水熱蝕變

騰沖水熱活動分布地區，都有水熱蝕變礦物的出現，尤其是在熱沸泉出露較多的地段更為特征。熱海熱田區內出露的堿長石花崗巖、玄武巖類，以及沉積巖類，巖石礦物種類繁多，在強烈水熱流體活動作用下，水熱蝕變礦物紛呈多彩，是研究現代水熱活動過程的典型區域。本節側重論述熱海熱田區的水熱蝕變研究成果，并討論在朗浦寨熱水塘地段、瑞滇熱田、石墻熱田、巴臘掌熱田等區的工作。在上述熱田區內除進行地質剖面研究外，并采集60多件水熱蝕變樣品，在室內通過X射線衍射（XRD）、紅外吸收光譜（IR）、透射電鏡分析（SEM）、熱分析（DTA、TG）以及化學分析等方法，進行了礦物學研究。一、水熱蝕變礦物在本區水熱活動的分布區，通過上述方法已確定的礦物種類和礦物有；氧化硅礦物：非晶質二氧化硅（本節以下均稱為硅膠）、玉髓、蛋白石、方英石、石英；硫酸鹽礦物：明礬石、鐵明礬、黃鉀鐵礬、毛礬石、無水芒硝、斜鈉明礬；碳酸鹽礦物：方解石、文石、天然堿；鹵化物礦物：石鹽；粘土礦物：高嶺石、迪開石、埃洛石、絹云母、蒙脫石、綠泥石、云母—蒙皂石不規則間層礦物；硫化物：黃鐵礦、白鐵礦；自然硫。此外，前人在眼鏡泉中發現有瀝青鈾礦、鈾石、黃銅礦、輝銀礦、赤鐵礦；在攀枝花硝塘熱泉發現方沸石、菱沸石等礦物。對騰沖地區的水熱蝕變礦物，擇要論述如下：硅膠硅膠為非晶質二氧化硅。在透射電鏡和掃描電鏡下呈渾圓球體或串珠狀連生體，球粒直徑變化范圍為0.18～2μm，一般為1μm左右。老硅華中的硅膠多半已向形態不規則的玉髓和石英轉變。硅膠的X射線衍射譜為一連續的彌散譜線（圖4-2-A），硫磺塘老滾鍋老硅華中疊加有少量石英的反射（圖4-2-B）。紅外吸收譜圖上出現1099、795和473cm-1四次配位硅的典型特征譜帶以及947cm-1的弱譜帶。3450cm-1的寬吸收譜帶由水的OH伸縮振動引起（圖4-3）。另外，硫磺塘老滾鍋的硅華在800cm-1處呈弱分裂的譜帶，是玉髓的吸收特征，這是硅膠或蛋白石向玉髓轉變的一個證據（圖4-2-B）。本區現代熱泉沉淀的微米級大小的非晶質狀硅膠，是本區熱泉系統新硅華的主要組成礦物。硫磺塘大滾鍋熱泉正日夜不停地沉淀出硅膠球粒。硅膠失水老化而向蛋白石轉變。蛋白石是準穩定物質，其出現意味著流體溫度要比形成玉髓或石英的低，隨著時間的推移，而轉變為隱晶質的玉髓。因此，本區時代略老的老硅華，其礦物組分除硅膠以外，較多出現玉髓和石英（參見圖4-2-B）。水熱流體中的SiO2，由非晶質的凝膠，脫水、縮小體積，逐漸晶化為顯晶質石英的轉化系列可概括為以下過程：中國地球化學場及其與成礦關系圖4-2 硅華的X射線衍射圖A—硅膠，硫磺塘，樣品號D-173；B—硅膠+石英等，硫磺塘老滾鍋，樣品號D-162；C—蛋白石+石英等，鼓鳴泉，樣品號D-194；D—石英，眼鏡泉，樣品號D-193測試條件：CuKα輻射，電壓30世紀，電流30mA測試單位：天津地質礦產研究所騰沖地區的硅膠礦物，以在硅質泉華中出現最多，在熱海熱田內的蝕變堿長花崗巖、水熱爆炸角礫巖的膠結物中也有所發現。α方英石為標準的高溫相礦物，發現于硫磺塘地段的蝕變堿長花崗巖巖石中。在X射線衍射圖中，以4.07，2.46Å等特征反射，與共生的鉀明礬石、高嶺石、硅膠和石英相區別。高嶺石高嶺石是花崗巖遭受水熱蝕變高嶺石化階段的產物，在近地表的淺成低溫強酸性淋濾環境條件下形成。熱海熱田區內的高嶺石，為我國迄今發現的有序度最高的高嶺石，其結晶度指數Hc=1.67，主要化學成分與SiO2/Al2O3摩爾比，均與高嶺石礦物理論值相近。高嶺石為1：1型二八面體層狀硅酸鹽礦物。其結構有序程度變化很大，從高度有序向無序高嶺石的轉變，主要是延b軸方向出現±nb/3（n≠3）的晶層位移。礦物由三斜晶系的1Tc型變為單斜晶系的1Md型。圖4-3 硅華的紅外吸收光譜圖（樣品號同圖4-2）測試單位：石油勘探開發研究院目前主要使用X射線衍射（XRD）、紅外吸收光譜（IR）、透射電鏡（TEM）等方法定性判斷高嶺石的有序度。定量估計的方法很多，但至今尚沿用Hinckley（1963）提出的方法，稱Hinckley結晶度指數（以下用Hc表示）。它實際上表征XRD圖上靠近的021、111衍射峰之清晰度及其強度比值。結晶度指數愈大，表明有序度愈高。我國自20世紀80年代以來，已發現江蘇蘇州陽山、廣東茂名和河北宣化沙嶺子等高嶺土礦床中的高嶺石（Hc分別為1.10；1.3～1.4和1.40）以及陜西略陽白水江硬質粘土中的高嶺石（Hc為1.35）的有序度均較高。作者對高嶺石礦物進行了XRD、IR和TEM等項測試研究。高嶺石化花崗巖＜2μm粒級的樣品在XRD圖上出現三斜晶系高嶺石的所有反射（圖4-4）。衍射峰強、銳而對稱。（ ）強度大大超過（020）。（ ）和（ ）雙生線已分裂開。計算得出Hc=1.67，大大優于我國迄今發現的上述各產地的有序高嶺石，且可與Brindley（1980）報道的美國艾奧瓦州Keokuk晶洞有序高嶺石（根據文獻XRD圖計算，Hc為1.65）相媲美。圖4-4 高嶺石的X射線衍射圖測試條件：CuKα輻射；35kV，30mA；掃描速度4°（2θ）/min測試單位：天津地質礦產研究所圖4-5 高嶺石的紅外吸收光譜圖測試單位：石油勘探開發研究院在紅外吸收光譜圖（圖4-5）上，各吸收峰強度大，分裂好。屬于羥基伸縮振動的高頻區（4000～3000cm-1），出現四個分裂清晰的吸收峰，顯示出有序高嶺石的特征。因樣品中微量絹云母的存在，使3696cm-1峰強度與3620cm-1峰強度的比值受到影響。屬于Si-O伸縮振動的中頻區（1200～1000cm-1）有四個尖銳的吸收峰。在透射電鏡下，高嶺石晶體呈現發育完善的自形成度高的假六方（板）片狀，晶體大小和晶體厚度都較均勻，粒度大多小于2μm。因此，紅外吸收特點和結晶形貌分析也都表明礦物具有高度有序。此外，在該區斷裂帶外圍、瑞滇熱田等水熱區也發現有一般有序或較無序的高嶺石，多與伊利石、蒙脫石或綠泥石等粘土礦物共生。迪開石為高溫地熱環境出現的強水解型蝕變礦物，具有六方疊層狀自形晶的特點。在熱海熱田區域，常與有序高嶺石或伊利石—蒙皂石間層礦物共生。X射線衍射譜圖上2θ19°～35°間展現迪開石的特征反射：3.97，3.80，3.43Å以及3.09、293Å等。紅外吸收譜上，以高頻區強度依次遞增的3696，3652和3620cm-1附近的三個特征吸收峰與高嶺石相區別。埃洛石騰沖水熱活動區內，已發現的埃洛石，以7Å型最為廣泛，次為10Å型和7Å～10Å的過渡型。全部由7Å埃洛石組成的粘土，在本區玄武巖、安山巖＜2μm粒級的風化產物中發育。白色粘土細脈＜2μm粒級中有10Å和7Å兩種水化型埃洛石的出現，由于10Å埃洛石層間水的脫失，在衍射圖上出現了7Å埃洛石的較強底面反射001（7.30Å）。10Å埃洛石多呈短細管狀晶形，長一般＜1μm，管徑約0.06～0.02μm，管體多已展開或破裂形若長條狀，緊密叢生聚集時呈現絨球狀集合體。由衍射譜圖及電鏡可觀察到10Å管狀埃洛石➝7Å破裂的管狀埃洛石➝六邊形鱗片狀高嶺石（無序）➝厚板狀高嶺石（有序）的轉化系列。絹云母水熱活動區內絹云母，有1M多型、2M1多型和2M1+1M混合型。X衍射研究表明，區內存在兩種礦物相：一為雙層較有序的單斜相絹云母（白云母），在區內較為發育，為特征水熱蝕變礦物之一；另一類為單層較無序的單斜相伊利石（水白云母），其多以混入物形式出現，水熱條件下，局部蒙脫石化，并可向伊利石—蒙皂石間層礦物過渡。硫磺塘地段的蝕變巖石中，絹云母呈結晶良好的板條狀自形晶出現，時與不規則薄片狀絹云母共生。板條狀絹云母晶體的自晶生長，基本上取［110］、和［100］方向而定向。I/S間層粘土礦物間層粘土礦物，是指由幾種不同的層狀硅酸鹽單元晶層，以不同比例、不同交替順序，沿C軸平行疊置組成的特殊結構類型的粘土礦物。依其疊置的規則程度，可分為規則、不規則和具有分凝作用的三類。表征伊利石—蒙皂石間層礦物特征因素，主要為間層比和有序度兩個方面。前者指I/S間層礦物中可膨脹的蒙皂石晶層的百分含量；后者為礦物主要化學組分與理論值的差異狀況。伊利石—蒙皂石間層礦物的間層比，是礦物種類、水熱流體性質與活動強度諸因素的變化函數。Inoue等（1987）的研究指出，間層比＞50%的多為無序間層；＜50%的多為有序間層。伊利石—蒙皂石間層礦物，在騰沖水熱活動區內分布廣泛，在熱海熱田澡塘河地段特別發育，常與高嶺石、石英、明礬石一起構成典型的礦物共生組合。通過X射線衍射和分析電子顯微術研究，區內硫磺塘、澡塘河地段的I/S間層礦物多為不規則類型，其間層比S=28%～32%，屬于有序間層，這類間層比的I/S間層礦物，是伊利石向蒙皂石轉變初期的有序化間層，僅含少量的膨脹晶層，礦物外貌基本上保持了伊利石的形態特點，透射電鏡下呈現不規則片狀和輕微的卷曲。隨著間層比的增加，I/S不規則間層的無序性增加，礦物顆粒邊緣模糊、卷曲、厚度減薄，而向蒙皂石轉化。X射線能譜分析表明，I/S間層礦物主要化學成分為Si、Al、K，含少量Mg、Fe。SiO2/Al2O3克分子比值略高于白云母的2，但低于蒙脫石的4。蒙脫石水熱活動區內的蒙脫石，常以混入物的形式分布于蝕變花崗巖類的水熱蝕變礦物中，并與高嶺石、絹云母、石英、綠泥石共生。其產出一般遠離水熱活動強烈地帶，為中性至弱堿性介質環境中的蝕變產物。斜鈉明礬斜鈉明礬屬于含水無附加陰離子的硫酸鹽類礦物。自然界中少見，但騰沖地熱區澡塘河沿岸現代泉華和龍陵縣巴臘掌溫泉泉華中多有發現。無色或淺灰白色，半透明，細粒土狀集合體。易溶于水，味微澀。在掃描電鏡下可觀察到結晶完善的長柱狀和薄板狀晶體，后者直徑約0.1～2μm不等。因此，由礦物結晶外貌可反映出結構（NaO6）八面體和（SO4）四面體形成的平行C軸的鏈狀結構之特點。紅外吸收譜圖上1093和1148cm-1強的吸收譜帶歸屬于SO4基團的S—O伸縮振動，較弱的606cm-1吸收帶為S—O彎曲振動引起。黃鉀鐵礬泉華中黃鉀鐵礬多半與高嶺石、蒙脫石共生。純礦物產出者少見。主要通過分析電子顯微術（AEM）和X 射線衍射技術發現。透射電鏡下，黃鉀鐵礬晶體細小，呈直徑僅0.7μm的假立方體狀。其元素分析值與礦物理論化學組成基本吻合，并含有其它元素雜質。X射線衍射分析，以其5.95、5.75、3.11、3.08Å等特征反射與伴生的粘土礦物相區別。在紅外吸收譜圖上，由疊加在高嶺石譜圖上但屬于SO4基團振動引起的1087，697和634cm-1吸收譜帶，屬于黃鉀鐵礬的吸收，而且也具有與高嶺石共有的反映OH基團伸振縮動引起的3385cm-1吸收譜帶。鐵明礬與斜鈉明礬同屬于含水、無附加陰離子的硫酸鹽類礦物。以純礦物產于熱泉附近沉淀物中。肉眼可見礦物晶體呈細長針狀，集合體呈毛發狀或纖維狀。淺黃褐色，半透明。易溶于水，久置室內潮解，味略苦。掃描電鏡下結晶良好，呈細小柱狀、棒狀。紅外吸收譜圖上除了1106和1065cm-1二個分裂最強的吸收帶、698和595cm-1兩個中強吸收帶以外，還有由H2O引起的3387cm-1寬大的吸收帶。毛礬石白色，粉末狀，集合體為板狀，半透明。易溶于水。單礦物晶體呈柱狀、纖維狀或板片狀。纖維狀單晶的X射線能譜分析表明礦物主要由Al、S組成，Fe3+部分代替Al3+，毛礬石主要特征反射為13.58Å、4.50Å、4.40Å、3.97Å、3.67Å等。毛礬石在硫磺塘、瑞滇等水熱區廣泛分布，常與氧化硅礦物共生。天然堿產于瑞滇等地熱田的泉華中。以細長針狀集合體被膜狀鹽華覆蓋于熱泉附近巖石表面或以細脈狀產于巖石裂隙中，并與少量石鹽共生呈集合體。淺黃色，半透明，易溶于水。經X射線衍射分析，天然堿特征的反射層為9.86Å、4.91Å、3.07Å、2.65Å等。紅外吸收譜圖上1462cm-1和1061cm-1吸收帶為CO3基團內C—O伸縮振動引起，而851cm-1和681cm-1吸收帶的C—O彎曲振動引起。石鹽在本地區分布較少，主要發現于熱海熱田仙人澡塘及龍陵縣巴臘掌等地現代熱泉鹽華中。純礦物產出者少見，多半與鹽華中無水芒硝和斜鈉明礬共生。在瑞滇熱田發現石鹽與碳酸鹽礦物、天然堿共生的現象。石鹽主要是根據X射線衍射譜圖上3.26Å、2.82Å和1.99Å等特征反射確定的。α—自然硫分布于熱海、瑞滇、巴臘掌、攀枝花硝塘、朗浦熱水塘等熱田的熱沸泉、噴氣地面發育地段。多以被膜狀出現于氣液噴溢口四周孔壁或巖石裂隙周圍，局部地段形成硫華礦石，硫磺塘即以此得名。方解石和文石主要分布于龍江口、檳榔江水熱活動帶中的中低溫水熱活動區內。在大盈江水熱活動帶多見于較老水熱活動時期形成的鈣華中，現今強烈活動的水熱流體的蝕變礦物中也有所見，但不構成蝕變礦物的主體。對方解石、文石的物性結構不再贅述。僅予說明的是，水熱活動區內方解石的X射線能譜分析，反映了方解石礦物中常有Mn、Fe、Mg、Si等元素的混入物。二、水熱蝕變作用與分帶騰沖水熱活動區內的蝕變作用，受控于斷裂系統的性質及活動強度，受控于水熱流體的溫度、壓力、化學成分、pH值，和碳、硫、氧、氫逸度等眾多因素的變化，以及水熱流體幕式周期活動的影響。作為水-巖反應的載體圍巖，自然也因巖石的礦物組成不同，構成不同蝕變礦物的組合與發育程度的差異。由前述區內鉆孔測溫數據可知，在熱田的淺表40m以內的變溫層內，地溫多在18～27℃區間，在局部地段（如澡塘河的仙人澡塘至蛤蟆嘴泉區間）地下淺表水溫高達150℃。朗浦熱水塘深鉆201孔，在深度200m時地溫為122℃；其他地段同等深度的地溫變化在25～70℃的范圍，可見區內地溫變化因地而異，變化較大。作者對區內新、老硅華樣品的二氧化硅礦物以及花崗巖體中的石英脈體包裹體測溫表明，區內新硅華包體的均一溫度平均值為200℃，老硅華的均一溫度為270℃，形成時的壓力為30×105Pa，鈣華包體的均一溫度為157℃；蝕變花崗巖體中的石英脈體包體均一溫度為300℃，形成時的壓力約80×105Pa。考慮到熱海熱田新、老硅華的爆裂溫度均值大體在280℃，以及老硅華包體的均一溫度270℃，推斷本區地下熱儲溫度為270℃，與一些學者依據化學元素溫標計算推論的熱儲溫度相近。據此可以認為，熱海地區現代水熱流體的活動主要在地面淺表200m以淺的空間。考慮到本區第四系地層由于新構造活動的抬升高度，以及本區最老硅華形成時間＞35×104a，本區較老時期的水熱活動應為地表以淺300m左右的空間。也即，本區水熱流體的沸騰面深度，現今在地表以淺的200m深度以內，較老時期的水熱流體沸騰面在地表300m以淺的深度。騰沖水熱流體的活動區域，所形成的諸多蝕變礦物組合，具有典型淺成低溫熱液作用的特征。區內硅華及蝕變花崗巖中，雖曾出現冰長石、葉蠟石、迪開石等較高溫相的礦物，但數量偏小，分布也僅局限于高溫沸泉的周圍。本區特征的方英石+鈉明礬石+高嶺石礦物組合，是區內水熱流體因沸騰而致的酸性淋濾作用的代表性產物。由于本區多期次的水熱活動，強烈的酸淋作用，高嶺石化范圍廣、強度大，并形成結晶度指數最高可達1.67的典型熱液作用高嶺石礦物，甚至形成純凈高嶺石礦床，而遠離強烈水熱活動作用的地段，高嶺石的有序度降低，并多與伊利石、蒙皂石共生。在水熱流體呈現弱酸—弱堿性的介質環境中，則形成絹云母化、伊利石—蒙皂石間層礦物化、泥化（蒙脫石、綠泥石）的礦物組合。當水熱流體的周期性活動處于衰減，又有大量Ca質組分供給的條件時，則出現碳酸鹽化，于泉口周圍形成鈣華，在圍巖中呈現方解石交代或以脈體形式充填。水熱活動區內的蝕變類型，主要有：硅化以出露于高溫或熱沸泉口周圍的硅華、硅質層為特征。在熱海熱田內的分布，以SN向斷裂帶中最為發育。熱沸泉水中的Si元素具有甚高的豐度，來源于深部水熱流體對圍巖的交代作用，SiO2在水熱流體中以微米級球狀硅膠的形式運移，出露于熱沸泉的硅華及受蝕變作用的堿長花崗巖、水熱爆炸角礫巖的膠結物中，經脫水作用可逐步向蛋白石、玉髓轉變，最終形成顯晶質石英。區內硅化作用形成的礦物為硅膠、蛋白石、玉髓、α石英、方英石等。硅華在水熱活動作用過程中，并能呈現水熱流體噴溢孔道的自封閉作用，從而導致沸騰-爆裂過程的不斷發生和SiO2凝膠所攜帶的Au的沉淀。明礬石化明礬石為典型的熱液蝕變礦物。區內的明礬石化，表明水熱流體具有高硫逸度和強酸性（pH＞3.5）環境，流體中的H2S與H2O所形成的H2SO4，對堿長花崗巖中的堿性長石、鉀云母的化學作用，產生明礬石和石英。其分布主要見于熱沸泉口周圍和H2S氣體的噴氣地面，毛礬石、鐵明礬、斜鈉明礬、黃鉀鐵礬、無水芒硝等礬類礦物也常與之相伴。高嶺石化水熱活動區內高嶺石化至為普遍，為強烈酸性淋濾作用所形成。在水熱活動強烈地帶，形成結晶度指數很高的1TC型有序板狀高嶺石，在遠離水熱活動強烈的地段，其有序度降低。一般有序和較無序的高嶺石，限于分布在斷裂帶外圍和較低溫區。水熱流體中K+/H+比值越低，越有利于鉀長石的高嶺石化，區內水熱流體的H2S與堿長花崗巖中的鉀長石的背景，無疑是熱海熱田區內普遍高嶺石化，以至在沙坡形成高嶺石礦體的良好環境條件。在水熱活動強烈地段，曾見有迪開石、葉蠟石等典型水熱蝕變礦物，但分布局限。絹云母化水熱活動區內的絹云母，屬于二八面體細粒白云母類型，大多具有較低溫的1M多型或較高溫的2M多型特征，以此可與風化作用形成的伊利石相區別。區內絹云母化，反映中低溫熱液蝕變作用和不斷降溫、降壓的反應過程，存在鉀長石➝絹云母➝伊利石的蝕變礦物演化系列。黃瓜箐地段，蝕變花崗巖絹云母化強烈，鉀長石幾乎全部分解為絹云母和石英，并保有板狀鉀長石的外形，即為佐證。I/S間層礦物化本區水熱活動區內的伊利石—蒙皂石間層礦物化，反映了弱酸至弱堿的介質環境，其形成經歷了2：1型層狀硅酸鹽結構的相互轉化過程。區內持續多期的水熱活動，促進了I/S間層礦物的普遍發育。在IS間層礦物中，仍保留有二八面體的結構性質，K+離子數隨膨脹層由28%→32%時，相應的由0.46減小到0.21，總層電荷數也隨膨脹層的增加而降低。本區I/S間層礦物中，未發現間層比更高的礦物。泥化本區泥化，發育在水熱活動中心的外圍地帶，主要礦物為蒙脫石、綠泥石，形成于溫度較低的環境，并有I/S間層礦物、碳酸鹽礦物與之共生。以上六種水熱蝕變類型，總體上共同構成了淺層低溫熱液相環境條件下的蝕變特征，雖或缺一些蝕變類型，仍可與世界通常所見的火山熱液區、熱泉型蝕變類型相比較。區內各類蝕變，都表征了其形成的背景條件與形成過程。由于本區水熱流體的持續性、周期性活動，尤其是后期水熱流體活動的作用，使本區蝕變類型常具彼此疊加的特征。區內的蝕變分帶，從蝕變演化過程及特征上，應按上述六類分帶，但由于疊加作用及原巖礦物組分的不同，宏觀上可歸并為以下分帶：硅化、明礬石化帶；高嶺石、迪開石化帶；絹云母、伊利石—蒙皂石化帶；蒙脫石、綠泥石泥化帶。
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。