沉积物物源示踪是追溯沉积物源区、揭示沉积物搬运路径、沉积特征的重要手段，对理解沉积物源汇过程具有重要意义。沉积物物源示踪在研究古气候变化、构造演化以及古地理重建、油气勘探等方面有广泛的应用。沉积物碎屑组分和矿物组合分析是沉积物物源示踪的重要手段^[1⁃3]。传统的碎屑组分分析和矿物组成分析主要应用光学显微镜分析，而镜下分析的准确性依赖于操作者的个人经验，不同操作者之间可能会出现系统性误差^[1]。最近新发展的扫描电镜分析法（Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electr on Microscopy，QEMSCAN）利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）和X射线能谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）结合，通过对矿物特征元素的测定，来识别矿物种类^[4]。平均每小时可以识别20 000个矿物颗粒，极大地提高了矿物识别的准确度和效率^[5⁃7]。

利用碎屑重矿物组合及含量变化示踪沉积物源区是沉积学研究中的经典方法。常见的重矿物组合可以判断源区岩石组合特征和区域的构造背景。扫描电镜定量分析矿物种类和含量可以通过提供大量数据提高重矿物识别的准确度和降低不同种类含量计算的误差。同时，重矿物组合分析借助相应矿物的地球化学信息可以提供更加丰富的源区母岩性质及结构信息^[8⁃9]。砂岩碎屑组分是示踪砂岩物源的重要手段之一。经典的石英—长石—岩屑（Q-F-L）三角图为研究砂岩沉积母岩性质及其构造背景提供了实用而有效的分析方法^[10]。扫描电镜矿物定量分析的结果中可以分离出单颗粒石英、长石和岩屑的百分比，具有进行沉积物Q-F-L投图示踪的潜力。

本文选取渭河流域现代河流沉积为研究对象，探讨扫描电镜矿物定量分析手段在沉积物碎屑组分示踪、重矿物组合示踪等方面应用的可行性和合理性。渭河流域包含西秦岭、祁连地块、北秦岭、鄂尔多斯地块等构造单元（图1），不同构造体之间构造背景、岩性等差异明显，是进行沉积物源区示踪工作的理想区域。前人对本研究区的物源研究主要是利用碎屑锆石年龄谱进行沉积物示踪^[11⁃13]，但研究区不同的地质体存在类似的碎屑锆石年龄谱，难以进行有效的区分。最近有研究利用QEMSCAN的方法初步讨论了北秦岭山前河流沉积的重矿物组成^[11]，但缺乏流域不同构造背景区沉积物的比对，需要更全面的采样来体现不同构造背景下沉积物的矿物组合特征差异。

图  1  渭河流域地质背景及采样点分布图

Figure 1.  Tectonic setting and sampling sites of the Weihe drainage

渭河发源于西秦岭渭源县，自上游向下游依次经过西秦岭、祁连地块、北秦岭、鄂尔多斯地块，并在渭河盆地东侧潼关县汇入黄河（图1）。西秦岭，也称西秦岭构造结，位于横贯中国东西的中央造山带西部、青藏高原东北部。其北界大致位于武山—天水—商丹断裂构造带，现今渭河上游干流水系大致沿这一断裂带发育。西秦岭在渭河流域的地质体主要为夏河—礼县逆冲推覆构造带^[14]，主要分布有加里东期和印支期花岗岩^[15]，以及泥盆纪碎屑沉积地层，其中泥盆纪沉积岩主要来自北祁连造山带和西秦岭北缘造山带结晶基底^[16]。界限以北为祁连造山带的武山—天水逆冲推覆构造带和秦安逆冲推覆构造带^[14]。渭河流域的祁连造山带主要包含北祁连和中祁连。中祁连为以前寒武纪花岗片麻岩及硅质、钙质碎屑变质岩为基底的地块；北祁连本为祁连洋，寒武纪中祁连和华北地块碰撞使其成为收敛型大陆边缘和火山岛弧^[17]。

渭河流域中游、下游北部为鄂尔多斯地块，鄂尔多斯地块位于华北克拉通西部陆块南部，有麻粒岩相基底存在。华北克拉通西部陆块在2.5 Ga经历了绿片岩相至麻粒岩相区域变质作用^[18]。渭河流域中游南部为北秦岭造山带，北秦岭主要记录了华北陆块与外来陆块碰撞俯冲过程相关的火山岛弧和弧前盆地体系^[19]。北秦岭东北部主要为华北陆块南缘构造带，主要分布有太古代—元古代太华岩群、熊耳群等（图1），为前寒武高级片麻岩结晶基底，和中元古代以来的盖层结构。秦岭北侧断裂以南则为元古代中深变质杂岩秦岭群、变质达绿片岩相—低角闪岩相的中浅变质岩系宽坪群和二郎坪蛇绿混杂岩群^[20⁃21]。北秦岭地区发育三期古生代花岗岩^[22]，东侧华山一带分布了侏罗纪火成岩^[23]，西侧南侧则分布了三叠纪火成岩^[24]（图1）。

本研究的样品采自渭河流域干流和支流的河漫滩沉积物，共19个样品（图1）。其中渭河干流6个样品和北洛河2个样品、泾河2个样品矿物分析数据为本研究新报道，北秦岭山前河流8个样品和渭河下游1个样品矿物分析数据为已发表工作数据^[11]。

扫描电镜矿物组合定量识别实验在陕西师范大学地理科学与旅游学院完成。采用捷克FEI 公司生产的MLA650F型矿物解离分析仪进行矿物分析。采用Mineral Liberation Analysis（MLA）原样法进行扫描电镜分析^[7]，即不进行粒级筛分和重矿物分选，将约2 g样品直接用树脂包埋制靶，上机测试。这种方法可以避免人工筛分粒级和淘洗重矿物时部分重矿物的丢失，也可以更好的保存石英、长石等矿物颗粒。导出的数据包括但不限于：矿物种类、每个矿物相（grain）的尺寸、计数，每个矿物颗粒（particle）尺寸、计数、所含矿物相种类等。矿物相粒径大于5 μm的颗粒均进行识别，每个样品统计矿物相总数超过26 000个。这些数据可以为物源示踪提供依据。

渭河流域沉积物的扫描电镜矿物组合定量分析结果见表1。值得注意的是，表1中的百分含量主要指矿物相（grain），某一矿物相可能以单颗粒的形式单独存在，也可能与其他矿物组成一个矿物颗粒（particle）。在扫描电镜导出的原始数据中，可以分别看到每个矿物颗粒所包含的矿物相的种类、数量、尺寸等信息。受篇幅限制，这些详细信息未能展示。图2显示了本研究几个代表性样品的矿物识别结果示意，每个样品只显示了一个图幅的颗粒。可以看出，渭河上游沉积物（WH-3、WH-8）颗粒相对较大，100~200 μm颗粒相对比较多；渭河下游（WH-1）、泾河（JH-2）等沉积物颗粒相对较小，粉砂粒级颗粒居多，且粒径分布比较均匀；而北秦岭山前沉积物颗粒分布不均匀，大者可至200 μm，小者只有几个微米。

图  2  代表性样品矿物识别结果示意图

Figure 2.  Schematic diagrams of mineral identification results for the representative samples

渭河流域现代沉积物的轻矿物主要由石英（单颗粒和多晶）和长石（斜长石和钾长石）等组成，重矿物以角闪石、帘石族矿物和石榴石为主。识别的矿物类型及百分含量见表1，重矿物组合条形图见图3。发源自北秦岭的河流重矿物组合中角闪石和帘石族矿物在重矿物中占比较大，分别占矿物相总数（含石英长石等轻矿物）的约1.4%~7%和1.5%~5.6%。其次为石榴石、钛铁矿等，分别占矿物相总数的0.2%~3%和0.3%~2.4%。相对而言，渭河干流和北洛河、泾河沉积物中角闪石和帘石族矿物含量较少，分别占矿物相总数的1%~5.6%和0.9%~2%；石榴石含量较多，占矿物相总数1.3%~2.8%。

图  3  渭河流域现代河流沉积重矿物组合条形图

Figure 3.  Heavy mineral assemblage of modern river sediments in the Weihe drainage

利用沉积物碎屑组分和矿物组合等特征对沉积物进行物源示踪时，首先需要考虑沉积物的矿物组成是否受到水力分选或者成岩溶解作用的影响。Garzanti et al. ^[3]定义了重矿产出率（HMC）、透明重矿物出产率（tHMC）、沉积物加权平均密度（SRD）、透明重矿物加权平均密度（ΔtHM），不透明重矿物含量（%OP）、锆石+金红石相对比例（%ZR）等指标。这些指标不仅可以区分沉积物源区不同构造体，还可以估算水力分选对沉积物重矿物组合的影响。这些指标都基于镜下鉴定重矿物的计数，根据Garzanti et al.^[3]的重矿物指数的定义，可以利用扫描电镜矿物定量分析结果进行计算^[11]：

HMC= 所 有 重 矿 物 计 数 ( 包 括 铁 氧 化 物 ) 所 有 矿 物 相 计 数 - 未 知 矿 物 相 计 数 - 无 X 射 线 信 号 计 数 - 低 X 射 线 信 号 计 数 ×100

tHMC= 所 有 透 明 重 矿 物 计 数 所 有 矿 物 相 计 数 - 未 知 矿 物 相 计 数 - 无 X 射 线 信 号 计 数 - 低 X 射 线 信 号 计 数 ×100

SRD= 2.65 × 轻 矿 物 计 数 + 5 × 不 透 明 矿 物 计 数 + 密 度 1 × 透 明 矿 物 1 计 数 + 密 度 2 × 透 明 矿 物 2 计 数 + … 所 有 矿 物 相 计 数 - 未 知 矿 物 相 计 数 - 无 X 射 线 信 号 计 数 - 低 X 射 线 信 号 计 数

Δ_tHM= 密 度 1 × 透 明 矿 物 1 计 数 + 密 度 2 × 透 明 矿 物 2 计 数 + … 所 有 透 明 矿 物 相 计 数

其他指数按照矿物计数计算：

%OP=100×不透明重矿物/总重矿物

%ZR=100×（锆石+金红石）/（锆石+电气石+金红石）

根据以上公式，计算了渭河盆地现代河流沉积的HMC, tHMC、SRD等指标（表2）。结果表明，渭河盆地现代河流沉积HMC值为12~28，tHMC值为9~23，重矿物产出率比较高，说明本研究区沉积物受成岩溶解作用的影响小。大部分样品HMC和tHMC值比较接近，说明区域沉积物源区可能具有高级变质岩，这与研究区西秦岭、祁连、北秦岭等区域构造背景比较符合。沉积物加权平均密度（SRD）约为2.8，不透明矿物在重矿物中占比（%OP）10%~38%，锆石和金红石相对比例（%ZR）为22%~68%。若沉积物受水力分选而影响矿物组成，则SRD值会偏大，甚至大于3.5，且%OP和%ZR等反映水力分选的指标会与透明矿物加权平均密度（ΔtHM）等指标显示明显的正相关关系^[3]。对本研究的样品的ΔtHM和%OP和%ZR等指数进行线性拟合显示，两组数据的拟合优度R ²均小于0.15（图中未显示），这说明两组数据没有明显的相关关系（图4）。以上证据表明本研究河流沉积物矿物组合主要受到源区物质贡献的影响，而受水力分选或成岩作用影响相对较小。

图  4  渭河流域现代沉积物透明矿物加权平均密度（ΔtHM）与不透明重矿物含量（%OP）（a）、锆石和金红石相对比例（%ZR）（b）关系图

Figure 4.  Weighted average density of transparent minerals in modern sediments of the Weihe River Basin (ΔtHM) and opaque heavy mineral content (%OP) (a), relative proportion of zircon and rutile (%ZR) (b)

另外，为从重矿物组合信息中剥离出物源信息，Morton et al. ^[25]提出用水力学性质相近、化学性质稳定的矿物对的相对含量为指标，提供更敏感的源区信息。Hubert^[26]提出用沉积物中极稳定矿物，锆石、电气石和金红石的含量（ZTR），表征沉积物的成熟度。此外，橄榄石、辉石、尖晶石在重矿物中的含量（POS）可以反映源区基性岩、超基性岩的贡献^[3]。利用扫描电镜矿物定量分析结果，尝试计算了渭河盆地现代河流沉积物的磷灰石/电气石相对含量（ATi）、石榴石/锆石相对含量（GZi）、TiO₂族矿物/锆石相对含量（RZi）、独居石/锆石相对含量（MZi）等指数。其计算公式如下：

ATi=100×磷灰石/（磷灰石+电气石）

GZi=100×石榴石/（石榴石+锆石）

RZi=100×TiO₂族矿物/（TiO₂族矿物+锆石）

MZi=100×独居石/（独居石+锆石）

POS=100×（辉石+橄榄石+尖晶石）/透明重矿物

ZTR=100×（锆石+电气石+金红石）/透明重矿物

各指标计算结果见表2。通过矿物对指标计算可以看出，渭河盆地现代河流沉积物的POS、ATi、ZTR等指数变化较大。渭河干流沉积物（WH-5、WH-6、WH-7、WH-8和JH-3）的POS指数相对较高，均高于5%，可能指示了源区基性岩、超基性岩的贡献。另一方面，由于辉石、橄榄石和尖晶石矿物容易风化，北秦岭山前河流沉积的POS指数比较低可能受到区域岩性和风化的共同影响。然而，如前文所述，从ZTR、ZR%等指数来看，这一区域的沉积物成熟度较低，受风化、成岩等作用影响比较小，其POS可能主要受到源区岩性的影响。

渭河干流上游的两个样品（WH-3和WH-4）ATi指数比较低，低于20%。沿渭河干流向下游ATi值逐步变大，北秦岭山前沉积物的ATi指数也相对较高（图5a）。ATi指数受多种因素影响，在温暖潮湿的酸性环境下，磷灰石容易被风化溶蚀，故反映源区或沉积区的风化程度；而在干旱、半干旱环境下，则指示源区的矿物组合特征^[25]。本研究区气候属于干旱、半干旱气候，ATi指数可能主要代表沉积物源区岩性的差异，而受风化作用影响较小。渭河干流中下游区域和北秦岭山前沉积物ATi指数相对较高，可能与源区分布的花岗岩等火成岩有关（图1）。

图  5  渭河流域现代沉积重矿物POS与ATi（a）和%OP与ZTR（b）散点图

Figure 5.  Scatter diagram of POS and ATI (a) and %OP and ZTR (b) of heavy minerals

沉积物ZTR指标反映其源区岩体矿物成熟度^[26]，北秦岭山前沉积物的ZTR相对较低（图5b），显示比较低的矿物成熟度。这一方面可能受到物源的影响，另一方面可能是由沉积物水力分选或成岩溶解作用造成的。如前文提到的，不透明矿物含量是反映水力分选和成岩溶解作用的良好指标，沉积物中的不透明重矿物含量随水力分选而升高，随成岩溶解作用而降低^[3]。北秦岭山前沉积物的%OP值相对较低（图5b），说明水力分选对沉积物的影响较小。这两个指标指示北秦岭山前沉积物物源主要为新鲜火成岩或变质岩体，这可能与北秦岭多分布变质岩、火成岩岩体而较少分布沉积岩有关（图1）。而渭河干流上游沉积物ZTR相对较高，%OP值相对较低，沉积物成熟度较高；而向渭河下游ZTR逐步降低，%OP逐步升高，沉积物成熟度降低。这指示了上游物质源区可能存在一定规模的沉积岩，而向下游源区岩体逐步变为新鲜岩体等。这一变化也与渭河干流流经的地质体相符合，其上游流经区域分布着大范围的西秦岭三叠纪沉积岩，而下游则更多分布变质岩和火成岩（图1）。其他指示物源的指标，GZi，RZi，MZi等数值变化不大，这可能是由于区域河流沉积为多种岩体混杂堆积，这几个指标不能有效地区分不同源区的贡献。

由于扫描电镜定量识别矿物种类较多，为了更直观地对比不同沉积物的重矿组合特点，利用Vermeesch开发的R语言程序包^[27⁃28]，对不同样品的重矿物进行了主成分分析（PCA）（图6）。主要利用透明重矿物进行PCA分析，以便于与其他矿物识别工作对比。图中位置相近的点代表其重矿物组合相似，红色箭头代表PCA分析导出的端元的矿物类型。分析结果显示，渭河干流上游WH-3、WH-4、WH-5、WH-6、WH-7、WH-8和泾河JH-3等样品显示相似的矿物组合，具有相对较多的橄榄石、正辉石等基性火成岩矿物和红柱石、独居石、金红石等变质矿物，这可能与渭河干流上游西秦岭分布的基性火成岩和变质岩相对较多有关^[29⁃30]。前人研究表明，鄂尔多斯西南部沉积岩在晚三叠纪以来具有西秦岭岩体的物质贡献，可以解释泾河JH-3显示与西秦岭类似的重矿物组合这一特点^[31]。

图  6  渭河流域现代河流沉积重矿物主成分分析图（PCA）

Figure 6.  Principal component analysis of heavy mineral assemblage in modern river sediments of the Weihe drainage

渭河下游WH-1，以及北秦岭山前河流CH-1、CH-2等样品显示相对较多的锆石、磷灰石、榍石等矿物，可能与流域包含北秦岭分布的花岗岩岩体有关^[22⁃23]（图1）。北秦岭山前河流YH、BH-3和DFY、XJY、BH-1、BH-2分布比较散，YH和BH-3显示角闪石含量比较多的特征，DFY、XJY、BH-1和BH-2等样品显示帘石族矿物含量比较高，可能与北秦岭广泛分布的变质岩和角闪岩相变质岩有关^[20]（图1）。鄂尔多斯地块河流JH-2、BLH-3、BLH-1显示石榴石含量较多的特征，可能与鄂尔多斯盆地广泛分布的沉积岩有关^[31]。由此可见，重矿物PCA图可以大致的将北秦岭山前河流样品、渭河干流、鄂尔多斯地块河流的样品进行区分，且可以从矿物组合上给出源区的岩性背景的指示。在利用QEMSCAN方法沉积物进行物源示踪时，在对潜在源区矿物组合进行充分调研的情况下，可以尝试应用PCA图，圈定源区大致范围。

砂岩碎屑组分分析的关键点，在于区分砂粒级（>62.5 μm）的单颗粒石英、单颗粒长石和岩屑。由于重矿物与石英、长石等矿物对搬运过程的水力分选作用的响应有差异，岩屑组分分析中的岩屑不包括单颗粒的重矿物。此外，由于沉积物中碳酸盐含量受到风化作用、成岩作用等影响较大，也不包含在岩屑的讨论之中，而单独列出^[10,32]。从本质上讲，镜下识别的单颗粒矿物，在扫描电镜矿物定量分析中体现为一个单矿物相的矿物颗粒。比如，扫描电镜矿物定量分析结果中的某个矿物颗粒（particle）中，有且仅有一个石英矿物相（grain），即石英在该颗粒中占比为100%，则该颗粒为单颗粒石英矿物。单颗粒长石矿物亦然。若某个矿物颗粒（particle）中，有两个及以上矿物相，则将其划归为岩屑。若岩屑颗粒中包含碳酸盐，则不予统计。砂岩物源示踪需选取沉积物颗粒大于62.5 μm的颗粒^[32⁃33]，利用扫描电镜矿物定量分析结果中的矿物颗粒最大尺寸数据，可粗略作为的颗粒的粒度。本研究识别的沉积物最大粒径基本不超过250 μm（图2），因此，在进行矿物颗粒统计时，只统计矿物颗粒最大尺寸为62.5~250 μm的颗粒。其中，石英、长石等单矿物相最大尺寸为62.5~250 μm，作为单颗粒的石英和长石。

基于这原则，尝试将渭河盆地现代河流沉积物进行QFL颗粒统计和计算（表3）并进行QFL三角图投图（图7）。结果显示，北秦岭山前河流沉积物砂矿物碎屑组分以单颗粒长石为主，岩屑含量次之，石英含量最低。在QFL三角图中位于岩浆岛弧的区域，这与北秦岭火山岛弧岩性特征相符合。而渭河干流沉积物和北洛河、泾河沉积物砂矿物岩屑组分以石英为主，岩屑次之，长石含量最低，在QFL三角图中位于再旋回造山带（图7）。前人对祁连、西秦岭和鄂尔多斯地块沉积岩的碎屑组分分析表明，祁连地块东部^[34⁃36]和鄂尔多斯盆地西部、南部^[37⁃38]的沉积岩碎屑组分部分落在QFL图中的再旋回造山带范围内，或再旋回造山带与岩浆岛弧交界区；而西秦岭沉积岩则多落在岩浆岛弧范围内^[39]，这与不同地块的古生代—中生代盆地不同的演化历史有关。现代渭河流域上游流经祁连地块流域范围相对大（图1），可能决定了沉积物中石英—长石—岩屑的组分。此外，渭河干流上游和鄂尔多斯盆地区域广泛分布的新生代沉积可能也是河流沉积的重要来源（图1），新生代盆地沉积受到搬运、风化等影响，可能相对富集石英^[40]。因此，QEMSCAN方法得到的碎屑组分基本特征符合不同源区岩体分布特征，在经过谨慎的粒径筛选后，可以较准确示踪和区分沉积物源。但是，为获得更准确的沉积物碎屑组分信息、更好的与已有结果对比，QEMSCAN数据还需要与传统薄片分析相结合，以更好的优化其QFL三角投图结果。

图  7  渭河流域现代河流沉积石英—长石—岩屑（QFL）图解（据文献[10]）

Figure 7.  Tectonic discriminating diagrams of QFL for the modern Weihe River drainage (after reference [10])

本研究利用渭河流域现代河流样品的矿物组合和沉积物碎屑组分，探究扫描电镜矿物定量分析手段在沉积物示踪上应用的可能性和合理性。研究表明，扫描电镜矿物定量分析输出的数据可以用来进行多种矿物指标的计算。渭河流域现代河流沉积物的矿物组合受到水力分选和成岩溶解作用影响较小，主要反映源区信息。研究区沉积物重矿物组合主要以角闪石、帘石族矿物和石榴石为主，不同区域沉积物矿物组合通过主成分分析图（PCA）可以较好的区分开，且主要区别的矿物类型可以指示岩性的差异，与矿物对指标计算结合，可以进行物源示踪。渭河流域现代沉积碎屑组分以石英、长石、岩屑为主。QFL三角图解显示，渭河干流和流经鄂尔多斯高原的两大主要支流北洛河和泾河的沉积物碎屑组分主要位于再旋回造山带区域；而北秦岭山前河流沉积物碎屑组分则主要位于岩浆岛弧区域。这一结果符合区域地质构造背景。本研究表明，扫描电镜矿物定量分析手段是可靠的物源示踪方法。

由于沉积过程的水力分选、成岩溶解和区域风化等作用的影响，沉积物中不同粒级的颗粒的矿物组成可能会有所差异。目前大部分通过光学显微镜获得的矿物组合数据基于粗粉砂、砂或砾级的沉积物，而对更细的颗粒关注比较少，这可能会造成部分信息的缺失。另一方面，筛分粒级或者淘洗重矿物的过程可能会改变原沉积物中的矿物组合，造成误差。而扫描电镜矿物定量分析输出的数据具有详细的粒径大小的信息，且数据量比较大，未来的工作可以考虑更加细致的粒径分组，提取沉积物中更多的沉积过程、物源或者风化的信息。

沉积物矿物颗粒的形态可以提供沉积物搬运动力、风化、成岩等方面的信息。已有的研究将稳定矿物的形态特征（如锆石、石英等）成功的运用在物源示踪中。扫描电镜矿物定量分析结果中可以导出每个矿物相（grain）和矿物颗粒（particle）的形态图和长宽尺寸等信息，可以用来进行矿物形态分析，解析其中蕴含的物源或者风化等信息。未来的研究中，可以尝试用不稳定矿物的表面形态、矿物轮廓等，提取沉积物中的物源或者风化信息。