沈積物重砂礦物是指密度大於2.86g/cm3的礦物。重砂礦物在砂巖中的含量很少超過1%，壹般都小於0.1%，且粒度多屬於細砂至粉砂級，多數在粉砂級內，因此多賦存於粉砂-細砂巖內。重砂礦物壹般耐磨蝕、穩定性強，能較多地保留其母巖的特征，因此在盆地分析中，重砂礦物可用於物源分析、地層對比和巖相古地理恢復等多項研究中(和鐘鏵，2001，2008;康春國，2009;李雙建，2005，2006;向芳，2006;任鳳樓，2008;張誌萍，2008;曾慶高，2009;許承武，2009;方世虎，2007;李忠，2004;董月霞，2008;陸潔民，2004;錢壹雄，2007;李珍，1998;王洪偉，2007;徐田武，2009，武法東，1996)。碎屑沈積物中重砂礦物的總體特征取決於母巖的性質、水體的動力條件和重砂礦物的搬運距離。隨著重砂礦物抗風化能力不同，在礦物碎屑搬運的過程中，不穩定的重砂礦物逐漸發生機械磨蝕或化學分解，因而隨著搬運距離的增加，性質不穩定的重砂礦物逐漸減少，而穩定重砂礦物的相對含量逐漸增大，所以距母巖區愈遠，重砂礦物種類及含量都減少，不穩定重砂礦物甚至消失，而穩定重砂礦物相對含量增加，因此可以通過穩定重砂礦物與不穩定重砂礦物的相對含量變化可以研究物源的方向和沈積物搬運距離的長短。在物源相同、古水流體系壹致的碎屑沈積物中，碎屑重砂礦物的組合具有相似性;而母巖不同的碎屑沈積物則具有不同的重砂礦物組合。不同類型的母巖其礦物組分不同，經風化破壞後會產生不同的重砂礦物組合，因此利用重砂礦物組合恢復母巖是非常有用的，例如矽線石、藍晶石、石榴子石等為變質巖的特征礦物(劉柚峰，1991)。過去重砂礦物研究中主要把陸源碎屑的透明重砂礦物作為研究對象，如今越來越多的學者開始重視不透明重砂礦物的研究，如利用黃鐵礦、磁鐵礦對沈積環境和古氣候進行分析。
(1)樣品采集與測試
本次研究分別在川東南的南川、萬盛、道真、武隆、石柱、黔江、酉陽、秀山、沿河;以及湘西的花垣、永順、龍山、鹹豐、宣恩等地***采集了210件誌留系小河壩組砂巖樣品(樣品分布見圖3.5)，從各個剖面選取了具有代表性的35件新鮮樣品進行了重砂礦物分析(每個剖面的樣品自底部向頂部依次編號見表3.3)，主要巖性為砂巖、細砂巖、粉砂巖，為了確保能夠分離出來足夠的重砂礦物，每件樣品都不少於1.5kg。所有樣品都在河北省廊坊市地質服務有限公司地質礦產實驗室內處理和鑒定完成，試驗誤差為3%～5%。
圖3.5 采樣位置分布圖
表3.3 湘西地區小河壩組砂巖重砂礦物組成及相對含量(%)
重砂礦物按其化學性質和抗風化能力劃分為不穩定重砂礦物、較穩定重砂礦物和極穩定重砂礦物，本研究區內***鑒定出重砂礦物20多種，其中穩定重砂礦物和極穩定重砂礦物有石榴子石、電氣石、磁鐵礦、鉻鐵礦、鋯石、金紅石等。不穩定重砂礦物和較穩定重砂礦物有普通角閃石、黑雲母、綠簾石、白雲母、磷灰石等。
(2)重砂礦物組合
川東南-湘西誌留系小河壩組砂巖35個樣品中鑒定出的重砂礦物有20多種(表3.3，3.4)，其中主要的重砂礦物包括鋯石、磷灰石、金紅石、電氣石、銳鈦礦、赤褐鐵礦、白鈦石、綠簾石、石榴子石、黃鐵礦、輝石、鈦鐵礦、榍石、方鉛礦、閃鋅礦、鉻鐵礦、角閃石、尖晶石、鉻鐵礦、藍閃石等。
表3.4 川東南地區小河壩組砂巖重砂礦物組成及相對含量(%)
川東南-湘西地區35件樣品的重砂礦物分析表明重砂礦物類型主要為鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦、電氣石、白鈦石、黃鐵礦、赤褐鐵礦，幾乎出現在所有樣品中，平均含量為89.08%，其中鋯石在大多數樣品中占絕對優勢。最主要的5種重砂礦物及其含量分別為:鋯石(0.62%～84.81%)平均值為37.08%，磷灰石(0.37%～49.53%)平均值為12.61%，金紅石(0～29.14%)平均值為7.38%，銳鈦礦(0～21.18%)平均值為9.38%，白鈦石(0～16.39%)平均值為3.29%，電氣石(0～27.43%)平均值為6.96%，黃鐵礦(0～82.57%)平均值為7.33%，赤褐鐵礦(0～87.5%)平均值為5.06%。砂巖中鋯石、磷灰石、金紅石、銳鈦礦、電氣石、赤褐鐵礦、白鈦石、閃鋅礦、白鐵礦及黃鐵礦含量相對較高，方鉛礦、輝石、鈦鐵礦、榍石、綠簾石、石榴子石、鉻鐵礦、軟硬錳礦、尖晶石含量普遍小於5%。根據對砂巖的沈積環境及源區的初步分析，將砂巖中的重砂礦物分為以下幾類組合:①穩定礦組合，包括二氧化鈦礦物(金紅石、銳鈦礦和白鈦礦)、鋯石、電氣石;②較穩定礦物組合，主要石榴子石和磷灰石;③不穩定礦物組合，主要是綠簾石、輝石和角閃石;④沈積指相礦物，如指示水體較淺的富氧環境的赤(褐)鐵礦、還原環境的黃鐵礦;⑤金屬熱液礦物，如鉻鐵礦、方鉛礦、黃銅礦、閃鋅礦等，可以反映超基性巖和高溫巖漿期後熱液作用的源區。
碎屑鋯石通常表現為深、淺玫瑰色和黃色兩類，以前者為主，呈次渾圓粒狀、粒狀、次渾圓柱狀、柱狀、次棱角柱狀，表面粗糙，斷口有磨蝕痕跡，磨圓度高，分選性好，透明到半透明狀，金剛光澤。磷灰石主要為白色，極少數為褐黑色、黑色。次渾圓粒狀、粒狀、次渾圓柱狀、柱狀、個別見次棱角狀，半透明、玻璃光澤。金紅石主要為深紅、紅色、橙紅、黑紅色、黑色;次棱角柱狀、粒狀、柱狀;半透明、油脂光澤。電氣石主要為藍綠、綠色、藍灰色、茶褐色、褐色;次渾圓粒狀、次渾圓柱狀、次棱角柱狀、柱狀、塊狀。綠簾石主要為黃綠色、粒狀、不規則粒狀、次渾圓粒狀、不規則塊狀、柱狀。輝石為綠色、淺綠色、褐色，柱狀、次棱角柱狀、次棱角粒狀、少見塊狀，半透明。石榴子石紅色、粉色、淺粉色，次渾圓粒狀、不規則粒狀、塊狀、次棱角粒狀，偶見黑色包體。
(3)小河壩組砂巖重砂礦物組合
從川東南-湘西地區35個樣品的重砂礦物分析表明，小河壩組砂巖的重砂礦物組合特征為:鋯石、銳鈦礦、磷灰石、金紅石、黃鐵礦、電氣石、白鈦石、赤褐鐵礦、輝石、綠簾石、石榴子石、角閃石為主要組合，反映了較為穩定的物源條件。
從穩定礦物含量及組合來看，穩定重砂礦物的平均含量為64.08%，除了在鹹豐、黔江、小河壩、松桃灣有四個樣品的穩定重砂礦物的因為含有大量的金屬熱液礦物(分別為赤褐鐵礦87.5%，閃鋅礦82.95，黃鐵礦82.57%、白鐵礦94.68%)而平均含量小於20%以外(分別為7%，12.72%，6.42%，0.62%)，其余的都在30%以上。其中有20個樣品都在70%以上。說明該區穩定重砂礦物普遍含量較高，離物源區比較遠。ZTR指數平均為64.86%。
從較穩定礦物含量及組合來看，主要以磷灰石、石榴子石為主，平均含量為12.85%，而磷灰石含量較高平均值為12.61%，特別在武隆土地鄉有壹個樣品達到49.53%。石榴子石相對較低，平均值為0.23%。
從指相礦物來看，研究區指相礦物平均含量為25.05%，在鹹豐有較高的赤褐鐵礦含量(87.50%)，小河壩有較高的黃鐵礦含量(82.57%)，另外在三泉、小河壩、水田壩含有較高的銳鈦礦含量(20%±)，在宣恩有較高的白鈦石(16.39%)。該區未見海綠石、重晶石及碳酸鹽等指相礦物。
從不穩定礦物組合來看，綠簾石、輝石、角閃石等平均含量為1.18%，該區不穩定重砂礦物含量很低，綠簾石平均含量為0.47%，除樣品XHB013(4.89%)以外，其余樣品都在2%以下;輝石平均含量為0.66%，除樣品BY006(2.87%)以外，其余樣品都在2%以下;角閃石很少見，僅在SQ003，SQ008，XHB007，KS006見有很低的含量，分別為0.64%，0.38%，0.36%，0.29%，其余樣品未見或偶見。以上重砂礦物組合特征反映了較為穩定的構造-沈積環境。
金屬熱液重砂礦物有方鉛礦、鈦鐵礦、閃鋅礦、白鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、黃銅礦等，平均含量為5.75%。從重砂礦物中的熱液礦物含量可見，熱液重砂礦物不是所有樣品都能見到，僅部分樣品中見到，其中閃鋅礦在樣品SH003，LT003，TD003中含量較高分別為82.95%，40.54%，26.92%;白鐵礦僅見於STW001，JK002樣品，其含量分別為94.68%，27.04%;磁鐵礦僅見於KS006，SQ022樣品，其含量分別為2.9%，1.73%;鉻鐵礦僅見於XHB013，JK010樣品，其含量分別為1.99%，1.48%;黃銅礦僅見於SQ008，XHB007樣品(1.01%，0.36%)。
(4)重砂礦物特征指數分析及意義
重砂礦物組合及其特征指數分析是物源區分析的重要手段。利用重砂礦物組合的穩定性、空間分布等特征，可以判斷物源區的母巖類型和構造背景，推測沈積物的搬運距離和物源方向。重砂礦物組合和豐度在搬運沈積和成巖過程中往往受多種因素影響，如物理分選、機械破碎、層間溶解等，這些勢必會影響對物源判別的準確性。Mortor和Hallswor認為水動力條件和埋藏成巖作用是影響物源的兩個主要因素，因此在相似水動力條件和成巖作用下，穩定重砂礦物的比值能更好地反映物源特征，將這些比值稱為重砂礦物特征指數。如ATI指數［100×磷灰石/(磷灰石+電氣石)］，用於判斷物源為火山巖的樣品數量和風化程度;GZI指數［100×石榴子石/(石榴子石+鋯石)，用來分析是否存在角閃巖或麻粒巖物源;MZI指數［100×獨居石/(獨居石+鋯石)］，可用來探討物源具有深成巖的比例等。ZTR指數是指由穩定礦物鋯石、電氣和金紅石在透明重砂礦物中所占的比例，代表重砂礦物的成熟度。ZTR指數越大，重砂礦物的成熟度越高(劉易斯，1989)。而礦物的成熟度受古氣候、古構造、搬運距離及成巖作用等多種因素的制約。對其系統研究，有時可以指示沈積搬運距離和物源方向，有時則反映不同時期的古構造和古氣候的變化(和鐘鏵，2001)。
由於研究區重砂礦物中缺少獨居石，故在分析時只采用ATI，GZI、ZTR指數(表3.5)。研究發現研究區ATI，ZTR指數普遍較高，平均值分別為58.69，70.68。川東南地區的ZTR指數平均值為71.94，高於研究區的平均值;湘西的平均值為67.9，明顯低於研究區的平均值。研究區的川東南地區ZTR指數高於湘西地區。另外川東南ATI，GZi指數平均值分別為62.86，0.76，明顯高於湘西的平均值49.41，0.05。從ATI，GZI指數還可看出川東南地區的磷灰石和石榴子石含量都大大增加。結合砂體分布(如前所述砂體向川中漸滅)來看，結合重砂礦物特征指數可以判斷研究區的物源方向為由南東至北西。
表3.5 小河壩組砂巖重砂礦物特征指數
(5)重砂礦物對源巖性質的指示
研究區的重砂礦物組合特征反映其母巖是以白鈦石+金紅石+電氣石(渾圓狀)+鋯石(渾圓狀)+石榴子石(渾圓狀)為代表的沈積巖;以鈦鐵礦+輝石+磷灰石組合為代表的基性-超基性侵入巖和以磷灰巖+輝石+角閃石為代表的中-基性噴出巖混合區。
重砂礦物組合縱向變化表明，隨著物源區剝蝕深度的增加，母巖的巖石類型出現明顯變化;湘西花垣卡棚地區小河壩組砂巖沈積早期礦物組合為:磷灰石(13.71%)+輝石(0.55%)(樣品KP002)，而到了中晚期不含輝石並且磷灰石也逐漸減少，分別減少到3.4%(KP005)，0.58%(KP009)。但是鋯石到了晚期含量高達到84.81%;這說明湘西地區小河壩組砂巖沈積早期物源受到中-基性噴出巖的影響很大，而到了中晚期中-基性噴出巖對其物源影響逐漸減少。
在川東南地區小河壩地區的小河壩組砂巖早期以磷灰巖(37.23%)+輝石(1.46%)+角閃石(0.55%)為代表的中-基性噴出巖為主，到了晚期磷灰巖(1.07%)+輝石(0.46%)表明其物源受中-基性噴出巖影響逐漸減弱。而鈦鐵礦從早期的(0.91%)到晚期為(1.99%)表明以鈦鐵礦為代表的基性-超基性侵入巖對該區物源影響逐漸增加。
結合前人對研究區周圍基巖出露情況的研究(丘元禧，1999;劉鐘偉，1994)，川東南地區誌留系小河壩組砂巖的物源為雪峰山隆起西側的古丈、芷江、沅陵、懷化及通道壹帶的新元古界板板溪群及其侵入板溪群中的基性-超基性巖體及中-基性噴出巖。
(6)重砂礦物對沈積環境的指示
壹般認為，重砂礦物組合是源區母巖性質的指示劑。如晶形完好的鋯石、電氣石和磷灰石伴隨少量黑雲母的礦物組合指示源區為花崗巖;大量的石榴子石、鋯石、綠簾石、綠泥石組合為變質巖區;而磁鐵礦、鈦鐵礦、銳鈦礦、輝石及角閃石是基性火山巖存在的標誌。重砂礦物特征不僅反映母巖的組成，同時更多地反映了沈積物在沈積-搬運和沈積過程中物理分選、機械磨蝕和化學溶解作用。如海綠石雖然在河流沈積中也有發現，但主要為淺海沈積的標型礦物，而鮞綠泥石為濱淺海沈積;壹定的赤鐵礦和褐鐵礦含量表明其氣候幹旱、水體較淺的氧化環境;若極易風化的輝石和角閃石能夠大量保存下來，說明沈積區與物源區很近。
研究區幾乎所有樣品都含有黃鐵礦或赤褐鐵礦(表3.3，3.4)，這些赤褐鐵礦多呈粒狀四方體或八面體，中間殘存黃鐵礦或呈磁鐵礦假象，顯然是黃鐵礦、磁鐵礦氧化而成，不會是火成巖或變質巖中的原生礦物，因此，認為其富集代表了壹種極端氧化的環境，極可能反映了沈積時水體較淺，富氧環境;反之黃鐵礦富集的地區極可能反映了水體較深的還原環境。研究發現靠近黔中隆起和江南-雪峰山隆起的地區赤褐鐵礦含量高於黃鐵礦2.14～71倍，或者不含黃鐵礦，尤其在靠近江南-雪峰山隆起的卡棚地區赤褐鐵礦含量最高達到25.96%。而在川東南的小河壩、三泉等地黃鐵礦含量是赤褐鐵礦含量的2～38.57倍，或者不含赤褐鐵礦，尤其在川東南小河壩地區黃鐵礦含量最高達到82.57%，沿河達到23.49%。從而說明研究區小河壩組砂巖沈積期靠近黔中隆起和雪峰山隆起為水體較淺的氧化環境，而在川東南存在南川等深坳區，為較深水還原環境。