沉積物物源分析方法綜述

周新鋒，李繼紅，王 帥，聶志剛

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;2.陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)隊，陜西 安康725000;3.陜西省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，陜西 咸陽712000)

沉積物物源分析是沉積盆地分析的重要內(nèi)容，主要研究物源區(qū)的方位、侵蝕區(qū)與沉積物母巖區(qū)的位置、母巖的性質(zhì)、沉積物的搬運距離、搬運路徑、了解物源區(qū)的氣候條件、大地構(gòu)造背景、重建古地理面貌等。［1］是確定沉積盆地體系的基礎(chǔ)，是巖石學(xué)的重要內(nèi)容，是石油勘探與開發(fā)的前提［2］。它的精確性直接決定了后期其他工作的有效性與可信性。因此，對物源分析方法的總結(jié)、提高、創(chuàng)新是該內(nèi)容的重中之重。

1 常用物源分析方法

1.1 利用砂巖碎屑巖組分判斷物源

Dickinson最早利用砂巖碎屑組分分析了沉積物源的構(gòu)造背景。［3］為后來的物源分析學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。陸源碎屑巖的主要巖石類型是砂巖，碎屑物質(zhì)為母巖破碎產(chǎn)物，是反映物質(zhì)來源的重要標(biāo)志。進行物源分析時主要利用石英、長石和巖屑的成分比例來判別物源。石英所占的比例越高，表示砂巖的成分成熟度越高，隨沉積物搬運的距離越遠(yuǎn)，長石和巖屑容易被風(fēng)化溶蝕，隨著搬運距離的增加含量相對減少。［4］此外，砂巖的厚度和百分含量的平面分布對物源分析也有一定的指示，砂巖厚度越大，含量越高的地區(qū)離物源區(qū)越近。［7］

1.2 其他碎屑巖類法

1)礫巖:利用礫巖中礫石的成分、礫徑的變化可以確定沉積物物源。礫石中的成分、含量、粒徑大小及百分比、礫石的分選磨圓等都可以作為物源分析的重要輔助證據(jù)。［5］徐田武等人利用該方法分析了蘇北盆地高郵凹陷的物源區(qū)，取得了與其他方法一致的結(jié)果。

2)泥巖:泥巖中的石英顆粒可以確定沉積物到海岸的距離，泥沙組分中的多晶石英特征可指示片麻巖物源，長石含量和成分可以確定花崗巖類物源，角閃巖含量和中性斜長石可以確定閃巖物源(Blatt，1985;趙紅格，2003)。李宣玥等(2012)利用泥巖的顏色分析了渤海灣盆地黃河口凹陷局部地區(qū)的物源，認(rèn)為泥巖的顏色可以指示沉積環(huán)境的氧化-還原條件，通常與沉積物處于的水體深度有關(guān)。紅色或棕色代表的是氧化環(huán)境，灰綠色代表的是弱還原環(huán)境，黑色或深灰色代表強還原環(huán)境。

1.3 重礦物法

因重礦物耐風(fēng)化、穩(wěn)定性強的特點，可以保留重要的母巖信息，是目前最常用的的一種物源分析方法。

1)單礦物法:常用的單礦物顆粒有角閃石、十字石、金紅石、電氣石、綠簾石、石榴石、鋯石、橄欖石、輝石等。通過電子探針可以測定重礦物的含量及其化學(xué)組分、光學(xué)特性等。利用單礦物顆粒的特定化學(xué)組分可以指示沉積物的來源。單礦物含量的比值對物源區(qū)的指示也有重要的意義，比如獨居石/鋯石的比值可以顯示深埋砂巖物源區(qū)的情況;石榴石/鋯石的比值可以分析石榴石的穩(wěn)定性;磷灰石/電氣石的比值可以判斷酸性地下水循環(huán)對層序的影響。［5］

2)重礦物組合法:礦物之間的共生關(guān)系可以很好的作為物源分析的指示劑。不同的重礦物是不同類型的巖體風(fēng)化、搬運和沉積作用的殘存物，不同的礦物組合可以代表特定的母巖來源。尤其是在礦物種類多而且受控因素復(fù)雜的地區(qū)這種方法比較有效。目前，將一些數(shù)學(xué)方法(聚類分析法、因子提取分析、趨勢面分析法等)引入到重礦物組合中，取得了更準(zhǔn)確的效果，更好的反映物源信息。

3)ZTR指數(shù)和穩(wěn)定系數(shù):ZTR指數(shù)是指重礦物中3種最穩(wěn)定礦物(鋯石、電氣石、金紅石)含量占透明重礦物總含量的百分比，指示了重礦物的成熟度。穩(wěn)定系數(shù)則是穩(wěn)定型重礦物相對含量與不穩(wěn)定型重礦物相對含量的比值。離物源區(qū)越遠(yuǎn)，ZTR指數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)越大，因此可以通過這兩個指數(shù)確定物源方向和搬運距離。［8-9］

1.4 沉積構(gòu)造法

利用測井、地震、地質(zhì)資料，通過地層對比劃分，分析研究區(qū)某一時期的地層厚度及沉積展布或沉積微相展布。結(jié)合巖性、成分、沉積形態(tài)、粒度、沉積構(gòu)造、古水流等資料，可以更準(zhǔn)確的分析物源。

1)沉積構(gòu)造相和古生物相分析:沉積盆地內(nèi)砂質(zhì)碎屑的堆積位置和砂體展布方向與物源方向和古水流有密切關(guān)系，［14］沉積構(gòu)造形態(tài)可以判別沉積時的水體環(huán)境，比如小型雙向交錯層理及浪成交錯層理可以指示湖泊水下沉積環(huán)境。一些植物和動物的化石也可以作為古環(huán)境的指示劑，比如垂直蟲管一般發(fā)育在水流攪動性強和富氧環(huán)境中，蘆木根莖化石則為典型沼澤化的淺水洼地產(chǎn)物，屬于分流間灣沉積環(huán)境。［10］

2)古水流分析:古水流分析有助于判斷物源位置、推測盆地沉積物充填布局和砂體延伸方向，對識別沉積環(huán)境和重建古地理有重要意義，［13］不僅可以確定骨架沉積體的走向、圈定古斜披、推測古岸線，也可以按沉積物散布的樣式探索盆地的結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)(屈紅軍，2011)。古水流分析主要依據(jù)波痕和交錯層理、水道和沖蝕、礫石組構(gòu)、底面印痕以及斜披地區(qū)的滑塌構(gòu)造等標(biāo)志［12］

3)構(gòu)造分析:主要是利用斷層構(gòu)造上下盤的輕、重礦物含量或礦物組合分析物源，原理和上述碎屑組分分析法、重礦物分析法的原理相同，需要注意的是該方法適合于斷層斷距較大的研究區(qū)。

2 具有發(fā)展前景的物源分析法

2.1 陰極發(fā)光法

來自不同地區(qū)的石英由于成巖環(huán)境的不同，在陰極射線下呈現(xiàn)不同的發(fā)光特征，因此可以利用石英的陰極放光特征來推測物源區(qū)的母巖類型、沉積物的搬運方向及分布。［14］其中，高溫巖漿巖中的石英多發(fā)藍、紅色光，含有一定量Ti元素，溫度大于573℃;深變質(zhì)巖的石英多發(fā)藍紫色光，淺變質(zhì)巖多發(fā)棕色光;沉積巖的石英不發(fā)光;自生石英有時也發(fā)出與棕紅色碎屑石英相似的光。［15］

2.2 地球化學(xué)分析法

目前，沉積物的地球化學(xué)特征在物源分析方面是最有前景的技術(shù)手段之一，在物源及沉積背景分析中具有非常重要的意義。

1)常量元素分析:黏土及粉砂粒級全巖樣能反映沉積物物源區(qū)的物質(zhì)組成特征。如MgO/(Al2O3×100)可以指示各種環(huán)境中陸源組分和海洋組分的比例;K2O/Al2O3可以確定細(xì)碎屑巖物源區(qū)組分。同時，也可以利用砂巖中的化學(xué)成分分析物源區(qū)的大地構(gòu)造背景。［16-17］

2)稀土元素-微量元素分析:細(xì)粒沉積物中的微量元素和稀土元素目前被廣泛應(yīng)用于沉積物源區(qū)的確定，砂巖的微量元素，尤其是 La、Th、Y、Zr、Co等在研究物源區(qū)和判別構(gòu)造環(huán)境上作用很大，Bhatia和Crook(1986)利用此提出了可以區(qū)分形成于海洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣砂巖的圖解。稀土元素的化學(xué)性質(zhì)比較相近，溶解度低，能夠快速進入細(xì)粒沉積物中而不發(fā)生分異，從而使細(xì)粒沉積物保留了沉積物源區(qū)的地球化學(xué)信息。［17-20］

3)同位素法:用于物源分析的同位素主要有 K-Ar、40Ar/39Ar、Rb-Sr、Sm-Nd、U-Pb、Re-Os。同位素分析主要是確定物源年齡，是一種精確的年代學(xué)物源判定方法，可以反映物源區(qū)的構(gòu)造背景、性質(zhì)及其多樣性。［5、17］如因為 Sm-Nd同位素穩(wěn)定性較強，多用來示蹤物源區(qū);U-Pb則在山脈隆升剝蝕變化等研究上比較可靠。

4)裂變徑跡法:磷灰石、鋯石中的微量鈾雜質(zhì)裂變式在晶格中產(chǎn)生的輻射損傷在經(jīng)過化學(xué)處理后形成徑跡，通過對裂變徑跡的密度、長度等分布的統(tǒng)計，可以提取與物源區(qū)有關(guān)的信息。經(jīng)常被用于和沉積有關(guān)的地層年齡、地殼隆升、埋藏、成巖史等。［5、17］

2.3 測井方法在物源分析中的應(yīng)用

測井曲線可以綜合反映地層中多種信息，包括沉積環(huán)境的變化和物源性質(zhì)等，分形維數(shù)理論可以抽象的表達測井曲線信息。來自同一物源的沉積物在縱向上的變化有一定的規(guī)律性和相似性，不同物源的沉積物則表現(xiàn)出較大的差異性，分形方法可以定量這種相似性和差異性。李昌(2009)利用自然伽馬曲線依據(jù)等時性旋回將柴達木盆地七個泉-獅北地區(qū)劃分為4個沉積旋回，利用分形維數(shù)方法計算了每個旋回的自然伽馬均值和分形維數(shù)，并分析該區(qū)的物源，取得了與其他方法一致的結(jié)果。

3 結(jié)語

物源分析作為地質(zhì)基礎(chǔ)研究的一個技術(shù)手段，與其他科技的發(fā)展密不可分。每一種方法都有其優(yōu)點和劣勢。如碎屑巖組分分析雖然具有直接反映物源的優(yōu)點，但也應(yīng)該考慮此生作用的影響、是否屬于混合源區(qū)的情況以及人為統(tǒng)計的影響等;地球化學(xué)方法具有精確性的特點，但是因為巖石化學(xué)成分容易受到外界環(huán)境的影響，其結(jié)果也有一定的不確定性。在研究某一地區(qū)物源時，應(yīng)該根據(jù)實際情況，利用多種方法綜合分析，以求獲得接近實際的準(zhǔn)確的結(jié)論，同時也應(yīng)該考慮方法的實用性、適用性、經(jīng)濟性等。

物源分析方法的前景主要集中在地球化學(xué)方法上，但是該方法注重于精確性，對于技術(shù)的要求比較高，因此需要多學(xué)科的結(jié)合。測井資料能夠綜合反映地質(zhì)信息，所以利用其分析物源也會是一個很好的方向，不只局限于現(xiàn)今開始應(yīng)用的伽馬曲線。

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