国际地质新动态

2015-06-22

资源环境与工程 2015年1期

国际地质新动态

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徐慧,编译.朱建东,校.

“丛式井”钻探工艺大大提高页岩油气井钻探效率

页岩气钻井技术工艺的提高大大增强了页岩油气的钻井效率。例如,“丛式井”钻探工艺的发明使得在一个钻井平台上施工若干口页岩油气井成为可能。由于该钻探工艺能够大大缩短钻井平台地面设施的搬运时间,原先在一个平台上只能钻进一口油气井,而现在可以施工若干口井,从而极大地提高了钻探的效率。

在“丛式井”钻探工艺问世之前,钻探设备从一个地方搬运到另一个地方是极为费时费力的工程。大型钻探设备在原处被拆卸后,搬运到另一处进行重新安装,哪怕两地只有短短几英尺远的距离。如今,工程师们利用“丛式井”技术,可以在一个钻井平台上连续施工5～10口油气井,这些井的垂直段井眼在地面上紧紧相邻,而在深部进行造斜后,则向不同的方向进行水平段的钻进。当一口井打完后,整套钻探设备可在液压装置的驱动下,向周边几英尺外的另一口井眼位置进行水平移动和滑行,从而进行下一口井的施工。

图中共有四个钻机平台,即四组“丛式井”,每组丛式井平台上各钻进六个水平井。工程师在对整个区块进行油气钻探时,利用丛式井技术可对地下油气资源进行快速定位,并将钻探施工对地表的影响程度降低到最低水平。丛式井技术同时也可大大降低钻探成本和油气运输成本。

随着“丛式井”技术的不断发展,最近又出现了“丛式井组”的新技术,即丛式井之间所形成的钻探网络。通过在丛式井之间修建路网,将丛式井彼此相连,整套钻探设备可不用拆卸,直接从一个丛式井运移到下一个丛式井进行新的钻探工程,从而节省了大量的时间和资金,生产效率也得以大幅提升。正是利用 “丛式井”技术,工程师们能够对整个区块的油气资源潜力进行快速的评价。

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徐慧,编译.朱建东,校.

加拿大的金刚石开采业

在整个20世纪,大多数人从未将加拿大列为世界主要的金刚石生产国。一提到金刚石产业,人们总是将目光聚焦在南非或欧洲的金刚石交易中心。

而这一切在1991年却发生了根本性的变化。两名地质学家——查克·菲普克(Chuck Fipke)和斯图尔特·布鲁森(Stewart Blusson)在一次野外踏勘中,在加拿大西北部城市耶洛奈夫以北200英里的地区偶然发现了富含金刚石的金伯利岩筒。必和必拓公司(BHP Billiton)随即对其中的一个岩筒开展了勘查工作并于1998年建立了卡蒂(EKATI)矿山,加拿大首颗具有商业价值的金刚石便产自于此。

卡蒂矿山取得的巨大成功掀起了北美地区又一股找矿热潮。成千上万的探矿者涌入加拿大北部地区企图圆自己的钻石梦。

截至2006年,三大矿山巨头宝石级金刚石的年产量已超过13 000 000克拉,加拿大一跃成为世界第三大金刚石生产国。金刚石开采业给加拿大北部地区带来了几十亿美元的财政收入。

加拿大的金刚石在交易市场上同样也取得了骄人的成绩。产自加拿大北部地区的金刚石无论色泽、纯度等方面都堪称上等品,同时加拿大本国人更乐于支持国产金刚石,使得这些金刚石在本国的珠宝市场上大放异彩。虽然大部分未经深加工的金刚石主要用于出口,仍然有一部分金刚石直接在国内加工成宝石级的钻石。

加拿大的金刚石对于具有强烈环境保护意识的人群来说,也具有独特的吸引力。开采出这些金刚石的采场执行的是全球最高等级的环保标准。

然而,在这耀眼的光环下,加拿大的金刚石开采业却面临着三大困境:一是加拿大金刚石矿床的位置极为偏远。大量的矿山生产建设物质需要运入矿区,而一年中适合地面公路运输的时间只有短短的6—10周,一旦过了这个“时间窗口期”,运往矿区的所有物质则必须通过航空运输,成本极大;二是劳动力成本问题。相对于非洲和印度,加拿大的金刚石采掘工人的工资和切割加工的人工费显然要高昂得多;三是加拿大很多金刚石矿床的露采坑几乎都被废弃,新的采掘必须通过井下开采的方式,而后者的开采成本则是前者的1.5倍。

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徐慧,编译.朱建东,校.

澳大利亚侵入岩型铀矿成矿潜力评价

虽然澳大利亚的富铀侵入岩在时间和空间上都广泛分布,但是与侵入岩具有成因关系的铀矿在该国已知的铀矿床中只占了很小的比例。正是由于存在这种明显的差异性,研究人员试图利用地理信息系统(GIS)技术对澳大利亚侵入岩型铀矿的成矿潜力进行综合评价。研究人员对与岩浆岩—铀矿成矿系统有成因联系的岩浆侵入活动和侵入期次进行了集中研究和识别。根据目前的进展,研究成果虽然不能直接圈定铀矿矿化点的具体位置,但其中所提供的地质信息对于靶区优选及今后勘查工作的开展,具有积极的指导意义。此图为澳大利亚岩浆岩—铀矿成矿系统潜力评价图,由于该图在编制过程中采用的是地表地质信息,因此该图不能反映覆盖区的成矿潜力。

该项研究系统分析了已知铀矿成矿省的成矿有利度,例如南澳大利亚州Curnamona省以及澳大利亚北部的Pine Creek地区。同时,研究人员特别强调了侵入岩型铀矿矿化带的判别,如Arunta、Halls Creek地区及北Musgrave地区。

需要注意的是,该研究中所提出的“潜力评价”只针对侵入岩型铀矿成矿类型,并不包含其他类型的与岩浆岩有成因联系的矿化,例如奥林匹克坝铜—铀—金矿床。

Richard H.Sillitoe.Porphyry Copper Stystem.Economic Geology,2010,105:3-41.

钟石玉,鲁显松,编译.

斑岩铜矿体系

1 岩浆与流体的形成

斑岩铜矿体系一般分布在地表以下4 km以内的深度范围内(Singer et al.,2008)，中心部位的岩株向下与位于5～15 km处的母岩浆房相连接(Cloos,2001;Richards,2005)。母岩浆房是整个体系演化过程中岩浆和高温高压富金属流体的来源。

据野外观察和理论计算表明，容积50 km3的母岩浆房才能够释放出形成一个斑岩Cu矿床所需的流体，但是如果要形成巨型体系、尤其是在矿床群或者矿带存在的地区，这个数值则要增加一个数量级。开放体系岩浆对流作用中母岩浆房的分异和冷却作用、停滞岩浆的结晶作用均可以释放出富金属的含水相。对流作用是一种输送大量含水相的有效机制，含水相以富气泡岩浆的形式穿过母岩浆房到达斑岩岩株或岩墙群的底部。在大多数体系中，几乎所有的火山活动都在斑岩铜矿体系形成之前都已经停止。

浅部的斑岩岩株本身并不产生岩浆流体，但是它们可以作为母岩浆房向上传送流体的“阀门”，这种机制可能是通过其顶部的圆屋顶状构造来实现的。这种机制可以解释某些活动时间较长的斑岩Cu矿体系中流体与岩浆的定点阶段性上升活动，也可以解释另一些体系中侵入活动和热液活动有规律的位移、上升到斑岩Cu矿和浅成低温热液型Au矿床群/带中的现象。

若要使含水相中金属浓度达到最大，母岩浆需要有较多的水分(>4wt%)，且为氧化态。岩浆中高的含水量使得其中含水相达到饱和状态，因此成矿金属可以有效地分异到后者中；而高的氧化态抑制了岩浆硫化物(如磁黄铁矿)的沉淀(这个过程可以导致金属在分异到含水相中之前被隔离)。而在氧化态岩浆流体上升的过程中，任何硫化物熔体的加入都会增加整体的金属量。硬石膏的出现表明，岩浆含S量是非常高的。镁铁质熔浆加入到母岩浆房中，可以增大S和金属的总含量(Keith et al.,1997;Hattori and Keith,2001;Maughan et al.,2002;Halter et al.,2005;Zajacz and Halter,2009)。

2 早期斑岩铜矿体系的演化

在Butte及其它地区，深部钾化蚀变带的斑岩Cu矿化作用始于单相的、相对低盐的(相当于2～10wt% NaCl )含水相流体(Rusk et al.,2004,2008)；该相可能含有数千至数万10-6的碱金属以及几个10-6的Au。然而，对大部分产出较浅的矿床(<4 km)来说，矿化始于一种两相的流体，分别为少量的超盐度流体(卤水)和大量的低盐度蒸汽，这种流体有两种可能的形成机制：直接从熔体中出溶或(更典型的)在单相流体减压冷却时同溶体分离形成。不混溶的超盐度流体和蒸汽共存的现象在众多的流体包裹体研究中得到证实(Roedder,1984)，研究表明，流体相富Na、K和Fe绿泥石，盐度达到35～70wt% NaCl；气相中含有挥发性酸，如SO2、H2S、CO2、HCl及少量HF。流体包裹体显微分析和实验研究表明，在相分离的过程中，不同的元素组合选择性地进入到流体相与蒸汽相中。在很多情况下，蒸汽可以容纳可观的Cu、Au、Ag和S，以及As、Sb、Te和B，而Fe、Zn、Pb、Mn(可能还有Mo)则偏向于进入到超盐度流体中。

过去几十年来，Cu(可能也包括Au)在超盐度流体相中一直被认为是以氯化物的形式进行运输的，但是最近的实验研究以及S的流体包裹体分析表明，蒸汽相中的挥发性S配体(H2S±SO2)也可以作为Cu和Au的主要运输介质。而Mo则可能在超盐度流体相中以氯氧化物的形式被搬运。

当前主流的观点认为，斑岩铜矿体系中钠—钙化蚀变是围岩来源的卤水加入之后的产物，这与硅酸盐缓冲环境下流体流动加热途径的理论预期相符。Yerington地区的钠—钙化蚀变的轻稳定同位素研究表明外部沉积岩围岩来源的卤水也参与其中，尽管钠长石—阳起石化蚀变受到磁铁矿的破坏。在其它情况下，还有超盐度岩浆流体来源的证据，由于过高的温度和氧逸度以及由此引起的还原S的缺失，缺少硫化物矿化。

随着斑岩铜矿体系自700 ℃冷却至550 ℃范围，单相的流体或共存的两相体系驱动钾化蚀变的形成，同时在早期的侵入体内部及周围可能会有金属的沉淀。然而，在很多矿床中，Cu是在550 ℃～350 ℃的温度范围内、在水岩反应的促进下以低硫化态Cu—Fe硫化物组合的形式沉淀的，这期间伴随着少量的Au的沉淀。除此之外，流体/蒸汽向上运移伴随的减压作用及蒸汽相的膨胀导致了以蒸汽为运输介质的金属溶解度大大降低，在高温常压的喷气孔中这些金属较低的含量证明了这一理论。溶解度的降低导致了Cu—Fe硫化物和Au的大规模沉淀，这也可能是富Au斑岩铜矿床形成深度较浅的原因。与之不同的是，Mo的络合物沉淀时间不仅在时间上晚于Cu±Au，而且在空间上与后者相分离。

钾化蚀变以及相关的金属沉淀作用发生在接近于静岩压力的条件下。深成的斑岩铜矿床中的单相流体(即矿化剂)可以形成较少见的EDM脉体，而两相流体形成更常见的A型和B型石英脉。以上脉体的局部地段出现早期石英脉中熔体与含水相流体包裹体共存的现象证实了因密度的显著差异相互分离的岩浆与矿体流体也可以共存。网脉状矿脉控制了流体的上升，而石英脉在反向溶解度区域内(T<550～400 ℃,P<900 b)会部分溶解，增强了A型石英脉的渗透性；矿化期的断层与断裂也具有相同的作用。钾化带的石英脉核在温度过高的条件下，Cu—Fe硫化物和Au不能有效沉淀，因此不含矿，这可能是形成铃铛状或帽子状的矿化带的原因。在斑岩铜矿形成过程中，由于裂隙周期性的张开与闭合以及围压的逐渐降低，流体压力可能会在静岩压力与静水压力之间波动。压力的变化可能会导致流体相的变化以及金属的沉淀与再溶解。在脆—韧性转换带，膨胀的蒸汽相造成顶部岩石的破裂，超压流体突然释放，会引起岩浆—热液角砾岩化。

钾化蚀变持续时间较长，影响到早期斑岩、矿化期斑岩以及附近的围岩。在此期间，受热的外来水(大部分为天水，也可能含少量原生成分)通过中温水化作用形成外围的青磐岩化蚀变。如果岩石渗透性较高，则可以形成外部水的对流循环——这是斑岩铜矿体系的一个有效的冷却机制。

大量的蒸汽从共存的超盐度流体中分离出来，上升到斑岩侵入体上方1～2 km后的岩石中。SO2与HCl进入到地下水中时，SO2逐渐发生歧化作用，形成pH极低的流体。这种流体与高级泥化岩帽形成过程中高度的碱解作用相关。活动流体沿着断层与高渗透性的通道不断的上升，可以形成多孔的残留石英核，在核的侧面形成分带的高级泥化蚀变晕，这种蚀变晕反映了流体向外渗透、中和以及冷却的过程。然而，由于岩帽中的低压环境，蒸汽相对金属的运输能力较低，形成的酸性流体不太可能产生较多的矿化，因此这可能是很多岩帽比较贫矿的原因。

3 斑岩铜矿体系的晚期演化

随着下面的母岩浆房逐渐凝固以及岩浆对流活动的逐渐停止，上部斑岩铜矿体系的热流量和含水相流体的供应显著减少，静岩压力转变为静水压力。在低温条件下，水流体相从正结晶的岩浆中出溶的速度变缓，运送速度也变得更慢，冷却速度变快，因此有可能无法达到固溶体分离界点。如果这情形是正确的，则会形成一种单相的、中—低盐度(相当于5～20wt% NaCl )、温度介于350～250 ℃之间流体；或者在流体临界曲线之上的高压下经卤水分离后，通过蒸汽(具有相同成分的)冷凝与收缩形成一种单相流体。这种流体直接从母岩浆房上升到上覆的斑铜矿体系中低盐度流体的上升受网脉状石英脉、矿化期断裂以及侵入体接触带的高渗透层控制，流体与绿泥石—绢云母化蚀变、绢云母化蚀变、高级泥化蚀变以及岩帽中的Cu和Au矿化有关。

岩浆水与天水的混入(以后者为主)被认为是形成绢云母化蚀变和中—低盐度流体的必要条件，即超盐度流体要稀释5～10倍。但是最近的H—O同位素数据表明，岩浆流体也完全可以产生绿泥石—绢云母化以及绢云母化矿物组合。然而，绢云母化晚期天水的作用也无法排除。

碳酸盐岩和非碳酸盐岩中的碱—贵金属矿床，不管有没有后期斑岩岩株或岩墙中的流体通过岩性、结构以及孔隙加入，其岩浆流体都主要通过斑岩铜矿蚀变—矿化过程演化而来；矽卡岩环境中，早期的两相流体——蒸汽相之后，随着温度下降，形成单相流体；单相流体与逆向矽卡岩Cu±Au±Zn、碳酸盐岩交代型Cu或者Zn—Pb—Ag—(Au)以及喷流沉积型Au—(As—Sb)矿床有关。

钾化蚀变形成的石英脉中，超盐度流体包裹体中Zn、Pb、Ag和Mn的含量较高，但是这些金属仍以氯化物络合物的形式存在于溶液中，因为它们不能有效地富集在斑岩铜矿体的硫化物中。Zn、Pb、Ag和Mn沉淀的原因可能有两个：超盐度流体与外部围岩接触后发生冷却和超盐度流体与天水混合。最有利于外围Zn、Pb和Ag富集的围岩条件是碳酸盐岩；在碳酸盐岩中，流体的中和作用导致了金属在矽卡岩和碳酸盐岩交代型矿床中的沉淀。

早期较为贫矿的岩帽中，中—低盐度的富H2S含水相流体可以形成高硫化态Au±Ag±Cu矿化，这种流体也在下部形成绢云母化带。中硫化态的流体进入到岩帽环境中后处于无缓冲状态，随着温度的降低，很容易转变为高硫化态。Cordilleran块状硫化物矿床中，流体沿着构造破碎带流动，矿脉分布于绢云母化与高级泥化过渡带。而很多Au矿床主要位于岩帽的浅部，因为流体上升过程中强烈的沸腾作用或者与冷的地下水的混合都可以导致Au溶解度的急剧下降。在渗透性较高的蒸汽角砾岩中Au的沉淀作用更为有效。

岩帽中与高硫化态矿床有关的中—低盐度流体在有利的构造与水文条件下，可以进入到附近蚀变程度较弱的岩石中，在向外部流动以及水—岩反应的过程中发生中和以及还原作用，变为适于形成中硫化态浅成低温热液型矿床的流体。上述的例子中高—中硫化态过渡带的矿化证实了这种机制。此外，深源的中硫化态流体可能会绕过岩帽，但仍会在浅部形成中硫化态矿化。

在岩帽及其附近的古潜水面，沸腾的高—中硫化态流体的液体部分沿着水文梯度流动，而富H2S的蒸汽则继续上升到上部的渗流带。在渗流带，蒸汽与地下水混合，发生氧化，形成低温的酸性流体，这种流体与以蒸汽加热环境为特征的地毯状高级泥化带有关。

随着斑岩铜矿体系逐渐降温，浅部形成的蚀变—矿化类型套叠在深部形成的蚀变—矿化之上，导致了金属的再溶解与再沉淀作用。事实上，斑岩侵入体的顶部可以经历四次不同的蚀变—矿化事件，自钾化蚀变至高级泥化均有发生。这种套叠现象，可以导致高级泥化蚀变深入到斑岩岩株内部。

成矿后斑岩相形成时，来自母岩浆房的流体活动几乎停滞，K以及其他金属供应量很少，不足以形成钾化蚀变及其矿化。此时外来的流体是唯一仍在活动的流体，这些流体形成与青磐岩化。外来水加入到成矿后期岩浆中，火山口角砾岩。最末期的地下水侵蚀作用形成硬石膏脉。

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徐慧,编译.朱建东,校.

美国落基山脉成因之谜

长期以来,关于美国科罗拉多州落基山脉的成因问题一直困扰着科学家们。落基山脉在内陆绵延达600英里,却远离构造板块。地球上唯一与落基山脉有可比性的内陆山脉就是喜马拉雅山脉,科学家认为此山脉的形成是由于印度洋板块与欧亚板块的碰撞所导致。

美国科罗拉多州州立大学地质科学研究所的克拉格·琼斯(Craig Jones)教授认为,落基山脉并不位于太平洋板块与北美洲板块碰撞缝合带上,它的形成的确是一个谜。

克拉格教授所率领的研究团队近日针对落基山脉的形成模式,给出了一个全新的观点。他们这一研究成果不仅能很好地解释落基山脉的形成过程,还能说明其他一些地质现象:为何金矿、银矿及其他贵金属成矿带沿科罗拉多州呈带状延伸,在落基山脉隆起之前为何会在科罗拉多州和怀俄明州形成深切洋盆等。

先前,科学家认为落基山脉的形成是太平洋板块和北美洲板块相碰撞的结果。太平洋板块由于位置较低,俯冲到北美洲板块下面,北美洲板块抬升,在太平洋和科罗拉多州之间形成高大连绵的落基山脉。但克拉格教授认为,前人的这种假设并不能解释一些现象,根据这种假设,会有大量的地壳物质发生俯冲和消减,但事实是,这些物质在加利福尼亚州和亚利桑那州的地下深部却大量存在。因此克拉格教授认为,这足以证明这种假设是站不住脚的。

在落基山脉新的成因模式中,科学家们首先假定怀俄明州所处的构造板块由厚重的岩石圈所构成。岩石圈的隆起使得大量的液态地幔物质涌入构造板块底部,地幔物质运移所产生的巨大“泵吸效应”将南怀俄明州和科罗拉多州的岩石圈“下拉”,形成盆地。盆地(或者是“空洞”)在形成过程中会产生巨大的内陆造山运动构造力,且随着盆地的不断凹陷,这种构造力会相应的被不断地放大,最终形成落基山脉。

克拉格教授坦言,一旦这种假说得到证实,不仅能解开落基山脉形成之谜,同时也可以为世界上其他山脉的形成机制提供佐证。

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徐慧,编译.朱建东,校.

深海采矿将威胁海洋生态环境

据报道,加拿大的鹦鹉螺矿业公司(Nautilus Minerals)宣布,该公司目前已完成组装第一套由英国制造的采矿机械部件,并租用了一条长达227 m的大型驳船作为海上采矿平台,用于海底采矿生产作业。这个8 m高的机器人将用于采集海底硫化物并抽吸至海面,然后用驳船运送到30英里外的拉鲍尔港。

上世纪70年代,海底“黑烟囱”的发现让我们认识到,生命还可以依赖热能和化学能存在。由于海洋的演化史类似于地球的演化史,许多科学家相信,“黑烟囱”附近的环境可能就是地球最古老生命的生存栖息地,原生生物体就是地球生命的起源。

如今,要在“黑烟囱”附近大量开采硫化物,这可能促使喜好硫的细菌和昆虫大量繁殖,对海底环境造成破坏。此外,采矿过程还会将深海浓缩营养物提升至海洋表面,引发海洋表面海藻繁殖,从而污染捕鱼业赖以生存的水域。通过洋流,营养物还可能漂流到其他水域,破坏当地食物链,损坏其他国家甚至公海的生态系统。