碎屑石榴石地球化學(xué)物源分析與解釋：粒度的影響

黃鑫，簡(jiǎn)星，張巍，洪東銘，關(guān)平，杜瑾雪，張鵬飛

1.廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋與地球?qū)W院，福建廈門 361102 2.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083 4.長(zhǎng)慶油田分公司坪北石油合作開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，陜西延安 717408

0 引言

基于單礦物地球化學(xué)分析的物源研究，最常見(jiàn)的如碎屑鋯石U-Pb年代學(xué)[1]、碎屑石榴石主量元素地球化學(xué)[2-3]、碎屑金紅石微量元素地球化學(xué)[4]，一般隨機(jī)分析一定數(shù)量的礦物顆粒，使用所有樣本地球化學(xué)數(shù)據(jù)的總體結(jié)果來(lái)反映碎屑沉積樣品的源區(qū)性質(zhì)。在該過(guò)程中，碎屑礦物的粒度組成(即沉積水動(dòng)力分選作用)往往會(huì)被忽略，其是否影響物源分析結(jié)果并不清楚。Yangetal.[5]對(duì)長(zhǎng)江流域的碎屑鋯石進(jìn)行研究時(shí)，提出了碎屑鋯石的年齡與粒度存在反相關(guān)關(guān)系的看法，即碎屑鋯石的粒度越大，其U-Pb年齡有變老的趨勢(shì)；Malusàetal.[6]在對(duì)Alps的碎屑鋯石進(jìn)行年代學(xué)及熱年代學(xué)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，粒度會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生較大誤差；與之相反，Sircombeetal.[7]在對(duì)加拿大西北部Slave craton的碎屑鋯石進(jìn)行U-Pb年代學(xué)研究時(shí)卻認(rèn)為粒度對(duì)于碎屑鋯石的年齡沒(méi)有影響；Trieboldetal.[8]對(duì)Alps和Erzgebirge的碎屑金紅石研究表明金紅石的地球化學(xué)信息不受粒度的影響。然而不同粒徑的石榴石元素地球化學(xué)特征對(duì)物源解釋結(jié)果是否存在影響，目前尚無(wú)定論。

石榴石是常見(jiàn)的造巖礦物，廣泛存在于不同類型的沉積巖、變質(zhì)巖及巖漿巖中。石榴石是砂巖中常見(jiàn)的重礦物，在沉積、成巖過(guò)程中相對(duì)較為穩(wěn)定[9]。作為島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物的重要類型，石榴石晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為孤立的硅氧四面體，結(jié)構(gòu)緊密。石榴石的化學(xué)表達(dá)為X3Y2[SiO4]3，其中X代表二價(jià)陽(yáng)離子，主要為Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等，而Y代表三價(jià)陽(yáng)離子，主要為Al3+、Fe3+、Cr3+等，也可以有Ti4+、V3+、Y3+等陽(yáng)離子[10]。石榴石中二價(jià)陽(yáng)離子中的Mg2+、Fe2+和Mn2+具有較小的離子半徑，而Ca2+離子半徑較大，因此Ca2+難以與Mg2+、Fe2+和Mn2+形成類質(zhì)同像，這決定了石榴石中存在兩種類型的類質(zhì)同像系列：鋁質(zhì)石榴石和鈣質(zhì)石榴石系列。鋁質(zhì)石榴石系列包括鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和錳鋁榴石；而鈣質(zhì)石榴石系列包括鈣鋁榴石、鈣鐵榴石和鈣鉻榴石[11-12]。

不同巖石來(lái)源的石榴石元素含量不同，如榴輝巖和基性麻粒巖中的石榴石往往具有高M(jìn)g和低Ca的特征；角閃巖相變泥質(zhì)巖石中的石榴石往往是鐵鋁榴石；矽卡巖中產(chǎn)出的石榴石一般為鈣鋁榴石；錳鋁榴石則主要產(chǎn)自于偉晶巖中[13]。碎屑石榴石能夠應(yīng)用于沉積物源分析正是基于石榴石的地球化學(xué)多樣性。例如，李任偉等[14]利用鎂鋁榴石、鈣鋁榴石、鐵鋁榴石、錳鋁榴石等端元的含量對(duì)合肥盆地的碎屑石榴石進(jìn)行物源分析，最終判定物源區(qū)為大別造山帶高壓和超高壓變質(zhì)巖；卜香萍等[15]應(yīng)用碎屑石榴石對(duì)魯西隆起區(qū)進(jìn)行物源分析以及物源區(qū)構(gòu)造演化示蹤；Aubrechtetal.[16]應(yīng)用錳鋁榴石—鎂鋁榴石—鐵鋁榴石和鈣鋁榴石—鎂鋁榴石—鐵鋁榴石兩種三元圖解進(jìn)行Czorsztyn組的物源分析研究，并給出了不同于前人的物源解釋結(jié)果。

石榴石的主量元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)可利用電子探針獲得，并且基于大量的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，前人總結(jié)出了多個(gè)物源解釋圖解，來(lái)分析碎屑石榴石的母巖類型。主要包括如下：

(1) Mortonetal.[2]總結(jié)了大量的數(shù)據(jù)，利用源區(qū)包含高級(jí)變鐵鎂質(zhì)巖石，高級(jí)麻粒巖相變泥質(zhì)巖石和中低級(jí)變泥質(zhì)巖石的現(xiàn)代河砂和海灘砂中的碎屑石榴石，提出了以Ca2+-Mg2+-Fe2++Mn2+為端元的適合于碎屑石榴石物源分析的判別圖解模型(圖1a)。在該模型中Type A 表示低Ca，高M(jìn)g的高級(jí)麻粒巖相變沉積巖、紫蘇花崗巖等；Type B表示低Mg，可變Ca的角閃巖相變沉積巖，片巖，片麻巖等；Type C表示高Ca，高M(jìn)g的高級(jí)變基性巖如榴輝巖等。

(2) Mangeetal.[17]在此基礎(chǔ)上，又對(duì)Type B和Type C的石榴石母巖解釋圖解進(jìn)行了細(xì)分，Type B分為Type Bi，Type Bii，Type C分為Type Ci和Type Cii，并增加了Type D類型。其中Type Bi表示中酸性火成巖；Type Bii表示低級(jí)角閃巖相變沉積巖；Type Ci表示變基性(鐵鎂質(zhì))；Type Cii表示超基性巖；Type D表示低級(jí)變基性巖。

(3) Aubrechtetal.[16]在對(duì)the Czorsztyn Unit (Pieniny Klippen Belt, Western Carpathians, Slovakia)沉積物進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)所占組分較大的碎屑石榴石進(jìn)行了地球化學(xué)成分測(cè)定，并提出了鎂鋁榴石(Mg2+)—鐵鋁榴石(Fe2+)—錳鋁榴石(Mn2+)(圖1b)和鎂鋁榴石(Mg2+)—鐵鋁榴石(Fe2+)—鈣鋁榴石(Ca2+)兩種三元判別圖(圖1c)。在該模型中類型B表示高壓和超高壓巖石，類型C1表示榴輝巖和麻粒巖相巖石，類型C2表示角閃巖相巖石(可分為兩個(gè)亞類C1：高級(jí)角閃巖相到麻粒巖相；C2：角閃巖相，包括其他巖石，如藍(lán)片巖、矽卡巖、蛇紋巖、火成巖等)。

(4) Teraokaetal.[18-19]分析了日本西南九州東部小野川古生代，中生代砂巖和日本西南中部地區(qū)白堊紀(jì)，古近紀(jì)沉積物的碎屑石榴石，提出了以錳鋁榴石(Mn2+)—鎂鋁榴石(Mg2+)—鈣鋁榴石(Ca2+)含量的三元物源判別圖解模型(圖1d)。在該模型中L表示低溫壓相，la表示至角閃巖相的中溫壓相，H表示高溫壓相，lg1，lg2表示麻粒巖相，E表示榴輝巖相，G表示鈣鋁鐵榴石。

圖1 四種判別圖解模型示意圖Fig.1 Four models for the discrimination diagram

大量的學(xué)者(包括上述圖解的提出者)在進(jìn)行物源分析時(shí)，均未考慮石榴石的粒徑對(duì)于地球化學(xué)物源解釋結(jié)果的影響，本文利用柴達(dá)木盆地北緣第三系16個(gè)樣品的680個(gè)碎屑石榴石數(shù)據(jù)[3]，探討不同粒徑組成碎屑石榴石地球化學(xué)成分的變化規(guī)律，研究粒度(即沉積水動(dòng)力分選作用)如何影響上述圖解的物源解釋結(jié)果。

1 地質(zhì)背景及樣品

柴達(dá)木盆地是位于青藏高原東北部的大型陸內(nèi)沉積盆地(圖2b)。盆地面積大約12×104km2。盆地的海拔2 700～3 000 m，并保存了3～16 km巨厚的中、新生代沉積物。柴達(dá)木盆地北緣(North Qaidam)以古生代變質(zhì)帶、淺海地層、糜棱巖、花崗巖為代表，含少量榴輝巖和石榴石橄欖巖[3]。南祁連地體(South Qilian)以上元古界—下古生代變質(zhì)巖為主[20]；阿爾金山南部地體由花崗巖、變質(zhì)雜巖、奧陶系及侏羅系巖石組成；阿爾金山東部則以古生代和中生代花崗巖為主；祁連山的基底以元古界達(dá)背大板群不同級(jí)別變質(zhì)巖為典型特征[21-22]。Jianetal.[3]在對(duì)柴達(dá)木盆地北部地區(qū)的第三系沉積物進(jìn)行物源分析時(shí)，綜合巖石學(xué)、重礦物分析和礦物化學(xué)數(shù)據(jù)，認(rèn)為柴北緣和南祁連地體為其主要的沉積源區(qū)，并將研究區(qū)劃分為三個(gè)沉積區(qū)(即A、B、C)(圖2)。

A區(qū)的沉積物具有較高的礦物成熟度，較高的石英、碎屑鋯石、金紅石、電氣石礦物含量。并且具有較高的ZTR指數(shù)(碎屑巖中三種重礦物碎屑鋯石、金紅石、電氣石在透明重礦物碎屑中所占的質(zhì)量比)和較低的Ruzi指數(shù)(碎屑巖中碎屑金紅石與碎屑金紅石和碎屑鋯石質(zhì)量和的比值)，Gzi指數(shù)(碎屑巖中碎屑石榴石與碎屑石榴石和碎屑鋯石質(zhì)量和的比值)，Eti指數(shù)(綠簾石與綠簾石和電氣石質(zhì)量和的比值)。A區(qū)的沉積物具有遠(yuǎn)源及多源的特征，母巖主要是不同等級(jí)的變質(zhì)巖和中酸性火成巖；B區(qū)的沉積物具有較低的礦物成熟度以及較高的變質(zhì)巖巖屑含量。較高的Ruzi，Gzi，Eti指數(shù)，較低的ZTR指數(shù)，反映了B區(qū)的沉積物的母巖類型相對(duì)單一。綜合上述結(jié)果認(rèn)為，B區(qū)沉積物主要的母巖類型為中低變質(zhì)巖和高級(jí)變質(zhì)巖；C區(qū)的沉積物具有較高的長(zhǎng)石含量，中等的ZTR，Gti，Ruzi，Eti指數(shù)，C區(qū)沉積物可能具有多源的特征，由于分析樣品較少，物源解釋具有不確定性。

圖2 柴達(dá)木盆地及研究區(qū)地質(zhì)圖(a)主要樣品采樣點(diǎn)分布以及沉積區(qū)劃分；(b)研究區(qū)位置圖(自Jian et al.[3])Fig.2 Geological setting of the Qaidam Basin and study area(a) locations of the main investigated wells and depositional area; (b) location of the research area (modified from Jian et al.[3])

2 分析方法

碎屑石榴石的主量元素電子探針?lè)治鲇杀本┐髮W(xué)造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，分析方法可見(jiàn)Jianetal.[3]。碎屑石榴石粒徑數(shù)據(jù)的測(cè)量方法參考Lawrenceetal.[23]以及Garzantietal.[24]對(duì)于碎屑礦物的粒徑測(cè)量方法。具體流程為：測(cè)量石榴石靶圖上已分析的碎屑石榴石顆粒X軸(長(zhǎng)軸)、Z軸(短軸)長(zhǎng)度，視Y軸長(zhǎng)度與Z軸相等，并對(duì)三軸長(zhǎng)度積開立方，即可得到該顆粒的等效球粒直徑(ESD)。為了使研究結(jié)果更具普遍性，碎屑石榴石粒度范圍分類參考Wentworth.[25]對(duì)于砂巖的經(jīng)典粒度分類方法。即，將砂巖的粒徑分為極細(xì)砂(0.063～0.125 mm)；細(xì)砂(0.125～0.25 mm)；中砂(0.25～0.5 mm)；粗砂(0.5～1 mm)；極粗砂(1～2 mm)。在有效的663個(gè)粒徑數(shù)據(jù)中，有229個(gè)顆粒的粒徑在63～125 μm之間，有352個(gè)顆粒的粒徑在125～250 μm之間，有82個(gè)顆粒的粒徑在250～500 μm之間。

3 結(jié)果與討論

3.1 圖解與解釋

將總計(jì)16個(gè)樣品的663個(gè)數(shù)據(jù)分別投入Morton圖解(圖3a)、Aubrechtetal圖解(圖3b，c)、Teraoka圖解(圖3d)(由于在該圖解中區(qū)域較多，故根據(jù)各區(qū)域的溫壓條件將其分為低溫壓區(qū)(原L區(qū)和未定區(qū))，中溫壓區(qū)(La區(qū)，lg1區(qū)，lg2區(qū))，高溫壓區(qū)(H區(qū)，E區(qū)，G區(qū))。統(tǒng)計(jì)各圖中各區(qū)域樣品顆粒數(shù)量并將結(jié)果歸一化。再以各圖解中的區(qū)域類型為端元，以各樣品投入圖解后落入各區(qū)域的顆粒數(shù)量百分比為端元值成圖(圖4)。根據(jù)圖4的結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，0.063～0.125 mm粒徑范圍的碎屑石榴石具有比0.125～0.25 mm粒徑范圍的碎屑石榴石更加集中于某些端元的特征。以圖4為依據(jù)，并綜合四種圖解和全部樣品，得出物源解釋結(jié)果(表1)。根據(jù)該表可以給出，采用特定粒徑范圍的碎屑石榴石比采用全部粒度樣品得到的物源解釋結(jié)果更為準(zhǔn)確的結(jié)論。此外，圖4a的結(jié)果顯示，0.063～0.125 mm的碎屑石榴石比0.125～0.25 mm的碎屑石榴石更加集中在特定端元。即同一樣品內(nèi)，隨著粒徑范圍的變小，該端元含量逐漸變大。換句話說(shuō)，該端元(低級(jí)角閃巖相變沉積巖)產(chǎn)出的低Mg石榴石粒徑主要分布在0.063～0.125 mm范圍內(nèi)。為了驗(yàn)證該結(jié)論，做以粒度-Fe2+/Mg2+和Mn2+/Mg2+的二元圖(圖5)。Fe2+/Mg2+和Mn2+/Mg2+是變質(zhì)作用巖中常用的溫壓計(jì)。隨著壓力和溫度的上升，變質(zhì)巖中的Mg2+含量增加，F(xiàn)e2+，Mn2+減少，故隨著變質(zhì)等級(jí)的增加，二者的比值變小[26-27]。根據(jù)圖5可以得到，隨著變質(zhì)等級(jí)的升高，碎屑石榴石的粒度存在著逐漸變大小的特征。故0.063～0.125 mm的碎屑石榴石更可能為低級(jí)角閃巖相變質(zhì)巖產(chǎn)出。

3.2 粒度對(duì)碎屑礦物地球化學(xué)物源分析結(jié)果的影響

Yangetal.[5]在對(duì)長(zhǎng)江流域的碎屑鋯石進(jìn)行U-Pb定年研究時(shí)認(rèn)為，由于較老的碎屑鋯石在結(jié)晶之后受到了更多巖漿活動(dòng)，構(gòu)造活動(dòng)和沉積再生活動(dòng)的影響，經(jīng)歷的風(fēng)化過(guò)程和侵蝕過(guò)程較為嚴(yán)重，故存在著年齡較大的鋯石粒度較小的特征；Malusàetal.[6]應(yīng)用碎屑鋯石進(jìn)行熱年代學(xué)研究時(shí)提到，由于富U和Th鋯石的自我輻射和輻射損傷會(huì)使得礦物顆粒隨著時(shí)間的推移變?yōu)闊o(wú)定形狀態(tài)，這就會(huì)造成礦物的粒度與年齡產(chǎn)生一定程度的相關(guān)性；Sircombeetal.[7]在討論碎屑鋯石的粒徑是否會(huì)對(duì)U-Pb定年產(chǎn)生影響時(shí)，根據(jù)粒度與碎屑鋯石的年齡二元圖判斷二者是否存在關(guān)聯(lián)的結(jié)論為否；Trieboldetal.[8]在應(yīng)用Alps的金紅石進(jìn)行物源分析時(shí)討論了粒度與金紅石的的地球化學(xué)成分是否存在關(guān)系時(shí)，根據(jù)二者的相關(guān)性圖解給出了0.063～0.125 mm與0.125～0.25 mm粒徑范圍的金紅石地球化學(xué)成分沒(méi)有系統(tǒng)性差別的結(jié)論。

在本研究中，利用柴達(dá)木盆地北部地區(qū)的680個(gè)碎屑石榴石樣品進(jìn)行物源解釋時(shí)，應(yīng)用特定范圍粒徑(0.063～0.125 mm)所得到的物源分析解釋結(jié)果為低級(jí)變沉積巖，分析全部單礦物顆粒(680個(gè)碎屑石榴石顆粒)得到的物源分析解釋結(jié)果為中—低級(jí)變沉積巖，酸性巖漿巖、榴輝巖等原巖類型。并且發(fā)現(xiàn)，粒度較小(0.063～0.125 mm)的碎屑石榴石具有更可能由低級(jí)變沉積巖產(chǎn)出的特征。這個(gè)現(xiàn)象可以解釋為：低級(jí)變沉積巖所產(chǎn)出的礦物變質(zhì)結(jié)晶程度較弱，故粒度較小[28]，而在高級(jí)變質(zhì)巖中，礦物變質(zhì)結(jié)晶程度較高，結(jié)晶程度較成熟，產(chǎn)出的石榴石顆粒也就較大。而該解釋不僅可以被本次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所驗(yàn)證(圖4a，b，c中分別有68.75%，81.25%，81.25%的樣品顆粒符合上述結(jié)論，圖5)，又可以被前人大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證[29-33]。

因此，本文的研究結(jié)果表明：在一定程度或特定的研究區(qū)域內(nèi)，粒度對(duì)單礦物地球化學(xué)物源分析的影響是不可忽略的，若僅僅隨機(jī)分析一定數(shù)量的單礦物顆粒，可能會(huì)得出較為寬泛的物源解釋。而選取一定粒徑范圍內(nèi)的碎屑礦物進(jìn)行分析，則能夠得出更加準(zhǔn)確的物源解釋結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) 利用柴達(dá)木盆地北緣中碎屑石榴石的巖石學(xué)數(shù)據(jù)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)該沉積區(qū)的進(jìn)行物源分析時(shí)，應(yīng)用特定范圍粒徑(0.063～0.125 mm)所得到的物源分析解釋結(jié)果為低級(jí)變沉積巖，分析全部單礦物顆粒(680個(gè)碎屑石榴石顆粒)得到的物源分析解釋結(jié)果為中—低級(jí)變沉積巖，酸性巖漿巖、榴輝巖等原巖類型。這表明碎屑石榴石的顆粒大小在一定程度上會(huì)影響其地球化學(xué)物源解釋結(jié)果。

圖3 各判別圖解碎屑石榴石樣品投點(diǎn)圖沉積區(qū)A：B1-05，JLS-19，LQ1-05，X9-01，Mb1-04，LLH-30，LLH-47，LLH-58；沉積區(qū)B：L87-09，YCG-02，YCG-08，YCG-17，YCG-30，YCG-38；沉積區(qū)C：S81-01，S85-01Fig.3 Discriminant graphical solutions for the clastic garnet sample projection

圖4 碎屑石榴石地球化學(xué)的數(shù)據(jù)再統(tǒng)計(jì)注：圖4a中端元A為圖1a中的區(qū)域A，端元B，C以及圖4b，圖4c，圖4d同理；圖中各點(diǎn)端元值為各樣品落入對(duì)應(yīng)圖解中各區(qū)域的顆粒數(shù)量百分比Fig.4 Restatistical diagrams of geochemical data for clastic Garnet

表1 各圖解物源解釋結(jié)果Table 1 The provenance result of each diagram

注：特定粒徑指0.063～0.125 mm。Aubrechtetal圖解1三端元為Mn2+-Mg2+-Fe2+，Aubrechtetal圖解2三端元為Ca2+-Mg2+-Fe2+。

圖5 溫壓計(jì)—粒度二元關(guān)系圖Fig.5 Temperature-pressure Gauge-grain size diagram

(2) 在進(jìn)行應(yīng)用碎屑石榴石進(jìn)行物源分析時(shí)，應(yīng)注意到粒度可能會(huì)對(duì)物源分析結(jié)果產(chǎn)生影響，并在進(jìn)行研究時(shí)，選取特定粒徑組成的碎屑礦物進(jìn)行分析，可以獲得更為準(zhǔn)確的物源解釋結(jié)果。