雅丹地貌沉积物的沉积学意义

雅丹地貌沉积物的沉积学意义

作为沉积物的一个重要特征之一，粒度被广泛用于分析运动强度、运动方式、积累环境和沉淀过程。粒度分析方法在对黄土、沙漠、海洋、河流、湖泊等的沉积物研究中的应用已取得丰硕成果。对黄土和沙漠的研究表明,风成沉积物粒度的大小可以作为反映气候环境变化的代用指标。对深海沉积物的研究表明,沉积物各组分的含量,可以指示洋流速度的大小和搬运能力的强弱。同样,对河流、湖泊的研究也表明,粒度的粗细代表了水动力的强弱、输水量的大小,在一定程度上还可以指示区域气候的干湿变化。在对雅丹地貌的研究中,国外学者已采用了粒度分析方法,但在国内却还没将这一研究方法应用于雅丹地貌的研究中。目前国内外对雅丹地貌进行的研究较少,因此,对雅丹体粒度特征的研究具有一定的地貌学意义。主要采用粒度分析方法,对察尔汗盐湖区雅丹地貌沉积物的粒度特征进行了分析,并用萨胡判别公式结合沉积物粒度组成及分布曲线特征对沉积物的形成环境进行了判别,以明确研究区内雅丹地貌发育的物质基础。1柴达木盆地区察尔汗盐湖位于柴达木盆地东南部低洼区,介于36°37′36″—37°12′33″N、93°42′36″—96°14′35″E之间,东西长168km,南北宽20~40km,面积约为5856km2,海拔在2675m以上,地势较平坦,广阔的盐滩上分布有察尔汗干盐湖和达布逊湖、大-小别勒湖、团结湖、协作湖、南-北霍布逊湖、东陵湖、达西湖等十余个边缘卤水湖泊(图1)。该地区年降雨量为10~30mm,年蒸发量达1900~3100mm以上,西北风盛行,昼夜温差大,日照时间长,年最冷月(1月)平均温度为-10~-13℃,年最热月(7月)平均温度为13~18℃;年辐射量691×103~754×103cal·cm-2(合2893~3157kJ·cm-2),年平均相对湿度小于40%。南北两侧山系均在4500~5000m以上,南部为昆仑山脉,北部为锡铁山。东西两侧地势微高,为大范围的缓坡地形。区域地质研究表明,本区盐湖是晚更新世以来形成的、具不完全对称地堑式构造形态,沿湖地带具有盐盘性质。周边补给水系较复杂,水网散漫,水量较小,受季节影响大。柴达木盆地地质历史演变说明,察尔汗盐湖的成盐物质来源于周边山系的风化、剥蚀、搬运及转移,湖水也经历了淡水-咸水-盐湖-干盐湖的演化过程。该盆地第四纪地质研究结果表明,早更新世地层以泥岩、泥灰岩为主,局部夹薄层石膏;中更新世地层以粉砂岩、泥岩为主,局部夹芒硝层;晚更新世地层以泥岩、粉砂岩为主,并具有巨厚石盐层;全新世以化学沉积为主,夹杂风积及洪、冲积等作用。察尔汗盐湖的成盐作用不是在局部地区偶然的出现,而是在广阔范围内客观环境的反映。盐湖同样是研究第四纪古气候演化的良好地质体。2样品的采集与粒度测试对雅丹地貌的研究采用野外调查、采样结合室内实验分析的方法。我们于2010年8月14日至18日对该区域的雅丹地貌和其他风成地貌进行了野外调查研究。雅丹地貌采样点位于37°10′29.9″N,95°13′10.1″E,海拔2730m,雅丹体走向为NW-SE(图1)。雅丹体长宽高分别为207.97m、66.16m、24.5m,前部形态为隆起的馒头状小山包,沿着雅丹体的走向向尾部逐渐尖灭,外形呈蝌蚪状。在雅丹体的外部覆盖着一层盐壳,在其下部沿着雅丹体四周由于风的掏蚀作用形成一环形凹坑。雅丹体之间则为平沙地。虽然在雅丹地貌的形成过程中风力起着主要作用,但由于表面沟蚀、冲蚀、块体运动、重力崩塌等作用的存在,雅丹体表面及底部的堆积物和坡积物,并不能反映这些部位的沉积环境。为消除雅丹体表面物质带来的影响,采样时先将覆盖于雅丹体的表面物质及盐壳去除。在所选雅丹体最宽横截面的东北侧,从其底部开始,至雅丹体顶部,以0.5m间隔为标准进行样品采集,取样600g,并立即密封包装,共计采得样品42个,样品编号为CEH033-074。样品的粒度测试采用标准处理方法:称量样品0.3~0.5g,倒入烧杯中;然后往烧杯中加入10ml浓度为10%的H2O2,并置于电热板上加热,使其充分反应;其后再往烧杯中加入10ml浓度为10%的HCl,并置于电热板上使其充分反应;待烧杯冷却后再往烧杯中加入纯净水500ml,静置72h;测试前往烧杯中加入10ml浓度为0.05mol·L-1的分散剂六偏磷酸钠[Na6(PO3)];最后用英国马尔文公司生产的Mastersizer2000激光粒度仪进行测试。粒级划分按照乌登-温特沃斯粒级标准(Udden-Wentworthscale)进行,即:黏土(>9Φ)、粉沙(4~9Φ)、极细沙(3~4Φ)、细沙(2~3Φ)、中沙(1~2Φ)、粗沙(0~1Φ)、极粗沙(-1~0Φ)和砾石(<-1Φ)。采用粒度参数有平均粒径(MZ)、标准离差(σI)、偏度(SKI)、峰态(Kg)等,粒度参数的计算采用FolkandWard图解法的公式。3结果3.1从充填材料的含量看测试结果表明,该雅丹体沉积物的组成以粉沙为主,含量介于29.61%~88.53%,平均含量达到69.26%;其次为极细沙,含量为0.45%~26.39%,平均为10.70%;黏土和细沙的含量相差不大,平均含量分别为8.95%、8.73%,变化范围分别为3.6%~20.58%、0~32.66%;中沙含量较少,平均为2.26%;粗沙含量最少为0.10%;不含极粗沙和砾石(图2)。3.2地表分布曲线在对碎屑沉积物的研究中,粒度分布曲线是一种直观和有效的方法。对测试结果进行统计分析后,发现雅丹地貌沉积物42个样品的自然分布频率曲线主要有4种类型(图3)。类型1:分布曲线呈不对称的双峰分布(图3A),沉积物粒度分布具有明显的主次组分。主峰位于3~4Φ之间,属于极细沙粒级;次主峰位于5~7Φ之间,属于粉沙粒级。主峰与次峰相差较大。在极细沙粒级峰和粉沙粒级峰之间的过渡范围内(4~5Φ)出现一低谷。属于此类型分布曲线的样品共计15个,分别出现于距地表3m、3.5m、7.5~9m、12.5~14.5m、18.5m、22m和23~24.5m处。类型2:分布曲线呈近乎对称的双峰分布(图3B)。同类型1相比,极细沙粒级峰比重降低,粉沙级峰比重升高,二者含量相差不大。极细沙粒级峰位于3~4Φ之间,向粉沙粒级偏移;粉沙粒级峰位于7~8Φ,同时也向黏土粒级偏移。在极细沙粒级峰和粉沙粒级峰的过渡范围内(5~7Φ)出现一低谷,也向粉沙粒级偏移。属于此类型分布曲线的样品共计4个,分别位于距地表0.5m、1m、10.5m和15.5m处。类型3:分布曲线为不对称的双峰分布(图3C)。同类型1相比,主、次峰的分布范围刚好相反,主峰与次峰相差也较大。主峰与次峰之间过渡带内的低谷位于4~6Φ之间。属于此类型分布曲线的样品共计9个,分别出现在距地表0m、4m、5.5~7m、9.5m、11m、15m和22.5m处。类型4:分布曲线近乎为正态分布(图3D),主峰位于6~8Φ,属于粉沙粒级。属于此类型分布曲线的样品共计14个,分别位于距地表1.5~2.5m、4.5m、11.5~12m、16~18m、19~22m处。对比4种分布曲线,可知它们大部分为双峰分布,且峰值均位于7Φ附近和3Φ附近。我们可以发现分布曲线由A到D的变化过程实际是在7Φ处峰值的递增过程,同时也是3Φ处峰值的递减过程。由于分布曲线指示着相应的沉积环境,所以分布曲线的变化实际也是雅丹地貌沉积物沉积环境的变化过程。3.3雅丹沉积细颗粒基因特征2>i>4根据计算所得粒度参数数据(图4)可知,该雅丹体沉积物的平均粒径(MZ)介于3.95~7.18Φ之间,平均值为5.97Φ,为粉沙粒级。该雅丹体沉积物的标准离差(σI)变化范围为1.37~2.47,平均值为1.99。其中,分选性较差(1<σI<2)的样品21个,分选性差(2<σI<4)的样品也为21个。偏度(SKI)的变化范围为-0.27~0.58,平均值为0.10。其中,呈负偏(-0.30<SKI<-0.10)的样品11个,表明这些样品的沉积物颗粒集中在粗端部分;呈近对称(-0.10<SKI<+0.10)的样品11个,这些样品沉积物颗粒粗细分布比较均匀;呈正偏(+0.10<SKI<+0.30)样品12个,呈极正偏(+0.30<SKI<+1.00)样品8个,这些样品的沉积物颗粒集中在细端部分。可知,形成雅丹地貌沉积物细颗粒成分占很大比重。峰态(Kg)的值介于0.71~1.28之间,平均值为0.93。其中峰态曲线为宽型(0.67<Kg<0.90)的样品共计19个,峰态曲线为中等(0.90<Kg<1.11)的样品共计20个,峰态曲线为窄型(1.11<Kg<1.50)的样品共计3个。可见,形成雅丹体沉积物的峰态(Kg)曲线主要为宽型和中等两种类型。4沉积物粒度参数的结果分析粒度数据和粒度参数特征可以反映沉积物的形成环境。萨胡对风成沙丘、风成坪地、浅海、三角洲、河床、泛滥平原等碎屑沉积物进行了大量地采样分析,根据FolkandWard图解法的粒度参数计算公式,计算了平均粒径(MZ)、标准离差(σI)、偏度(SKI)和峰态(Kg),应用线性多元类别分析方法,建立了用以区别沙丘、海滩、浅海、河流和浊流这5种常见沉积环境的经验判别公式。由于萨胡判别公式建立于世界各地大量的现代沉积环境样品之上,因此,该判别式具有一定的普遍意义。现在,该判别式在中国被广泛应用于地质研究中,特别是在寻找油田等矿产方面发挥着一定的作用。下面就用萨胡判别公式对雅丹地貌沉积物的沉积环境进行判别:若Y<-2.7411,则为风成沉积环境;若Y>-2.7411,则为海滩沉积环境。将察尔汗盐湖雅丹地貌沉积物粒度参数数据代入该式,计算发现:只有CEH061和CEH068两个样品的Y值分别为-5.11、-8.25,小于-2.7411,为风成沉积环境,其余样品的Y值均大于-2.7411,为海滩沉积环境。若Y<65.3650,则为海滩沉积环境;若Y>65.3650,则为浅海沉积环境。将1)中为海滩沉积环境的样品粒度参数数据代入该公式,计算发现:这些样品的Y值均大于65.3650,说明它们全部为浅海沉积环境。若Y>-7.4190,则为浅海沉积环境;若Y<-7.4190,则为河流或三角洲沉积环境。将2)中浅海沉积环境的样品的粒度参数数据代入上式,计算发现:这些样品的Y值均小于-7.4190,说明它们全部为河流或三角洲沉积环境。若Y>9.8433,则为河流或三角洲沉积环境;若Y<9.8433,则为浊流沉积。将3)中为河流或三角洲沉积环境样品的粒度参数数据代入上式,计算发现:有8个样品(CEH037、CEH054、CEH055、CEH056、CEH066、CEH067、CEH069和CEH073)的Y值分别为9.99、10.72、10.59、9.97、10.61、10.30、10.26、9.90,大于9.8433,为浊流沉积环境;其余样品的Y值均小于9.8433,为河流或三角洲沉积环境。由于萨胡环境判别公式缺少对湖相沉积环境的判别,又由于湖相沉积同浅海沉积环境十分相似,因此,可以通过以上对沉积物粒度组成和粒度分布曲线进行进一步的区分。在沉积物的粒级级配部分,我们知道组成雅丹地貌的组成成分主要为粉沙、极细沙、黏土、细沙。根据泊江海子、青土湖等干盐湖的研究,这些区域沉积物粉沙含量均在50%以上,且其频率分布曲线同雅丹地貌沉积物的频率分布曲线种类和形状基本相同。因此,根据对青土湖、泊江海子的研究,可知雅丹地貌沉积物也有湖相、滨湖相沉积。由以上分析,可以发现雅丹地貌沉积物的形成环境十分复杂,既有风沙沉积环境,还有湖相、滨湖相沉积环境和河流、三角洲沉积环境,同时还有浊流沉积。但是,通过以上分析,可知,风沙沉积环境在42个样品中仅占两个,说明这两个时期气候比较干燥,发生了沙进湖退现象;浊流沉积环境样品8个;其余均为河流或三角洲、湖泊、滨湖相沉积。即形成雅丹地貌的物质基础主要是河湖相沉积物。同夏训诚、吴正、郑本兴等认为雅丹地貌是在河湖相沉积物基础上经风力、流水等外力侵蚀形成的观点相一致。屈建军等通过对罗布泊东阿奇克谷地雅丹地貌研究,也得出雅丹地貌形成物质基础是河湖相沉积物。5粒度参数及沉积环境特征1)察尔汗盐湖区雅丹地貌沉积物粒度组成以粉沙为主,平均含量达到69.26%;其次为极细沙,平均为10.70%;黏土和细沙的含量相差不大,平均含量分别为8.95%、8.73%。但是各成分含量均具有变化范围大的特点。2)察尔汗盐湖区雅丹地貌沉积物的粒度分布曲线主要有呈不对称的双峰分布、近乎对称的双峰分布、单峰分布等共4种类型。呈双峰态的分布曲线,主次峰均位于粉沙粒级和沙粒级,区别仅是两个粒级含量的高低。每种分布曲线均指示着特定的沉积环境。这也说明雅丹地貌沉积环境的复杂性。3)通过对粒度参数的计算,可知雅丹地貌沉积物的平均粒径介于3.95~7.18Φ之间,平均值为5.97Φ;标准离差变化范围为1.37~2.47,平均值为1.99;偏度的变化范