熱液地質(zhì)作用研究現(xiàn)狀綜述

符 浩，李國(guó)蓉，陳蘭樸，李 輝，趙 勇，周吉羚，雷和金，高魚(yú)偉，朱永源，王冬婭

（1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059；2.中石油華北油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北任丘 062552；3.威遠(yuǎn)縣地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川威遠(yuǎn) 642450）

隨著許多沉積盆地中熱液流體作用的發(fā)現(xiàn)，沉積盆地的熱流體地質(zhì)作用已成為沉積盆地研究和油氣地質(zhì)研究的熱點(diǎn)，許多碳酸鹽巖儲(chǔ)層受過(guò)熱液流體改造，甚至為熱液成因儲(chǔ)層。比如在加拿大Parkland 油田泥盆系發(fā)現(xiàn)熱液成因硅質(zhì)巖儲(chǔ)層，加拿大東部 西部泥盆系和美國(guó)東北部紐約奧陶系及西班牙陸上的白堊系等地區(qū)均發(fā)現(xiàn)典型熱液白云巖儲(chǔ)層[2-4]。在我國(guó)四川盆地、塔里木盆地等盆地也發(fā)現(xiàn)許多與熱液地質(zhì)作用有關(guān)的白云巖儲(chǔ)層[5-9]。熱液流體通過(guò)溶蝕、交代和充填等作用，可以改變碳酸鹽巖儲(chǔ)層的特征，因此，對(duì)熱液地質(zhì)作用的研究具有重要的意義。

1 現(xiàn)代海底熱液地質(zhì)作用研究取得重要進(jìn)展

許多學(xué)者對(duì)西太平洋沖繩海槽、東太平洋海隆13°N 附近、大西洋洋中脊26.08°N 的TAG 熱液區(qū)、印度洋中脊等區(qū)域研究，認(rèn)為這些是現(xiàn)代海底熱液作用的典型區(qū)域，海底熱液活動(dòng)是海洋中永遠(yuǎn)存在的自然現(xiàn)象，熱液區(qū)主要分布在大洋中脊、弧后盆地和熱點(diǎn)區(qū)，熱液作用主要存在于深海區(qū)，淺海區(qū)也可發(fā)育。但不同地質(zhì)背景下，作用機(jī)制有差異，沉積產(chǎn)物類型有差異，地球化學(xué)特征有差異。

東太平洋洋中脊擴(kuò)張速度快，海底熱液作用活躍，曾志剛等對(duì)東太平洋海隆13°N 附近的熱液作用研究表明，要由閃鋅礦、黃銅礦等礦物組成；其稀有元素Li、Be、Zr、Nb、Hf 和Ta 含量遠(yuǎn)低于洋殼，Au 含量相對(duì)較高，Co、Ni、Sr、Cs、Ba、Bi 和U 含量，低熱液硫化物的組成元素中，存在不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如P-In 與Zn-Cr、Cd-Ga 及Cu-P 表現(xiàn)顯著地正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.8），而Cu-Ba與Zn-Fe 之間表現(xiàn)顯著地負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2＞0.8）[10]。大西洋洋中脊擴(kuò)張速度緩慢，仍有熱液活動(dòng)發(fā)育，許多學(xué)者對(duì)大西洋中脊26.08°N 的TAG 熱液區(qū)的研究表明，熱液成因硫化物稀土元素組成表現(xiàn)為正Eu 異常和LREE 相對(duì)富集，REE 部分來(lái)自下伏的玄武巖基底，熱液流體和海水不同程度的混合影響其具體組成；印度洋洋中脊擴(kuò)張速度超慢，且有熱液活動(dòng)發(fā)育[11-13]。曹振華等對(duì)印度洋中脊熱液成因硫酸鹽樣品稀土元素分析表明，其仍表現(xiàn)出正Eu 異常與LREE 相對(duì)富集的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配模式，并認(rèn)為Eu 正異常的出現(xiàn)，揭示硫酸鹽在海底的強(qiáng)還原環(huán)境中形成，熱流體演化所具有的特點(diǎn)[14]。

David W C 等針對(duì)大西洋中脊附近的熱液作用研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的海底熱液活動(dòng)類型，稱為L(zhǎng)ost City低溫?zé)嵋簣?chǎng)，由下伏的橄欖石經(jīng)蛇紋石化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱能驅(qū)動(dòng)熱流體運(yùn)動(dòng)[15]。戴寶章等研究認(rèn)為塊狀硫化物成礦的核心是深部熱液流體對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)流循環(huán)模式主要有兩種：熱液對(duì)流模式和雙擴(kuò)散對(duì)流模式[16]。

2 熱液成因白云巖取得重要進(jìn)展

AAPG 于2006 年11 月出版發(fā)行了“Hydrothermal Altered Carbonate Reservoirs”專輯（第90 卷第11 期），該專輯對(duì)熱液白云石化進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，建立了熱液白云石化模式，認(rèn)識(shí)了熱液白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層形成的作用。

Al-Aasm I S 研究總結(jié)了加拿大西部沉積盆地的熱液成因白云石的地球化學(xué)特征，具有溫度高、鹽度高、δ18O 值偏負(fù)、δ13C 和鍶同位素值變化大的特征[17]。Swennen R 等對(duì)加拿大British Columbia 地區(qū)Canadian Cordillera 褶皺及沖斷帶Cathedral 組條帶白云巖進(jìn)行了研究，揭示出條帶白云石的δ18O 值極度偏負(fù)，鍶同位素值較高，在0.709 58～0.712 28，包裹體均一法溫度在180 ℃～200 ℃，是晚期受斷裂控制的熱液作用的產(chǎn)物，有來(lái)源于硅質(zhì)碎屑巖地層水的作用[18]。

John A L 等對(duì)中Michigan 盆地泥盆系Dundee 組白云巖儲(chǔ)層縫洞內(nèi)的鞍形白云石進(jìn)行了研究，其包裹體均一化溫度主要分布在105 ℃～175 ℃，鹽度主要分布在25.8 wt%～34.0 wt%NaCl，δ18O 值為-9.19 ‰PDB～-8.18‰PDB，其形成與受斷裂裂縫控制的深部熱液活動(dòng)有關(guān)[19]。Smith L B 對(duì)New York 上奧陶統(tǒng)Trenton-Black River 熱液成因白云巖儲(chǔ)層進(jìn)行了研究，其白云石包裹體均一化溫度分布在100 ℃～180 ℃，鹽度分布在11.5 wt%～17.0 wt%NaCl；δ13C 值在0.3 ‰PDB～1.5 ‰PDB，與灰?guī)r基質(zhì)相似；δ18O 值為-12.5 ‰PDB～-10 ‰PDB，明顯偏負(fù)；分析認(rèn)為熱液活動(dòng)受斷裂因素控制，熱液主要來(lái)源于深部基底[2]，并提出建立了斷裂-熱液作用的演化模式（見(jiàn)圖1）。

Davies G R 等對(duì)構(gòu)造控制的熱液白云石分別從巖石學(xué)特征和地球化學(xué)特征進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和總結(jié)：熱液白云石多以鞍形白云石為標(biāo)志，白云石晶體晶面彎曲，具有粗晶結(jié)構(gòu)，富含流體包裹體，且流體包裹體具有較高-高的均一化溫度和鹽度特征；δ18O 值較低，87Sr/86Sr 值的變化范圍較寬，平均值較高，明顯高于同時(shí)代正常碳酸鹽巖圍巖背景值；此類白云石分布上斷裂控制作用異常明顯。構(gòu)造熱液白云巖、SEDEX 型礦床及MVT 型礦床都與斷層活動(dòng)密切相關(guān)，三者在時(shí)空上密切聯(lián)系，也是熱液作用系統(tǒng)完整性的體現(xiàn)[2]，提出構(gòu)造控制熱液白云巖模式（見(jiàn)圖2）。

圖1 紐約州布萊克里弗群與斷層相關(guān)的白云巖儲(chǔ)層熱液蝕變作用模型示意圖[2]Fig.1 The hydrothermal alteration model of dolomite reservoir associated with fault in New York black river

圖2 低溫沉積熱液礦組合單元示意圖：包括頁(yè)巖中沉積噴氣Pb-Zn 礦床，熱液白云巖（HTD）中的MVT 鉛-鋅礦體和HTD 儲(chǔ)層相[2]Fig.2 Schematic representation of the three main components of the low-temperature sedimentary hydrothermal mineral association，shale-hosted sedimentary exhalative（SEDEX）Pb-Zn deposits，hydrothermal dolomite（HTD）-hosted MVT Pb-Zn ore bodies and HTD reservoir facies

3 熱液地質(zhì)作用對(duì)油氣儲(chǔ)層的改造作用

Jeffrey J J 等研究認(rèn)識(shí)了加拿大Packland 油田泥盆系的熱液成因的硅質(zhì)巖儲(chǔ)層[1]。陶洪興等專門(mén)討論了熱液作用與儲(chǔ)層的變化，指出熱液作用對(duì)油氣儲(chǔ)層起著不同程度的破壞作用，但不同類型的熱液活動(dòng)表現(xiàn)特征有一定差別[20]。胡明毅等研究表明，塔中地區(qū)發(fā)現(xiàn)許多熱液活動(dòng)相關(guān)的熱液礦物，主要有螢石、石英、重晶石、綠泥石等；熱液溶蝕作用多沿?cái)嗔?、裂縫等分布，具有選擇性溶蝕的特征；熱液流體主要來(lái)自地殼深部，與深部巖漿活動(dòng)密切有關(guān)，熱液溶蝕作用導(dǎo)致了該區(qū)第二高孔隙帶的形成，為儲(chǔ)層的形成具有重要的貢獻(xiàn)[21]。為此，提出熱液溶蝕作用模式（見(jiàn)圖3）。

劉樹(shù)根等指出在震旦系-古生界儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)許多熱液成因的砂糖狀白云石、礁白云巖及熱液白云巖等，其中鞍形白云石較為典型；熱液溶蝕作用是一種新的溶蝕機(jī)理，與構(gòu)造相關(guān)的溶蝕縫孔洞有著密切的關(guān)系；熱液白云巖相對(duì)于圍巖基質(zhì)具有相對(duì)較高儲(chǔ)層物性，構(gòu)造熱液白云巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)現(xiàn)，為今后四川盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層的研究指示了一個(gè)新的重要方向[22]。

李國(guó)蓉等對(duì)西昌盆地志留系的熱液作用研究表明，深部熱流體可通過(guò)不規(guī)則張性熱液破裂裂縫的形成、裂縫內(nèi)鞍形白云石及石英部分充填，熱液溶蝕作用產(chǎn)生的縫孔洞系統(tǒng)，其對(duì)志留系儲(chǔ)層的形成有重要貢獻(xiàn)[23]。

圖3 塔中地區(qū)熱液溶蝕作用模式圖[23]Fig3. Hydrothermal dissolution model in Tazhong area

4 塔里木盆地?zé)嵋旱刭|(zhì)作用取得進(jìn)展

楊寧等研究認(rèn)為，塔里木盆地發(fā)生過(guò)多次強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)與噴發(fā)活動(dòng)，導(dǎo)致大規(guī)模大面積的火成巖體的分布，巖漿活動(dòng)帶來(lái)了地殼深部的熱液流體，該流體富含CO2、H2S、SO2、S 及 少 量 的CO、H、HCl、NH3、NH4Cl、HF 等酸性氣體和液體，其將伴隨大規(guī)模的熱液活動(dòng)，對(duì)儲(chǔ)層發(fā)生多種改造作用，主要包括熱液白云巖化作用、熱液溶蝕作用、螢石化作用及大理巖化作用等[24]。

金之鈞等研究認(rèn)為，二疊紀(jì)（海西晚期），塔里木盆地經(jīng)歷強(qiáng)烈的地?zé)崾录?，伴隨著強(qiáng)烈的熱液活動(dòng)，巖石特征主要表現(xiàn)熱褪色現(xiàn)象和溶蝕改造形成的溶蝕孔洞；礦物特征主要表現(xiàn)多種熱液礦物組合；被熱液流體改造過(guò)的碳酸鹽巖富含鐵、錳、硅等元素，其含量是正常海相沉積微晶灰?guī)r的數(shù)倍；熱液溶蝕作用對(duì)儲(chǔ)層具有積極地改善作用[25]。錢(qián)一雄等研究認(rèn)為，塔里木盆地發(fā)生過(guò)多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，且在中-晚二疊世發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿-火山活動(dòng)，其是塔中西北部埋藏溶蝕產(chǎn)生的基本條件；深埋或熱液作用具有以下特征：（1）具有典型的熱液礦物螢石、石英、綠泥石、鐵方解石及黃鐵礦等礦物；（2）富錳貧鐵方解石膠結(jié)物和鐵白云石的陰極發(fā)光發(fā)亮桔黃色光；（3）縫洞充填的方解石富含F(xiàn)e、Mn、Mg 和Sr 等元素，δ13C 平均值為-2.0 ‰PDB，δ18O 平均值為-6.6‰PDB，其流體包裹體的均一化溫度主要集中在兩個(gè)范圍，其分別是115 ℃～130 ℃和170 ℃～210 ℃，鹽度主要集中在三個(gè)范圍，其分別是5 wt%～7 wt%NaCl、8 wt%～9 wt% NaCl 和12 wt%～13 wt% NaCl，這些特征明顯反應(yīng)出深部流體或循環(huán)流體參與了埋藏成巖作用[26]。吳茂炳等通過(guò)研究提出，熱液作用的巖石學(xué)和礦物學(xué)識(shí)別標(biāo)志，巖石學(xué)主要為典型巖石熱褪色、熱碎裂的熱液現(xiàn)象；礦物學(xué)主要為螢石、重晶石、黃鐵礦、石英、閃鋅礦等典型熱液礦物的發(fā)育；其中熱液礦物螢石流體包裹體的均一化溫度主要在260 ℃～310 ℃，其為熱液流體的主體溫度。通過(guò)對(duì)熱液礦物做地球化學(xué)分析得出，熱液流體具有富含F(xiàn)e、Mn、Si 等元素和貧Na、Mg 等元素的特征；且具有典型的殼源流體特征，3He/4He 比值為0.02Ra。該熱液流體多半來(lái)自深部殼源巖漿流體，可能與塔里木盆地二疊紀(jì)發(fā)生的巖漿活動(dòng)密切相關(guān)，并富含CO2和H2S 等酸性氣體，沿?cái)嗔严到y(tǒng)與不整合面等通道向上運(yùn)移時(shí)，與圍巖發(fā)生一些的物理化學(xué)反應(yīng)，熱液溶蝕產(chǎn)生大量的溶蝕孔洞，其對(duì)塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性具有積極地改造作用[6]。

5 討論與思考

自熱液地質(zhì)作用引起重視以來(lái)，各國(guó)專家學(xué)者從未停止過(guò)對(duì)其成因機(jī)理問(wèn)題的探索，獲得了豐富的資料，建立了廣泛認(rèn)可的認(rèn)識(shí)，取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。但是，對(duì)于熱液作用的規(guī)模、熱液流體來(lái)源、熱液流體類型、熱液作用機(jī)制及復(fù)合改造效應(yīng)等問(wèn)題都亟待有效的探索。對(duì)于熱液地質(zhì)作用的研究，巖石學(xué)、礦物學(xué)與地球化學(xué)相結(jié)合的手段仍然十分重要，但隨著科學(xué)理論的不斷發(fā)展和技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，只有運(yùn)用更加先進(jìn)的技術(shù)手段和研究思路，并且將地球物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科交叉運(yùn)用，綜合分析研究，才更有可能在熱液地質(zhì)作用研究方面取得更大的突破。

［1］ Packard J J，Al-Aasm I S，Samson I A. Devonian hydrothermal chert reservoir，The 225 bcf Parkland field，British Columbia，Canada［J］.AAPG Bulletin，2001，85（1）：51-84.

［2］ Davies G R，Smith L B. Structurally controlled hydrothermal dolomite reservoir facies： an-overriew ［J］.AAPG Bulletin，2006，90（11）：1641-1690.

［3］ Boreen T，Davies G R. Hydrothermal dolomite and leached limes tones in a TCF gas play，The Ladyfern Slave Point reservoir, NEBC，In，McAuley R.（ed），Dolomites- The spectrum，Mechanisms，models，reservoir development，Canadian Society of Petroleum Geologists，Seminar and Core Conference，Calgary，Extended Abstracts［C］.Canadian，2004.

［4］ Smith L B Jr. Origin and reservoir characteristics of Upper Ordovician Trenton Black River hydrothermal dolomite reservoirs in New York［J］.AAPG Bulletin，2006，90（11）：1691-1718.

［5］ 呂修祥，楊寧，解啟來(lái)，等.塔中地區(qū)深部流體對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造作用［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2005，26（3）：284-289.

［6］ 吳茂炳，王毅，鄭孟林，等.塔中地區(qū)奧陶紀(jì)碳酸鹽巖熱液巖溶及其對(duì)儲(chǔ)層的影響［J］.中國(guó)科學(xué)（D 輯），2007，37（增刊1）：83-92.

［7］ 朱東亞，金之鈞，胡文瑄.塔中地區(qū)熱液改造型白云巖儲(chǔ)層［J］.石油學(xué)報(bào)，2009，30（5）：698-704.

［8］ 焦存禮，等.塔里木盆地下古生界白云巖儲(chǔ)層特征與成因類型［J］.中國(guó)地質(zhì)，2011，38（4）：1008-1015.

［9］ 黃擎宇，劉迪，葉寧，等.塔里木盆地寒武系白云巖儲(chǔ)層特征及成巖作用［J］.東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37（6）：63-74.

［10］ 曾志剛，陳代庚，殷學(xué)博，等.東太平洋海隆13°N 附近熱液硫化物中的元素、同位素組成及其變化［J］.中國(guó)科學(xué)（D 輯：地球科學(xué)），2009，39（12）：1780-1794.

［11］ 曾志剛，翟世奎，趙一陽(yáng)，等.大西洋中脊TAG 熱液活動(dòng)區(qū)中熱液沉積物的稀土元素地球化學(xué)特征［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，1999，19（3）：59-66.

［12］ 曾志剛，秦蘊(yùn)珊，趙一陽(yáng)，等.大西洋中脊TAG 熱液活動(dòng)區(qū)海底熱液沉積物的硫同位素組成及其地質(zhì)意義［J］.海洋與湖沼，2000，31（15）：518-529.

［13］ 蔣少涌，等.大西洋洋中脊TAG 熱液區(qū)硫化物的鉛和硫同位素研究［J］.巖石學(xué)報(bào)，2006，22（10）：2597-2602.

［14］ 曹振華，胡超涌.熱液硫酸鹽礦物中稀土元素地球化學(xué)特征［J］.非金屬礦，2008，31（4）：18-20.

［15］ David W C，David A C，Jennifer B. Seafloor vents spewing mineral-rich plumes of hydrothermal fluid-termed black smokers-can persist at mid-ocean ridges for decades or longer. Earthquake data indicate that ongoing magma injection may determine their locations ［J］.Nature Geoscience，2009，（2）：463-464.

［16］ 戴寶章，趙葵東，蔣少涌，等.現(xiàn)代海底熱液活動(dòng)與塊狀硫化物礦床成因研究進(jìn)展［J］. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2004，23（3）：246-254.

［17］ Al-Aasm I S. Origin and characterization of hydrothermal dolomite in theWestern Canada Sedimentary Basin［J］.Journal of Geochemical Exploration，2003，（78-79）：9-15.

［18］ Swennen R，Vandeginste V，etc. Genesis of zebra dolomites（Cathedral Formation，CanadianCordillera Fold and Thrust Belt，British Columbia）［J］.Journal of Geochemical Exploration，2003，（78-79）：571-577.

［19］ John A L. Evidence against the Dorag（mixing-zone）model for dolomitization along The Wisconsin arch-A case for hydrothermal diagenesis ［J］.AAPG Bulletin，2006，90（11）：1719-1738.

［20］ 陶洪興，徐元秀.熱液作用與油氣儲(chǔ)層［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，1994，21（6）：92-97.

［21］ 胡明毅，蔡習(xí)堯，胡忠貴，等.塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖深部埋藏溶蝕作用研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2009，31（6）：49-54.

［22］ 劉樹(shù)根，黃文明，陳翠華，等.四川盆地震旦系-古生界熱液作用及其成藏成礦效應(yīng)初探［J］. 礦物巖石，2008，28（3）：42-50.

［23］ 李國(guó)蓉，劉樹(shù)根，宋來(lái)明，等.西昌盆地東吳期深部熱液作用及其對(duì)志留系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造［J］. 礦物巖石，2009，29（4）：60-65.

［24］ 楊寧，呂修祥，鄭多明.塔里木盆地火成巖對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的改造作用［J］. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，20（4）：1-4.

［25］ 金之鈞，朱東亞，胡文瑄，等.塔里木盆地?zé)嵋夯顒?dòng)地質(zhì)地球化學(xué)特征及其對(duì)儲(chǔ)層影響［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，80（2）：245-253.

［26］ 錢(qián)一雄，陳躍，陳強(qiáng)路，等.塔中西北部奧陶系碳酸鹽巖埋藏溶蝕作用［J］.石油學(xué)報(bào)，2006，27（3）：47-52.