姚宗全，于興河，德勒恰提·加納塔依?，黃丁杰，譚程鵬，李順利，孫樂

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500)

0 前言

礫巖是所有地層中常見的粗粒陸源沉積巖[1]．礫巖不僅是當(dāng)前深水油氣勘探重力沉積研究的核心主體，而且在泥石流災(zāi)害的成因與防治研究中具有重要的作用[2]．近年來，地質(zhì)學(xué)家們從物源體系[3]、儲(chǔ)層特征[4,5]、沉積環(huán)境[6?8]、成因機(jī)理[9,10]等方面對礫巖進(jìn)行了研究．而礫巖的微觀結(jié)構(gòu)特征、碎屑粒度關(guān)系等方面存在諸多問題，尤其是粒級的劃分，使研究者在描述與分析成因時(shí)出現(xiàn)同級多微觀結(jié)構(gòu)、同類異因以及同因異類的現(xiàn)象．

目前地學(xué)界廣泛采用的碎屑沉積物的粒度劃分標(biāo)準(zhǔn)是“Udden-Wentworth”方案[11?13]．Wentworth（1922）提出了以2的次冪作為劃分碎屑沉積顆粒的粒級標(biāo)準(zhǔn)，以1 mm為基數(shù)，乘以2或者除以2來進(jìn)行分級，并將2 mm作為砂和礫的分界．該分類方案對碎屑沉積物的粒度劃分從小于1/256 mm（0.003 9 mm）到大于256 mm，并且根據(jù)粒度大小把碎屑沉積物分為三類：礫巖（2～4 096 mm）、砂巖（1/16～2 mm）及泥巖（小于1/16 mm）．其中礫巖又分為細(xì)礫巖（2～4 mm），中礫巖（4～64 mm），粗礫巖（64～256 mm）和巨礫巖（大于256 mm）四類（表1）．

表1 “Udden-Wentworth”碎屑沉積物粒度劃分方案[11?13]Tab 1 The scheme of“Udden-Wentworth”for the clastic sediment grain size[11?13]

1 礫巖分級研究歷程與存在的問題

隨著礫巖油氣藏的大量發(fā)現(xiàn)，其研究越來越受到人們重視，現(xiàn)有的礫巖分類并不能滿足科學(xué)研究與生產(chǎn)的進(jìn)一步需要．另外，最近幾年泥石流地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地質(zhì)學(xué)家們開始更加重視泥石流的成因研究．本文試圖從礫巖顆粒結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合顆粒空間最緊密和最松散兩種極端排列方式，在“Udden-Wentworth”方案基礎(chǔ)上提出一種新的分類方案．

1.1 礫巖分級研究歷程

沉積學(xué)的研究歷程中，人們對礫巖的研究與認(rèn)識普遍滯后于砂泥巖，而礫巖的分級也是在砂泥巖劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行的．Udden（1914）以1 mm和256 mm分別作為礫巖劃分的下限和上限，將礫巖分為四個(gè)級別（表2）．隨后，Wentworth（1922）首次將2 mm作為礫巖劃分的下限，以2的次冪作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到礫巖四分方案[12]（表2）．

在“Udden-Wentworth”方案的基礎(chǔ)上，Krumbein（1934，1938）用Φ值來表示碎屑顆粒的粒徑（Φ＝-log2D，D為顆粒的直徑/mm）[14]．由于Φ值分類標(biāo)準(zhǔn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）將表示沉積顆粒界線的小數(shù)值轉(zhuǎn)換成更簡潔的整數(shù)值；2）作圖時(shí)，可不用對數(shù)坐標(biāo)紙，因?yàn)橐褜?shù)值坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成算術(shù)值，受到廣泛關(guān)注．但是這種方法也帶來了Φ值與粒徑D之間復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程[15]．其不足在于這種轉(zhuǎn)換沒有反映出不同粒級各自的特征，尤其是未考慮礫巖的成因與可操作性，雖著重強(qiáng)調(diào)了對砂和泥的劃分，使得砂和泥幾乎都表示為簡潔的正整數(shù)值，但礫巖卻變?yōu)閺?fù)雜的負(fù)數(shù)值，不便于礫巖的表征．

過去的幾十年，隨著對河流[16,17]、冰川[18,19]、粗粒三角洲[20]、大陸坡[21]等沉積環(huán)境研究的深入，人們對礫巖沉積的認(rèn)識和研究也在不斷地發(fā)展．Birkeland（1968）認(rèn)為粗粒碎屑的粒徑和形狀會(huì)隨著不同的搬運(yùn)路徑而發(fā)生變化[18]；Blair（1987）在研究科羅拉多礫石質(zhì)沖積扇時(shí)，為了描述不同時(shí)期礫巖沉積，將礫巖分為粗巨礫、中巨礫、細(xì)巨礫，中礫巖、細(xì)礫巖等[20]；隨著“Udden-Wentworth”方案在應(yīng)用中局限性的凸顯，越來越多的地質(zhì)學(xué)家與地貌學(xué)家開始對礫巖沉積進(jìn)行更系統(tǒng)地劃分．Flint（1960a，1960b），Schermerhorn（1966）等在研究冰川沉積時(shí)提出：將礫巖分為混雜礫巖、類冰磧巖、雜礫巖、火成混合角礫巖、碎礫巖等[22?24]．此方案對冰川沉積等具有較好的表征，目前也被人們廣泛接受，但其沒有提出具體的粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)，在推廣到其他粗碎屑研究時(shí)具有很大的局限性．

除此之外，有學(xué)者參照Wentworth（1922）對砂巖的分類，對細(xì)礫巖、中礫巖、粗礫巖和巨礫巖進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)分[20,25]（表2），但此方案只是單純從數(shù)值上以2 mm為倍數(shù)對礫巖進(jìn)行了劃分，缺少成因或者顆粒結(jié)構(gòu)角度分析，導(dǎo)致其實(shí)用價(jià)值還有待檢驗(yàn)．

表2 目前已有的礫巖劃分方案Tab 2 The existing conglomerate partitioning scheme

最后一類是《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17412.2-1998沉積巖石分類方案》，將2～8 mm（>-3～-1 Φ）劃分為細(xì)礫巖；將8～32 mm（>-5～-3 Φ）劃分為中礫巖；將32～128 mm（>-7～-5 Φ）劃分為粗礫巖；將≥128 mm（≤-7 Φ）劃分為巨礫巖．該分類過于寬泛，在以礫巖油氣藏為主的瑪湖礫巖研究中，并未采取此分類方案．

1.2 現(xiàn)有方案的不足與存在的問題

綜合對比分析“Udden-Wentworth”劃分方案以及其他學(xué)者針對特殊沉積環(huán)境所提出的礫巖劃分方案，不難看出，目前礫巖的分類存在以下問題：

1）普遍采用的分類對礫巖的劃分過于籠統(tǒng)，每一級別的跨度太大．例如，“Udden-Wentworth”方案中同屬中礫巖的粒度范圍內(nèi)，有的大如“土豆”，有的卻小如“豌豆”．以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組礫巖為例，即使同為中礫巖儲(chǔ)層，其物性特征、成因機(jī)理也有很大區(qū)別，從而導(dǎo)致在相同的成藏條件下，其含油氣性存在明顯差異．另一方面，在如此大的粒級跨度下，致使其水動(dòng)力條件相差巨大．根據(jù)Hjulstrom曲線[26,27]，即使同為中礫巖，其在深度為1 m水體中的啟動(dòng)速度范圍為0.5～2 cm·s?1，相差可達(dá)四倍（圖1）．

2）“Udden-Wentworth”方案后續(xù)的一些分類大多為純數(shù)學(xué)意義的劃分，沒有考慮礫巖的結(jié)構(gòu)成因特征．由于組成礫巖的碎屑顆粒較大，肉眼就能較好地觀察描述其顆粒結(jié)構(gòu)關(guān)系．而實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，即使組成礫巖顆粒的主要粒級大致相同，但如果對應(yīng)的顆粒結(jié)構(gòu)不同，例如同級顆粒支撐和多級顆粒支撐，其物性、電性、含油氣性等均存在較大差異（圖2）．

圖1 碎屑沉積物粒度與啟動(dòng)速度關(guān)系Fig 1 The relationship of the particle size and toggle speed

圖2 不同粒徑礫巖特征Fig 2 The characteristics of different particle sizes of conglomerates

2 顆粒結(jié)構(gòu)與粒徑響應(yīng)關(guān)系

2.1 礫巖支撐形式

眾所周知，不同粒徑、不同形狀的礫石，在不同的地形條件下，其水動(dòng)力條件強(qiáng)弱與搬運(yùn)方式不同，導(dǎo)致其排列方式與支撐形式存在差異．Flinte（1960）根據(jù)礫石顆粒與雜基含量將礫巖的支撐形式分為兩類：雜基支撐和顆粒支撐，其中顆粒支撐根據(jù)顆粒大小與接觸關(guān)系又可以分為：1）同級顆粒支撐，即基本上由同一級別的礫石所組成的巖石顆粒支撐骨架（圖3a）；2）多級顆粒支撐，即多種粒級的顆粒依次構(gòu)成巖石的支撐骨架（圖3b）．但往往在實(shí)際生產(chǎn)中，多見同級顆粒支撐與多級顆粒支撐并存，難以區(qū)分．

圖3 不同顆粒支撐的礫巖形式Fig 3 Different types of granular support conglomerate

2.2 粒徑計(jì)算模型

將礫巖顆?？醋鹘频葟降那蝮w，顆粒結(jié)構(gòu)就如同這些球體的堆積．三維立體空間中，等徑球體緊密堆積的理論端元形式有兩種：1）立方體堆積（圖4a），堆積最疏松，孔隙度最大，其理論孔隙度為47.6%；2）棱面體排列（圖4b），排列最緊密，其理論孔隙度為25.9%．本文所討論的礫巖粒徑與顆粒支撐結(jié)構(gòu)關(guān)系是建立在此最松散和最緊密的等徑球體理論堆積模型基礎(chǔ)上．將以上兩種堆積方式中的等徑球體當(dāng)作礫巖顆粒支撐結(jié)構(gòu)中的礫石骨架顆粒，而填充顆粒則為填充在等徑球體孔隙中的球體，礫石骨架顆粒和填充顆粒共同構(gòu)成了礫巖的多級顆粒支撐或同級顆粒支撐形式．

圖4 礫石顆粒堆積模型Fig 4 The packing model of gravel particles

圖5 計(jì)算填充顆粒最大粒徑的幾何模型Fig 5 A geomietric model for calculating the maximum particle size of filling particles

立體空間中，填充顆粒最大粒徑存在于所在空間的對角線切面．立方體堆積模式中，根據(jù)骨架顆粒的幾何關(guān)系，其對角線長度剛好為直角三角形的斜邊（圖5b中AE），而直角邊則為骨架顆粒的直徑（圖5b中AC與CE）．在立方體堆積骨架顆粒的基礎(chǔ)上可以建立填充顆粒最大粒徑的幾何模型（圖5b），同理可建立棱面體堆積骨架顆粒與填充顆粒最大粒徑的幾何模型（圖5c，圖5d）．再根據(jù)其幾何關(guān)系即可推導(dǎo)出填充顆粒最大粒徑的計(jì)算公式（表3）．將“Udden-Wentworth”方案中四分礫巖的三個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)（4 mm、64 mm與256 mm）當(dāng)作骨架顆粒粒徑分別代入兩種幾何模型進(jìn)行計(jì)算，可以得出對應(yīng)的填充顆粒的最大粒徑（表3），這些粒徑數(shù)據(jù)將作為本文礫巖劃分方案的依據(jù)．

表3 不同堆積方式中填充顆粒的最大粒徑與骨架顆粒粒徑的關(guān)系Tab 3 The relationship between the maximum particle size and the skeleton particle size in different packing methods

3 本文分類方案

顯而易見，骨架顆粒的粒徑D與填充顆粒的粒徑d之間呈線性關(guān)系，即隨著骨架礫石顆粒的增大，所能容納的填充顆粒粒徑也在增大．而本分類方案就是建立在探討不同粒級的礫石在多級顆粒支撐和同級顆粒支撐之間響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)之上，即找到礫石骨架顆粒與所能容納的最大填充顆粒之間關(guān)系的節(jié)點(diǎn)．根據(jù)不同堆積方式下礫石填充顆粒的最大粒徑，在滿足多級顆粒支撐的條件下，不同排列類型其骨架顆粒粒徑D與填充顆粒粒徑d之間存在不同的關(guān)系（表4）．

表4 多級顆粒支撐條件約束下骨架顆粒D與填充顆粒d之間的關(guān)系Tab 4 The relationship between skeleton particle(D)and filling particle(d)under the multi-level particle support condition

立方體堆積中，當(dāng)填充顆粒粒徑d＜4.0 mm，骨架顆粒粒度D=4.0～5.5 mm時(shí)；當(dāng)填充顆粒粒徑d＜64.0 mm，骨架顆粒粒度D=64.0～87.4 mm時(shí)，礫石顆粒支撐形式為多級顆粒支撐（表4）．而當(dāng)骨架顆粒粒徑分別為D＞64.0 mm，D＞256.0 mm時(shí)，對應(yīng)的填充顆粒粒徑分別為d=46.9～64.0 mm，d=187.4～256.0 mm，此時(shí)骨架顆粒與填充顆粒組成的顆粒支撐形式也剛好為多級顆粒支撐（表4）．同理可得到棱面體堆積方式下，礫石多級顆粒支撐骨架顆粒與填充顆粒之間的粒徑關(guān)系（表4）．

綜合考慮兩種堆積方式，在多級顆粒支撐條件約束下，當(dāng)骨架顆粒的粒徑D范圍分別為D=4.0～5.5 mm，D=4.0～9.7 mm時(shí)，對應(yīng)的填充顆粒的粒徑d＜4.0 mm．取最小子集，即當(dāng)D=4.0～5.5 mm，d＜4.0 mm時(shí)，立方體堆積和棱面體堆積方式下的顆粒支撐結(jié)構(gòu)均為多級顆粒支撐形式．同理，當(dāng)骨架顆粒的粒徑D＞64.0 mm時(shí)，對應(yīng)的填充顆粒的粒徑分別為d=26.5～64.0 mm，d=46.9～64.0 mm，取最小子集，即當(dāng)D＞64.0 mm，d=46.9～64.0 mm時(shí)，兩種堆積方式下的顆粒支撐形式均為多級顆粒支撐．綜合以上兩種情況，得到礫石粒徑在4.0～64.0 mm中的兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：5.5 mm和46.9 mm．同理，骨架顆粒粒徑D=64.0～87.4 mm，D=64.0～154.5 mm對應(yīng)的填充顆粒粒徑d＜64.0 mm；D＞256.0 mm對應(yīng)的d=106.0～256.0 mm，187.4～256.0 mm，此時(shí)為中礫級別礫巖的多級顆粒支撐形式．取最小子集，得到礫石粒徑在64.0～256.0 mm中的兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：87.4 mm和187.4 mm．

去零取整，并且考慮最小子集，即能滿足兩種顆粒堆積方式的情況下，得到四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：5 mm、47 mm、87 mm和188 mm．由此提出本文的礫石支撐結(jié)構(gòu)分類方案（表5），即在業(yè)界廣泛接受的“Udden-Wentworth”方案基礎(chǔ)上，將中礫巖（粒徑4～64 mm）進(jìn)一步細(xì)分為小中礫巖（4～5 mm）、中礫巖（5～47 mm）及大中礫巖（47～64 mm），將粗礫巖（粒徑64～256 mm）進(jìn)一步細(xì)分為小粗礫巖（64～87 mm）、中粗礫巖（87～188 mm）及粗礫巖（188～256 mm）．

表5 本文提出的礫巖支撐結(jié)構(gòu)分類方案Tab 5 The classification scheme of conglomerate support structure proposed in this paper

同時(shí)，本文應(yīng)用沙玉清在研究紊流區(qū)（d>2 mm）沉降規(guī)律時(shí)建立的沉降公式[28]對瑪湖凹陷礫巖粒徑范圍從-14～0 Φ不等的大量礫巖進(jìn)行了計(jì)算，并建立了本次劃分粒徑與沉降速率之間的關(guān)系（圖6）．從圖中可以看出，粒徑與沉降速率呈一圓弧形曲線，隨著粒徑的增大，沉降速率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢．

圖6 沉降速率與粒徑關(guān)系圖Fig 6 The relationship between sedimentation rate and grain size

本分類方案的核心依據(jù)是在“Udden-Wentworth”方案基礎(chǔ)上，充分考慮了礫石的結(jié)構(gòu)與成因，不再是簡單的數(shù)學(xué)意義劃分，滿足礫巖成因的科學(xué)研究和礫巖儲(chǔ)層評價(jià)要求，同時(shí)也可避免Blair劃分方案因過于細(xì)致而造成野外或巖心庫現(xiàn)場觀察的不便．

4 礫巖基質(zhì)粒徑

基質(zhì)是指充填在骨架顆粒之間的組分，砂巖的基質(zhì)組分通常以粗粉砂為界，即最大粒徑為0.03 mm，而對于礫巖的基質(zhì)，則沒有公認(rèn)的粒度界限[29]．然而在野外沉積考察或者室內(nèi)巖心觀察描述中，礫巖的基質(zhì)含量是識別其巖相特征、判別其沉積環(huán)境的重要因素，而基質(zhì)的粒徑是決定其含量的重要依據(jù)．

表6 不同級別礫巖的最大基質(zhì)粒徑Tab 6 Maximum matrix size of conglomerate of different grades

本文嘗試在骨架顆粒與填充顆粒模型上建立礫巖基質(zhì)粒徑的定量識別標(biāo)志．以中砂巖粒徑上限0.50 mm作為填充顆粒粒徑，以立方體堆積為例，代入上文中的填充顆粒計(jì)算模型，，填充顆粒d為0.366 mm．則基質(zhì)最大粒徑與填充顆粒最大粒徑的比值為0.03/0.366=0.09，取整數(shù)1/10，將此比值作為計(jì)算礫巖基質(zhì)粒度上限的因子，分別將每一級別礫巖中最大填充顆粒粒徑作為基數(shù)，兩者相乘，可以得出作為不同級別礫巖的基質(zhì)最大粒徑（表6）．

5 基于本文分級方案的應(yīng)用

按照“Udden-Wentworth”的粒級劃分方案標(biāo)準(zhǔn)，下圖中所有大如“土豆”和小如“豌豆”的礫巖皆為中礫巖，無法通過巖石學(xué)特征、最大MPS/BTh（最大粒徑/單層厚度）來對不同成因的礫巖的搬運(yùn)機(jī)制進(jìn)行分析．而參考本文的分級方案，則可以通過巖心寫實(shí)性描述，將紅褐色、紅色、灰褐色為主，粒徑47～57 mm，常為塊狀礫巖組成，顆粒分選差、大小混雜、無粒序，磨圓度差——中等、沉積構(gòu)造不發(fā)育等特征的礫巖判斷為以碎屑流搬運(yùn)為主的成因礫巖．將顏色以灰色為主，礫石結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度較好，粒徑范圍為2～27.7 mm，通常發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理等特征的礫巖判識為牽引流搬運(yùn)為主的成因礫巖（圖7）．

圖7 基于本文礫巖粒度方案的應(yīng)用（據(jù)姚宗全[2018][33]修改）Fig 7 The application based on the conglomerate grain size scheme in this paper(modified by Zongquan Yao[2018][33])

Major（1997）通過模擬泥石流沉積過程的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自然界的泥石流沉積通常包含豐富的礫石顆粒（平均粒徑≥32 mm），即大多由本文礫巖分類方案中的中礫巖及以上粒級的礫石組成[30]．黃芮（2011）通過對西南地區(qū)進(jìn)行泥石流堆積物的粒度分析發(fā)現(xiàn)，粒徑為20～40 mm的礫石是其主要的組成部分[31]．黃祺（2012）對四川盆地19條泥石流溝中的沉積物進(jìn)行了粒度分析，結(jié)果顯示10～20 mm的礫石是組成泥石流沉積的主要碎屑，20～40 mm的礫石次之[32]．綜上所述，本文礫巖分類方案中的中礫巖分級在地質(zhì)災(zāi)害中將起到重要的作用．

6 結(jié)論

（1）基于空間中存在立方體（最疏松）和棱面體（最緊密）兩種堆積方式及不同粒徑的骨架顆粒與填充顆粒之間的關(guān)系，建立顆粒結(jié)構(gòu)與粒徑響應(yīng)關(guān)系的模型．

（2）通過骨架顆粒與填充顆粒粒度關(guān)系模型，得到礫巖粒徑臨界值：5 mm、47 mm、87 mm和188 mm．由此，在“Udden-Wentworth”粒度方案基礎(chǔ)上，將中礫巖（粒徑4～64 mm）進(jìn)一步細(xì)分為小中礫巖（4～5 mm）、中礫巖（5～47 mm）及粗中礫巖（47～64 mm）；將粗礫巖（粒徑64～256 mm）進(jìn)一步細(xì)分為小粗礫巖（64～87 mm）、中粗礫巖（87～188 mm）及粗礫巖（188～256 mm）．根據(jù)砂巖基質(zhì)最大粒徑與填充顆粒粒徑的關(guān)系，計(jì)算出不同級別礫巖的基質(zhì)最大粒徑分別為：0.2 mm、0.3 mm、4.7 mm和18.7 mm．

（3）依據(jù)本文的分類方案，從巖石學(xué)特征和最大粒徑/單層厚度角度出發(fā)，很好地判識了準(zhǔn)噶爾盆地紅山嘴地區(qū)侏羅系八道灣組礫巖的搬運(yùn)機(jī)制，同時(shí)該分類在地質(zhì)災(zāi)害中起到重要作用，證明了本文分類方案的實(shí)用性和可操作性．