物源分析的方法與應(yīng)用

物源分析的方法與應(yīng)用

1注重學(xué)科綜合應(yīng)用物源分析對(duì)于確定沉積物的物源位置、性質(zhì)和運(yùn)行路面，甚至整個(gè)盆地的沉積作用和結(jié)構(gòu)發(fā)展非常重要。近年來(lái)已發(fā)展成為多方法、多技術(shù)的一門綜合研究領(lǐng)域。電子探針、質(zhì)譜分析、陰極發(fā)光等先進(jìn)技術(shù)在物源分析中應(yīng)用日益廣泛;同時(shí),各種沉積、構(gòu)造、地震、測(cè)井等地質(zhì)方法與化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的應(yīng)用及相互結(jié)合,使物源判定更具說(shuō)服力。它在原盆地恢復(fù)、古地理再造、限定造山帶的側(cè)向位移量,確定地殼的特征,驗(yàn)證斷塊或造山帶演化模型,繪制沉積體系圖,進(jìn)行井下地層對(duì)比以及在評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的品質(zhì)等方面,都可起到重要作用。2沉積型法隨著現(xiàn)代分析手段的提高,物源分析方法日趨增多,并不斷的相互補(bǔ)充和完善。目前應(yīng)用較多的為:重礦物法、碎屑巖類分析法、沉積法、裂變徑跡法、地球化學(xué)法和同位素法等。主要研究巖石、礦物成分及其組合特征、地層的發(fā)育狀況(包括接觸關(guān)系和沉積界面等)、巖相的側(cè)向變化和縱向迭置、地球化學(xué)特征及其組合變化等,其依據(jù)在于不同的物源在沉積物的搬運(yùn)和沉積過(guò)程中就會(huì)有不同的巖性、巖相和地球化學(xué)特征響應(yīng)。2.1重礦物分析法由于電子探針技術(shù)的應(yīng)用及其分析水平、精度的不斷提高,重礦物分析法應(yīng)用廣泛。重礦物因其耐磨蝕、穩(wěn)定性強(qiáng),能夠較多的保留其母巖的特征,其在物源分析中占有重要地位。它包括單礦物分析法和重礦物組合分析法。2.1.1巖石學(xué)和礦物源用于重礦物分析的單礦物顆粒主要有:輝石、角閃石、綠簾石、十字石、石榴石、尖晶石、硬綠泥石、電氣石、鋯石、磷灰石、金紅石、鈦鐵礦、橄欖石等。用電子探針可分析上述礦物的含量、化學(xué)組分及其類型、光學(xué)性質(zhì)等,針對(duì)每個(gè)重礦物的特性及其特定元素含量,用其典型的化學(xué)組分判定圖或指數(shù)來(lái)判定其物源。如Morton用輝石礦物對(duì)南Uplands地區(qū)奧陶系Portpatrik組進(jìn)行物源判斷,依據(jù)Letterier提出的Ca-Ti-Cr-Na-Al組分圖解,用Ti-(Ca+Na)來(lái)判定其物源是拉斑玄武巖或堿性玄武巖,用(Ti+Cr)-a圖解區(qū)分輝石源區(qū)為造山帶還是非造山帶環(huán)境,指出該區(qū)輝石源自鈣堿性火山巖。另外,單顆粒重礦物含量比值亦具有一定的源區(qū)意義。獨(dú)居石/鋯石比值(MZi)可顯示深埋砂巖物源區(qū)的情況;石榴石/鋯石比值(GZi)用來(lái)判斷層序中石榴石是否穩(wěn)定;磷灰石/電氣石比值(ATi)指示層序是否受到酸性地下水循環(huán)的影響。單顆粒重礦物含量的平面變化可用來(lái)判定物源方向,如磁鐵礦等。2.1.2用重礦物方法解釋物源礦物之間具有嚴(yán)格的共生關(guān)系,所以重礦物組合是物源變化的極為敏感的指示劑。在同一沉積盆地中,同時(shí)期的沉積物的碎屑組分一致,而不同時(shí)期的沉積物所含的碎屑物質(zhì)不同,據(jù)此,利用不同時(shí)期水平方向上重礦物種類和含量變化圖,可推測(cè)物質(zhì)來(lái)源的方向。重礦物組合分析法對(duì)物源區(qū)用處頗大,尤其是在礦物種類較復(fù)雜、受控因素較多的地區(qū)特別有用。具體組合形式、分析方法根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)不同而有差異。目前,主要引用一些數(shù)學(xué)分析方法,如聚類分析(R型或Q型)、因子分析、趨勢(shì)面分析等方法來(lái)研究礦物組合特征、相似性等指數(shù),從而提取反映物源的信息。重礦物方法對(duì)母巖性質(zhì)具有一定的要求,對(duì)火山巖和變質(zhì)巖作為母巖時(shí),其中的重礦物所經(jīng)歷的搬運(yùn)、沉積次數(shù)較少,受后期的影響小,保留的一般較好,能夠很好的反映源區(qū)的性質(zhì)。而對(duì)沉積巖母巖而言,其中的沉積物可能經(jīng)歷了多次的搬運(yùn)、沉積和改造作用,具有多旋回性,其中所含的重礦物隨之受到影響,發(fā)生組分或含量的變化,用它進(jìn)行物源判斷時(shí)應(yīng)慎重。同時(shí),它對(duì)沉積物的時(shí)代也有一定的要求,一般對(duì)新生代的沉積物,其判斷較為準(zhǔn)確、可靠;對(duì)中生代、古生代等時(shí)代較老的沉積物,重礦物自保存至現(xiàn)今,會(huì)因溫度、埋深等條件在不同時(shí)期不同而使其種類增多,含量分布較分散,保留原巖的信息減小,對(duì)判斷物源不利。因此,沉積物時(shí)代越新,利用重礦物判斷物源時(shí)的準(zhǔn)確性會(huì)越高。同時(shí),水動(dòng)力會(huì)影響沉積時(shí)重礦物性質(zhì),成巖作用會(huì)改變沉積時(shí)的部分沉積組分,如礦物的層間溶解等,會(huì)使不穩(wěn)定重礦物含量變化,應(yīng)慎重分析。而且,對(duì)出現(xiàn)的自生重礦物,如白云石、黃鐵礦等,也應(yīng)加以考慮。2.2碎屑巖的分析2.2.1物源區(qū)的劃分碎屑巖中的碎屑組分和結(jié)構(gòu)特征能直接反映物源區(qū)和沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境。通過(guò)對(duì)選定層位砂巖樣品中的石英、長(zhǎng)石、巖屑含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),用Dickinson碎屑骨架三角圖進(jìn)行投值。根據(jù)點(diǎn)的分布情況,確定物源類型。可以有QLF主圖解和三個(gè)輔助圖解,從QFL圖中可區(qū)分陸塊、巖漿弧和再旋回造山帶三個(gè)基本物源區(qū)。在QmFLt、QpLvLs和QmPK輔助圖上,可將物源進(jìn)一步精確確定出來(lái)。以后學(xué)者不斷的進(jìn)行了補(bǔ)充,使其更為完善。該方法比較簡(jiǎn)單、直觀,已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是,在應(yīng)用該方法時(shí),應(yīng)注意以下問(wèn)題:(1)混合物源區(qū)的情況,判別圖僅說(shuō)明了沉積物通過(guò)直接和短途搬運(yùn)進(jìn)入鄰近盆地而形成砂巖相的物源區(qū)地塊性質(zhì)。對(duì)于多物源情況,應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重區(qū)別。如碰撞帶和活動(dòng)大陸邊緣,多種構(gòu)造單元可能并列在一起,并且同時(shí)抬升遭受剝蝕;同時(shí),流經(jīng)性質(zhì)極不相同的構(gòu)造單元的大水系,也會(huì)形成混合物源區(qū)的巖相。(2)次生作用影響,風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖作用不可避免的要破壞不穩(wěn)定碎屑顆粒;氣候的分化作用是通過(guò)控制成土作用來(lái)影響砂巖成分的,進(jìn)而影響物源區(qū)的解釋。(3)統(tǒng)計(jì)方法的影響,必須用特定方法(如Gazzi-Dickinson的點(diǎn)計(jì)法)、選擇成巖作用小的樣品,統(tǒng)計(jì)碎屑含量,才能有合理的結(jié)論。另外,還可根據(jù)砂巖中石英顆粒類型,作菱形圖,區(qū)分深成的、中高級(jí)變質(zhì)的、低級(jí)變質(zhì)的三類物源區(qū);長(zhǎng)石的化學(xué)成分、光學(xué)特征、石英中α、β石英含量變化、石英構(gòu)造缺陷、礦物包體及礦物形成介質(zhì)的包體等標(biāo)型特征均可用來(lái)分析物源特點(diǎn)。同時(shí),在用碎屑石英判定物源時(shí),應(yīng)考慮石英的多種來(lái)源、運(yùn)移及沉淀機(jī)制。2.2.2礫石中運(yùn)動(dòng)學(xué)特征礫巖中礫石的成分、礫徑等變化是確定物源的直接證據(jù)。利用礫石中不同成分的含量、粒徑大小及所占百分比等統(tǒng)計(jì)資料,能區(qū)分源巖的主要巖性、搬運(yùn)距離。粒序?qū)?、礫石的分選、磨圓、礫巖體的形態(tài)等都可作為有用的參考。2.2.3確定物源的價(jià)值依據(jù)泥巖物源研究具有相當(dāng)大的潛力,一些探索性的研究很值得關(guān)注。Blatt已用泥巖中石英顆粒在二疊紀(jì)盆地頁(yè)巖中確定沉積場(chǎng)所到海岸的距離,泥巖的泥砂組分中多晶石英特征可指示片麻巖物源,長(zhǎng)石含量和成分可指出花崗巖類物源,角閃石含量和中性斜長(zhǎng)石可用于識(shí)別閃巖物源。泥巖的滲透率明顯的低于砂巖,故其在確定物源方面常比與之共生的砂巖可能有用。另外,碎屑粘土是泥巖中的獨(dú)特組分,它在確定物源方面有很大的應(yīng)用潛力。2.3地層等厚圖分析根據(jù)盆地鉆井、測(cè)井、地震等資料,經(jīng)過(guò)詳細(xì)的地層對(duì)比與劃分,作出某時(shí)期的地層等厚圖、沉積相展布圖等相關(guān)圖件,可推斷出物源區(qū)的相對(duì)位置,結(jié)合巖性、成分、沉積體形態(tài)、粒度、沉積構(gòu)造(波痕、交錯(cuò)層等)、古流向及植物微體化石等資料,使物源區(qū)更具可靠性。2.4淺部地層中磷灰石的年齡和組成裂變徑跡法分析物源區(qū)是利用磷灰石、鋯石中所含的微量鈾雜質(zhì)裂變時(shí)在晶格中產(chǎn)生的輻射損傷,經(jīng)一系列化學(xué)處理后,形成徑跡,通過(guò)觀測(cè)徑跡的密度、長(zhǎng)度等分布,并對(duì)其加以統(tǒng)計(jì)分析,從中提供與物源區(qū)的年齡及構(gòu)造演化有關(guān)的信息[1,25,26,27,28,29,30,31]。磷灰石裂變徑跡退火帶溫度范圍約60~130℃,與生油窗口溫度帶基本一致,故在油氣研究中應(yīng)用廣泛。淺部地層中的磷灰石沒(méi)有受到退火的影響,其裂變徑跡的年齡及長(zhǎng)度均可代表物源特征。但也常用鋯石來(lái)判定,因其退火溫度較高(160~250℃),不易受退火的影響。若沉積后樣品未經(jīng)完全退火,則其單顆粒年齡還有可能是各物源區(qū)母巖組分的混合。針對(duì)該情況,Galbraith提出了用χ2檢驗(yàn)來(lái)判定顆粒年齡是否服從泊松分布,即是否屬于同一組分。也可用放射圖來(lái)判定裂變徑跡年齡是否由多個(gè)組分構(gòu)成。Brandon等提出了兩種確定總體混合成分的分離方法,從而避免了單個(gè)顆粒鋯石年齡精確度較低的缺點(diǎn)。并提出了裂變徑跡可能反映的三種源區(qū),建立了源區(qū)的剝蝕速率模型。Sambridge等曾成功地用混合模擬的方法來(lái)對(duì)鋯石年齡成分進(jìn)行了分離,該方法也可用于裂變徑跡組分的分離。該方法的不足之處為:(1)沉積物的熱演化史可能使徑跡部分或全部退火,從而調(diào)整了徑跡的的年齡,使其不代表物源年齡。磷灰石的徑跡退火溫度較低,一般不宜作物源區(qū)的區(qū)分。(2)不適當(dāng)?shù)目涛g和統(tǒng)計(jì)、無(wú)法統(tǒng)計(jì)蛻晶質(zhì)高鈾鋯石等也會(huì)引起偏差,應(yīng)加以注意。3地球化學(xué)和同位素物源區(qū)確定方法眾多,但就目前發(fā)展趨勢(shì)及精度而言,地球化學(xué)和同位素方法越來(lái)越受青睞,因?yàn)樗蓽?zhǔn)確確定物源年齡,進(jìn)而判斷物源區(qū)[32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]。3.1物源區(qū)的劃分依據(jù)Mclennan分析總結(jié)了地球化學(xué)和同位素方法在限制沉積物源方面的應(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(yè)巖中,又可以確定物源的年齡和地球化學(xué)歷史。根據(jù)全巖化學(xué)組分和釹同位素組成,分析了五種物源類型(表1):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(lái)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(反映超鎂鐵物源)。Taylor等用REE、Th、Sc和高場(chǎng)強(qiáng)元素來(lái)確定源巖,其中兼容元素和不兼容元素的比值可用來(lái)區(qū)分長(zhǎng)英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)組分。稀土模式可用來(lái)指示物源,LREE/HREE比值低,無(wú)Eu異常,則物源可能為基性巖石;LREE/HREE比值高,有Eu異常,則物源多為硅質(zhì)巖。另外,La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10和La/Yi-Sc/Cr等圖解可用來(lái)判斷物源區(qū)所出的構(gòu)造環(huán)境,即大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。其它微量元素的應(yīng)用方法(如Ti、Nb、Cr、Ni、Zr、Hf等)很多,此處不一一而論。同時(shí),主元素也可用來(lái)判定物源。Bhatia、Roser提出了用泥質(zhì)、砂泥質(zhì)巖石的主要元素地化特征來(lái)判別物源類型,用K2O、Na2O、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO等的判別圖來(lái)區(qū)別被動(dòng)大陸邊緣、活動(dòng)大陸邊緣和大洋島弧、大陸島弧物源區(qū)。該方法可作為微量元素法的補(bǔ)充。3.2沉積相及源區(qū)沉積特征同位素方法用巖石中同位素測(cè)年及其間的相互關(guān)系圖來(lái)判定物源類型和年齡,是一種更為精確的年代學(xué)物源判定方法[45,46,47,48,49,50,51,52,53]。常用的方法為U-Pb、Sm-Nd、Ar、K-Ar、Rb-Sr法等,它們對(duì)物源區(qū)的構(gòu)造背景、性質(zhì)及其多樣性都可以反映出來(lái)。如碎屑沉積巖的Sm-Nd同位素資料被用來(lái)推斷沉積巖物質(zhì)來(lái)源和估計(jì)陸殼從地幔中分離出來(lái)的時(shí)間。Sm、Nd在海水中滯留的時(shí)間很短以及后者在海水中的含量極低(≤3×10-6),因此,沉積巖特別是細(xì)碎屑沉積巖能夠保持其在源區(qū)巖石中的相對(duì)豐度。由于沉積碎屑來(lái)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(guò)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,模式年齡接近或稍大于沉積年齡,表明沉積巖中含有大量幔源物質(zhì);模式年齡顯著地大于沉積年齡,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(lái)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)剝蝕量。同時(shí),一些穩(wěn)定同位素在物源方面也有一定的應(yīng)用。如K-Ca同位素體系,對(duì)海洋火成巖、大陸和月球花崗巖、碳酸鹽巖、化學(xué)和碎屑沉積礦物的定年和εCa示蹤可以起重要作用。對(duì)比常用的微量元素構(gòu)成的定年和示蹤體系,如Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb,由主量元素K和Ca組成的同位素體系,有其特殊的地球化學(xué)行為,以至在巖石成因、物質(zhì)來(lái)源、板塊碰撞、殼幔作用、巖體折返等重要的化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究中,賦以新的信息和啟示。4注意問(wèn)題4.1盆地內(nèi)層序的構(gòu)造作用構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)物源位置、物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)、搬運(yùn)路徑、甚至最終的沉積位置等方面有明顯影響,值得重視。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性、間歇性控制著物源的相對(duì)位置,不同時(shí)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱、同一時(shí)期不同位置構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱、表現(xiàn)形式的差異動(dòng)會(huì)在盆地內(nèi)沉積體中表現(xiàn)出來(lái)(如粒度、成分、層序結(jié)構(gòu)、厚度等)。故在物源分析時(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。如造山帶物源區(qū)與盆地直接接觸時(shí),在對(duì)盆地邊緣沖積扇體地層層序分析中,應(yīng)注意這些扇體的生長(zhǎng)受源區(qū)的構(gòu)造作用和盆地邊緣的沉降作用共同控制。隨著物源區(qū)不斷向盆地的推進(jìn),剝蝕區(qū)也在變化,結(jié)果形成了地層的正向和逆向削頂層序,即礫石層序的多次的倒轉(zhuǎn),它是漸進(jìn)的物源區(qū)抬升作用的標(biāo)志。同時(shí),地層巖石碎屑組分的變化為物源區(qū)的構(gòu)造作用隨時(shí)間變化的靈敏標(biāo)志。因此,構(gòu)造抬升使得物源區(qū)發(fā)生變化,進(jìn)而使碎屑混合充分,其成分及年齡變化范圍加大,在分析此類問(wèn)題時(shí)應(yīng)慎重。4.2可能物源區(qū)地層特征地層沉積時(shí),正常的倒序現(xiàn)象對(duì)判斷物源非常有用。但是,當(dāng)沉積地層中倒序?qū)有虿荒芘c附近可能物源區(qū)(母巖)對(duì)比時(shí),應(yīng)注意這些可能物源區(qū)的地層可能由于構(gòu)造抬升而被剝蝕殆盡,隨后又被較新地層所覆蓋。此時(shí),雖然從地層倒序難以判定物源具體位置,但可以判定曾經(jīng)存在的母巖的性質(zhì)、成分等,結(jié)合更廣泛的區(qū)域地層展布特征,才能更好地進(jìn)行源區(qū)分析。4.3積物或源區(qū)沿走滑方向發(fā)生遷移的原因根據(jù)盆地中保留的沉積物的巖性、巖相判定母巖時(shí),有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法找見(jiàn)源巖的情況,這時(shí)應(yīng)該考慮沉積物所處的構(gòu)造背景。如在走滑平移帶或拉分盆地中,由于走滑斷層的活動(dòng),使不同時(shí)期的沉積物或源區(qū)沿走滑方向發(fā)生遷移,位移規(guī)?？梢赃_(dá)到很大,進(jìn)而沉積到與周圍可能源區(qū)巖性差別很大的地區(qū)。對(duì)此情況,若不考慮走滑作用,運(yùn)用一般的物源分析方法,很難得出正確的結(jié)論。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期走滑斷層性質(zhì)、平移方向、平移距離等構(gòu)造因素的分析和沿走滑方向所經(jīng)歷地區(qū)的巖石性質(zhì)的認(rèn)識(shí),很容易解決問(wèn)題。同樣,在發(fā)生強(qiáng)烈逆沖推覆的地區(qū),如前陸盆地,由于逆沖作用的不斷進(jìn)行,物源區(qū)不斷地向盆地方向推進(jìn),因而盆地中保留的地層在某一時(shí)期的源巖,可能已被全部剝蝕或在區(qū)域上僅有部分殘留,分析此類問(wèn)題時(shí)也應(yīng)考慮構(gòu)造變動(dòng)使物源區(qū)發(fā)生變動(dòng)這一重要因素。4.4細(xì)胞型心肌病沉積顆粒沉積物在由物源區(qū)進(jìn)入沉積位置之前都要經(jīng)歷一定距離的搬運(yùn)過(guò)程,在該過(guò)程中,剝蝕作用占重要地位。剝蝕過(guò)程會(huì)使源區(qū)易風(fēng)化物質(zhì)較多隨水流發(fā)生運(yùn)移,耐分化物質(zhì)較少遭受改變,在低部位又可能有不同源區(qū)的外來(lái)組分的加入,致使最終沉積顆粒的成分與源區(qū)存在一定的差異。