乌兰布和沙漠钻孔岩芯沉积物粒度测量

乌兰布和沙漠钻孔岩芯沉积物粒度测量

沉积物的粒度特征受沉积物过程的控制，它在一定程度上反映了沉积物过程的动态信息。前人利用已知环境中沉积物的粒度资料进行了沉积相分析和古环境重建方面的大量前期研究[1~5]。近几十年来,粒度分析在黄土—古土壤沉积序列[5,7,8,9,10,11,12,13]、沙漠或沙漠—黄土过渡带沉积记录、河湖相沉积记录[16~20]及边缘海地区沉积记录等气候变化载体的研究中也得到了广泛的应用。其中研究对象主要为沉积物全岩[22~24]和稳定矿物石英两种。在粒度结果的图形表达方面,先后曾经出现过直方图、频率曲线、累积频率曲线、概率值累积曲线等多种形式以及由这些图衍生而来的大量参数。近来一些学者开始采用数学方法对粒度分布的敏感组分进行分离和提取,采用的主要方法有粒度分维、基于Weibull分布的函数拟合法、端元模型建立法和粒度标准偏差法等。纵观所有的粒度特征图形表达法可见,粒度频率曲线和概率累积曲线因为具有直观简洁的特点被广泛采用。但是,目前尚缺乏说明究竟哪种曲线更能直观、全面地表达样品粒度资料中蕴含信息的对比研究。本文以乌兰布和沙漠钻孔岩芯样品为研究对象,分别讨论了相同样品在概率累积曲线和频率曲线中反映的信息,对比分析了概率值累积曲线和频率曲线的优缺点。1样品及测试方法为了研究乌兰布和沙漠的形成演化,在乌兰布和沙漠中进行钻探并获取一系列沉积岩芯(1)。其中钻孔wld07a钻穿沙丘到达其底部的湖相沉积层。该岩芯长4.2m,其中0~2.7m为沙丘砂,2.7~4.2m为湖相沉积物,记录了较为完整的沙漠演化信息。本文以该钻孔的岩芯沉积物为研究对象,测量了沉积物全岩样品的粒度。其中编号为wld07a的样品来自沙丘砂,编号为s54的样品来自沙丘砂底部的湖相地层。粒度测量是在兰州大学西部环境教育部重点实验室按照常规实验方法进行的,所用仪器为英国Malvern公司生产的Mastersizer2000,仪器测量范围为0.02~2000μm。具体的实验测量方法为:取适量烘干后样品放入烧杯,加入10ml10%H2O2,放置在电热板上加热煮沸直至无气泡以完全除去有机质,之后再加入10ml10%盐酸,加热煮沸直至无气泡以彻底除去碳酸盐物质。待样品冷却后,往烧杯中加满水,并静置12小时以后,抽去上清液,再往烧杯中加入10ml0.05mol/l六偏磷酸钠溶液,并在超声波清洗槽中震荡以充分分散颗粒,最后上机测量。2分析与讨论的结果为了便于讨论,将研究的样品按照沉积相的不同分开讨论。2.1粒度组分的分配图1给出了钻孔岩芯wld07a中沙丘砂的频率曲线(图1a)和对应的概率累积曲线(图1b)。由频率曲线(图1a)可见,这6个样品的粒度峰值(众数粒径)在200~300μm之间,曲线形状极为相似,看不出它们之间的细微差别。然而在概率累积曲线(图1b)上,它们总体上表现为相似的特征,均为“滚动—多跳跃—悬浮”三段式,其中主要成分粒度为0~3准,占样品总含量的80%~98%左右。但在细节上却表现出非常明显的差异,如样品wld07a-040-080中含有20%左右粒度为2.5准~3准的组分,曲线斜率非常高,表明分选性非常好;而在其它样品,如wld07a-080-120,wld07a-150-190,wld07a-210-240中,仅含有1%左右、粒度为3准~9准、曲线非常平缓的细颗粒组分,表明分选性非常差。可见,这些样品在频率曲线中只能显示出沉积物粒度组成非常有限的大致信息,然而在概率累积曲线中却显示了前者无法反映出的更详尽信息,如各组分的含量、分选性等定量化的信息。由概率累积曲线(图1b)可以看出,同一样品不同粒度组分的斜率可能是不同的,因此可以通过斜率反映特定粒度组分样品的分选性。如图2所示,线段CD的斜率可以表达为线段CD与水平方向夹角α的正切值tgα(tgα=EF/FG)。因此,在概率累积曲线上,通过测量夹角α即可方便地判断各个粒度组分的分选程度,α角越大或者tgα值越大,分选性越好。以沙丘砂样品为例(如图1b),样品wld07a120-150的概率累积曲线表现为一段式,其斜率为1.73(α角约为60°);截点为3准的粗二段式包括wld07a080-120,wld07a190-210,wld07a210-2403条曲线。它们共同的特征是:粒度<3准组分的概率累积曲线的斜率约为1.73(α角约为60°),粒度>3准组分的斜率约为0.09(α角约为5°)。由此我们可以得出以下结论:截点为3准的粗二段式中,粒度<3准组分的分选程度比粒度>3准组分的分选程度要好得多,即较粗的粒度组成部分的分选性明显要好于较细的粒度组成部分。样品wld07a040-080的概率累积曲线表现为三段式,截点分别为2.7准和2.8准,其中粒度<2.7准组分的斜率约为1.73(α角约为60°),>2.8准组分的斜率约为2.75(α角约为70°),而介于2.7准与2.8准之间的组分的α角接近90°,斜率非常大,表明其分选性极好。可见在沙丘砂样品中,频率曲线上只给出了沉积物粒度状况的一般信息,如众数粒径的大小;而概率累积曲线上不仅能给出这些一般信息,而且给出了优势粒径区间及其含量,次总体的类型,粒度区间百分含量和粒度分选程度等在频率分布曲线上无法获得的粒度信息。2.2湖泊沉积物本文研究的湖相沉积物总体上可以分为湖滨亚相、浅湖亚相和深湖亚相。2.2.1成分特征特征滨湖亚相样品的粒度频率曲线主要表现为不对称的双峰或三峰分布类型(如图3a),峰值区间较窄,主要粒度组分的峰值范围为200~250μm。样品s54010-015、s54015-020的频率曲线表现为双峰式分布,峰值(众数粒径)分别约为9μm和250μm。样品s54000-005、s54005-010、s54020-025的频率曲线表现为三峰特征,粒度峰值分别约为5μm、25μμm和220μm。滨湖亚相样品的频率分布曲线反映出这些样品以粗颗粒为主,并含有少量的粉砂、粘土组分。从概率累积曲线(图3b)上看,本文研究的滨湖亚相样品表现为“滚动—多跳跃—悬浮”式组合的粒度特征。首先,在这些样品中滚动组分(0~1准之间的组分)含量约为10%,跳跃组分总体(1~3.32准之间的组分)含量介于70%~90%,而悬浮组分总体(>3.32准的组分)含量<10%,可见沉积物以跳跃组分为主,较粗组分和较细组分含量很小。另外,跳跃总体又可以细分为1~2.64准、2.6准和2.6~3.32准3个次总体,它们的含量依次为75%、5%和7%。显然,跳跃组分以1~2.64准粒度组分为主,这可能暗示形成于较为动荡的沉积环境。从概率累积曲线(图3b)的斜率容易看出各组分的分选程度,在这些滨湖亚相样品中滚动和跳跃总体的分选性较好,滚动总体的斜率约为2.74(α角约为70°),第一跳跃总体的斜率约为1.73(α角约为60°);第二跳跃总体的斜率最大,夹角α接近90°;第三跳跃总体的斜率较小,约为1.00(α角约为45°),悬浮总体的斜率很小。特征可能指示滨湖水动力较强,以跳跃搬运方式为主。由此可见,概率累积曲线反映出了粒度特征组分区间、含量及分选性,这些信息在粒度频率曲线上无法反映出来。2.2.2浮动式图2浅湖亚相在频率曲线(图4a)上的特征与滨湖亚相(图3b)相类似。频率曲线的粒度峰值主要集中在90~110μm,此外在大约4~5μm和20μm处存在不很明显的峰,除此之外,无法反映更多信息。然而概率累积曲线能反映出更详细的信息。首先,概率累积曲线总体上主要表现为“跳跃—悬浮”式(图4b),也有部分的“滚动—跳跃—悬浮”式。浅湖亚相的概率累积曲线也有3个组分,分别是粒度介于-0.68~1准之间的滚动组分、介于1~4的跳跃组分和粒度>4准(即<63μm)的悬浮组分,对应的组分含量依次为5%、90%和5%。可见,本文研究的浅湖亚相也是以1~4准的跳跃组分为主,并含有比滨湖亚相更多的跳跃组分。其次,跳跃总体也可以分为3个次总体,它们的粒度区间分别为1~2.64准、2.64准、2.64~4准,对应的含量依次为46%、24%和14%。与滨湖亚相的跳跃次总体相比,浅湖亚相的跳跃次总体的含量之间的差别减小,可能是浅湖环境比滨湖环境水动力条件更弱的反映。此外,从分选程度看,浅湖亚相的跳跃总体的分选性要好于悬浮总体,但不如滚动总体的分选性好。但是,跳跃总体中的粒度为2.64准的次组分的分选性比滚动总体的要好得多。由以上分析可以看出,概率累积曲线所反映的浅湖亚相的粒度信息更全面。2.2.3充填体组成特征深湖沉积物的样品较少,频率曲线和概率累积曲线见图5。样品s54150-155的粒度峰值集中在224μm,另外两个很弱的峰分别集中在4.5μm和22μm。样品s54155-160的粒度峰值主要集中在25μm,另外两个很弱的峰分别集中在0.63μm和2.2μm。这些信息表明有多个众数粒径存在,粒度组成可能比较复杂。除此之外,频率曲线就很难给出更确切的信息了。但在概率累积曲线(图5b)中,深湖亚相沉积体现出了频率曲线无法反映的更详细信息。如样品s54150-155在概率累积曲线中表现为“滚动—跳跃—悬浮”式组合特征,其中滚动组分(0.32~0.67准)、跳跃组分(0.67~3.32)和悬浮组分(>3.32准)的含量依次为3.2%、93.2%和3.6%,表明粒度组成中跳跃组分占绝对优势,这种情形与浅湖亚相相似。样品s54155-160表现为较平坦宽缓的上拱式,为低斜率曲线段组合。总体而言,概率累积曲线反映该样品的滚动总体不发育,跳跃总体的含量很小,悬浮总体发育最好。具体来讲,跳跃组分(3.32~4.32准)的含量只有4.6%,悬浮总体(>4.32准)含量为95.4%,悬浮总体明显占绝对优势。另外,悬浮总体是由4.32~5.64准和>6.64准两个次悬浮组分组成,对应的含量依次分别为38.2%和53.7%。从曲线段的斜率可知,从跳跃总体到悬浮总体,斜率依次减小,表明分选性越来越差。这种特征可能与湖底的沉积过程的动力学条件有关。由上述湖相及沙丘砂样品在两类曲线所反映的信息可知,概率累积曲线不仅可以完全反映频率分布曲线上能反映的信息,如主要粒度组成部分、优势粒径区间等,更重要的是还可以定量地反映样品的某一粒径区间的含量、次总体类型和分选程度等频率分布曲线难以反映的信息。导致沉积物粒度信息在频率分布曲线和概率累积曲线上的这种差别的主要原因,是两种曲线纵坐标的差异,其中概率累积曲线的纵轴是对数坐标,往往会放大粒度组成上的细微差别;而在频率分布曲线的纵轴是均匀分布的常用坐标,因而只能反映粒度组成的宏观特征,而难以反映其细微特点。所以,在沉积环境研究中,概率累积曲线更能反映沉积过程的细节信息。3粒度组成信