沉积物理化性质

沉积物理化性质

沉积物是在地球表面，由于外力和内力共同作用于岩石圈而生成的。内力作用造成大的地形起伏，外力作用一方面破坏隆起的高地，另一方面将岩石破坏的产物搬运到坳陷地区堆积下来。由于各种沉积物是在一定的地形、气候和构造条件下形成的，所以在沉积相特征中能反映出这些基本条件的影响，研究其沉积环境可以搞清沉积物的形成过程及其古地理环境，有助于沉积矿床（如石油、砂矿等）的普查与勘探，也有助于解决地层学、古生物学、构造地质学和地貌学等问题，同时对工程地质和水文地质工作也有一定的指导意义。

1.沉积结构

1.1粒度成分

确定沉积物中不同大小碎屑的含量的方法，称为粒度分析或机械分析。大量统计资料证明，沉积物的粒度分布是服从对数正态分布规律的。粒度成分受搬运营力作用的控制，与沉积环境关系密切。在石油、水文与工程地质工作中常用粒度分析资料来鉴定沉积物的参数如孔隙度、渗透性等。

1.1.1粒级的划分

国内外对粒度的分级有两种方法：一是采用真数，即以毫米或微米（μ，1μ=0.001毫米）为单位来表示颗粒的直径。这种单位的优点是比较直观；缺点是各个粒级不等距，不便于作图与运算；二是采用粒径的对数值来表示。目前应用最广泛的Ф值是克鲁宾（Krumbein，1934）根据伍登-温德华粒级标准，通过对数变换而得。其定义为：

Ф=-log2d

式中d为毫米直径值。这种Ф分级标准的优点是：分界为等间距，便于作图和统计运算；粒度范围广泛，而且根据需要可以细分到任意间距的精度，这对揭示粒度分布是否为双峰以及了解尾部的详细情况提供了很大的便利。缺点是不直观，需要经过换算才能建立Ф值与真数值之间的关系。

伍登-温德华-Ф值标准

名称粒级界限

名称

粒级界限

Фmm Фmm

巨砾-8 >256 极细砂4～3 0.125-0.063

粗砾-6～-8 256-64 粗粉砂5～4 0.062-0.032

中砾-2～-6 4-1 中粉砂6～5 0.032-0.016

细砾-1～-2 4-2 细粉砂7～6 0.016-0.008

极粗砂0～-1 2-1 极细粉砂8～7 0.008-0.004

粗砂1～0 1-0.5

9～8 0.004-0.002

粗粘土

中砂2～1 0.5-0.25 10～9 0.002-0.001

细砂3～2 0.25-0.125 细粘土11 <0.001

1.1.2粒度分析资料的整理

为了明显地反映一个样品的粒度特征，对不同样品的粒度成分进行比较，以及判断样品的沉积环境，必须将粒度分析的原始资料加以整理。

三角图，它常用来对沉积物的粒度成分命名，和对不同沉积物的粒度成分进行比较。用三角图解法比较沉积物的粒度成分，很有效。图1比较了离石—午城黄土与马兰黄土的粒度成分。总体来看，两者粒度特征很相似。但离石—午城

图 1

黄土的细砂含量普遍较少，粉砂含量较高且集中，粘土也较多。也可以在一张三角图中将各地有关沉积物的粒度分析资料进行对比，常常可以反映出粒度分布

的区域变化。如图2，中国各地马兰黄土粒度分布的三角图，从青海柴达木到黄河中游的甘肃、陕西、山西，再到华北平原和山东，粒度特征具有细砂成分减少，粘土成分增多的趋势；山东、柴达木的黄土与黄河中游各地的黄土在粒度成分上有很大差异。

图 2

直方图和频率曲线图，可以分析沉积物的某些重要粒度特征。例如，沉积物的偏态，可以判断其属于粗偏或细偏。沉积物的峰态，若为窄单峰，表示分选好，粒级比较集中；若为单宽峰，说明分选较差。单峰频率曲线一般只出现在只有单一的碎屑物来源，且经过较长距离搬运的沉积中。当频率曲线出现双峰或多峰时，其形成的原因可以不同。譬如从具有季节韵律的湖相纹层中采集样品，或者从由不同风速堆积而成的层状风成砂中采集样品时，频率曲线就可能出现多峰。沉积物在搬运过程中，沿途如有大量新的碎屑物加入，也能使频率曲线由单峰变为双峰。以后，随着沉积物沿途分选，又出现颗粒集中在新加入的碎屑物的主要粒级上的单峰（如图3）。

图 3

累计曲线图，它表示大于（或小于）任意选定的粒径的颗粒在样品中的含量，呈“S”形。它可以定性的分析样品的粒度特征，可以代替频率曲线。例如正态分布的频率曲线表现在累计曲线图上，为一对称的“S”形。众数愈大，S形愈陡；众数愈小，S形愈缓。频率曲线的偏态性，表现在累积曲线图上，呈不对称的S形。正偏态曲线，S形的细粒尾端长；负偏态曲线，S形的粗尾端长。更重要的是可以从图中读出累计百分含量为5%、16%、50%、84%、95%、的Φ值，根据这些特征值可以计算出能反映沉积物的粒度特征及其沉积环境条件的粒度

参数。如图4。

粒度参数，计算采用福克和沃德公式：

平均粒径（Mz ）代表沉积物粒径分布的集中程度，反映沉积物的沉积环境和物质来源。分选系数（δ）表示颗粒的分选程度，δ越小则沉积物的分选性越好，反之，则分选性越差。偏度（SK ）表示沉积物粗细分布的对称情况，并表明平均值与中位数的相对位置。SK=0，表示正态频率分布曲线；SK>0，为正偏态频率分布曲线，说明粒度集中分布在细端部分；SK<0，表示粒度集中分布在粗端部分，为负偏频率分布曲线。峰态（Kg ）,指示沉积物频率分布曲线顶端的宽窄尖锐程度，一般用粒度分布的中间部分除以尾部的展形之比表示。Kg=1为正态分布，Kg>1时为窄峰态，Kg<1时为宽峰态。

概率累计曲线图是判断沉积物搬运方式的常用方法，其是将碎屑组分中含量较少的粗、细尾部的特点放大，便于成因分析。正因为概率累计频率曲线能反映粒度分布的特点，因而在识别沉积环境的搬运机制及解释沉积环境方面，取得较显著成绩。例如，无论是海岸沙丘或内陆沙丘的现代沙丘砂，都是以跳跃组分为主，滚动组分和悬浮组分含量较低，甚至不含悬浮组分。跳跃组分在单风向形成的只有一组，其含量一般大于95%，个别可达98%以上；双风向作用结果，具有两组跳跃组分，总跳跃组分含量更高，一般可达98%。主要组分跳跃段斜率多大于80°，分选极好。

图5 概率累计频率曲线图

C-M 图，帕塞加（Passega,1957,1964）选择了一些与沉积搬运有密切关系的粒度参数，C （百分之一含量的粒度）、M （中位数），制成C-M 图，反映整个沉积物全部样品的总面貌，它可以说明沉积物的搬运介质状况、反映沉积环境及沉积盆地的活动性等。C-M 图可以提供沉积物的水动力状况，可以在图上呈现沉积物的滚动-悬浮的搬运方式。

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