來志慶, 劉海青, 林霖, 韓宗珠, 國坤

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單顆粒碎屑礦物在海洋沉積物物源分析中的應(yīng)用*

來志慶1, 2, 劉海青3, 林霖1, 2, 韓宗珠1, 2, 國坤4

1. 中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東 青島 266100 2. 中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100 3. 勝利油田石油開發(fā)中心有限公司科研所, 山東 東營 257000 4. 山東科技大學地球科學與工程學院, 山東 青島 266590

單顆粒碎屑礦物可減小源區(qū)巖石類型、蝕變過程和程度及搬運與沉積過程對物源信息釋讀的干擾, 已逐漸成為海洋沉積物物源分析的有力工具, 并取得一定的應(yīng)用成果。目前, 鋯石、石榴石、長石、輝石、角閃石、獨居石及磁鐵礦等均已被成功用于海洋沉積物物源研究, 并主要利用單礦物主量元素、年代學等方法精確識別物源區(qū)地質(zhì)特征和位置, 但單礦物微量元素、同位素及微區(qū)結(jié)構(gòu)及多礦物對比研究的應(yīng)用尚有不足; 因此, 目前對物源信息的釋讀難免片面, 物源識別方法和技術(shù)也仍未成熟。隨著方法的發(fā)展和完善, 將可開展諸多深入研究, 如通過鋯石、獨居石、云母和磷灰石等不同礦物的年代學研究, 示蹤研究物源區(qū)的時空變化; 通過建立多礦物定量研究模型, 進而定量研究源區(qū)蝕變速率和源匯過程中的物質(zhì)輸運通量和過程等。文章總結(jié)單顆粒碎屑礦物在物源識別中的應(yīng)用現(xiàn)狀, 并展望其應(yīng)用前景, 以期引起同行對此研究方法的關(guān)注, 進一步促進該方法在海洋沉積物物源分析中的應(yīng)用和發(fā)展。

海洋沉積物; 單顆粒碎屑礦物; 物質(zhì)來源; 研究現(xiàn)狀

沉積物物源分析是研究地球表面動力學過程的基礎(chǔ)內(nèi)容之一, 其通過建立物源區(qū)與沉積區(qū)的關(guān)系, 分析沉積物搬運路徑、距離和時間等(魏然等, 2013; 李超等, 2015), 并在物源區(qū)被全球構(gòu)造破壞的前提下, 解譯古地理、古構(gòu)造和古氣候, 重建古沉積循環(huán)過程, 定量研究地質(zhì)歷史時期的地球表面過程與物質(zhì)輸運通量(Caracciolo et al, 2016a)。沉積物物源研究不僅是巖石學、構(gòu)造地質(zhì)學與石油地質(zhì)學的重要內(nèi)容(徐亞軍等, 2007), 也是沉積地質(zhì)學和海洋地質(zhì)學的重要內(nèi)容。

海洋沉積物是地質(zhì)歷史的巨大信息儲集庫, 對了解地球系統(tǒng)的歷史演變具有重要意義。物源分析即解譯其中的儲集信息, 也是海洋地質(zhì)學的重要研究內(nèi)容之一(Morton, 1991)。海洋沉積物物源的識別與研究, 對確定沉積物物源區(qū)位置與性質(zhì), 揭示沉積物搬運過程、機制及各端元貢獻等科學問題具有重要意義(Scheidegger et al, 1971; Gujar et al, 2009), 對分析其沉積成礦過程和評價其資源潛力也具有重要的經(jīng)濟意義(Baturin, 2000; Murton, 2000)。前人對海洋沉積物物源的研究多利用沉積物地球化學與礦物組合特征等開展(顏彬等, 2012; Dou et al, 2015; 王利波等, 2016)。沉積物化學、同位素組成與礦物組合對物源信息的釋讀往往受到源區(qū)巖石類型、蝕變過程和程度及搬運過程中的機械磨蝕、化學蝕變、沉積物粒度乃至水動力分選和沉積過程的影響或干擾。而利用碎屑單礦物化學成分、同位素組成及年齡特征進行物源分析, 可一定程度上減小以上地質(zhì)過程對物源信息釋讀的干擾(Mange et al, 2007; Li et al, 2015), 也是對海洋沉積物物源研究方法的重要補充。例如, Boswell(1933)首先根據(jù)重礦物微區(qū)特征對沉積物物源進行研究, 其后陸續(xù)有眾多學者利用單礦物化學成分和礦物年齡等對海洋沉積物物源開展研究(Arai et al, 1997; Yang et al, 2006; Wang et al, 2014; 趙利等, 2014; Buchs et al, 2015; Huber et al, 2018)。

目前, 鋯石、石榴石、長石、輝石、角閃石、獨居石及磁鐵礦等均已被成功用于海洋沉積物物源研究(Arai et al, 1997; Yang et al, 2006; Mange et al, 2007; Wang et al, 2014; 趙利等, 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), 并已取得顯著成果, 但單礦物物源識別方法和技術(shù)仍未成熟。鑒于此, 本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外研究成果, 簡要介紹了單顆粒碎屑礦物的主要測試方法, 著重探討了碎屑單礦物在物源分析中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀, 并提出幾點展望, 以期拋磚引玉, 引起同行們的關(guān)注, 進一步促進方法的發(fā)展及其在海洋沉積物物源分析中的應(yīng)用。

1 碎屑礦物微區(qū)分析技術(shù)

相比傳統(tǒng)地球化學方法, 單顆粒礦物的物源識別方法在物源分析研究中擁有良好的應(yīng)用前景(Mange et al, 2007)。近年來, 隨著新技術(shù)和方法的應(yīng)用, 尤其礦物微區(qū)化學和同位素成分精確分析技術(shù)的進步, 充分挖掘沉積物(特別是單顆粒碎屑礦物)所攜帶的物源信息水到渠成, 沉積物源區(qū)的分析研究取得明顯進步和發(fā)展。目前, 主要礦物微區(qū)測試儀器和方法如表1所示。

表1 碎屑單顆粒礦物微區(qū)分析儀器

1.1 電子探針

電子探針(EPMA)全名為電子探針X射線顯微分析儀, 主要利用儀器發(fā)射出l0~30kV加速電壓的高能量電子束轟擊樣品表面時產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、背散射電子等信號, 分析測試樣品表面微區(qū)化學成分、表面形貌等(Suzuki et al, 1996)。電子探針具有優(yōu)良的空間分辨率及省時、費用低、不破壞樣品的優(yōu)點, 尤其對礦物微區(qū)主量元素的測試效果較好, 測試精度可達1%; 微量元素測試效果較差, 其測試精度僅有5%~10%。在特殊測試條件和方法下, 可將微量元素檢測限精確至100×10-6, 測試精度提高至3 % (Lai et al, 2016)。此外, 隨著新一代電子探針軟硬件系統(tǒng)的不斷升級, 其在固體地球科學微區(qū)分析研究領(lǐng)域得到越來越廣泛的推廣和全新的應(yīng)用。目前, 已有眾多學者對橄欖石、輝石、角閃石、石榴子石以及斜長石等礦物及其包體的微區(qū)主微量元素和結(jié)構(gòu)特征開展系統(tǒng)詳細的研究(Ginibre et al, 2002; Wang et al, 2014; Batanova et al, 2015)。

1.2 二次離子質(zhì)譜儀

二次離子質(zhì)譜儀(SIMS )是一種具有較高空間分辨率與高靈敏度的微區(qū)分析儀器, 是利用一次離子轟擊樣品產(chǎn)生的二次離子進行質(zhì)譜測定的儀器, 并通過與標準樣品的比對, 獲得樣品表面被轟擊區(qū)域的高精度同位素比值和元素含量信息(李獻華等, 2015)。自20世紀60年代以來, 隨著測試分析方法的改進和二次離子質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展, 此分析技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于微電子、半導體、材料學、生物、醫(yī)學、天體物理等領(lǐng)域, 在地球科學領(lǐng)域則廣泛應(yīng)用于鋯石、獨居石和榍石等礦物的精確定年, 同時也應(yīng)用于斜長石、輝石和橄欖石Li、O、S等同位素及包體H2O和CO2等揮發(fā)分含量的分析測試 (祝兆文等, 2011; Newcombe et al, 2014; Sun et al, 2015; Deegan et al, 2016), 但測試成本高于電子探針和激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀。

1.3 激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀

激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)是將激光剝蝕與電感耦合等離子體聯(lián)用的固體原位微區(qū)分析測試儀器, 其將激光束聚焦于樣品表面使之熔蝕氣化, 由載氣(He或/和Ar)將樣品微粒(氣溶膠)送至等離子體中電離, 再經(jīng)質(zhì)譜系統(tǒng)進行質(zhì)量過濾, 最后用接收器分別檢測不同質(zhì)荷比的離子, 并獲得檢測信息(劉勇勝等, 2013), 具有原位、實時、快速的分析特點, 但其測試靈敏度和空間分辨率較SIMS稍差(王嵐等, 2012)。近年來, 該儀器已逐漸成為非常重要的微區(qū)測試分析手段, 主要用于分析測試礦物與包裹體微量元素和同位素, 諸如礦物原位微區(qū)U-Pb年齡、Hf同位素和微量元素等(He et al, 2013; Wang et al, 2014)。此外, 也用于斜長石微區(qū)Sr和Pb同位素的分析測試 (Murphy et al, 2012; Chen et al, 2015)。

1.4 激光拉曼光譜儀

激光拉曼光譜儀(LRM)是一種非破壞性的微區(qū)分析儀器, 可對液體、粉末及固體樣品進行拉曼光譜測定(張美珍等, 2008)。其基本原理為: 入射激光引起樣品分子(或晶格)產(chǎn)生振動, 致使散射光頻率發(fā)生變化; 而通過對散射的分析, 并根據(jù)物質(zhì)的特征拉曼光譜, 進行分子結(jié)構(gòu)和成分的微區(qū)分析及物質(zhì)種類識別(陳勇等, 2009)?？捎糜诖_定礦床成礦的物質(zhì)組成和物理化學條件, 研究巖漿在上地幔和地殼中的形成與演化等(何佳樂等, 2015)。

1.5 掃描電鏡與能譜儀

掃描電子顯微鏡(SEM) 是一種多功能電子顯微分析儀器, 主要功能是對固態(tài)物質(zhì)進行形貌分析和常規(guī)成分的微區(qū)分析。其基本原理為: 儀器電子槍發(fā)射的電子束與樣品相互作用, 激發(fā)出二次電子, 背散射電子, 吸收電子、X射線、俄歇電子與陰極發(fā)光等不同信號, 基于以上信號進行樣品形貌觀察和成分分析測試, 具有直觀、快速與高分辨率等特點(胡勇平等, 2015)。掃描電子顯微鏡上一般均配有X射線能譜儀(EDS), 可在形貌觀察的同時進行成分半定量分析, 與電子探針的波譜儀(WDS)相比較, 能譜儀的分析速度快, 束斑小, 可獲得高分辨率的形貌和結(jié)構(gòu)圖像, 但定量分析精度較低(陳莉等, 2015; Ali et al, 2018)。

2 用于海洋沉積物物源分析中的單顆粒碎屑礦物

2.1 鋯石

鋯石屬四方晶系, 化學式為ZrSiO4, 在部分沉積巖和變質(zhì)巖尤其是堿性和中酸性火成巖中常見, 在基性火成巖中分布較少, 其在溫度、壓力和流體成分變換明顯的環(huán)境中經(jīng)歷多次機械剝蝕或/和化學蝕變后, 仍保持穩(wěn)定的礦物結(jié)構(gòu)和成分特征以及穩(wěn)定的U-Pb封閉系統(tǒng)(Morton et al, 2008)。鋯石是確定各種高級變質(zhì)作用峰期年齡和巖漿巖結(jié)晶年齡的理想對象, 多具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Lee et al, 1997)。巖漿鋯石一般具有振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu), 變質(zhì)鋯石的特征內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有無分帶、云霧狀分帶、扇形分帶、面狀分帶、斑雜狀分帶、海綿狀分帶和流動狀分帶等(吳元保等, 2004)。大量研究表明, 鋯石即使在麻粒巖相等高級變質(zhì)條件下仍能保持原有同位素組成, 不同性質(zhì)巖石的鋯石具有差異的同位素組成(Woodhead et al, 2004)。因此, 通過多組鋯石年齡和Hf同位素特征分析可認識源巖的可能演化過程, 進而獲得準確而有意義的源區(qū)信息(Cherniak et al, 2001)。

2.2 長石

長石屬單斜晶系或三斜晶系, 共同化學式為XZ4SiO8, 可簡單理解為由鉀長石、鈉長石和鈣長石3種簡單端元分子組合而成的架狀硅酸鹽礦物, 作為大陸地殼中最常見的造巖礦物, 廣泛存在于不同成因類型的巖石中。其中, 鉀鈉長石是堿性侵入巖和酸性侵入巖的重要成巖礦物, 在基性巖中少見, 也常出現(xiàn)于長石砂巖中, 并以碎屑物質(zhì)的形式存在(Ali et al, 2018)。斜長石常見環(huán)帶結(jié)構(gòu), 特別是火山巖和淺成巖中斜長石環(huán)帶最為發(fā)育, 且不同構(gòu)造熱事件形成的長石具有不同的結(jié)構(gòu)特征(Ginibre et al, 2002)。此外, 不同巖石中斜長石的An組分含量不同, 花崗巖和花崗閃長巖中斜長石約為An20, 閃長巖為An27-An45, 輝長巖為An55-An88(Lai et al, 2016)。目前已有學者利用長石雙晶、微區(qū)結(jié)構(gòu)、主微量元素、Ar-Ar年齡、Pb同位素以及陰極發(fā)光(CL)圖像特征等進行沉積物物源分析(Pittman, 1963; Maynard, 1984; Chetel et al, 2005; Parsons et al, 2005; Tyrrell et al, 2006; Tulloch et al, 2012; Scholonek et al, 2016)。相對于重礦物, 長石穩(wěn)定性較差, 較易蝕變和風化, 因此其物源指示意義通常被忽視。正由于長石在多沉積循環(huán)周期內(nèi)的不穩(wěn)定性, 恰可給出第一循環(huán)周期的物源指示信息, 因此其對沉積物物源研究也具有重要意義(Wilkinson et al, 2001)。

2.3 石榴石

石榴石族礦物屬于等軸晶系, 共同化學式為A3B2(SiO4)3, 其化學成分復(fù)雜, 存在極為廣泛的類質(zhì)同象, 常見如鎂鐵榴石、鈣鉻榴石、鈣鐵榴石、鐵鋁榴石及錳鋁榴石等, 可出現(xiàn)于不同巖石類型中, 其成分主要受控于其形成時的溫度和壓力條件及源巖成分。不同成因類型的石榴石, 其特征元素及其含量差異顯著(Andò et al, 2013; Krippner et al, 2016)。幔源成因石榴石的Ca、Cr含量較高(Schulze, 2003)?；◢弾r和偉晶巖中石榴石Mn、Y和Fe2+含量較高, 而堿性巖中石榴石以Ti為特征元素, 并含有大量稀土元素(REE), 特別是Zr含量可高達29% (Schulze, 2003; Andò et al, 2013)。因此, 由石榴石族礦物化學成分及其變化可反演其形成條件和成因特征, 即具有標型性, 國內(nèi)外眾多學者也對此開展了大量研究(Schulze, 2003; Grütter et al, 2004; Andò et al, 2013; Li et al, 2015)。Krippner等(2014)基于全球變質(zhì)成因和巖漿成因石榴石以及碎屑石榴石成分的對比研究, 建立了石榴石成因識別圖, 并通過分析研究沉積物與源巖中石榴石成分的相關(guān)性, 開展相關(guān)物源研究。

2.4 角閃石

閃石族礦物多為單斜晶系, 共同化學式為A0-1B2Y5Z8O22(O, F, Cl)2, 其化學組成復(fù)雜, 類質(zhì)同象現(xiàn)象普遍, 主要有鐵閃石、普通角閃石、透閃石、藍閃石與鈉閃石等, 在自然界分布較廣, 是部分火成巖和變質(zhì)巖的主要造巖礦物, 也是河流和淺海硅質(zhì)碎屑沉積物中的主要重礦物之一(王先蘭等, 1985; 金秉福等, 2014)。目前, 已有眾多研究者提出不同物源判別指標和模式圖, 并對海洋沉積物物源開展相關(guān)研究(王先蘭等, 1985; Derkachev et al, 1999; Roy et al, 2007; 趙利等, 2014)。

2.5 輝石

輝石族礦物屬單鏈狀硅酸鹽, 單斜或斜方晶系, 共同化學式為ABZ2O6, 常見斜方輝石、單斜輝石、透輝石、普通輝石及綠輝石, 是一種較為常見的造巖礦物, 多存在于基性火成巖和變質(zhì)巖中(Buchs et al, 2015)。如頑火輝石常見于橄欖巖中, 但在變質(zhì)巖中, 頑火輝石也是超基性變粒巖的典型礦物。透輝石多存在于基性和超基性巖中, 同時也是矽卡巖的特征礦物。不同成因的輝石晶體具有不同成分和結(jié)構(gòu)特征。火成巖中透輝石的Cr含量往往較高; 變質(zhì)巖中斜方輝石Al含量較高, 可高達9.5%; 而石榴石橄欖巖中斜方輝石Al含量較低, 僅1%左右(von Eynatten et al, 2012)。作為物源識別的重要標型礦物, 已有學者基于輝石分類圖(圖1)等方法, 建立不同構(gòu)造環(huán)境識別模式圖, 并應(yīng)用于海洋沉積物物源分析研究(Buchs et al, 2015; Caracciolo et al, 2016b)。

圖1 單斜輝石礦物分類圖解(據(jù) Morimoto et al, 1988)

2.6 磁鐵礦

典型磁鐵礦屬等軸晶系, 常呈八面體和菱形十二面體?；瘜W式為Fe3O4, 其中FeO含量為31.03%, Fe2O3含量為68.96%。磁鐵礦是花崗巖、正長巖、閃長巖和輝長巖等火成巖中的常見副礦物, 其化學組成、晶體結(jié)構(gòu)、晶體形態(tài)及物理性質(zhì)均具有特定的標型意義, 而且受沉積旋回影響較弱, 可很好地指示礦物形成環(huán)境和沉積物物源(王中波等, 2007)。例如, 通過Ti、V含量及Mg/Al比值可甄別源巖是長英質(zhì)、中性或基性巖, 并進一步判斷其是深成巖或火山巖(楊群慧等, 2004), 該方法鑒別源巖類型(火成巖或變質(zhì)巖)的準確率高達95%( Basu et al, 1989)。目前, 已有學者利用磁鐵礦對海洋沉積物的物源進行識別研究(圖2)(楊群慧等, 2004; Yue et al, 2016)。

圖2 南海東部表層沉積物中磁鐵礦TiO2-Al2O3-MgO 成因圖解(據(jù)楊群慧等, 2004)

Ⅰ.花崗巖; Ⅱ.玄武巖; Ⅲ.輝長巖; Ⅳ. 橄欖巖; Ⅴ1. 角閃巖; Ⅴ2.. 閃長巖; Ⅵ. 金伯利巖; Ⅶ. 熱液及鈣矽卡巖; Ⅷ. 熱液及鎂矽卡巖; Ⅸ. 熱液與沉積變質(zhì)疊加; Ⅹ. 碳酸鹽巖; Ⅺ. 過渡型

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 獨居石

獨居石屬單斜晶系, 共同化學式為MPO4, 其為含大量輕稀土元素的磷酸鹽礦物, U和Th的含量較高, 其中偉晶巖中獨居石ThO2含量最高, 花崗巖次之, 熱液成因獨居石含量大大降低。獨居石主要產(chǎn)于花崗巖、偉晶巖及與之相關(guān)的熱液礦床中, 因其密度較高, 故在近岸或淺海沉積物中多有出現(xiàn)(Clavier et al, 2011)。近年來, 隨著電子探針獨居石與鋯石U-Th-Pb化學定年法, 即CHIME 地質(zhì)年代測定方法的發(fā)展(Suzuki et al, 1996), 越來越多的研究者利用電子探針對獨居石等礦物進行精細微區(qū)定年研究, 并應(yīng)用于沉積物物源分析中(Yang et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。

3 單顆粒碎屑礦物在海洋沉積物物源分析中的應(yīng)用

碎屑單礦物標型特征的應(yīng)用, 即利用單礦物成分及含量比值來識別源區(qū), 可有效識別沉積環(huán)境、追蹤物源區(qū)(Weltje et al, 2004)。目前, 不同種類的碎屑單礦物已廣泛應(yīng)用于海洋沉積物物源分析(Krippner et al, 2014; Buchs et al, 2015; Yue et al, 2016; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。

3.1 礦物原位主量元素

不同礦物具有明顯不同的主量元素組成特征(Batanova et al, 2015), 而利用輝石、角閃石、石榴石及磁鐵礦等碎屑礦物的主量元素特征進行沉積物物源識別是目前應(yīng)用最廣泛的方法之一(Sabeen et al, 2002; Kiyokawa et al, 2009; Yue et al, 2016)。如, 利用磁鐵礦晶體化學-成因分類圖解對沉積物進行物源識別, 甄別沉積物與源區(qū)火山巖等源巖的物源相關(guān)性(楊群慧等, 2004); 基于磁鐵礦Cr2O3等成分特征反演沉積物的物源輸入變化 (Yue et al, 2016)。也有學者基于沉積碎屑單顆粒輝石成分與不同構(gòu)造成因輝石的對比研究, 識別沉積物的物質(zhì)來源與輸入路徑, 揭示沉積物的沉積與運移機制, 并重建沉積演化模式(Kiyokawa et al, 2009; Buchs et al, 2015)。此外, 基于石榴石和角閃石單礦物微區(qū)地球化學特征進行海洋沉積物物源識別, 是當今最重要的研究方法之一?；诮情W石和石榴石的礦物類型與化學成分特征, 通過反演物源區(qū)的源巖類型, 進而識別沉積物的可能物源區(qū), 識別主要沉積物輸入河流, 解譯沉積物物源區(qū)及輸運河流的變化在沉積物中的響應(yīng)等 (Sabeen et al, 2002; 趙利等, 2014; Li et al, 2015 )。

3.2 礦物年代學

近年來, 鋯石與獨居石等碎屑礦物年齡逐漸成為海洋沉積物物源分析的有力工具, 并得到廣泛應(yīng)用(Yang et al, 2006; Morton et al, 2008; He et al, 2013; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。通過碎屑鋯石U-Pb年齡峰態(tài)分布特征的研究(圖3), 可確定沉積物的物源區(qū), 還可進一步約束物源區(qū)的變化及河流的貫通時間 (賈軍濤等, 2010; Wang et al, 2014)。也有學者利用獨居石年代學方法, 對長江的物源變化進行研究, 并對古長江的貫通時間進行約束(Yang et al, 2006)。也有學者通過碎屑獨居石年齡的研究, 揭示物源區(qū)構(gòu)造熱事件或源區(qū)巖石類型的沉積響應(yīng), 進而識別可能的物源區(qū)(Chen et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。此外, 也有學者利用角閃石40Ar/39Ar年齡方法, 通過研究沉積物與源巖的相關(guān)性, 探討沉積物物源的時空變化(Roy et al, 2007), 揭示古氣候變化的影響 (Huber et al, 2018)。

3.3 礦物原位同位素

不同成因的同種礦物其主量元素成分可能類同(Wang et al, 2014; White et al, 2016), 但不同成因或同一構(gòu)造事件中不同構(gòu)造階段的礦物其同位素可能有明顯區(qū)別(Chen et al, 2015)。因此, 碎屑單顆粒礦物同位素可用于沉積物物源分析, 已有學者利用長石Pb同位素和鋯石Hf同位素進行海洋沉積物物源分析。利用鋯石年齡對沉積物進行物源識別是當前應(yīng)用最廣泛的方法之一, 但精確度有限, 而結(jié)合鋯石原位Hf同位素可對沉積物物源進行精確制約(Wang et al, 2015)。此外, 不同源區(qū)尤其搬運過程中加入的碎屑長石多具有不同的Pb同位素特征, 通過測試和恢復(fù)沉積碎屑長石的Pb同位素組成, 并與源巖中長石的Pb同位素特征進行對比研究, 可揭示沉積物的不同搬運路徑(Tyrrell et al, 2006), 也可甄別沉積物的物源多樣性 (White et al, 2016)。

圖3 鶯歌海-宋紅盆地不同地層碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖(據(jù)Wang 等, 2014)

4 單顆粒碎屑礦物在海洋沉積物物源分析中存在的問題和展望

通常來說, 海洋沉積物物源研究可歸納為一個問題, 即解讀來自不同源巖碎屑物的時空分布與成因, 其研究難點在于釋讀其中的物源信息。目前, 單顆粒碎屑礦物已被廣泛用于解讀海洋沉積物中的物源信息, 并已被眾多研究者所接受和認可, 但遠未成熟, 尚有諸多問題需要進一步思考和解決。

4.1 多礦物對比研究

隨著礦物測試手段與技術(shù)的提高以及碎屑單礦物物源研究方法的發(fā)展, 越來越多的新識別技術(shù)和方法將應(yīng)用于海洋沉積物物源分析中。但目前海洋沉積物物源識別多基于單類型碎屑礦物或有限幾種類型(Buchs et al, 2015; Caracciolo et al, 2016b; Ali et al, 2018), 缺乏系統(tǒng)的對比研究。基于單顆粒礦物對沉積物物源進行識別, 其應(yīng)用前提即假設(shè)礦物分選作用對礦物化學標型影響可忽略不計(von Eynatten et al, 2012), 但源匯過程中機械和化學作用過程導致的分選, 不可避免地對不同碎屑礦物產(chǎn)生影響。例如, 石榴石、角閃石、輝石和長石等不穩(wěn)定礦物在沉積循環(huán)過程中較易遭受磨蝕、化學蝕變甚至溶蝕, 而鋯石、石英等穩(wěn)定礦物在多沉積循環(huán)過程中仍可保持礦物成分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此, 利用不同礦物進行物源研究, 將可獲得較完整的物源信息。

海洋沉積物在沉積以前經(jīng)歷了動態(tài)平衡的源匯過程, 因此源區(qū)巖石特征、風化與剝蝕過程和程度及后期搬運、水動力分選、混合、沉積和循環(huán)等沉積過程均可對沉積物成分和礦物組成產(chǎn)生重要影響(Weltje et al, 2004)。利用穩(wěn)定礦物和不穩(wěn)定礦物物源信息的對比解讀, 可精細甄別第一循環(huán)和多循環(huán)物源信息, 從而進一步確定可能的物源區(qū)及其準確位置。

4.2 礦物微區(qū)結(jié)構(gòu)、同位素與微量元素研究

相較于礦物主量元素, 微量元素、同位素和微區(qū)結(jié)構(gòu)對礦物經(jīng)歷的結(jié)晶過程和構(gòu)造環(huán)境具有更高的相關(guān)性和敏感度(Ginibre et al, 2002; Borisova et al, 2016; Lai et al, 2016), 并在源區(qū)識別方面具有巨大潛力。特別是同一源巖(地質(zhì)體或巖體等)的同類礦物可能存在顯著的結(jié)構(gòu)和成分特征, 而系統(tǒng)地總結(jié)和研究碎屑礦物的微區(qū)結(jié)構(gòu)和成分特征, 并結(jié)合可能源巖同類礦物的對比研究, 可精確識別物源區(qū)。例如, 基于鋯石Hf含量研究源巖巖漿結(jié)晶分離作用程度(Hoskin et al, 2003); 利用鋯石Hf、O同位素, REE含量和Th/U 比值, 判別鋯石和巖石成因類型(Valley et al, 1994; Hoskin et al, 2003); 利用長石Fe、Mg等元素和Sr同位素(圖4)、輝石Pb同位素以及石榴石微區(qū)結(jié)構(gòu)和成分等(Deegan et al, 2016; Lai et al, 2016; Huber et al, 2018), 對源區(qū)巖漿演化或變質(zhì)作用精細過程進行反演和示蹤。此外, 不同礦物包體成分在被寄主礦物捕獲后幾乎不受外部環(huán)境影響, 基于不同礦物及其包體成分, 利用溫壓計方法可估算源巖巖漿結(jié)晶或變質(zhì)的平衡溫度、壓力以及水含量的變化等地質(zhì)作用過程(Waters et al, 2015)。基于以上方法可精準反演源區(qū)巖漿演化和變質(zhì)過程, 結(jié)合與源區(qū)的地質(zhì)特征的對比研究, 精確識別物源區(qū)。此外, 利用長石結(jié)構(gòu)和CL光譜特征可研究源巖的第一循環(huán)輸入及源區(qū)變化(Scholonek et al, 2016); 基于長石熱致發(fā)光特征, 可對沉積物物源、輸運和分布進行示蹤研究(Rink, 2003)。以上方法的使用, 將有利于深化和發(fā)展碎屑單顆粒礦物在海洋沉積物物源分析中的應(yīng)用。

圖4 沖繩海槽玄武巖中斜長石微區(qū)結(jié)構(gòu)與成分剖面圖[據(jù)Lai等(2016)]

a. 吸收核結(jié)構(gòu)斜長石Fe、Mg、Sr與An組分的剖面圖; b. 環(huán)帶結(jié)構(gòu)斜長石Fe、Mg、Sr與An組分的剖面圖

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 物源區(qū)的時空變化研究

海洋沉積物物源研究有利于示蹤揭示源區(qū)的構(gòu)造演化、沉積物的形成和輸運機制(Huber et al, 2018)?；趩晤w粒碎屑礦物的精確定年可確定源區(qū)地球動力學事件的地質(zhì)時代, 進而識別可能的物源區(qū)。目前, 常用礦物定年方法有鋯石U-Pb定年和角閃石40Ar-39Ar定年(Roy et al, 2007; Wang et al, 2014), 而磷灰石裂變徑跡年齡、云母40Ar-39Ar年齡、金紅石U-Pb年齡與獨居石U-Th-Pb年齡 (Chen et al, 2006; Yang et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018; Huber et al, 2018), 特別是基于不同碎屑礦物年代學的綜合研究較少。不同礦物或同一礦物年齡保存了巖漿或變質(zhì)作用等不同構(gòu)造熱事件或同一事件不同階段的地質(zhì)年代信息; 因此, 利用新型原位分析新技術(shù)進行礦物年齡研究, 將有助于碎屑礦物物源信息的精細釋讀, 從而精確識別物源區(qū)地質(zhì)特征和位置, 結(jié)合沉積物沉積時代的研究, 可示蹤研究物源區(qū)的時空變化。

4.4 物源的定量研究

即使碎屑礦物只占沉積物總體極少比例, 不一定能反映陸源入海物質(zhì)總體, 但若源區(qū)不同地質(zhì)構(gòu)造單元或輸運河流的沉積物端元成分特征已知, 也可對不同源區(qū)的相對物質(zhì)貢獻進行初步定量計算和研究(Vezzoli et al, 2016)。因此, 可通過深入揭示同源碎屑礦物的差異性與異源碎屑礦物的差異性及其區(qū)別(成分、同位素、結(jié)構(gòu)和包體等), 并對海洋沉積物的陸地物源區(qū)、河流沉積區(qū)以及海洋沉積區(qū)進行同類礦物的關(guān)聯(lián)和對比研究, 開發(fā)可能(全球)物源區(qū)的礦物識別數(shù)據(jù)庫, 建立不同礦物的源區(qū)識別指標/方法, 進而建立定量化研究模型。在進一步確定物源區(qū)及其位置的基礎(chǔ)上, 通過釋讀不同單顆粒礦物的物源信息, 對沉積物顆粒在搬運過程中的分選程度以及礦物顆粒在搬運途中的破壞程度進行研究, 定量研究源區(qū)蝕變速率和源匯過程中的物質(zhì)輸運通量和過程 (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。孫淑杰編輯

山東省自然科學基金項目(ZR2017PD002); 國家自然科學基金項目(41376053); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(201751005)

來志慶(1983—), 男, 山東莒縣人, 高級工程師, 主要從事海洋地質(zhì)教學與研究。E-mail: zqlai@ouc.edu.cn

*感謝兩位審稿專家對本文的詳細審閱和提出的建設(shè)性意見, 同時感謝期刊編輯為本文做出的貢獻。

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