重礦物物源分析研究進展

田豹

(長江大學地球科學學院，湖北武漢430100)

重礦物物源分析研究進展

田豹

(長江大學地球科學學院，湖北武漢430100)

重礦物資料作為物源分析最常見的基礎資料之一，通過廣泛調研文獻資料，綜述了結合重礦物資料分析物源方向、母巖類型的方法和沉積過程中各個因素對重礦物的影響，指出重礦物分析物源的優越性和局限性。認為在利用重礦物分析物源時，應該綜合考慮對重礦物的影響因素，尤其要考慮漫長的成巖作用，并就其未來發展提出了一些看法。

重礦物;物源分析;成巖作用;多元統計

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且性質相對穩定的礦物［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層的質量及其分布。重礦物有耐磨蝕、化學性質穩定特性，因此風化、搬運及成巖作用對其影響較弱。故而在遠離母巖區的沉積巖中，重礦物含量相對較高，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年人們就開始在顯微鏡下分析重礦物并應用重礦物進行物源研究，但開始的研究僅僅是片面性的描述。直到1902年Thomas才開始首次利用重礦物分析結果來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重要手段。地質科學的研究不斷進步，有了礦物分布區帶(Distributive Province)的理論，這才將物源區母巖類型與重礦物組合特征建立了聯系。該理論闡述了不同類型的母巖由于其礦物組成不同，經風化、搬運破壞后會產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展，各個重礦物的百分含量由于引進了礦物顆粒計數方法才得以定量的計算出來，這樣重礦物分析從過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物源判別有十分重要的指導意義。沉積物中受高級變質巖類母巖的影響程度可以由紅柱石、藍晶石、硅線石的百分含量之和來間接反映;重礦物的成熟度可由ZTR指數來反映;深埋砂巖物源區的情況可由RZi指數、MZi指數來輔助判斷［4］。

然而，雖然重礦物因其物理化學性質相對穩定，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，在沉積這個漫長的歷史演化中，還有其他很多因素常常會影響重礦物組合和豐度，如物理的風化、機械破碎和分選，化學的后生成巖作用等。影響最大的是后期風化和漫長的后生成巖作用，這些因素對準確判別物源區產生了極大地干擾作用，且在利用重礦物分析物源時，很少有人考慮到成巖作用對重礦物強烈的影響作用。

近年來，新疆油田在環瑪湖凹陷百口泉組扇三角洲取得重大突破，但由于經歷了漫長的成巖作用，無法較好的利用重礦物資料對該區進行物源分析，扇三角洲體系認識不清。全面了解利用重礦物進行物源分析方法及沉積過程中各種因素對重礦物的影響，對正確認識扇三角洲沉積體系，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

重礦物是對源變化有極其敏感的指示意義。母巖經風化、剝蝕、搬運后形成的產物往往會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(見表1)。借此可運用重礦物特性來恢復母巖和判別物質來源。

表1 碎屑巖礦物組合與母巖類型的對應關系

重礦物根據其穩定性可以從超穩定—穩定—中等穩定—不穩定—極不穩定劃分為5個等級。穩定重礦物抗風化能力強，不穩定重礦物抗風化能力弱。隨著沉積物離物源區距離的增加，重礦物中不穩定成分含量相對會逐漸減少，穩定礦物成分含量相對會逐漸增加，這種穩定與不穩定組合變化特征可指示沉積物源方向。ZTR指數，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定，又幾乎在所有結晶巖中都是常見的，因此ZTR指數作為一種重礦物穩定系數，就成為常用而有效的方法．ZTR指數越大，說明礦物的成分成熟度越高，搬運距離越遠。

1．2傳統分析方法

重礦物資料分析沉積物源體系及物源方向的傳統方法，一般是通過重礦物含量的分布規律或ZTR指數來求取單井一段時間內的數據平均值。但不論是地質歷史時期中還是現代沉積環境中形成的沉積物，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有相似的重礦物組合特征;而對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，傳統的方法不僅無法解釋來自同一母巖區各個重礦物間的內在聯系，還遺漏了沉積物物源差異性可能來自于垂向上層序內部不同沉積期次的影響因素，混源區的重要地質信息被掩蓋起來。

1．3多元統計方法

近年來，多元統計方法在各領域得到了廣泛的應用，部分學者以重礦物含量分析數據為依據，在恢復不同物源體系的發育范圍及其母巖類型問題中，利用聚類分析、因子分析等多元統計分析的方法，很好地解決了沉積期次的判斷、混源體系的區分等問題。也稱為群分析，即通過樣本或變量之間的相似程度從而對他們進行逐步分類的方法［5］。聚類分析可分為Q型和R型兩種。Q型聚類分析，通過對不同樣本中的同一變量進行比較，可以研究樣本間的相互關系，結果可對樣本分類。R型聚類分析是研究變量之間的相關關系，通過比較同一樣本中的不同變量，得到不同變量間的相似關系，結果可對變量分類。因子分析也是多元統計方法中的一種，它把多個有內在聯系的因子“降維”、抽象成少數幾個綜合因子。

雖然通過R類型可以得到重礦物組合，進而得到母巖類型，但R類型得到重礦物組合類型過多，母巖類型分析不清，尤其是主要物源，次要物源很難區別開來。而因子分析通過降維而得到重礦物組合，組合類型簡約，這種方法不僅能很好的判斷母巖類型，尤其是可以通過方差貢獻情況，區別主次物源，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

重礦物雖穩定性強，但其無時無刻不在發生蝕變作用。母巖風化、搬運、沉積、后生成巖及抬升剝露整個階段，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

在植被生長茂盛的地區，有機物的細菌性降解會生成大量的酸性地下水。沉積物表面如藍晶石、角閃石和石榴石等重砂礦物在酸性水的溶蝕作用下會迅速消失，但是隨著深度的增大，重礦物會由于地下水的溶蝕作用減弱而再次出現。例如，Morton發現濱海砂中磷灰石的含量豐富，在邊緣海環境中含量明顯降低，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研究發現，美國東南部未風化的白堊紀砂巖之中存在大量石榴石和綠簾石，而在風化的相同地層中則明顯缺失?？梢钥闯?，穩定重礦物的含量在富含有機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被改變，這時就會對判別物源區帶來極大的困難。多項研究結果表明，很多重礦物會隨著深度的變化相繼消失，在統一物源區的完整剖面上，卻顯示出了不同的重礦物序列。成巖作用對重礦物不僅僅是破壞性作用，也會出現建設性作用。筆者通過對準噶爾盆地下三疊統百口泉組重礦物分析同樣也發現了這種自生綠簾石的存在，且這種自生綠簾石的存在對物源的判斷產生了極大的影響?？梢缘贸鲞@個結論，單一通過石榴石、磷灰石、藍晶石等指示性重礦物的出現情況，并不能準確判別沉積物真正的物源區，因為該地層很可能遭受過后期風化或沉降改造，那么重礦物的指示性受到影響。故而，只有避免后期風化或沉降改造等對統計結果的影響后才能利用重礦物組合準確識別物源區。

2．2其他影響因素

重礦物分析除了考慮成巖作用的影響，還會受到多種因素的影響。

從沉積環境和水動力來說，在重力流發育的區域，重力流對重礦物的分異不明顯，很難通過ZTR指數或穩定系數來判斷物源方向。

從重礦物本身的特點來說，重礦物的穩定性并非一成不變的，在不同的環境下的穩定性差別較大，尤其受成巖作用的影響較為顯著。有實驗對比得到鋯石、金紅石在不同pH條件下(3．6～10．6)穩定性最強，而電氣石的物理穩定性相比更強［6］。鏡下觀察發現，較穩定的石榴石在成巖作用下會發生溶蝕現象，產生溶蝕凹坑，而較不穩定的綠簾石在某些環境中極為穩定，出現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，雖穩定性強，但因其比重大，在近源區強水動力條件下較為富集，在遠源區弱水動力條件下反而變少;而黑云母等片狀礦物，由于其比重小，受水動力改造明顯，在水動力強的環境中遭受沖刷和磨損而不易沉積下來，在水動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、水動力強度相關。

從分析方法來說，巖性與重礦物含量:統計重礦物時，要分巖性來統計，砂巖或砂礫巖可能具有不同的重礦物特征，如果一起統計，求取平均值，勢必忽視了不同巖性重礦物的差異性，其結果可能有誤。自生重礦物:選取重礦物時，要充分判斷其自生與否，因為自生重礦物無法指示物源，可能導致物源判斷失效。如綠簾石，通常認為是變質或蝕變成因，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，傳統認為是自生重礦物，但巖漿巖和變質巖同樣也可發育。所以，自生重礦物的判斷，不應僅僅依靠傳統經驗，要充分結合成巖作用等因素。聚類分析改進:多元統計方法能較好的識別重礦物間的親屬關性，識別主次物源，但也存在諸多問題。如數據是否標準化，聚類方法的選取。當然，這種多元統計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］。筆者認為，可將重礦物、巖屑綜合聚類分析，可以精確識別重礦物和母巖關性，同樣，也可將重礦物和粒度數據綜合聚類分析，可以較好的判斷沉積環境、水動力特征。重礦物分析時，含量高的重礦物對物源的指示意義最為強烈，但某些含量低的重礦物可能具有某種重要的地質意義，不能因為其含量低而被忽略。而且，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應不同的母巖，通過重礦物分析，尤其是沒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，要綜合考慮各因素對重礦物分布及含量的影響因素。

3 結語

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用。但目前該方法在物源分析研究中仍然有很多問題尚待解決，尤其是成巖作用對重礦物影響的精細研究上，而目前，成巖作用對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者所認可。相信隨著研究方法的深化和科學實驗技術的提高，重礦物體系研究的遺留問題將會解決。

［1］徐亞軍，杜遠生，楊江海．沉積物物源分析研究進展［J］．地質科技情報，2007(3):26－32．

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［4］Morton A C，Hallsworth C．Identifying provenance-specific features of detrital heavy mineral assemblages in sandstones［J］．Sedimentary Geology，1994，90(3/4):241－256．

［5］王學仁．地質數據的多變量統計分析［M］:科學出版社，1982．

［6］Freise F W．Untersuchung von mineralen auf abnutzbarkeit bei verfrachtung im wasser［J］．Zeitschrift Fur Kristallographie Mineralogie Und Petrographie，1931，41(1):1－7．

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［8］操應長，周磊，張玉明，等．松遼盆地十屋斷陷十屋地區營城組物源體系探討［J］．沉積學報，2011(6):1096－1104．

［9］宋紅瑛，劉金慶，印萍，等．日照近海表層沉積物粒度特征與沉積環境［J］．中國海洋大學學報(自然科學版)，2016(3):96－104．

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

國家自然科學基金(41302094)

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