单颗粒碎屑矿物在海洋沉积物物源分析中的应用*

来志庆, 刘海青, 林霖, 韩宗珠, 国坤



单颗粒碎屑矿物在海洋沉积物物源分析中的应用*

来志庆1, 2, 刘海青3, 林霖1, 2, 韩宗珠1, 2, 国坤4

1. 中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100 2. 中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100 3. 胜利油田石油开发中心有限公司科研所, 山东 东营 257000 4. 山东科技大学地球科学与工程学院, 山东 青岛 266590

单颗粒碎屑矿物可减小源区岩石类型、蚀变过程和程度及搬运与沉积过程对物源信息释读的干扰, 已逐渐成为海洋沉积物物源分析的有力工具, 并取得一定的应用成果。目前, 锆石、石榴石、长石、辉石、角闪石、独居石及磁铁矿等均已被成功用于海洋沉积物物源研究, 并主要利用单矿物主量元素、年代学等方法精确识别物源区地质特征和位置, 但单矿物微量元素、同位素及微区结构及多矿物对比研究的应用尚有不足; 因此, 目前对物源信息的释读难免片面, 物源识别方法和技术也仍未成熟。随着方法的发展和完善, 将可开展诸多深入研究, 如通过锆石、独居石、云母和磷灰石等不同矿物的年代学研究, 示踪研究物源区的时空变化; 通过建立多矿物定量研究模型, 进而定量研究源区蚀变速率和源汇过程中的物质输运通量和过程等。文章总结单颗粒碎屑矿物在物源识别中的应用现状, 并展望其应用前景, 以期引起同行对此研究方法的关注, 进一步促进该方法在海洋沉积物物源分析中的应用和发展。

海洋沉积物; 单颗粒碎屑矿物; 物质来源; 研究现状

沉积物物源分析是研究地球表面动力学过程的基础内容之一, 其通过建立物源区与沉积区的关系, 分析沉积物搬运路径、距离和时间等(魏然等, 2013; 李超等, 2015), 并在物源区被全球构造破坏的前提下, 解译古地理、古构造和古气候, 重建古沉积循环过程, 定量研究地质历史时期的地球表面过程与物质输运通量(Caracciolo et al, 2016a)。沉积物物源研究不仅是岩石学、构造地质学与石油地质学的重要内容(徐亚军等, 2007), 也是沉积地质学和海洋地质学的重要内容。

海洋沉积物是地质历史的巨大信息储集库, 对了解地球系统的历史演变具有重要意义。物源分析即解译其中的储集信息, 也是海洋地质学的重要研究内容之一(Morton, 1991)。海洋沉积物物源的识别与研究, 对确定沉积物物源区位置与性质, 揭示沉积物搬运过程、机制及各端元贡献等科学问题具有重要意义(Scheidegger et al, 1971; Gujar et al, 2009), 对分析其沉积成矿过程和评价其资源潜力也具有重要的经济意义(Baturin, 2000; Murton, 2000)。前人对海洋沉积物物源的研究多利用沉积物地球化学与矿物组合特征等开展(颜彬等, 2012; Dou et al, 2015; 王利波等, 2016)。沉积物化学、同位素组成与矿物组合对物源信息的释读往往受到源区岩石类型、蚀变过程和程度及搬运过程中的机械磨蚀、化学蚀变、沉积物粒度乃至水动力分选和沉积过程的影响或干扰。而利用碎屑单矿物化学成分、同位素组成及年龄特征进行物源分析, 可一定程度上减小以上地质过程对物源信息释读的干扰(Mange et al, 2007; Li et al, 2015), 也是对海洋沉积物物源研究方法的重要补充。例如, Boswell(1933)首先根据重矿物微区特征对沉积物物源进行研究, 其后陆续有众多学者利用单矿物化学成分和矿物年龄等对海洋沉积物物源开展研究(Arai et al, 1997; Yang et al, 2006; Wang et al, 2014; 赵利等, 2014; Buchs et al, 2015; Huber et al, 2018)。

目前, 锆石、石榴石、长石、辉石、角闪石、独居石及磁铁矿等均已被成功用于海洋沉积物物源研究(Arai et al, 1997; Yang et al, 2006; Mange et al, 2007; Wang et al, 2014; 赵利等, 2014; Buchs et al, 2015; Li et al, 2015; Caracciolo et al, 2016b; Krippner et al, 2016; Scholonek et al, 2016; Yue et al, 2016; Ali et al, 2018), 并已取得显著成果, 但单矿物物源识别方法和技术仍未成熟。鉴于此, 本文总结了近年来国内外研究成果, 简要介绍了单颗粒碎屑矿物的主要测试方法, 着重探讨了碎屑单矿物在物源分析中的应用研究现状, 并提出几点展望, 以期抛砖引玉, 引起同行们的关注, 进一步促进方法的发展及其在海洋沉积物物源分析中的应用。

1 碎屑矿物微区分析技术

相比传统地球化学方法, 单颗粒矿物的物源识别方法在物源分析研究中拥有良好的应用前景(Mange et al, 2007)。近年来, 随着新技术和方法的应用, 尤其矿物微区化学和同位素成分精确分析技术的进步, 充分挖掘沉积物(特别是单颗粒碎屑矿物)所携带的物源信息水到渠成, 沉积物源区的分析研究取得明显进步和发展。目前, 主要矿物微区测试仪器和方法如表1所示。

表1 碎屑单颗粒矿物微区分析仪器

1.1 电子探针

电子探针(EPMA)全名为电子探针X射线显微分析仪, 主要利用仪器发射出l0~30kV加速电压的高能量电子束轰击样品表面时产生的特征X射线、二次电子、背散射电子等信号, 分析测试样品表面微区化学成分、表面形貌等(Suzuki et al, 1996)。电子探针具有优良的空间分辨率及省时、费用低、不破坏样品的优点, 尤其对矿物微区主量元素的测试效果较好, 测试精度可达1%; 微量元素测试效果较差, 其测试精度仅有5%~10%。在特殊测试条件和方法下, 可将微量元素检测限精确至100×10-6, 测试精度提高至3 % (Lai et al, 2016)。此外, 随着新一代电子探针软硬件系统的不断升级, 其在固体地球科学微区分析研究领域得到越来越广泛的推广和全新的应用。目前, 已有众多学者对橄榄石、辉石、角闪石、石榴子石以及斜长石等矿物及其包体的微区主微量元素和结构特征开展系统详细的研究(Ginibre et al, 2002; Wang et al, 2014; Batanova et al, 2015)。

1.2 二次离子质谱仪

二次离子质谱仪(SIMS )是一种具有较高空间分辨率与高灵敏度的微区分析仪器, 是利用一次离子轰击样品产生的二次离子进行质谱测定的仪器, 并通过与标准样品的比对, 获得样品表面被轰击区域的高精度同位素比值和元素含量信息(李献华等, 2015)。自20世纪60年代以来, 随着测试分析方法的改进和二次离子质谱技术的发展, 此分析技术已被广泛应用于微电子、半导体、材料学、生物、医学、天体物理等领域, 在地球科学领域则广泛应用于锆石、独居石和榍石等矿物的精确定年, 同时也应用于斜长石、辉石和橄榄石Li、O、S等同位素及包体H2O和CO2等挥发分含量的分析测试 (祝兆文等, 2011; Newcombe et al, 2014; Sun et al, 2015; Deegan et al, 2016), 但测试成本高于电子探针和激光剥蚀等离子体质谱仪。

1.3 激光剥蚀等离子体质谱仪

激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)是将激光剥蚀与电感耦合等离子体联用的固体原位微区分析测试仪器, 其将激光束聚焦于样品表面使之熔蚀气化, 由载气(He或/和Ar)将样品微粒(气溶胶)送至等离子体中电离, 再经质谱系统进行质量过滤, 最后用接收器分别检测不同质荷比的离子, 并获得检测信息(刘勇胜等, 2013), 具有原位、实时、快速的分析特点, 但其测试灵敏度和空间分辨率较SIMS稍差(王岚等, 2012)。近年来, 该仪器已逐渐成为非常重要的微区测试分析手段, 主要用于分析测试矿物与包裹体微量元素和同位素, 诸如矿物原位微区U-Pb年龄、Hf同位素和微量元素等(He et al, 2013; Wang et al, 2014)。此外, 也用于斜长石微区Sr和Pb同位素的分析测试 (Murphy et al, 2012; Chen et al, 2015)。

1.4 激光拉曼光谱仪

激光拉曼光谱仪(LRM)是一种非破坏性的微区分析仪器, 可对液体、粉末及固体样品进行拉曼光谱测定(张美珍等, 2008)。其基本原理为: 入射激光引起样品分子(或晶格)产生振动, 致使散射光频率发生变化; 而通过对散射的分析, 并根据物质的特征拉曼光谱, 进行分子结构和成分的微区分析及物质种类识别(陈勇等, 2009)。可用于确定矿床成矿的物质组成和物理化学条件, 研究岩浆在上地幔和地壳中的形成与演化等(何佳乐等, 2015)。

1.5 扫描电镜与能谱仪

扫描电子显微镜(SEM) 是一种多功能电子显微分析仪器, 主要功能是对固态物质进行形貌分析和常规成分的微区分析。其基本原理为: 仪器电子枪发射的电子束与样品相互作用, 激发出二次电子, 背散射电子, 吸收电子、X射线、俄歇电子与阴极发光等不同信号, 基于以上信号进行样品形貌观察和成分分析测试, 具有直观、快速与高分辨率等特点(胡勇平等, 2015)。扫描电子显微镜上一般均配有X射线能谱仪(EDS), 可在形貌观察的同时进行成分半定量分析, 与电子探针的波谱仪(WDS)相比较, 能谱仪的分析速度快, 束斑小, 可获得高分辨率的形貌和结构图像, 但定量分析精度较低(陈莉等, 2015; Ali et al, 2018)。

2 用于海洋沉积物物源分析中的单颗粒碎屑矿物

2.1 锆石

锆石属四方晶系, 化学式为ZrSiO4, 在部分沉积岩和变质岩尤其是碱性和中酸性火成岩中常见, 在基性火成岩中分布较少, 其在温度、压力和流体成分变换明显的环境中经历多次机械剥蚀或/和化学蚀变后, 仍保持稳定的矿物结构和成分特征以及稳定的U-Pb封闭系统(Morton et al, 2008)。锆石是确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄的理想对象, 多具有复杂的内部结构(Lee et al, 1997)。岩浆锆石一般具有振荡环带结构, 变质锆石的特征内部结构主要有无分带、云雾状分带、扇形分带、面状分带、斑杂状分带、海绵状分带和流动状分带等(吴元保等, 2004)。大量研究表明, 锆石即使在麻粒岩相等高级变质条件下仍能保持原有同位素组成, 不同性质岩石的锆石具有差异的同位素组成(Woodhead et al, 2004)。因此, 通过多组锆石年龄和Hf同位素特征分析可认识源岩的可能演化过程, 进而获得准确而有意义的源区信息(Cherniak et al, 2001)。

2.2 长石

长石属单斜晶系或三斜晶系, 共同化学式为XZ4SiO8, 可简单理解为由钾长石、钠长石和钙长石3种简单端元分子组合而成的架状硅酸盐矿物, 作为大陆地壳中最常见的造岩矿物, 广泛存在于不同成因类型的岩石中。其中, 钾钠长石是碱性侵入岩和酸性侵入岩的重要成岩矿物, 在基性岩中少见, 也常出现于长石砂岩中, 并以碎屑物质的形式存在(Ali et al, 2018)。斜长石常见环带结构, 特别是火山岩和浅成岩中斜长石环带最为发育, 且不同构造热事件形成的长石具有不同的结构特征(Ginibre et al, 2002)。此外, 不同岩石中斜长石的An组分含量不同, 花岗岩和花岗闪长岩中斜长石约为An20, 闪长岩为An27-An45, 辉长岩为An55-An88(Lai et al, 2016)。目前已有学者利用长石双晶、微区结构、主微量元素、Ar-Ar年龄、Pb同位素以及阴极发光(CL)图像特征等进行沉积物物源分析(Pittman, 1963; Maynard, 1984; Chetel et al, 2005; Parsons et al, 2005; Tyrrell et al, 2006; Tulloch et al, 2012; Scholonek et al, 2016)。相对于重矿物, 长石稳定性较差, 较易蚀变和风化, 因此其物源指示意义通常被忽视。正由于长石在多沉积循环周期内的不稳定性, 恰可给出第一循环周期的物源指示信息, 因此其对沉积物物源研究也具有重要意义(Wilkinson et al, 2001)。

2.3 石榴石

石榴石族矿物属于等轴晶系, 共同化学式为A3B2(SiO4)3, 其化学成分复杂, 存在极为广泛的类质同象, 常见如镁铁榴石、钙铬榴石、钙铁榴石、铁铝榴石及锰铝榴石等, 可出现于不同岩石类型中, 其成分主要受控于其形成时的温度和压力条件及源岩成分。不同成因类型的石榴石, 其特征元素及其含量差异显著(Andò et al, 2013; Krippner et al, 2016)。幔源成因石榴石的Ca、Cr含量较高(Schulze, 2003)。花岗岩和伟晶岩中石榴石Mn、Y和Fe2+含量较高, 而碱性岩中石榴石以Ti为特征元素, 并含有大量稀土元素(REE), 特别是Zr含量可高达29% (Schulze, 2003; Andò et al, 2013)。因此, 由石榴石族矿物化学成分及其变化可反演其形成条件和成因特征, 即具有标型性, 国内外众多学者也对此开展了大量研究(Schulze, 2003; Grütter et al, 2004; Andò et al, 2013; Li et al, 2015)。Krippner等(2014)基于全球变质成因和岩浆成因石榴石以及碎屑石榴石成分的对比研究, 建立了石榴石成因识别图, 并通过分析研究沉积物与源岩中石榴石成分的相关性, 开展相关物源研究。

2.4 角闪石

闪石族矿物多为单斜晶系, 共同化学式为A0-1B2Y5Z8O22(O, F, Cl)2, 其化学组成复杂, 类质同象现象普遍, 主要有铁闪石、普通角闪石、透闪石、蓝闪石与钠闪石等, 在自然界分布较广, 是部分火成岩和变质岩的主要造岩矿物, 也是河流和浅海硅质碎屑沉积物中的主要重矿物之一(王先兰等, 1985; 金秉福等, 2014)。目前, 已有众多研究者提出不同物源判别指标和模式图, 并对海洋沉积物物源开展相关研究(王先兰等, 1985; Derkachev et al, 1999; Roy et al, 2007; 赵利等, 2014)。

2.5 辉石

辉石族矿物属单链状硅酸盐, 单斜或斜方晶系, 共同化学式为ABZ2O6, 常见斜方辉石、单斜辉石、透辉石、普通辉石及绿辉石, 是一种较为常见的造岩矿物, 多存在于基性火成岩和变质岩中(Buchs et al, 2015)。如顽火辉石常见于橄榄岩中, 但在变质岩中, 顽火辉石也是超基性变粒岩的典型矿物。透辉石多存在于基性和超基性岩中, 同时也是矽卡岩的特征矿物。不同成因的辉石晶体具有不同成分和结构特征。火成岩中透辉石的Cr含量往往较高; 变质岩中斜方辉石Al含量较高, 可高达9.5%; 而石榴石橄榄岩中斜方辉石Al含量较低, 仅1%左右(von Eynatten et al, 2012)。作为物源识别的重要标型矿物, 已有学者基于辉石分类图(图1)等方法, 建立不同构造环境识别模式图, 并应用于海洋沉积物物源分析研究(Buchs et al, 2015; Caracciolo et al, 2016b)。

图1 单斜辉石矿物分类图解(据 Morimoto et al, 1988)

2.6 磁铁矿

典型磁铁矿属等轴晶系, 常呈八面体和菱形十二面体。化学式为Fe3O4, 其中FeO含量为31.03%, Fe2O3含量为68.96%。磁铁矿是花岗岩、正长岩、闪长岩和辉长岩等火成岩中的常见副矿物, 其化学组成、晶体结构、晶体形态及物理性质均具有特定的标型意义, 而且受沉积旋回影响较弱, 可很好地指示矿物形成环境和沉积物物源(王中波等, 2007)。例如, 通过Ti、V含量及Mg/Al比值可甄别源岩是长英质、中性或基性岩, 并进一步判断其是深成岩或火山岩(杨群慧等, 2004), 该方法鉴别源岩类型(火成岩或变质岩)的准确率高达95%( Basu et al, 1989)。目前, 已有学者利用磁铁矿对海洋沉积物的物源进行识别研究(图2)(杨群慧等, 2004; Yue et al, 2016)。

图2 南海东部表层沉积物中磁铁矿TiO2-Al2O3-MgO 成因图解(据杨群慧等, 2004)

Ⅰ.花岗岩; Ⅱ.玄武岩; Ⅲ.辉长岩; Ⅳ. 橄榄岩; Ⅴ1. 角闪岩; Ⅴ2.. 闪长岩; Ⅵ. 金伯利岩; Ⅶ. 热液及钙矽卡岩; Ⅷ. 热液及镁矽卡岩; Ⅸ. 热液与沉积变质叠加; Ⅹ. 碳酸盐岩; Ⅺ. 过渡型

Fig. 2 The TiO2-Al2O3-MgO genesis illustration of magnetite from surface sediments in the eastern South China Sea. After Yang et al (2004). (Ⅰ)Granite; (Ⅱ) basalt; (Ⅲ) gabbro; (Ⅳ) peridotite; (Ⅴ1) amphibolite; (Ⅴ2) diorite; (Ⅵ) kimberlite; (Ⅶ) hydrothermal and Ca-skarn; (Ⅷ) hydrothermal and Mg-skarn; (Ⅸ) metagenesis-hydrothermal superimposed; (Ⅹ) carbonate rock; (Ⅺ) transitional types

2.7 独居石

独居石属单斜晶系, 共同化学式为MPO4, 其为含大量轻稀土元素的磷酸盐矿物, U和Th的含量较高, 其中伟晶岩中独居石ThO2含量最高, 花岗岩次之, 热液成因独居石含量大大降低。独居石主要产于花岗岩、伟晶岩及与之相关的热液矿床中, 因其密度较高, 故在近岸或浅海沉积物中多有出现(Clavier et al, 2011)。近年来, 随着电子探针独居石与锆石U-Th-Pb化学定年法, 即CHIME 地质年代测定方法的发展(Suzuki et al, 1996), 越来越多的研究者利用电子探针对独居石等矿物进行精细微区定年研究, 并应用于沉积物物源分析中(Yang et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。

3 单颗粒碎屑矿物在海洋沉积物物源分析中的应用

碎屑单矿物标型特征的应用, 即利用单矿物成分及含量比值来识别源区, 可有效识别沉积环境、追踪物源区(Weltje et al, 2004)。目前, 不同种类的碎屑单矿物已广泛应用于海洋沉积物物源分析(Krippner et al, 2014; Buchs et al, 2015; Yue et al, 2016; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。

3.1 矿物原位主量元素

不同矿物具有明显不同的主量元素组成特征(Batanova et al, 2015), 而利用辉石、角闪石、石榴石及磁铁矿等碎屑矿物的主量元素特征进行沉积物物源识别是目前应用最广泛的方法之一(Sabeen et al, 2002; Kiyokawa et al, 2009; Yue et al, 2016)。如, 利用磁铁矿晶体化学-成因分类图解对沉积物进行物源识别, 甄别沉积物与源区火山岩等源岩的物源相关性(杨群慧等, 2004); 基于磁铁矿Cr2O3等成分特征反演沉积物的物源输入变化 (Yue et al, 2016)。也有学者基于沉积碎屑单颗粒辉石成分与不同构造成因辉石的对比研究, 识别沉积物的物质来源与输入路径, 揭示沉积物的沉积与运移机制, 并重建沉积演化模式(Kiyokawa et al, 2009; Buchs et al, 2015)。此外, 基于石榴石和角闪石单矿物微区地球化学特征进行海洋沉积物物源识别, 是当今最重要的研究方法之一。基于角闪石和石榴石的矿物类型与化学成分特征, 通过反演物源区的源岩类型, 进而识别沉积物的可能物源区, 识别主要沉积物输入河流, 解译沉积物物源区及输运河流的变化在沉积物中的响应等 (Sabeen et al, 2002; 赵利等, 2014; Li et al, 2015 )。

3.2 矿物年代学

近年来, 锆石与独居石等碎屑矿物年龄逐渐成为海洋沉积物物源分析的有力工具, 并得到广泛应用(Yang et al, 2006; Morton et al, 2008; He et al, 2013; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。通过碎屑锆石U-Pb年龄峰态分布特征的研究(图3), 可确定沉积物的物源区, 还可进一步约束物源区的变化及河流的贯通时间 (贾军涛等, 2010; Wang et al, 2014)。也有学者利用独居石年代学方法, 对长江的物源变化进行研究, 并对古长江的贯通时间进行约束(Yang et al, 2006)。也有学者通过碎屑独居石年龄的研究, 揭示物源区构造热事件或源区岩石类型的沉积响应, 进而识别可能的物源区(Chen et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。此外, 也有学者利用角闪石40Ar/39Ar年龄方法, 通过研究沉积物与源岩的相关性, 探讨沉积物物源的时空变化(Roy et al, 2007), 揭示古气候变化的影响 (Huber et al, 2018)。

3.3 矿物原位同位素

不同成因的同种矿物其主量元素成分可能类同(Wang et al, 2014; White et al, 2016), 但不同成因或同一构造事件中不同构造阶段的矿物其同位素可能有明显区别(Chen et al, 2015)。因此, 碎屑单颗粒矿物同位素可用于沉积物物源分析, 已有学者利用长石Pb同位素和锆石Hf同位素进行海洋沉积物物源分析。利用锆石年龄对沉积物进行物源识别是当前应用最广泛的方法之一, 但精确度有限, 而结合锆石原位Hf同位素可对沉积物物源进行精确制约(Wang et al, 2015)。此外, 不同源区尤其搬运过程中加入的碎屑长石多具有不同的Pb同位素特征, 通过测试和恢复沉积碎屑长石的Pb同位素组成, 并与源岩中长石的Pb同位素特征进行对比研究, 可揭示沉积物的不同搬运路径(Tyrrell et al, 2006), 也可甄别沉积物的物源多样性 (White et al, 2016)。

图3 莺歌海-宋红盆地不同地层碎屑锆石U-Pb年龄谱图(据Wang 等, 2014)

4 单颗粒碎屑矿物在海洋沉积物物源分析中存在的问题和展望

通常来说, 海洋沉积物物源研究可归纳为一个问题, 即解读来自不同源岩碎屑物的时空分布与成因, 其研究难点在于释读其中的物源信息。目前, 单颗粒碎屑矿物已被广泛用于解读海洋沉积物中的物源信息, 并已被众多研究者所接受和认可, 但远未成熟, 尚有诸多问题需要进一步思考和解决。

4.1 多矿物对比研究

随着矿物测试手段与技术的提高以及碎屑单矿物物源研究方法的发展, 越来越多的新识别技术和方法将应用于海洋沉积物物源分析中。但目前海洋沉积物物源识别多基于单类型碎屑矿物或有限几种类型(Buchs et al, 2015; Caracciolo et al, 2016b; Ali et al, 2018), 缺乏系统的对比研究。基于单颗粒矿物对沉积物物源进行识别, 其应用前提即假设矿物分选作用对矿物化学标型影响可忽略不计(von Eynatten et al, 2012), 但源汇过程中机械和化学作用过程导致的分选, 不可避免地对不同碎屑矿物产生影响。例如, 石榴石、角闪石、辉石和长石等不稳定矿物在沉积循环过程中较易遭受磨蚀、化学蚀变甚至溶蚀, 而锆石、石英等稳定矿物在多沉积循环过程中仍可保持矿物成分和结构稳定。因此, 利用不同矿物进行物源研究, 将可获得较完整的物源信息。

海洋沉积物在沉积以前经历了动态平衡的源汇过程, 因此源区岩石特征、风化与剥蚀过程和程度及后期搬运、水动力分选、混合、沉积和循环等沉积过程均可对沉积物成分和矿物组成产生重要影响(Weltje et al, 2004)。利用稳定矿物和不稳定矿物物源信息的对比解读, 可精细甄别第一循环和多循环物源信息, 从而进一步确定可能的物源区及其准确位置。

4.2 矿物微区结构、同位素与微量元素研究

相较于矿物主量元素, 微量元素、同位素和微区结构对矿物经历的结晶过程和构造环境具有更高的相关性和敏感度(Ginibre et al, 2002; Borisova et al, 2016; Lai et al, 2016), 并在源区识别方面具有巨大潜力。特别是同一源岩(地质体或岩体等)的同类矿物可能存在显著的结构和成分特征, 而系统地总结和研究碎屑矿物的微区结构和成分特征, 并结合可能源岩同类矿物的对比研究, 可精确识别物源区。例如, 基于锆石Hf含量研究源岩岩浆结晶分离作用程度(Hoskin et al, 2003); 利用锆石Hf、O同位素, REE含量和Th/U 比值, 判别锆石和岩石成因类型(Valley et al, 1994; Hoskin et al, 2003); 利用长石Fe、Mg等元素和Sr同位素(图4)、辉石Pb同位素以及石榴石微区结构和成分等(Deegan et al, 2016; Lai et al, 2016; Huber et al, 2018), 对源区岩浆演化或变质作用精细过程进行反演和示踪。此外, 不同矿物包体成分在被寄主矿物捕获后几乎不受外部环境影响, 基于不同矿物及其包体成分, 利用温压计方法可估算源岩岩浆结晶或变质的平衡温度、压力以及水含量的变化等地质作用过程(Waters et al, 2015)。基于以上方法可精准反演源区岩浆演化和变质过程, 结合与源区的地质特征的对比研究, 精确识别物源区。此外, 利用长石结构和CL光谱特征可研究源岩的第一循环输入及源区变化(Scholonek et al, 2016); 基于长石热致发光特征, 可对沉积物物源、输运和分布进行示踪研究(Rink, 2003)。以上方法的使用, 将有利于深化和发展碎屑单颗粒矿物在海洋沉积物物源分析中的应用。

图4 冲绳海槽玄武岩中斜长石微区结构与成分剖面图[据Lai等(2016)]

a. 吸收核结构斜长石Fe、Mg、Sr与An组分的剖面图; b. 环带结构斜长石Fe、Mg、Sr与An组分的剖面图

Fig. 4 BSE images and compositional profiles of plagioclase phenocryst from basalts in the Okinawa Trough. (a) Profiles for patchy-core plagioclase; and (b) profiles for fine oscillatory-zoned plagioclase. After Lai et al (2016)

4.3 物源区的时空变化研究

海洋沉积物物源研究有利于示踪揭示源区的构造演化、沉积物的形成和输运机制(Huber et al, 2018)。基于单颗粒碎屑矿物的精确定年可确定源区地球动力学事件的地质时代, 进而识别可能的物源区。目前, 常用矿物定年方法有锆石U-Pb定年和角闪石40Ar-39Ar定年(Roy et al, 2007; Wang et al, 2014), 而磷灰石裂变径迹年龄、云母40Ar-39Ar年龄、金红石U-Pb年龄与独居石U-Th-Pb年龄 (Chen et al, 2006; Yang et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018; Huber et al, 2018), 特别是基于不同碎屑矿物年代学的综合研究较少。不同矿物或同一矿物年龄保存了岩浆或变质作用等不同构造热事件或同一事件不同阶段的地质年代信息; 因此, 利用新型原位分析新技术进行矿物年龄研究, 将有助于碎屑矿物物源信息的精细释读, 从而精确识别物源区地质特征和位置, 结合沉积物沉积时代的研究, 可示踪研究物源区的时空变化。

4.4 物源的定量研究

即使碎屑矿物只占沉积物总体极少比例, 不一定能反映陆源入海物质总体, 但若源区不同地质构造单元或输运河流的沉积物端元成分特征已知, 也可对不同源区的相对物质贡献进行初步定量计算和研究(Vezzoli et al, 2016)。因此, 可通过深入揭示同源碎屑矿物的差异性与异源碎屑矿物的差异性及其区别(成分、同位素、结构和包体等), 并对海洋沉积物的陆地物源区、河流沉积区以及海洋沉积区进行同类矿物的关联和对比研究, 开发可能(全球)物源区的矿物识别数据库, 建立不同矿物的源区识别指标/方法, 进而建立定量化研究模型。在进一步确定物源区及其位置的基础上, 通过释读不同单颗粒矿物的物源信息, 对沉积物颗粒在搬运过程中的分选程度以及矿物颗粒在搬运途中的破坏程度进行研究, 定量研究源区蚀变速率和源汇过程中的物质输运通量和过程 (Watson et al, 2006; Putirka, 2008)。

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Constraints on the marine sediment provenance from single-grain detrital mineral: A review

LAI Zhiqing1, 2, LIU Haiqing3, LIN Lin1, 2, HAN Zongzhu1, 2, GUO Kun4

1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Key Laboratory of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 3. Petroleum Development Center Co., Ltd of Shengli Oil Field, Dongying 257000, China; 4. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

Single-grained detrital minerals have been powerful tool for evaluating marine sedimentary provenance due to their advance for weakening the influence of rock types and alteration in the source, transportation and sedimentation on extracting provenance information. In recent years, zircon, garnet, feldspar, pyroxene, amphibole, monazite, and magnetite were used for sedimentary provenance discrimination in marine science. Single-grained mineral major elements and chronology were often utilized to accurately identify geological characteristics and location of source area; nonetheless, trace elements, isotopes and micro-textures were not sufficient So far, the evaluation of marine sedimentary provenance was fragmentary, which could be evaded by multi-mineral techniques. Further, in-depth studies should be conducted to trace the temporal-spatial evolution of source location through zircon monazite, mica and apatite geochronometry, to quantify erosion rates of source rocks and material flux from source and sink through a multi-mineral quantitative model. In this review, single-grained techniques of minerals in marine provenance research were summarized, and prospects are highlighted to carry out better studies on provenance discrimination of marine sediments.

marine sediment; single-grain detrital mineral; provenance; research status

2018-04-07;

2018-09-13. Editor: SUN Shujie

Shandong Provincial Natural Science Foundation, China (ZR2017PD002); National Natural Science Foundation of China (41376053); Fundamental Research Funds for the Central Universities (201751005)

P736.21

A

1009-5470(2019)01-0085-11

10.11978/2018036

2018-04-07;

2018-09-13。孙淑杰编辑

山东省自然科学基金项目(ZR2017PD002); 国家自然科学基金项目(41376053); 中央高校基本科研业务费专项(201751005)

来志庆(1983—), 男, 山东莒县人, 高级工程师, 主要从事海洋地质教学与研究。E-mail: zqlai@ouc.edu.cn

*感谢两位审稿专家对本文的详细审阅和提出的建设性意见, 同时感谢期刊编辑为本文做出的贡献。

LAI Zhiqing. E-mail: zqlai@ouc.edu.cn