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漫谈热泉钙华

已有 632 次阅读 2020-2-12 16:04 |个人分类:沉积故事|系统分类:科研笔记

原创:文国华、罗连超


对于常人而言,热泉或许只是旅行时景区内的一道优美风景,亦或只是疲惫时温泉宾馆中数个天然热水池。而在地质工作者眼中,热泉及热泉钙华具有重要的科研价值。近年来,由于热泉环境下大量微生物以及巴西桑托斯等盆地内非海相碳酸盐岩油气储层中热泉钙华类似物的发现,越来越多的学者开始关注热泉钙华,将其与古气候、区域构造活动和油气成藏等密切联系起来。本期就让我们一起来聊聊热泉钙华的独特属性及其研究价值。

 

什么是热泉钙华

 

热泉钙华(thermal spring travertine)是一种沉淀于富Ca2+HCO3-离子的陆上热泉的碳酸盐沉积物/岩,泉水温度大于20℃,多数水温大于30℃(Capezzuoli et al., 2014)。目前已发现或证实的热泉钙华主要分布于北半球(图1),且主要发育于板块交接地带,多见于新生代地层中,尤其是第四纪,在前新生代地层中偶见古热泉钙华。

 

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图1  全球不同时代热泉钙华分布 (文华国等, 2019)

 

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图2 典型热泉钙华体宏观形态特征

A. 钙华锥,云南腾冲石墙; B. 钙华瀑布,意大利Bagni San Filippo;C. 钙华裂脊,意大利Bagni San Filippo。


在陆地环境下,热泉钙华的形成通常是气候、构造、地形、生物、水化学等多因素共同作用的结果。如气候相对湿润区域,大气水沿各类构造裂隙进入地下后受深部热源或异常地温的加热形成地下热水并与围岩(主要为碳酸盐岩)发生各类反应,最后经各类裂隙运移至地表后形成热泉并沉淀形成热泉钙华。

不同成因的热泉钙华的沉积特征迥异,主要体现在以下四个方面:

1)外形受地貌、流体性质、泉口形态等控制而呈现多样性(图2),如平地上的点状热泉通常形成钙华锥、钙华丘,而断裂状泉口则多形成钙华裂脊;

2)岩相类型众多,可分为三大类:a)由大量原始沉淀的碳酸盐矿物组成且呈致密状的非生物结晶岩相;b)由微生物粘结碳酸盐矿物形成的微生物岩相;c)由泥级至砾级碳酸盐异化颗粒组成的碎屑颗粒岩相,外源碎屑的不稳定注入也可能直接改变其岩石类型;

3)相变快速,热泉水的流动会导致水温的下降,从而出现沉积物从高温环境向常温环境转变。地形的影响也会导致沉积相的快速转换。根据热泉喷口到远端裙距离和温度差异,可将热泉钙华沉淀环境划分为四类:喷口区、邻近斜坡、中裙和远端裙-沼泽 (Guido and Campbell, 2011)(图3);

4)沉积速率差异大,年平均沉积速率可为数厘米,亦可高达数米,但普遍高于冷泉钙华的沉积速率(数毫米至数厘米)(Capezzuoli et al., 2014)。

 

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图3 喷口到远端裙不同温度梯度热泉及其钙华结构特征 (据Guido and Campbell, 2011修改)


热泉钙华的矿物组成相对单一,主要为文石和方解石矿物。虽然也有非晶质碳酸钙的存在,但此类矿物比文石更不稳定,会快速转化为方解石 (Jones and Peng, 2012)。此外,受热泉喷流活动、成岩作用等影响,外源碎屑和白云石等矿物也会出现在热泉钙华中。由于文石不稳定,古热泉钙华大多由方解石组成,现代热泉钙华中会出现少量的文石。值得注意的是,这些文石和方解石的特殊晶体外形,如典型的树状(图4)、扇状、骨骸状方解石和麦穗状的文石等,被认为是水温、pH、水动力条件等多因素共同作用的结果。


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图4 云南省腾冲市朗蒲热水塘古热泉钙华中的树状方解石 (Luo et al., 2019)

 

除了物理化学条件外,独特的微生物群落也对热泉钙华的形成起着重要的调节作用(图5),如蓝细菌的光合作用以及其它细菌的氨化作用、反硝化作用和硫酸盐还原作用能够诱导方解石或文石沉淀。在相对高温条件下,微生物主要为硫氧化细菌等嗜热型微生物(如Hydrogenothermaceae, alothiobacillaceae),随着水温降低,温度对蓝细菌生长的抑制作用越趋变小,在水温低于50°C的环境下,丝状蓝细菌在微生物中占据主导地位 (Sugihara et al., 2016)。


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 图5 云南省腾冲市朗蒲热水塘文石质现代热泉钙华中的硅藻

 

大多数热泉钙华形成于第四纪,未经历深埋藏改造,成岩作用以胶结作用、矿物转化作用(图6)、溶解作用最为明显。此外,还存在重结晶作用、交代作用、泥晶化作用、角砾化作用、侵蚀作用、破裂作用、有机质腐烂、软沉积变形等 (De Boever et al., 2017)。就其成岩流体而言,除热泉环境下沉积物同期赋存流体与大气水外,还可能存在深部来源流体。


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图6 美国黄石公园Mammoth热泉钙华中的方解石(亮橙色)替代文石(不发光),阴极发光照片 (Fouke, 2011)


热泉钙华的地质意义


了解完热泉钙华的分布、沉积、矿物、微生物、成岩特征后,读者难免会问:热泉钙华到底有什么地质意义?Capezzuoli et al. (2014) 详细列举了七项钙华的潜在研究意义与未来方向,包括构造恢复、古气候重建、油气储层、地形演化等,甚是有趣。以下,仅介绍热泉钙华在构造恢复、古气候重建、油气储层方面的潜在意义。

热泉钙华与构造活动:热泉钙华的形成必须要有热流体物质来源,即地下热水储库,但如果缺乏热水上返路径,地下热水则无法运移至地表形成热泉。那么到底什么是地下热水上返的良好运移通道呢?就目前研究而言,断层(尤其是正断层和走滑断层)往往是最有效的热水运移通道。断层活动会开启热水流体运移通道,随着热水的上返并沉积,逐渐导致原通道闭合,而新的断层活动又可能再次开启运移通道。这种构造控制热泉钙华形成的典型表现就是现代热泉主要分布于断层活动带,并沿断层呈串珠状发育分布。因此,热泉钙华包含有古构造活动的重要信息,可利用区域内钙华体(尤其是钙华脉)的形成时间,精确恢复断层活动年龄,进而恢复区域构造演化。

热泉钙华与气候演化:热泉钙华与气候的联系可分为两个方面。其一,热泉的形成需要持续不断的地下水供给,而地下水的主要来源是大气水,因此热泉钙华的产出蕴含区域气候干湿的信息。如寒冷干燥气候往往造成地下水位的降低而无法上返喷流形成热泉,而温暖湿润气候下的高水位能导致地下热水的持续上涌形成热泉并沉积钙华(图7);其二,热泉中可能存在用于古气候重建的替代指标,如δ13Cδ18O和部分主、微量元素比值,尤其是δ18O能反映水温的变化,可能侧面反映气温的变化。不过由于这些指标的影响因素众多,如何获取有效的古气候记录并规避其它影响仍是值得深入探索的问题。


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图7 干湿气候条件下的地下水循环与钙华体的形成 (Uysal et al., 2019)


盐下碳酸盐岩储层类似物:巴西桑托斯和坎波斯盆地非海相碳酸盐岩大型油气藏的发现是近年来油气勘探研究中的重大进展之一,表明非海相碳酸盐岩也具有较大的油气勘探潜力。湖相碳酸盐岩被认为是这些地区的重要储层,但是最近的研究表明,冷/热泉成因的钙华也可能构成了该地区非海相碳酸盐岩储层的重要部分,因为碳酸盐岩储层内发现了大量树状方解石(图8),这与热泉钙华内的树状方解石外形极其类似(图4)。因此,不能排除此类断陷湖盆生长演化过程中存在热泉的可能性。需针对此类储层,进一步研究其岩石学、矿物学特征、沉积相带的分布规律及其储层发育特征,为下步油气勘探提供地质依据和新启示。


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图8 桑托斯盆地Barra Velha组树状方解石 (Farias et al., 2019)


热泉钙华研究展望


随着科技进步带来的实验手段的革新,围绕热泉钙华,建议加强以下几方面的研究:1)古热泉钙华形成环境与成因的替代指标(如包裹体温度、微生物痕迹)的建立,并利用高分辨率沉积学和微观地层学揭示热泉钙华沉积动力学机制和控制因素;2)热泉矿物形态的控制因素及矿物形态与环境的耦合性分析;3)热泉钙华的储集性分析及其与邻近相带的时空配置关系;4)微生物与非生物因素对纹层状钙华形成的具体影响与划分识别;5)热泉钙华矿物学与地球化学特征在成岩作用过程中的变化及其影响因素分析;6)热泉钙华的古气候意义与实用性评价;7)热泉钙华沉淀对地热资源开发影响。

 

本文第一作者文华国系成都理工大学沉积地质研究院教授。

本文属作者本人的理解,欲知更多详情,请阅读以下原始文献。


主要参考文献

【1】Capezzuoli, E., Gandin, A. and Pedley, M., 2014. Decoding tufa and travertine (fresh water carbonates) in the sedimentary record: The state of the art. Sedimentology, 61(1): 1-21.

【2】De Boever, E., Brasier, A.T., Foubert, A. and Kele, S., 2017. What do we really know about early diagenesis of non-marine carbonates? Sedimentary Geology, 361: 25-51.

【3】Farias, F., Szatmari, P., Bahniuk, A. and França, A.B., 2019. Evaporitic carbonates in the pre-salt of Santos Basin – Genesis and tectonic implications. Marine and Petroleum Geology, 105: 251-272.

【4】Fouke, B.W., 2011. Hot-spring Systems Geobiology: abiotic and biotic influences on travertine formation at Mammoth Hot Springs, Yellowstone National Park, USA. Sedimentology, 58(1): 170-219.

【5】Guido, D.M. and Campbell, K.A., 2011. Jurassic hot spring deposits of the Deseado Massif (Patagonia, Argentina): Characteristics and controls on regional distribution. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 203(1): 35-47.

【6】Jones, B. and Peng, X., 2012. Amorphous calcium carbonate associated with biofilms in hot spring deposits. Sedimentary Geology, 269(269-270): 58-68.

【7】Luo, L., Wen, H., Li, Y., You, Y. and Luo, X., 2019. Mineralogical, crystal morphological, and isotopic characteristics of smooth slope travertine deposits at Reshuitang, Tengchong, China. Sedimentary Geology, 381: 29-45.

【8】Sugihara, C., Yanagawa, K., Okumura, T., Takashima, C., Harijoko, A. and Kano, A., 2016. Transition of microbiological and sedimentological features associated with the geochemical gradient in a travertine mound in northern Sumatra, Indonesia. Sedimentary Geology, 343: 85-98.

【9】Uysal, I.T., Ünal-İmer, E., Shulmeister, J., Zhao, J.-X., Karabacak, V., Feng, Y.-X. and Bolhar, R., 2019. Linking CO2 degassing in active fault zones to long-term changes in water balance and surface water circulation, an example from SW Turkey. Quaternary Science Reviews, 214: 164-177.

【10】文华国, 罗连超, 罗晓彤, 游雅贤, 杜磊. 陆地热泉钙华研究进展与展望. 沉积学报, 37(6): 1162-1180.



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原文链接:漫谈热泉钙华.pdf





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