來(lái)志慶, 劉海青, 林霖, 韓宗珠, 國(guó)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(lái)志慶1, 2, 劉海青3, 林霖1, 2, 韓宗珠1, 2, 國(guó)坤4

1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100 2. 中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yíng) 257000 4. 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)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(guò)程和程度及搬運(yùn)與沉積過(guò)程對(duì)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(zhǎng)石、輝石、角閃石、獨(dú)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(xué)等方法精確識(shí)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(duì)比研究的應(yīng)用尚有不足; 因此, 目前對(duì)物源信息的釋讀難免片面, 物源識(shí)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(guò)鋯石、獨(dú)居石、云母和磷灰石等不同礦物的年代學(xué)研究, 示蹤研究物源區(qū)的時(shí)空變化; 通過(guò)建立多礦物定量研究模型, 進(jìn)而定量研究源區(qū)蝕變速率和源匯過(guò)程中的物質(zhì)輸運(yùn)通量和過(guò)程等。文章總結(jié)單顆粒碎屑礦物在物源識(shí)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(duì)此研究方法的關(guān)注, 進(jìn)一步促進(jìn)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(lái)源; 研究現(xiàn)狀

沉積物物源分析是研究地球表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)內(nèi)容之一, 其通過(guò)建立物源區(qū)與沉積區(qū)的關(guān)系, 分析沉積物搬運(yùn)路徑、距離和時(shí)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(guò)程, 定量研究地質(zhì)歷史時(shí)期的地球表面過(guò)程與物質(zhì)輸運(yùn)通量(Caracciolo et al, 2016a)。沉積物物源研究不僅是巖石學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)的重要內(nèi)容(徐亞軍等, 2007), 也是沉積地質(zhì)學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)的重要內(nèi)容。

海洋沉積物是地質(zhì)歷史的巨大信息儲(chǔ)集庫(kù), 對(duì)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(chǔ)集信息, 也是海洋地質(zhì)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一(Morton, 1991)。海洋沉積物物源的識(shí)別與研究, 對(duì)確定沉積物物源區(qū)位置與性質(zhì), 揭示沉積物搬運(yùn)過(guò)程、機(jī)制及各端元貢獻(xiàn)等科學(xué)問(wèn)題具有重要意義(Scheidegger et al, 1971; Gujar et al, 2009), 對(duì)分析其沉積成礦過(guò)程和評(píng)價(jià)其資源潛力也具有重要的經(jīng)濟(jì)意義(Baturin, 2000; Murton, 2000)。前人對(duì)海洋沉積物物源的研究多利用沉積物地球化學(xué)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(xué)、同位素組成與礦物組合對(duì)物源信息的釋讀往往受到源區(qū)巖石類型、蝕變過(guò)程和程度及搬運(yùn)過(guò)程中的機(jī)械磨蝕、化學(xué)蝕變、沉積物粒度乃至水動(dòng)力分選和沉積過(guò)程的影響或干擾。而利用碎屑單礦物化學(xué)成分、同位素組成及年齡特征進(jìn)行物源分析, 可一定程度上減小以上地質(zhì)過(guò)程對(duì)物源信息釋讀的干擾(Mange et al, 2007; Li et al, 2015), 也是對(duì)海洋沉積物物源研究方法的重要補(bǔ)充。例如, Boswell(1933)首先根據(jù)重礦物微區(qū)特征對(duì)沉積物物源進(jìn)行研究, 其后陸續(xù)有眾多學(xué)者利用單礦物化學(xué)成分和礦物年齡等對(duì)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(zhǎng)石、輝石、角閃石、獨(dú)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(shí)別方法和技術(shù)仍未成熟。鑒于此, 本文總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究成果, 簡(jiǎn)要介紹了單顆粒碎屑礦物的主要測(cè)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(diǎn)展望, 以期拋磚引玉, 引起同行們的關(guān)注, 進(jìn)一步促進(jìn)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(xué)方法, 單顆粒礦物的物源識(shí)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(lái), 隨著新技術(shù)和方法的應(yīng)用, 尤其礦物微區(qū)化學(xué)和同位素成分精確分析技術(shù)的進(jìn)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(jìn)步和發(fā)展。目前, 主要礦物微區(qū)測(cè)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(shí)產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、背散射電子等信號(hào), 分析測(cè)試樣品表面微區(qū)化學(xué)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(shí)、費(fèi)用低、不破壞樣品的優(yōu)點(diǎn), 尤其對(duì)礦物微區(qū)主量元素的測(cè)試效果較好, 測(cè)試精度可達(dá)1%; 微量元素測(cè)試效果較差, 其測(cè)試精度僅有5%~10%。在特殊測(cè)試條件和方法下, 可將微量元素檢測(cè)限精確至100×10-6, 測(cè)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(jí), 其在固體地球科學(xué)微區(qū)分析研究領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的推廣和全新的應(yīng)用。目前, 已有眾多學(xué)者對(duì)橄欖石、輝石、角閃石、石榴子石以及斜長(zhǎng)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(xì)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(jìn)行質(zhì)譜測(cè)定的儀器, 并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)樣品的比對(duì), 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(xiàn)華等, 2015)。自20世紀(jì)60年代以來(lái), 隨著測(cè)試分析方法的改進(jìn)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(dǎo)體、材料學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、天體物理等領(lǐng)域, 在地球科學(xué)領(lǐng)域則廣泛應(yīng)用于鋯石、獨(dú)居石和榍石等礦物的精確定年, 同時(shí)也應(yīng)用于斜長(zhǎng)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(cè)試 (祝兆文等, 2011; Newcombe et al, 2014; Sun et al, 2015; Deegan et al, 2016), 但測(cè)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(cè)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(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾, 最后用接收器分別檢測(cè)不同質(zhì)荷比的離子, 并獲得檢測(cè)信息(劉勇勝等, 2013), 具有原位、實(shí)時(shí)、快速的分析特點(diǎn), 但其測(cè)試靈敏度和空間分辨率較SIMS稍差(王嵐等, 2012)。近年來(lái), 該儀器已逐漸成為非常重要的微區(qū)測(cè)試分析手段, 主要用于分析測(cè)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(zhǎng)石微區(qū)Sr和Pb同位素的分析測(cè)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(duì)液體、粉末及固體樣品進(jìn)行拉曼光譜測(cè)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(dòng), 致使散射光頻率發(fā)生變化; 而通過(guò)對(duì)散射的分析, 并根據(jù)物質(zhì)的特征拉曼光譜, 進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和成分的微區(qū)分析及物質(zhì)種類識(shí)別(陳勇等, 2009)?？捎糜诖_定礦床成礦的物質(zhì)組成和物理化學(xué)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(duì)固態(tài)物質(zhì)進(jìn)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(hào), 基于以上信號(hào)進(jìn)行樣品形貌觀察和成分分析測(cè)試, 具有直觀、快速與高分辨率等特點(diǎn)(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(shí)進(jìn)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(xué)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(jī)械剝蝕或/和化學(xué)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(jí)變質(zhì)作用峰期年齡和巖漿巖結(jié)晶年齡的理想對(duì)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(wú)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(dòng)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(jí)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(guò)多組鋯石年齡和Hf同位素特征分析可認(rèn)識(shí)源巖的可能演化過(guò)程, 進(jìn)而獲得準(zhǔn)確而有意義的源區(qū)信息(Cherniak et al, 2001)。

2.2 長(zhǎng)石

長(zhǎng)石屬單斜晶系或三斜晶系, 共同化學(xué)式為XZ4SiO8, 可簡(jiǎn)單理解為由鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和鈣長(zhǎng)石3種簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)石砂巖中, 并以碎屑物質(zhì)的形式存在(Ali et al, 2018)。斜長(zhǎng)石常見環(huán)帶結(jié)構(gòu), 特別是火山巖和淺成巖中斜長(zhǎng)石環(huán)帶最為發(fā)育, 且不同構(gòu)造熱事件形成的長(zhǎng)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(zhǎng)石的An組分含量不同, 花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖中斜長(zhǎng)石約為An20, 閃長(zhǎng)巖為An27-An45, 輝長(zhǎng)巖為An55-An88(Lai et al, 2016)。目前已有學(xué)者利用長(zhǎng)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(jìn)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(duì)于重礦物, 長(zhǎng)石穩(wěn)定性較差, 較易蝕變和風(fēng)化, 因此其物源指示意義通常被忽視。正由于長(zhǎng)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(duì)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(xué)式為A3B2(SiO4)3, 其化學(xué)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(shí)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(dá)29% (Schulze, 2003; Andò et al, 2013)。因此, 由石榴石族礦物化學(xué)成分及其變化可反演其形成條件和成因特征, 即具有標(biāo)型性, 國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者也對(duì)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(duì)比研究, 建立了石榴石成因識(shí)別圖, 并通過(guò)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(xué)式為A0-1B2Y5Z8O22(O, F, Cl)2, 其化學(xué)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(lán)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(biāo)和模式圖, 并對(duì)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(xué)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(shí)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?；鸪蓭r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(dá)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(shí)別的重要標(biāo)型礦物, 已有學(xué)者基于輝石分類圖(圖1)等方法, 建立不同構(gòu)造環(huán)境識(shí)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(xué)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(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖和輝長(zhǎng)巖等火成巖中的常見副礦物, 其化學(xué)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(biāo)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(guò)Ti、V含量及Mg/Al比值可甄別源巖是長(zhǎng)英質(zhì)、中性或基性巖, 并進(jìn)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(zhǔn)確率高達(dá)95%( Basu et al, 1989)。目前, 已有學(xué)者利用磁鐵礦對(duì)海洋沉積物的物源進(jìn)行識(shí)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(zhǎng)巖; Ⅳ. 橄欖巖; Ⅴ1. 角閃巖; Ⅴ2.. 閃長(zhǎng)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(guò)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(dú)居石

獨(dú)居石屬單斜晶系, 共同化學(xué)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(dú)居石ThO2含量最高, 花崗巖次之, 熱液成因獨(dú)居石含量大大降低。獨(dú)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(lái), 隨著電子探針獨(dú)居石與鋯石U-Th-Pb化學(xué)定年法, 即CHIME 地質(zhì)年代測(cè)定方法的發(fā)展(Suzuki et al, 1996), 越來(lái)越多的研究者利用電子探針對(duì)獨(dú)居石等礦物進(jìn)行精細(xì)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(biāo)型特征的應(yīng)用, 即利用單礦物成分及含量比值來(lái)識(shí)別源區(qū), 可有效識(shí)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(jìn)行沉積物物源識(shí)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(xué)-成因分類圖解對(duì)沉積物進(jìn)行物源識(shí)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(xué)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(duì)比研究, 識(shí)別沉積物的物質(zhì)來(lái)源與輸入路徑, 揭示沉積物的沉積與運(yùn)移機(jī)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(xué)特征進(jìn)行海洋沉積物物源識(shí)別, 是當(dāng)今最重要的研究方法之一。基于角閃石和石榴石的礦物類型與化學(xué)成分特征, 通過(guò)反演物源區(qū)的源巖類型, 進(jìn)而識(shí)別沉積物的可能物源區(qū), 識(shí)別主要沉積物輸入河流, 解譯沉積物物源區(qū)及輸運(yùn)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(xué)

近年來(lái), 鋯石與獨(dú)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(guò)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(jìn)一步約束物源區(qū)的變化及河流的貫通時(shí)間 (賈軍濤等, 2010; Wang et al, 2014)。也有學(xué)者利用獨(dú)居石年代學(xué)方法, 對(duì)長(zhǎng)江的物源變化進(jìn)行研究, 并對(duì)古長(zhǎng)江的貫通時(shí)間進(jìn)行約束(Yang et al, 2006)。也有學(xué)者通過(guò)碎屑獨(dú)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(jìn)而識(shí)別可能的物源區(qū)(Chen et al, 2006; Be'eri-Shlevin et al, 2018)。此外, 也有學(xué)者利用角閃石40Ar/39Ar年齡方法, 通過(guò)研究沉積物與源巖的相關(guān)性, 探討沉積物物源的時(shí)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(xué)者利用長(zhǎng)石Pb同位素和鋯石Hf同位素進(jìn)行海洋沉積物物源分析。利用鋯石年齡對(duì)沉積物進(jìn)行物源識(shí)別是當(dāng)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(duì)沉積物物源進(jìn)行精確制約(Wang et al, 2015)。此外, 不同源區(qū)尤其搬運(yùn)過(guò)程中加入的碎屑長(zhǎng)石多具有不同的Pb同位素特征, 通過(guò)測(cè)試和恢復(fù)沉積碎屑長(zhǎng)石的Pb同位素組成, 并與源巖中長(zhǎng)石的Pb同位素特征進(jìn)行對(duì)比研究, 可揭示沉積物的不同搬運(yùn)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(wèn)題和展望

通常來(lái)說(shuō), 海洋沉積物物源研究可歸納為一個(gè)問(wèn)題, 即解讀來(lái)自不同源巖碎屑物的時(shí)空分布與成因, 其研究難點(diǎn)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(rèn)可, 但遠(yuǎn)未成熟, 尚有諸多問(wèn)題需要進(jìn)一步思考和解決。

4.1 多礦物對(duì)比研究

隨著礦物測(cè)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(lái)越多的新識(shí)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(shí)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(duì)比研究?；趩晤w粒礦物對(duì)沉積物物源進(jìn)行識(shí)別, 其應(yīng)用前提即假設(shè)礦物分選作用對(duì)礦物化學(xué)標(biāo)型影響可忽略不計(jì)(von Eynatten et al, 2012), 但源匯過(guò)程中機(jī)械和化學(xué)作用過(guò)程導(dǎo)致的分選, 不可避免地對(duì)不同碎屑礦物產(chǎn)生影響。例如, 石榴石、角閃石、輝石和長(zhǎng)石等不穩(wěn)定礦物在沉積循環(huán)過(guò)程中較易遭受磨蝕、化學(xué)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(guò)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(jìn)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(dòng)態(tài)平衡的源匯過(guò)程, 因此源區(qū)巖石特征、風(fēng)化與剝蝕過(guò)程和程度及后期搬運(yùn)、水動(dòng)力分選、混合、沉積和循環(huán)等沉積過(guò)程均可對(duì)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(duì)比解讀, 可精細(xì)甄別第一循環(huán)和多循環(huán)物源信息, 從而進(jìn)一步確定可能的物源區(qū)及其準(zhǔn)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(duì)礦物經(jīng)歷的結(jié)晶過(guò)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(shí)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(duì)比研究, 可精確識(shí)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(zhǎng)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(duì)源區(qū)巖漿演化或變質(zhì)作用精細(xì)過(guò)程進(jìn)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(jì)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(guò)程(Waters et al, 2015)。基于以上方法可精準(zhǔn)反演源區(qū)巖漿演化和變質(zhì)過(guò)程, 結(jié)合與源區(qū)的地質(zhì)特征的對(duì)比研究, 精確識(shí)別物源區(qū)。此外, 利用長(zhǎng)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(zhǎng)石熱致發(fā)光特征, 可對(duì)沉積物物源、輸運(yùn)和分布進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)石Fe、Mg、Sr與An組分的剖面圖; b. 環(huán)帶結(jié)構(gòu)斜長(zhǎng)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(shí)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(yùn)機(jī)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(dòng)力學(xué)事件的地質(zhì)時(shí)代, 進(jìn)而識(shí)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(dú)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(xué)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(jìn)行礦物年齡研究, 將有助于碎屑礦物物源信息的精細(xì)釋讀, 從而精確識(shí)別物源區(qū)地質(zhì)特征和位置, 結(jié)合沉積物沉積時(shí)代的研究, 可示蹤研究物源區(qū)的時(shí)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(yùn)河流的沉積物端元成分特征已知, 也可對(duì)不同源區(qū)的相對(duì)物質(zhì)貢獻(xiàn)進(jìn)行初步定量計(jì)算和研究(Vezzoli et al, 2016)。因此, 可通過(guò)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(duì)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(jìn)行同類礦物的關(guān)聯(lián)和對(duì)比研究, 開發(fā)可能(全球)物源區(qū)的礦物識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù), 建立不同礦物的源區(qū)識(shí)別指標(biāo)/方法, 進(jìn)而建立定量化研究模型。在進(jìn)一步確定物源區(qū)及其位置的基礎(chǔ)上, 通過(guò)釋讀不同單顆粒礦物的物源信息, 對(duì)沉積物顆粒在搬運(yùn)過(guò)程中的分選程度以及礦物顆粒在搬運(yùn)途中的破壞程度進(jìn)行研究, 定量研究源區(qū)蝕變速率和源匯過(guò)程中的物質(zhì)輸運(yùn)通量和過(guò)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(xué)基金項(xiàng)目(ZR2017PD002); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376053); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(201751005)

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

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

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