2002年2月 海洋地质与第四纪地质
第22卷第1期 M A R I N E GEOLO GY &QUA T ERNA R Y GEOLO GY
. 22, N o . 1V o l
Feb . , 2002
海洋碎屑沉积物的分类
何起祥, 李绍全, 刘 健
(青岛海洋地质研究所, 青岛266071)
摘要:比较研究了以Shepard 和Fo lk 等为代表的海洋碎屑沉积物分类方案, 提出沉积物的分类应兼具描述与解释两种功能。Shepard 分类已经过时, Fo lk 等的分类方案有显著的优点, 但亦有不足之处, 应予以改进。沉积物的成分分类受到忽视的现象应予以改变。为适应我国海洋地质测量的需要, 作者提出了一套结构分类与成分分类相匹配的多重分类系统, 解决了海洋碎屑沉积物分类中的矛盾和问题。
关键词:海洋碎屑沉积物; 成分分类; 结构分类
中图分类号:P 736. 21 文献标识码:A 文章编号:025621492(2002) 0120115207
随着我国新一轮国土资源大调查的展开, 系统的海洋地质测量也被历史地推上了日程。海洋地质测量与陆地地质测量有着很大的不同。技术含量高等特点外, 沉积物所覆盖, , 皱、。其实, 见证, 海底沉积物也包含着丰富的地质信息, 关键在于判读。一种好的沉积物分类无疑是打开这个信息宝库的钥匙。因此, 在我国全面开展系统的海洋地质测量之际, 遵循世界大多数国家认同的沉积物分类原则, 从我国的实际情况出发, 确定一个科学的分类系统, 已成为迫在眉睫的重要任务。
。U 2W en tw o rth 的[1], 即>2mm 者为者为砂; 0. 0625～0. 0039mm 砂;
, d 0=1mm , 使d 0
1 现有分类方案的评述
现代海洋地质界流行的沉积物分类都属于结构分类。在讨论具体的分类方案之前, 首先必须对粒级的划分达成共识。
碎屑沉积物一般按粒度分为砾、砂、粉砂和粘土4类。在20世纪70年代以前, 我国一直采用十进位制来划分粒级, 即>2mm 者为砾; 2～0. 05mm 者为砂; 0. 05～0. 005mm 者为粉砂;
基金项目:成都理工学院油气藏地质及开发工程国家重点实验室访问学者项目.
作者简介:何起祥(1936—) , 男, 研究员, 从事沉积学和海洋地质学研究.
收稿日期:2001207212, 2001210220改回. 文凤英编辑
5成为一个无量纲的粒度参数[3]。国际上通用的粒
级划分为:58为粘土。5粒级其实是U dden 2W en t 2w o rth 粒级的不同表达方式。对此, 国际沉积学界和海洋地质学界概无争议。
但是, 对于细粒组分的命名, 迄今不无歧见。欧美学者多将5
粘土一词用作粒度术语有其缺陷。易于与粘土矿物相混, 而且不便用于像碳酸盐岩那样的内源沉积物。有人主张用“泥”代替粘土作为粒度术语, 仅指粒度
116 海洋地质与第四纪地质 2002年
海洋碎屑沉积分类方案为数众多。但就基本思路来说, 不外乎两类, 即shepard 分类和Fo lk 、A n 2drew s 、L ew is 分类。
表1 碎屑沉积物的粒级划分
T able 1. Grain sizes of clasts
粒级 mm
巨 砾
粗 砾砾
中 砾细 砾极粗砂粗 砂砂中 砂
细 砂极细砂
粗粉砂中粉砂
粉 砂泥细粉砂
极细粉砂粘 土
>256256～6464～44～22～11～0. 50. 5～0. 250. 25～0. 1250. 125～0. 06250. 0625～0. 03130. 0313～0. 01560. 0156～0. 00780. 0078～0. 0039
的分类在沉积学文献中还有很多, 如Rob in son
(1949) 和T refethen (1950) 等人的分类等[6, 7]。
Shep ard 分类的最大优点是三端元等价, 描述性较强, 每一类沉积物的组分含量明确。自20世纪50年代提出以来, 沿用至今已达半个世纪。但近十多年来, 已逐渐为Fo lk 等人的分类所取代。1. 2 Folk 、Andrews 和L ewis 分类(1970)
5
8
以砂、粉砂和粘土为端元的三角图有一个非常重要的特点, 即凡是平行于砂端元对边的任何直线,
(粉砂+粘土) 的等比都是砂组分的等含量线或砂
线。由砂端元引出的任何辐射线, 则都是粉砂 粘土
的等比线。许多沉积学家都主张用三角图的这一特性, 即利用组分的等比线来划分沉积物。Fo lk 等人在1970(图2) [8]。
Fo lk :
1. 1 Shepard 分类(1954)
沉积物虽有4于某些特殊沉积物中, 为砂、, 。三角图的优点是可以形象地反映三组分的量比关系, 而且可以通过精心设计反映作者的观点和意图。
我国海洋地质界长期沿用的Shep ard 分类[5], 以砂、粉砂、粘土为三端元, 分别以20%和50%
为含量界线, 将沉积物分为9类(图1) 。三端元在分类中地位相同。除了粒度本身所代表的动力学意义外, 不含其它成因意义, 因此纯属描述性的分类。与之相似
, , 各端元组分的地位并不相
。既不, 又具有解释性分类和成因分类的功能。例如Fo lk 等人在其第二个分类三角图中突出了砂屑组分的主导地位, 而将粉砂和粘土作为从属组分, 就是强调了沉积物的搬运和沉积方式在分类中的意义, 从而从一个侧面反映了沉积作用的动力学特征。
众所周知, 在砂、粉砂和粘土3组分中, 砂一般为推移组分, 多为侧向加积物; 而粉砂和粘土一般为悬浮组分, 多为垂向加积物。砂泥二者的比值反映了两种搬运方式不同的组分的量比, 也就在一定程度上反映了介质的运动强度和混浊度。对一个有经验的沉积学家来说, 这些信息无疑有着极为重要的成因意义。
其次, 该分类毋需3组分的精确含量, 只要相对的量比即可定名, 在实际工作中应用十分方便。
第三, Fo lk 等人的分类便于电脑成图。只要在平面图上绘出砂 泥(粉砂+粘土) 和粉砂 粘土两种岩比线, 再按岩比区的图例填上相应的符号, 就是一张沉积物的成因类型图了。Shepard 分类就难以做到这一点。
前已述及, 陆源碎屑沉积物根据颗粒的沉积物动力学行为可以分为砾、砂、粉砂和粘土4种基本组分。三角图只能用来表示三组分的沉积物。前人的大多数分类都回避这个问题。Fo lk 等人为了解决这一矛盾, 采用了两个三角图, 即一个以砾2砂2泥为三端元的三角图和一个以砂2粉砂2粘土为三端元的三
图1 Shepard 等人的碎屑沉积物分类
. F ig . 1 C lassificati on of clastic sedi m ents by Shepard et al
第1期 何起祥, 等:海洋碎屑沉积物的分类117
角图, 并以泥作为第一个三角图的一个端元
。
“泥”的定义也出现了混乱。在以砾2砂2泥为端元的三角图中, “泥”所代表的是粉砂和粘土的总和。但在以砂2粉砂2粘土为端元的三角图中, “泥”所指的是砂含量
1. 3 Pejrup 的分类
丹麦学者M o rten Pejrup 于1988年提出了一个与Fo lk 等人的分类相似、但有显著特色的分类(图3) [9]。他首先用平行于砂端元对边、砂 泥比分别为9、1、1 9的3条界线将沉积物分为A 、B 、C 、D 四大类。然后用粉砂 粘土比分别为4、1、1 4的3条辐射线将上述4 、 、 、 四类。按此将砂2A 、A A B 、C 、C 、C 、
、D 等16类。
图2 Fo lk 、A ndrew s 和Lw eis 的沉积物分类
A . 含砾碎屑沉积物的分类。G 砾; sG 砂质砾; m sG 泥质砂质砾; m G
泥质砾; gS 砾质砂; gm S 砾质泥质砂; g M 砾质泥; (g ) S 含砾砂; (g )
m S 含砾泥质砂; (g ) M 含砾泥; S 砂; m S 泥质砂; s M 砂质泥; M 泥B . 不含碎砾碎屑沉积物的分类。S 砂; zS 粉砂质砂; m S 泥质砂; cS 粘
土质砂; sZ 砂质粉砂; s M 砂质泥; sC 砂质粘土; Z 粉砂;M 泥; C 粘土图3 Pejrup 的碎屑沉积物分类
F ig . 3 C lassificati on of clastic sedi m ents
by Pejrup (1988)
F ig . 2 C lassificati on of sedi m ents by Fo lk ,
A ndrew s and Lw eis (1970)
A . Gravel 2bearing clastic sedi m ents classificati on .
G :gravel ; sG :
sandy gravel ; m sG :m uddy sandy gravel ; m G :m uddy gravel ; gS :gravelly sand; gm S:gravelly m uddy sand; g M :gravelly m ud; (g ) S:gravel 2bearing sand; (g ) m S:gravel 2bearing m uddy sand; (g ) M :gravel 2bearing m ud ; S :sand ; m S :m uddy sand ; s M :sandy m ud ; M :m ud
B . C lassificati on of clastic sedi m ents no t containing gravels . S :sand ; zS :silty sand ; m S :m uddy sand ; cS :clayey sand ; sZ :sandy silt ; s M :sandy m ud ; sC :sandy clay ; Z :silt ; M :m ud ; C :clay
Pejrup 的分类看上去与Fo lk 等人的分类十分
相似, 但在分类思想上却有着相当大的不同。Fo lk 等人的分类是真正的三端元分类。正因为这一认识上的局限, Fo lk 等人无法处理含砾的四端元沉积物, 而不得不用2个三角图和双重分类标准来解决这一矛盾, 因而犯了逻辑学的大忌。
Pejrup 分类实质上是用两套重迭的二元系统来划分三端元沉积物。一套是砂和泥的二元系, 由此将沉积物分为A 、泥质砂、砂质泥和泥B 、C 、D , 即砂、四大类。另一套是粉砂和粘土的二元系统, 由此将细
Fo lk 等人用2个三角图来划分海底的碎屑沉
积物是一大败笔。除了实际应用中的不便之处外, 对
118 海洋地质与第四纪地质 2002年
粒沉积物或悬浮组分分为 、 、 、 , 即粘土质、粉砂粘土质、粘土粉砂质和粉砂质4类。前者反映沉积物的基本粒度组成和分选程度, 并进而反映介质的流动强度和混浊度; 而后者则反映递变悬浮组分(粉砂) 与均匀悬浮组分(粘土) 的量比, 是介质扰动度的反映。
按照上述分析, 处理砾石组分就不再成为难题了。当沉积物含有砾石组分时, 可以将它化解为3个二元系统的迭合。即除了前述的2个二元系统外, 另
(砂+粉砂+粘土) 二元系统就可以了。加1个砾
Pejrup 认为他的分类有重要的成因意义和显
题, 即都不考虑碎屑物的成分。这与古相碎屑岩的研
究大相径庭。近20年来, 由于滨海砂矿和砂砾石资源的开发, 沉积物的成分分析已日益受到关注。
在古相沉积物中, Pettijohn (1975) 提出用结构成熟度、成分成熟度和物源指数来划分陆源碎屑岩, 取得了很好的效果[10]。所谓结构成熟度是指颗粒组分与杂基含量, 即悬浮组分总含量的比值, 是沉积物的分选程度或介质混浊度的标志。Fo lk 等人的分类或Pejrup 的分类, 都属结构分类, 所反映的主要是沉积物的结构成熟度。所谓成分成熟度是指石英 (长石+岩屑) 的比值, 亦即稳定组分与不稳定组分的比值, 可以反映搬运距离的大小和物源区的远近。所谓物源指数是指长石 岩屑比, 长石主要来源于地壳较深部的岩石; 而所谓岩屑, 即沉积岩、火山岩和浅变质岩的碎屑, 。长石 岩屑, 并有一定的构造, 大多遵循以上的。稍加修改后即可。
著的解释功能。A 、泥的含B 、C 、D 反映沉积物中砂、量比, 取决于物源区的距离、搬运介质的强弱和介质的混浊度。 、 、 、 代表了沉积物的水动力学特征。 类属悬浮组分均为粘土的情况, 代表平静介质, 类属悬浮组分均为粉砂的情况, 代表扰动的环境, 、 类介于其间。
Pejrup 用Shepard 的三角图和自己的三角图同时处理Fundy 湾M inas 盆地的粒度分析资料, , 果要比Shep ard ) 美国加州M adden 海的沉积物分析, (图5) 。
Pejrp 分类的缺点是显得烦琐。他将砂屑组分超过90%的沉积物(A ) 再分为4类, 无论在理论上和实践中都是没有必要的。
现代海洋碎屑沉积物分类存在一个共同的问
2 建议的海洋碎屑沉积物分类
分类方案可以分为描述性的和解释性的两类。一个描述性的分类可以不具备解释性的功能, 但一个解释性的分类却不能没有描述性的基础。在地质学中, 描述性分类应用甚广,
尤其是在地质学的早
图4 Shepard 分类(A ) 与Pejrup 分类(B ) 的应用对比
F ig . 4A pp lied comparison of sedi m ent classificati on by Shepard (A ) and Pejrup (B )
第1期 何起祥, 等:海洋碎屑沉积物的分类119
图5 Pejrup 分类的应用实例
A 美国加州M ugu 泻湖的资料; B W F ig . 5 A pp lied cases of sedi m on A . Case of M ugu L agoon in B . of D enm ark
期。但地质学家所追求的, 类, 或者成因分类、成分分类, 以取代目前仍在我国应用的Shepard 分类。该分类采用三角图和等比线来划分沉积物的结构类型和成分类型。2. 1 海洋碎屑沉积物的结构分类
基质沉积物的类型分别称为砾质砂、砾质泥质砂、砾质砂质泥、砾质粉砂、砾质粘土等。砾石含量
一如前述, 由砾、砂、粉砂和泥组成的一个沉积
物样品, 可以看作几个二元系的迭合, 即砾石组分与支撑物(砂+粉砂+泥) 的二元系, 砂、泥二元系和粉砂2粘土二元系的迭合。采用二元系的命名规则来命名多组分的沉积物。
本分类以砂2粉砂2粘土的三端元分类为基本分类。选择砂 泥比4、1、1 4和粉砂 粘土比4、1、1 4将沉积物分为砂、泥质砂、砂质泥和泥4大类, 砂、粉砂泥质砂、粘土泥质砂、粉砂砂质泥、含粘土粉砂砂质泥、含粉砂粘土砂质泥、粘土砂质泥、粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土及粘土11小类(图6A ) 。大类的名称同样有其应用价值。
含砾沉积物的分类, 分别以砾和支撑物作为两个独立的端元, 按二端元分类法命名、砾石含量>80%为砾, 基质不参与命名。砾石含量在30%～80%仍为砾, 但基质参与命名。基质按上述基本三角图划分至大类, 如砂质砾、泥质砂质砾、砂质泥质砾、泥质砾。砾石含量在5%～30%称为砾质沉积物。按
海洋砂屑沉积物亦应考虑按成分分类。亦可采
用三角图, 以石英、长石和岩屑为三端元。以石英 (长石+岩屑) 比9、1、1 9和长石 岩屑比9、1、1 9将砂分为9类, 即石英砂、长石石英砂、岩屑石英砂、石英长石砂、石英岩屑砂、长石砂、岩屑长石砂、长石岩屑砂和岩屑砂(图6C ) 。
3 结论
(1) 我国海洋地质调查的全面铺开, 急需确定
一个有扎实的理论基础和应用价值、兼具描述性和解释性功能的海洋碎屑沉积物分类表。Shepard 分类已经过时。Fo lk 等人的分类虽已为大多数国家所采用, 但在一些关键问题的处理上存在重大缺陷。Pejrup 分类稍嫌烦琐, 但在分类思想上有其独到的长处。
(2) 海洋碎屑沉积物的粒级划分, 应与国际接轨。统一利用基于U dden 2W en tw o rth 粒级的5粒级。这一粒级划分不仅具有数学意义, 也有沉积动力学意义。鉴于国际上的共识, “泥”这一术语应保留作为粉砂和粘土两种组分的总和, 代表沉积体系中的
120 海洋地质与第四纪地质 2002年
B . T extural classificati on of gravel 2bearing sedi m ents . Gravel :sedi 2m ents w ith gravels >80%; ××gravel :sedi m ents w ith gravels 30%
悬移组分
。
～80%; Gravelly ××:sedi m ents w ith gravels 5%～30%; Gravel 2
bearing ××:sedi m ents w ith gravels
C . Compo siti onal classificati on . Q :quartz sand ; FQ :feldspath ic quartz sand; LQ :lith ic quartz sand; Q F:feldspath ic sand; QL :quartz lith ic sand; F:feldspath ic sand; L F:lith ic feldspath ic sand; FL :felds 2path ic lith ic sand; L :lith ic sand
(3) 海洋碎屑沉积物的成分组成, 具有极其重
要的成因意义。按照成分组成划分沉积物类型已是海洋地质调查不可或缺的组成部分。
(4) 笔者在总结前人工作的基础上, 提出了一个包括结构分类和成分分类在内的多重分类系统, 该分类利用三角图和等组分比线划分沉积物的基本类型, 与Fo lk 等人的分类, 。可同样用计算机成图, 并与Fo lk 。该分类难, 。命名系统亦因此更参 考 文 献
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图6 海洋碎屑沉积物的多重分类系统
A . 结构分类:S 砂; Z M S 粉砂泥质砂; CM S 粘土泥质砂; ZS M 粉砂砂
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质泥; CZS M 含粘土粉砂砂质泥; ZCS M 含粉砂粘土砂质泥; CS M 粘土砂质泥; Z 粉砂; CZ 粘土质粉砂; ZC 粉砂质粘土; C 粘土
B. 含砾沉积物的结构分类:砾石>80%为砾; 砾石30%～80%××
为质砾; 砾石5%～30%为砾质××; 砾石
C. 成分分类:Q 石英砂; FQ 长石石英砂; LQ 岩屑石英砂; Q F 石英长
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石砂; QL 石英岩屑砂; F 长石砂; L F 岩屑长石砂; FL 长石岩屑砂; L 岩屑砂
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F ig . 6A m ulti 2fo ld classificati on of
m arine clastic sedi m ents
A . T extural classificati on . S :sand ; Z M S :silty m uddy sand ; CM Z :clayey m uddy sand ; ZS M :silty sandy m ud ; CZS M :clay 2bearing silty sand m ud ; ZCS M :silt 2bearing clayey sandy m ud ; CS M :clayey sandy m ud ; Z :silt ; CZ :clayey silt ; ZC :silty clay ; C :clay
第1期 何起祥, 等:海洋碎屑沉积物的分类121
CLASSIF I CAT I ON OF M AR INE CLAST I C SED I M ENTS
H E Q i 2x iang , L I Shao 2quan , L I U J ian
(Q ingdao Institute of M arine Geo logy , Q ingdao 266071, Ch ina )
Abstract :A classificati on of sedi m en ts m u st have the functi on s of bo th descri p ti on and in terp retati on . A . T he Shep 2carefu l review is m ade by the au tho rs of the classificati on s p ropo sed by Shep ard and Fo lk et al
ard classificati on is no longer accep tab le becau se of its lack of the functi on of in terp retati on . Fo lk’sclassifi 2cati on has advan tages and is w idely accep ted by m any coun tries in m arine geo logical su rvey . How ever , there are concep tual p rob lem s to be so lved . T he com po siti onal classificati on of sedi m en ts is igno red fo r long .
W ith the i m p lem en tati on of the nati on 2w ide m arine su rvey in Ch ina , there is t need in selec 2ti on of a righ t classificati on system . It shou ld be ab le to be u sed r ti as w ell as in ter 2p retati on . It shou ld be conven ien t in com pu ter p rocessing . shou be tran le ith o ther classifi 2cati on system s in u se by o ther coun tries .
A new classificati on system is p ropo in bo th the tex tu ral and com po siti onal classificati on s . It is a m u lti 2fo ld the p rinci p le of tw o 2end m em ber classificati on even though a is rding to the classificati on p ropo sed , m arine clastic sedi m en ts . e . sand , m uddy sand , sandy m ud and m ud acco rding to the rati o of cou ld be r ries , i
sand and m ud . T ay be fu rther divided in to eleven catego ries as sand (S ) , silty m uddy sand (Z M S ) , clayey m uddy sand (C M S ) , clayey silty sandy m ud (CZS M ) , silty clayey sandy m ud (ZCS M ) , clayey sandy m ud (CS M ) , silty sandy m ud (ZS M ) , silt (Z ) , clayey silt (CZ ) , silty clay (ZC ) , and clay (C ) in acco rdance w ith bo th the sand 2m ud rati o and silt 2clay rati o .
Gravel 2bearing sedi m en ts cou ld be divided acco rding to the rati o of the gravel and the m atrix .
(feldspar . W ith the rati o s of quartz A com po siti onal classificati on is p ropo sed fo r the sandy sedi m en ts
+lith ic fragm en ts ) and feldspar lith ic fragm en ts , sandy sedi m en ts cou ld be divided in to quartz sand (Q ) ,
feldsp ath ic quartz sand (FQ ) , lith ic quartz sand (LQ ) , quartz feldspath ic sand (Q F ) , quartz lith ic sand (QL ) , feldsp ath ic sand (F ) , lith ic feldsp ath ic sand (L F ) , feldspatic lith ic sand (FL ) and lith ic sand (L ) . Key words :m arine clastic sedi m en ts ; com po siti onal classificati on ; tex tu ral classificati on