盆地成矿的地幔流体与热液作用

盆地成矿的地幔流体与热液作用

本文提出的知识是我们近年来取得的一些成果。不过须加明确指出,这些认识在很多方面均和当前主流理论不一致。恳请学术界多持宽容态度,允许参加讨论。1对地潭岩结构的认识多年来中外众多学者对盆地早有精深研究,并把盆地看成是重要的大地构造单元之一,强调其构造成因,并有拉张、拉分(走滑)、挤压类型之分。最近又有论文专门进行了分析。随着深部高精度地球物理测深技术的推广提高,发现盆地不是孤立出现的,其下方深处总相应地出现“地幔隆起”,地表凹陷之下必有上凸(即镜像对应)。这是一个全球性的普遍规律。在两者间谁是主动因素目前认识还不一致。少数学者主张上凹决定下凸,但多数认为盆地中往往广泛强烈发育玄武岩溢出,而且地壳很薄也无法和地幔相比,因此对于几十万km2的大型盆地来说从能量上地幔上隆是主动因素。盆地之所以能开裂、断陷,源出于地幔上隆派生出来的地壳减薄(或机械减薄,或热侵蚀减薄)、侧向伸展、重力塌陷,形成盆地沉积充填。通过1992—1995年“地幔流体与软流层(体)地球化学”国家基金项目研究后我们有下列新发现:(1)地幔上隆的概念不够严密。实际上隆起的是低速、高导、软流地幔(我们现在统称之为溃变体)。换言之,固体上地幔及中下地壳只有变成溃变体(宛如泥石流)才有可能上隆。(2)地幔岩捕虏体(玄武岩喷发带到地表)的详细解剖发现深处软流体存在以下溃变标志:①矿物强烈流变、位错。②岩石中各矿物强烈交代,如单斜辉石化、金云母化、角闪石化、斜长石化、磷灰石化。③浆胞(顽火辉石的不一致熔融)、单斜辉石海绵化、石榴石晶体浊化强烈发育。④矿物中气液包裹体极其密集,拉曼探针分析包裹体中充满了各种强还原性气体,如CH4、C2H6、C3H8、烯类、炔类、CO、H2,另外还有CO2、H2O、SO2等。这表明:溃变体极其富含超高压还原气体(即天然气能源)。⑤地幔岩裂隙中普遍有非矿物形式吸附性烃-碱物质薄膜喷镀。⑥出现一系列自然元素,如Si0、Fe0、Cu0、Ti0、Al0、Cr0、Co0、Ni0等强还原断键产物。⑦岩石裂隙(气裂、气胀)、碎裂结构极其发育(表明存在容气空间),有的已到糜棱岩化。⑧岩石强度极差,不到地壳火成岩(如花岗岩)的1/2甚至1/3。总之,幔壳低速、高导(低阻)、高还原性、高热流、低密度、低强度、低粘度、强塑性形变、局部熔融及高应变速率这些地球物理变异在上述种种溃变特征中均得到了确凿印证。现在对于盆地深部(40～70km)的低速软流体已经不再只是限于地球物理间接反演推测,而是已经取到具体的地幔溃变岩标本并做了工作。结果表明地幔溃变主要是富碱富挥发份地幔流体(即HACONS流)渗入反应后的产物。中下地壳同样也会与上涌的地幔流体发生种种溃变反应,低速、高导、高热流、韧性剪切等即溃变的结果。总之,通过上述地幔岩捕虏体中代表溃变体的样品的详细分析可以确定,溃变是地幔流体造成的。这一结论是一个新的认识,而且有重要意义。我们将会在下述各节中看到盆地中的种种成岩及金属、非金属、油气成矿作用和上涌地幔流体间的亲缘关系。前已述及,固体地幔不可能上隆,假若不变为溃变软流体的话。通过地球物理测出的地幔隆起实际上是已经消亡和固化了的过去的溃变体,现在则变成了硬而冷的高速地幔,它的隆起早已成为过去,发生的时间可以是任何地质史期。现在测出的地幔软流溃变体则是现在正在活动隆起的热而软的地幔。近代研究表明,隆起地幔和地幔软流体不是一回事,前者是古凹陷中心,后者是现今凹陷中心。盆地的演变历史重要的一个规律是沉降中心不断迁移。沉降中心不断迁移的根源也在于溃变体在深部的位移。例如渤海盆地,古近纪沉降中心在济阳凹陷;到了新近纪则向北迁移到歧口凹陷;到了第四纪则又向东转移到渤中凹陷(龚再升口告,2004)。到了近代(几十万年来)溃变体已经越过了郯庐大断裂向东扩展,沿张家口—烟台北西西向断裂继续向东迁移到庙岛群岛之下。这在油气找矿方向上是一条重要规律。庙岛群岛岛上及海区一带4000km2是很有希望的重要油气区(包括长岛、砣矶岛、大钦岛、小钦岛及南北隍城岛等32个岛屿)。一旦把盆地形成的构造机制视之为幔壳溃变结果,过去见于油气田深部奇异的高热流、超高压实际上都可看成是上涌的高压、高温地幔流体载热施压的必然结果。这方面近期莺歌海气田研究专著极富启发价值,证实了天然气来自低速体(超高压体)。另外,我们对胜利油田与胶东金矿的对比研究证明,油田深部和石油形成共生的伊利水云母化、绢云母化和胶东金矿热液的钾交代(黄铁绢英岩化),完全可以类比。碱交代作用总是溶解石英向上排硅排钾,在刚性岩块的胶东金矿区就形成含金石英脉及钾化蚀变,到了凹陷盆地的砂岩可渗透地层中就形成绢云母化和石英碎屑的次生加大和连晶。胜利油田中石油及围岩中金的高度富集原因就在于盆地基底含金胶东群经过热液碱交代排金造成的油田金“污染”。我们在山东栖霞大方山玄武岩中发现钾霞石岩浆球状捕虏体,找到了胜利油田和胶东金矿区钾交代的深部地幔来源。在中新生代山东半岛地下存在地幔流体的大规模钾交代“海洋”。渤海盆地今后的油、气、金成矿远景仍然很大。热液金矿现已探到-800m深,估计可以再向下延深到-1000m。2盆地培育后的矿产量众所周知,盆地成矿的矿种并不都是沉积岩形成时的同生矿床,另外还广泛发育后生矿床。(1)碳-硅-泥岩型铀矿国内外的所谓“层控矿床”主要是盆地成矿,例如各地元古宙及显生宙Pb、Cu、Zn、Fe、Mn、毒重石、重晶石、菱镁矿、油页岩、石盐、碱矿、芒硝、石膏、磷矿等等。值得强调,笔者研究发现,它们产出的岩系基本上都不是碎屑岩,而属于碳-硅-泥三元化学沉积岩系,是典型的海底热液岩(最后以沉积层形式沉淀)。它们在区域分布上受同生断裂控制,成矿温度远高于100℃。有的研究者认为是地幔喷流成矿。笔者对中外各地此等层控矿床产于碳-硅-泥岩系的普遍性做过详细的论证。顺便指出,碳-硅-泥岩型铀矿在我国已有半个世纪的研究历史(碳指有机碳同时又指碳酸盐)。地球上古太古界—元古宇化学沉积地层主要是碳-硅-泥岩系,其中的矿质来自地幔流体或此流体对上升途岩中矿质的碱交代萃取。(2)储层中砂岩型铀矿后生实例首先是石油、天然气,另外还有高岭土、硫磺等非金属矿床。特别值得指出的是此中还有极为重要的砂岩型铀矿,这在美国、中亚(哈萨克斯坦、乌兹别克)、中国三北均有广泛产出。我们近期研究证明,盆地上述后生成矿和地幔流体上涌进入盆地活动有紧密的成因联系。高岭土矿床虽然是来自煤系地层的风化,但只有经过事先强烈热液钠长石化去除石英杂质之后才能风化为优质高岭土矿床;S矿实际上是来自石膏层被地幔流体H2、CH4等的还原;天然气中幔源CO2、He及Hg气藏早已熟知。另外,除了上地壳石油的伴生气及煤层气之外,我们还发现在盆地中还存在幔源的上地幔气(主要是H2)及中地壳天然气1。现在我们正在争取在庙岛群岛地区以及其他有利地区立项加以开发。近些年学术界发现石油中往往富含几十种金属,达到惊人的程度(郭占谦1998,2000),高出本底1～4个数量级。考虑到石油储藏量往往上亿吨之多,那么所富集起来的金属量将远远大于典型的热液矿床。可以不夸张地说,地球上最大的金属矿床不少是在油田之中。胜利油田重油含金高达(1～2)×10-6(林清,1990);该油田一般砂岩、地下水中Au也呈现高异常(赫英等,2001)。辽河稠油发电后油灰中Ni高达7%(朱建华,1992),国外库页岛还有Ni高达14%的油灰。我们近年利用ICP-MS检查了准噶尔、酒西、鄂尔多斯、辽河钱家店的石油和共生的油田水中的金属含量,见表1。在鄂尔多斯及辽河两个油井样品中发现一个奇异的结果:石油中金属含量远远大于同一油井油田水含量的几到104倍2。两个井样品油/水金属含量比值倍数分别如下:Mg3,3倍;Ca18,28倍;Al52,585倍;Cu3,12倍;Be8,31倍;Cr23,26倍;V10,51倍;Zn59,148倍;Pb54,67倍;Ga40,190倍;Mn61,206倍;Co18,441倍;Ti31,527倍;Ag292,3600倍;Ni417,68667倍;U6,12倍;Th17～133倍;Re100,300倍;La30,45倍;Ce691,5000倍,等等。石油中如此特殊富集这么多元素是人们重新怀疑石油生物成因不可忽视的新根据:①首先引起很大怀疑的是石油的母质生物怎么可能吸收如此多的彼此毫不相关的元素群?②此中除大量亲岩(亲壳)元素如Al、Ca、U、Th、Pb、La、Ce外还含有一系列亲幔的元素群:Cr、Ni、Co、Ag、Re、V、Zn、Cu、P、Hg等。如果没有地幔流体参与石油的形成,这些幔源元素的来源将无法解释。③更何况其中还存在许多对生物存活极为不利的有毒元素。在此尚须指出,上述几十种元素群的化学性质彼此极不相同,但奇异的是却共同从高压、高温的深部被地幔流体萃取向上携带迁移。这就决定了盆地中的黑色页岩、油页岩、石油、地沥青热液矿床以及砂岩型铀矿产生类同的种种元素群的特殊富集。上述元素群有的呈气体迁移,有的呈气相的金属有机化合物或氢化物形式迁移。我们发现在地幔流体中它们还可以呈自然元素(零价)微米级、亚微米级及纳米级超微颗粒迁移,例如Si0、C0、Ti0、Fe0、Cr0、Ni0、Co0、Cu0、Pb0、Zn0等等。续表续表过去在盆地成矿研究中对铀矿的存在注意较少。其实盆地中的砂岩铀矿乃是独联体和美国最重要的铀矿类型。自从中亚此类型铀矿解密以来才知道可以地浸。此后在我国北方从西到东几乎在中新生代各大盆地都有重要的发现和突破。经过研究我们新发现,此类型铀矿有一个过去被主流理论忽视的重要分布规律,即它们的产区是和油气盆地上下叠合的。砂岩型铀床埋藏浅,深几十到三四百米,赋矿地层主要是侏罗—白垩系;而油气藏埋藏较深。经过资料对比,可以很明显地看出,无论是在美国、中亚还是我国北方砂岩型铀矿分布区和油气田分布区上下重合的现象相当普遍。这就是说,今后在油气区的浅部还会找到砂岩型铀矿(不一定空间上正上正下)。另外,也须强调,砂岩型铀矿的成矿机制不只是限于过去传统理论所说的地下水沿缓倾地层向下淋滤的层间氧化或大气降水潜育机制。另外,沿盆地地层中石油对U的前期预富集和天然气后期沿断裂的酸化和气还原对U的进一步工业富集起更为重要的作用。油气中的H、H2、CO、CH4系列的还原力比砂岩中的黄铁矿、植物残屑要强得多。砂岩型铀矿石往往很富(n%U)。值得指出,无论美国还是中亚砂岩型铀矿中除U富集外,总是富集Re-Mo-Se-V-REE(Y,La)等彼此毫无关系不应该共生的奇特组合。在中亚盆地(阿姆达林,中克兹尔库姆)砂岩型铀矿中Mo可到0.n%(本底是n×10-6,富集1000倍);V2O51.6%(本底0.0n%,富集上100倍);Ren×10-6(本底n×10-10,富集10000倍);U0.1%(本底(1～3)×10-6,富集400倍);Se0.n%(本底5×10-8,富集竟达100000倍)。事情还不止于此,另外有的砂岩U矿中Ge高到0.01%,Cu0.3%,Co0.3%,As1%,Bi0.05%,Ni0.3%,Pb1%,Zn0.1%,Tl0.006%3。实际上这和石油中该等元素异常含量有密切的继承关系。值得强调,过去一般认为盆地中只有在油气藏中方有油气。经过近几年我们对鄂尔多斯盆地各地的检查及薄片观察发现,整个盆地中不论深部有无油气藏,在砂岩层里普遍发现地沥青珠球、切层长条,它们是原来砂岩层渗染的油珠、油条、油脉风化转变而成。另外,该区的砂岩、泥岩还普遍强烈褪色为浅青白色(气还原)。这是全盆地现象,见于东胜、杭锦旗、银川、陇县国家湾、白土、黄陵各地。在鄂尔多斯盆地,大面积广泛出露白垩系地层。在山坡剖面上总是可见奇特的褐红-浅青-姜黄各种风化色层。经过研究,我们认为实际上这是隆起到地表被剥蚀破坏的白垩系古油气藏。其中褐红色是原来的油层的地表初步氧化色;浅青及灰白色是气还原色;姜黄是二者彻底风化后的岩色。另外全盆地砂岩从南到北从东到西普遍是强碳酸盐胶结。酸解烃含量很高,一些地区的取样分析发现烃系列(从甲烷到戊烷)高达1000～6500μL/kg。另外此区几乎所有的中生代砂岩中都有油气荧光反应(欧光习,2003)。研究表明,胶结物碳酸盐实乃油气的氧化转生物。鄂尔多斯盆地的后期油气活动是全盆地性的,一直到今天还在强烈向空中排气,规模和强度之大,实在超出一般想象。值得强调,鄂尔多斯盆地大气区气并不在水之上而在水之下(所谓“深盆气”)。这很好地证明气是从盆地深部上升而来。奥陶系古风化壳气藏的存在足可以证明气由更深的基底断裂上来。用石炭二叠煤系提供气源是很难解释的,气不可能由浅部低压向深部高压迁移。3沉积型碳化合物中外学术界对于黑色页岩系或黑色岩系(其实,笔者认为它们都是碳-硅-泥岩系)过去长时间认为一律都是生物成因。然而矛盾的是与此同时又出现严重的缺氧事件。既然缺氧,那么生物就不可能繁殖。在盆地中沿深断裂上涌大量的强还原性气体(如H2、CO、烃类和H2S)和有毒元素如Hg、As、F、Pb、Bi、Cu、Tl、Se等等,显然是对生物繁茂极其不利的沉积环境。这和生物富集的说法是很难协调的。值得强调,近些年在陆上也不断发现与海底黑色岩系完全可以对比的一系列相当物,有人称之为“内生黑色页岩”。看来,黑色页岩系中的所谓有机碳主体并非来自生物活动而是地幔的内生无机碳及金属-有机物喷流。现举例如下:(1)在世界各地幔源岩浆岩、热液岩中广泛发育石墨及碳化物。在中亚、西伯利亚许多金属矿田中发现,岩石中烃类含量和糜棱岩化程度成正比,出现富碳构造岩和富碳交代岩。(2)在俄国远东矿区发现石墨-钛铁矿-硫化物组合并伴生一系列自然元素和其碳化物。由此提出“内生黑色页岩”或碳交代岩的概念。此中富集元素有Cr、Co、Ni、Ti、P、V、Re、Se、U、Au、Ag、稀土、As、Fe、Pb、Zn、Cu,金属呈有机化合物迁移。此强还原气流乃是地幔排气产物。我们在甘南拉尔玛Au矿床中也发现强烈的碳化(黑如煤粉染手)。另外穆龙套、卡林金矿也有强烈的黑色热液碳交代。(3)在东萨彦一基性岩体中又发现含碳矿化的构造(富集Zn、Cu、As、Rb、Sr、Nd、Zr等)。总之,上述多种混生的元素群广泛出现于地幔岩、金伯利岩、榴辉岩、碳-硅-泥岩系(或黑色岩系)、石油、沥青、油页岩、热液金属矿床、砂岩型铀矿,表明地幔流体的确起了不可或缺的迁移运载作用(不排除盆地中压实水、卤水、地下水的积极参与和混合)。长期以来对盆地流体的理解多限于大气降水、地层压实水等,好像看不出地幔流体的存在。实际上是没有注意,一注意就到处会发现。事情不难理解,盆地中既然有多期玄武岩浆活动,当然地幔流体也完全可以上来。我们认为,盆地中不只是地壳流体在成岩成矿上起作用,深部地幔流体的参与是不可忽视的。众所皆知,石油如果只是来自地层有机碳或干酪根,明显的一点是缺氢。地幔流体氢化加氢是一个形成石油的必要条件。现已熟知超临界流体(H2O、CO2)对塑料等有机化合物有极强的溶解能力。石油完全可以溶解于此流体中。待上升到上地壳盆地后,由超临界态经减压降温相变为亚临界态(<374℃,22MPa)流体后,就形成了我们常说的热液。换言之,热液实乃地幔流体上涌进入地壳后的相变转化产物,此时石油又重新析出。由于油-水不相溶,石油可以和热液分离单独到盆地中发育良好渗透砂体及圈闭构造中形成油藏,其余热液继续迁移形成热液金属和非金属矿床及热液蚀变。石油都是粘稠大分子,结构复杂及功能团发育,故极易吸收拘留相当量的金属造成大规模特殊富集。另一方面,在中外许多金属矿床的气液包裹体中多年前就已熟知,存在大量的烷类等碳氢化合物;在金属矿床上方有碳氢化合物异常晕发育。令人颇感兴趣的是从来没人说这些烃类是生物成因,至少没有像石油地质界同行强调的那么强烈。早在20年前在赣杭火山岩热液型铀矿石中就观察到过沥青块体。金属矿床中经常发现烃类及地沥青和油气藏中总含有大量金属元素群两方面的巧合绝不是偶然的,正好从两个方面共同证实同一成矿机理:油气和金属成矿实际上都是热液作用形成(富集部位可以不同)。至于生物标志化合物,在盆地基底及盆地地层中到处可以提供。顺便提及,地球上连生物、生命都是无机成因的。试问,石油成因怎能排斥非生物的无机作用?4岩石化学特征至今为止,一般认为盆地中主要发育沉积作用,全属于外生、表生作用冷水沉积范畴。其实不然,在许多盆地中早已发现不少的热液活动和成矿。为了继续论证这一重要问题,现再举以下新的三个例子。(1)众所周知,越南白虎大型油藏奇特的是赋存于所谓的“花岗岩体”中。这很令人不解。实际上,我们认为那里并不是花岗岩,而是沉积地层的强烈高温硅碱交代体,乍看很像花岗岩。长期以来,对白虎油田中深部油藏主要是在花岗体之中的事实有很多解释。越南同行的看法是生油的渐新统地层中的油后来二次运移于花岗岩体之中。而俄罗斯同行却不同意,他们认为是原沉积地层中有机质在花岗岩浆形成中转化为石油的。笔者通过他们提供的资料则有另外的分析:①该岩体不具备侵入体特征,不是岩浆体。“岩体”垂向上一层细密一层疏松和砂岩页岩互层一样呈层状。有的俄罗斯同行也认为岩体看来是地层交代成因。②岩体中发现冰长石,我们认为这是渐新统砂泥岩地层典型的钾交代标志矿物。③“花岗岩”中的锆石是典型的热液锆石特征。(2)辽河油田中的许多所谓的酸性火山岩实乃玄武岩的碱交代体。辽河盆地中除玄武岩为真正的岩浆体外,其余的火山岩如安山岩、碱流岩、次火山岩特别是粗面岩,从其岩石镜下描述即可看出普遍是交代残余结构及蚀变溶蚀结构,强烈发育的是热液蚀变矿物组合。就连研究者本人他们也指出:辉石发生黑云母化是K+交代,角闪石化是Na+交代,同时又发育强烈的碳酸盐化。K+化、Na+化和碳酸盐化加在一起恰恰是典型的碱交代矿物蚀变组合。另外从岩石化学分析结果也可明显看出以下特点:①首先是化学成分含量忽高忽低,极不稳定和不均质,远远超出了岩浆岩正常成分不大的摆动范围。②玄武岩一般K2O只有<1%,Na2O2%～3%,可是有很多样品K2O却高到5%～6%,Na2O高到5%～6%。于是有人就把此称之为粗面岩。实际上,这不是什么粗面岩而是原玄武岩的碱交代岩。其中的灼失量(主要是H2O和CO2)往往高达11%～19%,显然不可能是岩浆岩。这类假岩浆岩广泛见于很多油田之中。鉴于火成岩、变质岩中的油气藏发现越来越多,故正确辨别是岩浆岩还是交代岩对找矿很重要。(3)近期有论文揭示大庆油田徐家围子深部储气的所谓流纹质火山岩实际上是沉积岩地层或玄武岩层的热液碱交代岩(邵红梅、毛庆云、姜洪启等,2006;王成、马明侠、张民志等