砂岩中重矿物的成因意义

曾方侣，姜楷，黄超，李宸[]

砂岩中重矿物的成因意义

曾方侣1，姜楷2，黄超1，李宸1[1]

（1.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059；2. 西藏天圆矿业资源开发有限公司，西藏 日喀则 857000）

砂岩形成过程中，不同的物源区、构造演化、风化剥蚀、古地貌与古气候以及古环境等多种因素都会影响其重矿物的分布，因此，研究砂岩中重矿物的分布特征，对于物源、构造演化和沉积环境的分析有着重大的意义。通过查阅文献和资料整理等方法，笔者对砂岩中重矿物组合特征、分布规律、重矿物特征指数、物化性质、含量变化等在物源分析、构造演化响应、指示沉积环境等方面的研究意义进行了综述和整理。笔者认为：复杂地质工作中，砂岩沉积物分析研究应结合其重矿物成因意义，进行总体评价和综合研究，将会得到更接近地质事实的结论。如物源分析方面除了综合考虑重矿物特征以及重矿物特征指数外，还应运用判别图解；重矿物信息的综合分析研究是反演盆地的构造活动是一种非常有效的手段；砂岩中重矿物的组合特征、分布规律和物化性质等可为反演其沉积环境提供有效的依据。

砂岩；重矿物组合；物源分析；成因研究

国外重矿物的研究始于在二十世纪中期，国内地质工作者也在此时开始对重矿物展开研究与应用[1]。经过几十年的发展，许多研究表明，在地质勘探工作中，重矿物的作用至关重要。砂岩沉积物形成过程中，重矿物的组分和含量会受到不同程度的影响。因此，砂岩中重矿物的组合特征、分布规律、特征指数等信息，在其物源分析、指示沉积环境、响应构造演化等方面有着重大的研究意义。

1 砂岩中的重矿物

表1 常见重矿物分类表

重矿物是相对密度超过2.86g/cm3，分布在陆源碎屑岩之中的矿物。其含量非常低，一般作为副矿物存在于在母岩中，在沉积岩中其质量比重通常不会大于1%，却具有显著的成因意义。早在上个世纪60年代，重矿物就首先被应用与地层对比分析[1]，到了80年代初，重矿物的研究工作开始迅速发展，并且随着先进的测试技术和分析方法在其中的应用，重矿物分析方法开始被广泛应用于追溯物源[2,3,4]、地层分析对比[5]、构造演化的研究[6,7,8,9,10,11]，不仅如此，在岩相古地理的重建[12,13,14]、古气候的恢复[15]和反演沉积环境[16,17]等方面的研究中也都取得了明显的进展，加上地质学家们不断地发展与改进，重矿物分析应用的可靠性及准确性也逐渐提髙。

重矿物主要存在于细砂岩和粉砂岩之中，包含透明或非透明的性质。按照重矿物的抗风化能力与物化性质，可以区分为稳定重矿物与不稳定重矿物两类。稳定重矿物由于物化性质相对稳定同时抗风化能力较强，所以在历经搬运和风化作用后得以保存，也正因如此使得其分布广泛，在离母岩区较远的沉积岩中都依然有着比较高的含量；而不稳定重矿物不仅在抗风化能力方面偏弱，并且分布也不广泛，经过长距离的搬运和不断的风化作用，在离母岩越远的区域，其含量相对越少，但其含量的变化对物源反映十分敏感（表1）。

2 砂岩中重矿物在物源分析中的应用

重矿物组合特征和成分上的差异对物源分析具有重要意义。稳定重矿物和不稳定重矿物在位置和成分上具有差异，并且砂岩当中杂基以及胶结物的特征与含量都容易因成岩作用和后期改造作用发生变化，而重矿物具有的耐剥蚀、稳定性强等物理特点，有利于在数量上和性质上最大限度地保持其母岩的早期状态，综合分析稳定重和不稳定重矿物组分变化和分布特征，可以很好地进行物源追踪。并且重矿物在组合特征方面能够清楚地显示其母岩以及源区的性质（表2），由此也可运用于砂岩物源分析。例如，在同一河流沉积体系控制的沉积范围中，其分布范围和扩散方向，可以根据重矿物的含量等值线作连续变化得出。另外，在同一沉积盆地中，同时期的沉积物具有相同的碎屑组分，而不同时期的沉积物具有不同的碎屑物质，据此，可推测物质来源的方向及区域[18,19,20,21,22]。因此，砂岩中重矿物的组合特征和成分变化可以反映物源的变化。且砂岩具有多旋回性，其形成过程中常伴有多次搬运、沉积以及改造作用，进而影响重矿物的成分或含量的变化。

表2 不同母岩类型的重矿物组合

砂岩沉积过程中重矿物的性质会受水动力条件的影响，一部分沉积组分由于来自成岩作用的影响，比如矿物的层间溶解，其不稳定重矿物含量就会发生改变。为了提高重矿物研究在物源分析中的精确性，便于识别物源特征与变化，重矿物特征指数被提出，重矿物特征指数，即在相似水动力条件和成岩作用下稳定重矿物的含量比值[23]。如ZTR、RZi、ATi、RuZi、CZi、GZi和MZi等。各种指数用于表示相应的沉积物物源特征，在砂岩物源分析中常用的指数如下（表3）：ATi指数（100×磷灰石/（磷灰石+电气石）），作用在于判断风化程度，如果风化程度偏低就可用于反映砂岩的物源变化，也可以指示中酸性岩浆岩物源区，呈正相关关系，还可判断地层是否受到酸性地下水循环的影响；GZi指数（100×石榴石/（石榴石+锆石）），作用在于辨断砂岩中石榴子石的稳定性，反映角闪岩或麻粒岩等变质源岩是否存在，呈正相关特征；MZi指数（100×独居石/（独居石+锆石）），该指数的变化能够反映深埋砂岩的物源情况。ZTR指数的含义是指稳定矿物锆石、电气石与金红石在透明重矿物中所占的比例，用于显示重矿物的成熟度与物源搬运距离，呈正相关特征[16]。

表3 常用重矿物特征指数及其指示意义

随着分析方法和实验技术的创新与不断发展，电子探针已经广泛应用于单颗粒矿物的研究，以便分析其含量、化学组分及类型等。各种重矿物的元素含量和特征，其标准的化学组分指数或判别图可在判别其物源时使用[24]。众多地质学者尽最大限度地利用单颗粒重矿物的地球化学分异特征，根据多种重矿物（如锆石、石榴石、电气石等）研究提出了确定物源的指标和判别图[25]。Henry等（1985）为了区分不同的物源环境（图1）分别提出了两个判别图解[26]，其依据是电气石的化学组分特征。Morton（1987）根据砂岩沉积物中石榴子石的不同端元的成分差异划分了石榴子石类型的三角判别图[2]，Morton等（2005）又在此基础上对该判别图进行了改进（图2）[27]。现如今，物源研究中应用最为广泛的方法是单颗粒矿物测年，物源区岩石形成的年龄限范围由矿物年龄给定，明显提升了运用重矿物分析物源所得结论的准确性。由此，源区位置通常经过常规的重矿物分析方法首先将其范围限定在一定区间内，紧接着为了获得源区岩石的信息，把有代表性的单颗粒矿物以及源区矿物按照地球化学特征进行比较，之后再综合利用同位素测年进一步厘定源区的年龄，就可以为物源分析提供最准确、最可靠并符合地质事实的信息。

3 砂岩中重矿物在构造演化中的应用

构造活动对决定了母岩的类型和盆地的性质，从而对重矿物的组合及特征产生影响[25]。砂岩沉积物形成过程中，保留着地壳差异升降运动的物质记录，其中的重矿物就较好地记录着盆地的构造响应关系[28]，所以对于推导盆地构造活动而言利用重矿物组合与特征指数的方法是较为有效的。例如，构造演化和盆地与造山带的关系可通过在沉积盆地里的砂岩重矿物反映的信息进行分析探究，总体来说从造山带地区剥蚀的，再通过水系的搬运作用存储在邻近盆地中的沉积物可以良好地显示出物源区的构造演化过程，因此从砂岩中获取构造作用信息也是一种有效的方法[29]。除此以外，宋春晖等，（2002）分析了青藏高原北缘酒西盆地的砂岩沉积物中重矿物的形态、组合变化、晶面花纹以及重矿物含量在地层剖面垂直方向上变化，发现其砂岩沉积物中重矿物具规律性变化，指出了青藏高原北缘13Ma之后地壳运动所历经的主要构造演化过程[9]，即稳定期（13～8.26Ma）、逐步阶段性隆升期（8.26～<4.9Ma）以及急剧强烈整体阶段性隆升期（>3.66～0Ma）三个阶段。另有冉波等，（2008）使用同样的方法，具体分析了存在于地层剖面沉积物里的重矿物形态、组合特征、特征指数等的详细数据，不仅如此，而且参照了古地磁定年结果综合分析，最终确定在青藏高原北缘酒西盆地40～30Ma期间地壳运动经过的四个主要构造演化时期[8]：构造活动阶段（40.2～37.9Ma），构造稳定阶段（37.9～35.5Ma），逆冲走滑阶段（35.5～33.4Ma），以及强烈逆冲阶段（33.4～30Ma）。赵雪松等，（2014）也以库车前陆盆地重矿物特征，加上不稳定重矿物的存在消亡变化与含量变化等有方面存在规律等特点为依据，并综合参考白垩系和侏罗系地层的角度不整合、上侏罗统的缺失还有某些地区上侏罗统—白垩系砾岩的分布比较普遍等要素进行研究，得出三叠纪—新近纪期间库车前陆盆地存在3个构造运动活跃期，即晚侏罗世—早白垩世、晚白垩世和中新世，该发现与库车盆地的演化阶段相对应[11]。因此，可知不稳定重矿物和稳定重矿物的含量及变化对构造演化的响应，即认为不稳定矿物的出现及增加反映源区构造活动较活跃，剥蚀隆升速度较快和沉积区堆积迅速等特征，反之则为构造稳定，风化剥蚀作用时间长和风化作用彻底等特点。

4 砂岩中重矿物可反演沉积环境

重矿物的分布会由于沉积环境不同而产生差异。重矿物所具备的各项特点既体现了母岩的组成，也反映出了沉积物在经过搬运、沉积等一系列过程中所产生的机械磨蚀、化学溶解以及物理分选作用，所以运用砂岩沉积物含有的特征重矿物（海绿石、方解石、白云石等）来讨论其沉积环境是一种可行性较高的分析方法[30]，如海绿石主要为浅海沉积相的特征矿物，极少部分会存在于河流沉积中；某些褐铁矿与赤铁矿即指向干燥、缺水的氧化环境；鲕粒绿泥石就表示滨浅海沉积；若是具有特别容易遭受风化剥蚀特点的角闪石与辉石得到良好保存，就代表沉积区离物源区不远。王国茹等，（2011）经过分析对比雪峰山隆起、黔中隆起以及地处川东南的小河坝、三泉、秀山周边黄铁矿和赤(褐)铁矿的含量增减与对应关系，最终发现在距离较近的雪峰山隆起以及黔中隆起区小河坝组砂岩的沉积环境是浅水氧化环境，但是在位于川东南沿河地带的两个深坳区秀山与南川其沉积环境是水体相对较深的还原环境[16]。王中波等,（2012）对东海陆架表层砂岩沉积物中重矿物进行鉴定和粒度测试，借助聚类分析，以确定陆源碎屑的重矿物组合特征和沉积分区，再依据14C测年与粒度参数两项重要指标充分研究沉积动力，分析出在各种类别下的地层以及沉积环境中海洋碎屑沉积物与砂岩所具有的组合与分异特征[17]。

图1 电气石组成-物源判别图（改自文献[26]）

Fe(tot)为电气石中Fe的总含量；A：富锂花岗岩类、伟晶岩和细晶岩；B：贫锂花岗岩类、伟晶岩和细晶岩类；C：热液蚀变花岗岩类；D：含铝变质泥岩和变质砂岩类；E：贫铝变质泥岩和变质砂岩类；F：富Fe3+石英-电气石岩类、钙硅酸盐岩和变质泥岩类；G：富钙-锂花岗岩类、伟晶岩和细晶岩；H：贫钙-锂花岗岩类、伟晶岩和细晶岩类；I：富钙变质砂岩、变质泥岩和钙硅酸盐岩；J：贫钙变质砂岩、变质泥岩和石英-电气石岩类；K：变质碳酸盐岩类；L：变质超镁铁质岩类。

5 结论

1）物源分析方面应尽可能综合考虑重矿物组合特征、分布特征、成分变化以及重矿物特征指数等，并合理运用判别图解。另外，单颗粒重矿物的地球化学性质以及同位素测年等信息与重矿物研究结合分析，可为物源分析提供更准确、更可靠且更符合地质事实的结论。

2）构造演化分析中，重矿物的形态、晶面花纹、组合变化、含量变化、分布规律、特征指数等信息的综合分析研究是反演盆地的构造活动是一种非常有效的手段。并且，结合研究区定年结果以及地质特征等综合分析，可提高所得结论的可靠性及准确性。

图2 石榴石组成-物源判别图（据文献[27]）

A类：高级麻粒岩相的副变质岩；B类：低-中级变质程度的副变质岩；C类：超基性岩和高级片麻岩

3）反演沉积环境时砂岩中重矿物的组合特征、分布规律和物化性质等可以提供较为有效的依据，但为了确保分析结果的准确性和可靠性，要求使用较精确的分析手法以及尽可能大的分析量。

4）重矿物分析方法的广泛应用，得益于先进的测试技术和创新的分析方法的发展。砂岩中重矿物在物源分析、构造演化、沉积环境指示等方面的应用越来越广，并逐渐向更深层次发展。但在复杂的实际地质环境中，不能仅仅使用重矿物分析，应该结合多种方法，仅靠一种方法难免出现偏差。

[1] 侯艺. 重矿物用作地层对比的方法[J]. 地质学报, 1960, (02): 234-239.

[2] Morton A C. Influences of provenance and diagenesis on detrital garnet suites in the Forties Sandstone, Paleocene CentralNorth Sea[J]. Sediment. Petrol., 1987, 57: 1027-1032.

[3] 周天琪, 吴朝东, 史忠奎, 等. 准噶尔盆地南缘侏罗系重矿物特征及其物源指示意义[J]. 石油勘探与开发, 2018, (01): 1-14.

[4] Song H Y, Liu J Q, Yin P, et al. Characteristics of Heavy Minerals and Quantitative Provenance Identification of Sediments from the Muddy Area Outside the Oujiang Estuary Since 5.8 kyr[J]. Journal of Ocean University of China, 2018, 17(06): 1325-1335.

[5] 武法东, 陆永潮, 阮小燕. 重矿物聚类分析在物源分析及地层对比中的应用以东海陆架盆地西湖凹陷平湖地区为例[J]. 现代地质, 1996, 10(3): 397-403.

[6] Hens G H, Karl S. Late Palaeozoic heavy mineral and clast modes from the Belf Cordillera (Southern Spain) transition from a passive to an active continental margin[J]. Sedimentary Geology , 1989, 63: 93-108.

[7] Kwon Y H, Park K S, Yu K M. Detrital heavy mineral Characteristics of rift-related sediments from the Dragon Well in the Cheju Basin (NE East China Sea), Korea[J]. Geoscience Journal(Seoul), 1999, 3: 115-121.

[8] 冉波, 王成善, 朱利东, 等. 等距今40-30Ma时期青藏高原北缘酒西盆地沉积物重矿物分析和构造意义[J]. 地学前缘, 2008, 15(5): 388-397.

[9] 宋春晖, 孙淑荣, 方小敏, 等. 酒西盆地晚新生代沉积物重矿物分析与高原北部隆升[J]. 沉积学报, 2002, 20(4): 552-559.

[10] 方世虎, 郭召杰, 贾承造, 等. 准噶尔盆地南缘中–新生界沉积物重矿物分析与盆山格局演化[J]. 地质科学, 2006, 41(4): 648-662.

[11] 赵雪松, 高志勇, 冯佳睿, 等. 库车前陆盆地三叠系—新近系重矿物组合特征与盆山构造演化关系[J]. 沉积学报, 2014, 32(01): 68-77.

[12] Rajasekhar R D, Sivasankara P V. Heavy minerals from the beach of northern Andhra Pradesh, East Coast of India[J]. India Minerals, 1998, 52(3): 211-216.

[13]Frihy O E, Askary M A, Deghidy E A, et al. Distinguishing fluvio-marine environments in the Nile Delta using heavy minerals[J]. Journal of Coastal Research, 1998, (3): 970-980.

[14] 王明磊, 张廷山, 王兵, 等. 重矿物分析在古地理研究中的应用—以准噶尔盆地南缘中段古近系紫泥泉子组紫三段为例[J]. 中国地质, 2009, 36(02): 456-464.

[15] 彭文彬. 利用黄土—红粘土重矿物组合和锆石U-Pb年代研究黄土高原物源及古气候变化[D]. 2017, 兰州大学.

[16] 王国茹, 陈洪德, 朱志军,等. 川东南-湘西地区志留系小河坝组砂岩中重矿物特征及地质意义[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2011, 38(1): 7-14.

[17] 王中波, 杨守业, 张志珣, 等. 东海西北部陆架表层沉积物重矿物组合及其沉积环境指示[J]. 海洋学报(中文版), 2012, 34(06): 114-125.

[18] 汪正江, 张锦泉, 陈洪德. 鄂尔多斯盆地晚古生代陆源碎屑沉积源区分析[J]. 成都理工学院学报, 2001, (01): 7-12.

[19] 向绪洪, 邵磊, 乔培军, 等. 珠江流域沉积物重矿物特征及其示踪意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2011, 31(06): 27-35.

[20] 谢静, 丁仲礼. 中国东北部沙地重矿物组成及沙源分析[J]. 中国科学：D辑, 2007, 37(8): 1065-1072.

[21] 康春国, 李长安, 张玉芬, 等. 宜昌砾石层重矿物组合特征及物源示踪分析[J]. 地质学报, 2014, 88(02): 254-262.

[22] 李双建, 石永红, 王清晨. 碎屑重矿物分析对库车坳陷白垩—第三纪物源变化的指示[J]. 沉积学报, 2006, (01): 28-35.

[23] Morton A C, Hallsworth C. Identifying provenance species features of detrital heavy mineral assemblages in sandstones[J]. Sedimentary Geology, 1994, 90(3-4): 241-256.

[24] 赵红格, 刘池洋. 物源分析方法及研究进展[J]. 沉积学报, 2003, 21(3): 409-415.

[25] 和钟铧, 刘招君, 张峰. 重矿物在盆地分析中的应用研究进展[J]. 地质科技情报, 2001, 20(4): 29-32.

[26] Henry D J, Guidotti C V. Tourmaline as a petrogenetic indicator mineral-An example from the staurolite-grade metapelites of NW Maine[J]. American Mineralogist, 1985, 70(1): 1-15.

[27] Mortor A C, Whitham A G, Fanning C M. Provenance of Late Cretaceous to Paleocene submarine fan sandses in the Norwegian Sea: Integration of heavy mineral chemical and zircon age data[J]. Sedimentary Geology, 2005, 18(2): 3-28

[28] 王鸿祯, 刘本培, 赵锡文等. 地史学教程[M]. 北京: 地质出版社, 1986.

[29] Najman Y. 2006. The detrital record of orogenesis: A review of approaches and techniques used in the Himalayan sedimentary basins[J]. Earth-Science Reviews, 74:1-72.

[30] 陈丽蓉. 中国海沉积矿物学[M]. 北京: 海洋出版社, 2008. 122-137.

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

曾方侣（1996-），男，四川内江人，在读研究生，研究方向：主要从事矿物学研究

P618.3

A

1006-0995（2020）01-0026-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.006