陸源沉積巖物源分析方法綜述

沉積物物源分析包括對(duì)舊侵蝕區(qū)的評(píng)估、舊地形特征的重建、舊河流系統(tǒng)的再現(xiàn)、物源區(qū)起源區(qū)域的跟蹤、氣候和沉積物盆地構(gòu)造背景的確定，這是盆地分析的重要內(nèi)容。隨著地質(zhì)科學(xué)理論的進(jìn)步和各種現(xiàn)代分析方法的完善，物源分析已成為研究沉積物科學(xué)的中心主題之一[1.6]。通過物源分析,既可了解物源區(qū)經(jīng)歷的地質(zhì)演化過程,借助單顆粒礦物同位素測(cè)年技術(shù),還可描述遺失的源區(qū)年代史。確定物源區(qū)的地理位置、母巖性質(zhì)及其組合特征、沉積物搬運(yùn)路徑與距離,開展物源分析研究,不僅是物源區(qū)大地構(gòu)造背景分析、地殼與大地構(gòu)造演化恢復(fù)、古環(huán)境與古氣候恢復(fù)的重要途徑[8~10],而且是沉積區(qū)巖相古地理重建、原型盆地恢復(fù)、沉積盆地分析、沉積礦床預(yù)測(cè)的重要依據(jù)[11~14]。物源分析還可作為連接沉積盆地與造山帶的紐帶和盆山耦合研究的切入點(diǎn);因此,開展陸源沉積巖物源分析具有重要的科學(xué)意義。1源分析的現(xiàn)狀物源分析作為沉積地質(zhì)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一,多種分析方法在應(yīng)用中得以不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。目前國(guó)內(nèi)外常用的物源分析方法主要有以下幾種:1.1物源區(qū)的識(shí)別沉積學(xué)法主要依據(jù)沉積學(xué)原理,對(duì)碎屑巖進(jìn)行物源分析,如根據(jù)碎屑巖粒度由物源向盆地方向逐漸變細(xì)、地層厚度變大、砂/地比值向盆地中心方向總體呈降低趨勢(shì);古流向測(cè)量及玫瑰花狀圖、古地貌分析、結(jié)合沉積相分析結(jié)果判斷物源。根據(jù)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)、粒度及古流向等資料,使物源區(qū)分析更可靠。但由于古流向具較大的分散度,故上述標(biāo)志均具有較大的局限性和不確定性,必須做大量的野外觀測(cè)和資料統(tǒng)計(jì),方能獲取較客觀的古水流與物源方向信息。沉積學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是直接、有效、花費(fèi)小,但不足之處在于統(tǒng)計(jì)工作量較大,且僅能判斷物源的大致方向,不能確定物源區(qū)的具體位置、母巖性質(zhì)等具體信息。1.2傳統(tǒng)巖石學(xué)研究手段在物源分析中的應(yīng)用根據(jù)盆地陸源碎屑巖來自母巖的陸源碎屑組合可以推斷物源區(qū)母巖類型。尤其是砂礫巖中的礫石成分,可反映基底和物源區(qū)母巖的成分,也反映磨蝕的程度、氣候條件以及構(gòu)造背景。因此,礫石的各種特征是判斷物源區(qū)、分析沉積環(huán)境的直接標(biāo)志。Dickinson等依據(jù)大量的砂巖碎屑成分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),建立了砂質(zhì)碎屑礦物成分與物源區(qū)之間的系統(tǒng)關(guān)系,繪制了多個(gè)經(jīng)驗(yàn)判別三角圖解(Q—F—L,Qm—F—Lt,Qp—Lv—Ls,Qm—P—K等),至今仍然被廣泛應(yīng)用物源區(qū)的構(gòu)造背景分析,但是該方法未考慮混和物源以及風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖作用等作用的影響,在應(yīng)用過程中也曾出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的情況。傳統(tǒng)的巖石學(xué)研究手段在物源分析中仍可發(fā)揮重要的作用,如偏光顯微鏡可直接鑒定沉積物中的巖屑,是物源的直接標(biāo)志之一。對(duì)巖石中主要造巖礦物發(fā)光性的研究有助于判別沉積環(huán)境和巖石的成因,碎屑顆粒的發(fā)光分析可用于物源分析,碎屑巖中常見的石英、長(zhǎng)石和巖屑多隨物源變化而具有不同的發(fā)光特征,故依據(jù)碎屑顆粒在陰極光激發(fā)下的顏色特征也可分析物源,但陰極發(fā)光對(duì)物源的判斷受到經(jīng)驗(yàn)和較多隨機(jī)因素影響。1.3時(shí)代越新,特征見表1物源分析可用砂巖的重礦物組合、ATi(磷灰石/電氣石)—Rzi(Ti02礦物/鋯石)—MTi(獨(dú)居石/鋯石)—CTj(鉻尖晶石/鋯石)等重礦物特征指數(shù)、以及鋯石—電氣石—金紅石指數(shù)(ZTR指數(shù))來指示物源。時(shí)代較老的沉積物,重礦物自保存至現(xiàn)今,會(huì)因溫度、埋深等條件的不同而使其種類增多,含量分布較分散,保留源巖的信息減小,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),重礦物組合分析法對(duì)源區(qū)的精確判別仍存在一定缺陷,對(duì)于碎屑重礦物組合在物源分析中的應(yīng)用,應(yīng)注意不穩(wěn)定重礦物的組成,因?yàn)樵谀撤N程度上,不穩(wěn)定重礦物才具有判別意義。隨著電子探針的應(yīng)用,一些學(xué)者利用單礦物(如輝石、角閃石、電氣石、鋯石、石榴石等)的地球化學(xué)分異特征來判別物質(zhì)來源,如利用石榴石電子探針分析結(jié)果來研究物源有其獨(dú)到的優(yōu)越性,可使水動(dòng)力或成巖作用的影響降低到最小。1.4利用地球化學(xué)特征進(jìn)行物源示蹤元素地球化學(xué)已成為地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)研究的有效手段,元素地球化學(xué)法已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛運(yùn)用,包括常量元素、特征元素及其比值法、微量元素(含稀土元素)法[34~37]。一些元素在母巖風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積及成巖過程中不易遷移,幾乎被等量地轉(zhuǎn)移到碎屑沉積物中,故可被作為沉積物物源的示蹤物,如Th、Sc、Al、Co、Zr、Hf、Ti、Ga、Nb及稀土元素(REE)等,尤其是其中的REE因其具有特殊的地球化學(xué)性質(zhì)而在物源示蹤中運(yùn)用很廣。保存在沉積物(巖)中的環(huán)境和物源信息,可用多種元素地球化學(xué)方法釋讀,如通過研究元素的組成、組合、相對(duì)含量、分布規(guī)律、比值關(guān)系、多元圖解、配分模式,以及元素與同位素的關(guān)系等,進(jìn)行物源示蹤。作為古環(huán)境分析的替代性指標(biāo),研究元素在表生環(huán)境下的地球化學(xué)行為,可在示蹤古氣候、沉積物來源、沉積環(huán)境和古海洋學(xué)事件等領(lǐng)域發(fā)揮有效的指示作用。在某種程度上,沉積物成分特征和地球化學(xué)特征是物源和沉積盆地大地構(gòu)造背景的函數(shù),通過對(duì)砂巖的研究,提出一系列常量、微量元素地球化學(xué)端元判別圖及稀土元素地球化學(xué)模式判別圖,用來鑒別不同源區(qū)的構(gòu)造背景,這些方法已被我國(guó)學(xué)者廣泛運(yùn)用于大地構(gòu)造背景的判別。近年來,一些學(xué)者還利用電子探針、激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA—ICP—MS)、激光感生火化電感耦合等離子體質(zhì)譜(LINA—ICP—MS)、電子順磁共振(EPR)等成分分析儀器,測(cè)得重礦物中的常量元素、石英顆粒微量元素,根據(jù)礦物元素的組成、相對(duì)含量、元素的組合,建立多元圖解和配分模式,用于物源分析和大地構(gòu)造背景判別及沉積環(huán)境分析[42~44]。大多數(shù)特征元素均受成巖作用的影響,導(dǎo)致物源判別結(jié)果出現(xiàn)多解性,而選擇化學(xué)性質(zhì)相近、相關(guān)性強(qiáng)、在沉積成巖過程中富集程度相似的特征元素比值作為物源示蹤指標(biāo),能夠有效地避免成巖作用的影響。在不發(fā)生重結(jié)晶的情況下,石英在搬運(yùn)、沉積和成壤過程中,它的氧同位素比值(δ18O)不發(fā)生改變,能夠保存源巖形成環(huán)境等信息,因此沉積物中石英的δ18O值可以用來探討石英的形成環(huán)境、追蹤物源區(qū)和母巖的特征。元素地球化學(xué)分析物源兼具有效、經(jīng)濟(jì)、定量等優(yōu)點(diǎn),既適用于富含基質(zhì)的砂巖和頁(yè)巖,又可確定物源的年齡和地球化學(xué)演化歷史;并可有效的避免水動(dòng)力因素的影響。元素地球化學(xué)分析建立在沉積物對(duì)母巖的主元素組合的繼承性基礎(chǔ)上。但應(yīng)該注意到主元素的活動(dòng)性和可遷移性,原則上只是在短距離搬運(yùn)和化學(xué)風(fēng)化很弱的條件下才具有較好的可比性?；瘜W(xué)變異指數(shù)(CIA)提供了一種定量硅酸鹽礦物風(fēng)化度的方法[48~51]。同時(shí)在進(jìn)行元素組合分析時(shí),還要考慮到搬運(yùn)過程中的稀釋作用,即應(yīng)注意相對(duì)含量而非絕對(duì)含量。1.5物源區(qū)的劃分單顆粒碎屑礦物的同位素測(cè)年在物源分析中的應(yīng)用方面,目前應(yīng)用的方法主要有:碎屑顆粒的(磷灰石、鋯石)裂變徑跡測(cè)年法、含鈾微相(鋯石、獨(dú)居石和榍石)U—Pb測(cè)年法[53~55]、(碎屑云母和角閃石)40Ar/39Ar測(cè)年法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、Sr—Nd法、87Sr/86Sr法、207Pb/206Pb法等。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。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Nd和Sr同位素比值進(jìn)行物源判別(幔源或殼源),更重要的是通過沉積物年齡的測(cè)定來判別物源。1.6井社會(huì)學(xué)法地球物理學(xué)在物源分析中的應(yīng)用主要有測(cè)井地質(zhì)學(xué)法和地震地層學(xué)法。測(cè)井地質(zhì)學(xué)法主要利用自然伽馬曲線分形維數(shù)、地層傾角測(cè)井來判斷物源方向;利用地震地層學(xué)確定物源和古水流方向也有成功的案例,如利用地震反射特征勾繪進(jìn)積方向,詳細(xì)刻畫了北塘凹陷古近系沙三段古物源體系。1.7確定物源和古氣候泥巖的滲透率一般低于砂巖,在成巖過程中不易受到外來流體和物質(zhì)的影響,故其在確定物源方面可能比砂巖有用。另外,碎屑粘土是泥巖中的獨(dú)特組分,在確定物源和古氣候方面有很大的應(yīng)用潛力,尤其是在淺層沉積物的物源示蹤及第四紀(jì)以來的氣候變化研究方面應(yīng)用廣泛;還可利用Al/Ca或高嶺石/蒙脫石比值來判斷物源方向和預(yù)測(cè)儲(chǔ)層。1.8生物標(biāo)志物特征借助于沉積物中微體化石的分析,以及泥質(zhì)區(qū)正構(gòu)烷烴、姥鮫烷、植烷、藿烷和甾烷等生物標(biāo)志物的特征來判斷有無陸源高等植物的輸入,通過不同來源和成熟度的生物標(biāo)志物,來判斷沉積有機(jī)質(zhì)與碎屑沉積物的來源。2新技術(shù)與新方法的分析2.1磁性測(cè)量分析磁性礦物學(xué)在物質(zhì)來源鑒別方面發(fā)揮著重要作用,通過對(duì)環(huán)境物質(zhì)進(jìn)行磁性測(cè)量,分析磁性礦物的類型、組合、含量、粒度和晶疇等特征,可有效揭示物源信息。與傳統(tǒng)的研究方法相比,磁學(xué)手段具有樣品用量少、靈敏度高、簡(jiǎn)單快速、非破壞性、信息量大等優(yōu)點(diǎn),而得以發(fā)展和應(yīng)用。2.2顆粒表面形態(tài)的確定近年來,重礦物顆粒表面結(jié)構(gòu)分析對(duì)物源的指示意義也逐漸被重視。重礦物顆?？梢耘c石英一樣進(jìn)行礦物顆粒表面結(jié)構(gòu)分析,借助掃描電鏡可以揭示顆粒表面不同的結(jié)構(gòu)組合,研究重礦物顆粒表面的形態(tài)可以確定物源及其運(yùn)移過程。因此不但可以通過礦物微區(qū)探針、化學(xué)組成和示蹤元素來分析物源,而且可以由礦物表面形態(tài)判定沉積物在源區(qū)至沉積區(qū)搬運(yùn)過程中的不同階段并闡明影響礦物顆粒的不同過程。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。3資產(chǎn)分析的發(fā)展趨勢(shì)隨著先進(jìn)分析手段的使用,沉積物所攜帶的物源信息被大量挖掘,物源區(qū)資料的應(yīng)用前景變得更為廣闊,未來的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢(shì):3.1現(xiàn)代測(cè)試方法早期的物源分析主要依靠沉積學(xué)、地層學(xué)、巖石學(xué)、重礦物等方法;雖然傳統(tǒng)的方法依然有效,但現(xiàn)在更多的依賴于掃描電鏡、陰極發(fā)光、X衍射、電子探針、能譜分析、電子探針及激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA—ICP—MS)、激光感生火化電感耦合等離子體質(zhì)譜(LINA—ICP—MS)、電子自旋共振(ESR)測(cè)年、電子順磁共振(EPR)等現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的綜合運(yùn)用[75~80]。3.2巖石學(xué)和古水流學(xué)組合物源分析正從早期單一方法到多方法的綜合運(yùn)用、從單一學(xué)科走向多學(xué)科聯(lián)合交叉轉(zhuǎn)變,如巖石特征—重礦物—全巖主量元素—微量元素—稀土元素組合,巖石學(xué)數(shù)據(jù)—古水流數(shù)據(jù)—巖石化學(xué)組合、重礦物—元素地球化學(xué)—同位素年代地質(zhì)學(xué)組合[83~86]、同位素地球化學(xué)—粘土礦物學(xué)的組合、重礦物—石榴石地球化學(xué)—古流向的綜合運(yùn)用等。在地質(zhì)工作者不懈的努力和探索中,隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的不斷提高,物源分析方法將會(huì)更加完善和豐富.由定性分析走向定量分析,由單一方法走向多學(xué)科多方法的綜合運(yùn)用,這將是物源體系分析的未來發(fā)展方向。3.3從定性到定量的物源研究定量物源分析(QPA:quantitativeprovenanceanalysis)是定量地評(píng)價(jià)從可識(shí)別的物源區(qū)到盆地充填過程中的碎屑物質(zhì)類型、數(shù)量及供給速率。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,從定性到定量是物源分析的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)、數(shù)學(xué)定量模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高為定量物源分析提供了發(fā)展機(jī)遇[92~93]。沉積物(特別是單顆粒礦物)所攜帶的物源信息的大量挖掘變得可行,物源區(qū)資料的應(yīng)用前景也更為廣泛。在定量研究方面,已發(fā)展出兩個(gè)分支:一是模式識(shí)別,如判別分析、模糊聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別;另一分支則基于“質(zhì)量守衡”原理,通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)物源的定量識(shí)別,提出了物源定量識(shí)別的非線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型,并利用模型計(jì)算了東海陸架北部表層沉積物細(xì)粒級(jí)部分之長(zhǎng)江、黃河物源的貢獻(xiàn)量。3.4磁學(xué)及物源分析的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的不斷探索和實(shí)踐中,有關(guān)物源分析的新技術(shù)新方法層出不窮。如最新的研究結(jié)果顯示,Hf同位素與斑脫土化學(xué)特征被作為物源變化的標(biāo)志首次應(yīng)用于物源分析;磁性礦物包裹體及磁學(xué)手段被不斷發(fā)展和應(yīng)用;近年來,石英顆粒及重礦物的顯微晶面形貌特征對(duì)物源的指示意義也被成功應(yīng)用。4存在問題及分析方向構(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,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)期沉積物與源巖發(fā)生長(zhǎng)距離側(cè)向位移,造成沉積體系的不連續(xù)及其與源區(qū)的分離;逆沖推覆作用可使源巖消失殆盡或僅留殘片,都會(huì)增加物源分析的難度,故物源分析必須結(jié)合其構(gòu)造背景、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。雖然物源分析在上述各個(gè)方面取得了重要的進(jìn)展,但目前仍然存在一些問題尚待解決,如:哪種沉積物或元素對(duì)環(huán)境的變化最為靈敏?如何確定再旋回石英顆粒的物源?搬運(yùn)路徑中的沉積體系構(gòu)型較少涉及;機(jī)械沉積分異作用和化學(xué)沉積分異作用對(duì)母巖和沉積巖(物)造成的成分差異未被評(píng)估;在每個(gè)沉積階段,母巖在被風(fēng)化侵蝕過程中,礦物種類、組分的改變或溶解對(duì)物源分析所造成的影響需要評(píng)估;這些因素對(duì)物源分析結(jié)果均會(huì)產(chǎn)生一定影響,如何量化這些因素,目前的研究基礎(chǔ)較薄弱。物源區(qū)分析往往是基于碎屑組分、化學(xué)成分或年齡等與可能物源區(qū)的對(duì)比,往往僅具有統(tǒng)計(jì)意義。因此,深入了解區(qū)域地質(zhì)背景,把握物源區(qū)與沉積區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)和演化歷程,大量收集可能的物源區(qū)的地質(zhì)信息,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合一定數(shù)量的樣品測(cè)試,進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,才能得出理想的物源分