Question

利用砂岩中的重矿物恢复物源区构造背景

Answer 1

一、恢复原理及方法

传统物源区分析的发展历史大致可分为三个阶段(Weltje et al.，2004):砂岩中重矿物的特征和组合分析、基于薄片观察的碎屑模式分析和全岩地球化学分析。传统方法虽然在判别沉积岩形成的区域构造背景方面取得了巨大的成功，但是这些分析结果反映的都是沉积岩所有物质的平均效应，当同一沉积盆地同时接受多个物源输入时，这些方法不再有效;另外，在沉积物的沉积成岩过程中，不可避免地受到风化，这在一定程度上影响了分析的可靠性。砂岩的重矿物分析包括单颗粒分析法和组合分析法，其中砂岩重矿物的单颗粒分析，能够很好地弥补上述缺陷。首先，一个重矿物颗粒只可能来自一个物源区，因此，具有不同地球化学特征的同种矿物颗粒可以指示不同的物源区;其次，随着电子探针、离子探针和激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)等微区分析技术的发展，使得单矿物原位的地球化学分析变得简单而可靠，选择未经蚀变的矿物或者未蚀变的区域进行分析，可以避免成岩作用对物源区判断的影响(王建刚等，2008)。

用于重矿物分析的单矿物颗粒主要有:辉石、角闪石、绿帘石、十字石、石榴子石、尖晶石、硬绿泥石、电气石、锆石、磷灰石、金红石、钛铁矿、橄榄石等。用电子探针可分析上述矿物的含量、化学组分、类型、光学性质等，针对每个重矿物的特性及其特定元素含量，用其典型的化学组分判定图或指数来判定其物源。本节以铬尖晶石为例，论述其在恢复物源区构造背景中的应用。

二、不同构造背景下铬尖晶石的化学成分特征

在自然界中，铬尖晶石的类质同象广泛发育，其元素组成可以表示为AB₂O₄，其中A为二价阳离子，主要为Mg2、Fe²⁺等，而B为三价阳离子，包括Cr2、A1³⁺和Fe³⁺，另外，铬尖晶石中还含有少量的Zn²⁺、Mn²⁺、V⁵⁺、Ni²⁺、Ti⁴⁺等。铬尖晶石形成于岩浆结晶早期，在分离结晶或部分熔融过程中，尖晶石的基本化学组分表现出很大的差异，Cr和Mg表现出强烈的相容性，极容易进入铬尖晶石，而Al表现出强烈的不相容性，常残留在岩浆中。铬尖晶石常形成于基性岩和超基性岩中，常显棕色、棕红色至暗黑色，在物理化学性质方面有较好的稳定性，以重矿物的形式在沉积岩中出现。由于不同的地球动力学环境中形成的侵入岩和火山岩中的铬尖晶石的成分存在明显的差异，因此，铬尖晶石的化学成分能够敏感地指示母岩的性质(王建刚等，2008)。

为了从铬尖晶石中获取岩石成因的信息，常常运用的参数包括n(Cr³⁺)/［n(Cr³⁺)+n(A1³⁺)］比率即Cr^#，n(Mg²⁺)/［n(Mg²⁺)+n(Fe²⁺)］比率即Mg^#和n(Fe²⁺)/n(Fe³⁺)、TiO₂等(Lee，1999)。Lee(1999)总结了不同的构造背景之下火山岩和橄榄岩中铬尖晶石Cr^#的变化范围(图16－3)。板内碱性玄武岩、深海橄榄岩的铬尖晶石Cr^#＜0.6，而玻安岩、高镁拉斑玄武岩和高镁安山岩中的铬尖晶石Cr^#很高，一般＞0.75。岛弧玄武岩、大陆裂谷橄榄岩包体和阿尔卑斯型橄榄岩中的铬尖晶石的Cr^#变化范围很大，几乎呈现一个完整的序列。洋中脊玄武岩的铬尖晶石Cr^#在0.2～0.6之间。

铬尖晶石中Fe³⁺的含量反映了结晶时岩浆的氧化－还原环境。由于实验时所有的铁含量均以FeO的形式给出，需假定铬尖晶石的组成为理想的AB₂O₄，从而计算出Fe³⁺的含量(Barnes et a1.，2001)。如图16－4，蛇绿岩套、阿尔卑斯型橄榄岩、洋中脊玄武岩以及与岛弧相关的玄武岩、安山岩中的铬尖晶石，其Fe³⁺在所有三价离子中的比重较低，而洋岛玄武岩、大陆溢流玄武岩、层状侵入杂岩和阿拉斯加杂岩中尖晶石的Fe³⁺含量变化很大。

Kamenetsky et al.(2001)认为在Cr^#相同的情况下，水下迅速冷凝的岩浆岩中铬尖晶石的Mg^#要高于陆下缓慢结晶的侵入岩和橄榄岩，并指出，在对尖晶石Mg^#解释时需特别谨慎，因为它是诸多因素的一个复合函数，这些控制因素主要包括母岩浆的Mg^#、Al和Cr在铬尖晶石中的分配比例、氧逸度以及熔体的冷却速率和重平衡作用等。另外，铬尖晶石中TiO₂的含量与熔体组分密切相关，一般来说，地幔橄榄岩铬尖晶石的TiO₂含量低于火山岩中的尖晶石(图16－5)。

图16－3 不同的构造背景之下火山岩和橄榄岩中铬尖晶石Cr^#的变化范围(据Lee，1999)粗线表示主要的分布范围

图16－4 铬尖晶石主要的三价离子n(Fe³⁺)－n(Cr³⁺)－n(Al³⁺)母岩判别图(据Barnes et al.，2001)

图16－5 铬尖晶石TiO₂－Cr^#(a)和TiO₂－Al₂O₃(b)构造背景判别图

三、应用时的注意事项

重矿物方法对母岩性质具有一定的要求，对火山岩和变质岩作为母岩时，其中的重矿物所经历的搬运、沉积次数较少，受后期的影响小，保留的一般较好，能够很好地反映源区的性质。而对沉积岩母岩而言，其中的沉积物可能经历了多次的搬运、沉积和改造作用，具有多旋回性，其中所含的重矿物随之受到影响，发生组分或含量的变化，用它进行物源判断时应慎重。同时，它对沉积物的时代也有一定的要求，一般对新生代的沉积物，其判断较为准确可靠;对中生代、古生代等时代较老的沉积物，重矿物自保存至现今，会因温度、埋深等条件在不同时期不同其种类增多，含量分布较分散，保留原岩的信息减小，对判断物源不利。因此，沉积物时代越新，利用重矿物判断物源时的准确性会越高。同时，水动力会影响沉积时重矿物性质，成岩作用会改变沉积时的部分沉积组分，如矿物的层间溶解等，会使不稳定重矿物含量变化。另外，对出现的自生重矿物，如白云石、黄铁矿等，也应加以考虑(赵红格等，2003)。