粵北丹霞盆地丹霞組礫巖特征及物源分析

劉國盛，陳留勤，李馨敏，李鵬程，李文灝

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

中國南方白堊紀(jì)陸相斷陷盆地以紅色碎屑巖充填為特征，普遍發(fā)育礫巖地[1－2]。其中，盆地邊緣沖積扇成因的厚層礫巖是形成丹霞地貌的重要巖石基礎(chǔ)[3－5]。丹霞山位于廣東省韶關(guān)市丹霞盆地的北部，在2004年被評(píng)為世界地質(zhì)公園，2010年8月與赤水、泰寧、龍虎山、崀山、江郎山一起以“中國丹霞”列入世界自然遺產(chǎn)名錄。丹霞山是丹霞地貌的命名地[6]在地貌形態(tài)描述和成因分析方面研究程度較高[7－10]，在植物學(xué)和生態(tài)學(xué)方面也取得了創(chuàng)新性成果[11－12]。對(duì)于丹霞盆地白堊紀(jì)沉積巖，前人在紅層時(shí)代[13－14]、地層劃分[15]、古生物[16]及沉積環(huán)境[17]等方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。在丹霞盆地范圍內(nèi)，“赤壁陡崖”特點(diǎn)突出的丹霞地貌主要發(fā)育在丹霞組中[7]。丹霞組的巴寨段和白寨頂段以礫巖為主，而錦石巖段以發(fā)育大型交錯(cuò)層理的風(fēng)成砂巖類古土壤為特色[17]。

礫石統(tǒng)計(jì)與分析可以為認(rèn)識(shí)礫巖地層的沉積作用過程和物源條件提供重要證據(jù)。通過在野外露頭觀測(cè)礫石粒徑、巖性、磨圓度以及礫石的排列規(guī)律和扁平礫石的產(chǎn)狀等，可以為盆地的構(gòu)造演化及物源分析提供重要的線索與依據(jù)[18]。因而，本文以丹霞盆地丹霞組巴寨段礫石地層為研究對(duì)象，選擇14個(gè)礫巖露頭，進(jìn)行礫石成分、粒徑、磨圓度以及風(fēng)化程度等進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析，用于反映礫石的搬運(yùn)過程、沉積及來源。本研究可以提高丹霞盆地丹霞組沉積作用及物源條件的認(rèn)識(shí)，也可為丹霞山“科學(xué)名山”建設(shè)提供新的地學(xué)科普。

1 區(qū)域地質(zhì)

丹霞盆地發(fā)育在石炭紀(jì)沉積基底巖系之上，構(gòu)成一個(gè)軸向北東、傾向北西的平緩開闊型復(fù)式向斜構(gòu)造[19]。丹霞地貌主要受韶關(guān)－仁化斷層帶影響，為區(qū)域性的大斷層[19]。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育斷裂有11條，單條斷裂長6～20 km，破碎帶一般寬20～50 m，多為壓扭性斷層，共同控制了丹霞地貌的發(fā)育。其中，韶關(guān)－仁化斷裂規(guī)模最大，形成了寬幾十米至百米的擠壓破碎帶[20]。丹霞地貌由內(nèi)力和外力長期相互作用而形成[21－23]。構(gòu)造抬升是丹霞地貌演化的內(nèi)動(dòng)力，而流水、風(fēng)化和重力是外部動(dòng)力條件[24]。

圖1 廣東省韶關(guān)市丹霞盆地地質(zhì)圖

丹霞組(K2d)是丹霞山世界地質(zhì)公園丹霞地貌形成的主要巖石組合，整合上覆于長壩組(K2c)之上，主要出露于盆地中部，盆地中較高的山峰均由丹霞組巖石構(gòu)成，諸如錦江之東的長老峰、僧帽峰(人面石)、九菜寨、金龜巖、白寨頂、朝石頂、金龍山、葫蘆寨、五馬歸槽以及錦江之西的燕巖、穿巖、巴寨、觀音山、高山、風(fēng)火嶺等。丹霞組總厚度約1 000 m，按巖性可劃分為3段(圖2)[15]。其中，下段稱巴寨段，為褐紅色礫巖、砂巖，局部夾紫紅色薄層粉砂質(zhì)泥巖，見介形蟲、輪藻化石，厚度變化較大，一般300～500 m，但穿巖剖面僅厚77 m，白寨頂剖面達(dá)800 m;中段稱錦石巖段，為棕紅、褐紅色具大型板狀交錯(cuò)層理的長石砂巖，夾少量粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)礫巖或含礫砂巖，露頭常為懸崖峭壁，厚92～300m;上段稱白寨頂段，為暗棕紅色礫巖、中－粗砂巖夾粉－細(xì)砂巖，頂部被剝蝕，殘留厚度一般為40～60m，最厚可達(dá)200m[9]。

圖2 長老峰剖面丹霞組巖性組成及礫巖露頭照片

2 礫石統(tǒng)計(jì)方法

本次研究主要針對(duì)丹霞組巴寨段的14個(gè)礫巖露頭進(jìn)行礫石統(tǒng)計(jì)。礫巖統(tǒng)計(jì)和分析、計(jì)算過程與前人相似[25－26]。在具體的一個(gè)礫巖露頭，一般選擇1m×1m范圍，沿著4～5條基線隨機(jī)選取200個(gè)以上礫石進(jìn)行觀測(cè)，觀察和測(cè)量礫石的巖性組成、粒徑(包括a、b、c3個(gè)軸的大小)、磨圓程度、風(fēng)化程度等數(shù)據(jù)。礫石扁度(F=(a+b)/2c)和球度。礫石的磨圓程度和風(fēng)化程度需要觀測(cè)后再進(jìn)行分級(jí)次賦值。礫石的風(fēng)化程度與磨圓度劃分有所不同，礫石的風(fēng)化程度是根據(jù)礫石風(fēng)化特征用肉眼進(jìn)行判斷賦值。經(jīng)過對(duì)礫石特征評(píng)判后，可將礫石的風(fēng)化程度劃分為4個(gè)等級(jí)(1未風(fēng)化，2弱風(fēng)化，3強(qiáng)風(fēng)化，4全風(fēng)化)，礫石的磨圓程度可以分為5個(gè)等級(jí)(棱角狀(0.00～0.15)、次棱角狀(0.15～0.25)、次圓狀(0.25～0.40)、圓狀(0.40～0.60)、極圓狀(0.60～1.00))。在野外找到由扁平礫石構(gòu)成的疊瓦狀構(gòu)造，用羅盤測(cè)量其產(chǎn)狀。

在數(shù)據(jù)處理中，需要記錄礫石的平均粒度(Mz=)、標(biāo)準(zhǔn)偏差偏度(SK1=)和峰度(KG=)等。

根據(jù)在各個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)得到的礫石粒徑，通過測(cè)量所得的數(shù)值經(jīng)過計(jì)算后求得礫石各個(gè)軸平均粒徑，礫石各軸的平均粒徑集中度和分布趨勢(shì)在一定程度上反映了物源的相關(guān)信息(即物源區(qū)粒度分布)[17]，進(jìn)而得到等體積平均粒徑=用同樣的方法可求得中值粒徑，其中da50、db50、dc50分別為礫石的a軸(長軸)、b軸(中軸)和c軸(短軸)的中值粒徑[17]，可在累積曲線上得到(圖3)。標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ1)是表示沉積物的分選程度，其參數(shù)大小反映礫石顆粒均勻程度的高低。

圖3 丹霞組礫石沉積特征照片

3 礫石統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 礫石巖性組成

研究區(qū)丹霞組14個(gè)礫石觀測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從表1可見，丹霞組的礫石成分以石英砂巖和脈石英為主，平均含量分別為37.71%和31.65%;磚紅色砂巖和灰?guī)r也占較高的比例，平均含量分別為13.36%和11.89%。另外，含有較少量的燧石和花崗巖礫石，其平均含量均不超過3%。

表1 丹霞組礫巖地層礫石成分統(tǒng)計(jì)表

3.2 粒度分析

14個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)粒度特征數(shù)據(jù)見表2。通過分析后可以看出，14個(gè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的礫石平均粒徑珔d大于中值粒徑，其數(shù)值差在0.1～0.45 cm之間，并且差值的范圍較小(＜1 cm)。這說明，粒徑較小的礫石百分含量大于粒徑較大的礫石百分含量，其礫石含量的眾數(shù)(峰值)靠近于粒徑較小的礫石。從礫石a軸(長軸)粒徑累積頻率曲線圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的礫石a軸(長軸)粒徑曲線具有比較明顯的特征，礫石粒徑范圍分布在0.2～16 cm之間，粒徑大小分布較廣;其次，曲線呈現(xiàn)出增長先緩后急再變緩的過程，其頻數(shù)曲線基本服從正態(tài)分布特征，峰值分布范圍較寬且靠前;粒徑較大的礫石含量較少，且礫石的分布比較分散。這些特征指示，丹霞組地層中礫石沒有經(jīng)過長距離的搬運(yùn)。

表2 丹霞組礫石粒度特征統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過測(cè)量數(shù)據(jù)繪制曲線圖(圖4)，在繪制的礫巖粒徑累積頻率曲線圖上找到特定累積含量百分?jǐn)?shù)數(shù)值所處的對(duì)應(yīng)顆粒粒徑，然后用上述的數(shù)學(xué)公式計(jì)算出準(zhǔn)確的粒度參數(shù)。計(jì)算粒度參數(shù)時(shí)，采用的數(shù)學(xué)公式是特拉斯克或福克公式[27]。

結(jié)果顯示，丹霞組各統(tǒng)計(jì)點(diǎn)礫石的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ1)為0.40～1.76，絕大多數(shù)落入1.00～2.00的范圍，說明礫石分選性差，指示其為河流相和沖積扇相成因;偏度(SK1)為0.18～0.66，屬于正偏度到極正偏度，指示礫石為穩(wěn)定流水和沖積成因;峰態(tài)(KG)大部分?jǐn)?shù)值在1～1.73，范圍較大，只有一個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)DXSLS－13出現(xiàn)偏差，誤差范圍內(nèi)其峰態(tài)(KG)同樣指示穩(wěn)定流水和沖積成因。

3.3 礫態(tài)分析

通過對(duì)丹霞組14個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)中風(fēng)化程度分析發(fā)現(xiàn)，礫石的風(fēng)化程度具有很明顯特點(diǎn)(表3)。由于礫石種類不同，其抗風(fēng)化能力有所差距，表現(xiàn)在不同巖性礫石的風(fēng)化程度不同，石英顆粒和燧石的風(fēng)化程度都為1級(jí)，屬于未風(fēng)化;大部分石英砂巖和磚紅色砂巖顆粒的風(fēng)化程度為2級(jí)，屬于弱風(fēng)化，少量砂巖風(fēng)化程度為3級(jí)，為強(qiáng)風(fēng)化;灰?guī)r、花崗巖、變質(zhì)巖礫石等風(fēng)化程度為3級(jí)，為強(qiáng)風(fēng)化。還有一小部分花崗巖礫石風(fēng)化程度可達(dá)4級(jí)，屬于全風(fēng)化。礫石扁度(F)分布在1.45～5.93之間，較為集中;球度(ψ)分布在0.42～0.76之間，磨圓度(P)為20.25%～28.00%，礫石扁度和球度之比值(F/ψ)的范圍為1.92～13.96。結(jié)合以上數(shù)據(jù)推測(cè)，石英砂巖和磚紅色砂巖搬運(yùn)距離較近，風(fēng)化程度較低;而花崗巖和灰?guī)r則搬運(yùn)距離中等，風(fēng)化程度較高。

圖4 丹霞組礫巖粒徑累積頻率曲線圖

表3 丹霞組礫石礫態(tài)特征

礫石統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，丹霞組地層中礫石的磨圓度大部分處于0.15%～0.25%的次棱角狀，只有少部分地層中的礫石為次圓狀，如DXSLS－13為25.16%，DXSLS－22為28.00%。在統(tǒng)計(jì)過程中，也常見到外形不規(guī)則的礫石。

4 物源分析

在不同地區(qū)的礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)上，統(tǒng)計(jì)得到礫石的巖性及其含量有所不同。在部分統(tǒng)計(jì)點(diǎn)上，脈石英礫石含量占比很高，如FYXLS－01(54%)、KLYLS－01(51%)、CTSLS－01(45.5%)、HLYLS－01(43.5%)、DXSLS－02(31%);而在另一些礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)處，石英砂巖礫石的含量則較高，如DXSLS－28(65.5%)、TTXLS－01(52%)、DXSLS－13(50%)、DXSLS－24(47.5%)、DXSLS－22(44.5%)、BMYLS01(37%)、DXSLS－10(40%)、DXSLS－03(35.5%)、DXSLS－01(29.5%)?？傮w上，所有統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的礫石成分都主要是脈石英或石英砂巖，只是兩者的相對(duì)含量占比存在差異。

有些統(tǒng)計(jì)上，灰?guī)r礫石含量占比較高，如DXSLS－01(29%)、CTSLS－01(20.5%)、DXSLS－02(20%)、BMYLS01(20%)、KLYLS－01(17.5%)、DXSLS－24(16.5%)、DXSLS－03(16%)、DXSLS－22(14%)。而在有些統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，灰?guī)r礫石含量占比卻相對(duì)較低，甚至缺失。如DXSLS－28(9%)、DXSLS－10(3.5%)、TTXLS－01(0.5%)、DXSLS－13(0%)、HLYLS－01(0%)、FYXLS－01(0%)。通過在測(cè)量點(diǎn)所處的區(qū)域分析發(fā)現(xiàn)，灰?guī)r礫石含量占比較高的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)大多處在西北部地區(qū)，而灰?guī)r歷史含量占比較少的測(cè)量點(diǎn)則分布在南部。因而推斷，灰?guī)r主要是來自西北地區(qū)仁化縣氮肥廠的船山組和黃龍組灰?guī)r地層，這些礫石受暴雨引發(fā)的洪水搬運(yùn)到盆地發(fā)生沉積。因其抗風(fēng)化能力較低，在流水沖刷作用下易被侵蝕破壞，在灰?guī)r礫石含量占比較高的測(cè)量點(diǎn)所在地區(qū)，呈現(xiàn)出由北到南含量占比逐漸降低的趨勢(shì)。這也說明，古流水的方向以及灰?guī)r顆粒的來源是一致的。

花崗巖礫石在含量占比上與灰?guī)r相似，也存在部分測(cè)量點(diǎn)含量占比較高，如TTXLS－01(9%)、FYXLS－01(6%)、DXSLS－02(4%)、HLYLS－01(3.5%)、DXSLS－03(2.5%)、DXSLS－10(0.5%);而有些測(cè)量點(diǎn)卻沒有發(fā)現(xiàn)花崗巖，如DXSLS－01、DXSLS－13、DXSLS－22、DXSLS－24、DXSLS－28、CTSLS－01、KLYLS－01、BMYLS－01。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，花崗巖礫石含量占比較高的測(cè)量點(diǎn)主要分布在研究區(qū)的東北方向，而在研究區(qū)的南部和西部花崗巖礫石的含量占比則相對(duì)較少。

傘洞組(K1s)零星出露于仁化縣城附近、韶關(guān)市北的黃崗山以東及盆地西北側(cè)的西牛潭水庫至傘洞一帶，由火山巖和火山碎屑巖組成，厚60～300 m[15]。傘洞組礫石在流水搬運(yùn)作用中被帶到盆地，從盆地東北方搬運(yùn)到盆地中。距離傘洞組分布在區(qū)域越遠(yuǎn)的測(cè)量點(diǎn)花崗巖的含量越少。這也證明了古流水方向是由北到南的，同時(shí)也解釋了花崗巖礫石在丹霞組的分布特征和其存在的意義。

磚紅色砂巖礫石在統(tǒng)計(jì)點(diǎn)上的分布也存在著差異，只是差異相對(duì)較小，其空間分布的規(guī)律性較差。磚紅色砂巖礫石普遍分布在丹霞組地層的各個(gè)區(qū)域，也是丹霞組礫巖段中含量占比相對(duì)較多的主要礫石種類。測(cè)量點(diǎn)上磚紅色砂巖礫石含量占比由高到低的順序?yàn)镈XSLS－10(31.5%)、DXSLS－13(26.5%)、DXSLS－01(25.5%)、DXSLS－02(23.5%)、DXSLS－03(15.5%)、DXSLS－24(15.5%)、BMYLS－01(10.5%)、DXSLS－22(8.5%)、DXSLS－28(7%)、CTSLS－01(7%)、FYXLS－01(7%)、HLYLS－01(4%)、TTXLS－01(3%)、KLYLS－01(2%)。

在野外共測(cè)了5個(gè)礫石疊瓦狀構(gòu)造，根據(jù)其繪制古水流向玫瑰花圖(圖5)。從圖5可以看到，不同地區(qū)的古水流向存在差異，但大致方向主要是西北、東北方向。因此，古水流的流動(dòng)方向大致是由北向南的，在不同地區(qū)水流方向有所不同。

圖5 丹霞組礫石巖性組成餅圖及古水流玫瑰花圖

丹霞組礫巖地層礫石沉積物是經(jīng)過了距離較短的搬運(yùn)后在盆地內(nèi)沉積形成的。其礫石分選性較差，以次棱角狀和次圓狀為主，這些都說明丹霞組沉積物的搬運(yùn)距離較短。通過對(duì)比研究區(qū)BMYLS－01和KLYLS－01兩處的礫石統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BMYLS－01的礫石粒徑相對(duì)較大，而KLYLS－01的礫石粒徑要小很多。不論是從最大粒徑或者是平均粒徑上，二者都存在較大的差距。因此，推斷丹霞組巴寨段礫巖地層主要是干旱－半干旱古氣候條件下河流主導(dǎo)的沖積扇沉積體系的扇根和扇中亞相沉積產(chǎn)物。

5 結(jié)論

1)丹霞山世界地質(zhì)公園的丹霞組礫巖地層厚大，膠結(jié)程度較好，整體抗風(fēng)化能力強(qiáng)，其礫石成分主要有石英砂巖、脈石英，少量的磚紅色砂巖、灰?guī)r，以及極少量的變質(zhì)巖、花崗巖和燧石，主要來自于丹霞盆地北部、西北部的碳酸鹽巖和砂質(zhì)巖基底地層等。

2)丹霞組礫巖的礫石的分選性較差，磨圓度中等，應(yīng)為干旱－半干旱古氣候條件下河流主導(dǎo)的沖積扇沉積體系的扇根和扇中亞相沉積產(chǎn)物。