陸地熱泉鈣華研究進展與展望

文華國，羅連超，羅曉彤，游雅賢，杜磊

1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059

2.成都理工大學沉積地質研究院，成都 610059

區(qū)別于形成于流出地表的高溫、近中性、氯堿性流體中的硅華/硅質沉積物[1-3]，鈣華是從泉水中經(jīng)過有機和無機過程沉淀形成的淡水碳酸鹽沉積物或碳酸鹽巖[4]，其沉積流體包括常溫流體和熱流體。近年來，雖然越來越多的學者傾向于使用“travertine”表示陸地環(huán)境下與熱流體相關的碳酸鹽沉積[5-9]，但關于鈣華名稱的限定，尤其是“tufa”和“travertine”名稱的選取，似乎不能明確鈣華形成溫度、外形、沉積環(huán)境等限定條件，可能無法準確表達復雜鈣華類型完整的概念，如中國的四川黃龍溝鈣華與云南白水臺鈣華，地球化學特征顯示為熱成因鈣華（thermogene travertine）[10-12]，若按照泉水溫度的分類，四川黃龍溝鈣華（約7℃）[13]與云南白水臺鈣華（約10℃）[14]屬于冷水鈣華（tufa）。基于此，本文對熱泉鈣華（thermal springtravertine）的定義為：沉淀于富熱泉（T≥20℃，普遍T≥30℃）[15]的陸地碳酸鹽沉積物/巖。

目前，熱泉鈣華在古氣候、古環(huán)境重建和油氣勘探中扮演著越來越重要的角色，并引起國際上相關學者的關注。盡管相關學者對熱泉鈣華開展了相關研究：如熱泉鈣華與新構造運動的關系[16-19]，熱泉鈣華的沉積格架與古環(huán)境重建[20-24]，微生物在鈣華形成中的作用[8,25-28]，鈣華中特殊組構（如“方解石樹”）的成因[29-32]，熱泉鈣華的古氣候重建[24,33-35]等，但仍然存在一系列科學問題有待探索和研究。本文在閱讀國內外大量文獻的基礎上，結合研究團隊對云南騰沖熱泉鈣華的研究，闡述了熱泉鈣華的研究現(xiàn)狀，包括熱泉鈣華時空分布、沉積特征、礦物組成、地球化學特征、微生物作用、流體來源、早期成巖作用、古氣候記錄等方面，并總結了熱泉鈣華研究意義，提出了當前熱泉鈣華研究存在的問題及下一步研究方向。

1 熱泉鈣華分類與時空分布

目前，世界上針對鈣華（travertine、tufa、calcareous tufa）的分類方式眾多，常見的有成因分類、形態(tài)分類、溫度分類等，如Pentecost et al.[36]按照CO2來源，將鈣華分為大氣成因鈣華（meteogenetravertine，δ13C多介于0～-11‰）與熱成因鈣華（thermogene travertine，δ13C介于-4‰～8‰），根據(jù)鈣華體形態(tài)與發(fā)育位置將鈣華分為原地鈣華（autochthonous travertine）和碎屑鈣華（clastic travertines）兩個亞類，并進一步劃分出了泉華丘、裂脊鈣華和瀑布鈣華等9個小類。Fordet al.[37]依據(jù)溫度與發(fā)育位置將鈣華分為冷水鈣華（tufa）、熱水鈣華（travertine）和洞穴沉積物（speleothem）。熱泉鈣華屬于熱成因鈣華或熱水鈣華，主要分布在第四紀，第四紀前的熱泉古鈣華發(fā)現(xiàn)較少，其原因可能是：1）熱泉古鈣華體規(guī)模較小和空間區(qū)域分布范圍小，2）強烈的成巖改造，3）紋層狀鈣華與湖/海相疊層石的相似性導致的誤判。

目前已發(fā)現(xiàn)/證實的熱泉鈣華主要分布于北半球，以第四紀和現(xiàn)代鈣華發(fā)育為主（圖1），其具體時空分布特征表現(xiàn)為：

（1）受地熱活動控制的現(xiàn)代熱泉鈣華報道最為豐富，如：中國云南騰沖地熱區(qū)[31,75-76]與西藏地區(qū)[77-78]、美國 Yellowstone National Park[55,79-80]、日本 Nagano-yu Hot Spring[81]、冰島 Lysuhóll地區(qū)[29,82]、西班牙 Alhama-Jaraba地區(qū)[83]。

（2）熱泉活動已經(jīng)停止的第四紀鈣華也有較多發(fā)現(xiàn)，主要有：中國云南騰沖地區(qū)[30,84-85]與西藏地區(qū)[35,86-89]、加拿大Miette Hot Springs地區(qū)全新世殘余鈣華[45]與Fairmont Hot Springs地區(qū)的全新世鈣華裙、意大利Tiber峽谷更新世瀑布鈣華[24]與Euganean地熱區(qū)更新世鈣華丘[90]、土耳其Cakmak地區(qū)更新世鈣華斜坡[80]。

（3）前第四紀熱泉古鈣華僅見于少數(shù)地區(qū)，研究程度較低，如匈牙利Budakalász的古近系鈣華[66]、阿根廷Deseado Massif的侏羅紀地熱區(qū)[56,91-92]、歐洲Pechenga Greenstone Belt的古元古代鈣華[20,44]。在中國新疆柯坪硫磺溝地區(qū)也見有奧陶系古鈣華出露[93-94]，但是否為古熱泉鈣華還有待考證。

2 熱泉鈣華的沉積特征

2.1 沉積特殊性

作為非海相碳酸鹽巖的特殊沉積類型，區(qū)別于常見的湖相碳酸鹽巖與石筍等洞穴沉積物，熱泉鈣華的沉積具有獨特性，主要表現(xiàn)為：

（1）外形的多樣性，表現(xiàn)為瀑布狀、臺地狀、斜坡狀、裂脊狀、塔狀、丘狀等多種外形[76,95-100]（圖2）。

圖1 全球不同時代熱泉鈣華分布（紅色圓圈表示第四紀與現(xiàn)代鈣華；黃色圓圈表示古近紀與新近紀鈣華；綠色圓圈表示中生代鈣華；紫色圓圈表示古生代與前寒武鈣華）據(jù)Chafetz et al.[38];Jones et al.[39];Guo et al.[40];Frank et al.[41];Jones et al.[42];Rihs et al.[43];Melezhik et al.[44];Bonny et al.[45];Canet et al.[46];S?owakiewicz[47];Pichler et al.[48];Altunel et al.[49];Jones et al.[29];Moore et al.[50];Jorge-Villar et al.[51];Pentecost et al.[25];Pedley[52];Rainey et al.[53];Vylita et al.[54];Fouke[55];Guido et al.[56];Kanellopoulos[57];Nishikawa et al.[58];Okumura et al.[6];Rodríguez-Berriguete et al.[59];Villanueva-Estrada et al.[60];Brasier et al.[61];Okumura et al.[62];Prado-Pérez et al.[63];Kalender et al.[64];Sugihara et al.[8];Tchouatcha et al.[22];Billi et al.[65];Claes et al.[66];D′Alessandro et al.[67];Frery et al.[68];Henchiri et al.[69];Kanellopoulos et al.[9];Pereira et al.[70];Tatarinov et al.[27];T?r?k et al.[71];Alhejoj et al.[72];Capezzuoli et al.[73];Chafetz et al.[74];Shiraishi et al.[28]Fig.1 Worldwide distribution map of different thermal spring travertine occurrences

圖2 典型熱泉鈣華體宏觀形態(tài)特征(a)鈣華瀑布，西班牙（Berrazales（Camuera et al.[100]）；(b)鈣華階地，美國Yellowstone National Park（Fouke[55]）；(c)鈣華丘，印度尼西亞Sumatra（Sugihara et al.[8]）；(d)鈣華蘑菇，云南騰沖石墻；(e)鈣華臺地，云南騰沖猴橋；(f)鈣華裂脊，土耳其Ba?kale（Sa?lam et al.[101]）；(g)光滑鈣華斜坡，云南騰沖曩宋阿昌族鄉(xiāng)；(h)熱泉池及其周緣的黃色鈣華，云南騰沖瑞滇鄉(xiāng)Fig.2 Macroscopic morphological characteristics of typical thermal spring travertines

（2）沉積體系的多樣性，可劃分為斜坡沉積體系、凹陷沉積體系和Reed丘沉積體系（低角度斜坡沉積體系）[102]，各類沉積體系下又分多個沉積相類型[52,103]。

（3）巖相劃分類型眾多，可分為非生物結晶巖相、微生物巖相和碎屑顆粒巖相三大類，再細分為22個微相[103]。

（4）快速的相變，由于熱泉水從泉口流向周緣過程中，溫度急劇下降，熱泉鈣華沉積會很快過渡為冷水鈣華（T<20℃）[52]。

（5）沉積速率快[15]，平均沉積速率可高達1.75 mm/年與 30.9 mg/cm2/天[58,104]。

圖3 噴口到遠端裙不同溫度梯度熱泉及其鈣華結構特征圖（據(jù)Guido et al.[56]，修改）Fig.3 Hot springs with different temperature gradients from vent to distal-apron and travertine texture characteristics（modified from Guido et al.[56]）

表1 阿根廷德塞阿多地塊的熱泉沉積物的相組合及其特征（據(jù)Guido et al.[56]，修改）Table 1 The facies association and characteristics of thermal spring sediments in the Deseado Massif,Argentina(modified from Guido et al.[56])

（6）根據(jù)熱泉噴口到遠端裙距離和溫度差異，可將熱泉鈣華沉淀環(huán)境劃分為四類：噴口區(qū)、鄰近斜坡、中裙和遠端裙—沼澤[56]（圖3、表1）。

2.2 礦物組成特征

第四紀熱泉鈣華的礦物組成主要包括非晶質碳酸鈣、文石和方解石[105]（圖4），尤以文石和方解石最為普遍[64,108-109]，而沉淀的非晶質碳酸鈣由于不穩(wěn)定，會快速轉化為方解石和/或文石[110-112]，這些關注和報道都相對較少[48]。鈣華中礦物組成與溫度、Mg/Ca比值、熱液成分、CO2放氣幅度、黏度、微生物、沉淀速率具有密切聯(lián)系[38,79,113-116]，但任何單一的控制因素都無法適用于任何地區(qū)。如騰沖熱水塘地區(qū)與熱海地區(qū)古鈣華形成溫度接近沸點[30,76]，根據(jù)Folk[114]的觀點如此高溫下形成的鈣華應主要由文石組成，但事實卻是熱水塘地區(qū)與熱海地區(qū)古鈣華主要由方解石組成。同樣的由方解石組成的高溫鈣華在肯尼亞Lake Bogoria[117-119]和新西蘭[39]都有發(fā)現(xiàn)。因此，鈣華的礦物組成是多因素綜合作用的結果。此外，在部分熱泉鈣華中也發(fā)現(xiàn)了硫酸鹽[120-121]和自生SiO2沉淀[122-123]的蹤跡（圖4），這可能是由于熱液原始組成與形成條件的差異等造成的。受控于熱泉噴流活動的影響，也會存在或多或少的外源碎屑礦物[51]；而成巖作用的改造也會導致鈣華體中出現(xiàn)其他礦物，如白云石[51]，且這種現(xiàn)象在越古老的鈣華體中更為明顯[20]。

圖4 典型熱泉鈣華礦物晶體形態(tài)顯微照片(a)方解石樹，騰沖瑞滇；(b)文石，騰沖蒲熱水塘；(c)無定型方解石，云南騰沖（Jones et al.[30]）；(d)重晶石，加拿大Twitya Spring（Bonny et al.[106]）；(e)方解石和無定形二氧化硅，新西蘭Waikite（Jones et al.[42]）；(f)石鹽與石膏，伊朗Badab-e Surt Spring（Sotohian et al.[107]）；(g)錳鐵質和方解石，騰沖朗蒲熱水塘（Luo et al.[76]）；(h)石鹽和方解石，騰沖朗蒲熱水塘（Luo et al.[76]）；(i)石鹽、方解石和無水芒硝，騰沖朗蒲熱水塘（Luo et al.[76]）Fig.4 Crystal morphology micrograph of typical thermal spring travertine minerals

3 熱泉鈣華的地球化學特征

熱泉鈣華的地球化學特征更多的反映了熱泉鈣華形成主要受深源物質的加入與高溫熱流體的影響。與深部巖漿活動和/或深大斷裂相關的熱泉鈣華由于受深源物質的混入影響，主要表現(xiàn)為：1）代表深循環(huán)流體的低U含量[124]與代表長期水巖反應的高234U/238U比值[125]；2）熱水沉積巖中常見的Eu正異常[7]；3）深部來源Sr與其他來源Sr的混合[126]；4）表示深源CO2混入的較高的δ13C值[127-128]。

形成熱泉鈣華的高溫熱流體地球化學性質可能表現(xiàn)為：1）低pH值、更高絡合配位體濃度和/或表示更高溫條件的高ΣREE值[7]；2）較高的As與Te含量[123]；3）高Mn與Fe含量[99,129]；4）較高的（普遍>50 ℃）流體包裹體均一化溫度[47,130-131]；5）較高的氧同位素測溫結果[85,132]。

4 熱泉鈣華的微生物組成與意義

圖5 熱泉鈣華微生物痕跡顯微照片(a)絲狀微生物，云南騰沖朗蒲熱水塘；(b)管狀微生物，日本Pancuran Pitu（Okumura et al.[62]）；(c)硅藻，云南騰沖猴橋鎮(zhèn)；(d)桿狀微生物，加拿大Clinton（Jones et al.[136]）；(e)球狀微生物，加拿大Clinton（Jones et al.[136]）；(f)螺旋狀微生物，日本Satono-yu hot spring（Shiraishi et al.[28]）Fig.5 Micrograph of microbial traces for thermal spring travertines

生物在熱泉鈣華沉積中較常見[133-135]，且在熱泉鈣華的識別與形成中意義重大。熱泉的特殊環(huán)境條件決定了其內部生長的生物獨特性（圖5）。在相對高溫條件下，微生物主要以硫細菌與嗜熱型微生物存在[8]，如肯尼亞與新西蘭的高溫熱泉（>90℃）沉積物中廣泛存在的嗜熱型細菌[39]。隨著水溫與硫化物濃度的降低，溫度對藍細菌生長的抑制作用越趨變小[137]，在水溫低于50℃的環(huán)境下，絲狀藍綠藻在微生物中占據(jù)主導地位[6,62]。

生物在熱泉鈣華的識別與形成中的意義包括三點：

（1）大型植物缺乏是熱泉鈣華區(qū)別于冷水鈣華的重要標志[15]，高溫條件并不利于大型植物的生長，但對微生物活動限制弱[26,82,138-140]，但是單一的植物證據(jù)并不能完全區(qū)分熱水和冷水鈣華，如熱泉鈣華內的樹葉化石也可能源于周圍高山上的植被[136]。

（2）微生物的發(fā)育一定程度上不利于鈣華的沉淀，藍細菌分泌的酸性物質或絡合物（如胞外聚合物）會誘導小晶體的產生，而這類小晶體極有可能被溶解[141]。

（3）微生物對鈣華的沉淀過程影響較大，藍細菌的光合作用以及其他細菌的氨化作用、反硝化作用和硫酸鹽還原作用能夠誘導方解石或文石沉淀[142-143]。

5 熱泉鈣華的流體來源

圖6 地熱體系地下水流動地質橫剖面（據(jù)Navarro et al.[146]，修改）Fig.6 Geological cross-section showing the groundwater flow in the geothermal system（modified from Navarro et al.[146]）

熱成因鈣華水來源對解釋熱泉鈣華的成因機制[21,144]，區(qū)域構造斷裂活動[22,90]，以及古環(huán)境和古氣候重建[11,22,35,37,78,145]等具有重要作用。形成熱泉水的來源主要為大氣降水，包括雨水、地表水、地下水，它們沿斷層和斷裂帶滲入地下，與深循環(huán)水匯合，吸收熱源熱量，攜帶深源CO2向上輸送到地表[146]（圖6）。熱泉鈣華流體來源強烈受地熱深部高二氧化碳流體的影響[9,24,99]，主要體現(xiàn)在富CO2流體對滲入的大氣水的貢獻[24]。大部分熱泉鈣華是大氣降水于構造活動區(qū)滲透于地下深部巖漿層攜帶深源CO2在地表脫氣而成[147]，如我國青藏高原[89,148]、云南[144,149-150]等構造地熱活動強烈區(qū)，中非喀麥隆火山線[151]，美國黃石公園[152-153]和伊朗北部Kopet-Dagh Zone[154]等。Karaisao?luet al.[109]認為Kavakk?y鈣華中高δ13C值和計算δ13C值與CO2來自于幔源有關。另外，基于氫氧同位素穩(wěn)定化學性質和對水的標記作用，利用氫氧穩(wěn)定同位素組成數(shù)據(jù)可區(qū)分泉水是否為大氣降水補給來源[149]。位于永久凍土帶的Pymvashor亞北極熱液系統(tǒng)熱泉流體δ18O和δ2H及其與大氣降水H、O同位素組成的關系表明大氣水在熱液系統(tǒng)補給區(qū)域內的滲透[155]。同樣，云南白水臺溫泉水δ2H、δ18O數(shù)據(jù)分布在大氣降水線附近[144]，也表明泉水的補給主要來源為大氣降水；伊朗北部Ayub-Peighambar沉積鈣華的熱泉水δ2H、δ18O數(shù)據(jù)反映出泉水來源于沿深大斷裂滲透的大氣降水經(jīng)過地下巖溶系統(tǒng)循環(huán)后經(jīng)泉口排出[154]。

6 熱泉鈣華的早期成巖作用

6.1 熱泉鈣華的早期成巖作用定義及類型劃分

熱泉鈣華的早期成巖作用被定義為“發(fā)生或開始于沉積期或沉積期后的原始巖石組構的改變或轉化過程”[156]。目前針對熱泉鈣華的早期成巖作用研究主要停留在早期成巖作用類型分析上[102,157-161]，系統(tǒng)性研究很少。由于早期成巖作用的過程發(fā)生很早，因此不管是正在活動的現(xiàn)代熱泉鈣華還是古鈣華沉積都經(jīng)歷了一定程度的早期成巖作用改造，其早期成巖作用包括膠結作用、溶解作用、重結晶作用、交代作用、新生變形作用、泥晶化作用、角礫化作用、干縮裂縫、侵蝕作用、破裂作用、有機質腐爛、軟沉積變形[52,100,102,159,162-164]。上述早期成巖作用中尤其是膠結作用、溶解作用、新生變形作用最為明顯（圖7），其中膠結作用表現(xiàn)為：1）塊狀或板片狀方解石[7,136,159]；2）葉片狀方解石等厚環(huán)邊[164]；3）他形方解石—文石殼、鑲嵌狀膠結物和增生膠結物[103,136,164]。陸地環(huán)境決定了熱泉鈣華受大氣淡水的溶解作用明顯，導致原生空隙的擴大、溶蝕空隙的產生和原生構造的破壞[159]。新生變形作用則主要表現(xiàn)為纖維狀和泥晶狀的文石向他形鑲嵌狀方解石晶體的轉化[79,159]。此外，泥晶化作用（圖7e）的出現(xiàn)也具有較大意義，可在一定程度上反映早期成巖過程微生物的活躍性[66,100,102]。

6.2 熱泉鈣華的早期成巖流體

熱泉鈣華早期成巖流體的研究極少有報道。El Desoukyet al.[165]利用流體包裹體與同位素地球化學手段對土耳其Denizli盆地的熱泉鈣華膠結物進行研究，發(fā)現(xiàn)其成巖流體為高溫高鹽度的流體。直觀來看，陸相碳酸鹽巖的早期成巖流體基本都是沉積物同期賦存流體與大氣水，但這種認識并不完全適用于火山地熱區(qū)熱泉鈣華的成巖流體判別，因為這些地區(qū)的熱泉鈣華受深部巖漿活動的影響較大，深部來源流體在其早期成巖過程中仍然十分重要，周期性的熱泉活動帶入的熱流體很可能導致已固結鈣華的早期成巖流體性質發(fā)生極大變化，這也使得其早期成巖流體中記錄了熱泉活動、深部流體來源強度等信息。

6.3 熱泉鈣華的早期成巖作用與微生物保存

成巖作用會導致泉華沉積物中賦存的微生物或胞外聚合物信息的快速丟失[105]。Loveet al.[166]認為紋層狀鈣華的新生變形作用會導致富生物紋層向柱狀粗晶的轉化，并最終丟失生物信息。Okumuraet al.[62]在研究日本Nagano-yu Hot Spring鈣華紋層時，發(fā)現(xiàn)藍細菌生物膜會在10天內快速降解，留下類似于古疊層石的紋層狀碳酸鹽沉積物。這種生物痕跡丟失的現(xiàn)象在越古老的鈣華中越明顯[29,85]，如在俄羅斯Pechenga綠巖帶中的前寒武系熱泉鈣華中微生物的痕跡已基本消失[20,44]。這就帶來了兩個值得思考的難題：1）在古老熱泉鈣華中微生物的缺少到底是成巖作用還是沉積作用的結果，或者是沉積—成巖作用共同結果；2）如何才能從地質歷史時期廣泛發(fā)育的疊層石中識別出熱泉鈣華成因的疊層石。熱泉鈣華所處的陸地環(huán)境決定了其早期成巖作用必然會對其進行強烈改造，但如何改造及改造程度如何卻依然是個值得深入研究的課題。

7 熱泉鈣華賦存的古氣候記錄信息及成巖作用對其的影響

近期的研究[41,167-168]表明，熱泉鈣華的形成會受到氣候因素的控制，這種氣候控制的特征體現(xiàn)為熱泉鈣華主要發(fā)育于溫暖潮濕的間冰期，如中安第斯山更新世熱泉鈣華主要形成于MIS3期與MIS6期的間冰期潮濕氣候條件[130]。Rihset al.[43]認為，在濕潤氣候時期，大量的大氣降水促進了熱水系統(tǒng)循環(huán)和地下水位的增高，使得更多的熱水運移排出在地表，從而有利于熱泉鈣華的形成，而在干旱寒冷期則相反。這些實例反映了熱泉鈣華氣候記錄信息能有效的重建古氣候。但也有研究認為，氣候對熱泉鈣華的形成影響較小，如土耳其Denizli Basin的更新世熱泉鈣華在干燥寒冷的MIS2期也有發(fā)育[132]。顯然，溫暖潮濕的間冰期雖然有利于熱泉鈣華的形成[169]，但并不意味著熱泉鈣華僅形成于溫暖潮濕的間冰期。

關于古今熱泉鈣華與古氣候記錄關系的研究還多停留在用熱泉鈣華定年測定的形成時間與該時期的古氣候記錄對比上[24,33-34,87,170]（圖8），這種簡單的對比是無法獲得準確的古氣候信息的，因為構造活動（如斷層的開啟與關閉）對鈣華的形成也具有很大影響[17,125,170,173]。因此，對賦存于熱泉鈣華中的古氣候記錄信息的提取，尤其是冷暖記錄與降雨量記錄信息的提取十分重要。

圖8 意大利Albegna盆地冰期—間冰期主要古氣候指標的比較圖（據(jù)Vignaroli et al.[170]）將該地區(qū)層狀、帶狀鈣華，方解石脈和似洞穴碳酸鹽沉積物樣品U/Th測年結果與深海氧同位素值（Zachos et al.[171]）和來自意大利中部Valle di Castiglione的花粉數(shù)據(jù)集（Tzedakis et al.[172]）做比較。AP.木本植物孢粉；NAP.非木本植物孢粉Fig.8 A comparative diagram of the main paleoclimatic indices in the Albegna Basin,Italy,during the glacial-interglacial period（after Vignaroli et al.[170]）

目前針對熱泉鈣華古氣候記錄的地球化學信息研究很少[63,78,174-175]，這些研究明確了熱泉鈣華的碳、氧同位素與微量元素指標能較好的反映古氣候信息（圖9）。如高競[174]、覃建勛等[78]在U系法定年的基礎上，參照古里雅冰芯δ18O的氣候記錄，對西藏榮瑪鈣華微量元素、稀土元素、氧同位素與古氣候關系進行系統(tǒng)分析，進而挖掘鈣華的古氣候信息。研究發(fā)現(xiàn)，氧同位素在研究氣候冷暖上更顯優(yōu)勢[63,173]，而微量元素則與降雨量的關系密切[78]。需要注意的是，熱泉鈣華中的古氣候信息的替代指標往往受到多因素的影響，如氧同位素組成除了受沉積期流體氧同位素組成和流體溫度的影響[99,167,176]，還受到成巖作用的改造；而微量元素的組成除了受到沉積流體成分等的影響外，也受到成巖作用的改造。

陸相碳酸鹽巖成巖作用對地球化學信息的影響研究集中于洞穴沉積物[177-181]與冷水鈣華[182-183]。由于早期成巖過程中不同期次的成巖膠結物、不同的有機組分或生物碎屑等的存在，許多類型的陸相碳酸鹽巖都是非均勻相[156]，使得其微量元素組成與氧同位素組成在經(jīng)歷早期成巖作用后都經(jīng)歷了不同程度的改變。例如，早期成巖作用導致中國神龍洞石筍的氧同位素變化了約0.85‰[184]，導致摩洛哥石筍的微量元素（Sr、Mg、Ba等）發(fā)生了不同程度的變化[185]，導致Belgium地區(qū)冷水鈣華的碳、氧同位素值不同程度的增加（其中δ13C增加約1.5‰[182]）。這種發(fā)生在早期成巖過程中的地球化學特征的改變程度的研究十分薄弱[66,158]，而且部分研究并沒有考慮成巖作用對同位素地球化學信息的影響[19,24,68,165]。針對熱泉鈣華，這種早期成巖作用的過程發(fā)生很早，其對熱泉鈣華原生礦物改造和次生礦物形成的影響顯著[156]，繼而影響并改變了反映古氣候記錄的地球化學信息。這種地球化學信息的微小改變往往對古氣候分析具有重大影響。例如：土耳其Kocaba地區(qū)更新世熱泉鈣華在任何一個剖面上氧同位素變化值都不超過4‰[175]，如果以早期成巖作用對洞穴沉積物氧同位素的改變值（0.85‰±0.29‰）為參考標準[184]，那么這種接近1‰的改變很可能導致古氣候分析不準確，甚至獲得完全相反的信息。因此，如果將這些受成巖改造可能發(fā)生改變或部分發(fā)生改變的古氣候記錄替代指標的直接應用，勢必導致古氣候意義解釋的偏差，且這種認識及相關研究還未被重視。

圖9 西班牙伊比利亞半島南部Alicún de las Torres地熱體系鈣華層頂部碳、氧同位素曲線及其氣候和環(huán)境事件記錄（據(jù)Prado-Pérez et al.[63]）將在（a）Alicún de las Torres確定的主要氣候事件，（b）Alicún de las Torres鈣華頂層δ18O記錄和（c）Alicún de las Torres鈣華頂層的δ13C記錄做比較。暗色條代表導致δ13C值升高的主要環(huán)境事件，亮色條表示該值急劇下降；T-1到T-4代表了文中該地區(qū)主要氣候趨勢，E-1和E-2代表了已確定的主要氣候事件；Eem表示埃姆間冰期；黑色箭頭表示最大值，亮色箭頭表示最小值Fig.9 The travertine Upper Unit carbon and oxygen isotope curves and records of climate and environmental events from Alicún de las Torres geothermal system in the southeastern Iberian Peninsula,Spain（after Prado-Pérez et al.[63]）

8 研究意義及展望

8.1 研究意義

（1）熱泉鈣華在中低緯度的火山地熱區(qū)較發(fā)育，不嚴格受區(qū)域內碳酸鹽巖地層展布的控制，且保存年齡較長，目前的研究已表明熱泉鈣華在古氣候重建中的潛力[63,78,175]，但其古氣候替代指標卻受到流體組成、沉積作用與環(huán)境因素、成巖作用的影響。有必要研究控制熱泉鈣華古氣候替代指標的影響因素，并進行區(qū)域性和全球性氣候類比，來評價熱泉鈣華在古氣候重建中的意義及其實用性，為中低緯度地熱區(qū)和碳酸鹽巖貧乏區(qū)熱泉鈣華的古氣候重建提供新啟示。

（2）熱泉地區(qū)的極端環(huán)境很可能是地球早期生物或者地外生物的生長環(huán)境[2,55,186]，熱泉鈣華將可能成為揭示地球早期生命起源的鑰匙之一。

（3）熱泉鈣華的發(fā)育與新構造運動的關系密切，是良好的構造運動指示工具[101,187-188]。

（4）熱泉鈣華沉積可以作為人工CO2儲庫中CO2流失的研究代替物[68,189-191]。

（5）目前針對非海相碳酸鹽巖成巖機理的研究則主要集中在湖相碳酸鹽巖，熱泉鈣華作為一種與巖漿和/或地熱活動相關的非海相碳酸鹽巖，通過研究其早期成巖作用機理，將增添非海相碳酸鹽巖成巖作用研究新內容。

（6）近期在巴西Santos盆地和Campos盆地下白堊統(tǒng)[192-194]以及安哥拉Namibe盆地發(fā)現(xiàn)了油氣勘探潛力巨大的儲集層[195]，熱泉鈣華在這些儲層中占據(jù)了重要位置。另外，陸上地熱資源在實際利用過程中存在嚴重的結垢問題，制約地熱能高效利用，其結垢與熱泉鈣華沉淀具有極大相關性。因此，研究熱泉鈣華沉淀機理，對了解地熱流體結垢機理及解決目前我國面臨的化石能源短缺問題具有重要意義。

（7）與湖相熱水沉積巖[196-200]在現(xiàn)代素材的稀缺與研究難度相比，熱泉鈣華具有更好的研究優(yōu)勢。熱泉鈣華作為常見的陸相熱水沉積巖，在自然界廣泛發(fā)育，這使得我們可以從現(xiàn)代熱泉鈣華出發(fā)，結合熱泉古鈣華研究，綜合對比分析熱泉鈣華的地質地球化學特征，將進一步豐富和完善陸相熱水沉積學理論。

8.2 存在的問題及下步展望

近些年來，針對熱泉鈣華的研究呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢，巖石學、礦物學與碳氧同位素地球化學成為熱泉鈣華的必要研究手段，關于鈣華成因、保存、微生物、沉積特征等的理解逐漸加深，但對熱泉鈣華的成因機制、與微生物作用關系、油氣儲集性評估、成巖作用機理和古氣候重建等方面仍然存在很多問題亟待解決。

（1）熱泉古鈣華成因界定和時空演化不明確。鈣華的古生物痕跡與碳氧同位素特征是劃分大氣成因鈣華與熱成因鈣華、確定鈣華形成古水溫的主要手段；相比于現(xiàn)代熱泉鈣華，地質歷史時期的熱泉鈣華缺乏熱泉流體原始信息，無法獲取熱流體的氧同位素組成，無法計算獲取沉積古水溫，且由于經(jīng)歷了較強的成巖改造會進一步改變鈣華原始碳氧同位素記錄；另外，熱泉古鈣華缺乏生物痕跡（尤其是志留紀前），導致無法直接利用古生物痕跡定性區(qū)別鈣華沉積古溫度；即便確定了熱泉古鈣華成因，由于缺乏針對熱泉鈣華（甚至熱泉泉華）的高分辨率（毫米至厘米級）沉積學和微觀地層學研究，導致熱泉古鈣華時空演化不清楚。基于上述原因使得熱泉古鈣華成因界定和時空演化研究具有挑戰(zhàn)性。

（2）熱泉鈣華礦物晶體形態(tài)及其成因研究薄弱。熱泉鈣華主要由方解石與文石組成，但是受水溫、CO2分壓、pH、流速等多種因素的影響，這兩類礦物的形態(tài)卻多種多樣，尤其是方解石，可分為樹狀晶（結晶樹狀晶、非結晶樹狀晶）、骸晶、片狀晶等多種類型，但對這些礦物晶形的成因與單因素的具體影響卻了解甚少。

（3）熱泉鈣華的儲集性能評估研究有待加強。巴西Santos盆地等地區(qū)巨大的非海相碳酸鹽巖（疑似鈣華）油氣儲/產層的發(fā)現(xiàn)，顯示了鈣華的良好油氣潛力。儲層特征與儲集潛力的評估與成藏組合的刻畫是油氣開發(fā)與利用的重要基礎，但是目前卻僅有少數(shù)研究針對鈣華物性分析，基本不見發(fā)育于湖泊周緣的鈣華和陸地熱泉鈣華儲層特征分析、儲集潛力的評估與成藏組合的刻畫。

（4）紋層狀熱泉鈣華的生物成因與非生物成因不清楚。不同于冷水鈣華或海/湖相疊層石，熱泉鈣華形成的高溫環(huán)境不利于大多數(shù)微生物的發(fā)育，在熱泉鈣華中既發(fā)現(xiàn)了富生物的紋層，也發(fā)現(xiàn)了眾多缺乏微生物痕跡的大段熱泉鈣華沉積。目前的研究初步顯示熱泉鈣華的紋層似乎受到流速、間歇性暴露、CO2分壓等的影響，但微生物在紋層狀熱泉鈣華形成中的作用和影響程度尚不明確。

（5）熱泉鈣華成巖作用及其在古氣候重建中的意義研究十分薄弱。成巖作用對古氣候記錄的影響研究對地熱區(qū)古氣候的重建具有重要指導。但目前國際上相關學者關于熱泉鈣華成巖過程的研究基本處于成巖作用識別與描述階段[71,100,164]，很少涉及熱泉鈣華早期成巖作用與古氣候記錄關系研究。一般而言，早期成巖作用很可能會改變熱泉鈣華原始礦物組構，甚至影響其內部保存的古環(huán)境與古氣候信息，成巖過程中熱泉鈣華地球化學特征的變化能更準確的恢復其原始地球化學記錄，但這種發(fā)生在成巖過程中的地球化學特征的改變程度的研究卻極少。

綜上所述，隨著科技進步帶來的實驗手段的革新，建議加強如下方面熱泉鈣華的研究：1）古鈣華形成環(huán)境與成因的替代指標（如包裹體溫度、微生物痕跡）的建立，并利用高分辨率沉積學和微觀地層學揭示熱泉鈣華沉積動力學機制和控制因素；2）熱泉礦物形態(tài)的控制因素及礦物形態(tài)與環(huán)境的耦合性分析；3）湖緣熱泉鈣華的儲集性分析及其與鄰近相帶的時空組合模式建立；4）微生物與非生物因素對紋層狀鈣華形成的具體影響與劃分識別；5）熱泉鈣華礦物學與地球化學特征在成巖作用過程中的變化及其影響因素分析；6）熱泉鈣華的古氣候意義與實用性評價。