第5章 混杂堆积的基本特征与研究简史(1)

（第一节）混杂堆积（岩）的基本特征

混杂堆积是陆源碎屑沉积物中的一种重要沉积类型。它可由气下和水下环境的冰川、冰缘、崩塌、滑坡和泥石流等作用过程产生，都是近源沉积。混杂沉积物在固结成岩之前，常被称为混杂堆积（diamicton），固结成岩后则被称为混杂沉积岩（diamic tite）。在深海沟中发生削减作用或推覆体重力滑移时由构造剪切作用产生的混杂产物，被称为混杂岩（mlange）（Hsu，1975）。它可以作为混杂沉积研究的对照物，但不是混杂沉积相研究的对象。

混杂沉积有四种基本的组成部分：（1）碎屑颗粒，混杂沉积中的砾级碎屑，粒径可由2mm至数十米；（2）基质，由砂质颗粒和粉砂、黏土两部分组成。当砾石含量低于25%时，砂级颗粒亦作为碎屑颗粒；（3）胶结物，主要为化学沉淀物质，如碳酸钙、硅质、铁质等；（4）孔隙，混杂沉积中未被固体物质占据的部分，主要是原生堆积时保留下来的，也可能是后期矿物被蚀掉而形成的。

在混杂堆积中，孔隙率比较高，胶结物质较少；而在混杂沉积岩中的情形常常相反。上述四种组分的形成方式、形成阶段等方面各有差异。对它们仔细研究，可以获得有关其成因及物理性质等方面极有价值的资料。

地质学上也已有对沉积地质体的序级分类，以表达对沉积岩的分选程度的描述，共有四等：

有序的：指连续的水平层理，分选均一；次有序的：指连续的水平层理，分选不太均一；失序的：有层次，无层理，弱分选，岩性比较单一。部分混杂堆积属此类，如泥石流及堰塞湖溃决堆积；无序的：无层次，无层理，无分选，岩性单一或比较单一。混杂堆积大部分属此。

对以上序级，混杂堆积物（岩）大部分属于无序和失序的级别，可以表述为混杂沉积是无序的或失序的，而河、湖、海及风成的沉积岩应是有序的。

如果把混杂堆积当做一个单独的“相”，则包括下列亚相（甚至微相）：冰川亚相、泥石流亚相、堰塞湖溃坝亚相、坡积亚相、快速崩塌亚相、高速崩滑亚相、滑坡亚相、蚀余亚相（以上为外动力过程），震动岩亚相（震碎岩、震动岩、震化岩）、火山碎屑亚相（以上为内动力过程及外力混合过程）以及星际撞击亚相、人工亚相。而不作为混杂堆积相研究对象的混杂岩或构造混杂岩（mlange）则作为对照物，也列入本书内容，因为在实际工作中两者也有不易区分的时候。

一、混杂堆积的物质成分

混杂沉积主要由碎屑颗粒、基质和胶结物三部分物质组成，碎屑物质绝大部分来源于陆源区，是母岩遭受机械破坏的产物，故称陆源碎屑，所有组成沉积岩、变质岩和火山岩甚至星际物体的矿物以及岩石碎屑都可以在混杂沉积中出现。由于各种矿物和岩石的稳定程度不同，易于风化分解的成分，在风化、搬运过程中逐渐受到破坏，因而难以到达沉积地区，故大部分保存在混杂堆积物中；而比较稳定的、不易破坏的成分则得以保存在相对的终端——盆地沉积物中。在混杂沉积中，砾石颗粒多以岩石碎屑为主，而矿物碎屑则大量分布于基质里。

1砾石成分

混杂沉积中砾石成分主要是岩屑。岩屑的组成取决于几个因素（Blatt，1982）：（1）源区的岩性；（2）碎屑的原始大小；（3）搬运距离；（4）沉积体中的砾石大小。

源区对砾石成分的影响显而易见。绝大多数情况下，在上游地区没有出露的岩石类型，不可能出现在下游的沉积物中，砾石成分研究的一个重要目的，就是确定它的源区。

碎屑的原始大小，与其母岩的岩性有关。如变质石英岩，由于抵抗化学风化的能力强，碎屑的原始粒度通常非常大；而花岗岩的原始碎屑就要细小得多，这是由于它在露头上的球形风化，及多直接风化成颗粒（温带）和黏土（热带及亚热带）的特性所决定的。页岩和泥岩碎屑在开始搬运时，通常以细粒级颗粒占优势。

混杂沉积物中砾石的大小，还与岩石碎屑在搬运过程中的稳定程度相关。燧石和流纹岩等碎屑颗粒，其粒径在整个搬运过程中能够十分稳定，而灰岩和片岩等的碎屑，则会迅速变细。一般情况下，随着搬运距离的增大，巨砾和漂砾的含量会明显减少，而砾石成分则逐渐复杂。

砾石成分的复杂性还取决于流域规模的大小。小型冰斗冰川堆积的岩性成分比较简单，而大型的山谷冰川沉积的成分就复杂得多。如乌鲁木齐河源1号冰川，小冰期的岩性仅仅有3—6种，新冰期冰川规模较大，发现的岩性达到6—8种，而在末次冰期的冰川末端，岩性多达8—11种。冰碛中不同的岩性，各自以倾卸方式堆积在一定地段，以互不干扰、各不相混为特点，如珠穆朗玛峰中绒布冰川（详见第三章）。

2基质的矿物成分

混杂沉积的基质，按其粒度可以分为砂（2—0063mm）、粉砂（0063—0004mm）和黏土（小于0004mm）三个级别。砂与粉砂级颗粒的矿物成分，依靠显微镜可以予以鉴定，黏土矿物则需要借助光和差热分析等手段才能鉴别。

基质中的砂与粉砂级颗粒，主要由石英、长石、各种岩屑及重矿物所组成。石英通常是基质中的主要碎屑矿物，其形态变化大，是复杂的砾石形态缩影，其磨圆度的差别也较大；与砾石比较，次棱角与棱角状颗粒比例更大。

石英矿物可以来自岩浆岩、变质岩和沉积岩。来源不同，其特征也往往不同。因此，对石英的特点、石英中包裹体形态和成分以及波状消光等现象的研究，有助于查明石英的来源。

根据δ18O同位素的测定资料，也可以用来区别不同来源的石英。例如，来自花岗岩中的石英，氧18的丰度为094%—103%；变质岩中的石英，氧18的丰度则是102%—167%；自生石英中δ18O的丰度就更大，为125%—268%。

长石是混杂沉积基质中常见的另一种矿物成分。刘宝臖等（1992）认为，长石主要来源于花岗岩与花岗片麻岩，地层中长石的含量受气候条件和地壳运动强度的影响较大。如果地壳运动比较剧烈，地形差异大，气候干燥，以物理风化作用为主，加之剥蚀快，搬运及堆积亦快时，长石碎屑即可以被大量地保存下来，而且质地非常新鲜。反之，在其他环境下，长石就不易于保存。混杂沉积为近源沉积物，故长石含量高，而且多数都比较新鲜。在碎屑岩中，最常出现的是钾长石（多为微斜长石），其次是酸性斜长石，中基性长石则很少见到。

云母类矿物中，白云母抵抗化学风化的能力强，但易破碎成碎片，常集中分布在细砂岩和粉砂岩的层面上；黑云母易风化，常分解为绿泥石和磁铁矿，在碎屑岩中含量不多，但常出现于距母岩较近的混杂堆积中。

重矿物主要分布在025—010mm的粒级中，来自花岗岩的重矿物主要有锆石、独居石、榍石、金红石和磷灰石，来自较基性母岩的重矿物，可以有尖晶石、铬铁矿、钛铁矿、辉石等。重矿物虽然含量很少，但种类繁多，性能稳定。因此利用重矿物的类型、标型特征及组合方式，就能够追查母岩，详细划分和对比地层。随着粒度的变细，岩屑将逐渐破碎为矿物碎屑，故在混杂沉积基质中，岩屑的含量比砾石级颗粒要少得多，一般是一些细粒结构、隐晶质结构的岩屑；在一定的气候条件和快速剥蚀、就近堆积的条件下，也可以出现较多的石灰岩、泥岩等碎屑。

黏土是混杂沉积基质的重要组成部分，特别是泥石流沉积，没有一定含量的黏土就不称其为泥石流。黏土中常见的矿物成分有高岭石、水云母、蒙脱石、伊利石和绿泥石等。基质中主要的黏土矿物成分和组合特征，与物源及气候条件有关。

根据北美（Grim，1953）和我国天山（陆松年等，1983；郑本兴，1985）、西藏（郑本兴，1985）、南迦巴瓦峰（张振栓，1988）、小相岭、螺髻山、玉龙山等地未经风化的冰碛物中的黏土矿物分析可知，绝大多数以伊利石为主，或以水云母为主，抑或以伊利石—水云母为主，且以绿泥石为次，并含有少量其他矿物，这些都全面反映出寒冷气候下黏土矿物初生阶段的特征。

泥石流发育的气候环境非常广泛，所含黏土矿物视物源区环境决定，在气候寒冷地区，可以和冰碛物相似；在温暖地区，伊利石也占较大比重，如长江三峡地区一处泥石流原地黏土矿物，也是以伊利石为主；在热带、亚热带地区，以红色风化壳为物源的泥石流堆积，其黏土矿物则雷同于红色风化壳的黏土矿物。

因此，不能以黏土矿物成分来决定堆积物的成因，但可以判别其形成的环境条件。

还应看到，矿物成分在一定程度上受母岩控制。例如，美国南卡斯喀德冰川的冰碛物中，之所以有高含量的蛭石，系受其母岩——金云母阳起石片岩风化影响所致（陆松年等，1983）。

混杂沉积基质的化学成分也与其形成环境有着一定关系。如冰碛物基质中化学元素的含量与下伏基岩有很大的关系，一些化学性质比较活跃的元素可以富集于其中（特别是底部基质），继承基岩化学成分的某些特点，这与其化学风化作用较弱有关。

二、混杂堆积的结构

混杂堆积的结构包括三个方面，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），基质的特点（含量、粒度分布等）以及碎屑颗粒与基质之间的关系（结构类型）。

（一）碎屑颗粒的特征

1碎屑颗粒的粒度

碎屑颗粒的大小称为粒度，它是以颗粒直径来计量的。在混杂沉积的诸多结构特征中，粒度是最基本的，它包括平均粒径与粒径的变化两个方面。由于大多数颗粒形状不规则，存在着最大直径、中间直径和最短直径这三个直径值，要完善地表达颗粒的大小并不容易，通常情况下，可以用中值直径表示颗粒的粒度。

由于工作性质的不同，各家所采用的粒度等级的划分标准亦有不同。表11中列出了文献中采用的几种粒级划分标准。鉴于在砂和砂岩的研究中已经广泛采用了标准，我们建议在混杂沉积中也使用这样的标准。

标准是1934年克鲁宾（Krumbein，1934）根据伍登—温德华斯（Udden Went worth）的粒级标准进行变换而来的。

伍登—温德华斯的粒级是以1mm为基数的，公比为2的几何级数，如表11。

按此标准，砂与砾的分界值为—1，砂与粉砂的分界值为+4，粉砂和黏土的分界值为+8。砾石分别以—2、—6、—8和—10为分界值进一步细分为细砾、中砾、粗砾、巨砾与漂砾。在砂级颗粒中，考虑到野外描述的方便，我们采用三分法，实验室研究时还可进一步细分。

混杂沉积往往是由多种相差悬殊的粒级所组成。此处所谓的粒度，是指碎屑颗粒的平均直径而言。分选程度一般可以粗略地分为好、中、差三级，当主要粒级成分含量大于75%，或颗粒大小近于相等时，称为分选好；当主要粒级成分含量在50%—75%时，称为分选中等；没有一个粒级成分含量越过50%，或者大小相差大，则称为分选差。

详细表示混杂沉积的结构特征，可以采用福克及沃德（Folketal，1957）提出的粒度参数。

平均值可以反映沉积物的平均粒度，可以作为描述岩性变化及命名的基础，在剖面上或平面上（区域上）系统研究沉积岩的粒度，有助于探索物质来源和沉积环境区划分。

一般窄峰态的曲线，其中部较尾部分选性好，低于050的峰态很少见，对峰态的研究是发现双峰曲线的重要线索。如果值很低时，说明沉积物未经改造就进入新环境，而新环境对它的改造又不明显，因此，它仍然代表几种碎屑成分（或总体）直接混合而成，其分布曲线可能是宽峰或马鞍形，或者是多峰曲线，如冰碛物和泥石流堆积。

总的来说，由于混杂沉积属近源沉积物，它们的峰态、偏度、标准偏差和平均粒径四项粒度参数受物源与沉积作用过程的双重影响。

2碎屑颗粒的形态

碎屑颗粒的形态包括圆度、球度、形状三个方面，其中以圆度最有实用意义，颗粒的形态是粗碎屑岩最为显著的特征之一。

（1）圆度：系指颗粒的棱与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。通常对于像砂粒这样大小的颗粒来说，可以用比较法将圆度分为四级（括号中数字为该圆度的基数）：

棱角状（0）颗粒具有尖锐的棱角，棱线向内凹进。一般说来，碎屑基本未经搬运，则必然呈棱角状。

次棱角状（1）碎屑颗粒的棱和角均稍有磨蚀，但棱与角仍清楚可见。一般说明，碎屑经过了短距离搬运。

次圆状（2）棱角有显著的磨损，棱线略向外凸出，但原始轮廓还依然清楚可见。

一般说明，碎屑经过了较长距离的搬运。

圆状（3）颗粒的棱角已经完全磨损消失，棱线向外突出部分呈弧形，原始轮廓完全消失。一般说明，碎屑经过了长距离的搬运或长时间的就地磨损，如湖滨和海滨。

碎屑颗粒的圆度取决于颗粒的大小、硬度、搬运与否以及沉积环境和碎屑生成的条件等。在牵引流形成的沉积物中，直径在5—10mm以上的颗粒，一般是圆状的（Mills，1979）；01—50mm间的颗粒，既可以是圆状的，也可以是棱角状的；小于01mm的颗粒，基本上是棱角状的。对于混杂沉积中的碎屑颗粒来说，情况完全不同，在崩塌、滑坡、倒石堆堆积中，砾石以棱角状和次棱角状占绝对优势；冰碛物中次棱角状砾石占50%—70%（崔之久等，1989；吴瑞棠等，1991）。泥石流砾石在流动中容易滚动，故磨圆度自上游向下游方向很快增加，棱角和次棱角状砾石含量比冰碛要少得多。

（2）球度：系指颗粒接近球体的程度。颗粒在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：

a轴，碎屑颗粒最大扁平面上的最大直径。

b轴，在最大扁平面上垂直轴的最大直径。

c轴，垂直于最大扁平面的最大直径。

必须区分球度与圆度这两个不同的概念。球度高的颗粒，圆度不一定好，反之亦然。球度不同的颗粒，在搬运沉积中的水动力行为也不同，球状颗粒不仅比其他的颗粒更容易滚动，而且，它的单位体积的表面最小，所以比任何其他形状的颗粒沉降得也更为迅速。

形状不同的颗粒，其球度可以相等。

颗粒的圆度、球度及形状特征都与其硬度、大小以及介质的条件有关。碎屑颗粒的形状在混杂堆积和混杂沉积岩的研究中有很大的意义。如在冰碛物中，大多数冰碛石具有多棱及多面体特征，以五面体和熨斗状最具代表性，弹头形石和龟背擦痕石亦具有鉴定古冰川作用的意义。

3碎屑颗粒的表面特征

颗粒的表面结构包括颗粒表面的磨光度及表面上的刻蚀痕迹两个方面。砾石表面上具有擦痕曾被看作冰川作用的典型记录，但在实际上，泥石流、山地洪水、风蚀、崩塌、崩滑、断层、滑坡、河冰以及海冰等，都能够形成带有擦痕的石块（详见第十三章）。