物源分析方法及进展

物源分析研究方法物源分析在确定沉积物物源位置和性质及沉积物搬运路径,甚至整个盆地的沉积作用和构造演化等方面意义重要。近年来已发展成为多方法、多技术的一门综合研究领域。电子探针、质谱分析、阴极发光等先进技术在物源分析中应用日益广泛;同时,各种沉积、构造、地震、测井等地质方法与化学、物理、数学等学科的应用及相互结合,使物源判定更具说服力。它在原盆地恢复、古地理再造、限定造山带的侧向位移量,确定地壳的特征,验证断块或造山带演化模型,绘制沉积体系图,进行井下地层对比以及在评价储层的品质等方面,都可起到重要作用。物源分析已经成为连接沉积盆地与造山带的纽带,为学者提供了一个研究盆山相互作用的有效切入点。其研究内容不仅包括物源区的方位、侵蚀区与母岩区的位置、母岩的性质及组合特征,还包括沉积物的搬运距离、搬运路径;而且,根据物源分析资料还可以进一步了解物源区的气候条件和大地构造背景,进行沉积体系分析,重建古地理面貌。因此进行物源研究既是沉积地质学、构造地质学、岩石学的重要研究内容,也是古海洋学、石油地质学的重要课题。随着现代分析手段的提高,物源分析方法日趋增多,并不断的相互补充和完善。目前应用较多的为:重矿物法、碎屑岩类分析法、沉积法、裂变径迹法、地球化学法和同位素法等。主要研究岩石、矿物成分及其组合特征、地层的发育状况(包括接触关系和沉积界面等)、岩相的侧向变化和纵向迭置、地球化学特征及其组合变化等,其依据在于不同的物源在沉积物的搬运和沉积过程中就会有不同的岩性、岩相和地球化学特征响应。一、重矿物分析法由于电子探针技术的应用及其分析水平、精度的不断提高,重矿物分析法应用广泛。重矿物因其耐磨蚀、稳定性强,能够较多的保留其母岩的特征,其在物源分析中占有重要地位。它包括单矿物分析法和重矿物组合分析法。1、单矿物分析法用于重矿物分析的单矿物颗粒主要有:辉石、角闪石、绿帘石、十字石、石榴石、尖晶石、硬绿泥石、电气石、锆石、磷灰石、金红石、钛铁矿、橄榄石等。用电子探针可分析上述矿物的含量、化学组分及其类型、光学性质等,针对每个重矿物的特性及其特定元素含量,用其典型的化学组分判定图或指数来判定其物源。如Morton用辉石矿物对南Uplands地区奥陶系Portpa2trik组进行物源判断,依据Letterier提出的Ca2Ti2Cr2Na2Al组分图解,用Ti2(Ca+Na)来判定其物源是拉斑玄武岩或碱性玄武岩,用(Ti+Cr)2a图解区分辉石源区为造山带还是非造山带环境,指出该区辉石源自钙碱性火山岩。另外,单颗粒重矿物含量比值亦具有一定的源区意义。独居石/锆石比值(MZi)可显示深埋砂岩物源区的情况;石榴石/锆石比值(GZi)用来判断层序中石榴石是否稳定;磷灰石/电气石比值(ATi)指示层序是否受到酸性地下水循环的影响。单颗粒重矿物含量的平面变化可用来判定物源方向,如磁铁矿等。2、重矿物组合法矿物之间具有严格的共生关系,所以重矿物组合是物源变化的极为敏感的指示剂。在同一沉积盆地中,同时期的沉积物的碎屑组分一致,而不同时期的沉积物所含的碎屑物质不同,据此,利用不同时期水平方向上重矿物种类和含量变化图,可推测物质来源的方向〔5。重矿物组合分析法对物源区用处颇大,尤其是在矿物种类较复杂、受控因素较多的地区特别有用。具体组合形式、分析方法根据不同地区特点不同而有差异。目前,主要引用一些数学分析方法,如聚类分析(R型或Q型)、因子分析、趋势面分析等方法来研究矿物组合特征、相似性等指数,从而提取反映物源的信息。重矿物方法对母岩性质具有一定的要求,对火山岩和变质岩作为母岩时,其中的重矿物所经历的搬运、沉积次数较少,受后期的影响小,保留的一般较好,能够很好的反映源区的性质。而对沉积岩母岩而言,其中的沉积物可能经历了多次的搬运、沉积和改造作用,具有多旋回性,其中所含的重矿物随之受到影响,发生组分或含量的变化,用它进行物源判断时应慎重。同时,它对沉积物的时代也有一定的要求,一般对新生代的沉积物,其判断较为准确、可靠;对中生代、古生代等时代较老的沉积物,重矿物自保存至现今,会因温度、埋深等条件在不同时期不同而使其种类增多,含量分布较分散,保留原岩的信息减小,对判断物源不利。因此,沉积物时代越新,利用重矿物判断物源时的准确性会越高。同时,水动力会影响沉积时重矿物性质,成岩作用会改变沉积时的部分沉积组分,如矿物的层间溶解等,会使不稳定重矿物含量变化,应慎重分析。而且,对出现的自生重矿物,如白云石、黄铁矿等,也应加以考虑。二、碎屑岩类分析法1、砂岩碎屑岩中的碎屑组分和结构特征能直接反映物源区和沉积盆地的构造环境。通过对选定层位砂岩样品中的石英、长石、岩屑含量进行统计,用Dickinson碎屑骨架三角图进行投值。根据点的分布情况,确定物源类型。可以有QLF主图解和三个辅助图解,从QFL图中可区分陆块、岩浆弧和再旋回造山带三个基本物源区。在QmFLt、QpLvLs和QmPK辅助图上,可将物源进一步精确确定出来。以后学者不断的进行了补充,使其更为完善。该方法比较简单、直观,已经得到广泛的应用。但是,在应用该方法时,应注意以下问题:(1)混合物源区的情况,判别图仅说明了沉积物通过直接和短途搬运进入邻近盆地而形成砂岩相的物源区地块性质。对于多物源情况,应用时应慎重区别。如碰撞带和活动大陆边缘,多种构造单元可能并列在一起,并且同时抬升遭受剥蚀;同时,流经性质极不相同的构造单元的大水系,也会形成混合物源区的岩相。(2)次生作用影响,风化、搬运和成岩作用不可避免的要破坏不稳定碎屑颗粒;气候的分化作用是通过控制成土作用来影响砂岩成分的,进而影响物源区的解释。(3)统计方法的影响,必须用特定方法(如Gazzi2Dickinson的点计法)、选择成岩作用小的样品,统计碎屑含量,才能有合理的结论。另外,还可根据砂岩中石英颗粒类型,作菱形图,区分深成的、中高级变质的、低级变质的三类物源区;长石的化学成分、光学特征、石英中α、β石英含量变化、石英构造缺陷、矿物包体及矿物形成介质的包体等标型特征均可用来分析物源特点。同时,在用碎屑石英判定物源时,应考虑石英的多种来源、运移及沉淀机制2、砾岩砾岩中砾石的成分、砾径等变化是确定物源的直接证据。利用砾石中不同成分的含量、粒径大小及所占百分比等统计资料,能区分源岩的主要岩性、搬运距离。粒序层、砾石的分选、磨圆、砾岩体的形态等都可作为有用的参考。3、泥岩泥岩物源研究具有相当大的潜力,一些探索性的研究很值得关注。Blatt已用泥岩中石英颗粒在二叠纪盆地页岩中确定沉积场所到海岸的距离,泥岩的泥砂组分中多晶石英特征可指示片麻岩物源,长石含量和成分可指出花岗岩类物源,角闪石含量和中性斜长石可用于识别闪岩物源。泥岩的渗透率明显的低于砂岩,故其在确定物源方面常比与之共生的砂岩可能有用。另外,碎屑粘土是泥岩中的独特组分,它在确定物源方面有很大的应用潜力。4、沉积法根据盆地钻井、测井、地震等资料,经过详细的地层对比与划分,作出某时期的地层等厚图、沉积相展布图等相关图件,可推断出物源区的相对位置,结合岩性、成分、沉积体形态、粒度、沉积构造(波痕、交错层等)、古流向及植物微体化石等资料,使物源区更具可靠性。三、裂变径迹法裂变径迹法分析物源区是利用磷灰石、锆石中所含的微量铀杂质裂变时在晶格中产生的辐射损伤,经一系列化学处理后,形成径迹,通过观测径迹的密度、长度等分布,并对其加以统计分析,从中提供与物源区的年龄及构造演化有关的信息。磷灰石裂变径迹退火带温度范围约60～130℃,与生油窗口温度带基本一致,故在油气研究中应用广泛。浅部地层中的磷灰石没有受到退火的影响,其裂变径迹的年龄及长度均可代表物源特征。但也常用锆石来判定,因其退火温度较高(160～250℃),不易受退火的影响。若沉积后样品未经完全退火,则其单颗粒年龄还有可能是各物源区母岩组分的混合。针对该情况,Galbrait提出了用χ2检验来判定颗粒年龄是否服从泊松分布即是否属于同一组分。也可用放射图来判定裂变径迹年龄是否由多个组分构成。Brandon等提出了两种确定总体混合成分的分离方法,从而避免了单个颗粒锆石年龄精确度较低的缺点。并提出了裂变径迹可能反映的三种源区,建立了源区的剥蚀速率模型Sambridge等曾成功地用混合模拟的方法来对锆石年龄成分进行了分离〔,该方法也可用于裂变径迹组分的分离。该方法的不足之处为:(1)沉积物的热演化史可能使径迹部分或全部退火,从而调整了径迹的的年龄,使其不代表物源年龄。磷灰石的径迹退火温度较低,一般不宜作物源区的区分。(2)不适当的刻蚀和统计、无法统计蜕晶质高铀锆石等也会引起偏差,应加以注意。 随着先进分析手段,如电子探针、离子探针、等离子质谱技术以及同位素测年等的应用,有关物源的研究也从最初的定性化朝定量化方向发展。物源分析与矿物学、地球化学等联系日益密切，矿物学、地球化学方法在物源分析中的应用越来越广泛。1、重矿物在物源分析中的应用该方法主要利用单颗粒重矿物的地球化学分异特征来判断物源。随着电子探针的应用,很多学者针对不同的地区,利用不同重矿物(如辉石、角闪石电气石、锆石、石榴石等)分析提出了判别物质来源的指标和端元图。Leterrier等对爱尔兰海、赫布里底群岛和北海海底沉积物中的辉石成分分析后利用辉石化学分异特征,提出用w(Ti)-w(CaNa)图解来判定物源是拉斑玄武岩还是碱性玄武岩、用w(Ti+Cr)-w(Ca)图解来区分辉石源区是造山带还是非造山带环境。Morton对中国北海砂岩、新西兰和孟加拉扇地区海底古近纪、新近纪沉积物中的石榴石成分差异进行研究后,根据不同条件下石榴石组分的差异,提出了P(镁铝榴石)、A(铁铝榴石+锰铝榴石)、GA(钙铝榴石+钙铁榴石三端元图,李任伟等利用该方法研究了合肥盆地在侏罗纪时期大别山物源区的特征。虽然重矿物地球化学特征对物源分析很灵敏,但其在沉积旋回中会受到风化、搬运、沉积等作用的影响。因此,Moton等提出利用具有相同物理和化学稳定性,在相似的水动力条件下存在的重矿物特征指数来获取物源信息,如利用ATi[ATi=10×磷灰石样品数/(磷灰石样品数+电气石样品数),指示层序是否受到酸性地下水循环的影响]、MZi[MZi=100×独居石样品数/(独居石样品数+锆石数),可显示深埋砂岩物源区的情况]、GZi[GZi=100×石榴石样品数/(石榴石样品数+锆石样品数),用来判断层序中石榴石是否稳定]等重矿物特征指数来指示物源特征。此外,Morton等在研究挪威白垩纪至古新纪海底扇砂岩时,利用Ati、MZi、GZi等作为指示物源的参数,为海底扇砂岩的来源提供了重要的判别参数。近年来,一些学者还利用电子探针及激光剥蚀等离子体质谱仪(LA2ICP2MS)等成分分析仪器,测得重矿物中的常量元素、微量元素、同位素含量,通过与可能源区之间相应元素的对比来确定沉积物物源。如Renata等在研究波希米亚丘陵地区Clum盆地下石炭统沉积物物源时,利用镁铝榴石2铁铝榴石中的常量元素和微量元素作为沉积物物源指示参数,在区域上进行对比,得出下部沉积物来源于北部的Moravo2Silesian和西北部的Lugian地区,而上部沉积物则来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时,也曾利用绿帘石中的钕(Nd)和锶(Sr)同位素比值以及微量元素区分出3种与绿帘石相关的砂岩:第一种源于Austroalpinemetagranites地区,第二种源于Penninicophiolites地区,第三种是前两者的混源,并结合年龄数据讨论了中阿尔卑斯的演化历史。此外,近年来,重矿物的某些物理性质对物源的指示意义也逐渐被一些学者所认识。Cardona等发现重矿物颗粒晶体表面的晶纹和形态不仅可以进一步证实通过探针、地球化学和裂变径迹等方法获得的物源信息,而且还可以区分出重矿物的演化阶段并阐明矿物从开始搬运直到最终沉积,影响矿物颗粒的不同过程,并在研究Guadalete河流阶地时得到应用。2、沉积物地球化学分析在物源分析中的应用沉积物的化学成分与碎屑矿物构成之间存在着一定的关系,在不同的构造环境下具有不同的特征,据此可以根据成分变化特征来判定物源区的性质和构造背景。Bhatia等和Roser等通过对砂岩和砂泥质岩的研究,提出用一系列常量元素、微量元素地球化学端元图来鉴别被动大陆边缘、活动大陆边缘、大洋岛弧和大陆岛弧等构造背景,这些不同端元图之间的相互校正使用已被大多数学者所采用。而当构造背景已知的情况下,则可以利用Roser等提出的判别方程来分析源区的性质是基性、中性、酸性火山岩物源区还是成熟大陆石英质物源区。REE以及Th、Sc对源区特征的分析很有价值,因为它们最难溶,因而相对稳定,不受搬运过程和沉积过程的影响,即具有非迁移性,而且这些元素仅随陆源碎屑沉积物搬运,故能反映源区的地球化学性质。其中兼容元素(如Th)和不兼容元素(如Sc)的质量分数比值可用来区分长英质(高)和镁铁质(低)组分。稀土元素分配模式也可以用来指示物源,若w(LREE)/w(HREE)比值低,无Eu异常,则物源可能为基性岩石;若w(LREE)/w(HREE)比值高,有Eu异常,则物源多为硅质岩。McLennan等分析总结了地球化学和同位素方法在分析沉积物物源方面的应用,其优点是既可以应用到富含基质的砂岩和页岩中,又可以确定物源的年龄和地球化学演化历史。他们根据全岩化学组分和钕同位素组成分析了5种物源类型:古老大陆上地壳、再循环沉积岩、年轻的未分异弧、年轻的分异弧和各种外来组分的特征。其中,最重要的是Nd同位素组成(反映平均物源年龄)、Eu异常(反映地壳内部岩浆分异作用)、大离子亲石元素的富集(即LILE,反映物源组分)、碱土元素亏损(反映重矿物富集)、Zr和Hf富集(反映重矿物富集)和Cr富集(反映超镁铁质物源)。除了上述全岩化学成分分异与物源的关系外,一些研究者也利用电子探针和质谱技术对副矿物、磁性矿物进行研究,以指示物源。Mark等也曾利用碎屑硅酸盐中侵入体(如磁铁矿)与重矿物对比进行沉积物物源研究,取得了良好效果。3、同位素测年技术在物源分析中的应用在物源研究方面,不仅可以利用同位素之间的相互关系来判别物源区,如利用绿帘石中的钕和锶同位素比值进行物源判别(幔源或壳源),更重要的是通过沉积物年龄的测定来判别物源。现在常用的方法有含铀微相(锆石、独居石)的U2Pb法、碎屑沉积岩的Rb2Sr法以及Sm2Nd法等。采用U2Pb法定年主要选取锆石和独居石为研究对象,最常用的是锆石。通常,沉积物中碎屑锆石的年龄谱可以反映锆石的地质历程,不同经历的锆石年龄谱也不同。如:锆石中心的年龄通常代表所在陆块的基底年龄,锆石中间层的年龄代表陆块演化过程中重要热事件的年龄,锆石边缘的年龄代表沉积2成岩年龄。传统的锆石定年法是将许多锆石颗粒一起溶解进行分析来测定年龄。这就有可能因不同时代的锆石混合而得到无意义的混合年龄,因此现今对于锆石定年主要采用单颗粒锆石分析方法,主要有离子探针质谱法(SHRIMP)和激光探针等离子质谱法(LP2ICP2MS)。SHRIMP价格较昂贵,测试周期长,但测得的年龄精度高,对于有复杂生长历史和环带构造的锆石,往往还可以给出锆石不同阶段的生长年龄。例如李任伟等利用SHRIMP年龄研究了大别山北缘石炭纪沉积岩的物源特征以及早侏罗世大别造山带的源区特征。相反,LP2ICP2MS价格低且分析周期短,精度也可以与SHRIMP对比,主要通过获取单颗粒锆石原位微量元素数据和微区U2Pb同位素年龄来分析物质来源。Darby等利用该方法对华北板块自古元古代到奥陶纪地层中的250颗单颗粒锆石进行激光剥蚀等离子体质谱分析,确定了碎屑沉积岩的物源,讨论了亚洲板块的区域构造演化模式。Rb2Sr法大多用于中酸性岩浆岩的测年。一般通过测定碎屑沉积物年龄并结合区域构造历史来判断物质来源和物源区岩浆活动历史。如李忠等在对大别山北缘、合肥盆地南缘的侏罗系凤凰台组底部冲积扇砾岩的研究中,通过两个花岗岩砾石样品中钾长石、黑云母、角闪石和全岩Rb2Sr同位素的测定,判断出大别山侏罗系物源区曾发育早古生代花岗岩类岩浆侵入体。但利用该方法的前提是:①在风化搬运过程中,这些碎屑矿物对Rb2Sr系统保持封闭;②在成岩过程中,这些矿物没有发生蚀变或次生加大生长;③这些矿物的源区具有相似的年龄和初始N(87Sr)/N(Sr)比值。Sm2Nd法判断沉积物物源主要采用碎屑沉积岩中Sm、Nd同位素资料来推断沉积物源区性质并估计陆壳从地幔中分离的时间。Sm、Nd在海水中滞留的时间很短且Nd同位素在海水中的含量极低(wB≤3×10-6),因此,沉积岩尤其是细碎屑沉积岩能够使源区岩石中的Sm、Nd同位素保持相对丰度。由于沉积碎屑来自剥蚀区出露的各时代的岩石,因此沉积岩的Nd模式年龄代表其源区岩石的平均存留年龄。在沉积岩形成过程中,若有新的幔源物质加入,则其模式年龄是壳源物质和幔源物质年龄的加权平均。因此,若模式年龄接近或稍大于沉积年龄,则表明沉积岩中含有大量幔源物质;若模式年龄显著大于沉积年龄,则表明沉积岩中以先存陆壳的再循环碎屑为主。Nd同位素也可用来反演山脉源区类型、性质及其多样性特征,从而可以计算出不同沉积层位每一源区端元对该层位沉积物的相对贡献比例及源区的剥蚀量。另外,Sm、Nd属于稀土元素,在变质作用、热液活动或化学风化等因素影响下比Rb、Sr稳定,因此在沉积岩因受强烈变质作用、热液活动或化学风化等作用,引起Rb2Sr系统