遵义下—中三叠统沉积环境中的多元统计分析方法探讨.pdf

1 9 9 4年第 1 1 卷 第 1期(总第 3 8期)贵 州 地 质 GUl zH0U GE0L0GY Vo 1 1 1 No 1(3 o1 3 8)1 9 9 4 61 遵 义下一 中三叠统沉积环境的 多元统计分析方法探讨 了 乎 堕 题 望 塑 堡 撞化 学 组 份童 丕 墓 盐 盐 盘 遵 义 乡蕴世 内容提要 率 丈尝试利用地层剖面岩石样品化学分析数据的聚类分析、非线性映象分析、对应 分析及最优分割法等多元统计分析结果 结合地层剖每岩性特征-对遵义下一中三叠统碳酸盐岩地 层 沉积环 境进 行 了韧 步探讨 1 剖面概述 用于本文 讨论的地 层剖 面为笔者 参予测制 的一 比五万 区调建 义市、建 义县 幅新坪乡下 一中三叠统剖 面 ，其 层序 及岩性 简述如下：上疆地层：上 三叠 统须家河 组(Ta )岩屑石英砂 岩 一一一一一一一一一一一-一一假整合一一一一一一一-一一一一。一一一 _ 中 三 叠统 狮子 山组(Ts h。)厚 2 7 3 m 2 白云岩段(T s )，浅灰一 暗灰色薄一 中厚层状 白云岩、膏盐 白云岩、泥 云岩。水平 纹理 发育。厚 9 5 m 1 灰岩段(Ts h-)：浅灰一 暗灰色 中一 厚层状灰岩、泥 质条带灰岩夹砂一砾 屑灰岩 及灰 岩角砾岩。产头足类、腹足类等化 石。厚 1 7 8 m 登 子坎组(T )厚 2 8 3 m 3 小灰 岩段(T。)：灰一 暗灰色薄一 中厚层状灰岩、泥灰岩 夹钙质泥岩。产瓣鳃 类化 石。厚 1 2 4 m 2 杂色岩段(T。)：灰、灰黄、灰绿、紫红等色泥岩、泥云岩夹白云岩、生物介 壳 灰岩等。产瓣 鳃类、腹足类等化石。厚 1 3 4 m L 云一灰岩段(T s-)：灰色夹囱红色中一厚层状泥晶一砂属白云岩、云灰岩夹膏 盐 白云 岩。底部 为玻 屑凝 灰岩。产瓣鳃 类化石。厚 2 5 m 下三叠统 茅草铺组(T )厚 3 9 8 m 4 上白 云岩段(T )：浅灰一灰色 夹紫红色中厚层状 泥晶一砂屑 白云岩 夹云灰 誊加剖面刚剞的尚有陈采齐，杜 昌乾，王祁仑，李克庄、1 啕勇、包月砰、刘云高等同志 维普资讯 http:/ 6 2 贵 州 地 质 1 9 9 4年第 u 卷 岩、盐 溶角砾岩。厚 6 3 m 3 上 灰岩段(T )：浅灰一 暗灰色 夹紫红色中一厚 层状泥晶一砂 屑灰岩夹 白云 岩、盐 溶角砾岩。时见生物扰动构造及斜层理。厚 1 2 7 m 2 下 白云岩段(T m)：灰一浅 灰色夹紫红色中一厚层状泥晶一砂 屑 白云岩夹泥质 白云岩、云灰岩、盐 溶角砾岩。厚 3 1 m 1 下灰 岩段(T m )：浅灰灰色 中一 厚 层状泥晶灰岩夹砂 砾屑 灰岩、鲡粒灰岩。时见斜 层理及生物扰动韵律层理。厚 1 7 7 m 夜郎组(T )厚 3 8 1 m 3 九级滩 段(T )：紫红、紫灰、灰色泥岩、泥灰 岩及粉砂质泥岩等，常具 韵律 沉 积特 征 产瓣 鳃类 化石。厚 1 7 0 m 2 玉龙山段(T 。)：上 部为浅灰色厚 层一 块状 泥晶灰岩、亮晶鲕粒 灰岩，具 斜层 理 构造 下部为灰色薄一 中厚层状灰岩夹泥 质灰岩。厚 2 0 0 m 1 沙堡湾段(T )；黄灰 色页岩。产瓣 鳃类 比石。厚 1 l m 一一一一一一一一一 一一一一一一整 合一一一一 一一一一一一 一一一一一 一 下伏地层：上二 叠统长兴 组(P c)燧 石灰岩 该剖面(图 1)共采 各组段岩石样品 3 5件，密度分布不匀，数量偏少，但代表性 尚好。样 品比验项 目为 s i O2、Ti O2、A1 2 O、F e 2 O、Ca O、Mg O，K2 O、Na 2 O、B a、S r、F和 Hg、As、C u、P b、Z n、C o、Ni、Mo、Au共 2 0个，均为化学 定量分 析，精度较高。因后 9个 项 目，即 Hg A u在该剖面上分布情况受多种因素影响，不 利参予沉积环境分析，故本文 仅选 取 S i O。一F前 l 1个项 目作变量进行多元统计 分析。计 算方法选用 R型、Q 型聚类分析 和非线性 映象分析，对应分析及最优分割法等 多种，以利综合分析及对 比。2 岩石化学组份 的沉积环境意义分析 2 1 R型 聚类分析 见其谱 系图(图 2 一 )。图中 c a、s r 呈明显正相关而聚 为一小类(I类)，并与其它 众 多组 份聚为的大类(I+I类)星明显负相关连接，这反 映出 C a O 为碳酸盐岩的主 要 成份。其含量越 高(即石灰岩纯度越高)则 S r 含 量越高。其它组分含量(代表泥质碎屑 物 等)越低。结合高纯度石灰岩沉积环境知识，可认为 C a O和 s r 的高含量共同指示了距海 岸较 远，具清沏海水 的开阔碳酸盐 台地沉积环境 图 2 一 中，Ti O F e t Oa、B a、Na O呈 明显正相关而 聚为-d,类(类)。由于 Ti O、F e。On B a的高含量是陆源碎屑物较多之故，因此 它们指示 了距 物源 区较近，而 Na O 的高 含量显然指示 了较干旱 的沉积环境。S i O：、AI O 与 F、K O 另聚为一小类(I 类)，并与 类 呈正相关连接，这 指示 了该剖面富泥质碳酸盐 岩或泥质 岩的沉积环境较为闭塞，距海 岸线及物源 区也 较近。Mg O(1类)与其它 备比学组份连接较弱，但可大致指示 出较 闭塞 的沉积环境。维普资讯 http:/ 第 1 期 陶平：遵 义下 一 中三 叠 系统沉 积环 境 的多元 统计 分析 方法 探讨 6 3 葛 J 0苫 自口。l I 口 亘口 目苇 口 棼 I d 苣霪 主1 0 兰 口 善 正 目 ll 0 _【曲 圈 峨辖索辩 聪暖 酵驻 昭棼旧葡哩霉一圈 口 噬 2 f 噻 f；粤 衄 求 一 l 夏 毒 卜 l 磊一 求 8 瞄 N 采 骤 =一 霎 l 曩 耀 ，；一，厂、瑚，i 辞 ，、_ 一 =-H-缸 +H 蜂 、求 厂 一，、，V坦l _ 世。一 +I，l 蔷 1 i：一 泞 ；、一，厂、十，l n 蛳：=，、l -彝 噩 毒 赌 鲤 号 苎 n 盘 丁 一、葬 一 虽 厂 r：、i、厂 r 搔 一，_ 一-一-一：。厂、，一?一=+3 。盆 舞 喀 赋 一 翻 I 建 善 =如 H l 啪 却 l 如 l H 廉 掣 悄 堪 堪 皿 皿 皿 皿 疃 皿 培 l叵：口 皿 嶝 蜂 嘴 噻 雌 啦 世 盘 l葛 b 高 窖 罱 高 l l!l I f=l o、1 卜 盏 i 譬 土 E 睦 营 盛 盛 盛 湘 批 湘 益 签 嚣 i F,1 衄 峭 f 截 弓 髓 瓤 皿 二 摇 皿 鼎 吲 婶、_ 们 也 牛 铎H 1 蒜 蜘 畸耀 霎 弓 维普资讯 http:/ 6 4 贵 州 地 质 1 9 9 4年 第 1】卷 R 型 聚 类分 析谱 系 图 C 大陆及栖豫区 R型非线性魄象分析缺 象图 围 2 岩石化 学成 份 关系 图解 Fi g-2 I l u st r a t i o n t ar t h e Re l a t i o n s h i p o f Ch e mi c a l Co mp o s i t i o n o f t h e Ro c k s 2，2 R型 非线 性映 象分析 见图 2 一，它将各化学组份高维空 间关 系近似地 转化为简单而直观的二维平面关系，是 R型聚类分析结果的补充和完 善。在 R型聚类分析 的基 础上，可容易地对 R型非线性 映 象分析结果讨论 如下。首先，图 2 一第 1IV 象限内所分布的化学组份正好对应于图 2 一的第 1 IV 类，这表明其沉积 环境指示意 义也 相互 对应。进而可知，横轴 Yl 表 示了沉积 区距 海岸线及物源 区的远近，纵轴 T2表 示了水体的含盐度及流通情况。由此，可揭示出各化学组份的细微 区 别：由左至右，大致按 c a Os r Mg ONa 2 OK：OTi O2-F e 2 O 的顺 序逐渐接近海岸 线及物源 区 j由下至上，从 C a O、S r等至 Mg O、K O、F指示农体逐渐闭塞、盐度逐渐增 大。Na：O位于图下方并不能指示水体总的盐度大，而可能与T i C)、F e 共同指示出古陆 物源 区较干旱 的气候 环境。2 3 对应分析 其结果找 出方 差贡献较大(累计 0 8 7)的 F I F 3三个 主 因子。因子载荷 较大的化学 组分，F l主要 为 C a O、S r，F 2主要为 Mg O、F、K2 O，F 3主要为 Na 2 O、Ti O F e 。报 明显，Fl 指 示了距 海岸线 的远 近，F 2指示了水体的 闭塞情况与 含盐度，F 3指示 了炎热干 旱气候及距物源 区的远近。三 者沉积环境相 互独立，距海岸线 的远近不一定等价于距物源 区的远近，能指 示距 海岸 线远近 的化学 组份 不一定能指示距物 源区的远近。因此，对应分 析结果使各化学组份 的沉积 环境意 义更加具体 明确。见图 3 一。各化学组份的分布与图 2 一很相似 但却有重大区别，这主要表现为 C a O、S r、Mg O相对 位置的区别。据图 3 一 中的分布位置可知，C a O 主要指示出距海岸 线较远，而 不明显指示水体的开阔畅通及低盐度 I S r既指示了距海岸线较远，又指示 了较 开 阔畅通 的低盐度水体 环境；Mg O 指示 了较局限 闭塞，盐度较高 的水体 环境。其它化学组 份 均指示 出距 海岸线不 远，且 F、K：O 还指示 出水体 较 闭塞和 盐度较高，Ti O：、F e：O。等还 指示 出水体 较 畅通和舍 盐度不太高。图 3 的 F 3主因子反 映出 Na。O、Ti O：、F e：O 指示 了沉积 区距物源 区较近，而且 气候可能较为炎热干燥。闭 塞 盐度增 加 维普资讯 http:/ I 第 l期 陶平：遵 义 下一 中三 叠系统沉 积环 境 的多元 统计 分析 方法 探讨 6 5|2 。o M I 闭 I。塞 _ 盐 a】厦 增 加。2 l 2 j -r m 5 l，”h1 I l 0I 1 a 3 0 IP 。品，一 i 面一 I-一亩 制 一 t *P 、l 2 一 i 7 ：*l c】I，圉 3 对应分析园子和园子=戟荷平面聚点圉 Fi g 3 Poi nt Ac c um u l a t i on Di ag ram f or Cor r e s l nde nce An al ys i s And t ow f a tt er I o adi ng s 2 4化学组 份沉 积环 境意义综述 综上所述，本 文所 选 化学组份主要具有以下四个方 面的沉积环境意 义。第一，C a O、S r 等指示距 海岸线较远，而 B a、Tt O：等 指示距海岸线较近。相应 的，佐 证 了该地层采用以往 S r B a比值衡量 距海岸线远近 的方法是可取的。第二，Mg O、F、K 0等指示了局限闭塞的高盐度水体，S r、C a O 指示 了开闻 畅通 的低 盐度水体 但 C a O 的指示效 果不 如 s r。进而，可认为 采用 以往 Ca O Mg O(或 C a Mg)比 值 指示碳酸盐岩沉积 区含盐度的方法是可行的，但采用 S r Mg比值的效果 会更好 第三，当碳酸 盐岩中含泥质碎屑物较 多时，Ti O F e：0；的高含量能 指示距物源 区较 近，Al 0、S i O：的高 含量能指示 距物 源区较远。进 而，Al 0。Ti O 比值能指示距 高物源区 的远 近。第四，Na 0 的高含量及 Na 0 K 0 比值较大，可能指示 了炎热干 旱的气候条件。关于沉积 区的水探、水 动力条件、氧化还原条件等从本文讨论的 l 1个化学组份 中难于 获得较直接的信息。3 地层剖面沉积 环境分析 3 1 沉 积环境分析依据 以上 讨论表 明，通过 了解样 品的 化学组份含量 及其 比值特 征(图 1中的化学 组份 比值 曲线)即可分析地 层剖面沉积 环境。不过，这种分析方法 考虑 信息较单 一，其效果不 如综 _ 、炎 荆 维普资讯 http:/ 6 6 贵 州 地 质L 9 9 4 年 第 L l 卷 合考虑各样品在对应分析、Q 型聚类分析、Q型非线性映 象分析 中的特 征值大小及在成果 图上分布位置，因为这些多元统计分析方法所揭示的是各 样品和各 化学组份 的综合信息。首先，利用剖面样品对应分析主因子载荷 曲线即可较有将 地分 析沉积环境。见图 l，F1 曲线 向左延仲表示接近古陆，反 之则远离古陆；F 2曲线 向右 延伸表 示转 向局限 闭塞的高盐 度水体环境，反之 则转 向开 阔畅通的低盐度水体环境；F 3曲线 向右延仲表示接近物源 区或 气侯转向炎热干 燥，反之则远离物 远区。其次，各样品在对应分析因子载荷平面聚点图(图 3)上的分布位置可直接用于沉积环 境分析 和对比。图中，各坐标轴都有一定的沉积环境意义，不 同部位岩石样品的沉积环境 不同，因此，只要 了解了样品的分 布部位即可知其沉积环境，只要 了解 了各样品分布部位 的异同即可进行地 层沉积 环境 的对 比。第三-Q型 聚类 分析 及 Q型 非线性映象分析结果(图 4)也有助于沉积环境分析。图 4中，两者计算结果相互吻合并互为补充，均反映了样品之间的关 系，而未直接反映出样 品 与化学组份 的关 系。因此，应结合地层岩性和沉积构造特征，以 及对应分析成果综合分析 沉积 环境。该围 中 1 类 样品主要 为碳酸盐岩，反映为海相碳酸盐 台地沉积环境；I 类 样 品主要为泥岩、钙质 泥岩、泥 质粉砂岩等，应为近物源区的泥质碎 屑物沉积。I、I 类 交 界部位主要为泥灰岩和泥 云岩，为过渡性沉积环境。在 I 类 中，还 细分为 I l亚类局限 闭 塞 的高盐度碳酸盐沉积环境(主要 沉积 白云岩和泥质 白云岩)，以及 1 2亚类开阔畅通 的 低盐度碳酸盐沉积环境(主要沉积灰岩和泥质灰岩)。圉 4 岩 石样 品关 系圉解 F i g 4l u s t r a t i o n S h o w i n g t h e R e l a t i o n o f t h e R o c k s a mp l e s 第四，最优分割法(e p 有 序聚类分析)有助 于进行地 层剖面上沉积环境类型的划分，以 及 了解沉积 环境的 变化波动，找 出最大变化位置。见图 l最末栏 目，较大的分割位置多与 各级 岩石地层单位界线 吻合，也较好地指示出化学 组份 比值 曲线 及对应分 析主田子载荷曲 线的最大变化位置 i较小的分割主要见于一些岩石地层单位内部，指示出各类曲线较小的 变化 渡动位置 因此，该计算结果有助于地 层沉积 环境 分析 3 2 遵 义下一 中三叠 统地 层沉积环 境综述 综合考虑上述 分析 依据，可将遵 义下一中三叠统地 层沉 积环境 综述如下。维普资讯 http:/ 第 1期 陶平：遵义下一 中三叠系统沉积环境的多元统计分析方法探讨 6 7 (1)下 三 叠 统 Ty 地 层(样品 1)为接近古陆、半 局限、盐 度适 中的台地相泥 质沉积。至 Ty 地 层(样号 2 3)沉积时期，逐渐远离古陆，水体逐渐开阔畅通、清沏、低盐度，为开阔浅海碳 酸 盐台地沉积。其岩性特 征表 明该段上部 为蛹粒滩 沉积 环境。至 Ty 地层(样品 4 7)沉 积时间，转化为整 海相三叠 系中距古陆及物源区最近、最炎热干旱 的沉积环境，水体较 为闭塞，蒸发作用较强，为 潮坪机械碎屑 沉积兼化学沉积。Tm 海相碳酸盐岩沉积 占绝对优 势。其中。Tm 地层(撵号 8 1 4)沉积 的早一中期，沉积区水体逐渐 变深，远离海岸线(古陆)及物源 区，变为整个海相三叠 系地层中最为开 阔畅通 的低盐度碳酸盐 岩沉积 环境。由岩石生物扰动构造特征可知该沉积时期曾有一段时 间 的海 浸过程 至该段地层 沉积晚 期，水体逐渐变 浅，转 为半局限、中等盐 度沉积环境。Tm Tm 地层(样号 1 5 2 1)继承了 Tm 上部地层沉积环境的变化 趋势，水体继续 变浅，变 为 闭塞及高盐度，继续 靠近海岸线 及物源 区，并存在蒸发作用，为半 局限(Tm)局限(Tm。，T )潮坪一泻 湖含膏盐 碳酸盐台地沉积。(2)中三叠统 Ts t-z 地层(样号 2 2 2 9)虽沉积 早期伴随有 中酸性 火 山凝灰岩沉积(样号 2 2)，但仍然 继 承和发展 了 Tm 地层沉积晚期特点，为更加局限闭塞的高 盐度 潮坪一 泻湖相含膏盐碳酸 盐岩兼碎屑岩沉积，沉积环境渡动很大。至 Ts，T 地 层(洋号 3 0 3 2)沉积时期，沉积 区一度逐渐远离海岸线变得较 开阔 畅通，水体加深，盐度降 低，但其程 度已不及 T，沉积晚 期及 Tm 沉积 中期，为半局限浅 海碳酸 盐沉积。n 沉积 时期，沉积 区水体再度变浅，接近古陆 及物源 区，水 体极 为局限 闭塞，盐度 很高，为局限浅 海一泻 潮相含 膏盐 碳酸 盐岩沉积。这种变化趋势的继续发展，导致 了中三 叠统末期沉积区最终露 出水面，抬升为陆，结束了该 区地史时期海相 沉积 历史。4 结 语 本文通过几种多元统 计分析方法论证 了一些 岩石化学组分 的沉积环 境意义，并从此角 度对建义下一中三叠统 沉积 环境进行 了初步讨论。其重点认识如下。(1)在海相 地层岩石 中，C a O、S r的高 含量指示 了沉积区距古陆(海岸线)较远，其 中 s r 还 明显指示 出开 阔畅通的低盐 度水 体环 境B a的高含量与 c a，s r 相反，指示 出距古陆 较近；Mg O，K。O、F的高 含量 与 s r相反，指示 出局限闭塞的高盐度水体环境；Ti Ot、F e z O：等的高含量指示 出距物源 区较 近；Na：O 的高含量指示 出炎热干燥的气候条件。进而，也映 证了通常用 S r B a、C a Mg(或 S r Mg)，A I O。T i O 等比值进行沉积环境分析是可行的。(2)所 讨论 的 1 1种岩石化学组份，在进行沉积环境的水体 深度、水 动力条件及氧化 还 原条件等方 面的研究时 不能给出较直 接的指示 信息。(3)进行地层剖面沉积环境分析时，除常规的岩性、沉积构造、生物 化石特征及化学组 份比值研究外，化学组 份的对应分析、Q 型聚类分析、Q型非 线性 映象分析 及最优分割法 等多元统计分析结果也不 失为重要的分析依据。维普资讯 http:/ 6 8 贵 州 地 质 1 9 9 4年 第 u 卷 Di s c u s s i o n on M u l t i v a r i a n t S t a t i s t i c s Ana l y s i s f o r S e di m e nt a r y Env i r onm e n t du r i ng Lowe r M i d dl e Tr i a s s i c i n Zu ny l，Gui z h ou Ta o P i n g Ge o l o g i c al Te a m 1 0 6Gniz h o u Bu r e a u o f Ge o l og y a n d Mi n e r a l Re s ou r c e s Ab s t a ct 1 n t h i s p a p e r，t h e a ut h or，u s i n g a c c u mu l a t i o n a n a l y s i s，n o nl i n e a r i ma g e a n a l y s i s，c o r r p o n d e n c e a n a l y s i s a n d o pt i ma l p a r t i t i o n i n g me t h o d f o r t h e c he mi c a l a n aly s i s d a t a of s a mp l e s c o l l e c t e d f r o m t h e s t r a t i g r a p h i c s e c t i o n a t t e mp t e d t o p r o p o s e a ne,iN me t h o d t o i n v e s t i g a t e t h e e n ,i r o n r n e n t o f c a r b o n a t e o f f h e I o we r M i d d l e r r l a s a lc i n Z u n y i a r e a 维普资讯 http:/