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象，選擇14個礫巖露頭，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，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)動力，而流水、風(fēng)化和重力是外部動力條件[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

本次研究主要針對丹霞組巴寨段的14個礫巖露頭進(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個以上礫石進(jìn)行觀測，觀察和測量礫石的巖性組成、粒徑(包括a、b、c3個軸的大小)、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)化程度需要觀測后再進(jìn)行分級次賦值。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)過對礫石特征評判后，可將礫石的風(fēng)化程度劃分為4個等級(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個等級(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)在各個礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)得到的礫石粒徑，通過測量所得的數(shù)值經(jīng)過計(jì)算后求得礫石各個軸平均粒徑，礫石各軸的平均粒徑集中度和分布趨勢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個礫石觀測點(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?？斯絒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

通過對丹霞組14個礫石統(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，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，屬于弱風(fēng)化，少量砂巖風(fēng)化程度為3級，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，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，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，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。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區(qū)域，也是丹霞組礫巖段中含量占比相對較多的主要礫石種類。測量點(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%)。

在野外共測了5個礫石疊瓦狀構(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。