田豹

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100)

重礦物物源分析研究進(jìn)展

田豹

(長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100)

重礦物資料作為物源分析最常見(jiàn)的基礎(chǔ)資料之一，通過(guò)廣泛調(diào)研文獻(xiàn)資料，綜述了結(jié)合重礦物資料分析物源方向、母巖類型的方法和沉積過(guò)程中各個(gè)因素對(duì)重礦物的影響，指出重礦物分析物源的優(yōu)越性和局限性。認(rèn)為在利用重礦物分析物源時(shí)，應(yīng)該綜合考慮對(duì)重礦物的影響因素，尤其要考慮漫長(zhǎng)的成巖作用，并就其未來(lái)發(fā)展提出了一些看法。

重礦物;物源分析;成巖作用;多元統(tǒng)計(jì)

0 前言

重礦物是指巖石中普遍含量＜1%、顆粒粒度較小(0．25～0．05 mm)、密度＞2．86 g/cm3且性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的礦物［1］。沉積物源分析除了能間接反映母巖類型之外，還能幫助判斷物源方向和控制沉積儲(chǔ)層的質(zhì)量及其分布。重礦物有耐磨蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定特性，因此風(fēng)化、搬運(yùn)及成巖作用對(duì)其影響較弱。故而在遠(yuǎn)離母巖區(qū)的沉積巖中，重礦物含量相對(duì)較高，且能較好地繼承母巖的特性。因此，重礦物資料分析是物源分析的重要手段之一。

早在1881年人們就開(kāi)始在顯微鏡下分析重礦物并應(yīng)用重礦物進(jìn)行物源研究，但開(kāi)始的研究?jī)H僅是片面性的描述。直到1902年Thomas才開(kāi)始首次利用重礦物分析結(jié)果來(lái)判斷物源方向及特征，之后重礦物方法便成為了研究沉積物源的常規(guī)重要手段。地質(zhì)科學(xué)的研究不斷進(jìn)步，有了礦物分布區(qū)帶(Distributive Province)的理論，這才將物源區(qū)母巖類型與重礦物組合特征建立了聯(lián)系。該理論闡述了不同類型的母巖由于其礦物組成不同，經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)破壞后會(huì)產(chǎn)生差別各異的重礦物組合［2］。Fleet的研究使得重礦物分析迅猛發(fā)展，各個(gè)重礦物的百分含量由于引進(jìn)了礦物顆粒計(jì)數(shù)方法才得以定量的計(jì)算出來(lái)，這樣重礦物分析從過(guò)去的宏觀定性階段上升到微觀定量化階段［3］。特殊礦物組合或單顆粒重礦物的含量占比對(duì)物源判別有十分重要的指導(dǎo)意義。沉積物中受高級(jí)變質(zhì)巖類母巖的影響程度可以由紅柱石、藍(lán)晶石、硅線石的百分含量之和來(lái)間接反映;重礦物的成熟度可由ZTR指數(shù)來(lái)反映;深埋砂巖物源區(qū)的情況可由RZi指數(shù)、MZi指數(shù)來(lái)輔助判斷［4］。

然而，雖然重礦物因其物理化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，較大程度地保留其母巖的特性而在沉積物源分析中都扮演著很重要的角色。但是，在沉積這個(gè)漫長(zhǎng)的歷史演化中，還有其他很多因素常常會(huì)影響重礦物組合和豐度，如物理的風(fēng)化、機(jī)械破碎和分選，化學(xué)的后生成巖作用等。影響最大的是后期風(fēng)化和漫長(zhǎng)的后生成巖作用，這些因素對(duì)準(zhǔn)確判別物源區(qū)產(chǎn)生了極大地干擾作用，且在利用重礦物分析物源時(shí)，很少有人考慮到成巖作用對(duì)重礦物強(qiáng)烈的影響作用。

近年來(lái)，新疆油田在環(huán)瑪湖凹陷百口泉組扇三角洲取得重大突破，但由于經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的成巖作用，無(wú)法較好的利用重礦物資料對(duì)該區(qū)進(jìn)行物源分析，扇三角洲體系認(rèn)識(shí)不清。全面了解利用重礦物進(jìn)行物源分析方法及沉積過(guò)程中各種因素對(duì)重礦物的影響，對(duì)正確認(rèn)識(shí)扇三角洲沉積體系，具有重要的參考意義。

1 重礦物分析物源方法

1．1理論基礎(chǔ)

重礦物是對(duì)源變化有極其敏感的指示意義。母巖經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)后形成的產(chǎn)物往往會(huì)有不同重礦物組合特征，這是其不同類型的母巖和不同的礦物組分(見(jiàn)表1)。借此可運(yùn)用重礦物特性來(lái)恢復(fù)母巖和判別物質(zhì)來(lái)源。

表1 碎屑巖礦物組合與母巖類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

重礦物根據(jù)其穩(wěn)定性可以從超穩(wěn)定—穩(wěn)定—中等穩(wěn)定—不穩(wěn)定—極不穩(wěn)定劃分為5個(gè)等級(jí)。穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力強(qiáng)，不穩(wěn)定重礦物抗風(fēng)化能力弱。隨著沉積物離物源區(qū)距離的增加，重礦物中不穩(wěn)定成分含量相對(duì)會(huì)逐漸減少，穩(wěn)定礦物成分含量相對(duì)會(huì)逐漸增加，這種穩(wěn)定與不穩(wěn)定組合變化特征可指示沉積物源方向。ZTR指數(shù)，即鋯石、電氣石和金紅石組成的透明礦物的百分含量，是目前最常用的判斷物源方向的方法。該方法是由Hubert最先提出，由于這3種礦物在重礦物中最為穩(wěn)定，又幾乎在所有結(jié)晶巖中都是常見(jiàn)的，因此ZTR指數(shù)作為一種重礦物穩(wěn)定系數(shù)，就成為常用而有效的方法．ZTR指數(shù)越大，說(shuō)明礦物的成分成熟度越高，搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)。

1．2傳統(tǒng)分析方法

重礦物資料分析沉積物源體系及物源方向的傳統(tǒng)方法，一般是通過(guò)重礦物含量的分布規(guī)律或ZTR指數(shù)來(lái)求取單井一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)平均值。但不論是地質(zhì)歷史時(shí)期中還是現(xiàn)代沉積環(huán)境中形成的沉積物，通常都是由多期次或多物源沉積物供給混合而成。同一期次的沉積物因其物源方向或母巖類型相近往往會(huì)有相似的重礦物組合特征;而對(duì)于不同期次所形成的沉積物，由于其物源方向或母巖類型的差異，得到的重礦物組合特征也不同。因此，傳統(tǒng)的方法不僅無(wú)法解釋來(lái)自同一母巖區(qū)各個(gè)重礦物間的內(nèi)在聯(lián)系，還遺漏了沉積物物源差異性可能來(lái)自于垂向上層序內(nèi)部不同沉積期次的影響因素，混源區(qū)的重要地質(zhì)信息被掩蓋起來(lái)。

1．3多元統(tǒng)計(jì)方法

近年來(lái)，多元統(tǒng)計(jì)方法在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，部分學(xué)者以重礦物含量分析數(shù)據(jù)為依據(jù)，在恢復(fù)不同物源體系的發(fā)育范圍及其母巖類型問(wèn)題中，利用聚類分析、因子分析等多元統(tǒng)計(jì)分析的方法，很好地解決了沉積期次的判斷、混源體系的區(qū)分等問(wèn)題。也稱為群分析，即通過(guò)樣本或變量之間的相似程度從而對(duì)他們進(jìn)行逐步分類的方法［5］。聚類分析可分為Q型和R型兩種。Q型聚類分析，通過(guò)對(duì)不同樣本中的同一變量進(jìn)行比較，可以研究樣本間的相互關(guān)系，結(jié)果可對(duì)樣本分類。R型聚類分析是研究變量之間的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)比較同一樣本中的不同變量，得到不同變量間的相似關(guān)系，結(jié)果可對(duì)變量分類。因子分析也是多元統(tǒng)計(jì)方法中的一種，它把多個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的因子“降維”、抽象成少數(shù)幾個(gè)綜合因子。

雖然通過(guò)R類型可以得到重礦物組合，進(jìn)而得到母巖類型，但R類型得到重礦物組合類型過(guò)多，母巖類型分析不清，尤其是主要物源，次要物源很難區(qū)別開(kāi)來(lái)。而因子分析通過(guò)降維而得到重礦物組合，組合類型簡(jiǎn)約，這種方法不僅能很好的判斷母巖類型，尤其是可以通過(guò)方差貢獻(xiàn)情況，區(qū)別主次物源，是判斷母巖類型及主次物源最為理想的辦法。

2 重礦物分析的影響因素

重礦物雖穩(wěn)定性強(qiáng)，但其無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生蝕變作用。母巖風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、后生成巖及抬升剝露整個(gè)階段，都可以伴隨著重礦物的蝕變作用，但效果最明顯的是淤泥沉降和后生成巖作用。

2．1同生作用和成巖作用影響

在植被生長(zhǎng)茂盛的地區(qū)，有機(jī)物的細(xì)菌性降解會(huì)生成大量的酸性地下水。沉積物表面如藍(lán)晶石、角閃石和石榴石等重砂礦物在酸性水的溶蝕作用下會(huì)迅速消失，但是隨著深度的增大，重礦物會(huì)由于地下水的溶蝕作用減弱而再次出現(xiàn)。例如，Morton發(fā)現(xiàn)濱海砂中磷灰石的含量豐富，在邊緣海環(huán)境中含量明顯降低，而在河流和三角洲頂部，由于酸性地下水的影響，磷灰石完全缺失。Hester研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)東南部未風(fēng)化的白堊紀(jì)砂巖之中存在大量石榴石和綠簾石，而在風(fēng)化的相同地層中則明顯缺失。可以看出，穩(wěn)定重礦物的含量在富含有機(jī)物的層位可被溶蝕作用極快改變，原先的重礦物組合特征也可能會(huì)被改變，這時(shí)就會(huì)對(duì)判別物源區(qū)帶來(lái)極大的困難。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，很多重礦物會(huì)隨著深度的變化相繼消失，在統(tǒng)一物源區(qū)的完整剖面上，卻顯示出了不同的重礦物序列。成巖作用對(duì)重礦物不僅僅是破壞性作用，也會(huì)出現(xiàn)建設(shè)性作用。筆者通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地下三疊統(tǒng)百口泉組重礦物分析同樣也發(fā)現(xiàn)了這種自生綠簾石的存在，且這種自生綠簾石的存在對(duì)物源的判斷產(chǎn)生了極大的影響?？梢缘贸鲞@個(gè)結(jié)論，單一通過(guò)石榴石、磷灰石、藍(lán)晶石等指示性重礦物的出現(xiàn)情況，并不能準(zhǔn)確判別沉積物真正的物源區(qū)，因?yàn)樵摰貙雍芸赡茉馐苓^(guò)后期風(fēng)化或沉降改造，那么重礦物的指示性受到影響。故而，只有避免后期風(fēng)化或沉降改造等對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響后才能利用重礦物組合準(zhǔn)確識(shí)別物源區(qū)。

2．2其他影響因素

重礦物分析除了考慮成巖作用的影響，還會(huì)受到多種因素的影響。

從沉積環(huán)境和水動(dòng)力來(lái)說(shuō)，在重力流發(fā)育的區(qū)域，重力流對(duì)重礦物的分異不明顯，很難通過(guò)ZTR指數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)來(lái)判斷物源方向。

從重礦物本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，重礦物的穩(wěn)定性并非一成不變的，在不同的環(huán)境下的穩(wěn)定性差別較大，尤其受成巖作用的影響較為顯著。有實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到鋯石、金紅石在不同pH條件下(3．6～10．6)穩(wěn)定性最強(qiáng)，而電氣石的物理穩(wěn)定性相比更強(qiáng)［6］。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，較穩(wěn)定的石榴石在成巖作用下會(huì)發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生溶蝕凹坑，而較不穩(wěn)定的綠簾石在某些環(huán)境中極為穩(wěn)定，出現(xiàn)綠簾石加大邊甚至自生綠簾石。密度和形狀:某些重礦物，如鈦鐵礦等，雖穩(wěn)定性強(qiáng)，但因其比重大，在近源區(qū)強(qiáng)水動(dòng)力條件下較為富集，在遠(yuǎn)源區(qū)弱水動(dòng)力條件下反而變少;而黑云母等片狀礦物，由于其比重小，受水動(dòng)力改造明顯，在水動(dòng)力強(qiáng)的環(huán)境中遭受沖刷和磨損而不易沉積下來(lái)，在水動(dòng)力弱的條件下可大量富集。表明重礦物的富集還與其自身比重、水動(dòng)力強(qiáng)度相關(guān)。

從分析方法來(lái)說(shuō)，巖性與重礦物含量:統(tǒng)計(jì)重礦物時(shí)，要分巖性來(lái)統(tǒng)計(jì)，砂巖或砂礫巖可能具有不同的重礦物特征，如果一起統(tǒng)計(jì)，求取平均值，勢(shì)必忽視了不同巖性重礦物的差異性，其結(jié)果可能有誤。自生重礦物:選取重礦物時(shí)，要充分判斷其自生與否，因?yàn)樽陨氐V物無(wú)法指示物源，可能導(dǎo)致物源判斷失效。如綠簾石，通常認(rèn)為是變質(zhì)或蝕變成因，且易受大氣淡水琳濾的影響，但在較老的地層，也有自生綠簾石的存在［7］;而黃鐵礦，傳統(tǒng)認(rèn)為是自生重礦物，但巖漿巖和變質(zhì)巖同樣也可發(fā)育。所以，自生重礦物的判斷，不應(yīng)僅僅依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，要充分結(jié)合成巖作用等因素。聚類分析改進(jìn):多元統(tǒng)計(jì)方法能較好的識(shí)別重礦物間的親屬關(guān)性，識(shí)別主次物源，但也存在諸多問(wèn)題。如數(shù)據(jù)是否標(biāo)準(zhǔn)化，聚類方法的選取。當(dāng)然，這種多元統(tǒng)計(jì)的方法不僅用在物源分析上，在粒度分析、巖屑分析等中也較為普遍［8-9］。筆者認(rèn)為，可將重礦物、巖屑綜合聚類分析，可以精確識(shí)別重礦物和母巖關(guān)性，同樣，也可將重礦物和粒度數(shù)據(jù)綜合聚類分析，可以較好的判斷沉積環(huán)境、水動(dòng)力特征。重礦物分析時(shí)，含量高的重礦物對(duì)物源的指示意義最為強(qiáng)烈，但某些含量低的重礦物可能具有某種重要的地質(zhì)意義，不能因?yàn)槠浜康投缓雎浴６?，同種母巖可能存在不同的重礦物組合，而一種重礦物或同種重礦物組合可能對(duì)應(yīng)不同的母巖，通過(guò)重礦物分析，尤其是沒(méi)有典型重礦物存在的情況下，很難較精確的判斷母巖屬性。因此，在利用重礦物分析物源時(shí)，要綜合考慮各因素對(duì)重礦物分布及含量的影響因素。

3 結(jié)語(yǔ)

重礦物作為物源變化極為敏感的指示劑，在物源分析中得到了廣泛的應(yīng)用。但目前該方法在物源分析研究中仍然有很多問(wèn)題尚待解決，尤其是成巖作用對(duì)重礦物影響的精細(xì)研究上，而目前，成巖作用對(duì)重礦物的研究是孤立的，缺少體系。

盡管重礦物在物源分析研究中還有很多問(wèn)題尚待解決，但其目前作為一種較為有效的物源分析研究手段已被廣大學(xué)者所認(rèn)可。相信隨著研究方法的深化和科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高，重礦物體系研究的遺留問(wèn)題將會(huì)解決。

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A Research Progress in Provenance Analysis of Heavy Minerals

TIAN Bao
(College of Earth Science，Yangtze University，Wuhan，Hubei 430100，China)

Heavy mineral data is one of the most common basic data of provenance analysis．Through extensive research literature，we summarize the analysis methods and effects of various sedimentary provenance，including rock types in the process factors on the heavy mineral combination of heavy mineral data．This paper points out the advantages and limitations of the provenance analysis of heavy minerals．It suggests that the influence factors of heavy minerals should be taken into account in the analysis of the source of heavy minerals，especially in the long diagenesis．

Heavy minerals;Provenance analysis;Diagenesis;Multivariate statistics

P618．13

A

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．032

2016－12－20

國(guó)家自然科學(xué)基金(41302094)

田豹(1992－)，男，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向:沉積儲(chǔ)層方向，手機(jī):15337231796，E-mail: 821717792@qq．com．