沉积物物源分析方法综述

2013-03-24周新锋李继红聂志刚

地下水 2013年1期

周新锋，李继红，王帅，聂志刚

(1.西北大学地质学系，陕西西安710069;2.陕西省地质矿产勘查开发局第一地质队，陕西安康725000;3.陕西省区域地质矿产研究院，陕西咸阳712000)

沉积物物源分析是沉积盆地分析的重要内容，主要研究物源区的方位、侵蚀区与沉积物母岩区的位置、母岩的性质、沉积物的搬运距离、搬运路径、了解物源区的气候条件、大地构造背景、重建古地理面貌等。［1］是确定沉积盆地体系的基础，是岩石学的重要内容，是石油勘探与开发的前提［2］。它的精确性直接决定了后期其他工作的有效性与可信性。因此，对物源分析方法的总结、提高、创新是该内容的重中之重。

1 常用物源分析方法

1.1 利用砂岩碎屑岩组分判断物源

Dickinson最早利用砂岩碎屑组分分析了沉积物源的构造背景。［3］为后来的物源分析学科奠定了基础。陆源碎屑岩的主要岩石类型是砂岩，碎屑物质为母岩破碎产物，是反映物质来源的重要标志。进行物源分析时主要利用石英、长石和岩屑的成分比例来判别物源。石英所占的比例越高，表示砂岩的成分成熟度越高，随沉积物搬运的距离越远，长石和岩屑容易被风化溶蚀，随着搬运距离的增加含量相对减少。［4］此外，砂岩的厚度和百分含量的平面分布对物源分析也有一定的指示，砂岩厚度越大，含量越高的地区离物源区越近。［7］

1.2 其他碎屑岩类法

1)砾岩:利用砾岩中砾石的成分、砾径的变化可以确定沉积物物源。砾石中的成分、含量、粒径大小及百分比、砾石的分选磨圆等都可以作为物源分析的重要辅助证据。［5］徐田武等人利用该方法分析了苏北盆地高邮凹陷的物源区，取得了与其他方法一致的结果。

2)泥岩:泥岩中的石英颗粒可以确定沉积物到海岸的距离，泥沙组分中的多晶石英特征可指示片麻岩物源，长石含量和成分可以确定花岗岩类物源，角闪岩含量和中性斜长石可以确定闪岩物源(Blatt，1985;赵红格，2003)。李宣玥等(2012)利用泥岩的颜色分析了渤海湾盆地黄河口凹陷局部地区的物源，认为泥岩的颜色可以指示沉积环境的氧化-还原条件，通常与沉积物处于的水体深度有关。红色或棕色代表的是氧化环境，灰绿色代表的是弱还原环境，黑色或深灰色代表强还原环境。

1.3 重矿物法

因重矿物耐风化、稳定性强的特点，可以保留重要的母岩信息，是目前最常用的的一种物源分析方法。

1)单矿物法:常用的单矿物颗粒有角闪石、十字石、金红石、电气石、绿帘石、石榴石、锆石、橄榄石、辉石等。通过电子探针可以测定重矿物的含量及其化学组分、光学特性等。利用单矿物颗粒的特定化学组分可以指示沉积物的来源。单矿物含量的比值对物源区的指示也有重要的意义，比如独居石/锆石的比值可以显示深埋砂岩物源区的情况;石榴石/锆石的比值可以分析石榴石的稳定性;磷灰石/电气石的比值可以判断酸性地下水循环对层序的影响。［5］

2)重矿物组合法:矿物之间的共生关系可以很好的作为物源分析的指示剂。不同的重矿物是不同类型的岩体风化、搬运和沉积作用的残存物，不同的矿物组合可以代表特定的母岩来源。尤其是在矿物种类多而且受控因素复杂的地区这种方法比较有效。目前，将一些数学方法(聚类分析法、因子提取分析、趋势面分析法等)引入到重矿物组合中，取得了更准确的效果，更好的反映物源信息。

3)ZTR指数和稳定系数:ZTR指数是指重矿物中3种最稳定矿物(锆石、电气石、金红石)含量占透明重矿物总含量的百分比，指示了重矿物的成熟度。稳定系数则是稳定型重矿物相对含量与不稳定型重矿物相对含量的比值。离物源区越远，ZTR指数和稳定系数越大，因此可以通过这两个指数确定物源方向和搬运距离。［8-9］

1.4 沉积构造法

利用测井、地震、地质资料，通过地层对比划分，分析研究区某一时期的地层厚度及沉积展布或沉积微相展布。结合岩性、成分、沉积形态、粒度、沉积构造、古水流等资料，可以更准确的分析物源。

1)沉积构造相和古生物相分析:沉积盆地内砂质碎屑的堆积位置和砂体展布方向与物源方向和古水流有密切关系，［14］沉积构造形态可以判别沉积时的水体环境，比如小型双向交错层理及浪成交错层理可以指示湖泊水下沉积环境。一些植物和动物的化石也可以作为古环境的指示剂，比如垂直虫管一般发育在水流搅动性强和富氧环境中，芦木根茎化石则为典型沼泽化的浅水洼地产物，属于分流间湾沉积环境。［10］

2)古水流分析:古水流分析有助于判断物源位置、推测盆地沉积物充填布局和砂体延伸方向，对识别沉积环境和重建古地理有重要意义，［13］不仅可以确定骨架沉积体的走向、圈定古斜披、推测古岸线，也可以按沉积物散布的样式探索盆地的结构及几何形态(屈红军，2011)。古水流分析主要依据波痕和交错层理、水道和冲蚀、砾石组构、底面印痕以及斜披地区的滑塌构造等标志［12］

3)构造分析:主要是利用断层构造上下盘的轻、重矿物含量或矿物组合分析物源，原理和上述碎屑组分分析法、重矿物分析法的原理相同，需要注意的是该方法适合于断层断距较大的研究区。

2 具有发展前景的物源分析法

2.1 阴极发光法

来自不同地区的石英由于成岩环境的不同，在阴极射线下呈现不同的发光特征，因此可以利用石英的阴极放光特征来推测物源区的母岩类型、沉积物的搬运方向及分布。［14］其中，高温岩浆岩中的石英多发蓝、红色光，含有一定量Ti元素，温度大于573℃;深变质岩的石英多发蓝紫色光，浅变质岩多发棕色光;沉积岩的石英不发光;自生石英有时也发出与棕红色碎屑石英相似的光。［15］

2.2 地球化学分析法

目前，沉积物的地球化学特征在物源分析方面是最有前景的技术手段之一，在物源及沉积背景分析中具有非常重要的意义。

1)常量元素分析:黏土及粉砂粒级全岩样能反映沉积物物源区的物质组成特征。如MgO/(Al2O3×100)可以指示各种环境中陆源组分和海洋组分的比例;K2O/Al2O3可以确定细碎屑岩物源区组分。同时，也可以利用砂岩中的化学成分分析物源区的大地构造背景。［16-17］

2)稀土元素-微量元素分析:细粒沉积物中的微量元素和稀土元素目前被广泛应用于沉积物源区的确定，砂岩的微量元素，尤其是 La、Th、Y、Zr、Co等在研究物源区和判别构造环境上作用很大，Bhatia和Crook(1986)利用此提出了可以区分形成于海洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘砂岩的图解。稀土元素的化学性质比较相近，溶解度低，能够快速进入细粒沉积物中而不发生分异，从而使细粒沉积物保留了沉积物源区的地球化学信息。［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。同位素分析主要是确定物源年龄，是一种精确的年代学物源判定方法，可以反映物源区的构造背景、性质及其多样性。［5、17］如因为 Sm-Nd同位素稳定性较强，多用来示踪物源区;U-Pb则在山脉隆升剥蚀变化等研究上比较可靠。

4)裂变径迹法:磷灰石、锆石中的微量铀杂质裂变式在晶格中产生的辐射损伤在经过化学处理后形成径迹，通过对裂变径迹的密度、长度等分布的统计，可以提取与物源区有关的信息。经常被用于和沉积有关的地层年龄、地壳隆升、埋藏、成岩史等。［5、17］

2.3 测井方法在物源分析中的应用

测井曲线可以综合反映地层中多种信息，包括沉积环境的变化和物源性质等，分形维数理论可以抽象的表达测井曲线信息。来自同一物源的沉积物在纵向上的变化有一定的规律性和相似性，不同物源的沉积物则表现出较大的差异性，分形方法可以定量这种相似性和差异性。李昌(2009)利用自然伽马曲线依据等时性旋回将柴达木盆地七个泉-狮北地区划分为4个沉积旋回，利用分形维数方法计算了每个旋回的自然伽马均值和分形维数，并分析该区的物源，取得了与其他方法一致的结果。

3 结语

物源分析作为地质基础研究的一个技术手段，与其他科技的发展密不可分。每一种方法都有其优点和劣势。如碎屑岩组分分析虽然具有直接反映物源的优点，但也应该考虑此生作用的影响、是否属于混合源区的情况以及人为统计的影响等;地球化学方法具有精确性的特点，但是因为岩石化学成分容易受到外界环境的影响，其结果也有一定的不确定性。在研究某一地区物源时，应该根据实际情况，利用多种方法综合分析，以求获得接近实际的准确的结论，同时也应该考虑方法的实用性、适用性、经济性等。

物源分析方法的前景主要集中在地球化学方法上，但是该方法注重于精确性，对于技术的要求比较高，因此需要多学科的结合。测井资料能够综合反映地质信息，所以利用其分析物源也会是一个很好的方向，不只局限于现今开始应用的伽马曲线。

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