Question

碎屑沉积岩

Answer 1

碎屑沉积岩是由风化和成岩作用形成的，通常由具有物源氧同位素组成的碎屑和自生矿物组成，其同位素组成取决于形成的物理化学环境。这意味着与火成来源的碎屑矿物相比，低温下形成的自生矿物将富集¹⁸O(Savin ＆ Epstein，1970b)。由于很难分离碎屑矿物和自生矿物，因此文献资料中很少报道这类研究。不过，近年来由于高空间分辨率(1～10μm)的离子微探针分析技术的提高，已能够清楚分辨出自生石英和碎屑石英(图3.40，Kelly et al.，2007)。研究指出，具有均匀的δ¹⁸O值的石英是在低温(10～30℃)下由大气水参与下生长形成的。

图3.40 采用离子微探针在粒径为6～10μm石英矿物中测的δ¹⁸O值频率分布图

自生矿物¹⁸O富集主要由流体组成、温度、有效矿物/水比值决定。假定温度不变，如果流体具有低¹⁸O的大气水，那么，自生矿物的氧同位素组成就应该具有较低的¹⁸O(Longstaffe，1989)。因此，发生在沉积岩成岩过程中的同位素组成很大程度上是流体组成、流体/岩石比以及温度的函数。

估计温度的其中一种方法是利用成岩组合的氧同位素组成。例如:Eslinger ＆ Savin(1973)利用来自前寒武纪贝尔特超群(Precambrian Belt Supergroup)的石英－伊利石矿物对，计算得出，随着深度的增加温度变化范围为225～310℃。这一情况下，δ¹⁸O值与观察到的矿物一致，并且矿物之间的分馏也处于埋藏变质程度的合理范围内。这一方法假定了所用的成岩矿物之间达到了¹⁸O同位素平衡，最大埋藏之后没有发生逆向再平衡。

将稳定同位素用于碎屑岩的另一种应用是分析风化剖面，用以了解其形成期间的大陆气候特征。虽然具有一定的应用潜力，但是由于下述原因，采用这一方法进行的研究成果寥寥无几(Birders ＆ Chivas，1989;Bride et al.，1992):①无法了解地表温度下的矿物－水之间的同位素分馏;②很难从颗粒极细小的岩石的混合物中获得纯相矿物。Brid et al.(1992)提出了部分溶解技术，并将这种方法用于海地红壤的九种纯矿物的分离(图3.41)。测量某些矿物所得的δ¹⁸O值与根据现有分馏系数预测的¹⁸O/¹⁶O比一致，但其他同位素则不同。差异可能是由各矿物分馏系数估计不准或特殊矿物形成的过程影响导致的(如蒸发作用)(Bird et al.，1992)。

图3.41 来自海地风化剖面、分离矿物的预测(条形)和测量(十字形)氧同位素组成(据Bird et al.，1992)

最后，碎屑沉积岩中的碎屑矿物可用于物源分析。如果没有出现重结晶，则很多常见成岩矿物，如石英、白云母、石榴子石等能够保留中等变质条件下原始源岩的组成。因此，这些矿物能够用作沉积物源的示踪剂。这种类型的方法非常有用，尤其对缺少其他物源指示剂矿物的硅质碎屑沉积物。Vennemann et al.(1992，1996)给出了这类应用的实例，用于研究来自南非和加拿大太古宙含金－铀的砾岩物源。已确定年代的锆石的δ¹⁸O记录了沉积物组成随时间的变化信息(Valley et al.，2005)参看第3.3.7.1部分。