砂巖中重礦物的成因意義

曾方侶，姜楷，黃超，李宸[]

砂巖中重礦物的成因意義

曾方侶1，姜楷2，黃超1，李宸1[1]

（1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2. 西藏天圓礦業(yè)資源開發(fā)有限公司，西藏 日喀則 857000）

砂巖形成過程中，不同的物源區(qū)、構(gòu)造演化、風(fēng)化剝蝕、古地貌與古氣候以及古環(huán)境等多種因素都會影響其重礦物的分布，因此，研究砂巖中重礦物的分布特征，對于物源、構(gòu)造演化和沉積環(huán)境的分析有著重大的意義。通過查閱文獻(xiàn)和資料整理等方法，筆者對砂巖中重礦物組合特征、分布規(guī)律、重礦物特征指數(shù)、物化性質(zhì)、含量變化等在物源分析、構(gòu)造演化響應(yīng)、指示沉積環(huán)境等方面的研究意義進行了綜述和整理。筆者認(rèn)為：復(fù)雜地質(zhì)工作中，砂巖沉積物分析研究應(yīng)結(jié)合其重礦物成因意義，進行總體評價和綜合研究，將會得到更接近地質(zhì)事實的結(jié)論。如物源分析方面除了綜合考慮重礦物特征以及重礦物特征指數(shù)外，還應(yīng)運用判別圖解；重礦物信息的綜合分析研究是反演盆地的構(gòu)造活動是一種非常有效的手段；砂巖中重礦物的組合特征、分布規(guī)律和物化性質(zhì)等可為反演其沉積環(huán)境提供有效的依據(jù)。

砂巖；重礦物組合；物源分析；成因研究

國外重礦物的研究始于在二十世紀(jì)中期，國內(nèi)地質(zhì)工作者也在此時開始對重礦物展開研究與應(yīng)用[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，許多研究表明，在地質(zhì)勘探工作中，重礦物的作用至關(guān)重要。砂巖沉積物形成過程中，重礦物的組分和含量會受到不同程度的影響。因此，砂巖中重礦物的組合特征、分布規(guī)律、特征指數(shù)等信息，在其物源分析、指示沉積環(huán)境、響應(yīng)構(gòu)造演化等方面有著重大的研究意義。

1 砂巖中的重礦物

表1 常見重礦物分類表

重礦物是相對密度超過2.86g/cm3，分布在陸源碎屑巖之中的礦物。其含量非常低，一般作為副礦物存在于在母巖中，在沉積巖中其質(zhì)量比重通常不會大于1%，卻具有顯著的成因意義。早在上個世紀(jì)60年代，重礦物就首先被應(yīng)用與地層對比分析[1]，到了80年代初，重礦物的研究工作開始迅速發(fā)展，并且隨著先進的測試技術(shù)和分析方法在其中的應(yīng)用，重礦物分析方法開始被廣泛應(yīng)用于追溯物源[2,3,4]、地層分析對比[5]、構(gòu)造演化的研究[6,7,8,9,10,11]，不僅如此，在巖相古地理的重建[12,13,14]、古氣候的恢復(fù)[15]和反演沉積環(huán)境[16,17]等方面的研究中也都取得了明顯的進展，加上地質(zhì)學(xué)家們不斷地發(fā)展與改進，重礦物分析應(yīng)用的可靠性及準(zhǔn)確性也逐漸提髙。

重礦物主要存在于細(xì)砂巖和粉砂巖之中，包含透明或非透明的性質(zhì)。按照重礦物的抗風(fēng)化能力與物化性質(zhì)，可以區(qū)分為穩(wěn)定重礦物與不穩(wěn)定重礦物兩類。穩(wěn)定重礦物由于物化性質(zhì)相對穩(wěn)定同時抗風(fēng)化能力較強，所以在歷經(jīng)搬運和風(fēng)化作用后得以保存，也正因如此使得其分布廣泛，在離母巖區(qū)較遠(yuǎn)的沉積巖中都依然有著比較高的含量；而不穩(wěn)定重礦物不僅在抗風(fēng)化能力方面偏弱，并且分布也不廣泛，經(jīng)過長距離的搬運和不斷的風(fēng)化作用，在離母巖越遠(yuǎn)的區(qū)域，其含量相對越少，但其含量的變化對物源反映十分敏感（表1）。

2 砂巖中重礦物在物源分析中的應(yīng)用

重礦物組合特征和成分上的差異對物源分析具有重要意義。穩(wěn)定重礦物和不穩(wěn)定重礦物在位置和成分上具有差異，并且砂巖當(dāng)中雜基以及膠結(jié)物的特征與含量都容易因成巖作用和后期改造作用發(fā)生變化，而重礦物具有的耐剝蝕、穩(wěn)定性強等物理特點，有利于在數(shù)量上和性質(zhì)上最大限度地保持其母巖的早期狀態(tài)，綜合分析穩(wěn)定重和不穩(wěn)定重礦物組分變化和分布特征，可以很好地進行物源追蹤。并且重礦物在組合特征方面能夠清楚地顯示其母巖以及源區(qū)的性質(zhì)（表2），由此也可運用于砂巖物源分析。例如，在同一河流沉積體系控制的沉積范圍中，其分布范圍和擴散方向，可以根據(jù)重礦物的含量等值線作連續(xù)變化得出。另外，在同一沉積盆地中，同時期的沉積物具有相同的碎屑組分，而不同時期的沉積物具有不同的碎屑物質(zhì)，據(jù)此，可推測物質(zhì)來源的方向及區(qū)域[18,19,20,21,22]。因此，砂巖中重礦物的組合特征和成分變化可以反映物源的變化。且砂巖具有多旋回性，其形成過程中常伴有多次搬運、沉積以及改造作用，進而影響重礦物的成分或含量的變化。

表2 不同母巖類型的重礦物組合

砂巖沉積過程中重礦物的性質(zhì)會受水動力條件的影響，一部分沉積組分由于來自成巖作用的影響，比如礦物的層間溶解，其不穩(wěn)定重礦物含量就會發(fā)生改變。為了提高重礦物研究在物源分析中的精確性，便于識別物源特征與變化，重礦物特征指數(shù)被提出，重礦物特征指數(shù)，即在相似水動力條件和成巖作用下穩(wěn)定重礦物的含量比值[23]。如ZTR、RZi、ATi、RuZi、CZi、GZi和MZi等。各種指數(shù)用于表示相應(yīng)的沉積物物源特征，在砂巖物源分析中常用的指數(shù)如下（表3）：ATi指數(shù)（100×磷灰石/（磷灰石+電氣石）），作用在于判斷風(fēng)化程度，如果風(fēng)化程度偏低就可用于反映砂巖的物源變化，也可以指示中酸性巖漿巖物源區(qū)，呈正相關(guān)關(guān)系，還可判斷地層是否受到酸性地下水循環(huán)的影響；GZi指數(shù)（100×石榴石/（石榴石+鋯石）），作用在于辨斷砂巖中石榴子石的穩(wěn)定性，反映角閃巖或麻粒巖等變質(zhì)源巖是否存在，呈正相關(guān)特征；MZi指數(shù)（100×獨居石/（獨居石+鋯石）），該指數(shù)的變化能夠反映深埋砂巖的物源情況。ZTR指數(shù)的含義是指穩(wěn)定礦物鋯石、電氣石與金紅石在透明重礦物中所占的比例，用于顯示重礦物的成熟度與物源搬運距離，呈正相關(guān)特征[16]。

表3 常用重礦物特征指數(shù)及其指示意義

隨著分析方法和實驗技術(shù)的創(chuàng)新與不斷發(fā)展，電子探針已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單顆粒礦物的研究，以便分析其含量、化學(xué)組分及類型等。各種重礦物的元素含量和特征，其標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)組分指數(shù)或判別圖可在判別其物源時使用[24]。眾多地質(zhì)學(xué)者盡最大限度地利用單顆粒重礦物的地球化學(xué)分異特征，根據(jù)多種重礦物（如鋯石、石榴石、電氣石等）研究提出了確定物源的指標(biāo)和判別圖[25]。Henry等（1985）為了區(qū)分不同的物源環(huán)境（圖1）分別提出了兩個判別圖解[26]，其依據(jù)是電氣石的化學(xué)組分特征。Morton（1987）根據(jù)砂巖沉積物中石榴子石的不同端元的成分差異劃分了石榴子石類型的三角判別圖[2]，Morton等（2005）又在此基礎(chǔ)上對該判別圖進行了改進（圖2）[27]?，F(xiàn)如今，物源研究中應(yīng)用最為廣泛的方法是單顆粒礦物測年，物源區(qū)巖石形成的年齡限范圍由礦物年齡給定，明顯提升了運用重礦物分析物源所得結(jié)論的準(zhǔn)確性。由此，源區(qū)位置通常經(jīng)過常規(guī)的重礦物分析方法首先將其范圍限定在一定區(qū)間內(nèi)，緊接著為了獲得源區(qū)巖石的信息，把有代表性的單顆粒礦物以及源區(qū)礦物按照地球化學(xué)特征進行比較，之后再綜合利用同位素測年進一步厘定源區(qū)的年齡，就可以為物源分析提供最準(zhǔn)確、最可靠并符合地質(zhì)事實的信息。

3 砂巖中重礦物在構(gòu)造演化中的應(yīng)用

構(gòu)造活動對決定了母巖的類型和盆地的性質(zhì)，從而對重礦物的組合及特征產(chǎn)生影響[25]。砂巖沉積物形成過程中，保留著地殼差異升降運動的物質(zhì)記錄，其中的重礦物就較好地記錄著盆地的構(gòu)造響應(yīng)關(guān)系[28]，所以對于推導(dǎo)盆地構(gòu)造活動而言利用重礦物組合與特征指數(shù)的方法是較為有效的。例如，構(gòu)造演化和盆地與造山帶的關(guān)系可通過在沉積盆地里的砂巖重礦物反映的信息進行分析探究，總體來說從造山帶地區(qū)剝蝕的，再通過水系的搬運作用存儲在鄰近盆地中的沉積物可以良好地顯示出物源區(qū)的構(gòu)造演化過程，因此從砂巖中獲取構(gòu)造作用信息也是一種有效的方法[29]。除此以外，宋春暉等，（2002）分析了青藏高原北緣酒西盆地的砂巖沉積物中重礦物的形態(tài)、組合變化、晶面花紋以及重礦物含量在地層剖面垂直方向上變化，發(fā)現(xiàn)其砂巖沉積物中重礦物具規(guī)律性變化，指出了青藏高原北緣13Ma之后地殼運動所歷經(jīng)的主要構(gòu)造演化過程[9]，即穩(wěn)定期（13～8.26Ma）、逐步階段性隆升期（8.26～<4.9Ma）以及急劇強烈整體階段性隆升期（>3.66～0Ma）三個階段。另有冉波等，（2008）使用同樣的方法，具體分析了存在于地層剖面沉積物里的重礦物形態(tài)、組合特征、特征指數(shù)等的詳細(xì)數(shù)據(jù)，不僅如此，而且參照了古地磁定年結(jié)果綜合分析，最終確定在青藏高原北緣酒西盆地40～30Ma期間地殼運動經(jīng)過的四個主要構(gòu)造演化時期[8]：構(gòu)造活動階段（40.2～37.9Ma），構(gòu)造穩(wěn)定階段（37.9～35.5Ma），逆沖走滑階段（35.5～33.4Ma），以及強烈逆沖階段（33.4～30Ma）。趙雪松等，（2014）也以庫車前陸盆地重礦物特征，加上不穩(wěn)定重礦物的存在消亡變化與含量變化等有方面存在規(guī)律等特點為依據(jù)，并綜合參考白堊系和侏羅系地層的角度不整合、上侏羅統(tǒng)的缺失還有某些地區(qū)上侏羅統(tǒng)—白堊系礫巖的分布比較普遍等要素進行研究，得出三疊紀(jì)—新近紀(jì)期間庫車前陸盆地存在3個構(gòu)造運動活躍期，即晚侏羅世—早白堊世、晚白堊世和中新世，該發(fā)現(xiàn)與庫車盆地的演化階段相對應(yīng)[11]。因此，可知不穩(wěn)定重礦物和穩(wěn)定重礦物的含量及變化對構(gòu)造演化的響應(yīng)，即認(rèn)為不穩(wěn)定礦物的出現(xiàn)及增加反映源區(qū)構(gòu)造活動較活躍，剝蝕隆升速度較快和沉積區(qū)堆積迅速等特征，反之則為構(gòu)造穩(wěn)定，風(fēng)化剝蝕作用時間長和風(fēng)化作用徹底等特點。

4 砂巖中重礦物可反演沉積環(huán)境

重礦物的分布會由于沉積環(huán)境不同而產(chǎn)生差異。重礦物所具備的各項特點既體現(xiàn)了母巖的組成，也反映出了沉積物在經(jīng)過搬運、沉積等一系列過程中所產(chǎn)生的機械磨蝕、化學(xué)溶解以及物理分選作用，所以運用砂巖沉積物含有的特征重礦物（海綠石、方解石、白云石等）來討論其沉積環(huán)境是一種可行性較高的分析方法[30]，如海綠石主要為淺海沉積相的特征礦物，極少部分會存在于河流沉積中；某些褐鐵礦與赤鐵礦即指向干燥、缺水的氧化環(huán)境；鮞粒綠泥石就表示濱淺海沉積；若是具有特別容易遭受風(fēng)化剝蝕特點的角閃石與輝石得到良好保存，就代表沉積區(qū)離物源區(qū)不遠(yuǎn)。王國茹等，（2011）經(jīng)過分析對比雪峰山隆起、黔中隆起以及地處川東南的小河壩、三泉、秀山周邊黃鐵礦和赤(褐)鐵礦的含量增減與對應(yīng)關(guān)系，最終發(fā)現(xiàn)在距離較近的雪峰山隆起以及黔中隆起區(qū)小河壩組砂巖的沉積環(huán)境是淺水氧化環(huán)境，但是在位于川東南沿河地帶的兩個深坳區(qū)秀山與南川其沉積環(huán)境是水體相對較深的還原環(huán)境[16]。王中波等,（2012）對東海陸架表層砂巖沉積物中重礦物進行鑒定和粒度測試，借助聚類分析，以確定陸源碎屑的重礦物組合特征和沉積分區(qū)，再依據(jù)14C測年與粒度參數(shù)兩項重要指標(biāo)充分研究沉積動力，分析出在各種類別下的地層以及沉積環(huán)境中海洋碎屑沉積物與砂巖所具有的組合與分異特征[17]。

圖1 電氣石組成-物源判別圖（改自文獻(xiàn)[26]）

Fe(tot)為電氣石中Fe的總含量；A：富鋰花崗巖類、偉晶巖和細(xì)晶巖；B：貧鋰花崗巖類、偉晶巖和細(xì)晶巖類；C：熱液蝕變花崗巖類；D：含鋁變質(zhì)泥巖和變質(zhì)砂巖類；E：貧鋁變質(zhì)泥巖和變質(zhì)砂巖類；F：富Fe3+石英-電氣石巖類、鈣硅酸鹽巖和變質(zhì)泥巖類；G：富鈣-鋰花崗巖類、偉晶巖和細(xì)晶巖；H：貧鈣-鋰花崗巖類、偉晶巖和細(xì)晶巖類；I：富鈣變質(zhì)砂巖、變質(zhì)泥巖和鈣硅酸鹽巖；J：貧鈣變質(zhì)砂巖、變質(zhì)泥巖和石英-電氣石巖類；K：變質(zhì)碳酸鹽巖類；L：變質(zhì)超鎂鐵質(zhì)巖類。

5 結(jié)論

1）物源分析方面應(yīng)盡可能綜合考慮重礦物組合特征、分布特征、成分變化以及重礦物特征指數(shù)等，并合理運用判別圖解。另外，單顆粒重礦物的地球化學(xué)性質(zhì)以及同位素測年等信息與重礦物研究結(jié)合分析，可為物源分析提供更準(zhǔn)確、更可靠且更符合地質(zhì)事實的結(jié)論。

2）構(gòu)造演化分析中，重礦物的形態(tài)、晶面花紋、組合變化、含量變化、分布規(guī)律、特征指數(shù)等信息的綜合分析研究是反演盆地的構(gòu)造活動是一種非常有效的手段。并且，結(jié)合研究區(qū)定年結(jié)果以及地質(zhì)特征等綜合分析，可提高所得結(jié)論的可靠性及準(zhǔn)確性。

圖2 石榴石組成-物源判別圖（據(jù)文獻(xiàn)[27]）

A類：高級麻粒巖相的副變質(zhì)巖；B類：低-中級變質(zhì)程度的副變質(zhì)巖；C類：超基性巖和高級片麻巖

3）反演沉積環(huán)境時砂巖中重礦物的組合特征、分布規(guī)律和物化性質(zhì)等可以提供較為有效的依據(jù)，但為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，要求使用較精確的分析手法以及盡可能大的分析量。

4）重礦物分析方法的廣泛應(yīng)用，得益于先進的測試技術(shù)和創(chuàng)新的分析方法的發(fā)展。砂巖中重礦物在物源分析、構(gòu)造演化、沉積環(huán)境指示等方面的應(yīng)用越來越廣，并逐漸向更深層次發(fā)展。但在復(fù)雜的實際地質(zhì)環(huán)境中，不能僅僅使用重礦物分析，應(yīng)該結(jié)合多種方法，僅靠一種方法難免出現(xiàn)偏差。

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Genetic Significance of Heavy Minerals in Sandstone

ZENG Fang-lü1JIANG Kai2HUANG Chao1LI Chen1

(1-College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2-Tibet Tianyuan Mining Co., Ltd., Xigazê, Tibet 857000)

This paper believes that distribution of heavy minerals in sandstone is related to provenance, tectonic evolution, weathering and erosion, ancient landform and paleoclimate, therefore, research on distribution of heavy minerals in sandstone is of great importance to the analysis of provenance, tectonic evolution and sedimentary environment of sandstone. In addition to genetic significance of heavy minerals themselves, comprehensive research into information on heavy minerals in sandstone is a very effective method for the inversion of tectonic activity of a basin. Physical and chemical property, association and distribution of heavy minerals may provide important bases for the inversion of sedimentary environment of sandstone.

sandstone; heavy mineral association; provenance; study of genesis

2019-03-05

曾方侶（1996-），男，四川內(nèi)江人，在讀研究生，研究方向：主要從事礦物學(xué)研究

P618.3

A

1006-0995（2020）01-0026-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.006