阴极发光与粒度分析在物源分析中的应用

作者:沈利军邓健常静陆勇

沈利军邓健常静陆勇(成都理工大学成都 610059)

摘要：本文总结了粒度分析在区分沉积环境，判定物质运移方式等方面的应用，总结了砂岩中阴极发光的应用。并以汶川科学钻探三号井（WFSD-3）为例，通过薄片鉴定，阴极发光和粒度分析等手段，研究了须家河四段物质成分和结构特征，粒度分析和阴极发光的颜色反映须四段时期主要母岩类型为沉积岩。

关键词：粒度分析；阴极发光；须家河四段；龙门山；汶川科研钻三号井

0 引言

在20世纪60年代，在地质科学中，才开始使用阴极发光技术。主要用于研究石英、方解石、白云石等矿物的发光性，矿物的环带构造及形成机理。在矿物生长形成过程中，由于锰，银，钼，铬，钐等一些作为矿物阴极发光“激活剂”的微量元素含量上的变化，导致矿物发光性存在差异，使我们在阴极发光条件下观察到矿物表现出的不同的发光强度和颜色，这些现象在普通显微镜下无法观察到[1]。通过将图像投影到电脑上进行分析，不同世代结晶的矿物以及不规则生长的晶体微小形态都可以明显区分出来，而这些信息在普通的显微镜下是无法观察到的。

一个多世纪前就已经开始了对沉积岩粒度组成的分析，前人已掌握了大量资料，取得了丰硕成果，为现当代学者在沉积岩粒度分析中的应用夯实了基础。很多学者对于粒度分析在沉积学中的作用有自己的见解。福克、佛利德曼、刘宝军等多数学者对粒度分析作用持肯定评价，也有少数学者对粒度分析在沉积学研究中是否能真正解决科学问题持否定态度[2]。从过去和当前情况来看，经过无数次实践检验，在沉积学研究中，粒度分析已变成常规手段。

本文在前人多年来的大量科研工作的基础上，详细分析了阴极发光在砂岩中的应用，粒度分析在沉积岩中的应用，并以汶川科学钻探三号井（WFSD-3）为例，通过薄片鉴定，阴极发光和粒度分析等手段，研究了须家河四段物质成分和结构特征，粒度分析和阴极发光颜色反应须家河四段时期母岩类型以沉积岩为主。

1 阴极发光在砂岩中的应用

将阴极发光运用于岩石学研究中的鼻祖是希佩尔，至此之后，这方面的研究工作浩如星辰，根据前人资料和本人实验，可以总结出石英的阴极发光在砂岩中的应用主要可以解决如下几点问题:1、判断母岩的类型及其古地理环境。2、识别石英岩质的岩屑。3、对成岩交代作用进行定量评价。4、研究石英形成温度，推断沉积后的地质演化史[3]。

辛克纳吉在德国所作的工作是研究砂岩阴极发光比较成功的案例。他在前人对缪斯特兰1号钻井内古生代砂岩研究的基础上，用阴极发光法检验了井深2000至5956米的三十多个岩石样品。研究中，辛克纳吉将岩心标本作垂直层理面的切片，磨光后不加盖玻片。对每一切片在等距垂直层理的六处至十处测定平均粒度，再在显微镜下，对每一切片均点计700至1200点。由于深部岩石的石英胶结物和碎屑石英均显棕色发光，因此要用发光强度来区分出碎屑石英。辛克纳吉认为，该剖面的上石炭统砂岩内绢云母基质中的微晶石英可能是成岩期产物，而砂岩内的火成石英碎屑均显紫色发光。前人曾识出砂岩内含一些碳酸盐矿物，其中铁白云石为广泛分布的胶结物，常交代石英和长石，并因此消除了大量的原始沉积组构。通过阴极发光，碎屑石英呈较清楚轮廓。缪斯特兰1号井下的上石炭统砂岩内的斑岩石英和一些斑岩石英的岩屑，大部分已分解，即使使用阴极发光法也很难辨识。

在砂级的石英组分内石英的三种阴极发光类型都存在。一般来说，碎屑石英主要发棕色光，其次为紫色。在前面提及的剖面中，上部地层中的石英胶结物几乎无阴极发光特性，到达5000米后，石英胶结物发棕色光，按照发光强度可将其与碎屑石英区别开。将紫色发光与棕色发光的碎屑石英百分含量估算出来，求出二者比值，称为发光商数，代表二者的体积百分比。这样即可了解在井下不同深度上碎屑石英组分的变化，还可看出发光商数和平均粒级之间的关联性。在较粗的粒级中，紫色发光的石英含量增多，表明火成岩是母岩的主要来源。但不能够认为凡属紫色发光者均直接来自于火成岩，这种石英也有可能来自于石英岩。用石炭纪时的地温梯度增高可以较好的解释缪斯特兰1号井下深部的石英胶结物发棕色光。但地温梯度因地而异，德国北部的深井中，同为石炭纪砂岩，6000米深处的石英胶结物仍未显发光。研究表明:砂岩内的岩屑以石英岩质者最常见，其次为片岩岩屑。

辛克纳吉运用阴极发光技术，对1号井内的古生代砂岩的成岩过程有如下认识：

未曾出现广泛的压溶作用，在埋藏深度约1000-2000米范围内成岩期石英胶结了砂岩，并具Heald -Thomson效应，即在粘土矿物与石英接触处，石英有被溶现象。当埋藏深度超过3000米以上时，处于绢云母化作用期间，铁白云石交代使石英溶解量增多，铁白云石继续胶结以致填满剩余的孔隙空间而使溶液搬运停止。

除此之外，还有许多实例表明在岩石学中应用阴极发光技术可以得到较好的可信度。这对于砂岩岩石学的研究是很有意义的。学者在认识碎屑石英的母岩、辨识岩屑、了解成岩过程、推断温度影响及沉积时的古地理条件与沉积后的地质过程等方面，阴极发光法都有很好的帮助。

2 粒度分析在实践中的应用

搬运方式、搬运介质、沉积环境等是控制沉积物的粒度分布的主要因素。因而，沉积物所处的沉积环境可以通过研究沉积物粒度分布得到了解。本研究是基于沉积物的相同的颗粒尺寸大小表示相同的沉积环境的假设为前提。

2.1在沉积环境区分及物质运动方式判定上的应用

在使用粒度参数研究沉积环境，经常使用的参数是平均粒径，偏度，标准偏差和峰度。平均粒径反映颗粒的粗细，使用此参数做粒度韵律的曲线，是沉积韵律研究的基础。平均粒径的平面等值线图是划分相带、追踪物质来源的依据。标准离差表示沉积物的分选程度，常用于沉积物的物质来源和分析沉积环境的动力条件。绝对均匀时的标准偏差是零，但现实是绝对均匀的沉积不存在于自然界中，因此标准差都大于零。偏态表示沉积物粗细分布的对称程度。用粒度参数研究沉积物类型，通常需要各种粒径参数，以达到更好的分析结果。

2.2粒度分析资料应用的最新进展

地球化学研究的相关学者对沉积物粒度分析其中的应用非常重视，除了可以从热力学和动力学方面来研究沉积物对元素的吸附作为外，还应当考虑底质类型对其影响，即海洋沉积物的粒度效应[4]。

在测定底质重金属的背景值，区别自然过程与人类行为，气候变化对重金属含量变化对其影响，尤其是在分析重金属污染程度时，应该考虑粒度效应的影响，进行粒度校正
[5]。

3 WFSD-3须家河四段

3.1区域地质背景

龙门山造山带位于青藏高原东缘，它北起广元南至天全，长约500Km宽约30Km，呈北东南西向展布，是整个青藏高原周缘地区地形起伏变化最大的区域。研究区位于四川省绵竹市九龙镇的WFSD-3（如图1红框处），钻孔深度大于1500米，取芯率达92.54%。龙门山前陆盆地是中国西部一个多期构造旋回形成的叠合型盆地，盆地内部充填有巨厚的晚三叠世～始新世的碎屑岩地层，其中须家河沉积期沉积地层岩性组合为砾岩、含砾砂岩、砂岩和粉砂岩为特征，从下向上可以划分成须二段至须六段（T3x2~T3x6）5段。前人关于四川盆地上三叠统须家河组沉积相类型的研究中，普遍认为须四段以灰色、灰白色细～中砂岩为主。本文结合科研钻，利用粒度分析和阴极发光方法，得出了自己的认识。

图1龙门山断裂带及汶川地震科学钻井钻孔位置示意图

3.2须家河四段沉积特征及其粒度分析

通过对WFSD-3须四段砂岩显微镜观察和粒度分析（图2）可知：

碎屑颗粒结构：砂岩以细粒结构为主，a 42.76%、b 62.91%含量，次为中粒结构，a 38.74%、b 17.79%含量，另有少量不等粒结构和极细粒结构。镜下观测，颗粒磨圆度以次棱角状为主，含量为70%，其次为次棱角-次圆状和次圆状，占18%左右。颗粒分选性总体上以好和中等为主，分别为52%和41 %。胶结类型主要呈孔隙-接触式胶结，占总胶结类型的33.0%，其次为接触式胶结和压结式胶结，分别为25%和17%。颗粒间以点-线接触为主。

图2须四段不同深度粒度分布参数统计图

填隙物结构：包含有杂基结构和胶结物结构。杂基成分具明显的重结晶。胶结物结构：方解石胶结物呈晶粒结构和连生结构，石英胶结物呈次生加大结构。根据砂岩结构成熟度的判别标志[6]，即由碎屑颗粒分选性和磨圆度等可知，须家河四段结构成熟度低，主要为分选中等，磨圆中等的岩屑细砂岩和岩屑石英细砂岩。

粒度分布概率累积曲线结果显示概率累积曲线陡、粒度分布范围较窄，粒度分布直方图表现为近正态分布，反映牵引流特征。显示其搬运特征以滚动—悬浮式递变为特点，说明水动力条件较强，堆积速度较快。

3.3薄片镜下及阴极发光特征

碎屑岩矿物组分的阴极发光特征是研究陆源碎屑母岩性质的重要方法之一，特别是石英的阴极发光颜色已成为判断物源和母岩性质的重要手段。通过对研究区WFSD-3须四段砂岩的石英阴极发光特征分析，须四段石英的阴极发光呈暗蓝色和暗褐色（图3），石英的来源为低级或高级变质岩以及沉积岩。丰谷地区石英阴极发光颜色为暗蓝色、暗褐色、红褐色和暗红色，石英主要为低级或高级变质岩以及沉积岩。结合前人资料，可知该时期物源主要来自龙门山古陆。