原创  郭荣华 胡修棉

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物源分析是盆地分析和古地理重建的重要研究方法，根据沉积岩（物）的组成可以推断物源区的岩石学特征、沉积作用发生时的气候条件和大地构造背景、判别古侵蚀区、重塑古地貌特征、再造古水系等。在地质学研究中，物源分析对确定沉积物物源位置和性质，重塑沉积物搬运路径，甚至整个盆地的沉积作用、气候演化和构造演化有重要意义。传统物源区分析方法包括全岩、重矿物的组分分析和全岩地球化学分析，但其分析结果具有平均效应，碎屑单矿物能很好地弥补这些缺陷，因为一个矿物颗粒只能来自一个特定的物源区，微区技术的发展也使得地球化学和年代学的测试变得简单和精确（王建刚和胡修棉，2008）。在众多的单矿物中，锆石因具有耐蚀性的特点而能够在多次沉积旋回中保存，其U-Pb年龄的分布情况更被视为特定物源区的信号，为地质学家所偏爱（图1）。

图1自然界多种多样形态各异的重矿物中，锆石被偏爱，矿物出现频率参考web of science中碎屑单矿物文献搜索结果

然而，碎屑锆石的霸主地位正在被挑战，其年龄信号所代表的物源信息也备受争议（郭佩等，2017）。其中不乏碎屑锆石本身的原因，比如碎屑锆石的U-Pb封闭体系温度多在900℃，这也就意味着它更多地记录了高温岩浆事件，对于中低温或者低温的变质和沉积事件则见效甚微，或者由于矿物富集程度，导致某些岩浆岩或者变质岩会特别富集或者缺乏锆石，从而引起碎屑锆石记录的偏差；此外碎屑锆石可以经历多次剥蚀、沉积和再旋回，但也正是由于这种特性而导致其更多地记录了一些老地壳的年龄。

近年来，地质学家纷纷探索其他新的矿物和新的方法，比如独居石、榍石、金红石、磷灰石、电气石、石榴子石等，并获得了许多新的结论，比如碎屑独居石、磷灰石的U-Pb年龄多比碎屑锆石要年轻很多，同时结合电子显微图像，还可以获得更详细的多期次的旋回信息（Liu et al.,2017）。

本期我们就来带领大家认识一些碎屑单矿物，看看他们是如何追踪物源区的信息。现代河流砂沉积物因其未固结成岩、源区可追溯，成为开展物源分析方法学最理想的实验对象，如美国构造地质学家Douglas Burbank在2001年AGU会议中所言：捧起一捧沙子，你将获得数百个露头难以获得的信息。因此，我们只要合适的地理位置选择一些大江大河，收集河流末端的河流砂，那么这个样品往往代表了该河流所流经地体的信息；同时将这些信息与流域内基岩信息进行对比，就可以获取很多隐藏的地质信息和源-汇过程的自然规律等。

最近，我们以流经拉萨地体和喜马拉雅造山带的拉萨河、年楚河与朋曲（曲在藏语指河流）为研究对象（图2），运用全沙统计和碎屑单矿物地球化学和年代学进行物源分析，探索定性化物源分析的新方法，不仅发现不同的碎屑单矿物对源区的岩浆和变质事件有不同的响应，同时对定量化物源分析也有了新的认识，该研究成果近期发表在国际期刊《Earth Science Reviews》（Guo et al.,2020）。

图2青藏高原构造纲要图，拉萨河、年楚河、朋曲流域分布及采样点

【锆石选手】

锆石，ZrSiO4，在各种岩石类型中广泛存在，对地球科学意义非凡。由于U-Pb衰变体系具有较高的封闭温度（800-900℃），它被广泛地应用于地质年代学研究中，被称作地球历史的计时器（图3）。

图3锆石图像，图片素材来源于https://www.mindat.org/及文献

在拉萨河、年楚河与朋曲的碎屑锆石中，拉萨河的碎屑锆石U-Pb年龄主要集中在古近纪（66-28Ma），少量集中在侏罗纪-白垩纪（199-68Ma），而年楚河与朋曲则大量集中在500Ma、200-900Ma以及2500-2600Ma（图2）。

图4拉萨河、年楚河与朋曲碎屑锆石U-Pb年龄分布

锆石的Th/U比值常被作为区分原岩的指标（Hartmann and Santos,2004），Th/U＞0.1为岩浆型锆石，Th/U＜0.1为变质型锆石。根据这个判别规则，喜马拉雅地区的这三条河流的碎屑锆石主要来自岩浆岩。

【榍石选手】

榍石，CaTiSiO5，是一种富含Ca的硅酸盐矿物，常出现火成岩中的偏铝质岩、I型花岗岩（闪长岩和花岗闪长岩）、钙质硅酸盐和大理岩中（图5）。

图5榍石图像，图片素材来源于https://www.mindat.org/及文献。

榍石具备较高的U含量和U-Pb体系的封闭温度（650-700℃），可记录多期次变质热事件的年龄并查明地质体的P-T-t轨迹，拉萨河中碎屑榍石的U-Pb年龄主要集中在55-24Ma，年楚河与朋曲则集中在44-3Ma（图6）。

图6拉萨河、年楚河与朋曲碎屑榍石U-Pb年龄分布

稀土元素配分模式可以用来对榍石的原岩进行区分，他们认为岩浆型榍石REE显示右倾斜，而变质型或者热液型榍石REE配分比较平缓（Fu et al.,2016）。Th/U与LREE/HREE或者Nb/Ta的关系也可以区分榍石的原岩类型，岩浆型榍石的Th/U比值一般大于1，而变质型或者热液型榍石Th/U比值＜1。根据这个原则，拉萨河的碎屑榍石的为岩浆型，年楚河与朋曲的碎屑榍石则多为变质型。

【金红石选手】

金红石，TiO2，是中高压变泥质岩、高级变质的基性岩和沉积岩中的常见矿物，在岩浆岩中很少出现（图7）。

图7金红石图像，图片素材来源于https://www.mindat.org/及文献。

大量的研究表明，对金红石的年代学研究可以对变质地体的冷却历史给出有效的约束，其U-Pb封闭温度为370-500℃。拉萨河中近一半的碎屑金红石U-Pb年龄集中在侏罗纪-早白垩世（200-89Ma），少量集中在渐新世-中新世（33-8Ma），而年楚河与朋曲流域的碎屑金红石的U-Pb年龄则多大于500Ma（图8）。

图8拉萨河、年楚河与朋曲碎屑金红石U-Pb年龄分布

【独居石选手】

独居石，（Ce、La、Nd、Th）PO4，是花岗岩和片麻岩、片岩及麻粒岩中常见的副矿物（图9）。

图9独居石图像，图片素材来源于https://www.mindat.org/及文献。

由于Pb扩散的封闭温度非常高（720-750℃），常被用于U-Pb定年。拉萨河碎屑独居石的年龄多集中在34-8Ma，年楚河与朋曲则主要集中在46-11Ma之间（图10）。

图10拉萨河、年楚河与朋曲碎屑独居石U-Pb年龄分布

独居石富含Th、U，稀土元素配分多呈现LREE富集、HREE亏损，常伴有明显右倾斜的趋势。一些地球化学指标被用来区分岩浆型和变质型独居石（Itano et al.,2016），如(Gd/Lu)N、Eu/Eu*及Th/U(N)：[Gd/Lu]N＞500为变质型独居石，[Gd/Lu]N＜500则需要Eu/Eu*及、Th/U(N)辅助鉴定（图11）。Th/U(N)比值＞20、Eu/Eu*＜0.2为变质型，Th/U(N)比值＜20、Eu/Eu*＜0.2可能为岩浆型，也可能为变质型，此时若Eu/Eu*＞0.2为岩浆型。根据这些判别准则，喜马拉雅研究的三条河流中碎屑独居石的原岩类型既有可能是岩浆型，也可能是变质型。

【不同碎屑单矿物对岩浆和变质事件的差异响应】

结合来自拉萨河、年楚河和朋曲的碎屑锆石、独居石、榍石和金红石的U-Pb年龄峰分布谱图，可以得出以下主要结论：

1)流经冈底斯弧和中部拉萨地体的拉萨河中碎屑锆石和榍石出现了52Ma的年龄峰，反映了拉萨地体上冈底斯弧的岩浆活动；碎屑金红石和独居石反映了后碰撞期（33-8Ma）念青唐古拉山的变质事件，而这个期次的变质事件鲜为人知（图11）。

2)流经喜马拉雅造山带的年楚河与朋曲中的碎屑锆石无法追溯到该地体发生的岩浆事件（如广泛分布的特提斯喜马拉雅淡色花岗岩），但其碎屑榍石和金红石记录到了同期（44-7Ma）的变质事件（图12）。

有此可见，碎屑锆石金红石很少反映年轻的岩浆和变质事件，主要反映了更老的早古生代（>500Ma）和更老的前寒武纪结晶基底的年龄。

图11拉萨地体主要的岩浆和变质事件（<200Ma），

图中百分比表示每种矿物中<200Ma的颗粒所占百分比

图12特提斯喜马拉雅地区主要的岩浆和变质事件（<200Ma），

图中百分比表示每种矿物中<200Ma的颗粒所占百分比

【能否实现定量化重建物源区母岩面积？】

前人研究认为，沉积岩和现代河流中的碎屑年龄峰分布和物源区剥蚀物质的多少呈正比，比如将不同物源的年龄信号混合，与流域内所得的出露面积成正比（Saylor et al.,2013）。如Carppara（2017）将研究区内冈底斯弧的出露面积百分比与120-40Ma的碎屑年龄百分比进行对比，发现其相关系数R2=0.80867（相关系数R2越接近1，说明越相关；R2越接近0，说明越不相关），认为二者呈现正相关。

为了进一步验证该方法的可靠性和普适性，本次研究首先利用ArcGIS软件精确计算了拉萨河、年楚河与朋曲流域内火成岩、沉积岩及变质岩的出露面积，在此基础上，分别统计了拉萨河流域内不同时期侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪冈底斯弧岩浆岩的出露面积，然后分别与拉萨河流域内的碎屑锆石、独居石、榍石和金红石U-Pb年龄分布百分比进行对比（图13），获得了与前人研究完全不同的新认识：拉萨河、年楚河与朋曲内岩浆岩所占流域面积分别为39%，3%和4%，而对应的碎屑锆石年龄所占百分比分别为74%，7%和0%；同时发育多期次岩浆活动的拉萨河，其流域内侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪冈底斯弧花岗岩的出露面积百分比分别为0.3%，11.3%，12.4%和3.1%，林子宗火山岩占12.2%，古近纪的侵入岩和火山岩出露面积是白垩纪侵入岩的2倍，但是近70%的碎屑锆石集中在65-34Ma，而白垩纪的颗粒（66-145Ma）只占总数的13%；同时，碎屑榍石近88%的颗粒集中在24-75Ma，只有7.8%的颗粒显示了白垩纪的年龄；流域内占比3%的新近纪侵入岩却贡献了72%的独居石。由此可见，碎屑矿物年龄虽可以有效追踪源区的信号，但是单纯依赖碎屑矿物的年龄分布来定量化的推测物源区组成及供应是有风险的。

图13碎屑矿物的年龄和侵入岩出露面积的对比图，A，拉萨河、年楚河、朋曲三条河流内<120Ma的岩浆岩出露面积与碎屑锆石百分比投图；拉萨河流域内侏罗纪、白垩纪、古近纪和新近纪岩浆岩的出露面积和碎屑锆石（B）、碎屑榍石（C）和碎屑独居石（D）的年龄百分比投图

物源分析发展到现在，随着分析方法的进步，越来越多的单矿物分析显示出极好的发展前景。例如，碎屑金红石可以反映变质事件，碎屑榍石可以很好地区分岩浆和变质事件，碎屑独居石在雅鲁藏布江流域内则很难区分物源。因此，围绕不同的科学目标，需要有针对性地选择碎屑岩中的某种或某几种碎屑矿物来对物源区的未知地体的岩浆和变质事件开展针对性研究。

特别提醒，岩浆岩出露面积与碎屑年龄百分比尚未显示出明显的相关性，所以利用碎屑矿物年龄峰的大小来量化物源区母岩含量或者出露面积存在一定的风险，需要慎重考虑。

本文第一作者郭荣华，南京大学地球科学与工程学院博士研究生。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱guorh@smail.nju.edu.cn与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

主要参考文献

【1】Guo R.H., Hu X.M., Garzanti E., Lai W., Yan B., Mark C., 2020. How faithfully do the geochronological and geochemical signatures of detrital zircon, titanite, rutile and monazite record magmatic and metamorphic events? A case study from the Himalaya and Tibet. Earth Science Reviews, doi:10.1016/j.earscirev.2020.103082

【2】王建刚,胡修棉.砂岩副矿物的物源区分析新进展.地质论评,2008,54(5):670-678.

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