第38卷第1期 地质科技情报 VoL 38 No. 1 2019年1月 Geological Science and Technology Information Jan.2019 doi:10.19509/j.cnki.dzkq.2019.0108 游雅贤,文华国,郑荣才,等,陆地热泉硅华研究进展与展望[J].地质科技情报,201938(1):6881. 陆地热泉硅华研究进展与展望 游雅贤,b,文华国,郑荣才ab,罗连超a,b (成都理工大学a.油气藏地质及开发工程国家重点实验室;b.沉积地质研究院,成都610059) 摘要:陆地热泉硅华是活动地热环境下,富含硅酸盐热液流体在地表形成的沉积物,其独特的微生物结构及地 球化学特征对潜在地热资源、古环境、古气候、早期生命起源等硏究具有重要指示意义。尽管近年来地质学家对 形成陆地热泉硅华的热源类型、硅华结构特征、共生矿物、同位素及微量元素特征、微生物在成岩中的作用等方面 做了不少研究,但由于热泉硅华沉积一成岩过程中受包括热储岩性、热泉水蒸发冷却、pH值改变、微生物生长等 复杂外界条件影响,其形成环境、发育特征和控制因素等系列科学问题有待深λ探讨。在国内外大量文献调研的 基础上,结合近期对云南腾冲热海地热区硅华的研究,综述了目前国内外对陆地热泉硅华的研究进展,总结了陆 地热泉硅华具有矿物种类多样、结枃形态丰富、地球化学特征复杂、与地热系统热源关系密切等基本特征,还总结 了影响陆地热泉硅华形成中冷却、蒸发、pH值、阳离子效应、微生物活动等非生物和生物控制因素,提出了当前陆 地热泉硅华研究存在硅华结构成因解释不明确、微生物与热泉硅华微结构间的关系及微量元素和同位素地球化 学研究薄弱、人类活动对硅华沉积影响使得研究更复杂等问题,指出下一步应加强同位素分馏、微量元素及常量 元素在硅华沉积一成岩中的作用机理研究;通过全面的地球物理一化学一微生物关系分析,明确热泉硅华成因 弄清控制硅华沉积的因素及微生物在硅华生长中的作用;深入了解热泉硅华形成的复杂性及其在全球范围内的 相关性,从而更加全面地认识陆地热泉硅华沉积,并为下一步研究提供启示 关键词:热泉硅华;形成环境;岩石矿物学;地球化学;微生物;成岩作用 中图分类号:P314.1 文献标志码:A 文章编号:10007849(2019)01-0068-14 Advances and prospects of the terrestrial geothermal Siliceous sinter research You yaxian,b. Wen h Zheng rongcaiab, Luo Lianchi (a State Key Laboratory of Oil and Gas Reservior Geology and Exploitation b Institute of Sedimentary Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) Abstract: Terrestrial hot-spring siliceous sinter is a common surface product formed in the emerging and precipitation of silicate hydrothermal fluids in geothermal environments. Its unique microbial textures and geochemical characteristics have important implications in the study of latent geothermal resources, paleor- environment, paleoclimate, and early life origin. Due to its manifestation of the geothermal system heat source on the terrestrial surface, its depositional and diagenetic process is affected by biotic and abiotic ir teractions in different depositional environments, and exhibits different petromineralogy and geochemical characteristics on the earth's surface. In recent years geologists have studied the types of heat sources, the textures characteristics, symbiotic minerals, isotopes and trace elements, and the role of microorganisms 收稿日期:2018-0502編辑:刘江霞 基金项目:国家自然科学基金项目(41572097;4100203341472088) 作者简介:游雅贤(1994—),女,现正攻读沉积学(含古地理学)专业硕士学位,主要从事事件沉积学研究工作,E-mail21921481065 Cqq.com 通信作者:文华国(1979—),男,教授,主要从事热水沉积学和储层沉积学研究工作, E-mail: wenhuaguo08 Cdut.cn 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第３８卷 第１期 ２０１９年 １月 地 质 科 技 情 报 ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１９ ｄｏｉ：１０．１９５０９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｚｋｑ．２０１９．０１０８ 游雅贤，文华国，郑荣才，等．陆地热泉硅华研究进展与展望［Ｊ］．地质科技情报，２０１９，３８（１）：６８－８１． 收稿日期：２０１８－０５－０２ 编辑：刘江霞 基金项目：国家自然科学基金项目（４１５７２０９７；４１００２０３３；４１４７２０８８） 作者简介：游雅贤（１９９４— ），女，现正攻读沉积学（含古地理学）专业硕士学位，主要从事事件沉积学研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：１９２１４８１０６５ ＠ｑｑ．ｃｏｍ 通信作者：文华国（１９７９— ），男，教授，主要从事热水沉积学和储层沉积学研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｈｕａｇｕｏ０８＠ｃｄｕｔ．ｃｎ 陆地热泉硅华研究进展与展望 游雅贤ａ，ｂ，文华国ａ，ｂ，郑荣才ａ，ｂ，罗连超ａ，ｂ （成都理工大学 ａ．油气藏地质及开发工程国家重点实验室；ｂ．沉积地质研究院，成都 ６１００５９） 摘 要：陆地热泉硅华是活动地热环境下，富含硅酸盐热液流体在地表形成的沉积物，其独特的微生物结构及地 球化学特征对潜在地热资源、古环境、古气候、早期生命起源等研究具有重要指示意义。尽管近年来地质学家对 形成陆地热泉硅华的热源类型、硅华结构特征、共生矿物、同位素及微量元素特征、微生物在成岩中的作用等方面 做了不少研究，但由于热泉硅华沉积－成岩过程中受包括热储岩性、热泉水蒸发冷却、ｐＨ 值 改 变、微 生 物 生 长 等 复杂外界条件影响，其形成环境、发育特征和控制因素等系列科学问题有待深入探讨。在国内外大量文献调研的 基础上，结合近期对云南腾冲热海地热区硅华的研究，综述了目前国内外对陆地热泉硅华的研究进展，总 结 了 陆 地热泉硅华具有矿物种类多样、结构形态丰富、地球化学特征复杂、与地热系统热源关系密切等基本特征，还总结 了影响陆地热泉硅华形成中冷却、蒸发、ｐＨ 值、阳离子效应、微生物活动等非生物和生物控制因素，提出了当前陆 地热泉硅华研究存在硅华结构成因解释不明确、微生物与热泉硅华微结构间的关系及微量元素和同位素地球化 学研究薄弱、人类活动对硅华沉积影响使得研究更复杂等问题，指出下一步应加强同位素分馏、微量元素及常量 元素在硅华沉积－成岩中的作用机理研究；通过全面的地球物理－化 学－微生物关系分析，明确热泉硅华成因； 弄清控制硅华沉积的因素及微生物在硅华生长中的作用；深入了解热泉硅华形成的复杂性及其在全球范围内的 相关性，从而更加全面地认识陆地热泉硅华沉积，并为下一步研究提供启示。 关键词：热泉硅华；形成环境；岩石矿物学；地球化学；微生物；成岩作用 中图分类号：Ｐ３１４．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－７８４９（２０１９）０１－００６８－１４ ＡｄｖａｎｃｅｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＧｅｏｔｈｅｒｍａｌ ＳｉｌｉｃｅｏｕｓＳｉｎｔｅｒＲｅｓｅａｒｃｈ ＹｏｕＹａｘｉａｎａ，ｂ，ＷｅｎＨｕａｇｕｏａ，ｂ，ＺｈｅｎｇＲｏｎｇｃａｉａ，ｂ，ＬｕｏＬｉａｎｃｈａｏａ，ｂ （ａ．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＲｅｓｅｒｖｉｏｒＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｂ．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅｄｉｍｅｎｔａｒｙＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔ－ｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒｉｓａｃｏｍｍｏｎｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｄｕｃｔｆｏｒｍｅｄｉｎｔｈｅｅｍｅｒｇｉｎｇａｎｄ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｆｌｕｉｄｓｉｎｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｉｔｓｕｎｉｑｕｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｔｅｘｔｕｒｅｓａｎｄ ｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｌａｔｅｎｔｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｐａｌｅｏ－ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｐａｌｅｏｃｌｉｍａｔｅ，ａｎｄｅａｒｌｙｌｉｆｅｏｒｉｇｉｎ．Ｄｕｅｔｏｉｔｓｍａｎｉｆｅｓｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｓｔｅｍｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅｏｎｔｈｅｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｓｕｒｆａｃｅ，ｉｔｓｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌａｎｄｄｉａｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｂｉｏｔｉｃａｎｄａｂｉｏｔｉｃｉｎ－ ｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ａｎｄｅｘｈｉｂｉｔｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅｔｒｏｍｉｎｅｒａｌｏｇｙａｎｄｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｔｈｅｅａｒｔｈ′ｓｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｇｅｏｌｏｇｉｓｔｓｈａｖｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｈｅ ｔｅｘｔｕｒｅｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｙｍｂｉｏｔｉｃｍｉｎｅｒａｌｓ，ｉｓｏｔｏｐｅｓａｎｄｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｒｏｌｅｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ
第1期 游雅賢等:陆地热泉硅华研究选展与展望 n the formation of terrestrial hot springs siliceous sinter. However, due to the influence of complex exter- nal conditions such as thermal reservoir lithology, evaporative cooling of hot spring water, ph changes and microbial growth during the depositional and diagenetic process of hot springs siliceous sinter, further studies are needed on the formation environment, geological characteristics of sinter and factors controlling the formation mechanism of sinter. Based on a literature review and our research in the tengchong geor thermal field, Yunnan, we reviewed the current research progress in terrestrial hot spring siliceous depos its in China and abroad. We not only summarize the basic characteristics of terrestrial hot springs siliceous sinter, such as mineral diversity, abundant structure and morphology, complex geochemical characteris- tics,and close relationship with the heat source of geothermal system, but also sum up the abiotic and bio- logical control factors affecting the formation of terrestrial hot springs siliceous sinter such as cooling, e- vaporation, pH values, cation effect and microbial activity We propose that some problems still remain the current study of sinter deposits in terrestrial hot springs, for example, the unclarified interpretation of the cause of sinter textures, the weak relationship between microorganisms and microstructures of the hot springs sinter and trace elements and isotope geochemistry and the complexity of the influence of hur man activities on the deposition of sinter. We suggest that the next step of research should be to investi gate the action mechanism of isotope fractionation, trace elements and major elements in the depositional and diagenetic process of sinter and that we should make comprehensive geophysicalchemical-microbial re- lationship analysis to clarify the cause of the formation of hot spring siliceous sinter and the factors control- ling the deposition of sinter and the role of microorganisms in the growth of sinter so as to understand in depth the complexity of hot springs sinter formation and its global relevance. This study may provide a more comprehensive understanding of terrestrial hot spring siliceous deposits and be an inspiration for fur ther researc Key words hot spring siliceous sinter; formation environment; perology and mineralogy; geochemistry agenesis 热泉硅华通常被定义为地热区高温、近中性、氯华的研究现状,包括形成环境、岩石矿物学特征、地 碱性水流出地表后,于热泉池周缘经冷却、物理、化球化学特征、微生物作用、硅华结构等方面,并总结 学和生物作用而形成的二氧化硅沉积物,主要的矿陆地热泉硅华沉积的控制因素,提出当前陆地热泉 物组成为蛋白石、非晶质硅胶、石英及玉髓等[5。硅华研究存在的问题及下一步研究方向。 部分酸性热泉区也偶见二氧化硅沉积物[。陆地 热泉硅华是下伏地热流体在地表的体现,其记录了1陆地热泉硅华的形成环境 热液环境中的古生物、古水文和古环境信息[,并且 可作为重要的找矿标志,其中保存的微生物特1.1地理环境 征甚至对地球早期生物和地外生物的研究具有重要 世界范围内硅华主要分布于环太平洋带与特提 的指示意义1。陆地热泉硅华在我国主要集斯构造带,以第四纪和现代硅华为主,其分布与发育 中于西藏及滇西地区,国外主要集中于美国Yeh-受岩浆侵入、火山作用、断层分布等控制作用明显t lowstone National park、新西兰、冰岛等地热区 (图1)。我国高温地热分布主要集中在环太平洋地 据资料检索,在中低纬度地区和地热异常区陆地热热带内的台湾省,地中海一喜马拉雅地热带内的西藏 泉硅华发育较多,如中国云南腾冲火山地热区[1南部、云南及四川西部,最具代表性的云南腾冲地热 与美国 Yellowstone National Park151。这种低纬度区自中生代以来,由于印度板块与欧亚板块碰撞和挤 热泉硅华发育与地热异常紧密联系,对中低纬度地压2,使地壳活动加剧,导致频繁的岩浆活动和断裂 区和地热异常区古环境、古气候重建意义重大。尽构造的发育,尤其是中一新生代构造一岩浆活动,为 管一些学者对陆地热泉硅华开展了相关研究,包括地热活动创造了有利条件[222;现代印度板块沿西瓦 微生物硅化[11、硅华岩石矿物学特征13、硅华里克边界断裂向喜马拉雅山脉之下俯冲[2,使得南 地球化学特征[等,但仍然存在一系列科学问题有北向形成强大的主压应力及东西向形成引张力,导致 待探索。笔者在大量文献调研的基础上,结合对云青藏高原的活动构造进一步发展,并产生沿各个活动 南腾冲热海地热区硅华的研究,拟阐述陆地热泉硅构造带的西藏地热活动区;台湾地热带为西太平 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第１期 游雅贤等：陆地热泉硅华研究进展与展望 ｉｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｅｘｔｅｒ－ ｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｅｒｖｏｉｒｌｉｔｈｏｌｏｇｙ，ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇｏｆｈｏｔｓｐｒｉｎｇｗａｔｅｒ，ｐＨｃｈａｎｇｅｓａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌｇｒｏｗｔｈｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌａｎｄｄｉａｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｎｅｅｄｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｎｔｅｒａｎｄｆａｃｔｏｒｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｉｎｔｅｒ．ＢａｓｅｄｏｎａｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｒｅｖｉｅｗａｎｄｏｕｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｅＴｅｎｇｃｈｏｎｇｇｅｏ－ ｔｈｅｒｍａｌｆｉｅｌｄ，Ｙｕｎｎａｎ，ｗｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｄｅｐｏｓ－ ｉｔｓｉｎＣｈｉｎａａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｗｅｎｏｔｏｎｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｌｉｃｅｏｕｓ ｓｉｎｔｅｒ，ｓｕｃｈａｓｍｉｎｅｒａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ａｂｕｎｄａｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ ｔｉｃｓ，ａｎｄｃｌｏｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｏｆｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔａｌｓｏｓｕｍｕｐｔｈｅａｂｉｏｔｉｃａｎｄｂｉｏ－ ｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒ，ｓｕｃｈａｓｃｏｏｌｉｎｇ，ｅ－ ｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ｐＨｖａｌｕｅｓ，ｃａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔａｎｄｍｉｃｒｏｂｉａｌａｃｔｉｖｉｔｙ．Ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｔｈａｔｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｓｔｉｌｌｒｅｍａｉｎｉｎ ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｕｄｙｏｆｓｉｎｔｅｒｄｅｐｏｓｉｔｓｉｎｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｕｎｃｌａｒｉｆｉｅｄｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆ ｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｓｉｎｔｅｒｔｅｘｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｗｅａｋｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅ ｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｎｔｅｒａｎｄｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｉｓｏｔｏｐｅｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｕ－ ｍａｎａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｎｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｉｎｔｅｒ．Ｗｅｓｕｇｇｅｓｔｔｈａｔｔｈｅｎｅｘｔｓｔｅｐｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｕｌｄｂｅｔｏｉｎｖｅｓｔｉ－ ｇａｔｅｔｈｅａｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｓｏｔｏｐｅｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ，ｔｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｍａｊｏｒｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｎｄｄｉａｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｉｎｔｅｒａｎｄｔｈａｔｗｅｓｈｏｕｌｄｍａｋｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ－ｃｈｅｍｉｃａｌ－ｍｉｃｒｏｂｉａｌｒｅ－ ｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎａｌｙｓｉｓｔｏｃｌａｒｉｆｙｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｃｏｎｔｒｏｌ－ ｌｉｎｇｔｈｅｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｓｉｎｔｅｒａｎｄｔｈｅｒｏｌｅｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｉｎｔｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｓｉｎｔｅｒｓｏａｓｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎ ｄｅｐｔｈｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｓｉｎｔｅｒｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｇｌｏｂａｌｒｅｌｅｖａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｍａｙｐｒｏｖｉｄｅａ ｍｏｒｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｄｅｐｏｓｉｔｓａｎｄｂｅａｎｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒ－ ｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｐｅｒｏｌｏｇｙａｎｄｍｉｎｅｒａｌｏｇｙ；ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ； ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ；ｄｉａｇｅｎｅｓｉｓ 热泉硅华通常被定义为地热区高温、近中性、氯 碱性水流出地表后，于热泉池周缘经冷却、物理、化 学和生物作用而形成的二氧化硅沉积物，主要的矿 物组成为 蛋 白 石、非 晶 质 硅 胶、石 英 及 玉 髓 等［１－５］。 部分酸性热泉区也偶见二氧化硅沉积物［６－８］。陆 地 热泉硅华是下伏地热流体在地表的体现，其记录了 热液环境中的古生物、古水文和古环境信息［３］，并且 可作为重要 的 找 矿 标 志［９－１０］，其中保存的微生物特 征甚至对地球早期生物和地外生物的研究具有重要 的指示 意 义［３－４，１１－１２］。陆 地热 泉 硅 华 在 我 国 主 要 集 中于 西 藏 及 滇 西 地 区，国 外 主 要 集 中 于 美 国 Ｙｅｌ－ ｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ、新 西 兰、冰 岛 等 地 热 区。 据资料检索，在中低纬度地区和地热异常区陆地热 泉硅华发育较多，如中国云南腾冲火山地热区［１３－１４］ 与美国 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ［１５］。这种低纬度 热泉硅华发育与地热异常紧密联系，对中低纬度地 区和地热异常区古环境、古气候重建意义重大。尽 管一些学者对陆地热泉硅华开展了相关研究，包括 微生物硅化［１３，１６］、硅华岩石矿物学特征［４，１７－１８］、硅华 地球化学特征［１９］等，但仍然存在一系列科学问题有 待探索。笔者在大量文献调研的基础上，结合对云 南腾冲热海地热区硅华的研究，拟阐述陆地热泉硅 华的研究现状，包括形成环境、岩石矿物学特征、地 球化学特征、微生物作用、硅华结构等方面，并总结 陆地热泉硅华沉积的控制因素，提出当前陆地热泉 硅华研究存在的问题及下一步研究方向。 １ 陆地热泉硅华的形成环境 １．１ 地理环境 世界范围内硅华主要分布于环太平洋带与特提 斯构造带，以第四纪和现代硅华为主，其分布与发育 受岩浆侵入、火山作用、断层分布等控制作用明显［１１］ （图１）。我国高温地热分布主要集中在环太平洋地 热带内的台湾省，地中海—喜马拉雅地热带内的西藏 南部、云南及四川西部，最具代表性的云南腾冲地热 区自中生代以来，由于印度板块与欧亚板块碰撞和挤 压［２０］，使地壳活动加剧，导致频繁的岩浆活动和断裂 构造的发育，尤其是中－新生代构造－岩浆活动，为 地热活动创造了有利条件［２１－２２］；现代印度板块沿西瓦 里克边界断裂向喜马拉雅山脉之下俯冲［２３］，使得南 北向形成强大的主压应力及东西向形成引张力，导致 青藏高原的活动构造进一步发展，并产生沿各个活动 构造带的西藏地热活动区［２４］；台湾地热带为西太平 ９６
地质科技情报 2019年 洋岛弧地带的重要组成部分,受欧亚大陆板块与菲律活动创造了有利条件[。这些高温地热环境,为陆 宾板块碰撞的影响,火山活动与水循环活跃,为地热地热泉硅华的形成创造了良好的自然环境 间歇泉名 格CA>△ MeGinness 内华达) volcan alcedo 各布 报道的世界热泉硅华 ★中生代 5000km 新生代(>2Ma)△古生代 图1世界热泉硅华分布(据文献[1]修改 Fig. 1 Worldwide distribution map of hot spring siliceous sinter occurrences 1.2硅华沉淀环境 生物常在此聚集,富含微生物席及叠层结构;④ 根据热液流体成分不同,可将陆地热泉硅华沉远端裙到沼泽,属于低温相,热水温度75℃,为富含颗粒硅质沉积物成独特锥体聚集形态 (SiO2颗粒)的水下环境20;②近端斜坡,热泉高 总之,各种沉淀环境的约束决定着陆地热泉硅 温相一中温相,温度为65~75℃,是热泉涌浪和热华的形态、结构、形成以及微生物生长,这些因素甚 水喷溅区域,通常沉积坚硬的针状乳白色硅华;③中至可以在厘米或更小范围内起作用[。 部裙池,属热泉中温相,温度介于45~65℃之间,微 近端斜 中部裙池 (75-100℃) 通道 )柱状/聚集状 <40℃) 辐射微葡萄 沟渠细层 梯台和平台 植物和(或)动物 包裹的碎片 古土壤中硅华碎片 积网状國锥形族形石严栏状 古土壤 图2喷口到远端裙不同温度梯度近中性一氯碱性富Si热泉和其硅华结构特征图(据文献[1]) Fig 2 Schematic cross-section of a near-neutral pH, alkali chloride, Si-bearing hot spring and its associat- ed siliceous sinter fabrics in different environmental temperature gradient from vent to distal apron 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
地 质 科 技 情 报 ２０１９年 洋岛弧地带的重要组成部分，受欧亚大陆板块与菲律 宾板块碰撞的影响，火山活动与水循环活跃，为地热 活动创造了有利条件［２５］。这些高温地热环境，为陆 地热泉硅华的形成创造了良好的自然环境。 图１ 世界热泉硅华分布（据文献［１１］修改） Ｆｉｇ．１ Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｏｆｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｓ 图２ 喷口到远端裙不同温度梯度近中性－氯碱性富Ｓｉ热泉和其硅华结构特征图（据文献［１１］） Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｎｅａｒ－ｎｅｕｔｒａｌｐＨ，ａｌｋａｌｉｃｈｌｏｒｉｄｅ，Ｓｉ－ｂｅａｒｉｎｇｈｏｔｓｐｒｉｎｇａｎｄｉｔｓａｓｓｏｃｉａｔ－ ｅｄｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒｆａｂｒｉｃｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔｆｒｏｍｖｅｎｔｔｏｄｉｓｔａｌａｐｒｏｎ １．２ 硅华沉淀环境 根据热液流体成分不同，可将陆地热泉硅华沉 淀环境分成两 类：①近 中 性 氯 碱 性 泉（如 美 国 Ｙｅｌ－ ｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ，ＳｔｅｅｐＣｏｎｅ泉、云 南 腾 冲 大部分泉），这类泉受控于岩浆加热与水岩作用，富 ＳｉＯ２ 氯碱性水在涌出地表后经物理化学（和 生 物） 作用形成硅华（Ｏｐａｌ－Ａ：ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ）［５，２６］。②硫酸 盐泉（如新西兰，Ｔａｕｐｏ火山区 Ｍａｎｇａｔｅｔｅ泉）［８，１４］， 通常形成硫酸盐矿物［７］，但由于其与富ＳｉＯ２ 氯碱性 水的混合作用，依然可发育硅华［８，２７－２８］。 根据热泉喷口到远端裙距离和温度差异，可将 热泉硅华沉淀环境划分为４类：①热泉喷口，属于热 泉高温相，一般温度＞７５℃，为富含颗粒硅质沉积物 （ＳｉＯ２ 颗粒）的水 下 环 境［２９－３０］；②近 端斜 坡，热 泉 高 温相－中温相，温 度 为６５～７５℃，是热泉涌浪和热 水喷溅区域，通常沉积坚硬的针状乳白色硅华；③中 部裙池，属热泉中温相，温度介于４５～６５℃之间，微 生物常在此 聚 集，富 含 微 生 物 席 及 叠 层 结 构［１７］；④ 远端裙到沼泽，属于低温相，热水温度＜４５℃，一般 为冷却地面和沼泽，形成栅栏状和富植物的热泉硅 华［４，１１，１７］（图２）。 根据热泉活动和喷发方式，可将热泉硅华划分 成６个沉淀环境：①非喷射、非沸腾环境，水温大于 ８０℃，具低平顶轮缘，指状突起硅华伸出水面，无飞 溅区；②微喷射、非沸腾环境，处于高温区，具飞溅和 涌浪区，沉积针状硅华；③强烈喷射环境，属强烈飞 溅环境，以针状硅华为主；④沸腾泉，具狭窄陡峭边 缘，常形成柱状硅华；⑤间歇型喷泉，间歇性喷发，沉 淀的硅华结构形态复杂；⑥锥形间歇泉，硅华通常形 成独特锥体聚集形态［２９］。 总之，各种沉淀环境的约束决定着陆地热泉硅 华的形态、结构、形成以及微生物生长，这些因素甚 至可以在厘米或更小范围内起作用［２７］。 ０７
第1期 游雅賢等:陆地热泉硅华研究选展与展望 近的热泉水出现Eu负异常[;④三叠纪以来多次 2陆地热泉硅华研究进展 板块碰撞及断裂活动[和上新世晚期至全新世多 期次的火山喷发活动503;⑤当今腾冲南北趋势的 2.1地热系统热源类型 走滑断层的促进作用2 地热系统热源类型可分为2种:岩浆型地热源2.2硅华岩石矿物学特征 和非岩浆型地热源。非岩浆型地热源与岩浆活动无2.2.1矿物成分 关[3,主要包括放射性元素衰变热、构造活动热、地 陆地热泉硅华主要由二氧化硅组成,但也存在 核产生的热等[3。如我国山东半岛热泉,其热源部分其他矿物(如黏土矿物、天然硫、岩盐、钾盐、雄 来自区域地质构造活动。近代至现代火山活动黄、外源碎屑石英等)。如智利 El Tatio地热区 和地壳浅部的、时代不早于上新世的岩浆侵入体作硅质泉华中发现了少量岩盐、钾盐等附属矿物的 为地热来源可称为岩浆型地热源。世界范围内组成硅华的SO2相主要包括Opal-A、Opal-A/CT 岩浆型地热源陆地热泉包括美国 Yellowstone Na- Opal-CT、 Opal-C、玉髓、微晶石英、石英17,53。腾 tional park3、冰岛-、新西兰 Taupo火山冲热海地热区主要沉积现代硅华,以非晶质Opal-A 区畇3、腾冲热海地热区[、青藏高原等地热为主,但也有少量的钙华沉积,如热海蛤蟆嘴 区。腾冲热海地热区的热泉被认为属于典型的岩浆不同的矿物组成表现出不同的矿物形态与X衍射 型地热源,其原因主要包括:①腾冲热海地热区谱图特征(图3,4)。XRPD衍射带的半高宽 热泉水氢氧同位素显示不同程度的“氧漂移”现FWHM)值是每个SO2相内晶格有序度的量度 象[1;②氦同位素比值达到5.5Ra以上,幔源氦比也是矿物学成熟度指数,晶格有序度随着SO2 例达到70%以上[;③分布于构造线及火山岩附相成熟度增加而增加,随FWHM值减小而增加的。 10 um Opal-CT/C 微 A,B中国腾冲大滚锅;C,D,E,F.智利, Puchuldiza(据文献[5]);A.Opal-A微球;B.微葡萄状排列Opal-A微球;C.早 期 Opal-CT聚集体;D.表面上具有石英假微晶的Opal-CT/C的凝聚微球;E.硅华中典型的 Opal-C微球;F.微球表面 的微晶石英 图3SiOh2相微观形态和结构(SEM) Fig 3 Microscopic morphology and structure of SiOz phase (SEM) (1)Opal-A(A型蛋白石)非晶质Opa-A是13%)·町],呈纳米微圆球形,由硅胶凝聚在 形成硅华的初始矿物[55,是一种含水SiC 起6,但有时也可黏附在微生物组成的基质之上 (SiO2·nH2O6的,根据其含水量不同可分为“干”促使微生物硅化。Opal-A既有氯碱性泉来源 蛋白石(缓慢沉淀,H2O+OH平均5%~6%)和也有酸性泉来源,但后者Opa-A聚集体多孔且结 “湿”蛋白石(快速沉淀,H2O+OH平均12% 构发育不好[5, 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第１期 游雅贤等：陆地热泉硅华研究进展与展望 ２ 陆地热泉硅华研究进展 ２．１ 地热系统热源类型 地热系统热源类型可分为２种：岩浆型地热源 和非岩浆型地热源。非岩浆型地热源与岩浆活动无 关［３１］，主要包括放射性元素衰变热、构造活动热、地 核产生的热等［３２－３４］。如我国山东半岛热泉，其热 源 来自区域地 质 构 造 活 动［３１］。近代至现代火山活动 和地壳浅部的、时代不早于上新世的岩浆侵入体作 为地热来源 可 称 为 岩 浆 型 地 热 源［３２］。世 界范 围 内 岩浆型地热源陆 地 热 泉 包 括 美 国 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａ－ ｔｉｏｎａｌＰａｒｋ［３５－３６］、冰 岛［３７－３８］、新 西 兰 Ｔａｕｐｏ 火 山 区［３９］、腾冲热海 地 热 区［４０－４３］、青 藏高 原［４１，４４］等 地热 区。腾冲热海地热区的热泉被认为属于典型的岩浆 型地热源［４１－４２］，其原因主要包括：①腾冲热海地热区 热泉水 氢 氧 同 位 素 显 示 不 同 程 度 的 “氧 漂 移”现 象［４５］；②氦同位素比值达到 ５．５Ｒａ以上，幔源氦比 例达到７０％以上［４６－４７］；③分布于构造线及火山岩附 近的热泉水出现 Ｅｕ负异常［４８］；④三叠纪 以 来 多 次 板块碰撞及 断 裂 活 动［４９］和上新世晚期至全新世多 期次的火山喷发活动 ［５０－５１］；⑤当今腾冲南北趋势的 走滑断层的促进作用［５２］。 ２．２ 硅华岩石矿物学特征 ２．２．１ 矿物成分 陆地热泉硅华主要由二氧化硅组成，但也存在 部分其他矿物（如黏土矿物、天然硫、岩盐、钾盐、雄 黄、外源碎屑石英等）［５３－５４］。如智利ＥｌＴａｔｉｏ地热区 硅质泉华中 发 现 了 少 量 岩 盐、钾 盐 等 附 属 矿 物［５４］。 组成硅华的ＳｉＯ２ 相主要包括 Ｏｐａｌ－Ａ、Ｏｐａｌ－Ａ／ＣＴ、 Ｏｐａｌ－ＣＴ、Ｏｐａｌ－Ｃ、玉髓、微晶石英、石 英［１７，５５－５８］。腾 冲热海地热区主要沉积现代硅华，以非晶质 Ｏｐａｌ－Ａ 为主［５９］，但也有少量的钙华沉积，如热海蛤蟆嘴［６０］。 不同的矿物组 成 表 现 出 不 同 的 矿 物 形 态 与 Ｘ 衍 射 谱 图 特 征 （图 ３，４）。ＸＲＰＤ 衍 射 带 的 半 高 宽 （ＦＷＨＭ）值是每 个 ＳｉＯ２ 相 内晶 格 有 序 度 的 量 度， 也是矿物 学 成 熟 度 指 数［６１］，晶格有序度随着 ＳｉＯ２ 相成熟度增加而增加，随 ＦＷＨＭ 值减小而增加［４］。 Ａ，Ｂ．中国腾冲大滚锅；Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ．智利，Ｐｕｃｈｕｌｄｉｚａ（据文献［５］）；Ａ．Ｏｐａｌ－Ａ 微球；Ｂ．微葡萄状排列 Ｏｐａｌ－Ａ 微球；Ｃ．早 期 Ｏｐａｌ－ＣＴ聚集体；Ｄ．表面上具有石英假微晶的 Ｏｐａｌ－ＣＴ／Ｃ的凝聚微球；Ｅ．硅华中典型的 Ｏｐａｌ－Ｃ微球；Ｆ．微球表面 的微晶石英 图３ ＳｉＯ２ 相微观形态和结构（ＳＥＭ） Ｆｉｇ．３ ＭｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｉＯ２ ｐｈａｓｅ（ＳＥＭ） （１）Ｏｐａｌ－Ａ（Ａ 型 蛋白 石） 非 晶 质 Ｏｐａｌ－Ａ 是 形 成 硅 华 的 初 始 矿 物［５６，５９］，是 一 种 含 水 ＳｉＯ２ （ＳｉＯ２·ｎＨ２Ｏ）［６２－６３］，根据其含水量不同可分为“干” 蛋白石 （缓 慢 沉 淀，Ｈ２Ｏ＋ＯＨ 平 均 ５％ ～６％）和 “湿”蛋 白 石 （快 速 沉 淀，Ｈ２Ｏ＋ＯＨ 平 均 １２％ ～ １３％）［４，６２］，呈 纳 米 微 圆 球 形，由 硅 胶 凝 聚 在 一 起［６３］，但有时也 可 黏 附 在 微 生 物 组 成 的 基 质 之 上， 促使微 生 物 硅 化［１３］。Ｏｐａｌ－Ａ 既 有氯 碱 性 泉 来 源， 也有酸性泉 来 源，但 后 者 Ｏｐａｌ－Ａ 聚 集体 多 孔 且 结 构发育不好［５９］。 １７
地质科技情报 2019年 204.OpaA型蛋白石半高宽77 250 B Opal-A/CT型半高宽535 4 C Opal-CT型1。半高宽1.5 蛋白石 2B/ 20(° 20(°0 1200D. OpaI-C型 半高宽0.6 2500E石英 半高宽0.2 1015202530354 图4新西兰代表性SiO2相矿物组成的晶格半高宽(FWHM)峰图(据文献[4]) Fig 4 Sinter compositional data(FWHM)for representative New Zealand silica phase minerals (2) Opal-A/CT(A/CT型蛋白石)是一种由 pring和 Waikite spring近中性(pH=7.7)氯化物 纯Opal-A经成岩过程而形成的混合Opal-A与型泉水形成的混合SiO2-CaCO3沉积物和所 Opal-CT的SO2相58,6 罗门群岛碱性(pH=7~8)富含硫酸盐、贫氯化物的 (3) Opal-CT(CT型蛋白石)较非晶质Opa}Ca-Mg-HCO3流体于地表所形成的硅华和钙华 A热力学更稳定[,是无定形二氧化硅(Opa-A)随沉积物{]。 着温度的升高而逐渐变化形成的微晶0。由于 (2)硅华一岩盐共生岩盐与陆地热泉硅华共 SiO2在硅藻土中成岩作用较弱,所以Opal-CT不会生现象也是极其稀少的,通常以结晶的形式与硅质 在硅藻土中形成[67 泉华共生[,有时也可作为包壳在硅华中出现[121 (4) Opal-C(C型蛋白石)部分结晶SiO2相,如在智利 El Tatio高海拔地热区硅质泉华中沉淀着 叶片状鳞球[62,是 Opal-CT向石英转变的中间结晶岩盐 SiO2相,相比 Opal-CT,形态上更成熟[。 (3)硅华一硫华共生以硫化物形式出现的泉 (5)玉髓( chalcedony)属具有低结晶度且保华可称为硫华,通常是近中性一碱性氯化物热泉水 存热液成因特征的石英组分堆积,尽管玉髓会经排放于地表冷却形成[72。 Jones等在新西兰北 历后期成岩作用改造,但其内部化学稳定性和微结岛的酸性一硫酸盐热泉中形成的叠层硅华中发现了 构特征仍然存在 少量硫磺、高岭石、黄铁钾矾等沉积。 (6)斜硅石( moganite)成岩早期形成的一种 (4)硅华一黏土矿物共生长石质岩石在陆地 半稳定型微SiO多晶型矿物,形成于石英矿物之泉华沉淀过程中会发生蚀变,形成富黏土成分的硅 前 质泉华,这些黏土矿物隔离来自孔隙流体的离子,从 (7)石英( quartz)六方晶体,SiO2相热力学最而抑制Opa-A相转变为更有序的 Opal-CT相。流 稳定的形式,是Opal-CT经过埋藏,在大于纹质岩石发生蚀变会产生过量的SO2,使得初期 100℃、SiO2过饱和条件下经历数十个百万年形成Opal-A形成的速率增加,进而有助于微生物结构的 的 保存[81,硅华伴生的黏土矿物蚀变可作为区分矿化 2.2.2共生现象 热液系统和其他硅质岩类(硅化流纹岩和长石,贫石 泉华是热液体系沉积的化学沉淀物t,硅华是英/二氧化硅矿床)的标志。 富含SO2流体在地球表面的表现形式2,由于热 (5)硅华一金属矿物Cs硅华广泛分布于西藏 流体化学成分不同[3、热流体流出地表后物理环境谷露、搭格架等地[。由于青藏高原后期碰撞的影 条件的改变、微生物活动[等因素,可出现与响,这些沉积物富含B,Cs,Rb和Li等地球化学元 其他类型泉华共生现象 素[88,这种独特的陆地热泉Cs沉积物与高温地 (1)哇华一钙华共生硅华一钙华共生现象少热异常密切相关[8。微生物在Cs硅华沉淀中占极 见,主要是由于陆地热泉口排放出富含CO2和硫酸其重要的作用[2,这些嗜热微生物在环境改变前迅 盐的碱性流体[沉淀形成。在世界范围内只有少速积累碱金属Cs,导致含Cs生物细胞表面上硅质 数被公认,如新西兰的 Ohaaki spring, ngatamariki沉淀,随着环境改变形成硅质颗粒,这些含Cs硅质 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
地 质 科 技 情 报 ２０１９年 图４ 新西兰代表性ＳｉＯ２ 相矿物组成的晶格半高宽（ＦＷＨＭ）峰图（据文献［４］） Ｆｉｇ．４ Ｓｉｎｔｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｄａｔａ（ＦＷＨＭ）ｆｏｒｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅＮｅｗＺｅａｌａｎｄｓｉｌｉｃａｐｈａｓｅｍｉｎｅｒａｌｓ （２）Ｏｐａｌ－Ａ／ＣＴ（Ａ／ＣＴ 型 蛋白 石） 是 一 种 由 纯 Ｏｐａｌ－Ａ 经 成 岩 过 程 而 形 成 的 混 合 Ｏｐａｌ－Ａ 与 Ｏｐａｌ－ＣＴ的ＳｉＯ２ 相［５８，６４］。 （３）Ｏｐａｌ－ＣＴ（ＣＴ 型 蛋白 石） 较 非 晶 质 Ｏｐａｌ－ Ａ 热力学更稳定［６５］，是无定形二氧化硅（Ｏｐａｌ－Ａ）随 着温 度的升高而逐渐变化形成的微晶［６６］。由 于 ＳｉＯ２ 在硅藻土中成岩作用较弱，所以 Ｏｐａｌ－ＣＴ 不会 在硅藻土中形成［６７］。 （４）Ｏｐａｌ－Ｃ（Ｃ 型蛋白石） 部分结晶 ＳｉＯ２ 相， 叶片 状 鳞 球［６２］，是 Ｏｐａｌ－ＣＴ 向 石 英 转 变 的 中 间 ＳｉＯ２ 相，相比 Ｏｐａｌ－ＣＴ，形态上更成熟［５７－５８］。 （５）玉 髓（ｃｈａｌｃｅｄｏｎｙ） 属 具有低结晶度且保 存热液成因特征的石英组分堆积［６８］，尽管玉髓会经 历后期成岩作用改造，但其内部化学稳定性和微结 构特征仍然存在［６９］。 （６）斜硅石（ｍｏｇａｎｉｔｅ） 成 岩早 期 形 成 的 一 种 半稳 定 型 微 ＳｉＯ２ 多 晶型 矿 物，形 成 于 石 英 矿 物 之 前［６４，７０］。 （７）石英（ｑｕａｒｔｚ） 六方晶体，ＳｉＯ２ 相热力学最 稳定 的 形 式［６０］，是 Ｏｐａｌ－ＣＴ 经 过 埋 藏，在 大 于 １００℃、ＳｉＯ２ 过 饱和条件下经历数十个百万年形成 的［６６］。 ２．２．２ 共生现象 泉华是热液体系沉积的化学沉淀物［７１］，硅华是 富含ＳｉＯ２ 流体在 地 球 表 面 的 表 现 形 式［７２］，由 于热 流体化学成分不同［７３］、热流体流出地表后物理环境 条件的改变［７４－７５］、微 生物 活 动［７２］等 因素，可 出 现 与 其他类型泉华共生现象。 （１）硅华－钙华共生 硅华－钙华共生现象少 见，主要是由于陆地热泉口排放出富含 ＣＯ２ 和硫酸 盐的碱性流体［７６－７７］沉淀形成。在世界范围内只有少 数被公认，如新西兰 的 Ｏｈａａｋｉｓｐｒｉｎｇ，Ｎｇａｔａｍａｒｉｋｉ ｓｐｒｉｎｇ和 Ｗａｉｋｉｔｅｓｐｒｉｎｇ近中性（ｐＨ＝７．７）氯化物 型泉水形成 的 混 合 ＳｉＯ２ －ＣａＣＯ３ 沉 积物［７６－７８］和 所 罗门群岛碱性（ｐＨ＝７～８）富含硫酸盐、贫氯化物的 Ｃａ－Ｍｇ－ＨＣＯ３ 流体于地表所形成的硅华和钙华 沉积物［７９］。 （２）硅华－岩盐共生 岩盐与陆地热泉硅华共 生现象也是极其稀少的，通常以结晶的形式与硅质 泉华共生［５４］，有时也可作为包壳在硅华中出现［１２］。 如在智利ＥｌＴａｔｉｏ高海拔地热区硅质泉华中沉淀着 结晶岩盐［５４］。 （３）硅华－硫华共生 以硫化物形式出现的泉 华可称为硫华，通常是近中性－碱性氯化物热泉水 排放于 地 表 冷 却 形 成［７２］。Ｊｏｎｅｓ等［８０］在 新西 兰 北 岛的酸性－硫酸盐热泉中形成的叠层硅华中发现了 少量硫磺、高岭石、黄铁钾矾等沉积。 （４）硅华－黏土矿物共生 长石质岩石在陆地 泉华沉淀过程中会发生蚀变，形成富黏土成分的硅 质泉华，这些黏土矿物隔离来自孔隙流体的离子，从 而抑制 Ｏｐａｌ－Ａ 相转变为更有序的 Ｏｐａｌ－ＣＴ 相。流 纹质岩石 发 生 蚀 变 会 产 生 过 量 的 ＳｉＯ２，使 得 初 期 Ｏｐａｌ－Ａ 形成的速率增加，进而有助于微生物结构的 保存［８１］，硅华伴生的黏土矿物蚀变可作为区分矿化 热液系统和其他硅质岩类（硅化流纹岩和长石，贫石 英／二氧化硅矿床）的标志［７３］。 （５）硅华－金属矿物 Ｃｓ－硅华广泛分布于西藏 谷露、搭格架等地［２］。由于青藏高原后期碰撞的影 响，这些沉积物 富 含 Ｂ，Ｃｓ，Ｒｂ和 Ｌｉ等 地球 化 学 元 素［８２－８５］，这种独特 的 陆 地 热 泉 Ｃｓ沉 积 物 与 高 温 地 热异常密切相关［８６］。微生物在 Ｃｓ－硅华沉淀中占极 其重要的作用［２］，这些嗜热微生物在环境改变前迅 速积累碱金属 Ｃｓ，导致含 Ｃｓ生物细胞表面上硅质 沉淀，随着环境改变形成硅质颗粒，这些含 Ｃｓ硅质 ２７
第1期 游雅賢等:陆地热泉硅华研究选展与展望 颗粒通过微生物席发生物理、化学和(或)生物学上热水中出现[,其形态差异性归因于流体力学变 积累,最后经历成岩作用形成含Cs硅华。陆地化[2、硅华沉淀速率(低沉淀速率形成多孔、丝网状 热泉Cs硅华的研究对现代浅成热液矿化和其他正硅华和(或)窗孔状的大块薄层;高沉淀速率形成密 在进行的成矿过程具有重要启示作用[。 集颗粒状或无孔的硅华,丝网状消失)、冷却和蒸 2.2.3哇华结构特征 发驱动之间的平衡性、微生物的重新生长与向陆地 地热区硅华可形成各种各样结构形态,包括针暴露等,反映环境条件的微小差异[。对高温硅 状结构30.7(图5-A,B)、柱状结构3:30(图5)、针华结构的研究可以重建地热区过去几百年的气候变 柱状结构、叠层状结构[(图5-D)等,每种结构化及地热活动历史[。反复的湿润和蒸发,持续性 意味着特定的热泉水温或热泉环境【,如快速流干燥,毛细管效应完全控制陆上大部分高温泉华的 动的热泉水或间歇流动的热泉水。泉华中的结沉积、形态及微观结构, Yellowstone National Park 构识別能够重建古水文,甚至地质历史时期沿热泉围绕微碱性热泉和间歇泉沉积着含微结构的高温 喷口到远端裙环境的高温、中温和低温梯度变化[。(>73℃)硅华[,其毫米级高温硅华中的层状周期 1976年, Walter!92在对 Yellowstone National park性代表了SO2沉积的年度分层和季节性波动[2 硅华结构研究中发现,大部分硅华是由狭窄叠层的 騰冲泉华以隐晶质硅质泉华为主,含少量石英 骨针状、柱状和“伪柱状”组成,高温下没有发现微生藻纹层发育比较普遍。鼓鸣泉和眼镜泉喷发较猛 物结构的证据,所以将针状和柱状硅华定义为“非生烈,肉眼可看到由喷溅所形成的针状硅华和柱状硅 物叠层石” 华,质地疏松(图6-A,B)。美女泉随季节沉积周期 性的层状Opal-A硅华山(图6C,D);鼓鸣泉出现 硅华与薄层钙华不规则层(图6-E);大滚锅可见局 部呈网格状的藻纹层(图6-F)。 2.3硅华地球化学 2.3.1微量元素地球化学 热泉硅华地球化学组分的研究有助于我们了解 地热区潜在的地质过程s:9。热泉硅华样品中独特 微量元素组成不仅是矿化热液区的标志,也是地热 热源的标志[3:,大多与熔融岩浆侵入或非导电沉 积物埋藏的高度演化有关。因此,热泉硅华微量元 素的研究,特别是碱金属元素的迁移,对于评价现有 的超热金属矿床和地热资源潜力区具有重要的意 义可。金属离子在硅华的沉积中发挥重要的作 A.针状硅华, Wairakei泉,新西兰[门];B.载玻片上生长14个月的针状用,已有研究s表明,微量金属铝极大地降低 硅华, Champagne pool,新西兰;C.柱状硅华, Orakei Korako,新西了无定型SO2的溶解度,加速硅华的沉淀,对美国 兰[3];D.柱状硅华多层堆叠的层状结构, Orakei Korako,新西兰[ Yellowstone National Park的 Steep Cone泉源硅华 图5陆地热泉硅华及其部分结构 Fig 5 Terrestrial geothermal siliceous sinter and its partial 样品的研究表明,铝若以4配位的Al(Al(4))存在 表明沉积物是由单硅酸和铝离子之间的无机反应形 成的;铝若以6配位A(Al(6))存在,表明铝离子优 随着研究的深入,地质学家发现硅华结构形成先与微生物表面上的官能团结合而形成沉积 的多样性,事实上很大一部分受微生物活动的影物。新西兰与 Taupo火山区热泉周围沉积的硅 响。当二氧化硅沉积速率超过微生物生长速度华中富集As,Sb,B,Ti,Hg等金属元素,研究这些 时,微生物就会被包裹和硅化,形成独特的宏观纹元素在二氧化硅泉华中的固定方式可能揭示出这些 理[15,6,。硅华结构的发育,归因于非生物与元素导致污染的环境修复途径0 生物因素的结合。在新西兰 Whakarewarewa地 稀土元素地球化学特征逐渐与硅质矿床成矿作 热区,围绕热泉喷口形成了大量针状、针柱状、灌木用密切联系10F0,西藏谷露铯硅华的稀土元素含 柱状硅华结构,这些硅华形态是生物和非生物共同量均比北美页岩的低,Cr、zr的含量与Th、U的含 作用的结果,且每一种结构都通过一系列不连续过量均比一般的热水沉积物低[。aEu是稀土元素 程形成[。一般而言,受生物和非生物因素的影的主要参数之一,在硅质岩的形成环境判别中广为 响针状泉华既可以形成于高温热水也可以在低温应用,西藏搭格架陆地热泉硅华,δEu值以正 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第１期 游雅贤等：陆地热泉硅华研究进展与展望 颗粒通过微生物席发生物理、化学和（或）生物学上 积累，最后经 历 成 岩 作 用 形 成 含 Ｃｓ硅 华［７５］。陆 地 热泉 Ｃｓ－硅华的研究对现代浅成热液矿化和其他正 在进行的成矿过程具有重要启示作用［８４］。 ２．２．３ 硅华结构特征 地热区硅华可形成各种各样结构形态，包括针 状结构［３０，８７］（图５－Ａ，Ｂ）、柱状结构［３，３０］（图５－Ｃ）、针 柱状结构［３０］、叠 层状 结 构［１３］（图５－Ｄ）等，每 种结 构 意味着特定的热泉水温或热泉环境［８８－９１］，如快速流 动的热泉水 或 间 歇 流 动 的 热 泉 水［８８］。泉 华中 的 结 构识别能够重建古水文，甚至地质历史时期沿热泉 喷口到远端裙环境的高温、中温和低温梯度变化［３］。 １９７６年，Ｗａｌｔｅｒ［９２］在对 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ 硅华结构研究中发现，大部分硅华是由狭窄叠层的 骨针状、柱状和“伪柱状”组成，高温下没有发现微生 物结构的证据，所以将针状和柱状硅华定义为“非生 物叠层石”。 Ａ．针状硅华，Ｗａｉｒａｋｅｉ泉，新西兰［１７］；Ｂ．载玻片上生长１４个月的针状 硅华，ＣｈａｍｐａｇｎｅＰｏｏｌ，新西兰［３０］；Ｃ．柱 状硅 华，ＯｒａｋｅｉＫｏｒａｋｏ，新 西 兰［３］；Ｄ．柱状硅华多层堆叠的层状结构，ＯｒａｋｅｉＫｏｒａｋｏ，新西兰［３］ 图５ 陆地热泉硅华及其部分结构 Ｆｉｇ．５ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒａｎｄｉｔｓｐａｒｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 随着研究的深入，地质学家发现硅华结构形成 的多样 性，事 实 上 很 大 一 部 分 受 微 生 物 活 动 的 影 响［８９］。当二氧化 硅 沉 积 速 率 超 过 微 生 物 生 长 速 度 时，微生物就 会 被 包 裹 和 硅 化，形成独特的宏观纹 理［１３，５５，６４，９３－９４］。硅华结 构 的 发 育，归因于非生物与 生物因素的结合［２８］。在新西兰 Ｗｈａｋａｒｅｗａｒｅｗａ地 热区，围绕热泉喷口形成了大量针状、针柱状、灌木 柱状硅华结构，这些硅华形态是生物和非生物共同 作用的结果，且每一种结构都通过一系列不连续过 程形成［３０］。一 般 而 言，受 生 物 和 非 生 物 因 素 的 影 响，针状泉华既可以形成于高温热水也可以在低温 热水中出 现［９５］，其 形态差异性归因于流体力学变 化［２９］、硅华沉淀速率（低沉淀速率形成多孔、丝网状 硅华和（或）窗孔状的大块薄层；高沉淀速率形成密 集颗粒状或无孔的硅华，丝网状消失）［３０］、冷却和蒸 发驱动之间的平衡性、微生物的重新生长与向陆地 暴露［９５］等，反映环境条件的微小差异［３０］。对高温硅 华结构的研究可以重建地热区过去几百年的气候变 化及地热活动历史［３］。反复的湿润和蒸发，持 续 性 干燥，毛细管效应完全控制陆上大部分高温泉华的 沉积、形态及 微 观 结 构，ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ 围绕微碱性热泉和间歇泉沉积着含微结构的高温 （＞７３℃）硅华［２９］，其毫米级高温硅华中的层状周期 性代表了ＳｉＯ２ 沉积的年度分层和季节性波动［２９］。 腾冲泉华以隐晶质硅质泉华为主，含少量石英， 藻纹层发 育 比 较 普 遍。鼓 鸣 泉 和 眼 镜 泉 喷 发 较 猛 烈，肉眼可看到由喷溅所形成的针状硅华和柱状硅 华，质地疏松（图６－Ａ，Ｂ）。美女泉随季节沉积周期 性的层状 Ｏｐａｌ－Ａ 硅 华［１３］（图６－Ｃ，Ｄ）；鼓 鸣泉 出 现 硅华与薄层 钙 华 不 规 则 层（图６－Ｅ）；大 滚锅 可 见 局 部呈网格状的藻纹层（图６－Ｆ）。 ２．３ 硅华地球化学 ２．３．１ 微量元素地球化学 热泉硅华地球化学组分的研究有助于我们了解 地热区潜在的地质过程［５，９６］。热泉硅华样品中独特 微量元素组成不仅是矿化热液区的标志，也是地热 热源的标志［７３，８４］，大多与熔融岩浆侵入或非导电沉 积物埋藏的高度演化有关。因此，热泉硅华微量元 素的研究，特别是碱金属元素的迁移，对于评价现有 的超热金属矿床和地热资源潜力区具有重要的意 义［７３］。金 属 离子在硅华的沉积中发挥重要的作 用［９７］，已有研究［９８－１０２］表明，微量金属铝极大地降低 了无定型ＳｉＯ２ 的溶解度，加速硅华的沉 淀，对 美 国 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ的ＳｔｅｅｐＣｏｎｅ泉源硅华 样品的研究表明，铝若以４配位的 Ａｌ（Ａｌ（４））存在， 表明沉积物是由单硅酸和铝离子之间的无机反应形 成的；铝若以６配位 Ａｌ（Ａｌ（６））存在，表明铝离子优 先 与 微 生 物 表 面 上 的 官 能 团 结 合 而 形 成 沉 积 物［１０３］。新西兰与 Ｔａｕｐｏ火山区热泉周围沉积的硅 华中富集 Ａｓ，Ｓｂ，Ｂ，Ｔｉ，Ｈｇ等 金属 元 素，研 究 这 些 元素在二氧化硅泉华中的固定方式可能揭示出这些 元素导致污染的环境修复途径［１０４］。 稀土元素地球化学特征逐渐与硅质矿床成矿作 用密切联 系［１０５－１０６］，西 藏谷 露 铯 硅 华 的 稀 土 元 素 含 量均比北美页岩的低，Ｃｒ、Ｚｒ的含量与 Ｔｈ、Ｕ 的含 量均比一般的热水 沉 积 物 低［１０６］。δＥｕ是 稀土 元 素 的主要参数之一，在硅质岩的形成环境判别中广为 应用［１０７－１０８］，西藏搭格架陆地热泉硅华，δＥｕ值以正 ３７
地质科技情报 2019年 A.针状泉华,鼓鸣泉;B.柱状泉华,鼓鸣泉;C.层状泉华,美女泉(据文献[13]);D.多孔丝状薄层,美女泉(据文献[l3]);E 质和硅质不规则层,鼓鸣泉;F.纹层网格状硅华,大滚锅 图6腾冲部分地区硅华结构及部分硅华样品薄片显微照片 Fig 6 Thin section photomicrographs of sinter samples and structure of sinter in some areas of Tengchong 异常为主,该特征可能与形成搭格架硅华特殊的陆要指导[10。硅质泉华稀土元素的分布取决于地 陆碰撞环境有关[3。稀土元素在热泉流体中的热储区岩石的矿物组成,在各种泉华沉积物中,稀土 分馏效应仍然存在争议[1,091,对青藏高原地热区元素的分馏是由不同源岩中的热液活动和地热水中 硅华中稀土元素的研究表明,单个稀土元素与其他不同的阴离子物质所引起的11。总的来说,热储 元素之间没有明显的关系,稀土元素分布取决于硅岩性及其化学元素组成强烈影响地热水的类型,最 华来源REE分馏和Ce异常与硅华中Fe-Mn相无终决定泉华主要成分 关,地热水中的络合配体可能对硅华中稀土元素分2.4微生物作用 馏起作用[12 早在19世纪末期,美国地质学家Wed12就 2.3.2硅同位素地球化学 注意到热泉中微生物与热水沉积硅华的关系,认为 硅同位素在流体沉淀及SiO2矿物成岩转变等微生物促进了热水硅华的沉积。随后在1915年, 过程中,会发生显著的分馏[11。冰岛 Geysir地 Seebenthal便提出了生物成矿的概念,用来解释微 热区热泉提供了一个独特的环境用于研究更复杂实生物在成矿过程中的作用[2。硅华中含有大量的 地条件下过饱和流动溶液中SiO2沉积期间硅同位硅化微生物,有研究表明这些微生物硅化发生在生 素分馏,生物和非生物SiO2的形成通常优先摄取较物体腐烂之前[2。沉淀在现代热泉体系周围的硅 轻质同位素,产生比剩余流体更低的δSi值。对硅华能够将原生微生物石化,并形成能够准确地刻画 同位素的分析能够揭示过去和现在的SiO2供应模出微生物形态的结构特征。通过模拟细胞快速埋藏 式或从天然水溶液中除去的模式13 和早期成岩作用的硅胶实验,可对天然热泉硅华中 2.3.3热储岩性与陆地热泉硅华的关系 微生物保存过程做出非常详细的新认识2。为了 陆地热泉硅华不仅能反映地热水的化学组成,理解陆地石化记录和在极端环境中生物标志物的保 还记录了有关地热水与热储源岩的重要信存, Harrison等在实验室内基于富铁或缺铁离子 息[3:105,1。热储岩性直接影响地热水组成,最条件下,利用不同盐度的溶液培养微生物,使其发生 终决定了出露于地表泉华的化学组成[,地热储区蒸发硅化,发现不同盐度下的微生物蒸发硅化特征 岩石与地热水产生水岩反应,导致形成的矿物种类存在明显差异。 Campbel等[对新西兰和阿根廷 丰富、陆地热泉硅华中元素再分配等现象。(晚侏罗世一最近)硅质热泉沉积物(硅华)的研究 Du等ω认为泉水中的溶解固体可能来自热液深层揭示了地质时间尺度上环境控制的、以微生物为主 循环和化学水/岩石相互作用。地热来源的硅质泉的沉积相的保存路径。与地热相关的原核生物和真 华具有高的Fe2'/Fe3比值蚓,硅质泉华可认为是核生物(例如嗜热微生物、植物、昆虫和硅藻)被矿 从深层岩浆房加热的泉水中沉淀出来的原始岩石组化,反映了温度、pH值和流体动力从喷口到远端裙 分,为古代浅成低温热液矿床系统的勘探提供了重坡度的古环境条件的转变,412-12。。物理和微生物 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
地 质 科 技 情 报 ２０１９年 Ａ．针状泉华，鼓鸣泉；Ｂ．柱状泉华，鼓鸣泉；Ｃ．层状泉华，美女泉（据文献［１３］）；Ｄ．多孔丝状薄层，美女泉（据文献［１３］）；Ｅ．钙 质和硅质不规则层，鼓鸣泉；Ｆ．纹层网格状硅华，大滚锅 图６ 腾冲部分地区硅华结构及部分硅华样品薄片显微照片 Ｆｉｇ．６ ＴｈｉｎｓｅｃｔｉｏｎｐｈｏｔｏｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｓｉｎｔｅｒｓａｍｐｌｅｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｉｎｔｅｒｉｎｓｏｍｅａｒｅａｓｏｆＴｅｎｇｃｈｏｎｇ 异常为主，该特征可能与形成搭格架硅华特殊的陆 －陆碰撞环境有关［１０５］。稀土元素在热泉流体中的 分馏效应仍然存在争议［１９，１０９－１１１］，对青藏高原地热区 硅华中稀土元素的研究表明，单个稀土元素与其他 元素之间没有明显的关系，稀土元素分布取决于硅 华来源，ＲＥＥ分馏和 Ｃｅ异常与硅华中 Ｆｅ－Ｍｎ相无 关，地热水中的络合配体可能对硅华中稀土元素分 馏起作用［１１２］。 ２．３．２ 硅同位素地球化学 硅同位素在流体沉淀及 ＳｉＯ２ 矿 物成 岩 转 变 等 过程中，会发生显著的分馏［１１３－１１４］。冰 岛 Ｇｅｙｓｉｒ地 热区热泉提供了一个独特的环境用于研究更复杂实 地条件下过饱和流动溶液中 ＳｉＯ２ 沉积期间硅同位 素分馏，生物和非生物ＳｉＯ２ 的形成通常优先摄取较 轻质同位素，产生比剩余流体更低的δ３０ Ｓｉ值。对硅 同位素的分析能够揭示过去和现在的 ＳｉＯ２ 供应模 式或从天然水溶液中除去的模式［１１３］。 ２．３．３ 热储岩性与陆地热泉硅华的关系 陆地热泉硅华不仅能反映地热水的化学组成， 还记 录 了 有 关 地 热 水 与 热 储 源 岩 的 重 要 信 息［８３，１０５，１１５－１１７］。热储岩 性 直 接 影 响 地 热 水 组 成，最 终决定了出露于地表泉华的化学组成［８５］，地热储区 岩石与地热水产生水岩反应，导致形成的矿物种类 丰富［１１８］、陆 地热 泉 硅 华 中 元 素 再 分 配［１１９］等 现象。 Ｄｕ等［４５］认为泉水中的溶解固体可能来自热液深层 循环和化学水／岩石相互作用。地热来源的硅质泉 华具有高的 Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋ 比值［８５］，硅质泉华可认为是 从深层岩浆房加热的泉水中沉淀出来的原始岩石组 分，为古代浅成低温热液矿床系统的勘探提供了重 要指导［７０，１２０］。硅质泉华稀土元素的分布取决于地 热储区岩石的矿物组成，在各种泉华沉积物中，稀土 元素的分馏是由不同源岩中的热液活动和地热水中 不同的阴离子物质所引起的［８５，１１７］。总的来说，热储 岩性及其化学元素组成强烈影响地热水的类型，最 终决定泉华主要成分。 ２．４ 微生物作用 早在１９世 纪 末 期，美 国 地 质 学 家 Ｗｅｅｄ［１２１］就 注意到热泉中微生物与热水沉积硅华的关系，认为 微生物促 进 了 热 水 硅 华 的 沉 积。随 后 在 １９１５ 年， Ｓｅｅｂｅｎｔｈａｌ便提出了生物成矿的概念，用 来 解 释 微 生物在成矿 过 程 中 的 作 用［２４］。硅 华中 含 有 大 量 的 硅化微生物，有研究表明这些微生物硅化发生在生 物体腐烂之前［１２２］。沉淀在现代热泉体系周围的硅 华能够将原生微生物石化，并形成能够准确地刻画 出微生物形态的结构特征。通过模拟细胞快速埋藏 和早期成岩作用的硅胶实验，可对天然热泉硅华中 微生物保存过程做出非常详细的新认识［１２３］。为了 理解陆地石化记录和在极端环境中生物标志物的保 存，Ｈａｒｒｉｓｏｎ等［１６］在实验室内基于富铁或缺铁离子 条件下，利用不同盐度的溶液培养微生物，使其发生 蒸发硅化，发现不同盐度下的微生物蒸发硅化特征 存在明显差异。Ｃａｍｐｂｅｌｌ等［１１］对 新西 兰 和 阿 根 廷 （晚侏罗世－最近）硅质热泉沉积物（硅华）的研究， 揭示了地质时间尺度上环境控制的、以微生物为主 的沉积相的保存路径。与地热相关的原核生物和真 核生物（例如嗜热微生物、植 物、昆 虫 和 硅 藻）被 矿 化，反映了温度、ｐＨ 值和流体动力从喷口到远端裙 坡度的古环境条件的转变［３，６４，１２４－１２６］。物理和微生物 ４７
第1期 游雅賢等:陆地热泉硅华研究选展与展望 数据的结合可以提供有用的信息,但仍然不能完全含二氧化硅的水向上富集于微生物层,通过蒸发沉 了解某些自然体系,例如以胶体二氧化硅和微生物积二氧化硅)常用于解释热泉池和微生物层边缘的 之间的相互作用为中心的自然体系,对 El Tatio地硅化现象1。Lowe等认为, Yellowstone na 热田高海拔硅化微生物的研究,提供了一个了解非 tional Park的陆地高温硅质泉华的形成主要受蒸发 晶形二氧化硅泉华的微相和微生物分析的实驱动的沉积控制。两年后,他们对生物、非生物影响 例127。硅华中微生物群落的多样性可以与所研究 Yellowstone National park陆地高温泉华结构分析 的地热水物理化学条件联系起来121,这些研究中将此观点做出了充分表述,即泉水飞溅导致的重 表明,微生物格架和微生物群落结构的复杂性与具复湿润、毛细管作用、蒸发驱动控制高温硅华沉 体的化学参数(包括温度、盐度、pH值、能量来源及积。为了更精确地了解蒸发作用对硅华形成的 硅华的生长速率)有很好的相关性。随着微生物生影响,进行实验室模拟研究是一种很好的办法 态学分子方法的出现,可以将地球化学分析与集群 Orange等对蒸发驱使SiO2泉华的形成进行了 基因组学直接联系, Havig等[3首次将同位素数据实验模拟,测试了连续加入/蒸发循环可以形成硅华 与集群基因组分析结合起来以预测产生热液生物膜网状结构或叠层;在沉积速率和二氧化硅饱和状态 特征的最优碳固定途径。 方面,蒸发二氧化硅沉积与自然环境中硅化的形成 显示出许多相似性 3影响陆地热泉硅华沉积的因素 3.1.2快速冷却 热泉水喷出地表,由于其地下温度与地表温度 陆地热泉硅华是地热热水喷出地表,由于温差温差较大,会发生快速冷却,冷却影响SiO2的饱和 和释压使得热水快速冷却蒸发,SiO2过饱和,并受度,从而影响其沉淀速率。因此,在硅华沉淀过程 热液pH值、阳离子效应及生物活动的影响,在热泉中,快速冷却通常被认为是一个重要因 喷口或泉池周围形成的一种白色沉积物,因其所含素[1:11 Guidry等2对美国 Yellowstone 离子不同而呈现不同的颜色。一般而言,影响陆地 National park热泉研究发现,温度与二氧化硅饱和 热泉硅华的因素可简要分为2类:非生物因素和生指数呈一次性函数关系,从而印证了冷却影响二氧 物因素。通常影响硅华形成的非生物因素包含着物化硅饱和度。促进蒸发和冷却过程通常一起被用来 理化学过程,即蒸发浓缩、快速冷却、pH值改变、阳离解释硅华的沉淀过程,可能是用于解释硅华沉淀最 子效应等;生物因素则是硅华形成过程受微生物的活常用的非生物过程[1。有研究表明,较冷的冬季 动所影响。通常来说这些因素不是单独起作用,而是月份会增加硅质沉积物的沉淀量,从而表现出季节 多个因素共同作用,使得硅华得以沉淀。 性沉积。 Mountain等[9对新西兰 Taupo火山 3.1非生物因素 区天然地热环境进行了实验室研究后认为,硅华沉 早期研究表明,硅华的沉淀主要是物理化学因淀完全是非生物因素引起,其中冷却是控制地下热 素导致。 White等[26认为硅华沉淀中生物作用非水系统中硅华沉积的主要因素。 常轻微,其沉淀过程主要是非生物作用。研究表明,3.1.3pH值变化 影响硅华沉淀的非生物因素主要有4个:蒸发驱动 硅华的沉淀也可归因于pH值的变化1,二氧 作用、热水的快速冷却、pH值变化、阳离子(Fe2+、化硅的聚合受pH值升高或pH值突然降低的支 Fe3+、A3+)效应,这些因素共同影响热泉硅华的沉配1。沉淀速率与二氧化硅过饱和有关,但pH值 淀速率,热水中二氧化硅的溶解度(二氧化硅饱和可以改变这种关系,pH值决定了溶解二氧化硅的 度)是温度、pH值、盐度和二氧化硅浓度的函数,在聚合速率和沉淀速率5,二氧化硅的聚合和沉淀在 具有高二氧化硅浓度、近中性、含离子浓度高的低温碱性溶液中比在酸性溶液中快得多[212。pH值 热水中沉淀速率最高3。 影响二氧化硅溶解度,在近中性(69时溶解度急剧增加1,且 热泉水受高温作用发生缓慢蒸发作用,使得热沉淀后,如果没有外界条件的改变,很少甚至几乎不 水过饱和程度增大,SiO2过饱和,导致非晶形SiO2发生改变[5。 Mountain等9在对新西兰7个热泉 沉淀和Opal-A聚集。 Walter3结合冷却这个进行了硅华生长率的实验研究中发现,pH值低的 因素对 Yellowstone National Park周围的硅质热泉 Rotokawa泉中微生物硅华叠层生长速度缓慢,约为 进行研究时提出了蒸发驱动这个过程,同样在肯尼0.004mm。冰岛 Krafla地区,地热水pH值为10 亚[3和新西兰[的热泉也有类似的观察结果。在时的SiO溶解度比在pH为9时的溶解度高2倍 局部微观尺度上,蒸发性“芯吸”(毛细管作用使得富以上,表明地热水的pH值对非晶形SiO2的溶解度 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第１期 游雅贤等：陆地热泉硅华研究进展与展望 数据的结合可以提供有用的信息，但仍然不能完全 了解某些自然体系，例如以胶体二氧化硅和微生物 之间的相互作用为中心的自然体系，对 ＥｌＴａｔｉｏ地 热田高海拔硅化微生物的研究，提供了一个了解非 晶形二氧化硅泉华的微相和微生物分析的实 例［１２７］。硅华中微生物群落的多样性可以与所研究 的地热水 物 理 化 学 条 件 联 系 起 来［１２８－１３２］，这 些研 究 表明，微生物格架和微生物群落结构的复杂性与具 体的化学参数（包括温度、盐度、ｐＨ 值、能量来源及 硅华的生长速率）有很好的相关性。随着微生物生 态学分子方法的出现，可以将地球化学分析与集群 基因组学直接联系，Ｈａｖｉｇ等［１３３］首次将同位素数据 与集群基因组分析结合起来以预测产生热液生物膜 特征的最优碳固定途径。 ３ 影响陆地热泉硅华沉积的因素 陆地热泉硅华是地热热水喷出地表，由于温差 和释压使得热 水 快 速 冷 却 蒸 发，ＳｉＯ２ 过 饱和，并 受 热液ｐＨ 值、阳离子效应及生物活动的影响，在热泉 喷口或泉池周围形成的一种白色沉积物，因其所含 离子不同而呈现不同的颜色。一般而言，影响陆地 热泉硅华的因素可简要分为２类：非生物因素和生 物因素。通常影响硅华形成的非生物因素包含着物 理化学过程，即蒸发浓缩、快速冷却、ｐＨ 值改变、阳离 子效应等；生物因素则是硅华形成过程受微生物的活 动所影响。通常来说这些因素不是单独起作用，而是 多个因素共同作用，使得硅华得以沉淀。 ３．１ 非生物因素 早期研究表明，硅华的沉淀主要是物理化学因 素导致。Ｗｈｉｔｅ等［２６］认为硅华沉淀中生物作用 非 常轻微，其沉淀过程主要是非生物作用。研究表明， 影响硅华沉淀的非生物因素主要有４个：蒸发驱动 作用、热 水 的 快 速 冷 却、ｐＨ 值 变 化、阳 离 子（Ｆｅ２＋ 、 Ｆｅ３＋ 、Ａｌ３＋ ）效应，这些因素共同影响热泉硅华的沉 淀速率，热 水 中 二 氧 化 硅 的 溶 解 度（二 氧 化 硅 饱 和 度）是温度、ｐＨ 值、盐度和二氧化硅浓度的函数，在 具有高二氧化硅浓度、近中性、含离子浓度高的低温 热水中沉淀速率最高［５３］。 ３．１．１ 蒸发驱动 热泉水受高温作用发生缓慢蒸发作用，使得热 水过饱和程度增 大，ＳｉＯ２ 过 饱和，导 致 非 晶 形 ＳｉＯ２ 沉淀和 Ｏｐａｌ－Ａ 聚 集［６４］。Ｗａｌｔｅｒ［１３４］结 合冷 却 这 个 因素对 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ周围的硅质热泉 进行研究时提出了蒸发驱动这个过程，同样在肯尼 亚［１３５］和新西兰［８８］的热泉也有类似的观察结果。在 局部微观尺度上，蒸发性“芯吸”（毛细管作用使得富 含二氧化硅的水向上富集于微生物层，通过蒸发沉 积二氧化硅）常用于解释热泉池和微生物层边缘的 硅化 现 象［１３６］。Ｌｏｗｅ等［８９］认 为，ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａ－ ｔｉｏｎａｌＰａｒｋ的陆地高温硅质泉华的形成主要受蒸发 驱动的沉积控制。两年后，他们对生物、非生物影响 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ陆地高温泉华结构分析 中将此观点做出了充分表述，即泉水飞溅导致的重 复湿 润、毛 细 管 作 用、蒸发驱动控制高温硅华沉 积［２９］。为了更精确地了解蒸发作用对硅华形成的 影 响，进行实验室模拟研究是一种很好的办法， Ｏｒａｎｇｅ等［１２３］对 蒸发 驱 使 ＳｉＯ２ 泉 华的 形 成 进 行 了 实验模拟，测试了连续加入／蒸发循环可以形成硅华 网状结构或叠层；在沉积速率和二氧化硅饱和状态 方面，蒸发二氧化硅沉积与自然环境中硅化的形成 显示出许多相似性。 ３．１．２ 快速冷却 热泉水喷出地表，由于其地下温度与地表温度 温差较大，会发生快速冷却，冷却影响 ＳｉＯ２ 的 饱和 度，从而影响其沉淀速率。因 此，在 硅 华 沉 淀 过 程 中，快速冷却通常被认为是一个重要因 素［１，１１３，１３７－１３８］。Ｇｕｉｄｒｙ 等［１２４］ 对 美 国 Ｙｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅ ＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ热泉研究发现，温度与二氧化硅饱和 指数呈一次性函数关系，从而印证了冷却影响二氧 化硅饱和度。促进蒸发和冷却过程通常一起被用来 解释硅华的沉淀过程，可能是用于解释硅华沉淀最 常用的非生物过程［５４，１３９］。有研究表明，较冷的冬季 月份会增加硅质沉积物的沉淀量，从而表现出季节 性沉积［１３６］。Ｍｏｕｎｔａｉｎ等［９５］对 新西 兰 Ｔａｕｐｏ火 山 区天然地热环境进行了实验室研究后认为，硅华沉 淀完全是非生物因素引起，其中冷却是控制地下热 水系统中硅华沉积的主要因素。 ３．１．３ ｐＨ 值变化 硅华的沉淀也可归因于ｐＨ 值的变化［１４０］，二氧 化硅 的 聚 合 受 ｐＨ 值 升 高 或 ｐＨ 值突然降低的支 配［１４１］。沉淀速率与二氧化硅过饱和有关，但ｐＨ 值 可以改变这 种 关 系，ｐＨ 值决定了溶解二氧化硅的 聚合速率和沉淀速率［５３］，二氧化硅的聚合和沉淀在 碱性溶 液 中 比 在 酸 性 溶 液 中 快 得 多［９２，１４２］。ｐＨ 值 影响二氧化硅溶解度，在近中性（６＜ｐＨ＜９）条件下 溶解度最低，在 ｐＨ＞ ９时溶解度急剧增加［１４１］，且 沉淀后，如果没有外界条件的改变，很少甚至几乎不 发生改变［５６］。Ｍｏｕｎｔａｉｎ等［９５］在对新西兰７个热泉 进行了硅华 生 长 率 的 实 验 研 究 中 发 现，ｐＨ 值 低 的 Ｒｏｔｏｋａｗａ泉中微生物硅华叠层生长速度缓慢，约为 ０．００４ｍｍ。冰 岛 Ｋｒａｆｌａ地 区，地热 水 ｐＨ 值 为１０ 时的ＳｉＯ２ 溶解度 比 在 ｐＨ 为９时 的 溶 解 度 高２倍 以上，表明地热水的ｐＨ 值对非晶形 ＳｉＯ２ 的溶解度 ５７
地质科技情报 2019年 及硅华生长速度影响强烈[5。 例如对 Puchuldiza地热区研究发现,As和B主要 3.1.4阳离子效应 在非晶形Opal-A/CT中富集,而Au和Ag则在多 Fe2+、Fe3+、A+等阳离子也被证实在硅华沉晶相 Opal-C/石英中显示出更高的浓度。 淀过程中起促进作用s1。尤其在日本的一些地 热区,阳离子效应特別显著,被认为是硅华沉淀的潜 在催化剂8。在热水SiO2沉淀过程中,随着热水中 A的溶解,Opal-A的溶解度降低,导致其发生沉淀; 同样Fe与Fe的氢氧化物在非晶形SiO2的沉淀过程 中起促进作用 智利高原高海拔硅华具有反映极 端气候条件的独特结构和矿物学特征,主要由于阳离 子掺入二氧化硅导致结构高度紊乱所造成11。 3.2生物因素 微生物在热泉硅华沉积中较常见,且对热泉硅 华的形成和识别具有重大意义[11。微生物在热泉 硅华形成中作为一种基质,在其上面SiO2可聚集形 成一系列独特的结构5。世界上现代热泉系统中 Opal-A/CT 包括 Yellowstone National park5145)、冰岛1、新 西兰[14、印度18、保加利亚1和中国腾冲[1与西 藏,常见丝状蓝细菌 Calothrix,因其易于硅化 通常被用于评估热泉微生物硅化。例如中国云南省 腾冲热海地热区美女泉排放裙覆盖层状Opal-A沉 图7 Geyser Valley硅华的矿物成熟和转变方式(据文 积物,这些Opal-A沉积物的结构受 Calothrix层硅 献[17]) 化的控制,某些 Calothrix硅化鞘中含有显著的色 Fig 7 Mineralogic maturation and alteration pathway 素沉淀证据,并且硅华 Calothrix薄层和缺乏Calo- in Geyser Valley sinter triz薄层之间具有受降雨与光照影响的周期性交 替现象3。总之,热水中的微生物会促进硅华的沉5研究意义及展望 淀,硅华的沉淀会导致微生物发生石化,微生物在硅 华形成中的作用至今受到地质学者的广泛关注。 5.1研究意义 (1)因热泉环境代表几百万年前的地球和火星 4硅华成岩转变 的极端条件,热泉硅华沉积可能会对地球早期生命 与地外生命的起源和进化研究提供启示;同时,研究 硅华的成岩转变是一系列SiO2相随着时间从现代硅华提供了一个区分早期沉积过程和沉淀后期 非晶质Opal-A到结晶石英的过程[53,往往伴随叠加的新视角 着矿物晶格的脱水[n:3,反复地溶解再沉积、离子 (2)基于热泉硅华结构保存的有关流体地球化 置换和重结晶1:1,晶格有序度增加,SiO2间孔学、排放、微生物群落和沉积环境条件的信息,可以 隙度减少,矿物成熟度增加。温度、压力、流体性推断每种结构类型的沉积环境和近似的温度条件 质可影响SiO2结晶度、排列方式和直径,进而影响微生物的研究对鉴定古环境特征具有极其重要的作 成岩过程的发生,成岩过程不受时间的限制,但受成用,根据其保存形态不同可推断不同的环境,并且生 岩后作用(酸性蒸汽凝结、二次流体循环和埋藏)的物体的生物学特征对地球和太阳系极端生命的研究 极大影响,。酸性蒸汽的凝结在成岩过程中起具有重要的意义 加速作用,导致二氧化硅表面腐蚀,形成Opal-A、O (3)硅华地球化学特征,不仅可以反映地热水的 pal-CT、玉髓或石英[13。早期成岩作用会使刚沉组成,而且还能分析出地热水和源岩的重要信息,为 淀的SiO2经历溶解、再沉积或经历一些局部改变而寻找地热能源和古代地热稀土贵金属矿床提供地球 形成黏土矿物(图7),但这些矿物依旧是未成熟或化学标准,对评估现有浅成低温金属矿床和活动地 非稳定的,主要是Opal-A及微小的Opal-A/CT热勘察区潜力等具有重要意义。 随着成岩过程的持续进行,元素基于SO2成熟产生 (4)陆上地热资源在实际利用过程中存在严重 的结构、形态、地球化学变化所导致的差异性富集,的结垢问题,制约地热能高效利用,其结垢机理与陆 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
地 质 科 技 情 报 ２０１９年 及硅华生长速度影响强烈［５３］。 ３．１．４ 阳离子效应 Ｆｅ２＋ 、Ｆｅ３＋ 、Ａｌ３＋ 等阳离子也被证实在硅华沉 淀过程中起 促 进 作 用［８４，１４３］。尤 其在 日 本 的 一 些 地 热区，阳离子效应特别显著，被认为是硅华沉淀的潜 在催化剂［８４］。在热水ＳｉＯ２ 沉淀过程中，随着热水中 Ａｌ的溶解，Ｏｐａｌ－Ａ 的溶解度降低，导致其发生沉淀； 同样Ｆｅ与Ｆｅ的氢氧化物在非晶形ＳｉＯ２ 的沉淀过程 中起促进作用［１４３］。智利高原高海拔硅华具有反映极 端气候条件的独特结构和矿物学特征，主要由于阳离 子掺入二氧化硅导致结构高度紊乱所造成［５４，１４４］。 ３．２ 生物因素 微生物在热泉硅华沉积中较常见，且对热泉硅 华的形成和识别具有重大意义［４，１１］。微生物在热泉 硅华形成中作为一种基质，在其上面ＳｉＯ２ 可聚集形 成一系列独特的结构［５６］。世界上现代热泉系统中， 包括 ＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ［１５，１４５］、冰岛［１４６］、新 西兰［１４７］、印度［１４８］、保加利亚［１４９］和中国腾冲［１３］与西 藏［７５］，常 见丝 状 蓝 细 菌 Ｃａｌｏｔｈｒｉｘ，因 其易 于 硅 化， 通常被用于评估热泉微生物硅化。例如中国云南省 腾冲热海地热区美女泉排放裙覆盖层状 Ｏｐａｌ－Ａ 沉 积物，这些 Ｏｐａｌ－Ａ 沉积物的结构受Ｃａｌｏｔｈｒｉｘ 层硅 化的控 制，某 些 Ｃａｌｏｔｈｒｉｘ 硅 化鞘 中 含 有 显 著 的 色 素沉淀证据，并且硅华Ｃａｌｏｔｈｒｉｘ 薄层和缺乏Ｃａｌｏ－ ｔｈｒｉｘ 薄层之间具有受降雨与光照影响的周期性交 替现象［１３］。总之，热水中的微生物会促进硅华的沉 淀，硅华的沉淀会导致微生物发生石化，微生物在硅 华形成中的作用至今受到地质学者的广泛关注。 ４ 硅华成岩转变 硅华的成岩转变是一系列 ＳｉＯ２ 相 随着 时 间 从 非晶 质 Ｏｐａｌ－Ａ 到 结晶 石 英 的 过 程［５７－５８］，往 往伴 随 着矿物晶格 的 脱 水［１７，５４］，反复地溶解再沉积、离子 置换和重结晶［６１，１４４］，晶格有序度增加［４］，ＳｉＯ２ 间孔 隙度减少，矿物成熟度增加［５８］。温度、压力、流体性 质可影响ＳｉＯ２ 结晶度、排列方式和直径，进 而 影 响 成岩过程的发生，成岩过程不受时间的限制，但受成 岩后作用（酸性蒸汽凝结、二次流体循环和埋藏）的 极大影响［１７，５７－５８］。酸性蒸汽的凝结在成岩过程中起 加速作用，导致二氧化硅表面腐蚀，形成 Ｏｐａｌ－Ａ、Ｏ－ ｐａｌ－ＣＴ、玉髓或 石 英［１３９］。早期成岩作用会使刚沉 淀的ＳｉＯ２ 经历溶解、再沉积或经历一些局部改变而 形成黏土矿物（图７），但这些矿物依旧是未成熟或 非稳定的，主要是 Ｏｐａｌ－Ａ 及 微小 的 Ｏｐａｌ－Ａ／ＣＴ［１７］ 随着成岩过程的持续进行，元素基于ＳｉＯ２ 成熟产生 的结构、形态、地球化学变化所导致的差异性富集， 例如 对 Ｐｕｃｈｕｌｄｉｚａ地 热区 研 究 发 现，Ａｓ和 Ｂ 主 要 在非晶形 Ｏｐａｌ－Ａ／ＣＴ 中富集，而 Ａｕ和 Ａｇ则在多 晶相 Ｏｐａｌ－Ｃ／石英中显示出更高的浓度［５］。 图７ ＧｅｙｓｅｒＶａｌｌｅｙ硅华的矿物成熟和转变方式（据文 献［１７］） Ｆｉｇ．７ Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｃｍａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄａｌｔｅｒａｔｉｏｎｐａｔｈｗａｙｓ ｉｎＧｅｙｓｅｒＶａｌｌｅｙｓｉｎｔｅｒ ５ 研究意义及展望 ５．１ 研究意义 （１）因热泉环境代表几百万年前的地球和火星 的极端条件，热泉硅华沉积可能会对地球早期生命 与地外生命的起源和进化研究提供启示；同时，研究 现代硅华提供了一个区分早期沉积过程和沉淀后期 叠加的新视角。 （２）基于热泉硅华结构保存的有关流体地球化 学、排放、微生物群落和沉积环境条件的信息，可以 推断每种结构类型的沉积环境和近似的温度条件； 微生物的研究对鉴定古环境特征具有极其重要的作 用，根据其保存形态不同可推断不同的环境，并且生 物体的生物学特征对地球和太阳系极端生命的研究 具有重要的意义。 （３）硅华地球化学特征，不仅可以反映地热水的 组成，而且还能分析出地热水和源岩的重要信息，为 寻找地热能源和古代地热稀土贵金属矿床提供地球 化学标准，对评估现有浅成低温金属矿床和活动地 热勘察区潜力等具有重要意义。 （４）陆上地热资源在实际利用过程中存在严重 的结垢问题，制约地热能高效利用，其结垢机理与陆 ６７
第1期 游雅賢等:陆地热泉硅华研究选展与展望 地热泉硅华沉淀形成机理具有一定相似性,研究硅 Chinese Science Bulletin, 2007, 52(19):2680-2686. 华沉淀机理,对了解地热流体结垢机理及解决目前 [3] Lynne B Y Mapping vent to distakapron hot spring paleo-flow 我国面临的化石能源短缺问题具有重要意义, pathways using siliceous sinter architecture[JI. Geothermic 12,43:3-24 5.2存在的问题及下一步展望 [4 Campbell K A, Lynne B Y, Handley K M, et al. Tracing biosig- 尽管相关学者针对硅华结构、岩石学、矿物学、 ture preservation of geothermally 地球化学特征及微生物作用方面开展了研究,但对 into the geological record[J]. Astrobiology, 2015, 15(10):858. 硅华的成因机制研究不完善,关于控制硅华差异性5] Sanchez- Yanez C, Reich M, Leisen m,etal. Geochemistry of metals and metalloids in siliceous sinter deposits: Implications 保存的因素尚不明确,主要表现在: for elemental partitioning into silica phases[J]. Applied Geo- ①硅华结构方面,由于其微观与宏观结构由大 chemistry,2017,80:112-133. 量参数决定或影响,形成了相的多样性以及解释上[6] Jones B, Renautr w. Growth of siliceous spicules in acidic hot 的难度,硅华纹理沉积的内在机制仍未弄清,针状硅 springs, Waiotapu Geothermal Area, North Island, New Zeal- 华等类型的成因不明确 andI]. Palaios,2006,21(5):406-4123. ②微生物作用与硅华结构之间的内在关系研究 enau, aces architecture in depositional systems re 薄弱,物理和微生物数据的结合可以提供有用信息, acidic lakes: Case study of Lake Rotora-Tamaheke, Rotorua 但以胶体二氧化硅和微生物之间的相互作用为中心 New Zealand[J]. Revue Canadienne Des Sciences De La Terre 的自然体系研究薄弱;微生物在地热系统中广泛存 2012,49:1217-1250 在,但控制其系统发育丰度及群落多样性与地球化[81 Drake B D, Campbell K A, Rowland J V,etal. Evolution of dynamic paleo-hydrothermal system at Mangatete, Taupo Vol 学体系之间的联系仍然知之甚少;蒸发作为快速细 canic Zone, New Zealand [j] Journal of volcanology &.Geo- 胞石化的可行性途径和内在机制也不明确 thermal research, 2014. 282: 19-35 ③地热系统稀土元素分馏仍然存在争议,尤其[9] Pope JG, Brown K l, Mcconchie d m, gold concentrations in 是镧系四分体效应;硅华微量元素地球化学在解决 springs at Waiotapu, New Zealand Implications for precious 地热地质问题方面研究薄弱;金属与非金属地球化 metal deposition in geothermal systems[JI. Economic Geology 2005,100:677-687 学与SiO2沉积物结晶度内在关系不清楚;同位素数 L10] Vikre P G. Intervein correlations at Buckskin Mountain, Na- 据与集群基因组学研究还有待深入等 tional District, Humboldt County, Nevada[J] Economic Geolo- ④硅华的形成很大程度上受沉积环境(人为及 gy,2007,102(2):193-224. 地热活动等)的影响,特别是近年来人类活动的影 [11] Campbell K A, Guido D M, Gautret P, et al. Geyserite in hot- 响,极大地改变着地表及地下的环境,使得硅华形成 pring siliceous sinter: Window on earth's hottest terrestrial (paleo)environment and its extreme life[J]. EarthScience Re- 的环境更为复杂,影响硅华沉淀的复杂因素有待进 vIews,2015,148:44-64. [12] Ruff S w. Farmer J D Silica deposits on Mars with features re- 随着科技进步带来的实验手段的革新,建议加 abling hot spring biosignatures at El Tatio in Chile[j]. Na- 强硅华同位素分馏、微量元素及常量元素在硅华形 ure Communications, 2016.7:13554 成中的作用机理研究;基于热泉硅华实例分析,加强 [13] Jones B, Peng X Laminae development in opal-A precipitat associated with seasonal growth of the form-genus Calothrix 实验室热泉蒸发沉淀模拟研究,确定蒸发过程中热 泉水在各阶段的化学演化规律及矿物的结晶序列, Province, China[j]. Sedimentary Geology, 2015, 319: 52-68 弄清地热系统热泉喷流结晶的介稳相图、喷流动力匚14 Jones E, Peng x. Growth and development of springτ towers at 学模型和硅华沉淀机制;通过全面的地球化学、物理 Shiqiang. Yunnan Province, China [J]. Sedimentary Geology 和微生物分析尽可能多地探索微生物与硅华生长的 相关性;基于热泉硅华系统的岩石学、矿物学、地球151 Berelson w m, Corsetti F A, Peperanney C.etal. Hot spring iliceous stromatolites from Yellowstone National Park, Asses- 化学、物理化学模拟和微生物分析,明确热泉硅华成 sing growth rate and laminae formation. [J]. Geobiology 因,弄清控制硅华沉积的因素,深入了解热泉硅华形 11,9(5):411-424. 成的复杂性及其在全球范围内的相关性。 L16] Harrison J P, Aggarwal S D, Cockell C S. Salinit the response of to artificial fossilization by evaporative silicifr- 参考文献: tion[J. Geomicrobiology Journal, 2015, 33(5):377-386 B Renaut R W. Formation of silica oncoids around gey- [17] Watts-Henwood N. Campbell K A, Lynne B Y, et al. Snapshot sers and hot springs at El Tatio, northern Chile[j]. Sedimen- of hot-spring sinter at Geyser Valley, Wairakei, New Zealand tology,1997,44(2):287-304 following anthropogenic drawdown of the geothermal reservoir [2] Wang H L, Zheng M P, Huang XX Cesium accumulation by J. Geothermics, 2017,68:94-114. bacterium Thermus sp. Tibetan G7: Hints for biomineralization [18] Herdianita N R Browne PR L, Rodgers K A, et al. Mineralog- of cesiumrbearing geyserite in hot springs in Tibet. Chinaljl ical and textural changes accompanying ageing of silica sinter 21994-2019ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第１期 游雅贤等：陆地热泉硅华研究进展与展望 地热泉硅华沉淀形成机理具有一定相似性，研究硅 华沉淀机理，对了解地热流体结垢机理及解决目前 我国面临的化石能源短缺问题具有重要意义。 ５．２ 存在的问题及下一步展望 尽管相关学者针对硅华结构、岩石学、矿 物 学、 地球化学特征及微生物作用方面开展了研究，但对 硅华的成因机制研究不完善，关于控制硅华差异性 保存的因素尚不明确，主要表现在： ①硅华结构方面，由于其微观与宏观结构由大 量参数决定或影响，形成了相的多样性以及解释上 的难度，硅华纹理沉积的内在机制仍未弄清，针状硅 华等类型的成因不明确。 ②微生物作用与硅华结构之间的内在关系研究 薄弱，物理和微生物数据的结合可以提供有用信息， 但以胶体二氧化硅和微生物之间的相互作用为中心 的自然体系研究薄弱；微生物在地热系统中广泛存 在，但控制其系统发育丰度及群落多样性与地球化 学体系之间的联系仍然知之甚少；蒸发作为快速细 胞石化的可行性途径和内在机制也不明确。 ③地热系统稀土元素分馏仍然存在争议，尤其 是镧系四分体效应；硅华微量元素地球化学在解决 地热地质问题方面研究薄弱；金属与非金属地球化 学与ＳｉＯ２ 沉积物结晶度内在关系不清楚；同位素数 据与集群基因组学研究还有待深入等。 ④硅华的形成很大程度上受沉积环境（人为及 地热活动等）的 影 响，特别是近年来人类活动的影 响，极大地改变着地表及地下的环境，使得硅华形成 的环境更为复杂，影响硅华沉淀的复杂因素有待进 一步明确。 随着科技进步带来的实验手段的革新，建议加 强硅华同位素分馏、微量元素及常量元素在硅华形 成中的作用机理研究；基于热泉硅华实例分析，加强 实验室热泉蒸发沉淀模拟研究，确定蒸发过程中热 泉水在各阶段的化学演化规律及矿物的结晶序列， 弄清地热系统热泉喷流结晶的介稳相图、喷流动力 学模型和硅华沉淀机制；通过全面的地球化学、物理 和微生物分析尽可能多地探索微生物与硅华生长的 相关性；基于热泉硅华系统的岩石学、矿物学、地球 化学、物理化学模拟和微生物分析，明确热泉硅华成 因，弄清控制硅华沉积的因素，深入了解热泉硅华形 成的复杂性及其在全球范围内的相关性。 参考文献： ［１］ ＪｏｎｅｓＢ，ＲｅｎａｕｔＲ Ｗ．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃａｏｎｃｏｉｄｓａｒｏｕｎｄｇｅｙ－ ｓｅｒｓａｎｄｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓａｔＥｌＴａｔｉｏ，ｎｏｒｔｈｅｒｎＣｈｉｌｅ［Ｊ］．Ｓｅｄｉｍｅｎ－ ｔｏｌｏｇｙ，１９９７，４４（２）：２８７－３０４． ［２］ ＷａｎｇＨ Ｌ，Ｚｈｅｎｇ Ｍ Ｐ，ＨｕａｎｇＸ Ｘ．Ｃｅｓｉｕｍａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｂｙ ｂａｃｔｅｒｉｕｍＴｈｅｒｍｕｓｓｐ．ＴｉｂｅｔａｎＧ７：Ｈｉｎｔｓｆｏｒｂｉｏｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｃｅｓｉｕｍ－ｂｅａｒｉｎｇｇｅｙｓｅｒｉｔｅｉｎｈｏｔｓｐｒｉｎｇｓｉｎＴｉｂｅｔ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］． ＣｈｉｎｅｓｅＳｃｉｅｎｃｅＢｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，５２（１９）：２６８０－２６８６． ［３］ ＬｙｎｎｅＢＹ．Ｍａｐｐｉｎｇｖｅｎｔｔｏｄｉｓｔａｌ－ａｐｒｏｎｈｏｔｓｐｒｉｎｇｐａｌｅｏ－ｆｌｏｗ ｐａｔｈｗａｙｓｕｓｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｈｅｒｍｉｃｓ， ２０１２，４３：３－２４． ［４］ ＣａｍｐｂｅｌｌＫＡ，ＬｙｎｎｅＢＹ，ＨａｎｄｌｅｙＫ Ｍ，ｅｔａｌ．Ｔｒａｃｉｎｇｂｉｏｓｉｇ－ ｎａｔｕｒｅｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｌｙｓｉｌｉｃｉｆｉｅｄｍｉｃｒｏｂｉａｌｔｅｘｔｕｒｅｓ ｉｎｔｏｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｃｏｒｄ［Ｊ］．Ａｓｔｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，２０１５，１５（１０）：８５８． ［５］ Ｓａｎｃｈｅｚ－ＹａｎｅｚＣ，Ｒｅｉｃｈ Ｍ，Ｌｅｉｓｅｎ Ｍ，ｅｔａｌ．Ｇｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆ ｍｅｔａｌｓａｎｄｍｅｔａｌｌｏｉｄｓｉｎｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒｄｅｐｏｓｉｔｓ：Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒｅｌｅｍｅｎｔａｌｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇｉｎｔｏｓｉｌｉｃａｐｈａｓｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏ－ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１７，８０：１１２－１３３． ［６］ ＪｏｎｅｓＢ，ＲｅｎａｕｔＲ Ｗ．Ｇｒｏｗｔｈｏｆｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｐｉｃｕｌｅｓｉｎａｃｉｄｉｃｈｏｔ ｓａｐｒｉｎｇｓ，ＷａｉｏｔａｐｕＧｅｏｔｈｅｒｍａｌＡｒｅａ，ＮｏｒｔｈＩｓｌａｎｄ，ＮｅｗＺｅａｌ－ ａｎｄ［Ｊ］．Ｐａｌａｉｏｓ，２００６，２１（５）：４０６－４２３． ［７］ ＲｅｎａｕｔＲ Ｗ．Ｆａｃｉｅｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｎｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｓｙｓｔｅｍｓｒｅｓｕｌ－ ｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆａｃｉｄｉｃｓｐｒｉｎｇｓ，ａｌｋａｌｉｎｅｓｐｒｉｎｇｓ，ａｎｄ ａｃｉｄｉｃｌａｋｅｓ：ＣａｓｅｓｔｕｄｙｏｆＬａｋｅＲｏｔｏ－ａ－Ｔａｍａｈｅｋｅ，Ｒｏｔｏｒｕａ， ＮｅｗＺｅａｌａｎｄ［Ｊ］．ＲｅｖｕｅＣａｎａｄｉｅｎｎｅＤｅｓＳｃｉｅｎｃｅｓＤｅＬａＴｅｒｒｅ， ２０１２，４９：１２１７－１２５０． ［８］ ＤｒａｋｅＢＤ，ＣａｍｐｂｅｌｌＫ Ａ，ＲｏｗｌａｎｄＪＶ，ｅｔａｌ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆａ ｄｙｎａｍｉｃｐａｌｅｏ－ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｓｔｅｍａｔＭａｎｇａｔｅｔｅ，ＴａｕｐｏＶｏｌ－ ｃａｎｉｃＺｏｎｅ，ＮｅｗＺｅａｌａｎｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｏｌｃａｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｇｅｏ－ ｔｈｅｒｍａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１４，２８２：１９－３５． ［９］ ＰｏｐｅＪＧ，ＢｒｏｗｎＫＬ，ＭｃｃｏｎｃｈｉｅＤ Ｍ．Ｇｏｌｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎ ｓｐｒｉｎｇｓａｔ Ｗａｉｏｔａｐｕ，Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ：Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｐｒｅｃｉｏｕｓ ｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＥｃｏｎｏｍｉｃＧｅｏｌｏｇｙ， ２００５，１００：６７７－６８７． ［１０］ＶｉｋｒｅＰＧ．Ｓｉｎｔｅｒ－ｖｅｉｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓａｔＢｕｃｋｓｋｉｎ Ｍｏｕｎｔａｉｎ，Ｎａ－ ｔｉｏｎａｌＤｉｓｔｒｉｃｔ，ＨｕｍｂｏｌｄｔＣｏｕｎｔｙ，Ｎｅｖａｄａ［Ｊ］．ＥｃｏｎｏｍｉｃＧｅｏｌｏ－ ｇｙ，２００７，１０２（２）：１９３－２２４． ［１１］ＣａｍｐｂｅｌｌＫ Ａ，ＧｕｉｄｏＤ Ｍ，ＧａｕｔｒｅｔＰ，ｅｔａｌ．Ｇｅｙｓｅｒｉｔｅｉｎｈｏｔ－ ｓｐｒｉｎｇｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｉｎｔｅｒ：Ｗｉｎｄｏｗｏｎｅａｒｔｈ’ｓｈｏｔｔｅｓｔｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ （ｐａｌｅｏ）ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｅｘｔｒｅｍｅｌｉｆｅ［Ｊ］．Ｅａｒｔｈ－ＳｃｉｅｎｃｅＲｅ－ ｖｉｅｗｓ，２０１５，１４８：４４－６４． ［１２］ＲｕｆｆＳＷ，ＦａｒｍｅｒＪＤ．ＳｉｌｉｃａｄｅｐｏｓｉｔｓｏｎＭａｒｓｗｉｔｈｆｅａｔｕｒｅｓｒｅ－ ｓｅｍｂｌｉｎｇｈｏｔｓｐｒｉｎｇｂｉｏｓｉｇｎａｔｕｒｅｓａｔＥｌＴａｔｉｏｉｎＣｈｉｌｅ［Ｊ］．Ｎａ－ ｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１６，７：１３５５４． ［１３］ＪｏｎｅｓＢ，ＰｅｎｇＸ．Ｌａｍｉｎａｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｏｐａｌ－Ａｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｓｅａｓｏｎａｌｇｒｏｗｔｈｏｆｔｈｅｆｏｒｍ－ｇｅｎｕｓＣａｌｏｔｈｒｉｘ， （Ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ），Ｒｅｈａｉｇｅｏｔｈｅｒｍａｌａｒｅａ，Ｔｅｎｇｃｈｏｎｇ，Ｙｕｎｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．ＳｅｄｉｍｅｎｔａｒｙＧｅｏｌｏｇｙ，２０１５，３１９：５２－６８． ［１４］ＪｏｎｅｓＢ，ＰｅｎｇＸ．Ｇｒｏｗｔｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｐｒｉｎｇｔｏｗｅｒｓａｔ Ｓｈｉｑｉａｎｇ，ＹｕｎｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ Ｇｅｏｌｏｇｙ， ２０１７，３４７：１８３－２０７． ［１５］Ｂｅｒｅｌｓｏｎ Ｗ Ｍ，ＣｏｒｓｅｔｔｉＦ Ａ，ＰｅｐｅｒａｎｎｅｙＣ，ｅｔａｌ．Ｈｏｔｓｐｒｉｎｇ ｓｉｌｉｃｅｏｕｓｓｔｒｏｍａｔｏｌｉｔｅｓｆｒｏｍＹｅｌｌｏｗｓｔｏｎｅＮａｔｉｏｎａｌＰａｒｋ：Ａｓｓｅｓ－ ｓｉｎｇｇｒｏｗｔｈ ｒａｔｅａｎｄｌａｍｉｎａｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．［Ｊ］．Ｇｅｏｂｉｏｌｏｇｙ， ２０１１，９（５）：４１１－４２４． ［１６］ＨａｒｒｉｓｏｎＪＰ，ＡｇｇａｒｗａｌＳＤ，ＣｏｃｋｅｌｌＣＳ．Ｓａｌｉｎｉｔｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｏａｒｔｉｆｉｃｉａｌｆｏｓｓｉｌｉｚａｔｉｏｎｂｙｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｓｉｌｉｃｉｆｉ－ ｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＧｅｏｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙＪｏｕｒｎａｌ，２０１５，３３（５）：３７７－３８６． ［１７］Ｗａｔｔｓ－ＨｅｎｗｏｏｄＮ，ＣａｍｐｂｅｌｌＫ Ａ，ＬｙｎｎｅＢＹ，ｅｔａｌ．Ｓｎａｐｓｈｏｔ ｏｆｈｏｔ－ｓｐｒｉｎｇｓｉｎｔｅｒａｔＧｅｙｓｅｒＶａｌｌｅｙ，Ｗａｉｒａｋｅｉ，ＮｅｗＺｅａｌａｎｄ， ｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃｄｒａｗｄｏｗｎｏｆｔｈｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｈｅｒｍｉｃｓ，２０１７，６８：９４－１１４． ［１８］ＨｅｒｄｉａｎｉｔａＮＲ，ＢｒｏｗｎｅＰＲＬ，ＲｏｄｇｅｒｓＫＡ，ｅｔａｌ．Ｍｉｎｅｒａｌｏｇ－ ｉｃａｌａｎｄｔｅｘｔｕｒａｌｃｈａｎｇｅｓａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇａｇｅｉｎｇｏｆｓｉｌｉｃａｓｉｎｔｅｒ ７７