基于砂岩地球化学特征判别大地构造环境的方法综述*

陈洪达，李向东,2

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.自然资源部深地动力学重点实验室，中国地质科学院地质研究所，北京 100037)

0 引言

碎屑沉积岩中的化学元素在风化剥蚀到固结成岩期间的地表相对停留时间受其所处的大地构造环境影响，化学元素分馏程度不同，元素地球化学特征也不同，所以通过分析碎屑岩中的元素地球化学特征是判别其所处的大地构造环境的较为可靠的方法[1-2]。泥岩和砂岩因具有较高含量的微量元素，且能均匀分布在沉积岩中，目前已成为研究碎屑沉积岩地球化学特征的首选样品[3-5]。前人通过总结不同大地构造环境中碎屑岩的地球化学特征，提出了多种判别图解。通过将特定砂岩的元素地球化学组成与对应的全球标准大地构造环境的化学组成进行对比，可以推断物源区的大地构造环境。根据区域地壳性质，BHATIA等[6]将大陆边缘和大洋盆地划分为大陆岛弧、大洋岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘等4种大地构造环境类型。

碎屑岩的地球化学特征主要包括主量元素特征和微量元素特征，本文结合前人研究成果，系统阐述了砂岩地球化学特征在大地构造环境判别中的应用。

1 砂岩主量元素判别

碎屑沉积岩主量元素的组成在未受强烈风化作用影响时，对确定构造环境具有重要价值[7-9]，其含量及比值是研究构造环境的重要指标。地球化学数据在沉积学的研究中有多解性，在判别大地构造环境时，任何一个参数都有其局限性，故应综合考虑[10-11]。不同的造岩矿物具有特定的地球化学组成，通过将特定砂岩的元素地球化学组成与对应的全球标准大地构造背景的化学组成进行对比，便可推测其源区类型。前人通过总结砂岩主量元素在不同大地构造环境下的化学成分变化关系，提出了一系列主量元素特征值，并据此判断沉积盆地的大地构造环境。BHATIA等[6]总结了这些元素的差异，建立了不同构造环境下砂岩主量元素的化学组成(见表1)。

表1 不同大地构造环境下砂岩的化学成分对比

1.1 砂岩的双变量判别图解

不同构造环境下的砂岩化学成分复杂多样，从表1中可以看出，砂岩成分中的Fe2O3+MgO、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)和TiO2在判别盆地构造环境方面最具意义[6,12]。BHATIA据此提出了一系列判别图解[见图1(a)-图1(d)]来区分大地构造环境，这些图解分区重叠部分较小，效果较好。样品测试数据处理后与BHATIA给出的砂岩平均化学成分进行对比，再投点作图，即可判断碎屑岩源区的大地构造环境。

但判别图解中砂岩的K、Na活动性较强，在搬运成岩过程中易受到SiO2、Al2O3含量的影响，会造成K2O/Na2O比值范围变化较大，从而导致BHATIA的图解误差过大。ROSER等[12]对新西兰砂、泥岩主量元素岩石地球化学特征进行了综合分析，分别提出了SiO2-K2O/Na2O和K2O/Na2O-SiO2/Al2O3二维双变量图解[见图1(e)-图1(f)]，被动大陆边缘环境的K2O/Na2O比值几乎都大于1。

图1 砂岩的判别图解[12-13]

1.2 砂岩判别函数图解及优化图解

BHATIA等[6]通过分析69个古生界砂岩的主量元素数据，引出了判别函数，在此基础上提出了F1-F2判别函数(见表2)及图解(见图2a)。该判别图对比了现代沉积物，以4个岩石分布区定义了4种不同大地构造环境的砂岩。值得注意的是，运用图2a时，对以碳酸盐形式(CaO含量高)存在的样品务必要进行碳酸盐校正，即将样品中碳酸盐的含量数据转换为无CaCO3数据。

表2 砂岩大地构造环境判别函数计算结果[6]

VERMA等[14]发现常用的判别图解的投图成功率极低，这是由于碎屑岩在风化、搬运、成岩作用等过程均会影响元素地球化学信息，所以元素地球化学数据无法反映真实的构造环境信息，致使判别图解不准确。实际上，这些判别图解的地球化学数据是所有物质的平均值，而在物源区大都为多物源混合，使用类似的图解会对大地构造环境造成错误的判断。

VERMA等[14]的研究指出，与物源区的岩性、气候、地形或坡度等因素相比，板块构造对构造环境下沉积物的化学成分影响更大。将已有的地球化学数据进行更详细的分类，分为高硅(质量分数63%～95%)和低硅(质量分数35%～63%)两种类型，提出了新的主量元素判别图解(见图2b-图2c)，可区分3种大地构造环境，即岛弧、大陆裂谷和大陆碰撞。DF1和DF2方程式见表3。

图2 砂岩的F1-F2判别函数图解(a)及优化图解(b, c)[6, 14]

表3 用于新的多维判别图解的判别函数[14]

VERMA等[15]对常用的构造判别图解进行了严格检验，发现其判别成功率不高。基于大量的已知构造环境的碎屑岩地球化学数据库，提出了一种可判别活动大陆边缘和被动大陆边缘的判别图解(见图3)。实验证明，在沉积岩受到风化和成岩作用的影响时，其成功率为84%～97%，可以明确区分海岸地区的活动大陆边缘和被动大陆边缘，能够应用于绝大部分的硅质碎屑岩的大地构造环境判别。

(a)基于主量元素的判别函数 DF(A-P)M=(3.000 5×ilr1TiM)+(2.824 3×ilr2AlM)+(-1.596 0×ilr3FeM)+(-0.705 6×ilr4MnM)+(-0.304 4×ilr5MgM)+(0.627 7×ilr6CaM)+(-1.183 8×ilr7NaM)+(1.591 5×ilr8KM)+(0.152 6×ilr9PM)-5.994 8；(b)基于主量元素+微量元素的判别函数 DF(A-P)MT=(3.268 3×ilr1TiMT)+(5.387 3×ilr2AlMT)+(1.554 6×ilr3FeMT)+(3.216 6×ilr4MnMT)+(4.754 2×ilr5MgMT)+(2.039 0×ilr6CaMT)+(4.049 0×ilr7NaMT)+(3.150 5×ilr8KMT)+(2.368 8×ilr9PMT)+2.835 4×ilr10CrMT)+(0.901 1×ilr11NbMT)+(1.912 8×ilr12NiMT)+(2.909 4×ilr13VMT)+(4.150 7×ilr14YMT)(3.487 1×ilr15ZrMT)-3.208 0。

2 砂岩微量元素判别

砂岩中的微量元素在风化、剥蚀、搬运、沉积等过程中活泼性低，其含量变化与构造环境之间有着内在的必然联系，可以反映物源区的大地构造环境。正因其具有不活泼性，在区分构造环境方面微量元素较主量元素有更高的优越性和准确性。

2.1 砂岩微量元素含量判别

BHATIA等[13]在研究砂岩中微量元素地球化学特征时指出，在不同的构造环境下，La、Th、Zr、Sc、Y、Co、Ti和Nb等微量元素的含量不同，且差异明显，元素含量在风化、搬运、沉积和固结成岩作用等过程中不会受到影响。根据La、Th、Sc、Co、Zr等微量元素含量的比值或相关性即可判别构造环境[16]。

当构造环境由岛弧向大陆边缘变化时，La、Ce、Nd等轻稀土元素和Th、Nb等微量元素含量及Ba/Sr、Rb/Sr、La/Y等比值升高，反之，Sc含量及Ba/Rb比值则降低。

2.2 砂岩微量元素蛛网图判别

页岩标准化蛛网图解(见图4)可表示大洋岛弧、被动大陆边缘和被破坏的边缘(即大陆岛弧和活动大陆边缘)之间的沉积岩差异[17]。大洋岛弧剖面特征表现为亏损大量元素，而大陆岛弧和活动大陆边缘样品则表现出较高的LIL(包括Rb、Ba、K、Th、Sr、La、Ce)浓度和一个宽阔曲线剖面，被动大陆剖面呈现出平坦的趋势。可对样品中微量元素与大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘以及被动大陆边缘的微量元素蛛网图进行比较，以判别研究区所处的大地构造环境。

图4 不同构造环境的砂岩-泥岩微量元素蛛网图[18]

2.3 砂岩微量元素判别图解

BHATIA等[13]通过利用一些不活泼微量元素(如La、Th、Y、Zr、Ti、Co、Ni等)及其含量比值(如La/Y、Ti/Zr等)的稳定性来判别大地构造环境，并归纳出了2种常量元素含量比值的构造环境判别图解[见图5(a)]及3种利用常量元素含量作为端元的三角图解(La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10)[见图5(b)-图5(d)]。根据此判别图解，可区分大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘。在La-Th-Sc图解中，活动大陆边缘和被动大陆边缘的分布区出现了重叠，但Th-Sc-Zr/10图解能将两者彻底分开。

图5 微量元素构造环境判别图解[13]

3 砂岩稀土元素判别

稀土元素因具有较强的抗风化条件而成为判别沉积物源和构造环境的良好指标，砂岩中的稀土元素地球化学特征也能有效反映其物源区的大地构造环境[19]。BHATIA在研究晚太古澳大利亚页岩(PAAS)稀土元素特征时给出了不同大地构造环境下砂岩稀土元素特征值(见表4)和模式曲线(见图6)。由图6可知，曲线自上而下，轻重稀土元素的分馏程度依次增强，Eu元素的亏损增大。通常情况下，利用稀土元素的丰度、比值、总量等特征可区分不同的大地构造环境。

表4 不同构造环境下砂岩稀土元素特征值

图6 不同构造环境中杂砂岩的稀土元素球粒陨石-PAAS标准化曲线[20]

4 讨论

利用判别图解判别大地构造环境的前提是板块构造环境与沉积岩源区存在密切关系，且物源区有大量破碎的未成熟沉积岩[21-22]；但是也存在一个不确定性，即一些砂岩在物源区大地构造环境中通过风化剥蚀、搬运等迁移到了另一种大地构造环境的沉积盆地，导致选取的样品所处的大地构造环境为沉积岩物源区的大地构造环境，而非沉积盆地所处的大地构造环境，这就需要了解清楚沉积盆地的初始构造环境。在实际工作中，应该先从沉积岩结构、构造、沉积相序等沉积学特征入手，结合宏观的构造特征，初步把握沉积盆地的整体构造环境，然后才能选择性地应用上述图解，绝不能只是简单地依据地球化学指标来进行沉积盆地的构造环境反演。

判别图解很少能确切指示大地构造环境，其仅能提供线索，不能作为唯一的证据，需要对用于构造判别图的控制样品作进一步检查。判别图不能只用1个样本，而是需要1组多个样本。这些判别图大多是根据经验总结出来的，为了使其发挥最大作用，必须把握其工作原则。

5 结论

主微量元素地球化学分析方法作为大地构造环境分析的重要方法之一，其应用简便有效。但因其具有多种图解模板，要想使其化学性质获得最真实的解释，需进一步总结各类图解法的最佳适用范围。沉积岩易受其他地质因素的影响，在实际研究中需结合研究区实际的地质构造环境。

大地构造环境主要包括大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘4种类型。沉积岩在不同的大地构造环境中各种化学元素存在不同的特征：当构造环境由岛弧向大陆边缘变化时，主量元素TiO2含量和Al2O3/SiO2比值降低，而K2O/Na2O和Al2O3/(CaO+Na2O)比值升高；微量元素La、Th、Y、Zr、Ti、Co、Ni等具有不活泼性，其含量基本不变。但是有一些沉积岩地球化学特征仅能判别碎屑岩物源区的构造环境，而不能判别碎屑岩沉积的沉积盆地构造环境。