指示了簡單高能的沉積環(huán)境。

(2)5.25～9.30m：可以劃分為由(細砂—極細砂—)含泥粗粉砂—粘土組成的3個自下而上、粒徑由粗到細的正韻律沉積旋回。頻率曲線均表現(xiàn)為雙峰態(tài)，概率累積曲線表現(xiàn)為4件一段式，2件二段式，結(jié)合3層粘土的分布層位，總體指示了復雜中能—復雜中低能的沉積環(huán)境，并且存在洪水泛濫導致的沉積物。

(3)3.85～5.25m：巖性自下至上依次表現(xiàn)為粉砂質(zhì)粘土—含泥粗粉砂—極細砂，結(jié)合3件單峰態(tài)、1件雙峰態(tài)的頻率曲線特征和截點位于5～7φ的二段式概率累積曲線特征，認為該段為簡單中低能的沉積環(huán)境。

(4)0.60～3.85m：巖性表現(xiàn)為由極細砂和含泥粗粉砂組成的沉積韻律組，結(jié)合7件雙峰態(tài)、2件單峰態(tài)的頻率曲線特征和截點位于5～7φ的二段式概率累積曲線特征，認為該段為復雜中低能的沉積環(huán)境。

5.3 沉積韻律劃分

依據(jù)QK1鉆孔巖心由下至上總體眾數(shù)分布特征，可以劃分出4個明顯的沉積韻律和1個不明顯的沉積韻律組。其中4個明顯的沉積韻律自下而上依次為：①9.30～10.80m均為含礫極粗砂、含礫粗砂，代表了高能水動力條件下的沉積；②7.80～9.30m自下向上粒度依次變細，分別為細砂、極細砂、含泥粗粉砂、含細砂粘土和粘土，代表了一個中等水動力條件下的沉積韻律；③6.36～7.80m自下向上粒度依次變細，分別為含泥粗粉砂、粘土，代表了一個中低水動力條件下的沉積韻律；④5.25～6.36m自下向上粒度依次變細，分別為含泥粗粉砂、含粉砂泥和粘土，代表了一個中低水動力條件下的沉積韻律。1個不明顯的沉積韻律為：0～5.25m，粒度均在極細砂與含泥粗粉砂之間變化，應(yīng)為震蕩中低能水動力環(huán)境下的若干小的沉積韻律組。

6 結(jié)論

結(jié)合粒度分析頻率曲線、概率累積曲線、粒度參數(shù)及沉積物宏觀特征，綜合認為，大汶口地區(qū)臨沂組下部為河床亞相邊灘沉積微相，上部為河漫亞相河漫灘沉積微相，并且經(jīng)歷了由簡單高能→復雜中能-復雜中低能→簡單中低能→復雜中低能的沉積環(huán)境變化。

依據(jù)樣品粒度分析的眾數(shù)分布特征，將大汶口地區(qū)臨沂組劃分為4個明顯的沉積韻律和1個不明顯的沉積韻律組，其中不明顯的沉積韻律組為震蕩中低能水動力條件下沉積形成。

致謝：該文得到了《山東省1∶5萬大汶口、樓德幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查》項目(項目編號：SDZS-2015-GTT01)資助；實驗工作得到了中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心實驗室的大力協(xié)助；審稿專家對該文的修改和完善提出了許多寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝！。

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