沉積物物源分析在沉積盆地中的應(yīng)用

沉積物物源分析在沉積盆地中的應(yīng)用

物源分析已成為連接沉積盆地和造山帶的紐帶，為科學(xué)家提供了研究盆地山脈相互作用的有效出發(fā)點(diǎn)。其研究?jī)?nèi)容不僅包括物源區(qū)的方位、侵蝕區(qū)與母巖區(qū)的位置、母巖的性質(zhì)及組合特征,還包括沉積物的搬運(yùn)距離、搬運(yùn)路徑;而且,根據(jù)物源分析資料還可以進(jìn)一步了解物源區(qū)的氣候條件和大地構(gòu)造背景,進(jìn)行沉積體系分析,重建古地理面貌。因此進(jìn)行物源研究既是沉積地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容,也是古海洋學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)的重要課題。隨著先進(jìn)分析手段,如電子探針、離子探針、等離子質(zhì)譜技術(shù)以及同位素測(cè)年等的應(yīng)用,有關(guān)物源的研究也從最初的定性化朝定量化方向發(fā)展。1模式巖粒法或稱解析法早期的物源研究主要根據(jù)碎屑物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及所處的自然地形來判斷母巖的巖石類型和所處的位置。而現(xiàn)代物源分析則把沉積巖的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與所處的大地構(gòu)造背景聯(lián)系在一起?，F(xiàn)代物源分析起源于Dickinson等利用砂巖碎屑組分判別沉積物源區(qū)構(gòu)造背景的研究。他們總結(jié)了世界上典型地區(qū)的砂巖碎屑組分,將砂巖的碎屑組分做了詳細(xì)的劃分和定量統(tǒng)計(jì),編繪出用于物源判斷的模式圖——迪金森三角圖解(圖1)。該方法主要通過常規(guī)巖石薄片的顯微鏡下成分統(tǒng)計(jì),包括石英、長(zhǎng)石、巖屑、單晶石英、多晶石英、硅質(zhì)巖屑等,然后利用模式圖來了解物源區(qū)的特征及所處的大地構(gòu)造背景。該方法簡(jiǎn)便易行,至今仍然被廣泛利用。但是,該方法在應(yīng)用過程中也曾出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的情況,其原因主要是未考慮混和物源以及風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖作用等次生作用的影響。Schwab總結(jié)了阿巴拉契亞、西懷俄明、西阿爾卑斯等前陸盆地的陸源碎屑組合特征,為同造山期盆地的物源研究提供了對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)。Crook總結(jié)了由不同構(gòu)造背景的源區(qū)所控制的不同成分的雜砂巖特征。Maynard等系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了世界各種構(gòu)造背景下現(xiàn)代砂沉積構(gòu)架顆粒及化學(xué)成分,并提出了相關(guān)判別標(biāo)準(zhǔn)。Bhatia等研究了澳大利亞東部塔斯曼地槽不同構(gòu)造背景下雜砂巖的化學(xué)成分,先后提出判別砂巖構(gòu)造背景的常量元素和微量元素標(biāo)準(zhǔn)。Roser等在研究新西蘭古生代濁積巖時(shí),建立并應(yīng)用了一個(gè)w(K2O)/w(Na2O)—w(SiO2)雙變量圖(圖2),對(duì)不同板塊構(gòu)造背景下形成的砂巖進(jìn)行判別。中國(guó)物源分析研究起步較晚,和政軍曾就砂巖碎屑組分與板塊構(gòu)造位置關(guān)系做過分析。大多數(shù)國(guó)內(nèi)學(xué)者采用各種端元圖來判別源區(qū)構(gòu)造背景?，F(xiàn)今,隨著先進(jìn)的分析技術(shù)和手段,尤其是地球化學(xué)成分分析技術(shù)和方法以及同位素測(cè)年技術(shù)的發(fā)展,為物源研究帶來了新的機(jī)遇。2礦物學(xué)和地質(zhì)學(xué)方法在源分析中的應(yīng)用2.1重礦物地球化學(xué)特征該方法主要利用單顆粒重礦物的地球化學(xué)分異特征來判斷物源。隨著電子探針的應(yīng)用,很多學(xué)者針對(duì)不同的地區(qū),利用不同重礦物(如輝石、角閃石、電氣石、鋯石、石榴石等)分析提出了判別物質(zhì)來源的指標(biāo)和端元圖。Leterrier等對(duì)愛爾蘭海、赫布里底群島和北海海底沉積物中的輝石成分分析后,利用輝石化學(xué)分異特征,提出用w(Ti)-w(Ca+Na)圖解來判定物源是拉斑玄武巖還是堿性玄武巖、用w(Ti+Cr)-w(Ca)圖解來區(qū)分輝石源區(qū)是造山帶還是非造山帶環(huán)境。Morton對(duì)中國(guó)北海砂巖、新西蘭和孟加拉扇地區(qū)海底古近紀(jì)、新近紀(jì)沉積物中的石榴石成分差異進(jìn)行研究后,根據(jù)不同條件下石榴石組分的差異,提出了P(鎂鋁榴石)、AS(鐵鋁榴石+錳鋁榴石)、GA(鈣鋁榴石+鈣鐵榴石)三端元圖,李任偉等利用該方法研究了合肥盆地在侏羅紀(jì)時(shí)期大別山物源區(qū)的特征。雖然重礦物地球化學(xué)特征對(duì)物源分析很靈敏,但其在沉積旋回中會(huì)受到風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積等作用的影響。因此,Morton等提出利用具有相同物理和化學(xué)穩(wěn)定性,在相似的水動(dòng)力條件下存在的重礦物特征指數(shù)來獲取物源信息,如利用ATi[ATi=10×磷灰石樣品數(shù)/(磷灰石樣品數(shù)+電氣石樣品數(shù)),指示層序是否受到酸性地下水循環(huán)的影響]、MZi[MZi=100×獨(dú)居石樣品數(shù)/(獨(dú)居石樣品數(shù)+鋯石數(shù)),可顯示深埋砂巖物源區(qū)的情況]、GZi[GZi=100×石榴石樣品數(shù)/(石榴石樣品數(shù)+鋯石樣品數(shù)),用來判斷層序中石榴石是否穩(wěn)定]等重礦物特征指數(shù)來指示物源特征。此外,Morton等在研究挪威白堊紀(jì)至古新紀(jì)海底扇砂巖時(shí),利用ATi、MZi、GZi等作為指示物源的參數(shù),為海底扇砂巖的來源提供了重要的判別參數(shù)。近年來,一些學(xué)者還利用電子探針及激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)等成分分析儀器,測(cè)得重礦物中的常量元素、微量元素、同位素含量,通過與可能源區(qū)之間相應(yīng)元素的對(duì)比來確定沉積物物源。如Renata等在研究波希米亞丘陵地區(qū)Clum盆地下石炭統(tǒng)沉積物物源時(shí),利用鎂鋁榴石-鐵鋁榴石中的常量元素和微量元素作為沉積物物源指示參數(shù),在區(qū)域上進(jìn)行對(duì)比,得出下部沉積物來源于北部的Moravo-Silesian和西北部的Lugian地區(qū),而上部沉積物則來源于盆地的西部和西南部。此外,Spiegel等在研究瑞士磨拉石盆地時(shí),也曾利用綠簾石中的釹(Nd)和鍶(Sr)同位素比值以及微量元素區(qū)分出3種與綠簾石相關(guān)的砂巖:第一種源于Austroalpinemetagranites地區(qū),第二種源于Penninicophiolites地區(qū),第三種是前兩者的混源,并結(jié)合年齡數(shù)據(jù)討論了中阿爾卑斯的演化歷史。此外,近年來,重礦物的某些物理性質(zhì)對(duì)物源的指示意義也逐漸被一些學(xué)者所認(rèn)識(shí)。Cardona等發(fā)現(xiàn)重礦物顆粒晶體表面的晶紋和形態(tài)不僅可以進(jìn)一步證實(shí)通過探針、地球化學(xué)和裂變徑跡等方法獲得的物源信息,而且還可以區(qū)分出重礦物的演化階段并闡明礦物從開始搬運(yùn)直到最終沉積,影響礦物顆粒的不同過程,并在研究Guadalete河流階地時(shí)得到應(yīng)用。2.2地球化學(xué)和同位素沉積物的化學(xué)成分與碎屑礦物構(gòu)成之間存在著一定的關(guān)系,在不同的構(gòu)造環(huán)境下具有不同的特征,據(jù)此可以根據(jù)成分變化特征來判定物源區(qū)的性質(zhì)和構(gòu)造背景。Bhatia等和Roser等通過對(duì)砂巖和砂泥質(zhì)巖的研究,提出用一系列常量元素(圖3,4;圖3中的判別函數(shù)F的算法見表1)、微量元素(圖5)地球化學(xué)端元圖來鑒別被動(dòng)大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣、大洋島弧和大陸島弧等構(gòu)造背景,這些不同端元圖之間的相互校正使用已被大多數(shù)學(xué)者所采用。而當(dāng)構(gòu)造背景已知的情況下,則可以利用Roser等提出的判別方程來分析源區(qū)的性質(zhì)是基性、中性、酸性火山巖物源區(qū)還是成熟大陸石英質(zhì)物源區(qū)(圖6,圖中判別函數(shù)F′的算法見表2)。REE以及Th、Sc對(duì)源區(qū)特征的分析很有價(jià)值,因?yàn)樗鼈冏铍y溶,因而相對(duì)穩(wěn)定,不受搬運(yùn)過程和沉積過程的影響,即具有非遷移性,而且這些元素僅隨陸源碎屑沉積物搬運(yùn),故能反映源區(qū)的地球化學(xué)性質(zhì)。其中兼容元素(如Th)和不兼容元素(如Sc)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值可用來區(qū)分長(zhǎng)英質(zhì)(高)和鎂鐵質(zhì)(低)組分。稀土元素分配模式也可以用來指示物源,若w(LREE)/w(HREE)比值低,無Eu異常,則物源可能為基性巖石;若w(LREE)/w(HREE)比值高,有Eu異常,則物源多為硅質(zhì)巖。McLennan等分析總結(jié)了地球化學(xué)和同位素方法在分析沉積物物源方面的應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)是既可以應(yīng)用到富含基質(zhì)的砂巖和頁巖中,又可以確定物源的年齡和地球化學(xué)演化歷史。他們根據(jù)全巖化學(xué)組分和釹同位素組成分析了5種物源類型:古老大陸上地殼、再循環(huán)沉積巖、年輕的未分異弧、年輕的分異弧和各種外來組分的特征。其中,最重要的是Nd同位素組成(反映平均物源年齡)、Eu異常(反映地殼內(nèi)部巖漿分異作用)、大離子親石元素的富集(即LILE,反映物源組分)、堿土元素虧損(反映重礦物富集)、Zr和Hf富集(反映重礦物富集)和Cr富集(反映超鎂鐵質(zhì)物源)。除了上述全巖化學(xué)成分分異與物源的關(guān)系外,一些研究者也利用電子探針和質(zhì)譜技術(shù)對(duì)副礦物、磁性礦物進(jìn)行研究,以指示物源。Mark等也曾利用碎屑硅酸鹽中侵入體(如磁鐵礦)與重礦物對(duì)比進(jìn)行沉積物物源研究,取得了良好效果。2.3通過成巖年齡和沉積過程判斷物質(zhì)來源在物源研究方面,不僅可以利用同位素之間的相互關(guān)系來判別物源區(qū),如利用綠簾石中的釹[εNd(t)]和鍶[εSr(t)]同位素比值進(jìn)行物源判別(幔源或殼源)(圖7),更重要的是通過沉積物年齡的測(cè)定來判別物源?，F(xiàn)在常用的方法有含鈾微相(鋯石、獨(dú)居石)的U-Pb法、碎屑沉積巖的Rb-Sr法以及Sm-Nd法等。采用U-Pb法定年主要選取鋯石和獨(dú)居石為研究對(duì)象,最常用的是鋯石。通常,沉積物中碎屑鋯石的年齡譜可以反映鋯石的地質(zhì)歷程,不同經(jīng)歷的鋯石年齡譜也不同。如:鋯石中心的年齡通常代表所在陸塊的基底年齡,鋯石中間層的年齡代表陸塊演化過程中重要熱事件的年齡,鋯石邊緣的年齡代表沉積-成巖年齡。傳統(tǒng)的鋯石定年法是將許多鋯石顆粒一起溶解進(jìn)行分析來測(cè)定年齡。這就有可能因不同時(shí)代的鋯石混合而得到無意義的混合年齡,因此現(xiàn)今對(duì)于鋯石定年主要采用單顆粒鋯石分析方法,主要有離子探針質(zhì)譜法(SHRIMP)和激光探針等離子質(zhì)譜法(LP-ICP-MS)。SHRIMP價(jià)格較昂貴,測(cè)試周期長(zhǎng),但測(cè)得的年齡精度高,對(duì)于有復(fù)雜生長(zhǎng)歷史和環(huán)帶構(gòu)造的鋯石,往往還可以給出鋯石不同階段的生長(zhǎng)年齡。例如李任偉等利用SHRIMP年齡研究了大別山北緣石炭紀(jì)沉積巖的物源特征以及早侏羅世大別造山帶的源區(qū)特征。相反,LP-ICP-MS價(jià)格低且分析周期短,精度也可以與SHRIMP對(duì)比,主要通過獲取單顆粒鋯石原位微量元素?cái)?shù)據(jù)和微區(qū)U-Pb同位素年齡來分析物質(zhì)來源。Darby等利用該方法對(duì)華北板塊自古元古代到奧陶紀(jì)地層中的250顆單顆粒鋯石進(jìn)行激光剝蝕等離子體質(zhì)譜分析,確定了碎屑沉積巖的物源,討論了亞洲板塊的區(qū)域構(gòu)造演化模式。Rb-Sr法大多用于中酸性巖漿巖的測(cè)年。一般通過測(cè)定碎屑沉積物年齡并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造歷史來判斷物質(zhì)來源和物源區(qū)巖漿活動(dòng)歷史。如李忠等在對(duì)大別山北緣、合肥盆地南緣的侏羅系鳳凰臺(tái)組底部沖積扇礫巖的研究中,通過兩個(gè)花崗巖礫石樣品中鉀長(zhǎng)石、黑云母、角閃石和全巖Rb-Sr同位素的測(cè)定,判斷出大別山侏羅系物源區(qū)曾發(fā)育早古生代花崗巖類巖漿侵入體。但利用該方法的前提是:①在風(fēng)化搬運(yùn)過程中,這些碎屑礦物對(duì)Rb-Sr系統(tǒng)保持封閉;②在成巖過程中,這些礦物沒有發(fā)生蝕變或次生加大生長(zhǎng);③這些礦物的源區(qū)具有相似的年齡和初始N(87Sr)/N(86Sr)比值。Sm-Nd法判斷沉積物物源主要采用碎屑沉積巖中Sm、Nd同位素資料來推斷沉積物源區(qū)性質(zhì)并估計(jì)陸殼從地幔中分離的時(shí)間。Sm、Nd在海水中滯留的時(shí)間很短且Nd同位素在海水中的含量極低(wB≤3×10-6),因此,沉積巖尤其是細(xì)碎屑沉積巖能夠使源區(qū)巖石中的Sm、Nd同位素保持相對(duì)豐度。由于沉積碎屑來自剝蝕區(qū)出露的各時(shí)代的巖石,因此沉積巖的Nd模式年齡代表其源區(qū)巖石的平均存留年齡。在沉積巖形成過程中,若有新的幔源物質(zhì)加入,則其模式年齡是殼源物質(zhì)和幔源物質(zhì)年齡的加權(quán)平均。因此,若模式年齡接近或稍大于沉積年齡,則表明沉積巖中含有大量幔源物質(zhì);若模式年齡顯著大于沉積年齡,則表明沉積巖中以先存陸殼的再循環(huán)碎屑為主。Nd同位素也可用來反演山脈源區(qū)類型、性質(zhì)及其多樣性特征,從而可以計(jì)算出不同沉積層位每一源區(qū)端元對(duì)該層位沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)比例及源區(qū)的剝蝕量。另外,Sm、Nd屬于稀土元素,在變質(zhì)作用、熱液活動(dòng)或化學(xué)風(fēng)化等因素影響下比Rb、Sr穩(wěn)定,因此在沉積巖因受強(qiáng)烈變質(zhì)作用、熱液活動(dòng)或化學(xué)風(fēng)化等作用,引起Rb-Sr系統(tǒng)被重置而不再封閉的情況下,Sm-Nd法仍然能夠進(jìn)行定年。除了上述幾種同位素示蹤物源外,還有K-Ar法、Ar-Ar法等具示蹤作用的同位素測(cè)年方法。這些方法在研究物源時(shí)所遵循的思路大多是在獲得碎屑物年齡的情況下,結(jié)合區(qū)域年齡進(jìn)行對(duì)比或根據(jù)構(gòu)造演化歷史來判別物質(zhì)來源。因沉積物無論是在沉積以前還是沉積以后,都會(huì)不同程度地受到同期以及后期地質(zhì)作用的改造,另外沉積物來源本身存在復(fù)雜性,加之各種分析測(cè)試方法都有其自身的局限性,這些客觀因素決定僅用一種方法進(jìn)行物源判別,準(zhǔn)確性堪憂,所以除了必須結(jié)合不同的方法綜合評(píng)價(jià)物源以外,還要考慮很多影響因素。如構(gòu)造抬升可以使物源區(qū)發(fā)生變化,可造成地層巖石碎屑組分及年齡分布范圍加大;走滑斷層可使某一時(shí)期沉積物的源巖發(fā)生長(zhǎng)距離位移;逆沖推覆作用可使源巖消失殆盡或僅留殘片。這些構(gòu)造活動(dòng)都會(huì)給物源判別帶來難度,因此在分析此類問題時(shí),必須時(shí)刻考慮構(gòu)造背景、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),其結(jié)論必須有構(gòu)造特征、構(gòu)造作用時(shí)代等方面的相互印證。另外,沉積物在搬運(yùn)過程中會(huì)遭受各種物理化學(xué)作用,尤其是化學(xué)風(fēng)化作用,而化學(xué)變異指數(shù)(CIA)則提供了一種定量硅酸鹽礦物風(fēng)化度的方法:CIA=[w(Al2O3)/w(CaO+Na2O+K2O+Al2O3)]×100上式中的CaO只是硅酸鹽礦物中的CaO,而磷酸鹽和碳酸鹽礦物中的CaO除外。CIA為無量綱數(shù)據(jù),一般在50~100之間變化。大部分新鮮未風(fēng)化的火成