姚宗全，于兴河，德勒恰提·加纳塔依†，黄丁杰，谭程鹏，李顺利，孙乐

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；3.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都610500)

0 前言

砾岩是所有地层中常见的粗粒陆源沉积岩[1]．砾岩不仅是当前深水油气勘探重力沉积研究的核心主体，而且在泥石流灾害的成因与防治研究中具有重要的作用[2]．近年来，地质学家们从物源体系[3]、储层特征[4,5]、沉积环境[6−8]、成因机理[9,10]等方面对砾岩进行了研究．而砾岩的微观结构特征、碎屑粒度关系等方面存在诸多问题，尤其是粒级的划分，使研究者在描述与分析成因时出现同级多微观结构、同类异因以及同因异类的现象．

目前地学界广泛采用的碎屑沉积物的粒度划分标准是“Udden-Wentworth”方案[11−13]．Wentworth（1922）提出了以2的次幂作为划分碎屑沉积颗粒的粒级标准，以1 mm为基数，乘以2或者除以2来进行分级，并将2 mm作为砂和砾的分界．该分类方案对碎屑沉积物的粒度划分从小于1/256 mm（0.003 9 mm）到大于256 mm，并且根据粒度大小把碎屑沉积物分为三类：砾岩（2∼4 096 mm）、砂岩（1/16∼2 mm）及泥岩（小于1/16 mm）．其中砾岩又分为细砾岩（2∼4 mm），中砾岩（4∼64 mm），粗砾岩（64∼256 mm）和巨砾岩（大于256 mm）四类（表1）．

表1 “Udden-Wentworth”碎屑沉积物粒度划分方案[11−13]Tab 1 The scheme of“Udden-Wentworth”for the clastic sediment grain size[11−13]

1 砾岩分级研究历程与存在的问题

随着砾岩油气藏的大量发现，其研究越来越受到人们重视，现有的砾岩分类并不能满足科学研究与生产的进一步需要．另外，最近几年泥石流地质灾害频发，地质学家们开始更加重视泥石流的成因研究．本文试图从砾岩颗粒结构出发，结合颗粒空间最紧密和最松散两种极端排列方式，在“Udden-Wentworth”方案基础上提出一种新的分类方案．

1.1 砾岩分级研究历程

沉积学的研究历程中，人们对砾岩的研究与认识普遍滞后于砂泥岩，而砾岩的分级也是在砂泥岩划分的基础上进行的．Udden（1914）以1 mm和256 mm分别作为砾岩划分的下限和上限，将砾岩分为四个级别（表2）．随后，Wentworth（1922）首次将2 mm作为砾岩划分的下限，以2的次幂作为划分标准，得到砾岩四分方案[12]（表2）．

在“Udden-Wentworth”方案的基础上，Krumbein（1934，1938）用Φ值来表示碎屑颗粒的粒径（Φ＝-log2D，D为颗粒的直径/mm）[14]．由于Φ值分类标准具有以下优点：1）将表示沉积颗粒界线的小数值转换成更简洁的整数值；2）作图时，可不用对数坐标纸，因为已将对数值坐标转换成算术值，受到广泛关注．但是这种方法也带来了Φ值与粒径D之间复杂的转换过程[15]．其不足在于这种转换没有反映出不同粒级各自的特征，尤其是未考虑砾岩的成因与可操作性，虽着重强调了对砂和泥的划分，使得砂和泥几乎都表示为简洁的正整数值，但砾岩却变为复杂的负数值，不便于砾岩的表征．

过去的几十年，随着对河流[16,17]、冰川[18,19]、粗粒三角洲[20]、大陆坡[21]等沉积环境研究的深入，人们对砾岩沉积的认识和研究也在不断地发展．Birkeland（1968）认为粗粒碎屑的粒径和形状会随着不同的搬运路径而发生变化[18]；Blair（1987）在研究科罗拉多砾石质冲积扇时，为了描述不同时期砾岩沉积，将砾岩分为粗巨砾、中巨砾、细巨砾，中砾岩、细砾岩等[20]；随着“Udden-Wentworth”方案在应用中局限性的凸显，越来越多的地质学家与地貌学家开始对砾岩沉积进行更系统地划分．Flint（1960a，1960b），Schermerhorn（1966）等在研究冰川沉积时提出：将砾岩分为混杂砾岩、类冰碛岩、杂砾岩、火成混合角砾岩、碎砾岩等[22−24]．此方案对冰川沉积等具有较好的表征，目前也被人们广泛接受，但其没有提出具体的粒径划分标准，在推广到其他粗碎屑研究时具有很大的局限性．

除此之外，有学者参照Wentworth（1922）对砂岩的分类，对细砾岩、中砾岩、粗砾岩和巨砾岩进行了进一步的细分[20,25]（表2），但此方案只是单纯从数值上以2 mm为倍数对砾岩进行了划分，缺少成因或者颗粒结构角度分析，导致其实用价值还有待检验．

表2 目前已有的砾岩划分方案Tab 2 The existing conglomerate partitioning scheme

最后一类是《中华人民共和国标准GB/T 17412.2-1998沉积岩石分类方案》，将2∼8 mm（>-3∼-1 Φ）划分为细砾岩；将8∼32 mm（>-5∼-3 Φ）划分为中砾岩；将32∼128 mm（>-7∼-5 Φ）划分为粗砾岩；将≥128 mm（≤-7 Φ）划分为巨砾岩．该分类过于宽泛，在以砾岩油气藏为主的玛湖砾岩研究中，并未采取此分类方案．

1.2 现有方案的不足与存在的问题

综合对比分析“Udden-Wentworth”划分方案以及其他学者针对特殊沉积环境所提出的砾岩划分方案，不难看出，目前砾岩的分类存在以下问题：

1）普遍采用的分类对砾岩的划分过于笼统，每一级别的跨度太大．例如，“Udden-Wentworth”方案中同属中砾岩的粒度范围内，有的大如“土豆”，有的却小如“豌豆”．以准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组砾岩为例，即使同为中砾岩储层，其物性特征、成因机理也有很大区别，从而导致在相同的成藏条件下，其含油气性存在明显差异．另一方面，在如此大的粒级跨度下，致使其水动力条件相差巨大．根据Hjulstrom曲线[26,27]，即使同为中砾岩，其在深度为1 m水体中的启动速度范围为0.5∼2 cm·s−1，相差可达四倍（图1）．

2）“Udden-Wentworth”方案后续的一些分类大多为纯数学意义的划分，没有考虑砾岩的结构成因特征．由于组成砾岩的碎屑颗粒较大，肉眼就能较好地观察描述其颗粒结构关系．而实际研究发现，即使组成砾岩颗粒的主要粒级大致相同，但如果对应的颗粒结构不同，例如同级颗粒支撑和多级颗粒支撑，其物性、电性、含油气性等均存在较大差异（图2）．

图1 碎屑沉积物粒度与启动速度关系Fig 1 The relationship of the particle size and toggle speed

图2 不同粒径砾岩特征Fig 2 The characteristics of different particle sizes of conglomerates

2 颗粒结构与粒径响应关系

2.1 砾岩支撑形式

众所周知，不同粒径、不同形状的砾石，在不同的地形条件下，其水动力条件强弱与搬运方式不同，导致其排列方式与支撑形式存在差异．Flinte（1960）根据砾石颗粒与杂基含量将砾岩的支撑形式分为两类：杂基支撑和颗粒支撑，其中颗粒支撑根据颗粒大小与接触关系又可以分为：1）同级颗粒支撑，即基本上由同一级别的砾石所组成的岩石颗粒支撑骨架（图3a）；2）多级颗粒支撑，即多种粒级的颗粒依次构成岩石的支撑骨架（图3b）．但往往在实际生产中，多见同级颗粒支撑与多级颗粒支撑并存，难以区分．

图3 不同颗粒支撑的砾岩形式Fig 3 Different types of granular support conglomerate

2.2 粒径计算模型

将砾岩颗粒看作近似等径的球体，颗粒结构就如同这些球体的堆积．三维立体空间中，等径球体紧密堆积的理论端元形式有两种：1）立方体堆积（图4a），堆积最疏松，孔隙度最大，其理论孔隙度为47.6%；2）棱面体排列（图4b），排列最紧密，其理论孔隙度为25.9%．本文所讨论的砾岩粒径与颗粒支撑结构关系是建立在此最松散和最紧密的等径球体理论堆积模型基础上．将以上两种堆积方式中的等径球体当作砾岩颗粒支撑结构中的砾石骨架颗粒，而填充颗粒则为填充在等径球体孔隙中的球体，砾石骨架颗粒和填充颗粒共同构成了砾岩的多级颗粒支撑或同级颗粒支撑形式．

图4 砾石颗粒堆积模型Fig 4 The packing model of gravel particles

图5 计算填充颗粒最大粒径的几何模型Fig 5 A geomietric model for calculating the maximum particle size of filling particles

立体空间中，填充颗粒最大粒径存在于所在空间的对角线切面．立方体堆积模式中，根据骨架颗粒的几何关系，其对角线长度刚好为直角三角形的斜边（图5b中AE），而直角边则为骨架颗粒的直径（图5b中AC与CE）．在立方体堆积骨架颗粒的基础上可以建立填充颗粒最大粒径的几何模型（图5b），同理可建立棱面体堆积骨架颗粒与填充颗粒最大粒径的几何模型（图5c，图5d）．再根据其几何关系即可推导出填充颗粒最大粒径的计算公式（表3）．将“Udden-Wentworth”方案中四分砾岩的三个节点数据（4 mm、64 mm与256 mm）当作骨架颗粒粒径分别代入两种几何模型进行计算，可以得出对应的填充颗粒的最大粒径（表3），这些粒径数据将作为本文砾岩划分方案的依据．

表3 不同堆积方式中填充颗粒的最大粒径与骨架颗粒粒径的关系Tab 3 The relationship between the maximum particle size and the skeleton particle size in different packing methods

3 本文分类方案

显而易见，骨架颗粒的粒径D与填充颗粒的粒径d之间呈线性关系，即随着骨架砾石颗粒的增大，所能容纳的填充颗粒粒径也在增大．而本分类方案就是建立在探讨不同粒级的砾石在多级颗粒支撑和同级颗粒支撑之间响应关系的基础之上，即找到砾石骨架颗粒与所能容纳的最大填充颗粒之间关系的节点．根据不同堆积方式下砾石填充颗粒的最大粒径，在满足多级颗粒支撑的条件下，不同排列类型其骨架颗粒粒径D与填充颗粒粒径d之间存在不同的关系（表4）．

表4 多级颗粒支撑条件约束下骨架颗粒D与填充颗粒d之间的关系Tab 4 The relationship between skeleton particle(D)and filling particle(d)under the multi-level particle support condition

立方体堆积中，当填充颗粒粒径d＜4.0 mm，骨架颗粒粒度D=4.0∼5.5 mm时；当填充颗粒粒径d＜64.0 mm，骨架颗粒粒度D=64.0∼87.4 mm时，砾石颗粒支撑形式为多级颗粒支撑（表4）．而当骨架颗粒粒径分别为D＞64.0 mm，D＞256.0 mm时，对应的填充颗粒粒径分别为d=46.9∼64.0 mm，d=187.4∼256.0 mm，此时骨架颗粒与填充颗粒组成的颗粒支撑形式也刚好为多级颗粒支撑（表4）．同理可得到棱面体堆积方式下，砾石多级颗粒支撑骨架颗粒与填充颗粒之间的粒径关系（表4）．

综合考虑两种堆积方式，在多级颗粒支撑条件约束下，当骨架颗粒的粒径D范围分别为D=4.0∼5.5 mm，D=4.0∼9.7 mm时，对应的填充颗粒的粒径d＜4.0 mm．取最小子集，即当D=4.0∼5.5 mm，d＜4.0 mm时，立方体堆积和棱面体堆积方式下的颗粒支撑结构均为多级颗粒支撑形式．同理，当骨架颗粒的粒径D＞64.0 mm时，对应的填充颗粒的粒径分别为d=26.5∼64.0 mm，d=46.9∼64.0 mm，取最小子集，即当D＞64.0 mm，d=46.9∼64.0 mm时，两种堆积方式下的颗粒支撑形式均为多级颗粒支撑．综合以上两种情况，得到砾石粒径在4.0∼64.0 mm中的两个关键节点：5.5 mm和46.9 mm．同理，骨架颗粒粒径D=64.0∼87.4 mm，D=64.0∼154.5 mm对应的填充颗粒粒径d＜64.0 mm；D＞256.0 mm对应的d=106.0∼256.0 mm，187.4∼256.0 mm，此时为中砾级别砾岩的多级颗粒支撑形式．取最小子集，得到砾石粒径在64.0∼256.0 mm中的两个关键节点：87.4 mm和187.4 mm．

去零取整，并且考虑最小子集，即能满足两种颗粒堆积方式的情况下，得到四个关键节点：5 mm、47 mm、87 mm和188 mm．由此提出本文的砾石支撑结构分类方案（表5），即在业界广泛接受的“Udden-Wentworth”方案基础上，将中砾岩（粒径4∼64 mm）进一步细分为小中砾岩（4∼5 mm）、中砾岩（5∼47 mm）及大中砾岩（47∼64 mm），将粗砾岩（粒径64∼256 mm）进一步细分为小粗砾岩（64∼87 mm）、中粗砾岩（87∼188 mm）及粗砾岩（188∼256 mm）．

表5 本文提出的砾岩支撑结构分类方案Tab 5 The classification scheme of conglomerate support structure proposed in this paper

同时，本文应用沙玉清在研究紊流区（d>2 mm）沉降规律时建立的沉降公式[28]对玛湖凹陷砾岩粒径范围从-14∼0 Φ不等的大量砾岩进行了计算，并建立了本次划分粒径与沉降速率之间的关系（图6）．从图中可以看出，粒径与沉降速率呈一圆弧形曲线，随着粒径的增大，沉降速率呈现逐渐增大的趋势．

图6 沉降速率与粒径关系图Fig 6 The relationship between sedimentation rate and grain size

本分类方案的核心依据是在“Udden-Wentworth”方案基础上，充分考虑了砾石的结构与成因，不再是简单的数学意义划分，满足砾岩成因的科学研究和砾岩储层评价要求，同时也可避免Blair划分方案因过于细致而造成野外或岩心库现场观察的不便．

4 砾岩基质粒径

基质是指充填在骨架颗粒之间的组分，砂岩的基质组分通常以粗粉砂为界，即最大粒径为0.03 mm，而对于砾岩的基质，则没有公认的粒度界限[29]．然而在野外沉积考察或者室内岩心观察描述中，砾岩的基质含量是识别其岩相特征、判别其沉积环境的重要因素，而基质的粒径是决定其含量的重要依据．

表6 不同级别砾岩的最大基质粒径Tab 6 Maximum matrix size of conglomerate of different grades

本文尝试在骨架颗粒与填充颗粒模型上建立砾岩基质粒径的定量识别标志．以中砂岩粒径上限0.50 mm作为填充颗粒粒径，以立方体堆积为例，代入上文中的填充颗粒计算模型，，填充颗粒d为0.366 mm．则基质最大粒径与填充颗粒最大粒径的比值为0.03/0.366=0.09，取整数1/10，将此比值作为计算砾岩基质粒度上限的因子，分别将每一级别砾岩中最大填充颗粒粒径作为基数，两者相乘，可以得出作为不同级别砾岩的基质最大粒径（表6）．

5 基于本文分级方案的应用

按照“Udden-Wentworth”的粒级划分方案标准，下图中所有大如“土豆”和小如“豌豆”的砾岩皆为中砾岩，无法通过岩石学特征、最大MPS/BTh（最大粒径/单层厚度）来对不同成因的砾岩的搬运机制进行分析．而参考本文的分级方案，则可以通过岩心写实性描述，将红褐色、红色、灰褐色为主，粒径47∼57 mm，常为块状砾岩组成，颗粒分选差、大小混杂、无粒序，磨圆度差——中等、沉积构造不发育等特征的砾岩判断为以碎屑流搬运为主的成因砾岩．将颜色以灰色为主，砾石结构成熟度和成分成熟度较好，粒径范围为2∼27.7 mm，通常发育槽状交错层理、板状交错层理等特征的砾岩判识为牵引流搬运为主的成因砾岩（图7）．

图7 基于本文砾岩粒度方案的应用（据姚宗全[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）通过模拟泥石流沉积过程的实验发现，自然界的泥石流沉积通常包含丰富的砾石颗粒（平均粒径≥32 mm），即大多由本文砾岩分类方案中的中砾岩及以上粒级的砾石组成[30]．黄芮（2011）通过对西南地区进行泥石流堆积物的粒度分析发现，粒径为20∼40 mm的砾石是其主要的组成部分[31]．黄祺（2012）对四川盆地19条泥石流沟中的沉积物进行了粒度分析，结果显示10∼20 mm的砾石是组成泥石流沉积的主要碎屑，20∼40 mm的砾石次之[32]．综上所述，本文砾岩分类方案中的中砾岩分级在地质灾害中将起到重要的作用．

6 结论

（1）基于空间中存在立方体（最疏松）和棱面体（最紧密）两种堆积方式及不同粒径的骨架颗粒与填充颗粒之间的关系，建立颗粒结构与粒径响应关系的模型．

（2）通过骨架颗粒与填充颗粒粒度关系模型，得到砾岩粒径临界值：5 mm、47 mm、87 mm和188 mm．由此，在“Udden-Wentworth”粒度方案基础上，将中砾岩（粒径4∼64 mm）进一步细分为小中砾岩（4∼5 mm）、中砾岩（5∼47 mm）及粗中砾岩（47∼64 mm）；将粗砾岩（粒径64∼256 mm）进一步细分为小粗砾岩（64∼87 mm）、中粗砾岩（87∼188 mm）及粗砾岩（188∼256 mm）．根据砂岩基质最大粒径与填充颗粒粒径的关系，计算出不同级别砾岩的基质最大粒径分别为：0.2 mm、0.3 mm、4.7 mm和18.7 mm．

（3）依据本文的分类方案，从岩石学特征和最大粒径/单层厚度角度出发，很好地判识了准噶尔盆地红山嘴地区侏罗系八道湾组砾岩的搬运机制，同时该分类在地质灾害中起到重要作用，证明了本文分类方案的实用性和可操作性．