胡修棉
砂和砂岩的分类该如何是好? 精选
2019-12-2 22:41
阅读:1848

原创:赖文


砂和砂岩分别是最常见的沉积物和沉积岩种类。对砂和砂岩的分类反映了人们对砂岩研究的认识水平。自Sorby在1880年创立基于薄片的岩相学之后,学者们依据不同的分类标准提出了数十种砂岩(或现代砂)的分类命名方案。自1904年由葛利普(Grabau)提出的第一个砂岩成分分类方案以来,关于砂岩成分分类方案的文章在1940年~1960年呈爆发式增长。现今存在的砂岩成分分类方案多达50余种(姜在兴,2003)。这些方案无疑推动了人们对砂和砂岩的认识,但也不可避免地造成了分类命名体系混乱的现状。例如,分类的端元组分名词与代号虽是一致,但指代意义却千差万别。地质学者常常面对这样一种尴尬场景:不同单位的地质学者面对同一个样品得到的砂岩鉴定名称各不相同。造成这种现象的原因在于采用的砂岩分类命名标准不同:(1)黏土杂基(基质)的处理;(2)端元组分的选择、组合方式及成因解释;(3)三角图的形式及其划分(各组分的分界点和命名);(4)辅助三角图的采用,以及对某些含有构造背景、成岩作用意义的名称的使用,如硬砂岩、砂屑岩等。
  三角形图解是国内外砂岩分类中普遍采用的表达形式。就分类依据的组分而言,砂岩分类可大致分为三组分和四组分两种体系。国际上砂岩成分分类的典型代表有克里宁(Krynine,1941,1948)、福克(Folk,1954,1974)、裴蒂庄(1975)、Garzanti(2016)等人提出的砂岩成分分类方案。


1)褔克的砂岩分类(三组分分类法)

三组分分类是采用石英、长石、岩屑三种主要碎屑组分作为端元,对砂岩进行分类。Krynine(1948)最先提出这种分类方法,福克(Folk,1954,1974)进一步发展并简化之,并且考虑到成岩作用对岩屑和长石的改造、溶蚀等影响,将分类的界线放在25%,最终形成现在国际沉积学教材最广泛使用的7类基本砂岩类型(图1)。


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 图1 福克的砂岩分类 (Folk, 1954, 1974) 


     2)裴蒂庄(1975)的砂岩分类方案(四组分分类法)

  在石英、长石、岩屑三组分基础上,裴蒂庄(Pettijohn,1975)提出将杂基作为一个分类组分引入到砂岩分类中来,形成现行的四组分体系,经过多年发展、完善后,最终形成目前国际上比较通用的分类方案(图2)。



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 图2 裴蒂庄的砂岩分类图 (Pettijohn, 1975)

a. 基本分类; b. 岩屑砂岩的次级分类


     3)国内教材常见的两种砂岩分类方案

  半个世纪以来,中国学者编写沉积岩石学教材时,在借鉴国外相关经验的同时,也提出了富有建设性的三端元分类方案。中国出版的教材多采用四组分分类法,将杂基作为分类依据,即以15%的杂砂岩含量为界线分为净砂岩和杂砂岩两大类(Pettijohn,1975),然后采用QFL图解来进一步进行砂岩分类。在这些国内的砂岩分类方案中,得以传承且影响较大的主要有两种,第一种是北京石油学院矿物岩石教研室在1965年首先提出并经朱筱敏(2008)完善的10种基本类型的中国石油大学砂岩分类方案(图3a),第二种是武汉地质学院余素玉和何镜宇(1989)提出的8种基本类型的中国地质大学砂岩分类方案(图3b)。中国石油大学砂岩分类方案在石油院校和石油工业中的影响比较广泛,而中国地质大学砂岩分类方案在冯增昭 1992)《沉积岩石学》(第二版)中得到进一步修订,石英砂岩的石英含量下限从95%调整至90%,随后这一分类方案被赵澄林和朱筱敏 2001)《沉积岩石学》(第三版)以及于炳松和梅冥相(2016)《沉积岩岩石学》等教材中采用。 


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图3 中国沉积岩石学教材常用的砂岩分类三角图


4)Garzanti砂岩分类方案

最近,欧洲科学院(Academia Europaea)院士、意大利米兰-比克卡大学地球与环境科学系Eduardo Garzanti教授先后在《Sedimentary Geology》(2016)和《Earth-Science Reviews》(2019)等杂志上撰文,从砂岩分类的起源和原理出发,总结并评述了主要分类方案,同时结合他数十年来在砂岩和现代砂研究方面的丰硕成果,创新性地提出一种只需考虑砂岩成分的新分类方案(图4)。

为了达成最广泛的共识,Garzanti教授建议砂与砂岩分类图解的QFL三端元采用Gazzi-Dickinson碎屑组分栅格计数法中的定义(Ingersoll et al., 1984):石英端元Q只包括单晶石英+多晶石英,长石端元F则只包括斜长石+钾长石;岩屑端元L包括沉积岩岩屑+变质岩岩屑+火成岩岩屑。需特别指出的是,硅质岩岩屑和以前可能被忽略的碳酸盐岩岩屑计入到岩屑端元L。
   Garzanti砂岩分类方案中有15种砂岩基本名词(图4),虽然中间六种的砂岩名词显得不够简洁,但对砂岩碎屑组分特征的表述却更为精准(Garzanti, 2016, 2019)。为了对缺乏岩屑的现代砂进行精细分类研究,Garzanti(2019)将长石石英砂岩(砂)区域进一步三等分,并将石英砂岩区域二分,形成更为细化的18种砂的基本名称类型(图5)。


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图4 Garzanti 15类砂与砂岩的分类方案

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 图5 Garzanti 18类砂与砂岩的分类方案


  5)简化版Garzanti砂岩分类方案

  在2019年科学出版社新出版的《沉积岩石学》教材 “碎屑岩”一章引进了最新的Garzanti砂岩分类方案。考虑到学生们学习的便利性,胡修棉和赖文(2019)将其中6类合并到相邻分类中,并最终形成图6中简化版Garzanti砂岩分类方案。结合国际认可度最高的四组分分类法的基本思想(Pettijohn, 1975)和主流的QFL三端元定义 (Crook,1960;Dickinson et al., 1983),选择砂岩中的石英、长石、岩屑、杂基四种组分的含量作为分类端元,提出以下简化定名流程:
  首先,根据杂基含量将砂岩分为杂砂岩和(净)砂岩,杂基含量介于15%~50%称为杂砂岩,杂基含量小于15%的砂岩称为(净)砂岩。
  其次,按照三角图解中石英、长石及岩屑三个端元组分的相对含量,在简化版Garzanti砂岩分类方案图解中确定砂岩的基本名。


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 图6 Garzanti砂岩简化分类三角图 
(修改自Garzanti, 2016)


      最后,在成分三角投图中确定为某一类砂岩后,按照沉积岩命名的原则,相对含量超过10%的碎屑颗粒同时参与命名,具体的砂岩命名一般遵循以下原则:颜色+粒度+胶结物 (或特征矿物)+含量>10%的碎屑物质+基本名称 (三角形分类图中的名称)。例如,紫红色中粒铁质岩屑质长石石英砂岩、灰白色细粒硅质海绿石(质)石英砂岩等。
  需要指出的是,采用Garzanti的简化分类三角图解(图6)进行砂岩定名和使用Garzanti砂岩分类原图(图4)进行定名的最终结果是一致的。


 表1 Garzanti砂岩简化分类类型表
(胡修棉和赖文,2019)

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      6)简要评述

  每一次的砂与砂岩分类新方案的提出都体现了对砂与砂岩的研究新进展与新认识。Garzanti砂岩分类方案在砂和砂岩的研究中具有非常大的优势。首先,原方案(图4)及其简化方案(图6)中的基本名词仅包含碎屑成分含量这一客观信息,无构造、成因等主观判断内涵。其次,采用该方案时,在手标本和薄片描述中不需要统计各组分的具体百分含量,也不需要繁杂的计算和投图,只需要比较QFL这三个端元之间的含量相对高低、含量是否过半等就可以直接快速而准确地进行定名,具有简单易懂、便于操作等优势。此外,考虑到砂岩信息数字化及人工智能砂岩鉴定的发展趋势,Garzanti砂岩分类方案同样具有运算简洁,易于编程实现等优势。
  需要特别提醒的是,面对同一个砂岩样品,不同的分类方案得到不同的砂岩名字;而同一个砂岩名称,在不同分类体系里的边界条件也不一定相同。因此,与不同教学体系的同行进行砂岩定名方面的交流时,首先要确定采用哪一种定义或哪一种分类体系,后续讨论交流才不会出现偏差与争论。
  还需要指出的是,任何分类原本就是主观的。本文作者推荐大家Garzanti砂岩分类方案,并不排斥使用其他砂岩分类方案。所谓萝卜青菜各有所爱。
  本文仅代表作者本人的观点和认识。欲知更多详情,建议直接阅读参考文献。


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  本文作者系南京大学地球科学与工程学院博士研究生。 




 主要参考文献

【1】Crook, K.A., 1960. Classification of are-nites. American Journal of Science 258, 419-428.

【2】Dickinson, W.R., Beard, L.S., Brak-enridge, G.R., Erjavec, J.L., Ferguson, R.C., Inman, K.F., Knepp, R.A., Lindberg, F.A., Ryberg, P.T., 1983. Provenance of North American Phan-erozoic sandstones in relation to tectonic setting. Geological Society of America Bulletin 94, 222-235.

【3】Folk, R.L., 1954. The distinction bet-ween grain size and mineral comp-osition in sedimentary-rock nomenclature. The Journal of Geology 62, 344-359.

【4】Folk, R.L., 1974. Petrology of sedim-entary rocks Hemphill Publishing Co., Austin, Texas.

【5】Garzanti, E., 2016. From static to dynamic provenance analysis-Sedimen-tary petrology upgraded. Sedimentary Geology 336, 3-13.

【6】Garzanti, E., 2019. Petrographic class-ification of sand and sandstone. Earth-Science Reviews 192, 545-563.

【7】Ingersoll, R. V., Bullard, T. F., Ford, R. L., Grimm, J. P., Pickle, J. D., and Sares, S. W., 1984. The effect of grain size on detrital modes: a test of the Gazzi-Dickinson point-counting method. Journal of Sedimentary Research 54(1), 103-116.

【8】Krynine, P.D., 1948. The megascopic study and field classification of sedimentary rocks. The Journal of Geology 56, 130-165.

【9】Pettijohn, F.J., 1975. Sedimentary rocks. Harper & Row New York.

【10】何镜宇, 余素玉, 1983. 沉积岩石学. 武汉地质学院岩石教研室, 武汉.

【11】胡修棉, 赖文, 2019, 第六章 陆源碎屑岩, in 林春明, ed., 沉积岩石学. 科学出版社, 北京. 118-158.

【12】姜在兴, 2003. 沉积学. 石油工业出版社, 北京.

【13】朱筱敏, 2008. 沉积岩石学(第四版). 石油工业出版社, 北京.

【14】冯增昭, 1992. 沉积岩石学(第二版). 石油工业出版社, 北京.

【15】于炳松, 梅冥相, 2016. 沉积岩岩石学[M]. 中国地质大学出版社, 武汉.



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