沉积岩成分的研究在沉积学领域一直占有重要的位置。20世纪60年代板块理论的兴起，为各地质学科注入了新的生机。20世纪70年代以来，沉积岩成分特征与板块构造关系的研究便应运而生。它将沉积岩成分的物源意义与板块构造背景下的沉积盆地类型紧密地联系在一起，并将沉积岩成因的大地构造属性分析拓展到与全球构造相对应的更为广阔的应用领域。
1.砂岩矿物成分与构造背景
1970年，迪金森根据杂砂岩（硬砂岩）和长石砂岩的研究，首次提出了砂岩构造背景分析的“碎屑模型”和“颗粒指数”概念。1974年澳大利亚的克拉克以各种杂砂岩为研究对象，采用Q-F-L图解，讨论了用砂岩碎屑组分进行构造背景分析的基本原理，并根据构架颗粒中石英和SiO2含量及K2O/Na2O比值，将杂砂岩分为三类，并对应于不同的板块构造环境（表9-3）。
表9-3 复理石组合中杂砂岩成分与大陆边缘类型的关系
（据李继亮，1982，转引自马文璞，1992）
迪金森等（1979）根据已知构造背景的现代和古代砂岩的4000 多个样品统计分析，确定出碎屑—物源区—板块构造三位一体的分类方案。1983年，他又利用7500个古代砂岩数据，对1979年的模型作了进一步完善。他分析了晚前寒武纪至第三纪北美主要构造发生时期及性质，编制出8张碎屑模型-古构造图。目前，迪金森（1979，1983，1985）的碎屑模型和板块构造物源区的研究，已成为流行最广的方案（表9-4，图9-7，图9-8）。
图9-7 不同类型物源区的砂岩平均碎屑矿物成分分布三角图
（据W.R.Dickinson，1985，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
颗粒类型符号：Qt—石英颗粒总数（Qm＋Qp）；Qm—单晶石英；Qp—多晶石英质岩屑；F—单晶长石总数（P＋K）；P— 斜长石；K—钾长石；Lt—多晶质岩屑（L＋Qp）；L—不稳定岩屑（Lv＋Ls）；Lv—火山岩屑；Ls— 沉积岩和变质沉积岩岩屑
表9-4 迪金森主要蚀源区划分
（据W.R.Dickinson，1979）
2.碎屑岩化学成分和构造背景
近年来，国内外一些学者应用比较沉积学和比较大地构造学观点，对沉积物质的成熟度、微量元素的分配类型、稀土元素分布模式、砂岩的常量元素等方面进行了研究，其成果为物源区及其板块构造背景的分析提供了重要的信息。
（1）砂岩的化学成分分析
巴蒂亚（M.R.Bhatia，1983）根据现代和古代不同构造部位的大量砂岩的岩石化学数据归纳总结出大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘4类典型的平均化学成分（表9-5），其图解模型如图9-9所示。这些砂岩化学参数主要有5种：w（Fe2O3＋MgO）、w（TiO2）、w（Al2O3）/w（SiO2）、w（K2O）/w（Na2O）和 w（Al2O3）/w（CaO ＋Na2O），其中以w（Fe2O3＋MgO）分别对w（TiO2）、w（Al2O3）/w（SiO2）两组参数对所显示的图解分区重叠最小，效果较好。在表9-5和图9-9中，D型主要反映次稳定型建造的砂岩化学成分特征；A、B、C型主要代表非稳定型建造的砂岩化学成分特征。
图9-8 根据w（Q）－w（F）－w（L）和w（Qm）-w（F）-w（Lt）图解划分的板块构造物源区类型
（据W.R.Dickinson，1983，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
Qm—单晶碳；Q—石英；F—长石；L—岩屑；Lt—为L＋Qm
表9-5 各种构造环境砂岩的平均化学成分及参数值
（据M.R.Bhatia，1983，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
图9-9 砂和砂岩构造环境判别的主要化学成分分布图
（据M.R.Bhatia，1983，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
A—大洋岛弧（方块）；B—大陆岛弧（三角）；C—安第斯型大陆边缘（星）；D—被动大陆边缘（黑圆点）
（2）微量元素和稀土元素分析
稀土元素（REE）以具稳定的地球化学性质为特征，除在特殊的风化壳或大陆上强烈的风化残余物（如残积铝土矿）中发生富集或贫化外，一般在沉积岩中受成岩及成岩后的各种改造作用的影响很小，甚至到高级变质作用的麻粒岩相，REE 才有微弱的活动性。因此，REE的分布特征反映建造的“原始”性质和物源特点。在表生条件下，它们在母岩中的丰度和物源区的风化条件是沉积物中REE的主要控制因素，这两者同时又受构造背景的制约，构造环境的稳定与否，既控制了沉积建造的物质来源，又决定了稀土元素在表生条件下的相对“停留”时间，从而影响REE的丰度和分馏程度。
判别各种构造背景的沉积组合时，可以采用巴蒂亚（1985）归纳的不同构造背景下的杂砂岩的REE特征值（表9-6）和模式曲线（图9-10）进行鉴别。
表9-6 各种构造背景的杂砂岩的REE参数表 （wB/10－6）
（据M.R.Bhatia，1985，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
图9-10 各种构造位置杂砂岩的球粒陨石标准化曲线（上）和后太古宙澳大利亚页岩（PAAS）的球粒陨石标准化曲线（下）
（据M.R.Bhatia，1985，转引自孟祥化、葛铭等，1993）
从次稳定型的被动大陆边缘至活动型的大洋岛弧区，w（REE）、w（LREE）/w（HREE）、w（La）/w（Yb）等特征值明显降低，而w（Eu）/w（Eu）则显著升高；在REE模式曲线图上，Eu从明显的负异常变到无亏损，曲线的斜率逐渐减小。
在稀土元素分析中，泥质岩的稀土元素分布同砂岩一样，用于鉴别沉积类型具有较好的效果。泥质岩作为机械分异的最终产物，在风化—沉积旋回中经历过“充分”的均匀化作用。在各类沉积岩中，泥质岩的REE 含量为最高，其REE平均值约占上陆壳的20%，可以反映沉积组合中REE的平均分布。
在利用REE模式曲线和特征值判别建造的构造环境时，应注意其应用范围，目前主要限于太古宙之后的沉积建造。这是由于在研究REE与地壳演化的关系时发现，REE在太古宙之后的沉积建造中变化不明显，且均无Eu的异常。
巴蒂亚（M.R.Bhatia，1986）通过对澳大利亚东部塔斯曼褶皱带的研究，总结了沉积岩的微量元素及其与源区类型和构造背景的关系，作出了利用微量元素进行构造环境判别的图解。
3.硅质岩稀土元素与构造背景的关系
海洋中不同环境和不同深度的REE含量和分布模式都有一定的差别。H.Martin等认为海洋中的REE主要来源于河水的补给。
大洋海水相对于河水和陆棚海水有3方面的差异：①REE总量降低；②铈（Ce）的亏损；③HREE相对于LREE富集。其中，Ce的亏损或富集最为明显。在河水中，无论是悬浮质还是溶解质，REE都不显示Ce的负异常，而海水Ce则可表现出明显的亏损。然而并非所有地区海水都如此，Fleet 认为只有开阔大洋海水才能出现明显的 Ce 负异常。（E⁃.D.Goldberg）戈尔德贝格等曾注意到北大西洋2个站位的8个海水样品具明显的Ce负异常（Ce平均值为0.32×10-6），而临近大陆的海洋如波多黎各海槽、巴伦支海（欧洲）等的海水中Ce浓度正常。另外，在洋中脊附近，海水的Ce负异常最为显著。
REE从海水中迁移进入沉积物的主要途径是通过海水中REE结合进入生物相和自生矿物相。如果从海水向沉积物的元素迁移过程中，REE 没有发生明显的分馏，沉积物的REE则可以继承海水的REE特征。下面分别简要介绍一下Shimizu等和Murray等的研究结果。
Shimizu等对深海钻探计划（DSDP）钻孔中的硅质沉积物进行REE分析。在太平洋中部的5个样品中，有3个白垩纪—渐新世燧石样品，Ce的含量分别为0.21×10-6、0.29×10-6和0.32×10-6。两个从放射虫软泥中分离出来的硅质微化石样品（分别是渐新世和始新世）Ce为0.22×10-6和0.24×10-6。因此太平洋样品均显明显的Ce负异常。取自加勒比海的一个DSDP燧石样品（始新世）Ce的含量为0.47×10-6，显较弱的负异常。Shimizu等将上述燧石和硅质化石的REE值与陆地燧石的REE进行了比较，陆地样品中有两个是日本岐阜三叠纪—侏罗纪燧石，一个是加拿大安大略二叠纪—三叠纪燧石。结果这些陆地燧石Ce的含量分别是1.0×10-6、1.2×10-6和1.4×10-6，无负异常或显正异常，与深海燧石截然不同。
Shimixu等因此提出Ce的负异常是指示燧石是否形成于海洋环境的良好指标。他们认为加勒比海燧石的Ce弱负异常是因为加勒比海区与大洋之间被岛链隔离所致。根据REE的分布模式，Shimizu等推测那些陆地燧石形成于海岸、边缘海或内陆海环境。
Murray等对美国西海岸加利福尼亚侏罗纪—白垩纪燧石进行了REE研究。他们根据已有的生物地层学、沉积学、矿物学和地球化学的研究资料，将此区燧石分为三个沉积环境组合，分别是：①覆盖在枕状玄武岩之上，洋中脊环境的红色富锰燧石；②形成于大洋底环境，与页岩互层的薄层燧石；③形成于大洋边缘环境，被杂砂岩所覆盖的绿色燧石。REE分析结果表明，9个洋中脊环境燧石样品中Ce的平均含量为0.30×10-6，为明显的Ce负异常；3个代表大洋底环境的燧石为Ce中等负异常，Ce的平均含量为0.55×10-6；形成于大陆边缘环境的15 个燧石负异常不明显或甚至为正异常，Ce的平均含量为0.79×10-6～1.54×10-6。此外Murray等还注意到与燧石共生的页岩也具有与燧石类似的Ce异常特征，另外燧石或页岩的REE含量与其沉积环境也有一定的关系。
Murray等对上述现象的解释是，由于铁锰质对Ce的优先提取，扩张洋中脊附近的海水Ce强烈亏损，而非铁锰质沉积物吸附了这种Ce亏损的REE，因而使硅质沉积显示出强烈的Ce负异常。Ce中等异常的燧石形成于大洋盆底，即远离洋中脊又不受大陆物源的影响，并且长期与大洋海水接触，因而吸附了海水中具Ce负异常的REE。Ce微弱异常或正异常的燧石反映了大陆边缘沉积物的REE特征。
图9-11 昌宁-孟连带硅质岩的铈（Ce）异常变化
（据钟大赉等，1998）
钟大赉等（1998）在研究滇、川西部古特提斯造山带构造演化中，通过研究昌宁-孟连构造带泥盆纪—三叠纪硅质岩Ce异常的变化（图9-11），恢复了昌宁-孟连带泥盆纪—三叠纪洋盆的开裂、扩张到收缩的演化历史。
综合Shimizu、Murray和钟大赉等的研究可以看出，海相硅岩的REE特征，尤其是Ce特征，能够反映硅岩的沉积环境。在进行沉积相、沉积盆地和板块构造重建的研究中，可以将不同环境硅质岩的REE值，特别是Murray等的不同类型硅岩的Ce含量值作为硅岩沉积环境的判别标准。当然，由于目前这方面的分析资料还不多，Ce含量值随环境变化的判别值还不够完善、具体，所以还有待于更多的分析材料来补充、修订和总结以往的标准，以建立更为全面的硅岩沉积环境REE判别标志。
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