重砂矿物分析

沉积物重砂矿物是指密度大于2.86g/cm3的矿物。重砂矿物在砂岩中的含量很少超过1%，一般都小于0.1%，且粒度多属于细砂至粉砂级，多数在粉砂级内，因此多赋存于粉砂-细砂岩内。重砂矿物一般耐磨蚀、稳定性强，能较多地保留其母岩的特征，因此在盆地分析中，重砂矿物可用于物源分析、地层对比和岩相古地理恢复等多项研究中(和钟铧，2001，2008;康春国，2009;李双建，2005，2006;向芳，2006;任凤楼，2008;张志萍，2008;曾庆高，2009;许承武，2009;方世虎，2007;李忠，2004;董月霞，2008;陆洁民，2004;钱一雄，2007;李珍，1998;王洪伟，2007;徐田武，2009，武法东，1996)。碎屑沉积物中重砂矿物的总体特征取决于母岩的性质、水体的动力条件和重砂矿物的搬运距离。随着重砂矿物抗风化能力不同，在矿物碎屑搬运的过程中，不稳定的重砂矿物逐渐发生机械磨蚀或化学分解，因而随着搬运距离的增加，性质不稳定的重砂矿物逐渐减少，而稳定重砂矿物的相对含量逐渐增大，所以距母岩区愈远，重砂矿物种类及含量都减少，不稳定重砂矿物甚至消失，而稳定重砂矿物相对含量增加，因此可以通过稳定重砂矿物与不稳定重砂矿物的相对含量变化可以研究物源的方向和沉积物搬运距离的长短。在物源相同、古水流体系一致的碎屑沉积物中，碎屑重砂矿物的组合具有相似性;而母岩不同的碎屑沉积物则具有不同的重砂矿物组合。不同类型的母岩其矿物组分不同，经风化破坏后会产生不同的重砂矿物组合，因此利用重砂矿物组合恢复母岩是非常有用的，例如矽线石、蓝晶石、石榴子石等为变质岩的特征矿物(刘柚峰，1991)。过去重砂矿物研究中主要把陆源碎屑的透明重砂矿物作为研究对象，如今越来越多的学者开始重视不透明重砂矿物的研究，如利用黄铁矿、磁铁矿对沉积环境和古气候进行分析。

(1)样品采集与测试

本次研究分别在川东南的南川、万盛、道真、武隆、石柱、黔江、酉阳、秀山、沿河;以及湘西的花垣、永顺、龙山、咸丰、宣恩等地***采集了210件志留系小河坝组砂岩样品(样品分布见图3.5)，从各个剖面选取了具有代表性的35件新鲜样品进行了重砂矿物分析(每个剖面的样品自底部向顶部依次编号见表3.3)，主要岩性为砂岩、细砂岩、粉砂岩，为了确保能够分离出来足够的重砂矿物，每件样品都不少于1.5kg。所有样品都在河北省廊坊市地质服务有限公司地质矿产实验室内处理和鉴定完成，试验误差为3%～5%。

图3.5 采样位置分布图

表3.3 湘西地区小河坝组砂岩重砂矿物组成及相对含量(%)

重砂矿物按其化学性质和抗风化能力划分为不稳定重砂矿物、较稳定重砂矿物和极稳定重砂矿物，本研究区内***鉴定出重砂矿物20多种，其中稳定重砂矿物和极稳定重砂矿物有石榴子石、电气石、磁铁矿、铬铁矿、锆石、金红石等。不稳定重砂矿物和较稳定重砂矿物有普通角闪石、黑云母、绿帘石、白云母、磷灰石等。

(2)重砂矿物组合

川东南-湘西志留系小河坝组砂岩35个样品中鉴定出的重砂矿物有20多种(表3.3，3.4)，其中主要的重砂矿物包括锆石、磷灰石、金红石、电气石、锐钛矿、赤褐铁矿、白钛石、绿帘石、石榴子石、黄铁矿、辉石、钛铁矿、榍石、方铅矿、闪锌矿、铬铁矿、角闪石、尖晶石、铬铁矿、蓝闪石等。

表3.4 川东南地区小河坝组砂岩重砂矿物组成及相对含量(%)

川东南-湘西地区35件样品的重砂矿物分析表明重砂矿物类型主要为锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿、电气石、白钛石、黄铁矿、赤褐铁矿，几乎出现在所有样品中，平均含量为89.08%，其中锆石在大多数样品中占绝对优势。最主要的5种重砂矿物及其含量分别为:锆石(0.62%～84.81%)平均值为37.08%，磷灰石(0.37%～49.53%)平均值为12.61%，金红石(0～29.14%)平均值为7.38%，锐钛矿(0～21.18%)平均值为9.38%，白钛石(0～16.39%)平均值为3.29%，电气石(0～27.43%)平均值为6.96%，黄铁矿(0～82.57%)平均值为7.33%，赤褐铁矿(0～87.5%)平均值为5.06%。砂岩中锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿、电气石、赤褐铁矿、白钛石、闪锌矿、白铁矿及黄铁矿含量相对较高，方铅矿、辉石、钛铁矿、榍石、绿帘石、石榴子石、铬铁矿、软硬锰矿、尖晶石含量普遍小于5%。根据对砂岩的沉积环境及源区的初步分析，将砂岩中的重砂矿物分为以下几类组合:①稳定矿组合，包括二氧化钛矿物(金红石、锐钛矿和白钛矿)、锆石、电气石;②较稳定矿物组合，主要石榴子石和磷灰石;③不稳定矿物组合，主要是绿帘石、辉石和角闪石;④沉积指相矿物，如指示水体较浅的富氧环境的赤(褐)铁矿、还原环境的黄铁矿;⑤金属热液矿物，如铬铁矿、方铅矿、黄铜矿、闪锌矿等，可以反映超基性岩和高温岩浆期后热液作用的源区。

碎屑锆石通常表现为深、浅玫瑰色和黄色两类，以前者为主，呈次浑圆粒状、粒状、次浑圆柱状、柱状、次棱角柱状，表面粗糙，断口有磨蚀痕迹，磨圆度高，分选性好，透明到半透明状，金刚光泽。磷灰石主要为白色，极少数为褐黑色、黑色。次浑圆粒状、粒状、次浑圆柱状、柱状、个别见次棱角状，半透明、玻璃光泽。金红石主要为深红、红色、橙红、黑红色、黑色;次棱角柱状、粒状、柱状;半透明、油脂光泽。电气石主要为蓝绿、绿色、蓝灰色、茶褐色、褐色;次浑圆粒状、次浑圆柱状、次棱角柱状、柱状、块状。绿帘石主要为黄绿色、粒状、不规则粒状、次浑圆粒状、不规则块状、柱状。辉石为绿色、浅绿色、褐色，柱状、次棱角柱状、次棱角粒状、少见块状，半透明。石榴子石红色、粉色、浅粉色，次浑圆粒状、不规则粒状、块状、次棱角粒状，偶见黑色包体。

(3)小河坝组砂岩重砂矿物组合

从川东南-湘西地区35个样品的重砂矿物分析表明，小河坝组砂岩的重砂矿物组合特征为:锆石、锐钛矿、磷灰石、金红石、黄铁矿、电气石、白钛石、赤褐铁矿、辉石、绿帘石、石榴子石、角闪石为主要组合，反映了较为稳定的物源条件。

从稳定矿物含量及组合来看，稳定重砂矿物的平均含量为64.08%，除了在咸丰、黔江、小河坝、松桃湾有四个样品的稳定重砂矿物的因为含有大量的金属热液矿物(分别为赤褐铁矿87.5%，闪锌矿82.95，黄铁矿82.57%、白铁矿94.68%)而平均含量小于20%以外(分别为7%，12.72%，6.42%，0.62%)，其余的都在30%以上。其中有20个样品都在70%以上。说明该区稳定重砂矿物普遍含量较高，离物源区比较远。ZTR指数平均为64.86%。

从较稳定矿物含量及组合来看，主要以磷灰石、石榴子石为主，平均含量为12.85%，而磷灰石含量较高平均值为12.61%，特别在武隆土地乡有一个样品达到49.53%。石榴子石相对较低，平均值为0.23%。

从指相矿物来看，研究区指相矿物平均含量为25.05%，在咸丰有较高的赤褐铁矿含量(87.50%)，小河坝有较高的黄铁矿含量(82.57%)，另外在三泉、小河坝、水田坝含有较高的锐钛矿含量(20%±)，在宣恩有较高的白钛石(16.39%)。该区未见海绿石、重晶石及碳酸盐等指相矿物。

从不稳定矿物组合来看，绿帘石、辉石、角闪石等平均含量为1.18%，该区不稳定重砂矿物含量很低，绿帘石平均含量为0.47%，除样品XHB013(4.89%)以外，其余样品都在2%以下;辉石平均含量为0.66%，除样品BY006(2.87%)以外，其余样品都在2%以下;角闪石很少见，仅在SQ003，SQ008，XHB007，KS006见有很低的含量，分别为0.64%，0.38%，0.36%，0.29%，其余样品未见或偶见。以上重砂矿物组合特征反映了较为稳定的构造-沉积环境。

金属热液重砂矿物有方铅矿、钛铁矿、闪锌矿、白铁矿、磁铁矿、铬铁矿、黄铜矿等，平均含量为5.75%。从重砂矿物中的热液矿物含量可见，热液重砂矿物不是所有样品都能见到，仅部分样品中见到，其中闪锌矿在样品SH003，LT003，TD003中含量较高分别为82.95%，40.54%，26.92%;白铁矿仅见于STW001，JK002样品，其含量分别为94.68%，27.04%;磁铁矿仅见于KS006，SQ022样品，其含量分别为2.9%，1.73%;铬铁矿仅见于XHB013，JK010样品，其含量分别为1.99%，1.48%;黄铜矿仅见于SQ008，XHB007样品(1.01%，0.36%)。

(4)重砂矿物特征指数分析及意义

重砂矿物组合及其特征指数分析是物源区分析的重要手段。利用重砂矿物组合的稳定性、空间分布等特征，可以判断物源区的母岩类型和构造背景，推测沉积物的搬运距离和物源方向。重砂矿物组合和丰度在搬运沉积和成岩过程中往往受多种因素影响，如物理分选、机械破碎、层间溶解等，这些势必会影响对物源判别的准确性。Mortor和Hallswor认为水动力条件和埋藏成岩作用是影响物源的两个主要因素，因此在相似水动力条件和成岩作用下，稳定重砂矿物的比值能更好地反映物源特征，将这些比值称为重砂矿物特征指数。如ATI指数［100×磷灰石/(磷灰石+电气石)］，用于判断物源为火山岩的样品数量和风化程度;GZI指数［100×石榴子石/(石榴子石+锆石)，用来分析是否存在角闪岩或麻粒岩物源;MZI指数［100×独居石/(独居石+锆石)］，可用来探讨物源具有深成岩的比例等。ZTR指数是指由稳定矿物锆石、电气和金红石在透明重砂矿物中所占的比例，代表重砂矿物的成熟度。ZTR指数越大，重砂矿物的成熟度越高(刘易斯，1989)。而矿物的成熟度受古气候、古构造、搬运距离及成岩作用等多种因素的制约。对其系统研究，有时可以指示沉积搬运距离和物源方向，有时则反映不同时期的古构造和古气候的变化(和钟铧，2001)。

由于研究区重砂矿物中缺少独居石，故在分析时只采用ATI，GZI、ZTR指数(表3.5)。研究发现研究区ATI，ZTR指数普遍较高，平均值分别为58.69，70.68。川东南地区的ZTR指数平均值为71.94，高于研究区的平均值;湘西的平均值为67.9，明显低于研究区的平均值。研究区的川东南地区ZTR指数高于湘西地区。另外川东南ATI，GZi指数平均值分别为62.86，0.76，明显高于湘西的平均值49.41，0.05。从ATI，GZI指数还可看出川东南地区的磷灰石和石榴子石含量都大大增加。结合砂体分布(如前所述砂体向川中渐灭)来看，结合重砂矿物特征指数可以判断研究区的物源方向为由南东至北西。

表3.5 小河坝组砂岩重砂矿物特征指数

(5)重砂矿物对源岩性质的指示

研究区的重砂矿物组合特征反映其母岩是以白钛石+金红石+电气石(浑圆状)+锆石(浑圆状)+石榴子石(浑圆状)为代表的沉积岩;以钛铁矿+辉石+磷灰石组合为代表的基性-超基性侵入岩和以磷灰岩+辉石+角闪石为代表的中-基性喷出岩混合区。

重砂矿物组合纵向变化表明，随着物源区剥蚀深度的增加，母岩的岩石类型出现明显变化;湘西花垣卡棚地区小河坝组砂岩沉积早期矿物组合为:磷灰石(13.71%)+辉石(0.55%)(样品KP002)，而到了中晚期不含辉石并且磷灰石也逐渐减少，分别减少到3.4%(KP005)，0.58%(KP009)。但是锆石到了晚期含量高达到84.81%;这说明湘西地区小河坝组砂岩沉积早期物源受到中-基性喷出岩的影响很大，而到了中晚期中-基性喷出岩对其物源影响逐渐减少。

在川东南地区小河坝地区的小河坝组砂岩早期以磷灰岩(37.23%)+辉石(1.46%)+角闪石(0.55%)为代表的中-基性喷出岩为主，到了晚期磷灰岩(1.07%)+辉石(0.46%)表明其物源受中-基性喷出岩影响逐渐减弱。而钛铁矿从早期的(0.91%)到晚期为(1.99%)表明以钛铁矿为代表的基性-超基性侵入岩对该区物源影响逐渐增加。

结合前人对研究区周围基岩出露情况的研究(丘元禧，1999;刘钟伟，1994)，川东南地区志留系小河坝组砂岩的物源为雪峰山隆起西侧的古丈、芷江、沅陵、怀化及通道一带的新元古界板板溪群及其侵入板溪群中的基性-超基性岩体及中-基性喷出岩。

(6)重砂矿物对沉积环境的指示

一般认为，重砂矿物组合是源区母岩性质的指示剂。如晶形完好的锆石、电气石和磷灰石伴随少量黑云母的矿物组合指示源区为花岗岩;大量的石榴子石、锆石、绿帘石、绿泥石组合为变质岩区;而磁铁矿、钛铁矿、锐钛矿、辉石及角闪石是基性火山岩存在的标志。重砂矿物特征不仅反映母岩的组成，同时更多地反映了沉积物在沉积-搬运和沉积过程中物理分选、机械磨蚀和化学溶解作用。如海绿石虽然在河流沉积中也有发现，但主要为浅海沉积的标型矿物，而鲕绿泥石为滨浅海沉积;一定的赤铁矿和褐铁矿含量表明其气候干旱、水体较浅的氧化环境;若极易风化的辉石和角闪石能够大量保存下来，说明沉积区与物源区很近。

研究区几乎所有样品都含有黄铁矿或赤褐铁矿(表3.3，3.4)，这些赤褐铁矿多呈粒状四方体或八面体，中间残存黄铁矿或呈磁铁矿假象，显然是黄铁矿、磁铁矿氧化而成，不会是火成岩或变质岩中的原生矿物，因此，认为其富集代表了一种极端氧化的环境，极可能反映了沉积时水体较浅，富氧环境;反之黄铁矿富集的地区极可能反映了水体较深的还原环境。研究发现靠近黔中隆起和江南-雪峰山隆起的地区赤褐铁矿含量高于黄铁矿2.14～71倍，或者不含黄铁矿，尤其在靠近江南-雪峰山隆起的卡棚地区赤褐铁矿含量最高达到25.96%。而在川东南的小河坝、三泉等地黄铁矿含量是赤褐铁矿含量的2～38.57倍，或者不含赤褐铁矿，尤其在川东南小河坝地区黄铁矿含量最高达到82.57%，沿河达到23.49%。从而说明研究区小河坝组砂岩沉积期靠近黔中隆起和雪峰山隆起为水体较浅的氧化环境，而在川东南存在南川等深坳区，为较深水还原环境。