Question

碎屑岩的结构

Answer 1

碎屑岩的结构包括三个方面的内容，即碎屑颗粒本身的特点（粒度、球度、圆度、形状及颗粒表面特征）、胶结物的特点（结晶程度和颗粒大小）以及碎屑与胶结物之间的关系（胶结类型）。

（一）碎屑颗粒的结构

1.粒度

碎屑颗粒的大小称为粒度，它是以颗粒直径来计量的。由于工作的性质与目的不同，各人所采用的粒度等级划分标准也不同，在地质学中为了查明粒度大小与古水动力的关系，有人把粒度与成分及颗粒的水力学行为联系起来，提出了自然粒级标堆。

自然粒级标准是根据颗粒大小与搬运、沉积以及矿物颗粒之间的内在联系来确定颗粒之间的界限。据水力学的研究，＞2mm的颗粒一般是以滚动方式沿底部搬运；2～0.05mm左右的颗粒在搬运过程中非常活跃；0.05～0.005mm的颗粒的沉降速度已不符合斯托克斯公式了；＜0.005mm的颗粒已有明显凝聚现象，甚至可有布朗运动现象。从物质成分上来看，岩石碎屑一般多见于＞2mm粒级中；＜2mm的粒级中以矿物碎屑为主，石英及长石碎屑分布的最大频率位于2～0.005mm之间，重矿物则一般分布于0.05～0.005mm的粒级中；而＜0.005mm的颗粒中，以粘土物质为主。因此把碎屑颗粒划分为：

＞2mm，砾；

2～0.05mm，砂；

0.05～0.005mm，粉砂；

＜0.005mm，泥（粘土）。

碎屑岩很少是由一种粒级碎屑（即所谓粒级成分）组成的，往往由几种粒级组成。所谓的岩石粒度是指碎屑颗粒的平均直径而言。碎屑岩中颗粒大小的均匀程度称为分选性或分选程度。碎屑岩的分选程度是不一样的，一般可以粗略地把分选程度分为好、中、差三级。当主要粒度成分含量＞75%时，或颗粒大小近于相等者，称为分选好。当主要粒度成分含量在50%～75%时，称为分选中等。没有一个粒级成分含量超过50%时，或者颗粒大小相差大时，则称为分选差。详细划分分选性一般用分选系数或标准偏差来表示。

碎屑的分选是在搬运、沉积的过程中发生的，所以颗粒平均直径和分选程度取决于当时沉积介质的水动力条件和搬运距离。随着搬运距离的加长，颗粒平均直径变小，分选程度也变好，沉积介质的强烈搅动也有助于分选程度的增高，风的搬运比水的搬运分选好，滨海沉积比湖泊和河流沉积分选好。

2.碎屑颗粒的形态

碎屑颗粒的形态包括圆度、球度、形状三方面，其中以圆度最有实用意义。颗粒的形态是粗碎屑岩最显著的特征之一。

（1）圆度

系指碎屑颗粒的原始棱或角被磨蚀圆化的程度，若棱角被磨蚀，碎屑则逐渐变圆。因此，圆度就是棱角尖锐度的函数。通常对于砂粒大小的颗粒来说，可以用比较法将圆度分为以下四级（括号中数字为该圆度级的基数）：

1）棱角状（0），颗粒具尖锐的棱角，棱线向内凹进。一般来说，碎屑基本未经搬运时呈棱角状。

2）次棱角状（1），碎屑颗粒的棱、角均稍有磨蚀，但棱和角仍清楚可见。一般说明碎屑经短距离搬运。

3）次圆状（2），棱角有显著的磨损，棱线略向外凸出，但原始轮廓还清楚可见。一般说明碎屑经过较长距离的搬运。

4）圆状（3），颗粒的棱角已经全部磨损消失，棱线向外突出呈弧状，原始轮廓均已消失。一般说明碎屑经过长距离的搬运和磨损。

颗粒的圆度不仅取决于颗粒本身的性质，如硬度、密度及原始的形状，更重要的是与碎屑生成的条件有关。在搬运过程中，滚动的颗粒比悬浮的颗粒易磨圆，大的颗粒比小的颗粒易于磨圆，硬度小的颗粒比硬度大的颗粒易于磨圆，搬运距离远比搬运距离近，搬运时间长比搬运时间短磨圆度好，风搬运比水搬运磨圆度好，滨海沉积比河流沉积的磨圆度好。

（2）球度

系指颗粒接近球体的程度。球度的颗粒三度空间的形状及其大小决定于a、b、c三个轴的比例。对于碎屑颗粒三个轴的度量如图8-2所示。

a轴：碎屑颗粒最大面上的最大直径。

图8-2 碎屑颗粒三个轴的位置

（a）剖面图；（b）平面图

b轴：在最大扁平面上垂直a轴的最大直径。

c轴：垂直于最大扁平面的最长的直径。

必须区分球度与圆度这两个不同的概念，球度高的颗粒其圆度不一定好，反之亦然（图8-3）。例如晶形极好的石榴子石及磁铁矿，其球度很高，然而圆度很差；又如片状矿物如云母的圆度可以很高，但其球度始终不会很高。球度不同的颗粒在搬运沉积中的水动力行为也不同，球状的颗粒不仅比其他形状的颗粒更容易滚动，而且它的单位体积的表面积最小，比任何其他形状的颗粒沉降得也更迅速（图8-4）。

图8-3 圆度形状和分级

（据Powers，1953）

同一方框内的颗粒圆度相似但球度不同

图8-4 A—颗粒形态划分；B—球度与形态关系

1—圆球体；2—扁圆体；3—椭球体；4—长扁圆体

颗粒据球度可分成以下几种：

圆球体，b/a＞2/3，c/b＞2

扁圆体，b/a＞2/3，c/b＜2

椭球体，b/a＜2/3，c/b＞2

长扁圆体，b/a＜2/3，c/b＜2

形状不同的颗粒，其球度可以相等。如图8-4中球度系数为0.5的曲线，可以通过扁圆体、长扁圆体和椭球体三个区域。

颗粒的圆度、球度及形状的特征都与矿物的结晶习性、解理、硬度、颗粒的大小及介质的条件有关。颗粒的圆度、球度及形状在粗碎屑岩特别是砾岩的研究中有很大意义。

3.碎屑颗粒的表面特征

在碎屑颗粒的表面常有各种磨光面、毛玻璃化和显微刻蚀痕迹等，它们可能是由于机械磨蚀作用和化学溶蚀、沉积作用等原因所造成，常见的有毛玻璃表面（又称霜面）、沙漠漆、冰川擦痕，以及各种刻蚀痕和撞击痕等。

霜面似毛玻璃状，在反射光下表面模糊不透明，在风力搬运的沙丘的石英沙粒表面表现得最为明显，由此认为古代砂粒表面的毛玻璃化是风成的成因标志。但一些研究者认为，造成霜面的原因更可能是化学的腐蚀作用，在沙漠环境中溶解作用与沉淀作用交替进行形成了霜面。

沙漠漆是颗粒表面沉淀了一层玻璃状或釉质的薄膜，属于化学成因，其成分可能是硅质、氧化铁和氧化锰质等。沙漠漆在干旱气候带最为常见，但也有人认为它可能形成于潮湿气候带（Hunt，1954），是以前潮湿气候的产物。

刻蚀痕有冰川擦痕、刻擦痕、撞痕和凿痕或凹坑等，是砾石在搬运过程中被冰或坚硬的冰床基岩刻划而成。性质较软的岩石，如灰岩砾石上常发育有清晰的擦痕。冰川擦痕可有几种形态，典型的是窄而直或近乎平直的刻痕；其次是丁字形擦痕，一端较宽而深，向另一端逐渐变窄变浅；第三种是冲（撞）击痕，比前者要粗糙，较短而宽，通常呈雁行状排列。

擦痕的成因并不仅限于冰川，例如细粒杂基中的砾石在压力下发生形变的过程也会产生擦痕，这种擦痕较细而平行，常表现出一种“构造刨光”的现象。

新月状撞痕是燧石或致密石英岩砾石上常见的刻蚀现象，主要出现在强风或高速水流的河流环境中，而不是海滩环境。

砾石表面上的齿痕或凹坑可能是刻蚀作用及差异溶解所致。粗粒岩浆岩砾石的表面特征是凹坑和麻面，而燧石石英岩及石灰岩这些细粒岩石的砾石表面常是光滑的。但是通常所指的砾石表面的凹坑系与岩石本身结构及差异风化无关的表面现象。此外，一些凹坑与相邻砾石间的相互挤压有关。

砂粒级的颗粒表面特征可通过电子显微镜来研究。例如，在石英砂粒的表面常发现有各种形状及不同大小的刻蚀痕，其形成与一定的沉积环境有关。有的沉积学者曾对浅海、风成及冰川砂都作过仔细的研究，发现许多砂粒都经历过复杂的历史。如当它们在现在的海滩或沙丘上堆积以前，就已经历了冰或地表径流搬运。因此，如果以为最后的搬运与沉积的环境可以消除和掩盖以前的地质营力所加在砂粒上的痕迹，那是不符合事实的。对于古代沉积物来说，应用这种方法来研究其搬运与沉积特征的可靠性尚不能肯定，因为成岩后生作用无疑也有很大的影响。

（二）胶结物的结构及胶结类型

1.胶结物及胶结类型

胶结物是指碎屑颗粒和杂基以外的化学沉淀物质，通常是结晶的或非晶质的自生矿物，在碎屑岩中含量＜50%，它对颗粒起胶结作用使之变成坚硬的岩石。粘土物质也可对碎屑起胶结作用，但由于它本身所具有的水力学意义以及其特殊的形成机理，而把它归为杂基，不算作胶结物。

由于胶结物是化学沉淀物质，故可以按照其结晶程度、晶粒的相对大小和绝对大小、分布的均匀性以及胶结物本身的组构特征等进行描述。

常见的非晶质胶结物有蛋白石及磷酸盐，隐晶质胶结物最常见者为玉髓和磷酸盐矿物，微晶质的胶结物有微晶碳酸盐矿物。它们大都是类似粘土杂基性质的原生沉积物，而颗粒很小的镶嵌状胶结物可能是成岩期或后生早期的产物。

玉髓或其他的微粒（细粒）矿物围绕碎屑颗粒分布，呈簿壳状，称为薄膜状或带状胶结物，多形成于成岩期或准同生期。如果胶结矿物为纤维状（硅质或碳酸盐质），垂直于碎屑表面生长，即成为丛生胶结。当呈较粗的粒状矿物时，即成为栉壳状胶结。

当石英碎屑被石英胶结，而且碎屑石英与附近的胶结物石英光性方位一致时，表现为二者的干涉色相同和同时消光，这种胶结物石英称之为次生加大石英或再生石英。它们大都是后生期形成的，也有一些形成于成岩期。除石英外，也见到有次生加大的长石和方解石等。

当胶结矿物的晶体很大，可以把一个或几个碎屑颗粒包围在其中时，就构成连生胶结或嵌晶胶结，这是典型的后生阶段产物。

胶结物与碎屑颗粒之间的关系称为胶结类型或支撑性质。它与碎屑颗粒-杂基的相对数量比例有关，也与颗粒之间的接触关系有关。颗粒间的相互关系如图8-5所示。

图8-5 支撑类型、胶结类型和颗粒接触关系

（据曾允孚等，1986）

前面已指出，杂基支撑结构形成于同生沉积期，为重力流和密度流快速堆积的特征，故具基底式胶结类型（即杂基支撑）的砂岩，其非碎屑部分常为粘土杂基。稳定水流的沉积常具颗粒支撑结构，特别常见的是孔隙式胶结类型，充填于颗粒间孔隙的是成岩后生期的化学沉淀物。接触式胶结类型的特点是只在颗粒的接触处才有胶结物，只在特殊的条件下才能产生。例如干旱气候带的砂层，因毛细管作用溶液沿颗粒触点细缝流动沉淀而成，或者是原先的孔隙式胶结物在近地表处经天水淋滤而成。

砂质沉积物经压实作用，特别是压溶作用后，会使碎屑颗粒挤得更紧密，颗粒间的接触方式会由点变为线（空间上为面）、由直线变为曲线（凹凸）甚至缝合线状。在具有缝合线状接触结构的砂岩中，石英粒之间并未完全挤紧，而是出现由杂质充填的缝合状细缝，有研究者认为这种缝合状接触关系以及其中粘土杂基的存在，正好说明由于粘土杂质使介质变成碱性而导致石英颗粒的溶蚀和再沉淀，以致形成这种特殊的结构。

2.胶结物的结构

指胶结物自身的结晶程度、颗粒大小、排列和生长方式等。由于胶结物是化学沉淀物质，故可以按照其结晶程度，以及胶结物本身的排列和生长方式等进行描述，如图8-6所示。

图8-6 胶结物的结构

胶结物的结构首先按其结晶程度分为非晶质胶结与结晶质胶结两类。在这两类中又按胶结物的均匀程度分均一的和非均一两种情况。在结晶质胶结中又可分为隐晶质胶结与显晶质胶结。在显晶质胶结中据其排列和生长方式再可细分为以下几种方式：

1）镶嵌状胶结结构：胶结物呈镶嵌粒状，分布于碎屑颗粒之间，常见于碳酸盐质胶结物中。

2）连生胶结结构：胶结物因重结晶而形成一较大的晶体，将碎屑颗粒包裹在其中（图8-7）。

3）带状胶结结构：胶结物沿碎屑颗粒表面呈带状分布。常见于磷酸盐质胶结物中（图8-8）。

图8-7 连生胶结结构

图8-8 带状胶结结构

4）栉状胶结结构：胶结物垂直于碎屑颗粒表面排列如梳状。常见于重结晶的硅质胶结物中。

5）再生胶结结构：常见于胶结物与碎屑成分一致的碎屑岩中。胶结物按碎屑颗粒的晶体构造再生长大，两者光性方位一致。此种结构有时亦称为次生长大胶结结构。

3.胶结物与碎屑之间的关系（胶结类型）

指碎屑颗粒与填隙物（胶结物与杂基）间的接合关系。胶结类型可分为以下几种：

1）基底式胶结：碎屑颗粒互不接触，颗粒之间被多于3.0%的填隙物所充填。填隙物与碎屑大多数是同时沉积形成（图8-9A）。

2）孔隙式胶结：碎屑颗粒紧密相接，填隙物充填在粒间孔隙中（图8-9B）。

3）接触式胶结：仅在碎屑颗粒相接触处有少量的胶结物，颗粒之间还有空隙存在（图8-9C）。

图8-9 胶结类型

A—基底式胶结；B—孔隙式胶结；C—接触式胶结

4）溶蚀式胶结：胶结物溶蚀并交代碎屑的边缘，使其成港湾状。

若在同一岩石中出现两种胶结类型时，可用复命名法，如接触-孔隙式胶结，后者为主要胶结类型。

（三）杂基的结构

在砂岩中，把粒度小于0.0315mm（或5ф）的非化学沉淀颗粒定为杂基，包括细粉砂和粘土物质，但也有人规定杂基的上限为20μ和50μ。研究杂基的性质和含量有很大意义，它可以作为搬运介质流动因素（介质的粘度和密度）的标志。例如混浊的密度流和重力流可造成含大量杂基的具有杂基支撑结构的砂砾质沉积物；而稳定持续的水流特点是以床沙载荷形式进行搬运，它所沉积的砂岩中杂基含量很少，是以化学物质为胶结物的孔隙式胶结类型，即具有颗粒支撑结构的砂岩。因此，许多人同意把杂基作为流体的密度和粘度的标志。吉尔伯特（C.W.Gilbert）等还把杂基当作分选性的一种标志，而福克（R.L.Folk）则把粘土杂基作为划分结构成熟度的标志之一。他们认为杂基含量越多，分选性越差，结构成熟度越低。

杂基大多数为同生期沉积物，但也有其他成因的，非同生期成因的杂基不能说明搬运流体的密度和粘度。杂基可以分出以下几种类型（据W.R.Dickinson，1970，稍有改变）。

1）原杂基：在弱固结岩石中未结晶的粘土质点，它是同生期沉积的物质。

2）淀杂基（狄金生称之为层状硅酸盐胶结物）：大都是成岩期在粒间孔隙内沉淀而成。其鉴别标志为：①透明度好，无微细碎屑或混浊的杂质；②成分常较单纯（单矿物质）；③围绕碎屑颗粒呈放射状的晶体板片（图8-10a）；④围绕碎屑颗粒出现同心环带（图8-10b）；⑤粒间杂基物质之间有接缝线（图8-10c）。

图8-10 淀杂基的几种类型

3）正杂基：是重结晶的原杂基或微细碎屑质点。其特点是，从整体来看，具有一种不均匀性，常可找到残余的碎屑结构或原杂基结构。正杂基多的地方，碎屑颗粒明显地分选差，而且碎屑向周围可递变为一种粘土物质。

4）外杂基：是沉积物沉积后，沿颗粒间隙渗漏到孔隙中的外来细粉砂和粘土。它在岩石中分布不均匀。

5）假杂基：是指软弱的碎屑颗粒因受挤压变形而形成的类似杂基充填的物质（图8-11）。它们大都是由泥质岩类而形成。如果仔细观察，往往可以发现其中有假塑性流动构造（图8-12b），有的假杂基可呈火焰状的束状体，分布于坚硬颗粒间的狭小孔隙中（图8-12a）。具有假杂基的岩石，整体来看其杂基部分有明显的不均一性（图8-12c及8-12a），有的地方可见到残余的岩屑结构。

图8-11 假杂基形成示意图

图8-12 假杂基鉴别特征

原杂基和正杂基为同生期沉积物或是其改造产物，故可据之判别流体密度和粘度；外杂基和假杂基是砂质堆积以后的产物，故不能作为流动因素的标志。

如果胶结物为碳酸盐矿物，则情况类似，即泥晶方解石（或泥晶白云石）相当于泥质杂基性质。杂基的粒度概念也是相对而言，如对于粗碎屑岩来说，其中砾石和角砾是主要成分，占30%～50%以上，因此对于它的杂基粒度的上限就较大，在具有杂基支撑结构的砾岩中，杂基包括砂级的颗粒。为区别起见，砾岩中的非砾石级物质，也可称为基质。

（四）孔隙的结构

孔隙是碎屑岩的重要部分，它是未被颗粒、杂基及胶结物占据的空间。孔隙可能充以气体，如氮气、CO₂或烃类气体；也可被液体充满，如水、石油、矿化溶液等；亦可以同时存在气相和液相。

孔隙可以分为两大类，在沉积后立即出现的原生孔隙以及由于各种变化在沉积作用以后形成的次生孔隙。其类型如表8-1所示。

表8-1 碎屑岩的孔隙类型

原生孔隙主要是粒间孔隙，系指由碎屑颗粒组成的格架之间的空间，这种孔隙取决于粒度、分选性、颗粒球度、圆度和填集性。当粒度减小时，孔隙度增高，而渗透率降低。分选好的砂岩比分选差的杂砂岩（杂基多）的孔隙度和渗透率更高。颗粒排列的方位有很大影响，例如在河道砂岩中，颗粒定向平行于砂体的长轴方向，在此方向上渗透性好。填集性的研究比较复杂，有人提出测量填集密度的方法，即计算一直线段内所切过的颗粒长度的和与该线段长度的比值。

绝大多数的次生孔隙是在有效埋藏达到相当深度时产生的（成岩中期以后），一般是由于非硅酸盐类的组分，例如碳酸盐矿物、硫酸盐矿物及氯化物矿物溶解的结果。对于溶解性比较差的硅酸盐矿物和其他矿物，例如氧化物类，早期可被易溶矿物交代，然后被溶解，而产生次生孔隙。岩石的破碎、收缩作用也可以造成次生孔隙。