盆地陸源碎屑沉積物反演源區(qū)構(gòu)造演化的幾種方法

盆地陸源碎屑沉積物反演源區(qū)構(gòu)造演化的幾種方法

1盆地陸源碎屑沉積物源區(qū)及其構(gòu)造演化盆地起源不僅是盆地沉積和構(gòu)造發(fā)育的直接證據(jù)和重要標(biāo)志，也是源區(qū)高度剝削的產(chǎn)物。包含了源區(qū)構(gòu)造演化的諸多信息,反映了源區(qū)熱構(gòu)造事件及隆升剝蝕的特征。近年來(lái),隨著對(duì)沉積作用與構(gòu)造環(huán)境之間關(guān)系研究的深入,特別是盆—山耦合關(guān)系研究的認(rèn)識(shí),人們愈來(lái)愈重視對(duì)盆地陸源碎屑沉積物特征與區(qū)域構(gòu)造演化、盆地類(lèi)型之間成因聯(lián)系的研究,認(rèn)為陸源碎屑沉積物是在區(qū)域構(gòu)造背景控制下的物源區(qū)與沉積盆地有機(jī)結(jié)合配置的產(chǎn)物,也是揭示這種關(guān)系及其構(gòu)造環(huán)境的重要標(biāo)志,可以為盆—山耦合研究提供新的途徑和方法。很早人們就開(kāi)始利用盆地陸源沉積物碎屑組分、副(重)礦物及元素地球化學(xué)特征來(lái)示蹤源區(qū),進(jìn)而探討源區(qū)構(gòu)造演化的研究。但由于盆地物源的多樣性,不同物源區(qū)貢獻(xiàn)的差異,以及碎屑物搬運(yùn)過(guò)程中的分異作用等因素的影響,使得源區(qū)示蹤存在某種程度的多解性。近年來(lái)國(guó)外研究者開(kāi)始嘗試應(yīng)用同位素年代學(xué)方法進(jìn)行這方面的研究,如通過(guò)對(duì)沉積物中鋯石U-Pb年齡譜及FT年齡的測(cè)試,來(lái)獲取源區(qū)構(gòu)造演化的年代學(xué)信息,進(jìn)而界定源區(qū)。同位素年代學(xué)方法的應(yīng)用可以從沉積物中獲取源區(qū)年齡組成的信息,拓展了由盆地陸源沉積物示蹤源區(qū)的途徑和方法,可以更加全面地了解源區(qū)信息,但這種方法對(duì)再沉積鋯石年齡的解釋及源區(qū)低溫?zé)針?gòu)造年齡信息的提取尚存在局限。因此為了更加準(zhǔn)確地示蹤源區(qū),反演源區(qū)構(gòu)造演化,應(yīng)根據(jù)不同研究區(qū)特征,在詳細(xì)了解區(qū)域構(gòu)造演化的基礎(chǔ)上,有選擇地進(jìn)行多種方法的綜合研究,全面獲取源區(qū)的物質(zhì)組成及年齡組成的信息。2盆地地質(zhì)背景及物源區(qū)砂巖的研究在沉積學(xué)領(lǐng)域一直占有重要的位置,作為大陸的風(fēng)化—沉積旋回產(chǎn)物,不僅直接記錄了沉積物的母巖組合,改造強(qiáng)度及沉積環(huán)境等信息,而且因其碎屑組成與所處大地構(gòu)造位置密切相關(guān),還可反映區(qū)域構(gòu)造演化背景。因此,砂巖的碎屑組成及其時(shí)空變化,在一定程度上可以反演區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)度、性質(zhì)和延續(xù)—轉(zhuǎn)變時(shí)間等。Dickinson等通過(guò)對(duì)世界上近百個(gè)已確定區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的現(xiàn)代海相和陸相砂巖組分的統(tǒng)計(jì)、對(duì)比和判別分析,建立和確定了大家熟悉的定量判別標(biāo)準(zhǔn)和三角形模式圖,為判斷物源區(qū)和沉積盆地構(gòu)造環(huán)境提供了一種重要的途徑。近年來(lái)很多學(xué)者在不同地區(qū)做了大量的研究,取得了非常好的效果。JAEILLEE等利用這一方法對(duì)韓國(guó)慶尚(Gyeongsang)盆地下白堊統(tǒng)河陽(yáng)(Hayang)群的源區(qū)背景進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,盆地南部的Milyang盆地Chligog組沉積物主要來(lái)源于火山弧環(huán)境,向上逐漸過(guò)渡為以花崗巖來(lái)源為主。而盆地北部的Euiseong盆地Iljig和Hupyeongdong組沉積物主要來(lái)源于較穩(wěn)定的大陸塊環(huán)境,向上逐漸過(guò)渡到以火山物質(zhì)來(lái)源為主。結(jié)合區(qū)域背景,慶尚盆地下白堊統(tǒng)河陽(yáng)群沉積時(shí)應(yīng)處于從弧前盆地向弧內(nèi)盆地轉(zhuǎn)變的構(gòu)造環(huán)境,且盆地南北構(gòu)造演化存在差異。從上面的研究可以看出,利用砂巖的構(gòu)造屬性對(duì)沉積區(qū)的構(gòu)造演化過(guò)程、性質(zhì)及延續(xù)和轉(zhuǎn)折時(shí)間等進(jìn)行分析,可獲得其他方法所得不到的大量地質(zhì)信息乃至一些新的認(rèn)識(shí)。但在研究中也發(fā)現(xiàn)了一些有待進(jìn)一步探討的問(wèn)題:①建立在現(xiàn)代板塊體制下的砂巖組分判別標(biāo)準(zhǔn)能否完全適用于地質(zhì)上原始構(gòu)造屬性的識(shí)別,尤其是諸如我國(guó)中生代多旋回盆地,這種類(lèi)型的盆地因構(gòu)造疊置及源區(qū)的繼承性而難于識(shí)別出;②以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)建立的判別標(biāo)準(zhǔn),在樣品數(shù)量和類(lèi)型上是否具有普遍意義上的適用性和代表性;③Dickinson碎屑模型和物源區(qū)的研究,還僅限于大尺度范圍,能否進(jìn)一步解決更為具體或小尺度的物源問(wèn)題還有待于探討。針對(duì)以上問(wèn)題,Graham等對(duì)中國(guó)西部準(zhǔn)噶爾、塔里木和吐魯番盆地晚第三紀(jì)至全新世沉積物碎屑組分進(jìn)行了分析,研究表明,如果僅根據(jù)Dickinson碎屑模型來(lái)進(jìn)行源區(qū)構(gòu)造背景的判別,就會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際情況明顯的不一致。因此,在進(jìn)行類(lèi)似盆地物源分析時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)區(qū)域地質(zhì)的了解。此外,盆地碎屑沉積物中的礫巖也具有重要的物源研究意義,由于礫巖主要分布在盆地邊緣,接近物源區(qū),因此礫巖成分是反映物源區(qū)母巖性質(zhì)很好的示蹤物,通過(guò)統(tǒng)計(jì)各種礫石成分及比例,即可推測(cè)母巖的成分特征。通過(guò)對(duì)礫石最大扁平面的傾斜方向的統(tǒng)計(jì)可判斷古水流的方向,進(jìn)而確定物源方向。礫巖層的沉積特征,如分選性、磨圓度及厚度是源區(qū)構(gòu)造演化、沉積時(shí)的水動(dòng)力條件及搬運(yùn)歷史的綜合反映。同時(shí),在盆—山演化過(guò)程中,從隆升區(qū)剝蝕下來(lái)的碎屑物沉積到相鄰的沉積區(qū)。在山脈隆升過(guò)程中,隨著地殼不斷隆升,地層被逐層剝露,在相應(yīng)的沉積盆地中就會(huì)形成與源區(qū)層序相反的倒序巖屑地層。在逆沖作用強(qiáng)烈的前陸盆地則會(huì)由于不同巖性組成的斷片一起暴露侵蝕,往往形成倒序型和混合型相結(jié)合的分散型式。因此盆地充填沉積物中的巖屑,特別是礫巖的分散型式對(duì)確定源區(qū)及構(gòu)造背景十分有效。3稀土元素地球化學(xué)近年來(lái),對(duì)陸源碎屑巖化學(xué)成分的研究比以前有所加強(qiáng)。研究表明,盡管有沉積過(guò)程中的改造作用,碎屑巖的地球化學(xué)成分仍主要受到物源區(qū)控制。因此,通過(guò)測(cè)定分析碎屑巖的化學(xué)成分可以判斷母巖區(qū)的巖性特征,進(jìn)而對(duì)盆地所處的大地構(gòu)造背景、構(gòu)造演化等進(jìn)行分析研究。Taylor等認(rèn)為,REE、Th、Sc和高場(chǎng)強(qiáng)元素性質(zhì)穩(wěn)定,較少或不受沉積過(guò)程的影響,在確定源區(qū)母巖組成方面非常有用。其中的相容元素和不相容元素的比值可用來(lái)區(qū)分長(zhǎng)英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)組分。同時(shí)稀土模式也可以用來(lái)指示物源,因?yàn)樵醋曰詭r石的稀土元素具有低的LREE/HREE,并且不出現(xiàn)Eu異常。相反硅質(zhì)巖通常具有較高的LREE/HREE,并且有Eu異常。此外,相對(duì)不活躍元素比值,如Th/Sc、La/Sc、Co/Th、Cr/Th、Cr/V和V/Ni也是很好的物源指示器。不同來(lái)源的巖石具有明顯不同的組成,如表1所示。利用化學(xué)特征不但可以示蹤源區(qū),同時(shí)也可判斷源區(qū)的構(gòu)造演化背景,Roser等在這方面做了很多工作,并發(fā)明了多種兩相或三相式圖解來(lái)確定碎屑沉積物形成時(shí)的構(gòu)造背景,如TiO2-(Fe2O3+MgO)、(Al2O3/SiO2)-(Fe2O3+MgO)及SiO2/Al2O3-K2O/Na2O判別圖等。同樣玄武質(zhì)砂巖中的不活躍元素特征對(duì)古構(gòu)造背景的判斷也有很好的指示作用。BlancaBauluz等利用La-Sc-Th及Th-Sc-Zr/10三相判別圖解對(duì)西班牙伊比利亞(Iberian)山脈的灰色玄武質(zhì)巖石的構(gòu)造背景進(jìn)行了研究。從La-Sc-Th三相判別圖解可以判斷這種玄武巖對(duì)應(yīng)于大陸邊緣環(huán)境。Th-Sc-Zr/10三相判別圖解進(jìn)而表明這種玄武巖對(duì)應(yīng)于被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。在近幾十年中,利用砂巖主量、微量、稀土元素地球化學(xué)特征判別巖石形成時(shí)的大地構(gòu)造背景的研究獲得了很大的進(jìn)展,在很多地區(qū)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。與其它方法相比,地球化學(xué)分析方法具有自已獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),即可以從多種元素出發(fā),從各個(gè)不同角度說(shuō)明物源區(qū)的地球化學(xué)特點(diǎn),進(jìn)而判斷沉積時(shí)盆地所處大地構(gòu)造位置,解決一些其它方法無(wú)法解決的難題。但由于影響巖石化學(xué)成分的因素較多,特別是對(duì)于沉積巖,很容易受外生營(yíng)力的影響,因此在分析中還存在某種程度的多解性。4鋯石u-pb年齡譜和ft年齡由于盆地物源的多樣性、不同物源區(qū)貢獻(xiàn)的差異,以及碎屑物搬運(yùn)過(guò)程中的分異作用等因素影響,使通過(guò)沉積學(xué)方法,特別是由巖石碎屑組成及地球化學(xué)組成來(lái)判別物源變得非常困難。同位素年代學(xué)的發(fā)展為這一問(wèn)題的解決提供了新的可能。目前不同礦物(如角閃石、黑云母、白云母、獨(dú)居石、鉀長(zhǎng)石、鋯石、磷灰石等)的同位素年代學(xué)已被廣泛應(yīng)用于造山帶的研究,直接反演造山帶造山過(guò)程中地殼巖石的隆升剝蝕史,定量確定造山帶熱構(gòu)造事件年齡、期次及強(qiáng)度。形成了比較完善的研究體系。但對(duì)盆地沉積物的礦物熱年代學(xué)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,僅被用來(lái)反演盆地的地?zé)崾?進(jìn)而對(duì)盆地的構(gòu)造演化進(jìn)行推斷。近年來(lái),國(guó)外研究者在利用盆地沉積物年代學(xué)研究反演區(qū)域構(gòu)造演化方面作了一些有益的探索。研究表明,沉積盆地內(nèi)沉積物的顆粒鋯石的U-Pb年齡譜、FT年齡能有效地示蹤源區(qū)背景、性質(zhì);能獲取盆地沉降與重要熱構(gòu)造事件之間的內(nèi)在聯(lián)系。來(lái)源于不同源區(qū)的碎屑物沉積于盆地內(nèi)的某一層位后,該層位的巖石中就包含了多個(gè)源區(qū)的綜合信息,由于不同來(lái)源的碎屑物具有不同的年齡組成,那么該層位中的顆粒鋯石必然具有多個(gè)頻率峰值。在提取沉積物中鋯石年齡信息方面主要有兩種方法,一種是U-Pb年齡譜的測(cè)定,另一種是FT年齡譜的測(cè)定。通過(guò)與盆地毗鄰山脈出露巖體的年齡進(jìn)行對(duì)比,則可以判斷該層位沉積時(shí)的物源組成。目前國(guó)內(nèi)在這方面的研究很少。國(guó)外學(xué)者在不同地區(qū)進(jìn)行了一些研究,并取得了很好的效果。U-Pb年齡譜在提取沉積物年齡信息,判斷源區(qū)方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但它所反映的主要是鋯石的形成年齡,因此對(duì)再沉積鋯石年齡的解釋和示蹤便存在不足。由于鋯石的裂變徑跡熱穩(wěn)定性強(qiáng),一般在200~300℃范圍內(nèi),徑跡仍能很好地保存,而在沉積盆地內(nèi)很少能達(dá)到這種溫度。因此,鋯石的裂變徑跡年齡基本上可代表原巖的年齡,分析所測(cè)的年齡譜可提供物質(zhì)來(lái)源的重要信息,結(jié)合盆地不同時(shí)代巖石的分布情況,可以達(dá)到示蹤源區(qū)的目的。相對(duì)于鋯石U-Pb年齡譜,FT年齡更能反映源區(qū)后期熱構(gòu)造事件的信息。為了全面地獲取源區(qū)信息,AndyCarter等提出運(yùn)用鋯石低溫裂變徑跡和高溫U-Pb年齡相結(jié)合的方法,并于1999年利用這一方法對(duì)泰國(guó)呵叻(Khorat)盆地在呵叻群沉積時(shí)盆地與周緣構(gòu)造演化關(guān)系進(jìn)行了探討,對(duì)從呵叻盆地呵叻群頂部、中部、底部(NamPhong、PhraWihan、SaoKhua和KhokKruat組)選出的鋯石進(jìn)行了單顆粒U-Pb和FT年齡測(cè)定,結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出,5個(gè)鋯石U-Pb年齡段(170±1~161±2Ma、261±1~242±2Ma、467±3~433±3Ma、1839±9~1799±8Ma、2500±14~2450±8Ma)以不同比例出現(xiàn)在4個(gè)層位中,而僅出現(xiàn)2個(gè)FT年齡,表明源區(qū)經(jīng)歷了相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)造熱事件,在南蓬(NamPhong)層中,FT年齡值為258±1Ma的鋯石顆粒占90%,另一個(gè)年齡值為380±75Ma。在其它3個(gè)層位中,203±14~175±10Ma年齡段的鋯石顆粒占65%~60%,135±9~114±6Ma年齡段的鋯石顆粒占40%~35%。晚三疊南蓬的FT和U-Pb年齡約為260Ma。這一年齡早于印支(Indosinian;三疊紀(jì),245Ma)熱構(gòu)造運(yùn)動(dòng)年齡。同時(shí)90%的鋯石顆粒FT年齡和40%的鋯石顆粒U-Pb年齡為二疊紀(jì)表明,盆地沉積物應(yīng)來(lái)源于盆地西北部ShanThai和Indichina克拉通在晚二疊至早三疊的碰撞作用。碰撞引起的巖漿作用有助于解釋那些具有前二疊U-Pb年齡和二疊紀(jì)FT年齡鋯石的出現(xiàn)。其它3個(gè)層位的FT年齡和U-Pb年齡組成表明沉積物來(lái)源于同一類(lèi)型物源。FT年齡在晚侏羅至早白堊之間。且與地層年齡呈倒序關(guān)系,反映了源區(qū)經(jīng)歷了漸進(jìn)的不均衡剝蝕作用。同時(shí)也證明盆地的形成時(shí)期為白堊紀(jì),而不是三疊紀(jì)。除鋯石U-Pb及FT方法外,Sm-Nd、Rb-Sr及K-Ar等其它同位素體系也在不同地區(qū)源區(qū)示蹤方面取得了一定程度的進(jìn)展。Najman等通過(guò)對(duì)喜馬拉雅前陸盆地沉積物白云母40Ar/39Ar年齡測(cè)定,確定了喜馬拉雅山脈隆升剝蝕歷史在28MaBP左右。Sm-Nd同位素由于性質(zhì)穩(wěn)定,在沉積過(guò)程中變化較小,且不同來(lái)源的母巖具有不同的Nd同位素組成。因此近年來(lái)利用Nd同位素來(lái)示蹤源區(qū)的研究方面具有較多的實(shí)例。根據(jù)沉積物中的釹同位素組成及tDM差異,不但可以示蹤源區(qū),還可以計(jì)算出不同沉積層位每一源區(qū)對(duì)該層位沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)比例和剝蝕量。Galy等根據(jù)對(duì)孟加拉灣早中新世沉積物中黑云母和與黑云母共存長(zhǎng)石中的Rb-Sr同位素分析,計(jì)算了喜馬拉雅山脈30Ma以來(lái)的隆升速率為1~3mm/a。李忠等在對(duì)大別山北緣、合肥盆地南緣的侏羅系鳳凰臺(tái)組底部沖積扇礫巖的研究中,對(duì)兩個(gè)花崗巖礫石樣品中鉀長(zhǎng)石、黑云母、角閃石和全巖進(jìn)行了Rb-Sr同位素測(cè)定,獲得428±20Ma和430±54Ma2個(gè)年齡,這表明侏羅系大別山物源區(qū)曾發(fā)育早古生代花崗巖類(lèi)巖漿侵入體。同鋯石U-Pb及FT方法相比,Rb-Sr、K-Ar等方法在反演源區(qū)山脈隆升速率、源區(qū)構(gòu)造熱事件等方面具有自身優(yōu)勢(shì),但由于物源多樣性的影響,所得到的年齡可能為混合年齡,導(dǎo)致在對(duì)混合物源的界定方面可能出現(xiàn)偏差,因此,在應(yīng)用時(shí)需特別注意。從上述研究可以看出,利用沉積物同位素年