地球科学进展, 2021, 36(4): 335-345 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.042

综述与评述

烃类流体在MVT型铅锌矿成矿中角色与作用:研究进展与展望

李荣西,1,2, 毛景文1,3, 赵帮胜1,2, 陈宝赟1,2, 刘淑文1,2

1.长安大学地球科学与资源学院,陕西 西安 710054

2.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部 重点实验室,陕西 西安 710054

3.中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037

A Review of the Role of Hydrocarbon Fluid in the Ore Formation of the MVT Pb-Zn Deposit

LI Rongxi,1,2, MAO Jingwen1,3, ZHAO Bangsheng1,2, CHEN Baoyun1,2, LIU Shuwen1,2

1.School of Earth Science and Resources,Chang'an University,Xi'an 710054,China

2.Key Laboratory of West China's Mineral Resources and Geological Engineering,Minstry of Education,Chang'an University,Xi'an 710054,China

3.Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China

收稿日期: 2020-10-17   修回日期: 2021-01-29   网络出版日期: 2021-05-31

基金资助: 国家自然科学基金项目“大巴山前陆构造纤维状方解石脉体成因机理及其油气地质意义研究”.  41772118

Received: 2020-10-17   Revised: 2021-01-29   Online: 2021-05-31

作者简介 About authors

李荣西(1966-),男,甘肃庆阳人,教授,主要从事矿产普查与勘探研究.E-mail:rongxi99@163.com

LIRongxi(1966-),male,QingyangCity,GansuProvince,Professor.Researchareasincludemineralresourceprospectingandexploration.E-mail:rongxi99@163.com

摘要

MVT型铅锌矿床是最重要的铅锌矿类型之一,近百年来人们在此类矿床地质和地球化学特征、成矿物质来源、成矿物质活化、运移和沉淀机制、成矿时代和成矿动力学等方面取得了许多重要成果,其中最重要的认识就是与油气相关的烃类流体在Pb-Zn等金属元素活化、迁移和沉淀成矿中起着非常重要的作用。在综合分析前陆盆地烃类流体与MVT型铅锌矿二者之间的成因关系的基础上,系统总结了世界范围内前陆盆地MVT型Pb-Zn矿床共同特征,总结了近年来前陆盆地MVT型铅锌矿烃类流体研究成果和进展,分析表明烃类流体以什么角色、如何参与MVT型铅锌矿成矿作用是目前研究的热点问题,有关烃类流体携带Pb-Zn等金属元素能力及其参与Pb-Zn沉淀成矿机制、前陆盆地构造演化背景下流体汇聚动力学,以及油气藏破坏与Pb-Zn成矿耦合关系等是未来有待深入探讨的重要科学问题。在矿床学和矿床地球化学研究基础上,应该发挥交叉学科特色优势和研究手段,从石油地质学角度出发,研究前陆盆地构造演化过程中烃类流体形成、演化与MVT型铅锌矿成矿过程之间的耦合关系,从有机流体角度切入,探讨MVT型铅锌矿成矿物质来源、成矿作用过程和成矿机制是新的研究趋势。

关键词: MVT型铅锌矿 ; 烃类流体 ; 成矿机制 ; 前陆盆地

Abstract

MVT Pb-Zn deposit (Mississippi Valley Type) is one of the most important types of lead-zinc mine. Many large oil and gas fields developed together with MVT type Pb-Zn ore in the foreland basin in the world. Hydrocarbon fluid associated with oil/gas has played a very important role in the mobilization, transportation and precipitation of metal elements of Pb-Zn. Several metallogenic models of MVT Pb-Zn deposit have been established based on the background of foreland basin structure of which hydrocarbon fluid participated in Pb-Zn mineralization, or acted as the role of reductant to precipitate in Pb-Zn minerals. The close connections between the MVT type Pb-Zn deposit and hydrocarbon fluid of oil/gas field in foreland basin is widely recognized by deposit scientists in the world. Currently geologists' attentions have been focused on the role of hydrocarbon fluid in the metallogenic characteristics of MVT Pb-Zn deposit formation, ability of mobilization and transportation of Pb-Zn elements and metallogenic mechanism of hydrocarbon fluid during tectonic evolution history. On the basis of geological and geochemical study of MVT Pb-Zn deposit, ideas and methods of petroleum geology and organic geochemistry should be used to study the coupling relationship of evolution process of hydrocarbon fluid and mineralization process of MVT Pb-Zn deposit.

Keywords: MVT Pb-Zn deposit ; Hydrocarbon fluid ; Metallogenic mechanism ; Foreland basin

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本文引用格式

李荣西, 毛景文, 赵帮胜, 陈宝赟, 刘淑文. 烃类流体在MVT型铅锌矿成矿中角色与作用:研究进展与展望. 地球科学进展[J], 2021, 36(4): 335-345 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.042

LI Rongxi, MAO Jingwen, ZHAO Bangsheng, CHEN Baoyun, LIU Shuwen. A Review of the Role of Hydrocarbon Fluid in the Ore Formation of the MVT Pb-Zn Deposit. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(4): 335-345 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.042

1 引 言

铅锌矿床成因类型多样,包括MVT型(Mississippi Valley Type)、Sedex型(Sedimentary Exhalative Deposit)、VMS型(Volcanic-hosted Massive Sulfide)、斑岩型和矽卡岩型等,其中MVT型是仅次于Sedex型的第二大类型铅锌矿。据统计,世界上MVT型矿床数和储量分别占大型和超大型铅锌矿床数量和储量的24%和23%,矿床规模从几百万吨到几千万吨1。MVT型铅锌矿是世界上最重要的铅锌矿类型之一,在全球各大洲均有发现,其中最典型的就是位于美国中部密西西比河流域中上游地区的MVT型铅锌矿集区23

烃类流体是与油气形成和演化有关的富有机质成分的地质流体,是在一定温压条件下由沉积有机质热演化形成的烃类产物,是沉积盆地中重要的内生地质流体45。近1个世纪以来,人们对世界范围内MVT型铅锌矿床进行了大量深入研究,结果表明MVT型铅锌矿床主要发育在前陆盆地,烃类流体与MVT型Pb-Zn矿分布关系密切26~8。在Pb和Zn等金属元素活化、迁移和沉淀成矿中,烃类流体起到了非常重要的作用,建立的MVT型铅锌矿成矿模式大多都基于前陆构造背景下烃类流体参与成矿或通过提供还原剂而成矿26~8。纵观近10年的研究成果,人们基本上肯定了前陆盆地油气田烃类流体与MVT型铅锌矿之间密切的成因联系,目前关注和研究的焦点主要集中在烃类(油、气)流体在成矿中的角色和所起的作用、烃类流体携带Pb-Zn等金属元素能力、烃类流体参与Pb-Zn沉淀成矿机制、前陆构造演化背景下成矿流体和盆地内生流体汇聚动力学,以及油气藏形成、破坏与Pb-Zn成矿耦合关系等问题。其中烃类流体以什么角色、如何参与成矿作用是当前最关注的重要科学问题9~11。发挥交叉学科特色优势和研究手段,从有机流体角度研究前陆盆地构造演化过程中烃类流体形成、演化与MVT型铅锌矿成矿过程之间的耦合关系,探讨MVT型铅锌矿成矿物质来源、成矿作用过程和成矿机制是新的研究趋势。

2 前陆盆地烃类流体与MVT型铅锌矿关系密切

前陆盆地(或前陆构造Foreland)位于大型造山带和克拉通之间,是伴随碰撞造山作用过程而形成的以逆冲推覆、褶皱等挤压构造变形为特征的构造带,其油气资源和Pb-Zn矿资源非常丰富,世界上许多大型油气田与MVT型铅锌矿共存在前陆盆地,如加拿大西部阿尔伯达盆地,美国东部阿巴拉契亚盆地25~7。统计表明,前陆盆地油气储量占总储量的46.1%,发现的大油气田数占世界大油气田总数的34.2%12,前陆盆地MVT型铅锌矿资源量占全球铅锌总量的27%2

研究表明,MVT型铅锌矿床与油气田在空间上具有一致性,二者都分布在前陆盆地生烃中心边部基底隆起区、构造高点或穹隆,为前陆构造油气运移指向区,或是油气聚集成藏的构造圈闭,有些铅锌矿床构造本身就是一个古油气藏的构造圈闭2713~16。如美国密西西河流域CMO、SEM、ILK、CKY、UMV和CTN等铅锌矿矿集区,与油气田一样都围绕在伊利诺伊盆地寒武系沉积中心(也就是生烃中心)分布,与油气从生烃中心向边部隆起区或构造高点运移趋势一致17图1)。我国环扬子地块铅锌矿分布特征与美国密西西河流域铅锌矿具有十分相似之处18,上扬子地区下寒武统烃源岩有3个生烃中心,即川西南拗陷、湘鄂西拗陷和城口拗陷(图2),环扬子地块铅锌矿和大气田就发育在三大生烃拗陷边部的早古生代隆起或古陆构造背景之上,这些构造高点是盆地早期形成的烃类流体运移和汇聚指向区,也是前陆构造油气流体和含矿流体汇聚区域。

图1

图1   美国密西西比河谷铅锌矿集区分布与盆地构造和生烃中心关系图[17]

Fig.1   Distribution of the MVT Zn-Pb districts with associated basin structure and source rock centre in the Central US[17]


图2

图2   环扬子地块铅锌矿集区与下寒武统生烃中心和早古生代古构造分布关系图

Fig.2   The MVT Zn-Pb districts around the Yangtze block with associated the Lower Cambrian source rock and paleostructure


世界上绝大多数MVT型铅锌矿与同构造带油气储层地层层位一致,铅锌矿赋存层位就是物性良好的油气储层,孔隙度和渗透率高,而且具有完整的生储盖组合特征1019~21。在MVT型铅锌矿中常见沥青或油气包裹体等烃类流体,其源岩与油气田烃源岩具有一致性,与同构造带的油气为相同烃源岩生烃热演化产物92223。MVT型铅锌矿固体沥青、流体包裹体甚至石油和天然气中也含有Pb和Zn等金属元素,分析发现固体沥青中Pb和Zn含量一般在百分级别24,闪锌矿流体包裹体中Pb浓度可达百分级别,方解石、石英等脉石矿物包裹体中Pb和Zn浓度也高达数千μg/g825~28,前陆盆地油田卤水Pb和Zn浓度可高达到数百μg/g29。顾雪祥等19曾详细论述了前陆盆地MVT型铅锌矿Pb-Zn与油气共生/伴生以及二者的成因关系,提出油气和金属矿产协同勘探的观点。

从石油地质学角度分析,油气形成的温度范围也刚好与MVT型铅锌矿成矿温度范围(60~200 ℃)一致,液态油形成温度为60~180 ℃,当温度高于180 ℃时,液态油裂解为气态烃(湿气),而当温度超过200 ℃时气态烃进一步裂解成甲烷和固体沥青(油气热演化最终残留物)2830~33

油气烃类流体在MVT型Pb-Zn成矿中扮演重要角色并起着重要作用,多种成矿模式也是以烃类流体参与成矿作用而建立的2834~36。Anderson6737总结出了油气烃类有机质参与Pb-Zn成矿可能的方式及其在成矿过程中所起的Pb-Zn活化剂、运载体和还原剂等不同角色。目前一般认为烃源岩早期热演化形成的富有机酸流体,可能是矿源层中Pb-Zn元素活化剂,油田卤水(也可能包括液态油)可能成为铅锌多金属元素迁移的主要载体和成矿流体的重要组成部分,在成矿晚期阶段烃类流体(包括甲烷)可能是Pb-Zn沉淀的还原剂26713183839

Sicree等17指出包括密西西河谷矿区在内的全球主要MVT铅锌矿普遍存在2期沥青,记录了2种烃类有机质,一种是盆地卤水带入的有机质,是成岩早期相对低热演化条件形成的以有机酸类流体为主要成分的流体;一种是矿体赋存地层寄主岩石成岩作用过程中形成的油气烃类有机质,包括油、气或沥青。实际上,野外仔细观察发现,许多MVT铅锌矿野外宏观可以识别出2期沥青。例如,近年来在四川盆地北缘即大巴山前陆盆地发现的马元铅锌矿,野外就明显识别出早、晚两期沥青,早期沥青呈黑色薄层状,以衬垫式分布在角砾岩孔洞壁(图3a~c),是角砾岩孔隙中最早流体充填产物。晚期沥青呈块状(最大粒径4~5 cm)充填白云岩角砾残余孔洞中(图3d~f)。充填序列是:早期沥青最先充填,之后白云石、重晶石和闪锌矿、方铅矿等热液矿物充填,最后为固体沥青充填残余孔隙(图3b~d)。这两期沥青野外宏观特征与Sicree等17指出的MVT铅锌矿常发育的2期有机质特征非常类似,代表了前陆盆地早、晚两期热演化形成的烃类有机质。

图3

图3   大巴山前陆盆地马元铅锌矿两期沥青与铅锌矿宏观产状特征

Fig.3   Macrofeatures of two episodes bitumen and lead-zinc ore in the Mayuan deposit in the Dabashan foreland basin


上述特征表明,MVT型Pb-Zn矿床与油气藏不但空间分布关系密切,而且成因关系也非常密切,从烃源岩热演化初期形成的有机酸,到油藏圈闭中的油和气,在Pb-Zn成矿都具有重要角色和作用。

3 世界范围内MVT型Pb-Zn矿床具有许多共同特征

MVT型铅锌矿在全球各大洲均有发现,其中发现最早、规模最大、研究程度最高的是美国中部密西西比流域MVT型Pb-Zn矿集区27183940。中国发现的MVT型Pb-Zn矿床主要集中在扬子地台周缘地区及特提斯构造域的云南到藏北羌塘地区,华北地台东北缘地区也有零星分布,其中扬子地台西缘川滇黔交界地区、南缘桂粤地区、中部湘鄂地区、北缘大巴山—米仓山地区的MVT型Pb-Zn矿床多,规模大,研究程度高41~45。近年来人们对MVT型Pb-Zn矿床进行了大量深入研究,在矿床地质、矿床地球化学、成矿物质来源、成矿流体、控矿因素、成矿机制、成矿年代、成矿构造背景及动力学等方面取得了大量成果和认识。对MVT型Pb-Zn矿床基本特征进行系统总结78344043,普遍认为MVT型Pb-Zn矿有许多共同特征:主要赋存于前陆盆地结晶基底隆起或构造高点的显生宙以来的沉积盖层中,目前矿体埋藏深度相对较浅;赋矿岩石以溶蚀孔发育的角砾岩状白云岩为主;地层发生中等强度的变形;具层控特征;与火山岩浆活动无直接联系;成矿温度一般为60~200 ℃,与油气形成演化温度刚好一致;矿石矿物以闪锌矿和方铅矿为主,与脉石矿物充填在角砾岩溶孔中;常见与盐水流体包裹体共生的烃类(油气)流体包裹体和固体沥青;前陆盆地普遍存在异常高压含烃类流体(压力梯度约为2.0 MPa/100 m),异常高压是前陆构造油气藏和MVT型Pb-Zn矿床主要特征之一46~50。MVT型Pb-Zn成矿流体为异常高压、高盐度(一般10%~25%NaCleq)流体,且具有盆地内生油田卤水的同位素和成分特征1347成矿时代与前陆构造形成时间一致或与区域性汇聚构造事件相关4749~51

4 烃类流体在成矿中的角色与作用是研究热点

矿床学家在研究和总结MVT型Pb-Zn矿床基本特征的同时,建立了多种成矿模式,其中Sverjensky34曾总结出的MVT型Pb-Zn矿床3种成矿模式最具代表性:过量硫成矿模式,即Pb-Zn在油田卤水中迁移,当与富硫酸盐流体混合后发生沉淀成矿,硫酸盐可以是有机质中有机硫热降解形成的,也可以是蒸发岩中硫酸盐还原形成的;硫酸盐还原模式,即含Pb-Zn金属元素在含硫酸盐流体或油田卤水中迁移,遇到油气有机质或甲烷天然气等还原剂,硫酸盐还原成硫化物而沉淀成矿;还原硫模式:即含Pb-Zn金属元素和还原硫在同一流体中迁移,由于流体pH值、环境温度等条件发生变化,或者有机质降解形成有机酸氧化使Pb-Zn金属元素沉淀成矿。许多人对该成矿模式做了评述91018203952,Charles等35认为Sverjensky成矿模式为同类矿床研究和勘探提供了重要依据。从上述多种成矿模式来看,烃类流体在MVT型Pb-Zn矿床成矿各阶段起到了不同的重要角色,包括在原岩Pb-Zn元素活化中起到活化剂作用,而在Pb-Zn元素迁移中起到运移载体作用,在Pb-Zn元素沉淀成矿中起到还原剂作用。

但不同地区、不同矿集区MVT型铅锌矿床含矿岩性、矿物组合、控矿因素、成矿温度和烃类流体等也不完全相同,人们对Sverjensky成矿模式也提出了不同的意见131553,正如Anderson7指出的一样,很难有一个统一的成矿模式能解释世界上所有MVT铅锌矿床的形成过程,但是无论哪一种成矿模式,基本上都是基于前陆构造背景下,与油气系统有关的烃类流体和还原硫参与成矿而建立的,烃类流体直接参与成矿或者为Pb-Zn沉淀提供了还原硫或硫酸盐还原剂。

除了传统的矿床学和矿床地球化学研究外,人们常用水/岩反应计算、实验室化学反应成矿模拟等手段,通过研究矿化层Pb-Zn元素在油田卤水、含有机质等不同成分流体、不同形式还原硫(H2S,HS-或S2-)、不同物化条件下活化,以及Pb-Zn元素在流体中迁移和沉淀物理化学条件等,研究MVT型Pb-Zn矿成矿机制问题14353852~57。国内的张永翰等57和岳长涛等58分别通过有机质、原油与硫酸镁反应形成有机硫化物的过程,进行模拟实验研究,探讨实验条件对有机硫化物形成的影响。为了研究液态油在MVT铅锌矿成矿中的作用,Sanz-Robinson等59应用原油和Zn离子化学反应实验,发现Zn离子沉淀的浓度随原油中的羧酸含量的增高而明显增加,在250 ℃时沉淀物中Zn离子浓度高达1 700×10-6,该浓度达到了推测的形成MVT铅锌矿盐水溶液中需要溶解的最高的Zn含量,而形成MVT铅锌矿盐水溶液需溶解的最低Zn-Pb离子浓度为10×10-6,还原硫浓度为0.001~0.01。Rieger等20通过模拟实验提出了有机酸在MVT铅锌矿形成过程中发生成矿的化学反应方程式。我国学者自20世纪末期就开始研究有机质成矿作用,包括用实验方法研究有机质在Pb-Zn成矿中作用60,通过原油与硫酸盐反应探讨硫化物形成过程。Anderson67总结出了油气田烃类有机质参与Pb-Zn成矿5种可能的方式和3种角色(即活化剂、运载体和还原剂),认为烃源岩早期热演化形成的富有机酸流体是矿源层Pb-Zn等金属元素活化剂,油田卤水(也可能包括液态油)为Pb-Zn等金属元素迁移的主要载体和成矿流体的重要组成部分,烃类流体可能提供了Pb-Zn沉淀所需的还原硫或硫酸盐还原剂。

油田卤水具有较强的携带元素能力,海水中稀土元素总量(∑REE)一般最高为几个μg/kg,热液流体中最高达数十μg/kg,但是在含硫酸盐酸性溶液中(pH<0.6),稀土元素总(∑REE)可以高达数千μg/g54。Lecumberri-Sanchez等10对摩洛哥Hammam油田水分析发现总稀土元素在温度为100~160 ℃的含烃类有机质的油田卤水中的浓度高达数千μg/g。用LA-ICPMS分析发现含烃流体包裹体中Li含量超过了100 μg/g,Zn、Pb和Cu含量高达数十μg/g,稀土元素总量最高达2 000 μg/g。追踪发现油田卤水和流体包裹体中高含量的Zn、Pb和ΣREE与盆地基岩煌斑岩有关,认为含烃卤水循环过程中与煌斑岩水/岩作用,萃取了Zn、Pb和REE元素,因此低温油田卤水不仅能活化金属元素,而且能够携带和迁移金属元素。

由上述可见,烃类流体参与MVT型Pb-Zn矿床成矿作用机制长期以来是国内外研究的前沿领域,烃类流体以什么角色、如何参与成矿作用是其关键科学问题,当前研究探讨的主要问题聚焦在:Pb-Zn金属元素来源问题,来源于烃源岩还是基岩,还是二者均有贡献?烃类流体活化、携带和沉淀Pb-Zn等金属元素能力和物化条件;前陆盆地构造演化控制下的烃源岩生烃过程和Pb-Zn成矿阶段之间的耦合关系;成矿流体迁移和汇聚驱动力等动力学。

5 多学科交叉融合是MVT型矿床研究的趋势

目前对与MVT矿床关系密切的烃类流体研究的不多,特别是对与烃类流体成因、演化及其在MVT矿床形成过程中所起的具体作用等,缺少实验室模拟研究,建立的有关烃类流体参与的成矿模式,也是基于Sverjensky34的成矿模式而建立的。而有关MVT矿床烃类流体(沥青、油、气)的问题,需要从石油地质学角度出发,结合有机地球化学手段去研究和解决。

目前对MVT铅锌矿Pb-Zn金属元素来源认识主要有:来源于前陆盆地基底结晶岩系;来源于含矿层本身;来源于富有机质的黑色岩系,这些认识主要基于铅锌矿成矿矿物S和Pb等稳定同位素、原位微量稀土地球化学分析或流体包裹体稳定同位素(如δD/δ18O等)分析,间接确定的Pb-Zn金属元素来源。而MVT矿床常常发现固体沥青,方铅矿、闪锌矿等矿石矿物和白云石、重晶石等脉石中发现的富CH4和H2S的天然气包裹体或液态烃包裹体,通过对这些与铅锌矿密切共生的烃类包裹体研究,应用有机地球化学方法可以追踪烃类流体的源岩,可以为确定Pb-Zn金属元素来源问题提供新的方法和线索。

MVT铅锌矿中烃类流体的相态不同,那么成矿机制不同。如果MVT铅锌矿中只有液态石油包裹体,而没有甲烷天然气,说明烃源岩热演化程度低,没有形成甲烷天然气,那么就不存在甲烷还原硫酸盐这个过程。如果同时存在液态烃包裹体和气态烃包裹体,说明烃源岩先形成液态石油,再由其热解形成甲烷气,那么烃类流体有可能参与了成矿的整个过程。

MVT铅锌矿中固体沥青成因不同,铅锌矿成矿机制不同。固体沥青是与油气演化有关的一种固体有机质,包括古气藏沥青和古油藏沥青,古气藏沥青是石油经高温热裂解形成甲烷气藏后再被破坏而散失后的残留物,称之为焦沥青(pyrobitumen),焦沥青有机质结构中脂肪烃成分因高温而破坏,残留和保存的主要为芳烃和非烃组分61~64,如果温度达到岩石变质程度即形成石墨(C)。而古油藏沥青是由于构造抬升或断裂作用,古油藏原油中轻质烃类散失,而重烃残留,并发生次生变化而形成的固态有机质6364,次生变化包括当古油藏暴露到地表或接近表生环境下发生氧化作用、生物降解作用,或因淋滤作用而发生水洗作用,分别形成氧化沥青、生物降解沥青和水洗沥青等不同类型的沥青。与古气藏沥青明显不同的是,古油藏沥青有机质结构中一般都保存有一定量的脂肪烃成分,而且有含氧基团或明显的生物降解的饱和烃色谱特征,容易与热解的古气藏沥青区分63。通过分析沥青热解色谱(Pyro-GC),或者分析固体沥青的Micro-FT.IR光谱,根据沥青化学结构或官能团组成特征,就可识别沥青成因类型。

前陆盆地一般经历早期沉降和晚期隆升两个构造演化阶段,早期沉降阶段是油气形成和大规模聚集过程,晚期隆升阶段导致油气藏调整或破坏。如果前陆盆地沉降幅度有限,烃源岩埋藏热演化仅达到液态油形成的成熟阶段时发生构造隆升,导致油藏调整或者破坏,由此产生的沥青为古油藏沥青(图4a)。如果前陆盆地沉降幅度大,烃源岩埋藏热演化达到高—过成熟阶段,早期形成的油藏中液态油发生热裂解形成天然气藏,之后发生构造隆升导致气藏调整或者破坏,由此形成的沥青为古气藏沥青(图4b)。MVT铅锌矿沥青是古油藏沥青还是古气藏沥青,参与成矿的有机流体不同,成矿机制也就不同34

图4

图4   前陆盆地烃类流体演化与铅锌成矿模式图

(a)MVT型铅锌矿与古油藏形成与演化关系;(b)MVT型铅锌矿与古气藏形成与演化关系

Fig.4   The model of Pb/Zn mineralization related with hydrocarbon fluid evolution of foreland basin

(a) Pb-Zn mineralization related with paleo-oil reservoir; (b) Pb-Zn mineralization related paleo-gas reservoir


如果是古油藏因构造隆升遭受破坏,液态油在浅层地表条件下遭受氧化、降解等,形成大量有机酸,有机酸使地层含Pb-Zn流体中硫酸盐氧化形成硫化氢,化学反应式为:

SO42-+O2+C6H5CH3C6H5COOH+HS-+H2O

形成的硫化氢再与流体中携带的Pb-Zn元素反应,导致Zn-Pb沉淀成矿,化学反应式为:

HS+(Zn,Pb)Cl2(Zn,Pb)S+H++Cl

如果是古气藏遭受破坏,甲烷还原地层流体中硫酸盐形成硫化氢,化学反应为:

SO42-+CH4HCO3-+HS

之后再通过化学反应式(2)使Pb-Zn沉淀成矿。由此表明,如果铅锌矿存在古油藏沥青,说明烃类流体作为硫酸盐氧化剂,导致硫化氢形成和Pb-Zn沉淀成矿;如果是古气藏沥青,表明烃类流体作为硫酸盐还原剂,导致硫化氢形成和Pb-Zn沉淀成矿。

前陆构造演化的阶段性控制了油、气形成的阶段性,也控制古油气藏保存与破坏,由此也影响Pb-Zn富集和沉淀机制和过程。前陆盆地烃源岩热演化史和油气形成过程,与铅锌矿中甲烷和沥青等烃类流体形成阶段、成矿阶段,都受控于统一的构造演化格局,二者之间具有相应的匹配关系,这也是确定烃类流体是否与成矿作用有关的关键。通过对前陆盆地构造、沉积和热演化历史恢复,与盆地沉降史、生烃史相结合,确定烃源岩生烃和烃类流体运聚成藏过程,结合低温年代学技术,研究前陆盆地晚期构造隆升过程。发挥交叉学科优势,应用水/岩反应和化学反应成矿实验模拟手段,从石油地质学角度出发,结合有机地球化学分析铅锌矿中沥青成因机制,探讨Pb-Zn金属元素活化、迁移和沉淀机制,揭示前陆构造隆升、烃类流体运聚、古油藏破坏与成矿作用之间耦合关系,是MVT铅锌矿成矿作用研究的趋势。

6 结 语

MVT型铅锌矿是最重要的铅锌矿类型之一,世界上许多MVT型铅锌矿与大型油气田共存在前陆盆地。MVT型铅锌矿床与油气田不但空间分布关系密切,而且成因上密切相关。人们对MVT型铅锌矿矿床地质和地球化学特征进行了大量研究,建立了MVT型铅锌矿多种成矿模式,其中许多成矿模式都是基于前陆构造背景下,与烃类流体直接参与或通过提供还原剂成矿而建立的。目前研究探讨的主要问题聚焦在Pb-Zn的来源问题,流体活化、携带和沉淀Pb-Zn等金属元素能力和机理,以及前陆盆地构造演化控制下的烃类流体演化和成矿之间的耦合关系。烃类流体参与MVT型铅锌矿成矿作用是近年来研究的前沿领域,烃类流体以什么角色、如何参与成矿作用是最重要的关键科学问题。

前陆盆地逆冲断裂和褶皱构造发育,野外叠加构造特征和变形期次非常明显,烃源岩、储层、矿化、脉体等野外露头分布广,特征清晰,是研究烃类流体与MVT型铅锌矿关系的天然实验室。烃源岩经历低温到高温热演化过程,形成从富有机酸油田卤水、液态油、湿气、干气、沥青等产物,其流体作用、运移和汇聚、油气藏的形成和破坏等均受控于前陆盆地构造演化。目前有关前陆盆地多期叠加构造格局控制下的烃源岩热演化、油气形成、运聚成藏研究和油气勘探成果很多,而前陆盆地MVT型铅锌矿中烃类流体研究程度相对较低。矿床学更多地研究了Pb-Zn成矿作用和矿床地球化学,而对与之关系密切的烃类流体形成、演化及其在成矿中的作用研究不够。在矿床学和矿床地球化学研究基础上,从石油地质学角度出发,发挥交叉学科特色手段,从油气有机质角度切入研究烃类流体形成演化过程与MVT型铅锌矿成矿过程之间耦合关系,探讨MVT型铅锌矿成矿物质来源、成矿作用过程和成矿机制是研究趋势。

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