研究结构成熟度有何意义

前面说到碎屑岩的成分包含碎屑颗粒、杂基、胶结物和孔隙，接下来介绍碎屑岩各类物质成分的特点。今天先谈一个重要的概念——什么是成熟度？这个概念对理解碎屑岩各类物质成分的特点有帮助，同时也有助于以后对沉积系统的分析。所谓成熟度，是指碎屑颗粒在风化、搬运、沉积等作用的改造下接近终极产物的程度，可以分为成分成熟度和结构成熟度两种。

成分成熟度，是指碎屑组分在风化、搬运、沉积作用的改造下接近最稳定的终极产物的程度。一般来说，不成熟的砂岩是靠近物源区堆积的，含有很多不稳定碎屑，如岩屑、长石和铁镁矿物。高成熟度的砂岩是经过长距离搬运，遭受改造的产物，几乎全部由石英组成。因此，对于轻矿物而言，可以用砂岩中存在的石英含量与岩屑、碎屑矿物含量的比值来表达成分成熟度高低，同样对于重矿物而言，也可以用重矿物中稳定组分比例来表达其高低，目的都是要分辨物源区地质条件、风化程度和搬运距离远近的反映。

结构成熟度，是指碎屑沉积物在其风化，搬运和沉积作用的改造下接近终极结构特征的程度。砂岩中分选性、磨圆度及粘土（杂基）含量都影响其结构成熟度，它一般随搬运次数的增加而变好。砂岩的结构成熟度通常与成分成熟度协调一致。结构成熟度的高低反映在碎屑的分选性、磨圆度、以及粘土（杂基）的含量上。

总的来说成分成熟度和结构成熟度都是为了研究物源区地质条件、风化程度和搬运距离远近的。对于牛顿流体而言，大家可以记住下面三点，成熟度越高，则搬运距离越远；成熟度越高，则水动力条件越强；成熟度越高，则物源区地质活动越稳定。至于非牛顿流体（重力流）是没有这些特点的。

了解了成熟度的概念，是否觉得和前面说过的沉积分异原理的很多思想有异曲同工之处？其实地质学很多思想都是融会贯通的，懂得的知识越多越容易去理解去旁通，大家加油吧。

Ps：搜索了两个文中出现的概念，大家可以参考一下。

终极结构状态：是指无基质，分选、磨圆都极好的一种状态。

基质：岩石矿物颗粒大小悬殊，大的颗粒散布在细小颗粒之中，地质学上把其中大的矿物颗粒叫斑晶，细小的叫基质。基质是小于003毫米的细粒碎屑物质及粘土矿物，它们一般是碎屑物质一起机械沉积的，对碎屑颗粒也起胶结作用。由于基质颗粒非常细小，肉眼看不清其颗粒轮廓，多数光泽暗淡，但不排除混入色素物质使其颜色变化。

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是指碎屑岩岩中碎屑组分在风化、搬运、沉积作用的改造下接近最稳定的终极产物的程度。

一般来说，不成熟的砂岩是靠近物源区堆积的，含有很多不稳定碎屑，如岩屑、长石和铁镁矿物。高成熟度的砂岩是经过长距离搬运，遭受改造的产物，几乎全部由石英组成。因此，砂岩中存在的岩屑和碎屑矿物的种类和相对丰度，也就是成分成熟度，是物源区地质条件、风化程度和搬运距离远近的反映。

在砂岩研究中，常用石英加长石加其他岩屑的比率作为成熟度的衡量标志，在重矿物研究中，则用“ZRT”指数。 碎屑岩结构成熟度体现在分选性、磨圆度及基质含量三方面，分选越好、磨圆度越高则结构成熟度越高。它一般随再搬运次数和搬运距离的增加而增加。

砂岩的结构成熟度通常与成分成熟度协调一致。

　　成熟度计算方法：混凝土养护时间和等效养护温度的乘积。

　成熟度：是指碎屑岩岩中碎屑组分在风化、搬运、沉积作用的改造下接近最稳定的终极产物的程度。分为结构成熟度和成分成熟度两种。砂岩中存在的岩屑和碎屑矿物的种类和相对丰度，也就是成分成熟度，是物源区地质条件、风化程度和搬运距离远近的反映。

曲流河三角洲主要发育于下白垩统巴西盖组，主要相标志为滨浅湖相平行层理、低角度交错层理和砂泥互层层理，可见虫孔和向上变粗的垂向序列; 三角洲相槽状交错层理、楔状交错层理、充填冲刷构造、不对称波痕等发育，可见向上变细的垂向序列和底凸顶平的河道砂体形态。露头主要以曲流河三角洲平原和三角洲前缘亚相为主，微相类型有分流河道、泛滥平原、水下分流河道、分流间湾、河口坝和远砂坝等。井下以三角洲前缘和滨浅湖亚相为主，微相类型有水下分流河道、分流间湾、河口坝、远砂坝、滩和滨浅湖泥等。

1 三角洲平原亚相

该亚相岩性主要为浅褐红色极细-细砂岩，夹中-细砂岩，成分成熟度较低，结构成熟度中等; 主要发育槽状交错层理、低角度交错层理、平行层理和正粒序层理等，底部具冲刷面和0 1 ～0 5m 的泥砾滞留沉积; 具正韵律，砂体厚2 ～13m，平均5m; 粒度概率累积曲线为两段式。砂体呈底凸顶平形态，与下伏砂体呈切割关系。测井自然伽马曲线呈钟型、箱型。

2 三角洲前缘亚相

( 1) 水下分流河道

水下分流河道是三角洲前缘亚相最主要的沉积微相，岩性以褐色、灰绿色细-极细砂岩为主，成分成熟度和结构成熟度均高于三角洲平原分流河道砂体; 主要发育波状层理、单向斜层理、平行层理和不对称波痕，底部发育冲刷面及泥砾滞留沉积，但规模较分流河道小; 整体显示正粒序特征，厚 0 6 ～ 12 3m ，平均为 4 9m。粒度概率累积曲线主要为两段式和三段式。测井曲线呈钟型、箱型。水下分流河道与水上分流河道的主要区别是颜色较暗，氧化环境没有水上河道强。

( 2) 河口坝

河口坝主要岩性为浅褐色含灰质细-极细砂岩、粉砂岩，成熟度较高，杂基含量少;发育平行层理，垂向上具逆粒序，厚 0 5 ～4 4m; 测井曲线呈漏斗状; 粒度概率累积曲线为三段式，反映了河流和湖泊共同作用的特点; 顶部常为水下分流河道切割。

( 3) 远砂坝

远砂坝主要岩性为薄层状极细砂、粉砂岩，夹于滨浅湖相泥质沉积之中，主要发育小型沙纹层理，概率累积曲线为三段式，粗截点 3 5，反映较弱的水动力和双向水流的特点; 测井曲线呈尖齿形，厚度一般小于 1m。

( 4) 分流间湾

分流间湾岩性主要为暗褐色泥岩、粉砂质泥岩，夹薄层状粉砂岩和粉砂岩透镜体，测井曲线呈中幅齿状; 与浅湖泥岩无明确界线，以横向分布不稳定和较强的生物扰动构造和粉砂岩透镜体与浅湖泥区分。

陆源碎屑岩，又称正常沉积碎屑岩，简称碎屑岩。是母岩机械破碎的碎屑物质经搬运、沉积和成岩作用形成的岩石。

1碎屑岩的成分

碎屑岩的物质组成有两部分。一部分是陆源碎屑和填隙物中的杂基；另一部分是胶结物，是在沉积、成岩阶段以溶液沉淀的方式而形成的。

（1）碎屑成分

◎石英碎屑：碎屑矿物中以石英最常见。除单晶石英外，常见由几颗石英或许多微粒石英组成的多晶石英。

◎长石碎屑：在碎屑岩中长石的含量仅次于石英。长石类矿物中以微斜长石碎屑常见，斜长石中钠长石远远超过钙长石。

◎云母碎屑：云母类碎屑一般以白云母为主，白云母易破碎为细片，常分布于细砂岩和粉砂岩的层面上；黑云母碎屑一般出现在距母岩较近地区的岩屑砂岩中。

◎重矿物碎屑：碎屑岩中常见的重矿物是火成岩和变质岩中的副矿物，如锆石、金红石和榍石等；碎屑岩中重矿物含量通常＜1%，是追溯母岩和地层划分对比的重要标志。

◎岩石碎屑（岩屑）：是母岩破碎形成的岩石碎块，保存了母岩的结构特征。岩屑的成分可以是岩浆岩，也可以是变质岩或沉积岩，不同成分的岩屑其分布范围及保存程度有较大的差别。碎屑岩中常见的岩屑有花岗岩岩屑、燧石岩屑、火山岩岩屑等，而石灰岩岩屑和泥岩岩屑比较少见。若岩层中出现大量火山岩岩屑，则标志着某一时期陆源区曾有过火山活动。

（2）填隙物成分

填隙物包括沉积基质（也叫杂基）和胶结物。杂基和胶结物在成分上可以相同，也可以不同，但它们在成因意义上是截然不同的。

◎杂基：最常见的杂基是从水介质中沉积下来的细粒碎屑物质，称原杂基，其成分是各种黏土矿物，如高岭石、水云母、蒙脱石等，它们是悬移载荷的沉积产物。在碎屑岩中，黏土质的填隙物除了机械沉积成因者外，还有一些在成岩期从孔隙溶液中沉淀生成的自生黏土矿物，如自生高岭石、自生蒙脱石、自生绿泥石等，它们应属于胶结物而非杂基。

◎胶结物：是指碎屑颗粒之间孔隙内的各种化学沉淀物，是对碎屑颗粒起黏结作用的物质。最常见的胶结物是氧化硅（蛋白石、玉髓、石英）、碳酸盐（方解石、白云石、菱铁矿等）以及其他氧化物；此外还有重晶石、石膏、硬石膏、黄铁矿等；它们对研究碎屑岩的成岩后生变化，推断其沉积环境都有重要意义。

（3）成分成熟度

成分成熟度也称矿物成熟度，指碎屑沉积物中碎屑成分与稳定成分极端富集的终极状态的接近程度。沉积物中相对稳定的碎屑成分含量愈高，其成分构成愈接近这个终极状态，它的成分成熟度也就愈高。因此，成分成熟度就可用沉积物中稳定性较高与稳定性较低的碎屑成分的含量之比来衡量，有时也单独用相对最稳定的碎屑矿物的含量来衡量。例如：①在砾级碎屑沉积物中，常用（燧石岩砾石＋石英岩砾石）/其他岩类砾石的比值来表示；②在砂或粉砂级碎屑沉积物中，常用单晶石英/单晶长石、（单晶石英＋燧石岩屑）/（单晶长石＋其他岩屑、锆石＋电气石＋金红石）等比值；③在泥级碎屑沉积物中，常用化学分析结果Al2O3/Na2O的比值来表示成分成熟度。

上述比值（或含量）愈高，沉积物在成分上就愈成熟。成分成熟度与沉积物形成时的气候背景和构造背景有关。当包括母岩区和沉积盆地在内的整个构造体系活动强烈时，剥蚀速度加快、搬运距离缩短，埋藏速度增高，气候的影响退居次要位置，常形成低成分成熟度的沉积物。而在整个构造体系活动平稳缓慢时，相对湿热或干冷的气候才会分别有利于形成成分成熟度较高和较低的沉积物，这时母岩风化强度的影响常常是主要的。

2碎屑岩的结构

碎屑岩的结构总称为碎屑结构，是指在一定动力条件下共生在一起的碎屑颗粒所具有的内在形貌特征的总和，包括粒度、分选度、圆度、充填样式和孔隙等几个方面。

（1）粒度

表9-1 常用的碎屑颗粒粒度分级

在结构描述中，通常使用d值，这样比较直观。在对粒度做统计分析时多使用ϕ值，其最大优点是可将自然界粒度分布中的对数关系转化成线性关系，有利于分析和作图。整个沉积物的粒度可根据统计学原理通过逐个测量足够多的、有代表性的一群颗粒，再用计算方法得到，但一般只按它的主要粒级确定而忽略其他颗粒的粒级。所谓主要粒级是指对沉积物整体粒度面貌起决定作用的那部分颗粒所占的粒级区间。当主要级粒为砾级时，其粒级区间最好在野外露头上测量或目估，若主要粒级是砂级及其以下，既可在露头上目估，也可在显微镜下测量或目估。对有经验的人来说，目估常常更能反映沉积物的整体粒度，尤其是野外或手标本目估，其观察面积大，代表性更强。

（2）分选度

分选度又称分选性，指粒状矿物碎屑大小的均匀程度（均一性）。它是流体在沉积作用中对粒度累积分异强度的衡量指标。

碎屑颗粒在被搬运过程中，通常都按粒度、形状或密度的差别分别富集，当粒度集中在某一范围较狭窄的数值间隔内时，就可定性地说分选较好。

由于很细小的碎屑（细粉砂或泥级颗粒）常会受到较粗颗粒的阻挡或保护，加上它们又有很强的内聚性，使它们偏离粒度与动力学行为间的规律关系。所以，分选度通常不包括基质颗粒在内。

同粒度一样，分选度也可用统计学方法计算得到，但一般的定性描述也只用目估，即将分选度划分为极好、好、中等、差和极差等5个级别，更粗略地可合并成好、中等、差三个级别（图9-1）。

图9-1 碎屑颗粒分选度的目估分级

（3）圆度

圆度指碎屑外表棱角被磨平的程度或表面的光滑程度，也称磨圆度。它是颗粒在沉积作用过程中累积磨蚀强度的衡量指标。

因为在相同沉积作用过程中，物理性状不同的颗粒达到的磨蚀程度不同，因而对圆度的判别最好只使用单晶石英颗粒，只有当石英含量很低时才可考虑使用单晶长石或岩屑。而且，在比较不同沉积物的磨蚀程度时，只能根据物理性状相同的颗粒，即不仅矿物种类要相同，其粒度也要相同或相近。单个颗粒的圆度可通过测量和计算其圆度指数来衡量，但这只适用于可分离出来的颗粒，而且也比较繁琐。对固结状态下的颗粒一般也只用目估。这时可将圆度划分成极圆状、圆状、次圆状、次棱角状和棱角状5个级别，也可粗略地可合并成好、中等、差三个级别（图9-2）。

图9-2 碎屑颗粒圆度的目估分级

（4）充填样式

充填样式指沉积物中颗粒的相对取向关系和支撑特征。

非等轴状（主要指片状、板状、饼状或类似形状）颗粒在占据它们所在空间时，如果最长轴或最大扁平面具有优势性取向，这样的充填称为定向充填，如果没有优势取向，则称为非定向充填。在各种流体牵引力的作用下，沉积砾石最大扁平面的倾斜方向，将趋向于与主牵引力的方向相反（形成叠瓦构造），最长轴则趋向于随流速由低到高大致从垂直流向到平行流向转变。砂级或砂级以下颗粒的定向性研究仍在探索之中。

颗粒的支撑特征是指沉积物所受压力在沉积物内部的分布状况，它涉及到基质和较大颗粒的相对含量。当基质和较大颗粒的分布都大体均匀时，若基质很少或无基质（颗粒含量相对较高），那么较大颗粒就会直接堆垒起来搭成颗粒格架，同时形成粒间孔，可能有的少量基质只会处在粒间孔内。这时沉积物所受压力基本上只分布在较大颗粒相互间的接触部位，颗粒其他部位和粒间孔内的基质则不承受压力或只承受很小压力。若基质含量很高（或颗粒含量很少）以致使较大颗粒被基质隔开而“漂浮”在基质背景中，这时沉积物的格架将由基质和较大颗粒共同搭接形成，它所受压力将会均匀分布在较大颗粒的整个表面上和所有基质中。

上述这种由沉积物的基质和较大颗粒决定的对所受压力的不同支撑机制，称为沉积物的支撑类型。通常分为三种支撑类型：

◎颗粒支撑：单纯由较大的碎屑颗粒搭成格架，基质只分布在颗粒之间的接触点附近，称为颗粒支撑（图9-3A）。

◎基质支撑：由基质和较大的碎屑颗粒共同搭成格架的称为基质支撑（图9-3C）。

◎过渡支撑：是颗粒支撑与基质支撑之间的过渡性支撑类型（图9-3B）。

三种支撑类型中的基质或颗粒含量可以在相当大的范围内变化，其影响因素主要是颗粒的形态（圆度）、分选和定向性。例如，同样搭成颗粒支撑，若颗粒形态大大偏离几何球体（如片状、板状等）、圆度差、分选好、取向紊乱，就可使颗粒含量减少或基质含量增加；而颗粒形态较接近几何球体、圆度好、分选差，最大扁平面定向排列时，则可使颗粒支撑中的颗粒含量增高或基质含量减少。

图9-3 三种基本支撑类型

支撑类型的地质意义在于它与流体类型和环境的动力条件等关系密切，如密度和沉积速率都较高的风暴流、浊流、碎屑流沉积物、冰筏沉积物、正常浪基面附近的沉积物等就常呈基质支撑，而流速较高的低密度水流的底载荷沉积物、包括频繁受到波浪淘洗的浅海（湖）环境沉积物以及风积物、颗粒流沉积物等就常呈颗粒支撑。

（5）胶结物和胶结类型

胶结物主要是充填在粒间孔隙中的化学沉淀物。胶结物的不同分布特点，即碎屑颗粒与填隙物之间的关系，称为胶结类型。通常将胶结类型分为四种：基底式胶结、孔隙式胶结、接触式胶结、镶嵌式胶结。

◎基底式胶结：碎屑颗粒彼此不相接触呈飘浮状或游离状分散在填隙物内（图9 4A）。它通常是高密度流（如浊流、泥石流）快速堆积的产物。

◎孔隙式胶结：大部分碎屑颗粒相互接触，形成颗粒支撑和孔隙，成岩期析出的化学沉淀胶结物常分布在其孔隙之中（图9-4B）。

图9-4 基底式胶结和孔隙式胶结

◎接触式胶结：胶结物很少，仅分布于碎屑颗粒彼此接触处。在干旱地区砂层中孔隙水溶液沿毛细管上升，在碎屑颗粒的接触点沉淀析出，常形成接触式胶结（图9-5A）。

◎镶嵌式胶结：只出现在砂级陆源碎屑沉积物中，颗粒之间因压溶而成面接触形式。胶结物很少，其成分与颗粒成分（石英）一致（图9-5B）。

图9-5 接触式胶结和镶嵌式胶结

（6）孔隙

孔隙是指碎屑岩中尚未被固体物质占据的空间，沉积期形成的原生孔隙称粒间孔。成岩过程中生物化石、碎屑颗粒溶解形成的孔隙称为粒内孔或铸模孔，属于次生孔隙。沉积物收缩或碎屑破裂出现的裂隙归入次生孔隙，孔隙的规模和形态与其成因有一定的关系。碎屑岩的孔隙或裂隙是石油、天然气、地下水、层控矿床的储集场所。

（7）结构成熟度

结构成熟度指碎屑沉积物与无基质、分选、磨圆都极好的终极状态的接近程度。常将结构成熟度划分为极不成熟、不成熟、次成熟、成熟和极成熟5级。

影响结构成熟度高低的最重要因素是剥蚀埋藏速度、搬运时间、搬运距离和搬运方式以及淘洗程度。高的剥蚀速度、短时间、短距离和悬浮搬运以及缺少淘洗显然更容易造成低的结构成熟度，而缓慢剥蚀埋藏、长时间、长距离和滚、跳动搬运以及充分淘洗将有利于提高结构成熟度。

（8）碎屑结构的分类命名

碎屑沉积物的粒度、分选度、圆度和充填样式对沉积物的内在形貌特征都有实质性影响，但相对而言，粒度粗细却是最醒目的，所以碎屑结构通常就按粒度划分并直接以粒度作为结构名称。按主要粒级，碎屑结构可分为砾状结构、砂状结构、粉砂状结构和泥状结构4大类。碎屑结构的粒度分类还有广义和狭义之分，如砾状结构不仅指狭义的砾状结构（砾石圆度中等到好），还包括角砾状结构（砾石圆度差）等。

砂岩（sandstone）由岩屑（岩石颗粒）、石英颗粒、长石颗粒、基质和胶结物等5种主要成分组成。基质由黏土矿物和粉砂级的石英组成。胶结物是在成岩阶段围绕颗粒或在粒间沉淀下来的，常见的有硅质、钙质和铁质。

砂岩成分多半是物源区地质和气候的反映。某些颗粒和矿物，其物理性质和化学性质均较稳定。矿物按稳定性递减，其顺序是石英、白云母、微斜长石、正长石、斜长石、角闪石、黑云母、辉石和橄榄石。对砂岩的描述，常用成分成熟度的概念。不成熟的砂岩含有很多不稳定的颗粒（岩屑、长石和铁镁矿物）；成熟的砂岩由石英、长石和岩屑组成；高成熟的砂岩则几乎由石英组成。一般而言，成分不成熟的砂岩距离物源区较近，高成熟的砂岩是经过长距离搬运的产物。

砂岩的分类超过50种之多，最主要为按结构分类、成分分类、成因分类和成分-成因分类。目前，常用的是成分-成因分类，我国砂岩成分-成因分类都强调了杂基的成因意义，首先根据杂基含量区分出砂岩和杂砂岩，当杂基含量大于15%为杂砂岩。然后再根据岩石中Q（石英+硅质碎屑）、R（云母+其他碎屑）及F（长石+侵入岩碎屑）的百分含量确定其命名（图3-1）。

1石英砂岩

石英砂岩（quartz sandstone）指砂岩中石英含量大于95%，仅含少量的长石及其他岩屑和重矿物（图3-1，图版3-2）。碎屑颗粒以单晶石英为主，磨圆度和分选性都比较好，因此，成分成熟度和结构成熟度都是砂岩中最好的。胶结物以硅质为主，有次生加大，钙质和铁质次之，杂基很少或没有，颗粒支撑。可分为硅质石英砂岩、石英岩状砂岩和沉积石英岩。

2长石砂岩

长石砂岩（arkose/feldspathic sandstone）是指长石含量大于25%，石英含量小于75%，长石的种类多为酸性斜长石和钾长石（图3-1，图版3-3）。一般为粗粒砂状结构，肉红色至灰色，磨圆度和分选性变化较大，由很好至极差。常含有较多的杂基，胶结物多为钙质、硅质、铁质。当砂岩中含有较多的石英碎屑（石英含量大于75%）时，即过渡为长石石英砂岩。如果岩石中含有大量岩屑，则属长石岩屑砂岩（图版3-4）；岩石中含有大量岩屑及杂基时，则属长石杂砂岩。长石砂岩多由长英质母岩，如花岗岩、片麻岩经机械风化，短距离搬运，在山前或山间盆地堆积而成。

图3-1 砂岩的成因分类

（据刘宝珺修编，1980）

Q为石英+硅质碎屑，R为云母+其他碎屑，F为长石+侵入岩碎屑

3岩屑砂岩及岩屑杂砂岩

岩屑砂岩（lithic sandstone）是指岩屑含量大于25%，石英含量小于75%（图3-1，图版3-4）。岩屑通常为各种喷出岩、凝灰岩、粉砂岩、泥质岩，以及各种变质岩和岩浆岩等。岩屑砂岩以灰色、灰绿色、灰黑色较为常见，有时见浅红或浅绿色。在地层中常与粉砂岩、泥质岩等组成韵律层。

当岩屑砂岩中岩屑/长石比值大于3，且杂基含量大于15%时，则称之为岩屑杂砂岩。自然界中，岩屑杂砂岩更为常见，它形成于强烈构造变形带的剥蚀区附近的山前坳陷或山间盆地中，它是一种强烈物理剥蚀、搬运不远的快速堆积产物。可以是陆相的，也可以是海相的。通常，岩屑杂砂岩（lithic greywacke）是浊流沉积的重要产物，浊积岩大多为岩屑杂砂岩，深海复理石沉积一般也是岩屑杂砂岩。如我国的喜马拉雅山、祁连山、秦岭、龙门山等造山带，都有大量的岩屑杂砂岩。