中国陆相盆地页岩油资源丰富,是我国未来油气增储上产的重要战略接替领域。燕山构造带东段(辽西地区)中生界盆地群页岩油气资源丰富,但尚处于油气勘探空白区,落实其勘探前景势成必然。基于研究区勘探的实际情况,并通过与国内外典型页岩油气盆地石油地质条件对比,综合沉积体系以及烃源岩地球化学参数分析等,明确了燕山构造带东段中生界盆地群页岩油气的资源潜力。研究结果表明:(1)下侏罗统北票组和下白垩统九佛堂组均发育连续厚层的暗色泥页岩,为主力烃源岩层位;(2)烃源岩的总有机碳(TOC)含量均值为1%~4%,以II₁型或II₂干酪根为主,且指示热演化成熟度的镜质体反射率(R_o)普遍高于0.6%,具有良好的油气潜力;(3)两套烃源岩层系均富含火山碎屑成分,脆性矿物含量较高,具有良好的可改造性。针对陆相含油气盆地页岩油气勘探存在的问题,首先讨论了赋存页岩油气重要载体的碳酸盐质细粒沉积岩的多源成因机制与油气富集类型,其中研究区以火山热液型和混源型甜点为主;另外探讨了火山-湖泊作用对有机质的富集效应,认为火山灰的输入提升了有机质的富集效力。同时,根据以往的勘探实践经验,提出原型盆地恢复技术和“天-地-钻”三位一体技术是解决复杂造山带油气勘探(特别是密植山区)中面临的诸多问题的关键。

准噶尔盆地石炭系具有广阔的油气勘探前景,但勘探效果一直不理想。本文通过岩心观察、薄片鉴定、阴极发光以及扫描电镜、微米CT等多种分析结果,重点对准东北缘乌伦古地区火山岩储层的成岩作用及其对储层发育的影响进行了研究。研究结果表明:研究区火山岩先后经历了冷凝固结、岩浆期后热液作用、风化剥蚀淋滤作用和埋藏成岩作用4个成岩阶段,主要发育冷凝固结作用、压实作用、溶蚀作用、充填胶结作用、蚀变作用和交代作用6种成岩作用。冷凝固结作用和溶蚀作用可以形成原生孔隙、溶蚀孔和溶蚀裂缝,对改善储层质量起关键性作用;压实作用、充填胶结作用、蚀变作用及交代作用大大减少了原有储集空间。CT扫描成像、测井解释等定量化分析结果表明上石炭统储层储集性能略优于下石炭统,研究区有利储层发育区主要位于上石炭统储层。

注二氧化碳能够有效提高致密油藏采收率。然而,致密储层低孔、低渗,微纳米孔喉发育,孔隙中流体受到吸附、流体分子与孔壁相互作用等限域效应的影响,传统相态理论难以对微纳米孔隙中二氧化碳同烃类的相互作用进行准确描述。为此,本文首先提出一种考虑微纳米限域效应的相平衡理论模型。通过引入吸附效应和流体分子-孔壁相互作用参数,对Peng-Robinson状态方程(PR-EOS)进行修正。分别计算了流体组分的无因次临界温度和临界压力的相对偏差值,计算值同实验值符合良好,验证了算法的准确性。然后进行了储层温度压力下的流体相平衡计算。结果表明,微纳米限域效应使流体泡点压力降低,溶解气油比和地层油体积系数增大,原油黏度和界面张力降低。此外,对于CO₂驱油过程中轻烃抽提作用和CO₂扩散作用研究表明,微纳米限域效应使轻烃的抽提系数降低,CO₂扩散作用增强,有利于CO₂与原油充分接触,提高原油采收率。该模型能够准确预测致密储层CO₂-原油多组分混合物的相行为,为致密储层CO₂驱油提高采收率技术的应用提供理论支持。

中国东部的东北地热异常区、华北及华东地热异常区、东南丘陵-沿海地热异常区是中国重要的地热资源区,研究其深部地温分布特征与动力学背景对合理开发、高效利用地热资源具有重要的科学意义。中国东部自北向南,地热地质条件及热源成因各不相同。东北地区地热资源主要分布在长白山、松辽盆地、二连盆地以及依兰-伊通裂谷地堑,是火山、裂谷地堑、深断裂活动区,其深部热源与地温分布主要与西太平洋现代俯冲板片的岩浆活动有关。华北及华东地区地热资源主要分布在渤海湾盆地、南华北盆地群、郯庐断裂带的临沂-郯城段以及苏北盆地,是裂谷地堑、活动深断裂、岩溶热储发育区,其深部热源及地温分布主要与青藏高原东向挤出、太平洋俯冲后撤导致的盆地伸展、断陷以及深大断裂带走滑活动有关。东南丘陵-沿海地区地热资源主要分布在广东中西部、江西中南部以及福建东北部,是火山、岩体放射性高值区,其深部热源及地温分布主要与南海张裂、岩石圈减薄的岩浆活动有关。深部地温及居里面计算结果表明:中国东部地热异常区热流值≥80 mW/m²的点在10 km深度的地温分别为,东北260~360 ℃,华北及华东270~400 ℃,东南丘陵-沿海地区260~340 ℃。在居里温度统一取475 ℃的条件下,居里面深度分别为:东北14.7~23.7 km,平均20.5 km;华北及华东18.4~26.5 km,平均22.1 km;东南丘陵-沿海地区16.9~24.9 km,平均21.9 km。综合分析认为,中国东部存在3种不同特征的地热资源区:长白山、东营等地,浅层地温高,居里面浅,地幔热源浅;松辽盆地中部的大安-大庆之间、渤中坳陷北侧的唐山等地,浅层地温高,但居里面深,地幔热源深;泉州-漳州之间浅层地温低,但居里面浅,地幔热源浅。

条带状铁建造(banded iron formations, BIFs)是早前寒武纪(3.8~1.8 Ga)缺氧古海洋中大规模Fe(II)氧化形成的一类富铁沉积岩,具有典型的硅质层与铁质层互层的条带状或层状结构,形成的铁矿物主要以磁铁矿和赤铁矿为主。BIFs构成了全球规模最大、储量最多的铁矿类型,具有重大的经济价值。BIFs也是地球环境与生命协同演化的产物,是研究早期地球许多重大演化事件(如大氧化事件)独特的载体。然而,由于早前寒武古海洋环境和沉积条件的独特性,尽管经过了近百年的研究,BIFs成因仍存在许多未解之谜。其中,最关键的科学问题莫过于溶解态Fe(II)如何在缺氧古海洋中大量氧化形成特定的铁矿物组合。本文首先概述了BIFs类型、物质组成及来源,以及沉积条件等基本信息;然后从BIFs特殊的沉积环境入手,综述了前人提出的Fe(II)氧化机理及存在的一些问题,讨论了微生物驱动下的氮元素生物地球化学循环对Fe(II)氧化及BIFs形成的贡献及相关研究进展,最后对BIFs成因研究提出了展望。

夏日哈木是近年来在东昆仑成矿带探明的一个超大型岩浆型Ni-Co硫化物矿床,然而,随着矿区深部和外围找矿工作的不断深入,矿区内相继发现与岩浆硫化物型矿体特征明显不同的热液型Pb-Zn±Cu±Ag矿体,已探明的金属量达10万吨。为进一步揭示热液型矿体的成因及其产出背景,本文系统地开展了矿化蚀变特征和成矿年代学研究工作。新发现的热液型矿体主要呈似层状产于古元古代金水口群白沙河岩组的大理岩与片麻岩的层间构造带内,矿石矿物主要为方铅矿、闪锌矿和黄铜矿,脉石矿物为辉石、石榴子石、绿帘石、绿泥石、榍石、磷灰石、石英及方解石等。电子探针分析结果显示,辉石属于透辉石-钙铁辉石系列,矿物端员组分为Di_65.44~79.01Hd_18.55~30.78Jo_1.63~0.51;石榴子石属于钙铝榴石-锰铝榴石系列,矿物端员组分为Gro_24.93~92.17And_3.29~9.95(Spe+Alm)_1.68~67.29;绿帘石和绿泥石均有高Mn特征。综合以上矿物学研究工作,认为其属于夕卡岩型矿体。LA-ICP-MS微量元素分析显示,榍石稀土元素总量较低,稀土配分模式为右倾的轻稀土富集型,Th/U为0.23~1.97,平均值为0.94,与典型的热液榍石稀土元素组成相近。LA-ICP-MS微区原位U-Pb定年获得的热液榍石²⁰⁷Pb校正后的²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为(413.3±3.6) Ma(n=23, MSWD=0.96);热液磷灰石²⁰⁷Pb校正后的²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为(414±13) Ma(n=17, MSWD=1.03),代表夕卡岩型矿体成矿作用发生于早泥盆世,与岩浆型镍钴硫化物矿体的成矿时代在误差范围内基本一致。结合成矿地质条件,本文认为夏日哈木矿区发育具有时空联系的岩浆型与热液型两套成矿系统,区域伸展背景下幔源岩浆上涌导致地壳岩石发生部分熔融,形成浅部酸性岩浆房,熔体沿着伸展作用形成的构造薄弱带上升,分异产生岩浆流体,与古元古代金水口群大理岩发生接触交代作用,形成夕卡岩型Pb-Zn±Cu±Ag矿体。此外,本文为东昆仑成矿带泥盆纪夕卡岩型铅锌成矿作用的存在提供了直接的成矿年代学佐证,关注岩浆型与热液型两套成矿系统的共存,对开展综合找矿评价具有重要的理论和实际意义。

稀土富集机制一直是白云鄂博矿床的重要研究内容之一,深刻理解稀土矿物的形成过程对于高质化开发利用稀土资源具有重要意义。白云鄂博主矿区矿石样品扫描电镜观察显示:最主要的两种稀土矿物氟碳铈矿和独居石常常呈细脉状产出,局部稀土细脉明显是由微细裂隙充填所致。需要特别关注的是,稀土矿物细脉外多见氟碳铈矿或独居石呈细小的浑圆状晶体被白云石包裹或赋存于白云石晶界处。同时,稀土细脉中也零星可见一些氟碳铈矿或独居石保留浑圆状的形态特点。如上这些现象暗示稀土物质最初是伴随白云质碳酸盐岩浆侵位而迁移到地壳浅部,并伴随岩浆固结成岩过程呈细小浑圆状晶体被白云石包裹或赋存于白云石晶界处,浑圆状似“珠滴”的晶体形态抑或是白云质碳酸盐岩浆固结成岩时发生了强烈的不混溶作用所致。此外,细脉状稀土矿物中局部可见富含Nb和Cr的独居石晶体,也可见一些独居石中包裹了早期自形富Si独居石,也说明氟碳铈矿或独居石的富集成矿具有岩浆属性。还需注意的是,在氟碳铈矿或独居石组成的稀土细脉中,除了少量晶体保留浑圆状形态外,大多呈半自形或它形晶体形态。同时,多处可见白云石晶体遭受溶蚀后被氟碳铈矿、独居石或萤石等包围的现象。特别是伴随氟碳铈矿或独居石细脉,有大量的萤石富集,局部还有较多的磷灰石结晶,其中一些磷灰石晶体中也包裹有细小浑圆状独居石。这些现象暗示早期伴随岩浆作用形成的氟碳铈矿、独居石和白云石,与后期富含F和P的流体发生了强烈相互作用。即氟碳铈矿或独居石细脉的形成,同时具有显著的热液作用属性。上述矿物学现象综合表明,白云鄂博稀土富集成矿至少经历了两次明显的成矿作用。首先是伴随碳酸盐岩浆侵位作用,稀土被运移到地壳浅部,并由于不混溶作用而得以初步富集;之后由于富含F和P的热液流体作用,使稀土物质发生了再活化和循环迁移,并得以再次富集形成稀土矿体。

绿帘石族矿物是热液矿床中常见的Ca-Al硅酸盐矿物,常具有较高的微量元素含量,其化学成分和Sr同位素能够指示成矿流体的物理化学条件和来源。本文以东天山地区的多头山矿床为例,对主成矿期磁铁矿阶段大量分布的绿帘石族矿物展开研究。矿物化学结果表明,其分子式中Al原子数较高(1.95~2.24),富含Fe³⁺而贫Fe²⁺,稀土总量较低[(21.53~63.52)×10^-6],属于绿帘石端员;同时样品富集中稀土元素,强烈亏损轻稀土元素,具中等Eu负异常,暗示稀土元素的分馏与中-碱性条件下硬酸离子的络合作用有关。元素的线性关系研究表明,REE主要通过类质同象替代的机制进入矿物晶格。多头山绿帘石与石英-榍石-磁铁矿等共生,具有明显的Ce负异常(0.64~0.91)和较高的U/Th比值,指示成矿流体的氧逸度较高。绿帘石的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值为0.704 62~0.704 95,介于百灵山花岗杂岩与围岩或石炭纪海水之间,表明成矿流体来源于岩浆水,并且在与围岩发生交互作用的同时伴随有外来盆地卤水的加入。本文研究进一步表明绿帘石可以作为揭示多种类型岩浆-热液矿床流体性质与演化过程的良好指示矿物。

本文以新疆达布达有生长环带的祖母绿为研究对象,采用宝石显微镜、偏光显微镜、电子探针和X射线衍射等研究方法对其化学成分、环带显微结构及化学微区进行测试。显微结构揭示了环带核部碎裂溶蚀而边部相对完整的阶段性生长证据。X射线衍射数据表明:新疆祖母绿为“八面体”绿柱石,以镁铁质离子对Al的类质同象替换为主,以钠离子为主的碱金属离子作为电荷补偿存在绿柱石通道中;新矿和老矿核部→边部呈碱金属递减趋势,新矿祖母绿样品(N=1)碱性程度偏低(碱金属含量<1%),老矿(N=3)碱性程度中等或较高(1%<碱金属含量<2%或>2%);生长环带包括多重交替色带和核浅边深类型,化学成分研究表明以Cr或V为主要致色元素;生长微区化学层面的不均一性总体反映致色离子、碱金属离子和镁铁质离子物质贡献的差异。

霓长岩化被认为是一种典型的岩浆期后碱性交代作用,与稀土矿化有关。霓长岩化有关的超大型稀土矿床的代表有白云鄂博稀土矿和川西牦牛坪稀土矿,它们是我国第一大和第二大轻稀土矿。福建政和铁山交代岩是华东最大的碱性交代岩,位于浙闽交界政和—大埔断裂带东北侧,区域预计稀土氧化物(REO)远景资源量可达6 211万吨。在铁山碱性交代岩中分布大面积的霓长岩,与P、REE、Ti、Ga等元素矿化关系密切。区域划分出3条霓长岩带,长度达1~2.3 km,宽度数百米,发现和评价了40余条磷灰石矿体,并富集稀土。霓长岩由长石、辉石、角闪石和黑云母等矿物组成。霓长岩中钾长石有4种形态:(1)面状分布,与黑云母、角闪石等的碱交代产物共生;(2)浅色钾长石脉;(3)深色钾长石脉;(4)和黑榴石共生。辉石呈现3种形式:(1)分布在深色角砾岩中; (2)零星分布在钾长石中;(3)与角闪石密切共生。霓辉石在镜下环带明显,中部浅绿色(淡绿色)到边部墨绿色(深绿色),说明核部透辉石成分多,边部霓石含量高。霓长岩形成于燕山期第二次(157~156 Ma)岩浆活动期,与南侧铜盆庵钾长花岗岩侵入活动有关,该期热液富集稀土元素。与燕山期第三次(118~114 Ma)岩浆活动有关的热液作用进一步产生碱性交代,并形成了一系列多金属矿化。

白云鄂博稀土-铌-铁矿床蕴藏着大量的铁资源,其中磁铁矿作为矿石矿物被广泛研究。磁铁矿的矿物标型特征可以指示矿床成因、成矿规律以及深部找矿,但磁铁矿标型矿物学尚未在白云鄂博矿床中普及与应用。本研究使用了22条勘探线全铁数据,利用扫描电镜能谱和电子探针的矿物微区成分测试方法,测试了覆盖600 m×600 m,纵深800 m范围内10条勘探线的45件样品,将白云鄂博矿床中的磁铁矿分为岩浆型和热液型,表明岩浆和热液在白云鄂博矿床中均形成或改造磁铁矿。结合磁铁矿温度计得知,岩浆型磁铁矿,尤其是高温磁铁矿富集的区域,矿床全铁成分更加富集,更容易形成富铁矿体,磁铁矿形成的温度为350~650 ℃。因此推测,12、13号线的深部东部方向有很大可能形成富铁矿体,可能在深部连接东矿,值得进一步研究与开采。

胶东地体因发育大量的中生代金矿床而举世闻名。但其金矿床成因仍存在争论,争论的焦点之一为:金矿床是受浅部的构造控制,还是受深部的地球动力学背景,也就是西太平洋板块俯冲后回撤控制。为了进一步定量揭示矿床成因和与金矿床相关的地质异常事件,本文在前人基础上,选取了浅地表构造发育不显著的胶东毕郭地区的1∶50 000的勘查地球化学数据,进行了Au元素数据的异常提取和分解;依次应用局部奇异性→局部奇异性-分位数→Fry方法,进行了定量表征和优选方位的确定。研究结果表明,Au元素的异常富集集中在3个方向:北东(或南北)、东西或北西向,正好对应了该地区中生代西太平洋板块俯冲和回撤、新生代早期华南板块的北向运动、新生代中期郯庐断裂带的大规模平移走滑的地质过程和叠加效应,这意味着胶东Au元素的富集和金矿床的形成受深部地质过程控制明显。本文研究对定量确定胶东Au富集受板块运动影响提供了地质证据,也对矿床尺度的矿化方向和找矿勘查具有一定的科学意义。