徐杰, 姜在兴. (2019)碎屑岩物源研究进展与展望* [J]. 古地理学报, 21(3): 379-396
Xu Jie, Jiang Zai-Xing. (2019)Provenance analysis of clastic rocks: Current research status and prospect[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(3): 379-396.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.03.022
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碎屑岩物源研究进展与展望*
徐杰1, 姜在兴2,3
1 中国地质大学(北京)海洋学院,北京 100083
2 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083
3 中国地质大学(北京)科学研究院,北京 100083

第一作者简介 徐杰,男,1985年生,中国地质大学(北京)海洋学院讲师,主要从事碎屑岩沉积学、源-汇系统和碎屑锆石物源分析方面的研究与教学工作。E-mail: jiexu@cugb.edu.cn。

收稿日期:2018-12-17
基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2017ZX05009-002)及中央高校基本科研业务费专项资金(编号: 2-9-2017-130)共同资助
摘要

沉积物物源研究作为沟通沉积盆地与剥蚀区的纽带,有助于恢复源区构造背景、估计沉积物搬运路径与距离、重建古水系和恢复沉积盆地充填演化历史等,在源-汇系统分析中有着非常重要的作用。传统的方法如岩石学、沉积学、重矿物和元素地球化学等方法在物源体系分析中起着重要的作用。随着同位素测试技术的进步,越来越多的碎屑矿物同位素测年开始大量地被应用到物源分析当中。近些年碎屑锆石测年被广泛地应用到沉积盆地物源体系恢复和古水系重建中,而针对碎屑矿物如金红石、独居石和磷灰石等的同位素测年也同样发挥着巨大的作用。多种矿物组合分析以及单矿物多重定年,可以更全面地恢复物源区的构造演化史,从而更准确地恢复构造演化与盆地充填过程之间的耦合关系。同时随着碎屑锆石 U/Pb数据的日益增多,越来越多的数学和统计学方法开始被引入用于定量分析不同物源区对沉积区砂体展布的影响。现今和未来的物源分析将是不断引入新的研究技术、将传统方法与新技术的结合、从单一方法到多种方法的综合、从定性分析到定量化研究、从单一学科到多学科交叉的过程,从而更好地让我们认识沉积物在地表的剥蚀—搬运—沉积的整个过程。

关键词: 物源分析; 碎屑锆石; 同位素测年; 定量分析
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)03-0379-18
Provenance analysis of clastic rocks: Current research status and prospect
Xu Jie1, Jiang Zai-Xing2,3
1 School of Ocean Sciences,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China
2 School of Energy Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China
3 Institute of Scientific Research,China University of Geoscience(Beijing),Beijing 100083,China;

About the first author: Xu Jie,born in 1985,Ph.D.,a lecturer of School of Ocean Sciences,China University of Geosciences(Beijing), is mainly engaged in investigating and teaching of sedimentology,sedimentary source-to-sink system and detrital zircon provenance analysis. E-mail: jiexu@cugb.edu.cn.

Fund:[Co-funded by the National Science and Technology Major Projects of China(No.2017ZX05009-002)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2-9-2017-130]
Abstract

Provenance analysis is a critical connection between orogenic belt and sedimentary basin, and can help reconstruct the tectonic background of source area,estimate sediment routing pathway and transportation distance,and rebuild sedimentary basin infilling history,and thus plays an important role in the sedimentary source-to-sink system analysis. Traditional approaches,such as petrology,sedimentology,heavy mineral,geochemistry etc.,have been used for provenance analysis for decades and will still be important in the future. With the advances of isotope analytical technology,isotopic dating of mineral grains has been more widely used in sediment provenance analysis. Recently,isotopic dating of detrital minerals,such as monazite,apatite,rutile etc.,especially,detrital zircon geochronology has been widely applied to reconstruct the sediment dispersal system and ancient drainage system of sedimentary basin. Isotopic dating of multiple minerals and double or triple dating on a single mineral grain have been approved to be more effective in deciphering the tectonic evolution of source area and the linkage between orogenic evolution and sedimentary basin infilling history. Meanwhile,with increasing amount of data obtained from detrital zircon U/Pb dating,mathematical and statistic approaches have been introduced to quantify the contribution from siliciclastic sources in the orogenic belt to the sediment deposition in the basin. The current and future research on sediment provenance will be continuous processes of bringing in new technologies,incorporating traditional and advanced methods,transiting from single approach to multiple combined approaches and from qualitative to quantitative analysis,as well as developing of interdisciplinary. The progress made on provenance analysis will help us better understand the whole erosion, transportation and sedimentation process of sediment on the earth surface.

Key words: provenance analysis; detrital zircon; isotopic dating; quantitative analysis
1 概述

随着沉积学理论的不断发展和获取资料的愈加丰富, 沉积学研究越来越强调多学科交叉融合、多因素综合分析及半定量— 定量分析(Syvitski and Milliman 2007; Blum and Hattier-Womack, 2009)。因此有必要将沉积学的研究领域从传统的盆地内部分析扩展到整个源-汇系统, 即将沉积物在母岩区的剥蚀、流域盆地的搬运以及沉降区的堆积, 作为一个完整的成因相连的系统来研究地球表层动力学过程对沉积物的控制作用(图 1)(Allen, 2008a, 2008b; Sø mme et al., 2009; 林畅松等, 2015; 姜在兴等, 2016; Helland-Hansen et al., 2016; Romans et al., 2016; 解习农等, 2017; 杨江海和马严, 2017; 朱红涛等, 2017; Zhang et al., 2018)。

图 1 源-汇系统各主要要素示意图(修改自Blum and Hattier-Womack, 2009)Fig.1 Schematic diagram showing major elements of sedimentary source-to-sink system modified from (Blum and Hattier-Womack, 2009)

在漫长的沉积盆地演化过程中, 大部分的物源区持续遭受风化剥蚀, 部分盆地内部或边缘的沉积地层会在后期的构造抬升中遭受剥蚀, 这使得整个源-汇系统中的沉积物物源区和搬运区的信号难以在沉积记录中保存下来。因此, 在整个源汇系统内部, 碎屑岩物源研究有助于恢复源区构造背景、沉积物搬运路径与距离、重建古水系和恢复沉积盆地演化历史等, 在源-汇系统分析中有着非常重要作用(图 1)(Dickinson and Gehrels, 2009; 杨仁超等, 2013; Blum and Pecha, 2014; 姜在兴等, 2016; 郭佩等, 2017; Xu et al., 2017a, 2017b)。

沉积物从源区风化剥蚀开始, 经历了不同地表动力机制的搬运、沉积卸载、水动力改造以及后期的成岩作用等影响, 现今观察到沉积岩既保存了某些原始的物源区信号, 但也部分的遭受后期的改造, 尤其对于某些经过多源多次混合的物源体系和经受后期强烈成岩改造的岩石, 采用单一的物源分析方法往往会产生偏差。作者在文献调研和之前的相关研究基础之上, 简单回顾传统物源分析方法, 重点阐述新技术新方法在物源分析上的应用, 以及介绍物源分析在定量化分析方面的进展。

2 传统物源研究方法回顾

物源体系分析作为沉积盆地研究的重要内容之一, 已有几十年的研究历史。传统的物源恢复方法包括沉积学、碎屑岩岩石学分析、重矿物单矿物及组合分析、元素地球化学、黏土矿物、轻矿物单矿物分析和地球物理等方法(Roser and Korsch, 1988; 汪正江等, 2000; 赵红格和刘池洋, 2003; 徐亚军等, 2007; 魏然等, 2013; 杨仁超等, 2013; 马收先等, 2014; 彭治超等, 2017)。

2.1 碎屑岩碎屑成分分析

陆源碎屑岩作为母岩风化破碎、搬运和沉积的产物, 其岩石的碎屑矿物成分组成可以在一定程度上反映源区的构造性质, 因此经常用于物源分析。Dickinson和Suczek(1979)、Dickinson(1985, 1988)通过统计石英、长石、岩屑、单晶石英、多晶石英、沉积岩屑和火山岩屑等含量, 制作Dickinson三角图来恢复沉积物源区的构造背景。该方法简单易行, 可通过野外和岩心取样, 磨制薄片进行镜下观察进行, 因此是物源分析中最常用的手段之一。后期许多学者对该方法进行了应用与改进(Zuffa, 1980; Ingersoll, 1990; Weltje, 2006)。但是该方法也存在着诸多问题, 例如没有考虑到混合物源、风化过程、搬运机制和成岩作用等影响, 从而导致物源分析的时候出现偏差(Ingersoll et al., 1984; Johnsson, 1993; 徐亚军等, 2007; Garzanti et al., 2008, 2009; 马收先等, 2014)。

2.2 重矿物分析

重矿物法是沉积岩物源分析中常用的一种方法, 该方法通过沉积岩中的重矿物化学组分和矿物组合来指示源区的岩石类型和物源方向(和钟铧等, 2001; 田豹, 2017)。目前最常用的重矿物判别手段是ZTR指数, 其中Z、T、R分别指锆石, 电气石和金红石。这3类矿物的抗物理风化和化学风化的能力较强, 在重矿物组合中最为稳定, 因此高ZTR指数常用来指示较高的矿物成熟度和较远的搬运距离, 而ZTR指数低则指示靠近物源区和搬运距离较短。由于物源区的母岩性质不同, 来自不同源区的碎屑物质在经受风化、搬运和沉积之后, 其重矿物组合往往呈现不同的特征, 有学者通过Q型和R型聚类分析的方法对重矿物进行源区分区, 取得了很好的效果(孙小霞等, 2006)。

由于重矿物各自的物理、化学性质不同, 在物理、化学风化, 水动力分选和搬运中会表现出不同程度的分异; 从而导致沉积区的重矿物组合不能充分地反映源区母岩性质。国内外一些学者提出使用具有相同物理化学属性的特征矿物组合来反映物源信息。例如金红石和锆石具有相似的密度、颗粒形态、化学稳定性、硬度和成岩过程, 因此两者之间的比值不会随着风化和水动力产生分异, 从而两者的比值(RuZi=金红石/(金红石+锆石)× 100)可以准确地记录源区的性质(Morton et al., 2005; Eynatten and Dunkl, 2012)。

随着电子探针技术的进步, 重矿物地球化学方法开始应用到物源分析当中。该方法是根据重矿物的地球化学分异特征(如锆石、石榴子石、电气石、辉石、角闪石和尖晶石等), 建立典型化学组分判定图和端元图来分析物源(例如Morton, 1987; Dill, 1994)。此外也有部分学者通过重矿物颗粒表面的晶纹和形态入手, 分析重矿物从搬运到沉积所受到的地质作用影响, 可以作为物源研究的一个重要补充(Cardona et al., 2005)。

2.3 沉积学方法

沉积学方法包括利用古水流测量、砾石含量分布图、砂岩含量分布图和粒度分析等来恢复盆地内部或盆地边缘的沉积搬运方向(姜在兴等, 2016)。其中古水流测量可以通过分析波痕、交错层理、前积纹层、槽模、冲刷痕和砾石的定向排列等沉积现象, 用以判断沉积物搬运方向(Potter and Pettijohn, 1977; 姜在兴等, 2005; Ghinassi and Ielpi, 2015; 杜远生, 2018)。砾石含量分布图和砂岩含量分布图可以通过钻测井资料统计而得, 经常用于沉积盆地内物源体系和砂体分散体系规律研究, 尤其是砾石的含量和成分的变化能反映物源区方向Wandres et al., 2004)。沉积学的方法有助于判断盆地内或盆地边缘的沉积物搬运方向、古斜坡的倾斜方向和沉积体的几何形态, 但是对于物源区的位置、岩性和构造背景等重要信息, 则无法有效恢复。

2.4 元素地球化学

元素地球化学方法中, 常量元素、微量元素和稀土元素的含量及各特征元素之间的比值是分析物源的重要指标(杨守业和李从先, 1999; 毛光周和刘池洋, 2011; 杨守业等, 2015)。其原理是基于岩石中的某一些地球化学成分(如稀土元素Th、Y等)在风化、搬运和成岩作用下没有发生明显的迁移, 因此可以通过分析沉积岩中此类不易迁移元素含量及其比值去追踪沉积物源(Taylor and McLennan, 1985; McLennan et al., 1993; Girty et al., 1994)。操应长等(2007)通过特征元素比值的分布模式、物源指数和聚类分析等识别出东营凹陷王58井区存在南北两大物源体系。杨守业等(2013)采用稀土元素的一些配分参数、Ce和Eu异常和Al/Ti比值研究长江中沉积物的变化及物源。邵磊等(2010)和姜龙杰等(2018)通过稀土元素分析了南海琼东南盆地的沉积物源和古环境的变化。在应用元素地球化学分析物源和古环境时, 要注意元素地球化学特征在沉积岩中易受其他地质因素影响, 在实际研究中, 还需结合研究区的地质背景以及综合运用多种方法进行物源区分析。

2.5 黏土矿物

黏土矿物作为母岩风化作用的产物, 广泛分布于地表, 是盆地内细粒沉积物的主要组成部分, 在沉积物示踪和源区风化历史恢复等方面具有重要的作用(Liu et al., 2016)。黏土矿物的组成(高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石等)可以用来区分来自不同源区的沉积物影响。例如刘志飞等(2007)分析珠江流域盆地表层沉积物的黏土矿物, 指出珠江流域对南海北部黏土矿物的主要贡献为高岭石, 而来自长江和台湾岛的物源主要贡献了以伊利石和绿泥石为主的黏土矿物组合。包汉勇等(2010)通过对下扬子区早三叠世沉积的3套风暴沉积进行黏土矿物分析, 发现每一套风暴岩都具有完全不同的黏土矿物组合, 很可能指示了不同的物源影响。

2.6 轻矿物单矿物分析

轻矿物(例如石英和长石)是沉积岩中的常见矿物, 其成因分析可以用于追踪沉积物来源。例如轻矿物中长石的化学成分、生长环带、双晶类型和结构形态可以反映物源(Helmold, 1985)。而物理和化学性质更稳定的石英是物源分析的理想对象。石英颗粒的波状消光可以判别侵入岩、中高级变质岩和低级变质岩源区, 但也受到后期成岩重结晶和构造活动的影响(马收先等, 2014)。综合石英阴极发光(徐惠芬等, 2006)、石英颗粒微量元素(Clayton et al., 1978)和石英氧同位素(Alé on et al., 2002)等特征, 可以更好地鉴别和区分石英成因环境, 从而限定物源区的范围。

2.7 地球物理等其他方法

地球物理方法中主要包括应用测井和地震资料来恢复古水流方向和沉积体的搬运方向。测井中主要通过自然伽马曲线分型维数和地层倾角测井来恢复古水流方向(李军和王贵文, 1995), 而对于地震资料覆盖的盆地, 可以根据地震反射数据中的前积反射特征来推断古物源方向(张金伟等, 2008; 武赛军等, 2012)。此外可以通过沉积物中的微体化石和生物标志物来辅助判断有机质和碎屑沉积物的来源(杨仁超等, 2013), 通过硅酸盐矿物风化强度(CIA)等来恢复源区古环境(汪正江等, 2000)。

3 物源研究新方法进展

近些年来由于实验技术的进步, 碎屑矿物的同位素测年和地球化学分析越来越多地应用到沉积盆地物源分析当中, 尤其是碎屑锆石测年在物源分析中扮演着重要的角色。

3.1 碎屑锆石U/Pb测年的应用

近些年由于激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)技术方法的进步, 单矿物(例如锆石)原位同位素测试可以在短时间内获得大量的同位素年龄数据, 使得该技术越来越广泛地应用于沉积盆地物源分析(Gehrels et al., 2008; Gehrels, 2014)。锆石作为一种抗物理风化和化学风化能力较强的矿物, 可以在不同的风化和水动力搬运条件下仍然保持着最初的物源信息, 因此成为物源分析的理想研究对象(Fedo et al., 2003; Gehrels, 2014; Lawton, 2014)。锆石在结晶时候的封闭温度可以高达900℃以上(Dahl, 1997), 因此锆石的U/Pb年龄可以很好地记录锆石从岩浆中析出的结晶年龄。碎屑锆石U/Pb测试年龄分布数据(或称为年龄谱)在用于物源分析时, 可以根据各个峰值的分布情况, 去对比寻找相应的潜在物源区, 并结合其他区域地质资料来判断碎屑物质的潜在源区和搬运路径(图 2)。对于这种分析方法其中一个重要的假设是所有的碎屑锆石均直接来自造山带物源区。

图 2 锆石U/Pb测年恢复物源方法示意图(修改自Romans等, 2016)
图中三角洲砂体经碎屑锆石所得的年龄数据分布, 可用于对比潜在物源区的结晶基底年龄, 从而确定物源区, 同时还可以大致判断来自源区C的供源更为强烈Fig.2 A conceptual diagram showing provenance analysis by the detrital zircon U/Pb age distribution(modified from Romans et al., 2016)

碎屑锆石U/Pb测年法已被广泛地用于古代和现代沉积物源体系分析(Eriksson et al., 2003; Yang et al., 2009; Gehrels, 2014; Blum and Pecha, 2014; Blum et al., 2017; Xu et al., 2017a)。碎屑锆石U/Pb测年法尤其在对古老地层的古地理重建中具有重要意义。Rainbird等(1992)对加拿大北部的维多利亚岛的新元古代(1.1— 0.72Ga)石英砂岩进行碎屑锆石U/Pb测年分析发现, 大量的碎屑锆石来自于北美大陆东部Grenville造山带。由于维多利亚岛所在的北美大陆西北地区并无Grenville造山期的地壳, 因此推断在新元古代, 可能曾经存在着一个横跨北美大陆东西流向的大陆级别的古水系(图 3)。而这个也与当时Rodinia超大陆拼合、Grenville造山带时期(1.3— 0.95Ga)在北美古陆(Laurenita)东部形成山脉, 因而形成整体东高西低的古地貌有关。有国外学者认为在北美东部的Grenville造山带时期形成的山脉可以与现今的喜马拉雅相媲美(Mosher et al., 2004; Tollo et al., 2004)。

图 3 锆石U/Pb测年分析用于北美洲大陆古水系恢复的实例(修改自Xu et al., 2017a)
新元古代自东向西的水系解释源自Rainbird et al., 1992。古生代自东向西的古水系解释源自Dickinson and Gehrels, 2003; Leier and Gehrels, 2011; Blum and Pecha, 2014Fig.3 Case studies of ancient drainage system in North America reconstructed from detrital zircon U/Pb dating analysis (modified from Xu et al., 2017a)

此外, Dickinson和Gehrels(2003)对美国西部科罗拉多高原上的二叠— 侏罗系风成砂岩进行碎屑锆石物源分析。此前的研究多从古风向来恢复风成砂岩的来源, 认为碎屑物质多来自高原北部, 主风向是自北向南, 但是对于这些碎屑物质最终来自哪个物源区却缺乏相应的认识。而通过对二叠— 侏罗系砂岩的碎屑锆石U/Pb测年分析发现存在有大量的Grenville(1300— 950Ma)和Appalachian-Ouachita(500— 300Ma)年龄的碎屑锆石组分, 而能产生这些碎屑锆石的源区主要位于北美洲大陆东部(Appalachian山脉)和东南部(例如美国得克萨斯州的Llano凸起和墨西哥境内)。然而晚古生代的北美大陆古地貌分析认为, 位于研究区南边的得克萨斯州和墨西哥地区的Grenville地壳并没有经历大规模的隆升, 不太可能提供大量的碎屑物质, 相反美国东部的Appalachian山脉在古生代处于隆起时期, 因此综合判定这些风成砂岩的最终来自于北美大陆东部的Appalachian造山带(与早期的Grenville造山带位置相邻和部分重叠)(图 3)(Dickinson and Gehrels, 2003, 2009)。这个研究指出在Appalachian造山带时期(500— 300Ma), 北美大陆东高西低的古地貌格局造成自东向西的大陆级别的古水系。Appalachian造山带是古非洲大陆与北美大陆碰撞的结果, 从而形成了Pangea超大陆(Hatcher, 1987, 2010)。从以上2个实例可见, 碎屑锆石用于古老地层的物源体系重建尤为有用, 并且可以从沉积记录来恢复古构造运动对沉积盆地充填过程的控制作用。

近些年来碎屑锆石测年手段已广泛引入中国的大型沉积盆地研究当中, 并取得了丰富的研究成果。例如陈杨等(2011)、余世花和梁新权(2017)通过对四川盆地西部晚三叠世砂岩进行碎屑锆石U-Pb年龄测试分析, 指出在晚三叠世, 川西盆地的物源主要来自北部的秦岭造山带和华北克拉通, 而不是之前认为的主要来自于西边的龙门山造山带。彭守涛等(2009)对库车凹陷下白垩统格列木组碎屑锆石分析指出, 其主要源区是天山弧造山带与南天山褶皱冲断带。Xie和Heller(2013)对鄂尔多斯盆地南部晚三叠世延长组砂岩碎屑锆石分析指出, 主要的物源并不是来自盆地边缘的祁连和秦岭造山带, 而是大部分源自早期沉积物的再旋回。此外在中国南海莺歌海盆地(Wang et al., 2014, 2015; Jiang et al., 2015)、塔里木盆地(郭春涛等, 2015; 李忠和高健, 2016)等盆地, 碎屑锆石也越来越多地用于物源体系分析和古地理重建。另外有部分学者采用锆石的形态学特征来进行碎屑锆石物源恢复的研究(闫义等, 2003; 宋鹰等, 2018)。

3.2 其他矿物同位素测年

独居石是火成岩和变质岩中常见的一种副矿物, 具有比较强的抗物理和化学风化能力, 因此往往在河流砂岩中富集(Pettijohn et al., 1973), 但是相对于锆石而言, 独居石具有较弱的硬度和抗成岩作用能力, 因此独居石记录的更多是直接物源区的碎屑物质来源, 而锆石则可能记录了多次搬运、再旋回和成岩改造之后的沉积物物源区(Eriksson et al., 2004; Campbell et al., 2005)。此外由于独居石具有比锆石更低的结晶温度(图 4), 因此独居石相对锆石更容易记录浅变质构造事件(Williams et al., 2007)。而锆石由于具有较高的结晶温度, 因此对此类浅变质构造事件相对不敏感。这也是独居石对于碎屑锆石的一个优势(Parrish, 1990)。

图 4 不同矿物的封闭温度示意图(修改自Carlson, 2011; 通过测试不同矿物不同封闭温度时期的年龄, 来研究源区的构造演化史)Fig.4 Closure temperature windows of different minerals(modified from Carlson, 2011. Dating the age within different temperature windows of different minerals could help understand the tectonic evolution history of the source area)

Hietpas 等(2011)通过对美国Appalachian前陆盆地石炭— 二叠系同一批砂岩样品同时进行碎屑锆石U/Pb测年和碎屑独居石Th-U/Pb测年来研究Grenville(持续时间1300— 950Ma)和Appalachian(持续时间500— 300Ma)两大造山带对该前陆盆地沉积充填的影响。Hietpas等(2011)发现碎屑锆石U/Pb年龄记录了大量中— 新元古代Grenivlle造山带源区对盆地砂体的供给, 而同沉积期活跃的Appalachian造山带的信号却较少地记录在碎屑锆石U/Pb年龄当中(图 5)。相反碎屑独居石则记录了大量的Appalachian造山带的碎屑物质供给和少量的Grenviile造山带影响(图 5)。研究发现这是因为Appalachian造山带发育大量的变质岩, 而碎屑锆石对变质作用相对不敏感, 因此对这部分的物源供给能力大大低估, 相反碎屑独居石测年数据充分地反映了后期变质构造作用对沉积区的物源供给的影响(Hietpas et al., 2010, 2011)。

图 5 美国Appalachian前陆盆地石炭— 二叠系砂岩的碎屑锆石U/Pb和碎屑独居石Th-U/Pb年龄数据分布图 (修改自Hietpas et al., 2011; 2组数据来自同一批样品)Fig.5 Detrital zircon U/Pb and monazite Th-U/Pb age distribution of same set of the Carboniferous-Permian sandstones in Appalachian foreland basin, USA(modified from Hietpas et al., 2011. Both sets of data were derived from the same samples)

作为稳定重矿物的一种, 金红石与锆石相似, 都具备极高的化学稳定性和抗物理风化能力, 蕴含着丰富的源区信息, 是一种重要的指示物源的矿物。由于金红石U/Pb系统和(U-Th)/He具备相对较低的封闭温度(图 4), 因此可以用来恢复变质岩体的冷却史(Eynatten and Dunkl, 2012; 简星等, 2012)。可以通过对沉积岩中的碎屑金红石进行U/Pb和(U-Th)/He 定年以及Lu-Hf 同位素分析, 获取金红石母岩的热演化史, 可以限定最后一次构造事件对沉积物搬运体系的影响(Allen and Campbell, 2007; Morton and Chenery, 2009)。

其他碎屑矿物测年方法, 例如磷灰石的裂变径迹和(U-Th)/He以及白云母Ar-Ar测年等方法, 记录了矿物的低温冷却史, 结合潜在源区的构造演化史, 可以用来限定沉积物来源(Cliff et al., 1991; Clift et al., 2006; 王建刚和胡修棉, 2008; Eynatten and Dunkl, 2012)。此外碎屑岩Rb-Sr和Sm-Nd同位素也是常用的物源分析手段之一(徐亚军等, 2007), 在此不一一展开论述。

3.3 多矿物组合分析

由于碎屑锆石的抗物理和化学风化性质, 使之可以追踪其最终中酸性火成岩源区, 但也正是锆石的这种特性, 使得锆石无法识别周缘前期沉积地层中再旋回锆石和后期构造运动对沉积物输送体系的控制作用, 从而影响对物源区的判断(Lawton, 2014; 郭佩等, 2017)。因此需要引入其他矿物分析, 来进一步限定潜在物源区。相对于锆石而言, 独居石、金红石及磷灰石等则记录了矿物的低温冷却年龄(图 4), 往往能反映最后一次构造事件对矿物颗粒和物源分布的影响。在物源分析中, 越来越多的学者开始考虑对沉积岩开展多种矿物的同位素定年, 进而避免单种矿物测试分析带来的不确定性(Carrapa, 2010)。例如开展沉积岩中的锆石U/Pb、独居石Th-U/Pb、金红石Th-U/Pb、磷灰石(U-Th)/He、磷灰石裂变径迹和白云母Ar-Ar等测试中的2~3种, 获得多重反映源区构造史的信息, 从而极大地提高我们对碎屑物质来源的认识, 有助于研究源区构造演化与盆地充填之间的成因联系。

例如Hieptes等(2010, 2011)在美国Appalachian前陆盆地研究所展示的, 锆石U/Pb年龄往往偏向于反映继承锆石的源区(Grenville), 而碎屑独居石Th-U/Pb年龄可以更准确地记录后期Appalachian造山期发生的变质作用对沉积物源的影响(图5)。Cliff等(1991)采用岩石学、古水流测量、碎屑锆石U/Pb测年、碎屑独居石Th-U/Pb测年以及碎屑颗粒形态学多种方法, 对英国的Pennine盆地石炭系进行物源和古水系重建, 极大地降低之前物源判断的不确定性。Allen和 Campbell(2007)通过对美国密西西比河下游砂体碎屑锆石的U/Pb、(U-Th)/He和碎屑金红石Th-U/Pb年龄来综合分析Grenville、Appalachian和Cordillera三大北美造山带对密西西比河沉积物供给的影响。此外Haines等(2004)将碎屑锆石U/Pb测年、白云母Ar-Ar测年和全岩Sm-Nd同位素分析结合用于分析澳大利亚南部新元古界— 寒武系的物源体系。这种采用多种矿物同位素测试分析的方法, 可以发挥每一种矿物的优势, 又可以从不同矿物中获得多重信息, 从而可以得到更多的源区信息。

3.4 单矿物多重定年

目前正在快速发展但仍然处于相对初级阶段的另一种分析物源的手段是针对单颗碎屑矿物同时采用多种同位素定年。这种方法的优势是可以保证多种同位素年龄反映的不同构造运动历史, 无论是高温U/Pb结晶年龄、低温裂变径迹或(U-Th)/He冷却年龄都来自同一颗矿物, 可以极大地提高单颗矿物所记录的源区信息的分辨率。

目前研究程度相对成熟的是利用单颗碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He相结合的方式进行物源判定(Rahl et al., 2003; Campbell et al., 2005; Reiners et al., 2005; Saylor et al., 2012; Fildani et al., 2016; Xu et al., 2017b)。该方法先进行碎屑锆石的U/Pb测年, 然后再根据U/Pb测年的结果, 从每个峰值中选取5~7颗锆石进行下一步的(U-Th)/He分析测试, 从而从单颗锆石中同时得到2个代表不同构造演化时期的年龄。碎屑锆石的U/Pb年龄指向潜在源区结晶基底形成时期, 而(U-Th)/He指向基底遭受构造隆升、后期剥蚀冷却的时间。如图 6所示, 潜在物源区B和C具有相同的锆石U/Pb结晶年龄, 光凭碎屑锆石无法区分两者的不同。而源区B和C由于后期构造剥蚀史不同, 这种不同的演化史可以被(U-Th)/He年龄所记录, 从而结合U/Pb数据可以区分这2个潜在物源区。

图 6 碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He双测年技术分析物源原理示意图(引自Reiners et al., 2005)Fig.6 Schematic diagram showing the principle of applying U/Pb and(U-Th)/He double dating on single detrital zircon grain for provenance analysis(adapted from Reiners et al., 2005)

Rahl等(2003)在Geology杂志上发表了第1篇有关单颗碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He双测年技术应用于物源分析的文章, 通过对美国西部犹他州的侏罗系Navajo 砂岩分析发现, 该砂岩中的大量碎屑锆石表现为Grenville造山期的结晶年龄(U/Pb年龄: 1300— 950Ma)和Appalachian造山期的冷却剥蚀年龄((U-Th)/He年龄: 500— 300Ma)。该年龄组合强烈地表明物源来自于美国东部的Appalachian山脉(图 7)。Xu等(2017b)采用相同方法对墨西哥湾中新统进行物源分析, 发现存在源自Grenivlle造山期的锆石具有4种不同的U/Pb和(U-Th)/He年龄组合, 代表了4种不同的源区(图 7)。同时根据碎屑锆石(U-Th)/He所反映的剥蚀年龄的不同, 可以分辨出经过多期沉积— 搬运— 再旋回的碎屑锆石(multi-cycle or recycled zircon)和最近一次造山运动中遭受剥蚀、初次进入沉积物搬运体系中碎屑锆石(first cycle zircon)。Campbell等(2005)使用该碎屑锆石双测年技术对恒河和印度河的现代沉积物进行物源分析, 识别出印度河60%和恒河70%的沉积物源自早期沉积物的再旋回, 只有印度河40%和恒河30%的沉积物直接来自喜马拉雅山脉。

图 7 北美洲大陆古水系重建(修改自Rahl et al. 2003; Xu et al., 2017b)
红色虚线部分代表晚古生代— 早白垩世的古水系, 其特点是既具有记录来自新元古代Grenville基底的碎屑锆石U/Pb年龄(1300-950Ma), 又具有记录古生代Appalachian构造剥蚀事件的(U-Th)/He年龄(500-300Ma), 强烈指示物源来自东部。实线部分代表墨西哥湾中新统样品中4种不同的碎屑锆石U/Pb和(U-Th)/He年龄组合, 分别代表不同的物源体系Fig.7 Ancient drainage system reconstruction map of North America(modified from Rahl et al., 2003; Xu et al., 2017b)

碎屑锆石的裂变径迹年龄可提供源区后期构造热事件的重要信息, 将之与碎屑锆石的U/Pb年龄测试结合, 可以得到双重信息来分析物源。Cater和Moss(1999)结合使用碎屑锆石低温裂变径迹和高温U/Pb年龄对泰国Khorat盆地的Khorat群沉积时期的盆山耦合机制进行研究。Bernet等(2006)采用对同一颗锆石进行U/Pb和裂变径迹测试, 判断出多个物源体系, 同时还指出不同物源区在不同地质时期剥蚀速率和沉积物供应量不同。Shen等(2012)用相同的方法对江汉盆地的白垩系进行了物源体系和源区的剥蚀史研究。Carrapa等(2009)甚至采用磷灰石三测年技术, 即对同一个磷灰石矿物颗粒采取U/Pb、裂变径迹及(U-Th)/He测试, 并结合白云母矿物的Ar-Ar测年, 系统分析阿根廷西北部Puna高原上的中新统, 探讨沉积物的来源以及源区的构造演化史。

此外, 有学者对单颗碎屑锆石采用U/Pb测年和氧同位素、U/Pb测年和微量元素、以及U/Pb测年和Hf同位素相结合的方法(Hawkesworth and Kemp, 2006; Wang et al., 2009; Iizuka et al., 2012; Gehrels and Pecha, 2014; Howard et al., 2015; Marsh and Stockli, 2015), 来提供多重信息分析物源体系及源区的构造演化。

4 物源研究展望
4.1 传统方法与新方法的结合

沉积物从源到汇经历了复杂的物理化学风化、不同动力机制(河流、风、冰川)的搬运、埋藏— 再旋回、水动力分选、多物源混合和后期成岩作用等。单一的物源分析方法往往难以准确地恢复完整的物源信息。虽然近些年来碎屑矿物同位素分析在物源分析中得到了大量的应用, 并取得了丰富的成果。但是碎屑矿物同位素分析, 例如碎屑锆石U/Pb定年并不能反映基性岩和碳酸岩源区的沉积物供应。此外碎屑锆石U/Pb定年在进行物源判别时, 难以分别再旋回锆石的影响, 因此往往只能恢复最终的源区, 而对于直接的源区识别较为困难(Thomas, 2011)。同时也有学者(Lawrence et al., 2010)指出, 水动力分选会造成碎屑锆石U-Pb年龄组成的不同, 从而造成取自同一个沙丘不同微相的样品具有不同的碎屑锆石U-Pb年龄组合。

因此, 在使用碎屑锆石测年恢复物源时, 还得结合区域地质背景、沉积背景、源区岩性组合、以及邻区或者上游的碎屑锆石年龄等多种数据综合分析, 否则简单的根据碎屑锆石年龄分布, 按图索骥寻找潜在的物源区, 很可能造成分析的误判。构造环境不仅控制了源区的岩石组合, 也塑造了盆地边缘的地形地貌, 对物源体系的分布演化具有重要的控制作用。同时源区的母岩性质、气候条件和古地貌条件也会影响碎屑岩的供给速率和矿物组合(Johnsson, 1993; Syvitski and Millian, 2007)。

单一的物源分析方法往往只能反映源区的部分性质, 随着技术的进步和新方法的不断涌现, 物源分析逐渐从早期的单因素分析过渡到如今的多方法综合分析, 如综合古流向数据— 岩石学— 碎屑锆石测年(Dickinson and Gehrels, 2008; Lawton et al., 2009), 岩石学— 重矿物— 主、微量元素— 稀土元素(王建刚等, 2008), 重矿物组合— 碎屑锆石测年(Jiang et al., 2015), 古流向— 岩石学— 重矿物— 碎屑锆石测年(Bush et al., 2016)。例如范代读等(2012)综合细颗粒组分矿物学、元素与同位素地球化学、碎屑锆石U-Pb定年、稀土元素以及Hf同位素等多种物源分析方法对长江沉积物进行示踪。

4.2 定量分析

近些年随着实验技术的进步, 尤其是激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)的大规模应用, 碎屑颗粒的原位同位素测试(尤其是锆石)可以在保证较高精度和准确度的条件下, 在短时间内获得大量的数据, 而且成本较二次离子质谱仪(SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry)和同位素稀释— 热电离质谱法 (ID-TIMES: Isotope Dilution-Thermal Ionization Mass Spectrometry)更为低廉和快捷(Gehrels et al., 2008)。碎屑锆石U/Pb年龄数据的快速获取, 加上越来越多沉积盆地分析采用碎屑锆石U/Pb测年技术, 使得不同研究区不同时代的地层都积累了大量的碎屑锆石U/Pb年龄数据, 从而促使碎屑锆石物源分析开始从定性往半定量和定量化发展。下面将主要阐述碎屑锆石测年在定量分析中的进展。

在进行碎屑锆石物源分析时, 往往需要对比研究区不同样品的碎屑锆石U/Pb年龄谱, 分析其异同, 进而探讨不同样品之间的物源体系是否存在差异以及是否受到不同的物源体系影响。早期研究由于受到样品数量和测试数据量少的限制, 可以用肉眼进行样品间年龄谱的对比。但随着越来越多的物源分析采用碎屑锆石方法, 无论是样品数量还是单个样品所测得的碎屑锆石年龄数量都大大增加, 从而使得视觉上的人工对比已经愈加困难。国际上常用的一种方法是利用柯尔莫哥洛夫— 斯米洛夫测试(K-S测试; Kolmogorov-Smirnoff statistical test)进行数据体之间的对比。该方法可以通过两两数据体之间的统计分析, 给出一个P值, 若P值大于0.05, 则95%的把握判定2个样品受到同一物源区影响; P=1则认为2个样品来自完全一样的源区; 反之P=0则认为2个样品受到完全不同的物源区影响。

Vermeesch(2013)基于K-S 测试, 提出一种更为便捷和视觉上更为友好的方法— — Multidimensional Scaling(简称MDS)。该种方法可以快速地比较多个样品之间的异同, 如果2个样品的碎屑锆石U/Pb年龄谱高度相似, 则2个样品会在成图中投在相邻区域; 反之2个样品的碎屑锆石U/Pb年龄谱存在较大差异, 则2个样品在成图中会被远远分开(图 8)。MDS方法可以可视化地展示多组数据之间的异同, 而K-S 测试则只能展示两两之间的异同, 当样品数量足够多的时候, K-S测试则会带来分析工作量的急剧增加。例如Wang等(2018)对珠江口盆地珠海组18块样品的碎屑锆石U-Pb数据和六大可能的周缘物源区碎屑锆石U-Pb数据进行对比, 通过MDS方法可以快速地以图形化的方式展示样品之间的差异性。如图 8所示, MDS方法成图后显示研究区有两大物源体系, 即受周围外来源区河流供给影响的物源体系1和受盆内凸起供源控制的物源体系2, 同时该方法也展示了各个样品与不同河流体系的亲缘关系。

图 8 珠江口盆地珠海组物源分析(引自Wang等, 2018; 略有修改)
MDS方法分析样品的碎屑锆石年龄谱之间的异同, 特征越为相似的样品在图中距离越近Fig.8 A case study of provenance analysis of Zhuhai Formation in Pearl River Mouth Basin(modified from Wang et al., 2018)

对于大型的源-汇系统, 例如美国的密西西比河和中国的长江流域, 其物源区往往横跨多个造山带、地貌单元及气候单元, 存在着多源多次混合的情况, 使用传统的物源分析方法难以判断不同源区对其沉积物供应量的贡献率。而当研究区具备足够多的样品覆盖和碎屑锆石U/Pb年龄数据, 采用统计学和数学方法可以进行不同源区对沉积区的沉积物贡献率的分析(图 9)。作为沉积区的碎屑锆石U/Pb年龄组成可以认为是上游不同物源区混合的产物。对于多个上游物源区的碎屑锆石年龄组成进行不同比例的混合, 可以产生不同的下游沉积区的碎屑锆石年龄组成, 其原理过程见图 9(Amidon et al. 2005a, 2005b; Mason et al., 2017; Sharman and Johnstone, 2017)。公式表达为:

Dm=∑i=1nφiPi(1)

∑i=1nφi=1(2)

图 9 沉积物从源到汇混合示意图(修改自Sharman and Johnstone, 2017)
A、B、C分别代表了不同程度的上游物源混合。可以通过上游不同物源区按不同比例的混合, 然后对照实测数据, 从而得出最佳的混合配比Fig.9 Schematic diagram showing a sediment mixing from source to deepwater sink(modified from Sharman and Johnstone, 2017)

其中Pi为上游某一个物源区或支流的碎屑锆石年龄谱, φ i是其对应的沉积物贡献率, Dm是上游多个物源区(或多条支流)混合产生的最终碎屑锆石年龄谱。要注意的一点就是, φ i相加要等于1, 也就是公式2所示。这是因为沉积区碎屑锆石测得的年龄组合是所有的上游物源参与混合的结果。通过计算机大量的计算可以得出成百上千的混合之后的碎屑锆石年龄谱, 用计算的结果与实际样品测试的结果进行Kolmogorov-Smirnov Dmax, Kuiper test Vmax, similarity, cross-correlation和likeness 测验(具体参数解释可见Saylor and Sundell, 2016), 比较模拟结果和实测数据之间的相似度。模拟结果与实测数据相似度最高的混合配比方案可以认为接近真实地反映了地质历史时期中物源混合的情况。该方案涉及到大量的模拟计算, 但是算法相对简单, 可以在普通微机中实现。

Saylor 等(2013)对哥伦比亚Rio Cusiana和Rio Cravo Sur河下游砂坝和上游多个支流流经的野外露头分别进行取样分析, 发现代表不同支流的碎屑锆石U/Pb信号并不是简单的均匀混合, 而是流域面积越大的支流所携带的碎屑锆石U/Pb年龄组合特征在混合后的下游样品中表现的最为突出, 而流域面积小的支流所具备的特征锆石年龄在下游河流砂岩中所占的比例较小。因此可以认为物源区面积的差异会导致源区信号在下游沉积物中的表达权重不同。因此通过碎屑锆石测年数据的定量分析, 可以一定程度地反映不同源区的贡献率及相对面积大小, 这对于古地理重建是一种推进。

5 结论

物源研究作为沟通沉积盆地与造山带的纽带, 有助于恢复源区构造背景、沉积物搬运路径与距离和重建古水系和恢复沉积盆地演化历史等, 在源-汇系统分析中起着非常重要作用。传统的物源分析方法, 例如岩石学、重矿物、沉积学、元素地球化学和地球物理等方法, 仍在物源研究中发挥着巨大的作用。但是碎屑物质在从物源区经受不同程度的物理和化学风化、机械破碎、水动力搬运和筛选、多源多期次混合以及后期成岩作用改造等, 导致一些传统的方法在物源研究中存在不足。新的技术方法, 尤其是对一些特定矿物, 如锆石、独居石、金红石和磷灰石等矿物的同位素测试技术的进步, 可以大量快速地提取传统方法未能提供的源区信息。而将多种矿物组合分析以及对单颗粒矿物进行多种同位素测试, 可以更全面和完整地恢复物源区从基底形成、后期变质作用以及遭受风化剥蚀的时间, 从而将盆地沉积充填过程与造山带演化历史更紧密的结合。

新技术的发展, 尤其是激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)在碎屑矿物(例如锆石)上的大规模应用, 可以在较短的时间内获得数百个碎屑锆石的U/Pb年龄。当一个研究区具备足够高的样品覆盖率和足够多的碎屑锆石U/Pb年龄, 则可以借助数学和统计学的方法进行半定量— 定量化分析, 比如可以计算不同源区对于沉积盆地内部碎屑物质的贡献率。而这种不同源区贡献率的计算结果, 再结合其他地质资料, 可以用来反推源区的面积大小、气候条件和古高程等信息, 从而促进了我们对于形成古老地层的古地理条件的认知。

未来的物源研究将是不断引入新的研究技术、将传统方法与新技术的结合、从单一方法到多种方法的综合、从定性分析到定量化的研究。这个发展过程也是宏观与微观的结合、单因素分析与多因素综合的结果以及多学科互相交叉的过程, 例如沉积学、岩石学、地球物理、同位素地球化学和统计学的互相交叉。从而不断推动我们对于沉积物在地表剥蚀— 搬运— 沉积的整个过程的认识和了解。

致谢 感谢两位审稿人对本文提出的建设性意见。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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