陸源碎屑巖物源分析手段及研究進展

高 健，林良彪，郝 強，余 瑜

（成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059）

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陸源碎屑巖物源分析手段及研究進展

高 健，林良彪，郝 強，余 瑜

（成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059）

摘要：物源分析作為沉積盆地分析的重要內容，在研究盆山耦合、構造演化等環節中發揮著不可替代的作用。本文結合諸多學者的研究成果簡要介紹了陸源碎屑巖物源分析的一些技術手段及研究進展情況，并就其未來發展提出了一些看法。

關鍵詞：陸源碎屑巖；物源分析手段；研究進展

圖1　安徽東南部二疊系龍潭組砂巖碎屑組分與物源類型三角圖（杜葉龍等[16]，2010）

1　傳統物源分析方法

傳統物源分析方法主要以沉積學、巖石礦物學以及統計理論作為理論基礎，利用巖石類型、成分和分布情況以及碎屑類型及其組合來推斷物源區。方法簡單快捷，成本低。作為傳統方法，在推斷大的源區方面比較有效；當物源為混合物源時，對碎屑來源往往指示不清[6]。

1.1沉積學方法

沉積學法是最基本、最廣泛的應用于沉積盆地分析的方法，其主要依據沉積學原理結合鉆井、地震等資料，對碎屑巖進行物源分析。而古水流分析又是沉積學方法中最重要的一種，根據存在于沉積巖中的能夠推斷水流方向的特性進行，利用交錯層理（斜層理、逆轉變形層理、爬升沙紋層理等）、層面構造（波痕、槽模等）、礫石的定向排列、生物化石的定向排列等標志來推斷古水流方向，然后結合古地貌分析、沉積相分析結果，進而判斷物源的相對位置[7]。但古水流分散性較大并且判定標志的識別具有不確定性和局限性，因此必須做大量的野外觀察和室內資料統計工作才能獲得比較客觀的信息。此外，依據碎屑巖粒度、成熟度在由物源向盆地搬運過程中的變化特征、地層沉積厚度變化特征以及構造特征等都能為物源的定位提供有利的依據[8]。

1.2巖石礦物學方法

1.2.1碎屑組分分析

1）礫巖：通過系統統計礫石中不同成分的含量、粒徑及占比等資料，可以解讀出基底、母巖巖性、搬運距離等信息，進而判定物源位置。此外，粒序層、礫石的分選、磨圓等都是推測物源位置的有力證據。S.Zapata等[9]（2014）在研究Bonaire島始新世Soebi Blanco地層物源時，應用帶狀計數法統計了所采礫巖樣品的成分、含量數據，并結合獲得的砂巖統計數據綜合分析后認為Soebi Blanco地層至少存在三個較近的主要物源區，特別是對第三個物源區的信息的解讀使該區物源研究有了新的進展。

2）砂巖：砂巖是陸源碎屑巖的主要類型，碎屑物質是其最主要也是最重要的組成部分。而沉積盆地內存在的碎屑物質主要來自于母巖機械風化，因此砂巖的碎屑組分特征與結構與物源區緊密相關，能直接反映物源區和沉積盆地的構造環境[1,10]。也正是因為如此，通過砂巖成分分析來確定物源、還原盆地演化歷史已成為一種常用手段。碎屑砂巖物源分析可分為單碎屑分析和多碎屑分析，前者針對的是石英、長石和巖屑顆粒，利用石英中的包裹體、石英消光類型以及長石類型等來判斷母巖及物源信息；而后者應用Dickinson的砂巖三角圖解進行物源分析，將樣品中石英、長石、巖屑含量的統計結果在QFL圖解上投點來初步確定物源類型，并結合Qm-F-Lt、Qp-Lv-Ls、Qm-P-K、Qt-F-L等圖解（圖1）進一步精確標定物源類型。圖解法分析相對簡單，應用較廣泛，但也存在一定誤差，究其原因主要是受到混合物源、次生作用以及統計方法的影響，因此實際應用時應綜合考慮，盡量將誤差降低到最小范圍[12]。

1.2.2重礦物分析

重礦物是指碎屑巖中密度大于2.86g/cm3的陸源碎屑物，其化學性質穩定，耐磨蝕，風化作用、搬運作用及成巖作用對其影響較小，且在遠離母巖區的沉積巖中含量相對較高，能較多的保留母巖的特征，因此在物源分析中占有重要地位，應用非常廣泛[13～14]。砂巖中重礦物主要有角閃石、輝石、石榴石、尖晶石、綠簾石、磷灰石、獨居石、鋯石等。

重礦物物源分析分為單礦物分析法和礦物組合分析法。單礦物分析法利用的是輝石、角閃石、鋯石等的地球化學分異特征來判斷物源方向，這一方法是伴隨著電子探針分析技術的發展而出現并被逐步應用的。利用電子探針技術分析礦物的化學組分、含量、光學性質等，針對每個重礦物的特性和特定元素含量，用其典型的化學組分判定圖或指數（ATi、RZi、MZi、CZi）來判定其物源[15]。重礦物組合分析法應用的基礎是重礦物之間嚴格的共生關系，在同一沉積盆地中，同時期的沉積物其碎屑組分一致，而不同時期的沉積物所含的碎屑物質不同，據此，利用不同時期水平方向上重礦物種類和含量變化圖，可推測物質來源的方向[16]。此法尤其適用于礦物種類和地質情況較復雜地區，至于具體組合形式及分析方法需因地制宜。余燁等[17]（2014）利用多元統計分析法（Q型聚類分析、因子分析）仔細研究了惠州凹陷M層物源體系，取得了較好的效果。

圖2　三種類型的石英陰極發光圖譜（李漢瑜[27]，1983）

此外，表征碎屑巖成分成熟度的ZTR指數在限定母巖類型、指示物源位置時具有廣泛的應用，中外學者在研究不同地區的物源時都很好的利用了這一指數來解讀相關信息。付玲等[18]（2013）在研究柴達木盆地古近系路樂河組物源時發現全盆地ZTR指數由盆地邊緣向內部遞增，并結合盆地東北部和西部地區的兩條典型連井剖面圖對比分析后認為柴達木盆地路樂河組物源來自于盆地邊緣的多個方向。Hilmar von Eynatten等[19]（1999）將ZTR指數與其他重礦物指數綜合應用來分析東阿爾卑斯山白堊紀同造山期砂巖物源，發現Lech地層的沉積巖并非來自西北部源區，該層沉積巖中的大量鉻尖晶石可能源自Meliata/Vardar縫合帶。

雖然重礦物分析在物源分析中應用廣泛，但仍然存在一定缺陷。重礦物及其組合在盆山演化過程中會受到母巖性質、沉積時代、水動力等各種可察和不可察因素的影響，因此除研究時需注意這些問題外，將其與其他分析方法結合使用才能得出比較合理的結論。

1.2.3陰極發光

從陰極射線管發出具有較高能量的加速電子束激發物體表面，電能轉化為光輻射而產生的發光現象，稱為陰極發光（Cathodoluminescence）[20]。陰極發光技術在地學中的應用較早，特別在沉積巖中應用較多。對巖石中主要造巖礦物發光性的研究有助于判別沉積環境和巖石成因，碎屑顆粒的發光分析可用于物源分析，碎屑巖中常見的石英、長石等礦物多隨物源變化而具有不同的發光特征（圖2、表1、表2），據此可分析物源，但也受經驗和較多隨機因素的影響[7]。

表1　石英陰極發光顏色與源巖類型及溫度之間的關系（據Zinkernagel[22],1978）

張本琪等[23]（2003）研究了渤南油田義3-7-7井巖心薄片的陰極發光特征，并與其母巖性質對比后判斷物源源自該井東南方向的孤島突起。郝強等[24]（2014）對川西坳陷須家河組二段若干口井的石英進行了陰極發光特征分析后認為中部和北部地區可能為同一個主物源控制，而南部兩井的發光性差異較大，可能是其物源來源的復雜性所導致的結果。陳蓉等[10]（2009）在分析鄂爾多斯盆地中西部延長組碎屑巖薄片的石英陰極發光特征后發現，在研究區不同位置的受控物源不同。

表2　長石的陰極發光特征及影響因素（張本琪等[23]，2003）

2　測試分析方法

2.1元素地球化學法

2.1.1常量元素分析

常量元素，亦稱主量元素，是指巖石中含量＞1%的元素。陸源碎屑巖常量元素的地球化學特征與母巖性質及相關構造背景聯系緊密，因而對其進行常量元素分析并結合元素圖解法可以比較好的推斷物源類型及構造環境信息[5]。目前比較常用的方法是利用K2O、Na2O、SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO等的判別圖來區分被動大陸邊緣（PM）、活動大陸邊緣（AM）、大洋島?。–IA）和大陸島弧物源區（OIA）[25～26]（圖3）。Toulkeridis等[25]（1999）在研究南非太古代Barberton綠巖帶Fig tree組雜砂巖時，曾利用常量元素圖解法（圖4、圖5）分析了雜砂巖的物源信息和構造背景情況。結果表明Fig tree組大部分雜砂巖樣品所指示的物源為大洋島弧，相比之下，只有4個樣品因為較低的CaO含量而指示其物源為被動大陸邊緣。

圖3　砂巖構造背景化學成分判別函數值關系圖解（Bhatia[45]，1983）

2.1.2微量元素—REE分析

一定的巖石組合對應著一定類型的微量元素分配類型，這是利用微量元素分析物源的基礎?，F今主要利用難溶微量元素結合REE來分析物源信息。陸源碎屑巖中的稀土元素（REE）以及Th、Sc、Cr、Co等元素難溶、相對穩定，且這些元素緊隨陸源碎屑沉積物搬運并不發生分異，因而能反映源區的地球化學性質[27]。稀土元素分配模式可以用來指示物源，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，則物源多為硅質巖。La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10和La/Y-Sc/Cr等圖解（圖6）可用來判斷物源區所出的構造環境，即大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣環境[1]。

圖4　Al2O3-(CaO + Na2O + K2O)-(FeO(T)+MgO) 三元圖解（Toulkeridis等[44]，1999）

圖5　CaO–Na2O–K2O三元圖解（Toulkeridis等[44]，1999）

圖6　碎屑巖微量元素構造環境判別圖解（毛光周等[47]，2011）

王若谷等[28]（2013）利用多種手段對鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段的物源進行了比較系統的研究，通過分析其微量元素及REE特征后認為長7段母巖以大陸上地殼的長英質巖石為主，并混有一定數量的含長石較高的中—基性巖漿巖。W.Do¨rr等[29]（1999）為研究Rhenohercynian復理石的物源，選取Lizard半島泥盆系Menaver礫巖中的花崗巖礫石開展相關研究。在分析了其REE及微量元素特征（圖7）并結合巖石學和U-Pb年齡分析結果，W.Do¨rr認為Armorican地塊北部的Normannian隆起是礫石的初始源區。

2.2地質年代學方法

年代學方法主要是用同位素測年技術來獲得樣品不同位置的年齡數據等信息，并根據測試數據繪制等時線圖等圖解來判定物源類型和年齡。目前應用比較多的方法是U-Pb、Sm-Nd、Ar-Ar、K-Ar、Rb-Sr法、裂變徑跡法等，這些方法對物源區的構造背景等信息有比較敏感的反映。不同的方法具有不同的特點和適用條件，根據研究區的具體情況可以選擇其中的一項或多項，以期達到最好的效果。下文主要介紹U-Pb定年、裂變徑跡兩種方法。

2.2.1 U-Pb定年

U-Pb定年法的主要研究對象是鋯石（圖8）。由于鋯石富U和Th，而貧普通Pb，且鋯石U-Pb體系封閉溫度高，能夠比較可靠的記錄源區信息，因此利用鋯石年齡分布來確定源區位置、沉積時代等研究得到快速發展[31]。目前比較常用方法有ID-TIMS法、SIMS法、SHRIMP法及LA-ICP-MS法。一般來說，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[2]。

李云等[32]（2014）曾利用U-Pb定年結合單顆鋯石粒徑分析示蹤中國黃土高原黃土及紅粘土的物源，研究結果表明黃土高原碎屑鋯石主要源自黃土高原北部戈壁沙漠和附近的沙漠，而紅粘土的鋯石物源因為受近緣基巖影響而存在不確定性。張建光等[33]（2012）在研究湖盆中心地帶湖底扇砂體物源時分析了碎屑鋯石的U-Pb年齡數據，并結合區域地質背景，認為程店湖底扇砂體與北部侯莊砂體為同物源沉積組合，主體物源巖系為伏牛山燕山期花崗巖。

圖7　Menaver礫巖中花崗巖碎屑稀土元素球粒隕石標準化曲線（W.Do¨rr等[54]，1999）

圖8　關刀山巖體鋯石U-Pb一致圖解（李獻華等[52]，2002）

2.2.2裂變徑跡法

此方法主要是利用鋯石、磷灰石中所含的鈾元素在自發裂變時會使礦物主晶格產生輻射損傷，形成線性損傷區域的特性，經過相關化學處理后形成徑跡，通過統計裂變徑跡的密度和長度分布數據并加以解讀，從而獲得物源區的年齡、構造演化等相關信息[1,34]。A.Cater[34]（1999）曾經撰文對裂變徑跡方法進行過詳細介紹，文中提到了前人研究并發布的磷灰石的退火模型和鋯石的退火模型。此模型認為磷灰石和鋯石的徑跡縮短分別出現在～60℃～110℃和～200℃～320℃,即所謂部分退火帶（PAZ）。處于邊界等溫線以下（磷灰石：＜60℃；鋯石：＜200℃）的徑跡是穩定有效的（長度減少最?。?；等溫線之上的徑跡已完全退火，發生年齡重置，此時得到的年齡數據當然不能準確反映物源區的信息。此外，針對單顆粒礦物年齡測試中出現的一個樣品中多個年齡組分存在的情況，可以利用χ2檢驗來判斷顆粒年齡是否服從泊松分布。 若樣品年齡P(χ2) ＞5%,則表明獲得數據是有效的。也可利用放射圖來判定裂變徑跡（圖9）。

圖9　樣品年齡組分放射圖和樣品徑跡長度分布直方圖（A.Cater[55]，1999）

3　新技術與新方法

3.1Nd同位素分析

Nd同位素作為一種十分理想的地球化學示蹤劑，在探討巖石成因、殼幔演化及物質來源等方面有著廣泛的應用[35～38]。目前，利用海洋Nd同位素組成的演化來示蹤古洋流循環是地質學研究的前沿領域，并取得了諸多重要成果[39～40]。當然，利用陸源碎屑巖特別是細粒碎屑巖的Nd同位素資料來研究盆山演化及物源信息也是沉積盆地分析的重要手段之一，并隨實驗技術的發展而變得日益突出。當前，主要利用熱表面電離質譜（TMS）和等離子體質譜（MC-ICP-MS）來測定樣品的Nd同位素組成。何學賢等[41]（2007）就利用MC-ICP-MS測定Nd同位素組成做了詳細介紹，此外，楊岳衡等[42]（2008）利用LA-MC-ICP-MS測定了磷灰石、榍石、獨居石和鈣鈦礦等天然礦物的Nd同位素組成，得到了很理想的測定結果（圖10）。利用Nd同位素來研究物源時，就必須得用到εNd(t)、tDM等特征參數，它們可以靈敏的反演不同物源區的時間演變情況，但必須注意的是Nd同位素組成所反映的年齡信息是物源的平均年齡，具體介紹及注意事項可參見吳福元等（1998）、K.M.Barovich等[43]（2000）、Steffanie Kraft等[44]（2013）的研究。

圖10　磷灰石、榍石Sm-Nd同位素測試結果（楊岳衡等[58]，2008）

3.2U-Th/He定年

(U-Th)/He定年方法與裂變徑跡法一樣是一種主要針對鋯石、磷灰石顆粒的低溫年代學方法，雖然其出現的年代較早，但受理論以及實驗技術手段的限制，直到近些年才得到比較快的發展，并逐步應用于物源分析研究。此方法的基本原理是礦物顆粒中U、Th(及其他錒系元素)發生放射性衰變產生He，通過測量礦物樣品中放射性子體同位素4He、母體同位素238U、235U和232Th的含量,就可以獲得(U-Th)/He的年齡[45]。 (U-Th)/He定年體系最大的的優點是對低溫條件的敏感性，它能夠提供地殼淺部剝露的冷卻年齡，再結合裂變徑跡、U/Pb法等其他定年手段就能比較準確的反映物源熱演化歷史及位置信息[46]。該方法測年范圍較廣，對樣品的年齡無特殊要求，但由于體系封閉溫度很低，因此也容易受到冷卻速率及再加熱作用等外界因素的影響[47]。

至于具體原理、測試方法、數據統計方式等信息，鄭德文等（2000）、吳塹虹等[48]（2002）（圖11）、常遠等[49](2010)、蔣毅等（2012）都曾撰文做過詳細介紹。此外，S.Zapata 等[9]（2014）也曾應用此方法并借助ICP-MS研究了Soebi Blanco地層礫巖中鋯石的年齡信息，再結合鋯石U-Pb年齡分析等手段，對此套地層的物源信息有了比較好的認識。

圖11　美國加州內達華地區(U-Th)/He年齡分布(A)與樣品分布剖面圖(B)（吳塹虹等[78]，2002）

3.3礦物磁性特征分析

此分析方法的基礎是礦物磁性，任何物質都具有一定的磁性，特別是含鐵化合物（磁鐵礦、赤鐵礦等）[50]。陸源碎屑巖中碎屑物質主要源自母巖，分析測試碎屑巖中各種碎屑物質的磁性特征參數，統計整理后將其與可能的物源區巖石的磁性參數進行逐一對比，從中找出可能的物源區信息。羅藝等[51]（2011）研究了嘉陵江三大水系邊灘沉積物樣品的磁性特征，并結合粒度分析結果后認為嘉陵江水系泥沙主要來自于四川盆地中生代紫色砂頁巖。Mark W.Hounslow[52]（2004）利用硅酸鹽碎屑中的磁性礦物包裹體對沉積物物源進行了研究。樣品取自海相上侏羅統Piper層及非海相三疊系Otter Bank砂巖層和Foula砂巖層，利用聚類分析和多維尺度分析來處理獲得的數據。將研究結果與利用重礦物分析法得到的結論對比之后發現，礦物磁性特征分析法對物源指向較敏感，兩種方法得到的結果基本一致。但W.Hounslow同時也指出當沉積物碎屑大于150μ m時，此方法的敏感度最高。磁學方法具有靈敏度高、樣品用量少、非破壞性等特點，但受儀器技術水平及理論水平的限制，此方法仍有待完善。

3.4重礦物顆粒表面結構分析

礦物顆粒表面結構分析主要是借助SEM（掃描電鏡）來觀察顆粒表面的各種微觀結構，通過分析這些結構來研究礦物搬運、沉積的信息，進而推斷其物源。前人對石英顆粒表面結構的研究相對較多也取得了較多的認識和成果，而對重礦物表面結構的研究則相對較少，開始時間也相對較晚。J.P.Moral Cardona 等[53]（2005）選取西班牙西南地區作為研究區，采集其各個結構單元的巖石樣品，利用超高分辨熱場發射掃描電鏡結合實體顯微鏡和偏光顯微鏡對樣品中重礦物及石英顆粒的表面結構進行了系統研究。所研究的重礦物主要為紅柱石、綠簾石、十字石、石榴石、電氣石、金紅石和鋯石，研究結果表明石英顆粒上所見的表面結構與這幾種重礦物表面所呈現的基本一致，并且不同的結構之間并不是相互孤立的，而是存在一定的聯系。兩者微觀結構所反映出物源信息也大體相同，這也表明利用重礦物表面結構解析物源信息是可行的。

Andrew C.Morton等[54]（1999）在研究控制砂巖重礦物組合組成的進程時對重礦物表面結構也曾做過分析，并研究了重礦物表面結構隨埋藏深度的變化及可能的物源指向問題，并且指出傳統的重礦物分析方法結合礦物表面結構分析等一系列手段是研究沉積物源的有力工具。

對重礦物表面結構的研究是對物源和沉積演化研究的細化和補充。它不僅可以驗證通過其他方法指示的物源區，而且還可以區分物源演化歷史中的不同時期，闡釋影響重礦物顆粒從母巖剝落到最終沉積的一系列進程[53]。

4　結語

隨著時代發展和科技的巨大飛躍，陸源碎屑巖物源分析方法也正在呈現日新月異的變化。物源分析不再是單一手段的運用而是多種手段的有機組合；不再是定性、半定量的分析而是向精確、高效、定量分析發展；并逐步由傳統方法向現代方法轉變且呈現多學科交叉的趨勢。在繼承傳統的基礎上不斷開拓創新是所有地質工作者的責任和義務。筆者堅信，在廣大地質工作者的共同努力下必將有更多新的理論和技術手段涌現。

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Advances in Research for Provenance Analysis of Terrigenous Clastic Rock

GAO Jian LIN Liang-biao HAO Qiang YU Yu
(Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

Abstract:Provenance analysis is of importance to basin research.This paper deals with some advances in research for provenance analysis of terrigenous clastic rock and looks forward to its future development.

Key words:terrigenous clastic rock; provenance analysis; advance

作者簡介：高?。?989-）男，安徽桐城人，碩士研究生，研究方向：層序地層與巖相古地理物源分析作為盆地與造山帶研究的重要環節，也是研究盆山相互作用的切入點，在確定沉積物物源位置、性質及沉積物搬運路徑，甚至整個盆地的沉積作用和構造演化方面具有重要意義([1～2])。陸源碎屑巖物源分析是物源分析中比較傳統和有效的一種類型，在古地理再造、原盆地恢復、古氣候重塑等方面起著重要作用([3～5])?，F今形勢下，隨科技水平的不斷提高，一些新方法、新手段相繼出現，將物源分析水平提升到一個新的高度，但傳統方法仍然具有強大的生命力，因此將兩者結合，利用新技術改進經典分析手段是物源分析的趨勢。本文歸納了相關傳統物源分析方法，并簡要介紹了幾種新的物源分析手段。

收稿日期：2015-04-09

DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2016.01.003

中圖分類號：P588.21+2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0995（2016）001-0014-08