钟大康, 姜振昌, 郭强, 孙海涛. (2015)热水沉积作用的研究历史、现状及展望[J]. 古地理学报, 17(3): 285-296
Zhong Dakang, Jiang Zhenchang, Guo Qiang, Sun Haitao. (2015)A review about research history, situation and prospects of hydrothermal sedimentation[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(3): 285-296. DOI:10.7605/gdlxb.2015.03.024  
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热水沉积作用的研究历史、现状及展望
钟大康1, 姜振昌1, 郭强2, 孙海涛1
1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
2 中核集团核工业北京地质研究院,北京 100029

第一作者简介 钟大康,1961年生,教授,博士生导师,2001年毕业于中国石油大学(北京),获博士学位,长期从事沉积学与储集层地质学的教学与研究工作。E-mail: zhongdakang@263.net。

收稿日期:2015-03-10
基金:国家自然科学基金项目(编号:41472094)资助
摘要

热水沉积作用的研究已经历70余年,目前初步统一了热水沉积及其沉积岩的相关概念。按照形成矿物的温度和颜色特征及类型,将热水沉积作用分为白烟囱型和黑烟囱型,前者主要是在较低温度(100~320 ℃)下形成硅酸盐、硫酸盐等浅色矿物,后者主要在较高温度(320~400 ℃)下形成硫化物、氧化物等暗色矿物。大陆的热水沉积热液与海洋热液在温度与物理化学性质方面存在明显差异,大陆热水温度比海洋低,变化范围较海洋大;pH均值比海洋高,变化范围较海洋热水小;Na+K离子浓度与海洋接近,Ca离子与Cl离子浓度比海洋高,但它们的变化范围较海洋大。初步建立了一些关于热水沉积的沉积模式,如海底热液对流模式、盆地压实卤水对流模式、洋中脊岩浆热液—海水混合循环对流模式、热液溢流—喷流—溢流模式。由于热水沉积作用及热水沉积岩的分布具有特殊性和局限性,目前的研究程度较低,对热水沉积的化学过程和热力学过程、热流体成因、物质来源、热水沉积分异、热水沉积机理还不十分清楚,有待于进一步深入系统研究。

关键词: 热水沉积; 研究进展; 回顾与展望; 成矿意义
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)03-0285-12
A review about research history, situation and prospects of hydrothermal sedimentation
Zhong Dakang1, Jiang Zhenchang1, Guo Qiang2, Sun Haitao1
1 State Key Laboratory for Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 CNNC Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029;

About the first author Zhong Dakang,born in 1961,got his doctoral degree in 2001 from China University of Petroleum(Beijing). Now,he is a professor and mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: zhongdakang@263.net.

Abstract

Hydrothermal sedimentation has been studied for over 70 years since being discovered,and its related terminology has been preliminarily unified. It has been classified into the white smoker and the black smoker according to the mineral forming temperature and color,as well as some depositional models. The former deposits light-colored minerals such as silicates and sulfates under lower temperatures(100-320 ℃),while the latter deposits dark-colored minerals such as sulfides and oxides under relatively higher temperatures(320-400 ℃). There are some differences in temperature and physics-chemistry between terrestrial and marine hot fluids. The terrestrial thermal fluids are with lower and more various temperatures,higher and relatively fixed pH values,similar Na+K ionic concentrations,and higher and more various Ca and Cl ionic concentrations as to the marine thermal fluids. Some hydrothermal sedimentation models have been set up,such as seafloor thermal fluids convection,compaction brine convection,mixed magma thermal fluid from mid-oceanic ridge-sea water convection,and overflowing-spraying-overflowing. However,due to the specificity and limitation of the hydrothermal sedimentation and its product distribution,the research is not enough. The discussion about the chemical and thermodynamics process of hydrothermal sedimentation is deficient. The origin,source,differentiation of thermal fluids,and the depositional mechanism are not very clear. All of these above should be further studied.

Key words: hydrothermal sedimentation; research advance; review; mineral significance

到目前为止, 人们把组成地壳的岩石成因归为3大类:第1类为岩浆侵入或喷发冷却成因, 形成一些侵入岩如花岗岩、辉绿岩、橄榄岩, 或形成一些喷发岩如玄武岩、安山岩及流纹岩, 即岩浆岩; 第2类是母岩经过风化形成的碎屑通过水或风、冰川等介质发生搬运沉积形成的岩石, 或母岩经过风化后溶于水再经过化学沉淀形成的岩石, 前者如砾岩、砂岩及泥岩, 后者如灰岩、白云岩、硅岩、膏岩、盐岩等, 即沉积岩; 第3类是前两者受高温高压或受热液流体或强烈的构造挤压改造发生成分与结构的变化形成, 如板岩、片岩、千枚岩、大理岩等, 即变质岩。

随着社会的不断发展与进步和人类对自然界的不断深入探索, 人们在现代海底与古代地层中发现了一类岩石, 这类岩石既不是单纯的岩浆热液成因, 也不是单纯的海水或湖水化学沉积成因, 而是岩浆热液与海水或湖水混合后发生沉积形成。它既有热液成因的一面, 也有冷水化学沉积成因的一面, 属于岩浆岩与沉积岩之间的过渡类型, 有人把这种岩石叫 “ 热水沉积岩” , 也有人叫“ 喷流岩” 。这些岩石的颜色有的偏浅, 为白色、灰白色, 有的偏深, 呈深灰色或黑色, 前者人们称之为“ 白烟囱” 型热水沉积岩, 后者人们称之为“ 黑烟囱” 型热水沉积岩(Miloje, 1974; 陈先沛, 1988; 陈先沛等, 1992; 焦鑫等, 2013)。形成这些岩石的作用既不是岩浆热液作用, 也不是海水或湖水沉积作用, 而是两者混合后发生的沉积作用— — 热水沉积作用。目前对这种沉积作用的研究较少, 对这类岩石的成因与特征的研究就更少了, 报道得较多的热水沉积岩是热水沉积白云岩。国内仅在甘肃酒西盆地、新疆三塘湖盆地、内蒙二连盆地发现少数几例(郑荣才等, 2003, 2006; 郭强等, 2012)。热水沉积作用除了形成一些热水沉积岩之外, 还形成了大量的热水沉积矿床, 如闪锌矿、铅锌矿、重晶石和沸石等。因此, 开展对热水沉积的研究一方面可以丰富现今的沉积学理论和岩石成因理论, 另一方面可以帮助寻找大量的金属与非金属矿床, 尤其是现代海底的矿床, 具有非常重要的理论与现实意义。

作者主要根据近40年来国内外发表的100多篇相关文献, 对热水沉积作用的研究历史与现状及发展趋势进行一次系统地归纳与总结, 目的是帮助大家对这一领域有一个系统的了解, 同时加深对岩石成因的进一步认识, 更重要的是引起大家对存在大量热水沉积矿床的广大海域给予重视, 这对于目前中国的海域形势具有非常重要的战略意义。

1 热水沉积作用的研究现状

热水沉积作用对于许多沉积学工作者或岩石学工作者来说可能有些陌生, 但是通过大量的文献调研和检索发现, 对热水沉积的研究实际上已有70多年的历史了, 甚至更长。

1.1 国外研究现状

早在20世纪40年代, 瑞典海洋考察工作者乘坐“ 信天翁” 号海洋调查船在红海考察时就发现, 在红海1937 m处的海底局部存在一些水温和盐度异常, 一些深海的水温与盐度比海洋表层还高, 科学家在海底发现了裂谷处的几个热源。到了60年代美国、英国和德国的科考船相继到这里调查, 证实了这些热源的存在, 测得了这里的水温高达56 ℃, 盐度高达7.4%~31.0%, 并发现了一些富含Fe、Mn、Zn、Cu、Cd、Pb、Ag的沉积物, 当时, 科学家们认为这些沉积物可能与局部的水温和盐度异常有关, 可能是由海底热液与海水混合后沉淀(积)下来的。

直到1978年, 美国阿尔文(Alrin)号深潜器在东太平洋洋中脊轴部(21° N)水深1650~2610 m的海底发现数十个正冒着白色和黑色烟雾的烟囱, 在这些烟囱附近堆积了一定厚度的丘形沉积物时, 人们才比较正式地提出了“ 热水沉积作用” 这一概念。其中冒着黑色烟雾的叫“ 黑烟囱” , 它是海底喷发的较高温度(> 350 ℃)的热液与较冷的海水(2 ℃左右)混合后形成的一些富含Fe、Cu、Zn的黑色硫化物微粒。“ 白烟囱” 是在温度稍低(32~330 ℃)的一些地方喷出的含BaSO4· SiO2的清澈流体与海水混合后形成的白色沉淀物。因此, 人们定义“ 热水沉积作用” 是指地球内部热水流体进入海/湖盆水体底部与海/湖水混合后所发生的一种沉积作用, 由此形成的岩石叫“ 热水沉积岩” 或“ 喷流岩” 。

后来到了上世纪80年代之后, Hekinian(1982), Edmond等(1982), Edmond(1983), Rona(1983, 1986, 1988, 2002)及Rona和Scott(1993)对这一概念进行了补充完善, 认为“ 热水沉积作用” 应该定义为“ 循环流动在海洋盆地基底岩石中的热水体系, 达到并涌出界面附近时所发生的沉积作用” 。这种沉积作用可以形成许多矿床, 叫热水沉积矿床, 它不同于人们常说的“ 热液矿床” , 这类矿床是同生沉积成因的, 是热液与冷水(海/湖水)混合后发生的沉淀或沉积作用形成的。而“ 热液矿床” 是地下热液侵入已经固结的围岩后冷却形成或对围岩发生交代、蚀变形成的, 具有后期充填交代特征, 它是后生的, 它的形成没有海/湖水参与。然而, 许多人将两者混为一谈。国外对热水沉积研究较多, 近40年来也涌现了大量关于海洋(Russell, 1983, 1996; Scott, 1997; Zierenberg, 1998, 2002; Halbach and Halbach, 2002; Ronde and Stoffer, 2002; Schardt et al., 2003; Reyes et al., 2006)和大陆(Crane, 1991; Tiercelin et al., 1993; Renaut and Jones, 2002)热水沉积的成果。

近年来较典型的海相热水沉积矿床如奥地利Manus弧后盆地中, 由于热液进入海底形成了热水沉积铜锌矿、多金属矿及硫酸盐矿(Kaul Gena, 2013)。

1.2 国内研究现状

国内最早发现并提出热水沉积的是涂光炽等(1983, 1984, 1987, 1989)和陈先沛(1988, 1989, 1992)等人, 比较系统地阐述热水沉积的是陈先沛, 他1992年在《沉积学报》上发表了1篇名为“ 热水沉积作用的概念和几个岩石学标志” 的文章, 把“ 热水沉积作用” 定义为“ 沉积界面之下循环流动的热水喷溢出界面以后所发生的沉积作用, 以及界面之下的围岩的交代(蚀变)充填作用” (但笔者认为热液对沉积界面之下的围岩所发生的交代(蚀变)充填作用不属于热水沉积作用范畴)。之后国内的许多学者在不同地区也陆续发现了不同时代的海洋和大陆热水沉积(李朝阳等, 1993; 陈多福和陈先沛, 1997; 王江海和颜文, 1998), 其中的主要代表有:薛春纪等(1997, 2000, 2004, 2005)分别在北祁连和南秦岭下古生界发现了海底喷流热水沉积铜矿、铅锌矿; 李江海和冯军(2003)、李江海等(2005)在华北地区发现了中元古界硫化物黑烟囱型热水沉积; 郑荣才等(2003, 2006)在甘肃酒泉盆地白垩系发现了热水沉积白云岩; 柳益群等(2010, 2013)、李红等(2012)及李红和柳益群(2013)在新疆三塘湖盆地发现了热水沉积白云岩和沸石岩。他们分别对各自不同地区、不同时代的热水沉积岩进行了较深入系统的研究。

2 热水沉积作用研究的主要进展

纵观国内外不同地区、不同时期的众多学者对热水沉积作用的研究成果, 认为在这方面研究取得的主要进展体现在理论与应用2大方面。

2.1 热水沉积作用研究的理论进展

理论方面取得的进展表现在以下5个方面:(1)基本统一了热水沉积及其沉积岩的相关概念; (2)根据热水沉积矿物的形成温度与颜色特征及类型对热水沉积作用进行了分类; (3)概括总结了不同地区大陆热水与海底热水的温度、pH值、化学组成等方面的差异; (4)对热水沉积岩中较普遍的热水沉积白云岩的常量与微量元素及同位素组成作了较多研究; (5)初步建立了一些关于热水沉积的模式。

2.1.1 “ 热水沉积作用” 相关概念的统一

1925年, 矿床学家史奈德洪将喷流(exhalative)引入矿床学, 明确提出了矿化流体海底上升喷气的成矿理论。1958年, Oftedahl首次系统阐述了海底喷气— 沉积成矿假说, 并命名为“ Exhalative sedimentary” 。70年代后, 对红海阿特兰蒂斯海渊、地中海火山岛弧、东太平洋隆起带(East Pacific Rise)、西南太平洋劳海盆(Lau Basin)、大西洋、冲绳海槽(Okinawa Trough)、马里亚纳海沟(Mariana Trough)等的海底考察, 为这一假说提供了大量事实证据。1973年, Rider把海底喷气— 沉积成矿由假说上升到理论。在1986年第七届矿床成因讨论会上, Russell将这类矿床称为SEDEX型矿床。80年代, Hekinian(1982)、Edmond(1983)和Rona(1983, 1984)把循环流动在海洋盆地基底岩石中的热水体系到达涌出带附近所发生的作用称为热水沉积作用。热水沉积作用是上升的热水溶液与周围的冷水(海水, 地下水)的混合致使矿质沉淀富集的成矿作用, 热液的上升与岩浆活动有关(Binns et al., 1995; Hannington et al., 1998; Herzig et al., 1998; Naotatsu, 2003; Sven et al., 2004)。Carol 等(1998), Daesslé 和Cronan(2000, 2002), Agata 等(2006)认为热水沉积作用包括2个系统, 即喷流口以下热液通道中的充填、交代作用; 喷流口以上的热液与冷海水之间的相互作用, 使热水中所携带的物质组分分别在热液通道和海底沉淀下来而富集成矿的过程。目前, 对这类沉积作用的称谓还不统一, 不同学者曾冠以“ 喷气沉积” 、“ 喷流沉积” (Bostrom et al., 1979; Bernard et al., 1982)、“ 热水沉积” 等名称。如前所述, 国内最早提出热水沉积的是涂光炽等(1983, 1984, 1987, 1989)和陈先沛(1987, 1988, 1989)等人, 比较系统地阐述热水沉积的概念。

早在1992年陈先沛把“ 热水沉积作用” 定义为“ 沉积界面之下循环流动的热水喷溢出界面以后所发生的沉积作用, 以及界面之下的围岩的交代(蚀变)充填作用” , 作者认为这一概念不十分准确, 因为热水对围岩的交代是属于变质作用, 属于交代蚀变范畴。目前基本上把“ 热水沉积作用” 简单定义为“ 地球内部的热液喷溢到海底或湖底与正常海/湖水混合后所产生的一种沉积/沉淀作用” (肖荣阁等, 1994; 彭润民和翟裕生, 2004; 熊永柱等, 2004; 王涛等, 2004; 唐永忠等, 2007)。这种沉积/沉淀作用的结果是形成一种或某几种具有特殊矿物组合类型的沉积产物, 人们把这些特殊的矿物组合类型叫热水矿床(注意区别于热液矿床)。

2.1.2 初步形成了热水沉积作用的分类

国外的热水沉积研究学者首先根据其当时的形成温度和形成的产物色调, 将热水沉积岩分为在较高温度环境下(320~400 ℃)形成的偏深色的热水沉积岩和在较低温度环境(100~320 ℃)下形成的偏浅色的热水沉积岩(Goodfellow et al., 1993; Fouquet, 1999)(表 1)。

表1 根据矿物的形成温度和色调划分热水沉积类型 Table1 Types of hydrothermal sedimentation according to mineral forming temperature and color

其中高温环境下主要是出现“ 黑烟囱” 型热水沉积, 形成含硫的金属硫化物, 如铅锌矿(包括方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)), 黄铁矿(FeS2), 磁黄铁矿(FeS2), 黄铜矿(CuFeS2)(杨振强等, 1996; 薛春纪等, 1997, 2004; 刘文均和郑荣才, 2000; 李江海和冯军2003; 李江海等, 2004, 2005; 李文博等, 2006), 另外是形成一些结晶程度较低的燧石层和硅岩(或硅质岩)(周永章等, 1994, 2000; 彭军等, 1999a, 1999b; 张汉文, 2000; 潘家永等, 2001; 刘建明等, 2001; 戚文华等, 2003; 杨海生, 2003a, 2003b; 冯胜斌等, 2007a, 2007b; 何俊国等, 2007)。而低温环境下主要是出现“ 白烟囱” 型热水沉积, 形成的主要矿物类型有铝硅酸盐类, 如钠长石(梁华英等, 1997, 1998, 2000, 2001; 梁华英和王秀璋, 2001; 刘淑文等, 2008), 沸石类(郑荣才等, 2003; 郭强等, 2012), 电气石(夏学惠, 1997); 硫酸盐类如重晶石(BaSO4)(吴朝东等, 1999), 天青石(SrSO4)(张汉文, 1991, 1993; 倪志耀和莫怀毅, 1996; 彭军等, 1999a, 1999b; 夏菲等, 2004; 孙学通和姚慧, 2005); 碳酸盐类矿物主要是白云石(张晓宝, 1993; 罗平等, 2001, 2002; 郑荣才等, 2003, 2006; 李红等, 2007), 形成方解石的情况很少, 仅见1例(张志斌等, 2007)。

2.1.3 大陆与海底热水的温度、pH值、化学组成存在明显差异

根据Chenevoy和Piboule(2007)对世界上不同地区大陆热水和海洋中热水的温度、pH值及化学组成的研究认为, 大陆热水与海底热水存在明显差异, 具体表现在:大陆热水的平均温度比海洋低, 变化范围较海洋大, 大陆热水的平均温度为287.6 ℃, 变化范围在220~340 ℃之间, 海洋热水的平均温度为321.1 ℃, 变化范围在273~354 ℃之间; 大陆热水pH均值为5.7, 在2.4~7.1之间变化, 海洋热水的pH均值为4, 偏酸性, 在3.1~5.9之间变化, 较大陆热水变化范围小; 大陆热水的Na+K离子平均浓度与海洋接近, 但变化范围较海洋大, 前者均值为12447.3 mg/L, 变化范围355~77890 mg/L, 后者均值为12130.3 mg/L, 变化范围为1121~16658 mg/L; 大陆热水的Ca离子浓度比海洋高, 变化范围比海洋大, 前者平均为5927.5 mg/L, 在1.1~40000 mg/L间变化, 后者均值为1364 mg/L, 在396~3388 mg/L间变化; 大陆热水的Cl离子浓度比海洋高, 变化范围比海洋大, 前者均值为28621.4 mg/L, 在25~184000 mg/L间变化, 后者均值为22312.2 mg/L, 在17608~31808 mg/L内变化; 大陆热水的SO4离子浓度比海洋高, 前者均值为76.1 mg/L, 后者均值为37 mg/L。大陆热水中SiO2、H2S、Zn、Cu也比海洋热水低。

国内文华国等(2010)研究青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩后认为, 湖泊热水的温度在90~160, ℃, 流体盐度为8%~22%NaCl, 密度为0.97~1.2 g/cm3, 成矿压力变化较大, 在15~180 MPa, 这与成矿位置有关。

2.1.4 热水沉积白云岩具有特征的常量与微量元素及同位素组成

近10来年, 在石油天然气勘探领域内相关的热水沉积岩主要是属于“ 白烟囱” 型中的碳酸盐岩(白云岩)和铝硅酸盐岩(沸石岩)热水沉积, 形成的主要热水沉积矿物为Fe白云石和沸石(包括钠沸石和方沸石), 分别形成了铁白云岩和沸石岩。在这类白烟囱型热水沉积中, 目前国内外报道最多的是热水型白云岩, 而沸石岩报道的较少, 仅见李红等(2012)报道过新疆三塘湖1例。热水沉积的白云岩类在南斯拉夫(Miloje Ilich, 1974)、中非东部(Stoffers and Botz, 1994)、意大利西南部— 西班牙西北(Boni and Parentea, 2000; Boni et al., 2000)和加拿大西部(Al-Ausm, 2002; Al-Ausm et al., 2003)均有报道。在这些例子中, 最典型的热水沉积白云岩在南斯拉夫。所有这些热水白云岩的共同特点是:在宏观上, 夹于正常的海相或湖相泥岩中呈条带状、薄层状或透镜状, 厚几米至几十米。白云石微观上一般呈泥晶— 微晶结构, 晶粒粗大一点的具鞍状特征, 发育裂纹, 含铁量高(达1%~12%), δ 13C同位素偏正, 在2.7‰ ~4.3‰ , δ 18O同位素偏负, 为-10‰ ~-15‰ , δ 87Sr同位素为0.706‰ ~0.714‰ , 差热分析出现700~710 ℃, 780~820 ℃, 900~920 ℃这3个峰值, 分别代表含铁白云岩、铁白云岩以及普通白云岩中CaCO3的裂解。这些白云岩中Cu, Ni, Co, Fe, Mn等稀土元素分析表明其数据落在Bostrom等(1979)建立的Fe-Mn-(Cu-Ni-Co)三端元三角形图上的热水沉积范围, 与现代红海热水沉积范围一致(图 1)。

图1 海底沉积物的Fe-Mn-(Co+Ni+Cu)三角图成因解(据Vesselin Dekov, 2011)Fig.1 Fe-Mn-(Co+Ni+Cu) genetic diagram of seafloor sediments(after Vesselin Dekov, 2011)

其中三塘湖的方沸石岩呈白色— 灰黄色纹层, 厚0.5~2.5 cm, 与泥岩的厚度比例为(10%~20%)︰1, 方沸石呈粒状— 无定形胶质状, 晶体粒度大小为80~350 μ m, 富SiO2, Al2O3, Na2O, Fe2O3, 贫TiO2; 富Ba, Rb, Ta, Sr, 贫Th, Nb。Sr同位素在0.705~0.706之间, 低于全球海水值及二叠系海相碳酸盐值, δ Nd均大于0, δ 143Nd/δ 144Nd 值为0.512, 反映深部热液来源。

2.1.5 初步建立了热水沉积的沉积模式

国内外不同学者对不同地区研究后建立了不同的热水沉积模式。Russell(1983)提出了海底热液对流模式, 他的模式中海水受岩浆热、地热和构造热等作用, 在深部被加热并发生对流, 沿途从基底或沉积岩柱淋滤出成矿组分, 形成热卤水。这些含矿热卤水最后沿断裂喷出, 再次与海水混合后发生沉积, 充填通道并在海底沉积成矿, 这种模式与现代海底热水沉积成矿情况较吻合。Lydon(1983)提出了盆地压实卤水沉积模式:含矿热水主要由沉积物埋藏压实期间排出的水构成, 孔隙水随地热升温而升温, 如果在地热异常区, 压力也随之增大, 有时可以超过静地压力, 在压力增大的同时, 水的盐度也不断地随深度增加; 这时, 含矿卤水从矿源中萃取和富集金属的能力增强, 而且孔隙水的流动缓慢, 与岩石的反应充分, 最后这些含矿热水被非渗透性岩石封存起来, 在遇到有构造活动产生的断裂通过这个封闭的空间时, 就喷出并沉积成矿。Hannington和Galley(1998)、Robb(2005)通过对大洋中脊的流体循环特征和总体样式、黑烟囱型建造热水沉积成岩成矿、空间展布特征研究, 建立了与火山岩有关的洋中脊岩浆热液— 海水混合循环对流模式(图 2)。该模式是国外目前较新的模式, 其观点是:岩浆从洋壳的底部侵入,

图2 海底硫化物与黑烟囱热水沉积的洋中脊热流体对流模式(据Robb, 2007, 有修改)Fig.2 Characteristics and general pattern of convection of hot fluids at mid-ocean ridges for hydrothermal sedimentation of sulfides on the seafloor and black smokers(modified from Robb, 2007)

它对火山岩和沉积岩孔隙及裂缝中的海水进行加热, 引起海水在火山岩与沉积岩中循环。随着循环的进行, 它使海水向下流动进入岩石, 从而形成一个对流体系:冷的海水通过孔隙体系或开启的裂缝向下渗入洋壳, 弱的碱性水向下流动逐渐接近2~3 km深度的岩浆房, 它的温度逐渐增高, 渐渐被转换成热液流体, 此时的温度在350~400 ℃之间, pH值降到4~6。当热液流体温度接近临界点时, 它的体积急剧增加, 促使它向上回返流动到海底。高温、酸性、具有腐蚀性的流体从火山岩和沉积岩中萃取金属元素, 并且这些金属元素(可能是以金属硫化物复合物的形式)随着流体向上搬运直到海底, 迅速冷却, 并与冷的海水混合, 大大地降低了金属的溶解度, 导致金属硫化物的沉淀, 形成块状硫化物矿床(VMS), 伴随着的还有重晶石、硬石膏、二氧化硅的沉淀, 从而形成热水沉积。

郑荣才等(2003, 2006)对酒西盆地的热水沉积研究后建立了湖盆中的分带性热水沉积的模式(图 3)。他认为:湖相热水沉积可划分为4种成因类型, 依次为:(1)产于喷流口内的脉状充填型热水沉积岩; (2)产于喷流口的水爆角砾型热水沉积岩; (3)在喷流口附近低洼卤水池中聚集的盆地沉积型热水沉积岩; (4)产于盆地范围内广泛分布的区域扩散型热水沉积岩, 自凹陷深处的喷流口至远端的盆缘浅处, 出现铝硅酸盐+硫酸盐+碳酸盐矿物组合(脉状充填型热水沉积岩)→ 碳酸盐+铝硅酸盐+硫酸盐矿物组合(水爆角砾型热水沉积岩)→ 碳酸盐+铝硅酸盐+硫酸盐+硅酸盐矿物组合(盆地沉积型热水沉积岩)→ 单一碳酸盐矿物组合(区域扩散型热水沉积岩)的分带性沉积模式。

图3 酒西盆地下沟组湖相白烟囱型喷流岩沉积模式图(据郑荣才等, 2006)Fig.3 Hydrothermal sedimentation model of lacustrine white smokers of the Xiagou Formation in Jiuxi Basin (after Zheng et al., 2006)

郭强等(2012)对二连盆地白垩系的热水沉积研究后提出了溢流— 喷流— 溢流的热水沉积模式, 他认为一次热水沉积过程可以分为3个阶段:初期为热液溢流期, 主要在正常湖相泥岩中形成白云石及沸石纹层、条带或夹层, 相应的岩石为白云质沸石质泥岩; 之后随着热液活动增强, 出现喷流, 使初期溢流形成的半固结白云石、沸石纹层发生变形— 破碎, 形成具有同生变形构造白云质泥岩, 白云石沸石内碎屑颗粒岩; 最后由于热液活动能量衰减, 再次进入缓慢溢流阶段, 形成泥质白云岩及部分白云质泥岩。一次热水沉积在纵向地层剖面上形成一个旋回; 在平面上, 热水沉积岩主要沿深大断裂分布, 且主要分布于同生大断裂下降盘, 在同生大断裂上升盘或远离断裂的地方热水沉积岩厚度小、不发育(图 4)。

图4 二连盆地白音查干凹陷热水沉积岩沉积模式Fig.4 Hydrothermal sedimentation model of Baiyinchagan Depression, Erlian Basin

上述几种热水沉积模式都是基于不同研究区的地质背景建立起来的地区性热水沉积模式, 尽管如此, 但不难发现它们其中的一些共同点, 同时其热水沉积过程与沉积特征存在差异(表2)。

表2 各种热水沉积模式的异同点 Table2 Similarities and differences among the hydrothermal sedimentation models
2.2 热水沉积作用研究的应用进展

热水沉积在应用方面的进展体现在2个方面:一是形成与热水沉积有关的稀有固体矿产与矿床, 二是与热水沉积有关的如石油和天然气等流体矿产。

在固体矿床与矿产方面, 国外许多学者大多从容矿岩系及其成矿环境、矿物及金属组合、矿床产出的大地构造环境出发提出了多种热水沉积矿床。如Sangster(1976)根据热水沉积中的容矿岩系及成矿环境, 提出了以火山岩为主要环境的矿床和以沉积岩为主要环境的矿床及火山— 沉积环境中的矿床。Lydon(1983)和Schardt(2003)将热水沉积岩中的块状硫化物矿床分为:碎屑岩容矿块状硫化物矿床与碳酸盐岩容矿块状硫化物矿床。Solomon(1976)按矿石组合或成矿元素组合将块状硫化物矿床分为Zn-Cu型、Pb-Zn-Cu型和Cu型等。Hutchinson(1973)将其划分为原始型(Zn-Cu型)、多金属型(Pb-Zn-Cu型)、含铜黄铁矿型、铜— 锌黄铁矿型(Cu-Zn型)以及以碎屑岩为围岩的类型(Pb-Zn型)和以碳酸盐岩为围岩的类型(Pb-Zn型)。还有人按板块构造环境, 把热水沉积硫化物矿床分为在洋壳扩张中心形成的矿床与在岛弧或大陆边缘环境形成的矿床, 前者通常含有较高的Cu、Zn; 后者Pb-Zn-Ag-Ba含量升高。

但目前对热水沉积固体矿床大多以形成温度和矿床的色调来划分, 分为在较高温环境下形成的富含硫的金属硫化物“ 黑烟囱” 型热水矿床和在较低温环境下形成的富含铝硅酸盐类的“ 白烟囱” 型热水沉积矿床, 前者如铅锌矿(包括方铅矿(PbS)、闪锌矿(ZnS)), 黄铁矿(FeS), 磁黄铁矿(FeS2), 黄铜矿(CuFeS2); 后者如钠长石、沸石类矿床、电气石矿床、硫酸盐类如重晶石、天青石矿床、碳酸盐类如白云石矿床。

在与热水沉积有关的流体矿产方面, 主要是由于热水沉积岩在后期受到溶蚀改造可以形成大量孔洞, 在其中富存大量石油和天然气, 形成大型油气藏。例如, 中国内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统发现的热水沉积白云岩中常常发育有一些大小不等的溶孔溶洞, 孔洞大的可达10 cm, 小的为毫米级, 为沸石和白云石溶蚀成因(郭强等, 2012), 这类溶孔溶洞型白云岩位于凹陷中央, 紧邻烃源岩或被烃源岩包围, 具有有利的成藏条件。近年来的油气勘探表明, 孔洞中充满石油, 目前单井日产石油20~50 t/d。另外, 在酒泉盆地青西凹陷下沟组广泛发育的湖相“ 白烟囱” 型热水沉积岩钻井中获多口高产工业油井, 这主要与“ 白烟囱” 型热水沉积岩具备优越的自生、自储、自盖组合条件有关。在热水沉积岩中发现石油和天然气的情况还有很多, 如内蒙二连盆地的乌里雅斯太凹陷、新疆准噶尔盆地西北缘二叠系等, 在这方面都取得了较大的进展。

3 热水沉积作用研究意义及展望
3.1 热水沉积作用研究的找矿意义

从上面对热水沉积的应用进展方面就不难看出, 热水沉积研究具有非常重要的矿产实际意义。这是由于热水沉积可以形成大量各种各样的热水沉积固体矿床, 同时在热水沉积岩中还可以形成石油和天然气等流体矿床。

热水沉积的固体矿床如铅锌矿、闪锌矿、沸石矿、重晶石矿、黄铁矿和黄铜矿等, 它们都是工业上的很好原料, 具有广泛的工业用途。铅锌是目前世界上非常重要的稀有有色金属, 广泛用于电气工业、机械工业、军事工业、冶金工业、化学工业、轻工业和医药业等领域。铅金属在核工业、石油工业等部门用途较多, 目前世界上80%以上的铅被用于生产铅酸电池; 锌是重要的有色金属原材料, 目前在有色金属的消费中仅次于铜和铝; 铅锌矿中经常伴生有银、铜、锡、锑等矿物, 这些矿物也是非常重要的工业原材料。沸石类矿物是一种很好的分子筛和净水剂与去污剂, 重晶石在石油工业的钻井过程中作为增加钻井液密度防止井喷的添加剂起着十分重要的作用。

在热水沉积中不仅可以找到许多固体矿床, 而且还可以找到大量石油与天然气等流体矿藏, 例如, 前述的中国内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统热水沉积白云岩孔洞中发现了大量的石油, 目前单井日产石油20~50 t; 在酒泉盆地青西凹陷下沟组的湖相热水沉积白云岩中获多口高产工业油井; 另外, 中国东海沿海由于太平洋板块的俯冲作用, 造成岩浆热液上涌, 具备形成各种海底热水沉积矿床的条件, 在海域激烈争夺的今天开展对这类热水沉积的研究, 对于中国近代与现代海底热水沉积矿床资源的勘探、开发和利用, 具有十分重要的战略意义和远大的实际意义。

3.2 热水沉积作用研究展望

综观目前人们对国内外热水沉积的研究成果认为, 虽然对热水沉积作用尤其是热水沉积白云岩的产出状态、厚度、矿物组合、岩石结构、构造、白云石中C、O同位素和稀土元素等进行了较详细的研究, 取得了许多较好的成果(胡作维等, 2012; 黄思静等, 2012; 刘铁庚等, 2012; 苏中堂等, 2012; 时国等, 2013; 王珏等, 2013), 但是由于这类沉积与正常沉积岩相比毕竟所占的比例极小(当然也还有一些没有认识到或没有被发现)。因此, 总体上人们在这一领域的研究程度还较低, 在这一方面研究的人员较少, 研究程度还不够深入。

未来热水沉积还存在许多问题需要去解决, 比如:热水沉积的化学过程和热力学过程以及发生沉积的驱动机制如何?该过程中热流体成因、来源及物质组分如何?一次深部热液过程中随着温度的降低, 热液性质的变化, 从喷流至溢流过程中, 在纵横向上将会形成如何的热水沉积岩性序列, 这种序列规模(厚度)有多大?不同性质的热液将会形成哪些矿物组合类型?岩石类型?能否归纳出一种或几种热水沉积模式?就目前所发现和具有一定研究程度的热水沉积白云岩而言, Mg2+来自何处?含量达到多少就可以形成白云岩?地下热液与湖/海水混合时是否直接形成白云石?如果是, 这是否算原生白云石?如果不是, 那么其间经历了一个什么中间环节?是不是像准同生环境一样需要经历一个交代过程?热水沉积白云岩中的白云石有哪些特征?与正常的湖泊或潮坪准同生及后生交代白云石如何区别?与热液交代围岩中的灰岩形成的热液交代白云石又有什么异同?其晶体形态、C、O、Sr同位素、稀土元素、有序度如何?这些问题尚待进一步系统研究。

针对上述问题, 建议在将来的研究中进一步开展以下几个方面的工作:

(1)运用高精度显微镜、扫描电镜、X衍射、QEMScan(全岩定量矿物组成分析)等技术手段对热水沉积岩石开展毫米— 微米甚至纳米级的矿物组成研究, 搞清不同类型热水沉积的矿物学与岩石学特征; (2)通过定向采样分析上述矿物组成在地层剖面中从下至上的变化规律与韵律特征及厚度大小, 以此解剖一次热水沉积的化学过程; (3)运用流体包裹体分析技术, 分析热水沉积矿物中流体包裹体的化学成分和包裹体形成温度, 推测热水沉积时的成矿温度、热液性质和各种离子浓度; (4)通过阴极发光手段分析热水沉积矿物的环带构造特征, 结合能谱技术分析和常量微量元素分析, 研究热水沉积矿物不同环带的化学成分变化, 以研究一次热水沉积过程中流体性质及成分的变化过程; (5)综合热水沉积的矿物组成以及各自所对应的温度与热水化学性质, 建立不同温度、不同热水性质和化学组成条件下的热水沉积成矿类型, 从而对热水沉积过程进行分类。

4 结论

1)热水沉积作用是地球内部的热液喷溢到海底或湖底、与正常海/湖水混合后所产生的一种沉积/沉淀作用, 既有热液成因的一面, 也有冷水化学沉积成因的一面, 热水沉积岩属于岩浆岩与沉积岩之间过渡的一类特殊岩石。

2)国内外热水沉积作用的研究, 从发现至今经历了70余年, 取得了丰富的成果。已经初步统一了热水沉积及其沉积岩的相关概念, 按照形成矿物特征与类型对热水沉积作用进行了分类, 并初步建立了一些关于热水沉积的沉积模式。

3)由于热水沉积作用及热水沉积岩的分布具有特殊性, 目前的研究程度总体较低, 发现的热水沉积岩类型也比较单一, 对热水沉积的化学过程和热力学过程探讨较少, 对其沉积机理还不清楚, 因此, 还有待于进一步系统研究。

4)热水沉积的研究, 对于中国海底热水沉积矿床资源的勘探与开发和利用, 具有十分重要的战略意义和实际意义。

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