同位素在沉积盆地物源区分析中的运用

同位素在沉积盆地物源区分析中的运用同位素分析应用与物源区分析与沉积属性及其其他地球化学属性方法有较大不同，它的研究主要为物源分析母源岩的地层年代、隆升史及热史、地壳组成及演化，以及母岩的次生变化等信息。同位素分析包括裂变径迹定年、K-Ar和40Ar/39Ar比值，Rb-Sr同位素，Sm-Nd、U-Pb及稳定同位素6个方面的方法。同位素的应用前提是沉积过程中元素与介质近乎没有发生活化迁移现象。因此，其应用在一定程度上收到限制，但是在确定物源区母岩年龄、热演化方面有独到之处，方法也趋于多样，今年来取得较大进展。裂变径迹分析裂变径迹的原理、方法技术日趋成熟，在地质领域的研究中近年来也取得了突飞猛进的进展。随着各种模式的建立，裂变径迹有关方法业已进入物源区和盆地分析领域。Carter（1999）和Garver（1999）综述了裂变径迹热年龄（fissiontrackthermochronology-FT）在物源区分析中的应用和FT技术进行物源区分析的现状和前景。前人利用磷灰石裂变径迹热年龄（apatitefissiontrackthermochronology-FT）来确定挪威南部近海盆地和边缘间热演化（Rohramn1996），以及AFTT技术在美国西部的物源区分析应用(Wahemund,1993)，都为我们提供了很好的研究实例。应当说明的是，对于沉积碎屑来说，沉积后=可能并未完全退火，即单碎屑颗粒的实际年龄存在混合母源区的可能。因此，最后在检验应用AFTT技术获得的年龄后才能运用到物源区分析。磷灰石裂变径迹热年代学理论发展到现在已基本系统化，主要表现在3个方面:①在实验室观测裂变径迹年龄和长度等参数的基础上，研究裂变径迹退火的动力学；②从裂变径迹参数获取温度随时间变化的关系并建立地质热史模拟方法；③探索裂变径迹技术在地质研究中的应用。近年来在这些方面取得了一些新的成果，特别是2002年Tectono-physics杂志出版的专集《LowTemperatureThermochronology：FromTectonicstoLandscapeEvolution》以及2004年8月在荷兰阿姆斯特丹举行的“第十届国际裂变径迹定年暨热年代学会议”内容集中反映了各国学者在裂变径迹研究中的最新成果。虽然裂变径迹热年代学研究取得了大量的理论和应用成果,但在退火机理、数据解释等方面还存在一些不足，如何拓展其应用领域仍有待进一步探索。尽管该方法已成功地应用与和沉积有关的地层年龄、地壳隆升、埋藏、成岩史等方面，但确定母岩特性及构造背景的研究实例还并不多见。这可能与被测试的沉积碎屑岩重矿物要求较高所致，即沉积物未受到超过临止温度的改造作用，也即适用于那些浅埋藏或年轻地层的沉积分析。该方法的优点在于对砂岩中的榍石、磷灰石、锆石等重矿物的单颗粒或组分通过裂变径迹技术，即可确定母岩地层年龄。K-Ar和40Ar/39Ar分析这种方法普遍应用于矿物的定年研究。K-Ar和Ar-Ar年代学方法作为一种成熟的测年方法已经广泛应用于地学各领域。随着地学研究(如活动构造研究、近现代火山研究、古地磁研究等)的发展，K-Ar和Ar-Ar年代学方法也不断向越来越小的年龄尺度和越来越精细的方向发展对于被测矿物，晶格冷却温度应低于临止温度。优点在于含钾矿物（如云母，角闪石）在沉积岩中常见易得，且通过此种方法测年获得的矿物组合年龄谱对分析物源区热演化史十分有用。但缺点是，由于沉积作用过程中Ar可能从晶体中逸出，导致矿物年龄测定偏小，某些低于临止温度的矿物可能代表物源区冷却或隆升年龄而并非沉积物形成的原始年龄；同时可能因为混入不需要成分，使这些测得的年龄仅能反映物源区的矿物的平均值。ZBJ角闪石(Z示中国,B示北京,J即角闪石)是我国氩同位素年代学工作者研制一个K-Ar法地质年龄标准物质。K-Ar法年龄标准物质作为一种非常重要的计量器具，可以象度量衡计量器具一样，在氩同位素年代学实验室中，通过比较传递标准物质的特性量值,监控和衡量K-Ar和Ar-Ar同位素年龄测定方法的正确性及测量结果的准确性,从而建立质量体系的溯源性和分析测试结果的不确定度。此外，K-Ar法地质年龄标准物质，在K-Ar稀释法和Ar-Ar快中子活化法年龄测定中具有不可替代的重要意义(Odin,1982,1988a,1988b；王松山等，1992；王非等，2005)。在氩同位素实验室中作为仪器校准、质量监控、实验流程和测量条件的评估、实验方法的准确性和实验结果的重现性与复现性验证等方面具有重要的实用意义。Rb-Sr分析过去较多用于泥岩相关的分析现在已经引入砂岩物源区分析。Rb-Sr等时定年可为碎屑矿物提供年龄依据，也可为混积的多物源性提供佐证。一般解释方法是利用87Sr/86Sr比值与87Rb/86Sr比值图解分析线性相关程度，如果相关则说明存在物源供给关系；如果不相关或者相关程度低，则说明不存在物源供给关系。问题在于沉积作用使得成熟砂岩的Rb-Sr会发生不同程度的偏移，以至于其数据图解可能呈分散的不准确的等时线。对于硅质岩的研究，利用Rb-Sr同位素的组成和分布特点，探讨硅岩的物源形成环境、成因和所在地层的年代等取得了可喜的进展。层状硅岩多属于化学和生物沉积所形成的岩类，主要由自生的微晶石英所组成，除少量同源杂质外，一般纯度较高，它们主要是在水下比较封闭的环境下形成由于SiO2本身具有较稳定的化学特征，水溶性极差，难与其它元素起化学反应进行离子交换，一般不与微量元素成类质同像，也无吸附其它离子的特性，所含杂质多属同源的自生矿物，很少受母源继承性的干扰。同时硅岩受成岩变化影响较小，因而所测出的Rb-Sr含量及同位紊的初始值具有可行性和可信性，可以成为提供某些地球化学标志。由于受测试技术限制，早期Rb-Sr法仅限于对强富Rb矿物的分析，如锂云母。因这类矿物具极高的87Sr/86Sr比值，通常统一用0.712作为样品的初始比值也不会对测年结果带来明显误差。由此对单一样品进行Rb-Sr同位素分析，并假定其初始比值而计算获得的年龄称Sr模式年龄。随分析技术提高，测试对象扩大到了白云母、黑云母、钾长石等矿物，但研究者发现用0.712作为统一的Sr同位素初始比值带来了样品间的矛盾(CompstonandJeffery,1959)，催生了具时代意义的同位素体系等时线方法(Nicolaysen,1961)。Sm-Nd分析Sm和Nd的放射性在物源区分析方面可以起很大作用，这是因为地幔融化形成的地壳伴随有Sm与Nd的分离，通过Sm/Nd与143Nd/144Nd之比可进行“地壳沉降年龄”确定或时间估算。地壳沉降年龄代表母岩地壳形成的年龄而非地层年龄，其计算前提是沉积地质作用过程中Sm不从Nd中分离。Sm-Nd分析的优点在于风化，变质作用影响相对较小，可用于现代沉积，也可在太古代岩石中使用；缺点是可能无法区分具有相同地壳年龄的不同物源区，某些富含稀土的重矿物还可能使得沉积物中的Sm-Nd含量发生偏移。利用这种方法进行的实例分析大都取得了满意效果，如Frost和Winston(1987)对中元古代beltpurcell超群的粗粒-细粒碎屑Nd同位素系统分析，Evens等（1991）对苏格兰南部奥陶系杂砂岩的物源追踪，Linn和Depaolo(1991)对美国大峡谷生白垩统弧前盆地物源区的分析运用，胡恭任何章邦桐对变质基底的Nd同位素物源特点分析。碎屑沉积岩的Sm-Nd同位素资料被使用来推断沉积岩物质来源和估计陆壳从地幔中分离出来的时间。Sm、Nd在海水中滞留的时间很短以及后者在海水中的含量极低(≤10-6)，因此，沉积岩特别是细碎屑沉积岩能够保持其在源区岩石中的相对丰度。地壳岩石Sm/Nd比值的变化主要发生在它们从地幔储库中分离的过程中，在随后的地壳内分异特别是沉积岩形成过程中和中、低级变质作用中，Sm/Nd值一般不发生变化，所以沉积岩和中浅变质岩的Sm、Nd同位素组成的变化，主要反映其来源物质从地幔储库中分离出来的时间差异，因此这类岩石的Sm-Nd模式年龄代表其来源物质从地幔中分离以来经历的时间,O.Nions(1993)称之为地壳存留年龄。由于地壳岩石是从亏损地幔储库中分离出来的,因而应采用相对于亏损地幔的Nd模式年龄(TDM)来表示沉积岩物源区的地壳存留年龄。由于沉积碎屑来自剥蚀区出露的各时代的岩石，因此沉积岩的Nd模式年龄代表其源区岩石的平均存留年龄。在沉积岩形成过程中，若有新的幔源物质加入，则其模式年龄是壳源物质和幔源物质年龄的加权平均。因此，模式年龄接近或稍大于沉积年龄，表明沉积岩中含有大量幔源物质；模式年龄显著地大于沉积年龄，表明沉积岩中以先存陆壳的再循环碎屑为主。U-Pb分析处于近地表条件下的U明显具有迁移性，因此，U-Pb同位素分析方法在物源区解释方面就较为复杂。但是U的迁移只是在近代或第四纪居多。总体来看，沉积岩中的Pb同位素比率仍然可以反映物源区的演化。U-pb同位素集中与锆石中，长石亦含有少量。通过其同位素组成的测定可分析矿物组成和年龄。可能这种年龄并不直观，但是当多次Pb的丢失事件发生时，U-Pb矿物分析在物源分析中可用程度就会增加。但是令人遗憾的是，将这种方法应用到物源区分析的应用实例较少。林以安等对长江口地区通过大体积取样，Co-APDC鳌合共沉淀富集分离，银片上自沉积和α-计算分析，研究了长江口区可溶态210Pb来源，分布和逗留时间。结果表明,全区平均放射性比度为7.5dpm/m3,从河向海纵向分布呈口内段和近外海两端高,而低谷出现在中间的口门外最大浊度及稀释带高生产力区。210Pb明显因悬浮颗粒物的吸附絮凝沉降和浮游生物的吸收利用被清除。经探析,该区210Pb主要来源是大气气溶胶的沉降；水体中226Ra母体衰变的仅占0.68%,径流水携带的几乎可以忽略。全区可溶态的210Pb和稳定Pb的逗留时间为3.3d,而在最大浊度带仅为2.65d,比大洋区小3-4个数量级。说明该区水体对可溶态Pb及其性质类似的重金属和污染物质具很强的自净能力。稳定同位素分析与以上同位素分析方法类似，稳定同位素应用与物源区分析的实例十分少见，部分原因可能是稳定同位素的研究强调了岩浆或变质岩的共生矿物的热动力和同位素平衡作用。砂岩中共生矿物可能有两种以上的物源区，其成因可能是热动力学的可能也不是。如均系热动力平衡作用，则有较大可能来自相同物源区，但是这并不能说明是由不同的岩性构成。氧、氘同位素方法或许可以成为解决这一难点的有效方法，且用δ18O方法已有研究实例。另一方面，运用这种方法的主要问题表现为原始同位素组成既可以在母源岩中相同，也可以因为热液或其他变质作用使得沉积物中含量发生变化。相对而言，低级成岩作用对许多碎屑矿物稳定同位素的组成影响不大。总结总的来说，单独使用某种同位素方法引入物源区分析的实例较多，但是综合应用几种同位素方法的还不多见。Darby(1994)对俄勒冈CoastRange地区的Tyee组同位素物源区分析具有一定代表性。他采用了87Sr/86Sr比值与87Rb/86Sr比值图解、K-Ar年龄、δ18O等综合同位素方法后得出结论，Tyee组沉积来自统一物源区的两种不同母源类型。由此，同位素方法在物源区分析方面有着广阔的应用前景。但是，应当注意成分成熟度和颗粒大小对其数值的影响。一般的说，同位素分析在不成熟砂岩和细粒碎屑岩（如泥岩）应用更为准确有效，前者最好用来确定特殊的物源区；而后者则适宜于大区域范围的平均成分分析。此外，由于同位素研究成本高、时间长，往往需做一些前期工作，即首先要看研究区是否具有物源区分析潜势价值，分析矿物是否易识易得；其次确定分析对象是否符合同位素处理方法，如成岩后变化强烈显然不适合；再就是采集样品力求精简，宁缺毋滥。前述各种沉积属性和地球化学属性的物源区分析方法有些是常用的，有些则极少用。实际上，通常的物源区分析很少用单纯某一种方法，而是将集中有效的方法结合进行，甚至将沉积属性的与化学属性的方法联合运用，可以取长补短，互相验证。如Humpherys等综合利用长石岩屑的组成，性质，及其阴极