陸源沉積巖物源分析研究進展與發展趨勢①

楊仁超 李進步 樊愛萍 宗 敏 張 濤

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院 北京 100083;2.山東科技大學地質科學與工程學院 山東青島 266590;3.中國石油長慶油田公司 西安 710021;4.中國石油化工股份有限公司華北石油局錄井公司 鄭州 450006)

沉積物物源分析包括古侵蝕區的判別、古地貌特征的重塑、古河流體系的再現、物源區母巖的性質的追蹤、氣候以及沉積盆地構造背景的確定等，是盆地分析的重要內容;隨著地質科學理論的進步和多種現代分析測試手段的提高，物源分析已成為沉積學研究的重點課題之一［1～6］。通過物源分析，既可了解物源區經歷的地質演化過程，借助單顆粒礦物同位素測年技術，還可描述遺失的源區年代史［7］。確定物源區的地理位置、母巖性質及其組合特征、沉積物搬運路徑與距離，開展物源分析研究，不僅是物源區大地構造背景分析、地殼與大地構造演化恢復、古環境與古氣候恢復的重要途徑［8～10］，而且是沉積區巖相古地理重建、原型盆地恢復、沉積盆地分析、沉積礦床預測的重要依據［11～14］。物源分析還可作為連接沉積盆地與造山帶的紐帶和盆山耦合研究的切入點［15］;因此，開展陸源沉積巖物源分析具有重要的科學意義。

1 物源分析方法研究現狀

物源分析作為沉積地質學研究的熱點問題之一，多種分析方法在應用中得以不斷改進和創新。目前國內外常用的物源分析方法主要有以下幾種:

1.1 沉積學方法

沉積學法主要依據沉積學原理，對碎屑巖進行物源分析，如根據碎屑巖粒度由物源向盆地方向逐漸變細、地層厚度變大［16］、砂/地比值向盆地中心方向總體呈降低趨勢;古流向測量及玫瑰花狀圖［17，18］、古地貌分析［19］、結合沉積相分析結果判斷物源。根據地層等厚圖、沉積相展布圖等相關圖件，可推斷出物源區的相對位置，結合巖性、成分、沉積體形態、粒度及古流向等資料，使物源區分析更可靠。但由于古流向具較大的分散度，故上述標志均具有較大的局限性和不確定性，必須做大量的野外觀測和資料統計，方能獲取較客觀的古水流與物源方向信息。沉積學方法的優點是直接、有效、花費小，但不足之處在于統計工作量較大，且僅能判斷物源的大致方向，不能確定物源區的具體位置、母巖性質等具體信息。

1.2 巖石學方法

根據盆地陸源碎屑巖來自母巖的陸源碎屑組合可以推斷物源區母巖類型。尤其是砂礫巖中的礫石成分，可反映基底和物源區母巖的成分，也反映磨蝕的程度、氣候條件以及構造背景。因此，礫石的各種特征是判斷物源區、分析沉積環境的直接標志［20，21］。Dickinson等依據大量的砂巖碎屑成分統計數據，建立了砂質碎屑礦物成分與物源區之間的系統關系，繪制了多個經驗判別三角圖解(Q—F—L，Qm—F—Lt，Qp—Lv—Ls，Qm—P—K 等)［22］，至今仍然被廣泛應用物源區的構造背景分析［23，24］，但是該方法未考慮混和物源以及風化、搬運和成巖作用等作用的影響，在應用過程中也曾出現與實際情況不符的情況［15］。

傳統的巖石學研究手段在物源分析中仍可發揮重要的作用，如偏光顯微鏡可直接鑒定沉積物中的巖屑，是物源的直接標志之一。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的成因，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、長石和巖屑多隨物源變化而具有不同的發光特征，故依據碎屑顆粒在陰極光激發下的顏色特征也可分析物源［25，26］，但陰極發光對物源的判斷受到經驗和較多隨機因素影響。

1.3 重礦物方法

物源分析可用砂巖的重礦物組合、ATi(磷灰石/電氣石)—Rzi(Ti02礦物/鋯石)—MTi(獨居石/鋯石)—CTj(鉻尖晶石/鋯石)等重礦物特征指數、以及鋯石—電氣石—金紅石指數(ZTR指數)來指示物源［27，28］。時代較老的沉積物，重礦物自保存至現今，會因溫度、埋深等條件的不同而使其種類增多，含量分布較分散，保留源巖的信息減小，對判斷物源不利。因此，沉積物時代越新，利用重礦物判斷物源的準確性會越高。同時，水動力會影響沉積時重礦物性質，重礦物組合分析法對源區的精確判別仍存在一定缺陷，對于碎屑重礦物組合在物源分析中的應用，應注意不穩定重礦物的組成，因為在某種程度上，不穩定重礦物才具有判別意義［29］。隨著電子探針的應用，一些學者利用單礦物(如輝石、角閃石、電氣石、鋯石、石榴石等)的地球化學分異特征來判別物質來源［30，31］，如利用石榴石電子探針分析結果來研究物源有其獨到的優越性，可使水動力或成巖作用的影響降低到最小［32］。

1.4 元素地球化學方法

元素地球化學已成為地質構造復雜地區研究的有效手段［33］，元素地球化學法已被國內外學者廣泛運用，包括常量元素、特征元素及其比值法、微量元素(含稀土元素)法［34～37］。一些元素在母巖風化、剝蝕、搬運、沉積及成巖過程中不易遷移，幾乎被等量地轉移到碎屑沉積物中，故可被作為沉積物物源的示蹤物，如 Th、Sc、Al、Co、Zr、Hf、Ti、Ga、Nb 及稀土元素(REE)等，尤其是其中的REE因其具有特殊的地球化學性質而在物源示蹤中運用很廣［38］。

保存在沉積物(巖)中的環境和物源信息，可用多種元素地球化學方法釋讀，如通過研究元素的組成、組合、相對含量、分布規律、比值關系、多元圖解、配分模式，以及元素與同位素的關系等，進行物源示蹤。作為古環境分析的替代性指標，研究元素在表生環境下的地球化學行為，可在示蹤古氣候、沉積物來源、沉積環境和古海洋學事件等領域發揮有效的指示作用［39］。在某種程度上，沉積物成分特征和地球化學特征是物源和沉積盆地大地構造背景的函數［7］，通過對砂巖的研究，提出一系列常量、微量元素地球化學端元判別圖及稀土元素地球化學模式判別圖，用來鑒別不同源區的構造背景，這些方法已被我國學者廣泛運用于大地構造背景的判別。

近年來，一些學者還利用電子探針、激光剝蝕等離子體質譜儀(LA—ICP—MS)、激光感生火化電感耦合等離子體質譜(LINA—ICP—MS)、電子順磁共振(EPR)等成分分析儀器，測得重礦物中的常量元素、石英顆粒微量元素［40，41］，根據礦物元素的組成、相對含量、元素的組合，建立多元圖解和配分模式，用于物源分析和大地構造背景判別及沉積環境分析［42～44］。大多數特征元素均受成巖作用的影響，導致物源判別結果出現多解性，而選擇化學性質相近、相關性強、在沉積成巖過程中富集程度相似的特征元素比值作為物源示蹤指標，能夠有效地避免成巖作用的影響［45］。

在不發生重結晶的情況下，石英在搬運、沉積和成壤過程中，它的氧同位素比值(δ18O)不發生改變，能夠保存源巖形成環境等信息［46］，因此沉積物中石英的δ18O值可以用來探討石英的形成環境、追蹤物源區和母巖的特征［47］。

元素地球化學分析物源兼具有效、經濟、定量等優點，既適用于富含基質的砂巖和頁巖，又可確定物源的年齡和地球化學演化歷史［11］;并可有效的避免水動力因素的影響［38］。元素地球化學分析建立在沉積物對母巖的主元素組合的繼承性基礎上。但應該注意到主元素的活動性和可遷移性，原則上只是在短距離搬運和化學風化很弱的條件下才具有較好的可比性。化學變異指數(CIA)提供了一種定量硅酸鹽礦物風化度的方法［48～51］。同時在進行元素組合分析時，還要考慮到搬運過程中的稀釋作用，即應注意相對含量而非絕對含量。

1.5 地質年代學方法

單顆粒碎屑礦物的同位素測年在物源分析中的應用方面，目前應用的方法主要有:碎屑顆粒的(磷灰石、鋯石)裂變徑跡測年法［52］、含鈾微相(鋯石、獨居石和榍石)U—Pb測年法［53～55］、(碎屑云母和角閃石)40Ar/39Ar 測年 法［56］、Rb—Sr 法［57］、Sm—Nd法［58，59］、Sr—Nd 法［60］、87Sr/86Sr 法［61］、207Pb/206Pb［62］法等。

裂變徑跡法分析物源區是利用磷灰石、鋯石中所含的微量鈾雜質裂變時在晶格中產生的輻射損傷，經一系列化學處理后，形成徑跡，通過觀測徑跡的密度、長度等分布，并對其加以統計分析，從中提供與物源區的年齡及構造演化有關的信息。在物源研究方面，不僅可以利用同位素之間的相互關系來判別物源區，如利用綠簾石中的Nd和Sr同位素比值進行物源判別(幔源或殼源)，更重要的是通過沉積物年齡的測定來判別物源［63］。

1.6 地球物理學方法

地球物理學在物源分析中的應用主要有測井地質學法和地震地層學法［64］。測井地質學法主要利用自然伽馬曲線分形維數、地層傾角測井來判斷物源方向［65，66］;利用地震地層學確定物源和古水流方向也有成功的案例［18］，如利用地震反射特征勾繪進積方向，詳細刻畫了北塘凹陷古近系沙三段古物源體系［67］。

1.7 粘土礦物學方法

泥巖的滲透率一般低于砂巖，在成巖過程中不易受到外來流體和物質的影響，故其在確定物源方面可能比砂巖有用。另外，碎屑粘土是泥巖中的獨特組分，在確定物源和古氣候方面有很大的應用潛力，尤其是在淺層沉積物的物源示蹤及第四紀以來的氣候變化研究方面應用廣泛［68，69］;還可利用 Al/Ca或高嶺石/蒙脫石比值來判斷物源方向和預測儲層［70］。

1.8 化石及生標化合物方法

借助于沉積物中微體化石的分析，以及泥質區正構烷烴、姥鮫烷、植烷、藿烷和甾烷等生物標志物的特征來判斷有無陸源高等植物的輸入［71］，通過不同來源和成熟度的生物標志物，來判斷沉積有機質與碎屑沉積物的來源。

2 物源分析新技術與新方法

2.1 磁性礦物學方法

磁性礦物學在物質來源鑒別方面發揮著重要作用，通過對環境物質進行磁性測量，分析磁性礦物的類型、組合、含量、粒度和晶疇等特征，可有效揭示物源信息［72］。與傳統的研究方法相比，磁學手段具有樣品用量少、靈敏度高、簡單快速、非破壞性、信息量大等優點［73］，而得以發展和應用。

2.2 礦物顆粒微形貌分析方法

近年來，重礦物顆粒表面結構分析對物源的指示意義也逐漸被重視。重礦物顆粒可以與石英一樣進行礦物顆粒表面結構分析，借助掃描電鏡可以揭示顆粒表面不同的結構組合，研究重礦物顆粒表面的形態可以確定物源及其運移過程［74］。因此不但可以通過礦物微區探針、化學組成和示蹤元素來分析物源，而且可以由礦物表面形態判定沉積物在源區至沉積區搬運過程中的不同階段并闡明影響礦物顆粒的不同過程。Cardona等［74］發現重礦物顆粒晶體表面的晶紋和形態不僅可進一步證實通過探針、地球化學和裂變徑跡等方法獲得的物源信息，而且還可以區分出重礦物的演化階段并闡明礦物從開始搬運直到最終沉積，影響礦物顆粒的不同過程，并在研究Guadalete河流階地時得到應用。

3 物源分析發展趨勢

隨著先進分析手段的使用，沉積物所攜帶的物源信息被大量挖掘，物源區資料的應用前景變得更為廣闊，未來的發展呈現如下趨勢:

3.1 從傳統方法向現代分析測試技術的轉化

早期的物源分析主要依靠沉積學、地層學、巖石學、重礦物等方法;雖然傳統的方法依然有效，但現在更多的依賴于掃描電鏡、陰極發光、X衍射、電子探針、能譜分析、電子探針及激光剝蝕等離子體質譜儀(LA—ICP—MS)、激光感生火化電感耦合等離子體質譜(LINA—ICP—MS)、電子自旋共振(ESR)測年、電子順磁共振(EPR)等現代分析測試技術的綜合運用［75～80］。

3.2 從單一方法到多方法的綜合運用

物源分析正從早期單一方法到多方法的綜合運用、從單一學科走向多學科聯合交叉轉變，如巖石特征—重礦物—全巖主量元素—微量元素—稀土元素組合［81］，巖石學數據—古水流數據—巖石化學［82］組合、重礦物—元素地球化學—同位素年代地質學組合［83～86］、同位素地球化學—粘土礦物學的組合［58］、重礦物—石榴石地球化學—古流向的綜合運用等［87］。在地質工作者不懈的努力和探索中，隨著現代測試技術的不斷提高，物源分析方法將會更加完善和豐富.由定性分析走向定量分析，由單一方法走向多學科多方法的綜合運用，這將是物源體系分析的未來發展方向［88］。

3.3 從定性判斷到定量分析

定量物源分析(QPA:quantitative provenance a-nalysis)是定量地評價從可識別的物源區到盆地充填過程中的碎屑物質類型、數量及供給速率［89］。隨著先進分析手段，如電子探針、離子探針、等離子質譜技術以及同位素測年等的應用，從定性到定量是物源分析的必然趨勢。現代分析測試技術、數學定量模型［90］和計算機技術的提高［91］為定量物源分析提供了發展機遇［92～93］。沉積物(特別是單顆粒礦物)所攜帶的物源信息的大量挖掘變得可行，物源區資料的應用前景也更為廣泛。

在定量研究方面，已發展出兩個分支:一是模式識別，如判別分析、模糊聚類、神經網絡識別［94］;另一分支則基于“質量守衡”原理，通過數理統計方法實現物源的定量識別［89］，提出了物源定量識別的非線性規劃數學模型，并利用模型計算了東海陸架北部表層沉積物細粒級部分之長江、黃河物源的貢獻量。

3.4 新技術新方法不斷涌現

在國內外廣大學者的不斷探索和實踐中，有關物源分析的新技術新方法層出不窮。如最新的研究結果顯示，Hf同位素［2，3］與斑脫土化學特征［95］被作為物源變化的標志首次應用于物源分析;磁性礦物包裹體及磁學手段被不斷發展和應用［72，73］;近年來，石英顆粒［96］及重礦物［74，97］的顯微晶面形貌特征對物源的指示意義也被成功應用。

4 影響因素與問題討論

構造運動對物源位置、物質成分及結構、搬運路徑、甚至最終的沉積位置等方面有明顯影響，構造抬升可以使物源區發生變化，可造成地層巖石碎屑組分及年齡分布范圍加大;走滑斷層可使某一時期沉積物與源巖發生長距離側向位移，造成沉積體系的不連續及其與源區的分離;逆沖推覆作用可使源巖消失殆盡或僅留殘片［7］，都會增加物源分析的難度，故物源分析必須結合其構造背景、構造運動的特點。

雖然物源分析在上述各個方面取得了重要的進展，但目前仍然存在一些問題尚待解決，如:哪種沉積物或元素對環境的變化最為靈敏?如何確定再旋回石英顆粒的物源?搬運路徑中的沉積體系構型較少涉及;機械沉積分異作用和化學沉積分異作用對母巖和沉積巖(物)造成的成分差異未被評估;在每個沉積階段，母巖在被風化侵蝕過程中，礦物種類、組分的改變或溶解對物源分析所造成的影響需要評估;這些因素對物源分析結果均會產生一定影響，如何量化這些因素，目前的研究基礎較薄弱。物源區分析往往是基于碎屑組分、化學成分或年齡等與可能物源區的對比，往往僅具有統計意義。因此，深入了解區域地質背景，把握物源區與沉積區的構造活動和演化歷程，大量收集可能的物源區的地質信息，在此基礎上，結合一定數量的樣品測試，進行數據統計分析，才能得出理想的物源分析結果。

5 結語

作為沉積盆地分析的重要內容之一，陸源沉積巖物源分析不僅是古地貌的重塑、巖相古地理重建、原型盆地恢復、沉積盆地演化再現、盆地沉積格局與沉積體系分析、沉積礦產預測、油氣儲層預測、母巖性質追蹤的重要依據，而且是物源區大地構造背景分析、地殼與大地構造演化恢復、古環境與古氣候恢復的重要途徑，還可作為連接沉積盆地與造山帶的紐帶和盆山耦合研究的切入點。陸源沉積巖物源分析將在未來的地質研究、沉積礦產預測和勘探中發揮重要的作用，并倍受大地質工作者關注。在科學理論不斷進步、科學儀器日新月異、新技術方法層出不窮的新時代，陸源沉積巖物源分析也必將邁入快速發展的新紀元。

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