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 地球科學學院，成都 610059；2. 西藏天圓礦業資源開發有限公司，西藏 日喀則 857000）

砂巖形成過程中，不同的物源區、構造演化、風化剝蝕、古地貌與古氣候以及古環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、構造演化和沉積環境的分析有著重大的意義。通過查閱文獻和資料整理等方法，筆者對砂巖中重礦物組合特征、分布規律、重礦物特征指數、物化性質、含量變化等在物源分析、構造演化響應、指示沉積環境等方面的研究意義進行了綜述和整理。筆者認為：復雜地質工作中，砂巖沉積物分析研究應結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事實的結論。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外，還應運用判別圖解；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、分布規律和物化性質等可為反演其沉積環境提供有效的依據。

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中期，國內地質工作者也在此時開始對重礦物展開研究與應用[1]。經過幾十年的發展，許多研究表明，在地質勘探工作中，重礦物的作用至關重要。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、分布規律、特征指數等信息，在其物源分析、指示沉積環境、響應構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60年代，重礦物就首先被應用與地層對比分析[1]，到了80年代初，重礦物的研究工作開始迅速發展，并且隨著先進的測試技術和分析方法在其中的應用，重礦物分析方法開始被廣泛應用于追溯物源[2,3,4]、地層分析對比[5]、構造演化的研究[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[15]和反演沉積環境[16,17]等方面的研究中也都取得了明顯的進展，加上地質學家們不斷地發展與改進，重礦物分析應用的可靠性及準確性也逐漸提髙。

重礦物主要存在于細砂巖和粉砂巖之中，包含透明或非透明的性質。按照重礦物的抗風化能力與物化性質，可以區分為穩定重礦物與不穩定重礦物兩類。穩定重礦物由于物化性質相對穩定同時抗風化能力較強，所以在歷經搬運和風化作用后得以保存，也正因如此使得其分布廣泛，在離母巖區較遠的沉積巖中都依然有著比較高的含量；而不穩定重礦物不僅在抗風化能力方面偏弱，并且分布也不廣泛，經過長距離的搬運和不斷的風化作用，在離母巖越遠的區域，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。穩定重礦物和不穩定重礦物在位置和成分上具有差異，并且砂巖當中雜基以及膠結物的特征與含量都容易因成巖作用和后期改造作用發生變化，而重礦物具有的耐剝蝕、穩定性強等物理特點，有利于在數量上和性質上最大限度地保持其母巖的早期狀態，綜合分析穩定重和不穩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的性質（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，可以根據重礦物的含量等值線作連續變化得出。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，據此，可推測物質來源的方向及區域[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，其不穩定重礦物含量就會發生改變。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，重礦物特征指數被提出，重礦物特征指數，即在相似水動力條件和成巖作用下穩定重礦物的含量比值[23]。如ZTR、RZi、ATi、RuZi、CZi、GZi和MZi等。各種指數用于表示相應的沉積物物源特征，在砂巖物源分析中常用的指數如下（表3）：ATi指數（100×磷灰石/（磷灰石+電氣石）），作用在于判斷風化程度，如果風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，呈正相關關系，還可判斷地層是否受到酸性地下水循環的影響；GZi指數（100×石榴石/（石榴石+鋯石）），作用在于辨斷砂巖中石榴子石的穩定性，反映角閃巖或麻粒巖等變質源巖是否存在，呈正相關特征；MZi指數（100×獨居石/（獨居石+鋯石）），該指數的變化能夠反映深埋砂巖的物源情況。ZTR指數的含義是指穩定礦物鋯石、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，呈正相關特征[16]。

表3 常用重礦物特征指數及其指示意義

隨著分析方法和實驗技術的創新與不斷發展，電子探針已經廣泛應用于單顆粒礦物的研究，以便分析其含量、化學組分及類型等。各種重礦物的元素含量和特征，其標準的化學組分指數或判別圖可在判別其物源時使用[24]。眾多地質學者盡最大限度地利用單顆粒重礦物的地球化學分異特征，根據多種重礦物（如鋯石、石榴石、電氣石等）研究提出了確定物源的指標和判別圖[25]。Henry等（1985）為了區分不同的物源環境（圖1）分別提出了兩個判別圖解[26]，其依據是電氣石的化學組分特征。Morton（1987）根據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）又在此基礎上對該判別圖進行了改進（圖2）[27]?，F如今，物源研究中應用最為廣泛的方法是單顆粒礦物測年，物源區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論的準確性。由此，源區位置通常經過常規的重礦物分析方法首先將其范圍限定在一定區間內，緊接著為了獲得源區巖石的信息，把有代表性的單顆粒礦物以及源區礦物按照地球化學特征進行比較，之后再綜合利用同位素測年進一步厘定源區的年齡，就可以為物源分析提供最準確、最可靠并符合地質事實的信息。

3 砂巖中重礦物在構造演化中的應用

構造活動對決定了母巖的類型和盆地的性質，從而對重礦物的組合及特征產生影響[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記錄，其中的重礦物就較好地記錄著盆地的構造響應關系[28]，所以對于推導盆地構造活動而言利用重礦物組合與特征指數的方法是較為有效的。例如，構造演化和盆地與造山帶的關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的構造演化過程，因此從砂巖中獲取構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、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，發現其砂巖沉積物中重礦物具規律性變化，指出了青藏高原北緣13Ma之后地殼運動所歷經的主要構造演化過程[9]，即穩定期（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、組合特征、特征指數等的詳細數據，不僅如此，而且參照了古地磁定年結果綜合分析，最終確定在青藏高原北緣酒西盆地40～30Ma期間地殼運動經過的四個主要構造演化時期[8]：構造活動階段（40.2～37.9Ma），構造穩定階段（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，加上不穩定重礦物的存在消亡變化與含量變化等有方面存在規律等特點為依據，并綜合參考白堊系和侏羅系地層的角度不整合、上侏羅統的缺失還有某些地區上侏羅統—白堊系礫巖的分布比較普遍等要素進行研究，得出三疊紀—新近紀期間庫車前陸盆地存在3個構造運動活躍期，即晚侏羅世—早白堊世、晚白堊世和中新世，該發現與庫車盆地的演化階段相對應[11]。因此，可知不穩定重礦物和穩定重礦物的含量及變化對構造演化的響應，即認為不穩定礦物的出現及增加反映源區構造活動較活躍，剝蝕隆升速度較快和沉積區堆積迅速等特征，反之則為構造穩定，風化剝蝕作用時間長和風化作用徹底等特點。

4 砂巖中重礦物可反演沉積環境

重礦物的分布會由于沉積環境不同而產生差異。重礦物所具備的各項特點既體現了母巖的組成，也反映出了沉積物在經過搬運、沉積等一系列過程中所產生的機械磨蝕、化學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化剝蝕特點的角閃石與輝石得到良好保存，就代表沉積區離物源區不遠。王國茹等，（2011）經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關系，最終發現在距離較近的雪峰山隆起以及黔中隆起區小河壩組砂巖的沉積環境是淺水氧化環境，但是在位于川東南沿河地帶的兩個深坳區秀山與南川其沉積環境是水體相對較深的還原環境[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，再依據14C測年與粒度參數兩項重要指標充分研究沉積動力，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[26]）

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

5 結論

1）物源分析方面應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等，并合理運用判別圖解。另外，單顆粒重礦物的地球化學性質以及同位素測年等信息與重礦物研究結合分析，可為物源分析提供更準確、更可靠且更符合地質事實的結論。

2）構造演化分析中，重礦物的形態、晶面花紋、組合變化、含量變化、分布規律、特征指數等信息的綜合分析研究是反演盆地的構造活動是一種非常有效的手段。并且，結合研究區定年結果以及地質特征等綜合分析，可提高所得結論的可靠性及準確性。

圖2 石榴石組成-物源判別圖（據文獻[27]）

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

3）反演沉積環境時砂巖中重礦物的組合特征、分布規律和物化性質等可以提供較為有效的依據，但為了確保分析結果的準確性和可靠性，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用，得益于先進的測試技術和創新的分析方法的發展。砂巖中重礦物在物源分析、構造演化、沉積環境指示等方面的應用越來越廣，并逐漸向更深層次發展。但在復雜的實際地質環境中，不能僅僅使用重礦物分析，應該結合多種方法，僅靠一種方法難免出現偏差。

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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，四川內江人，在讀研究生，研究方向：主要從事礦物學研究

P618.3

A

1006-0995（2020）01-0026-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.006