鈣華的形成環(huán)境與特征及在油氣儲集方向的探討

劉晶晶，毛毳，劉興瑀，魏荷花，權(quán)蓮順，劉澤璇，張文鑫，趙冰，張青

1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318

2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580

3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 引言

巖溶是在地表水與地下水的化學(xué)和物理過程的共同作用下，對可溶性巖石的破壞和改造作用及其形成的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象[1]。在巖溶發(fā)育地區(qū)，鈣華作為一種淡水碳酸鹽沉積物普遍存在[2]，常常形成十分瑰麗的自然景觀，如我國四川的九寨溝、日本的Nagano-yu、土耳其的Pamukkale。鈣華沉積體含大量孔隙，與形成環(huán)境、氣候、水文地質(zhì)條件、水體物理化學(xué)條件、生物活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等有著密切的聯(lián)系[2]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對鈣華沉積等方面做了一系列的研究，認(rèn)為鈣華在指示古氣候、古環(huán)境、區(qū)域構(gòu)造、地?zé)峄顒?dòng)歷史[3-4]、研究地球演化[5]和保護(hù)環(huán)境[6]等方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。由于鈣華的形態(tài)、成因類型多樣，沉積受控制的因素復(fù)雜，且鈣華作為多孔碳酸鹽巖對于油氣儲集亦有一定的作用。因此，本文在調(diào)研了國內(nèi)外近年相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了鈣華的類型、形成環(huán)境及模式、鈣華形成的影響因素，并討論了塔北地區(qū)鈣華的孔滲特征。

1 鈣華的形成及分類

鈣華形成于富含CO2和CaCO3的淡水中[7-8]，通常是一種多孔、具微層的易碎碳酸鹽巖[9]。常溫常壓下CO2以1∶1溶于水，當(dāng)溫度越低，壓強(qiáng)越大時(shí)CO2在水中溶解的越多；當(dāng)水中的CO2分壓高于周圍大氣的分壓時(shí)，則會(huì)使CO2從水中逸出，水中的碳酸鈣過飽和并發(fā)生沉淀[10]。因此，鈣華的形成包括放氣、沉淀兩個(gè)階段[9]，其化學(xué)反應(yīng)式為：

式中的正向反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，可得出溫度的升高將促進(jìn)鈣華的形成[10]。同時(shí)，在引起鈣華沉積的水溶液中，其pH 值也對鈣華的形成有一定影響。據(jù)郭衛(wèi)星[11]對川西北鈣華的研究中發(fā)現(xiàn)，在酸性介質(zhì)中易于溶解，而在堿性介質(zhì)中比較穩(wěn)定易沉淀。鈣華的主要礦物為方解石和文石，因文石不穩(wěn)定，可向方解石轉(zhuǎn)變，故可以根據(jù)主要礦物的組成判斷鈣華形成時(shí)間的早晚[12]。

從鈣華的成因上看，可將鈣華分為大氣成因類鈣華（meteogene travertine）和熱成因類鈣華（thermogene travertine），即對應(yīng)表生鈣華（Tufa）和內(nèi)生鈣華（Travertine）[13]。劃分以上兩種鈣華的依據(jù)是引起表生鈣華沉積的水溶液中，有來源于大氣和土壤成因（或來自高寒冷成因的）的CO2氣源對碳酸鹽巖進(jìn)行溶解和再沉積，多孔性強(qiáng)、層理較差、含有豐富的微植物和大型植物、無脊椎動(dòng)物和細(xì)菌的遺跡[14]。而引起內(nèi)生鈣華沉積的水溶液中，其CO2氣源產(chǎn)生于非大氣和非土壤成因（如來自地球深部的變質(zhì)成因或地幔成因），從而引起對碳酸鹽巖的溶解和再沉積[13,15]，主要是堅(jiān)硬的結(jié)晶沉淀物（有些易碎），通常含有薄層或灌木狀細(xì)菌的生長[16]，形成具有規(guī)則層理和精細(xì)層理、低孔隙度、低滲透率和無機(jī)結(jié)晶無光澤的礦床[14]。因此，關(guān)于鈣華的成因機(jī)制亦分為有機(jī)（生物—化學(xué)）沉淀與無機(jī)沉淀。

從鈣華的沉積形態(tài)上看，Pedley[17]將鈣華分為原地鈣華和碎屑鈣華，其中原地鈣華又分為光合植物骨架鈣華與光合植物黏結(jié)灰?guī)r。Pentecost[18]主張將其分為原地沉積和異地沉積，并將原地鈣華依照形態(tài)分為八類（圖1）。Vázquez-Urbezet al.[19]將Tufa 分為致密層狀（疊層石）、致密—多孔塊狀、多孔（含苔蘚、藻類的粗糙層狀）狀、致密—堅(jiān)硬—層狀沉積物（洞穴中）四種類型；Portaet al.[20]將Travertine 根據(jù)其巖相分為原地沉積類、生長部位被沉淀碳酸鹽包覆的大型植物類、熱水析出的顆粒類及碎屑類（內(nèi)碎屑和底物外碎屑）四種類型。

圖1 鈣華的沉積形態(tài)[18]（a）泉華丘；（b）泉華脊；（c）瀑華；（d）泉華壩；（e）河流結(jié)殼；（f）湖相結(jié)殼；（g）沼澤沉積；（h）表面膠結(jié)礫屑Fig.1 The sedimentary morphology of travertine[18](a)mounds;(b)fissure ridge;(c)cascades;(d)dam;(e)stream crust with oncoids;(f)lake crust with oncoids;(g)paludal deposit;(h)cemented rudite

在國內(nèi)，前人在大量野外實(shí)踐的基礎(chǔ)上，將鈣華沉積體的形態(tài)主要分為層狀/似層狀鈣華、海綿狀鈣華、鐘乳石狀鈣華、鈣質(zhì)包殼鈣華、豆莢狀/長條狀鈣華、砂糖狀鈣華等[12]。新疆塔北硫磺溝古鈣華主要分布于硫磺溝古溶洞的上部或裂縫中，大多含油顏色為黃褐色和灰白色間互、部分飽含瀝青顏色為黑色和灰色間互，產(chǎn)出形式大多呈紋層狀，少部分呈塊狀或環(huán)狀包裹礫石，單層厚度受沉降環(huán)境和沉淀速度的影響，從1 mm～1.5 cm不等。五道班地區(qū)見多個(gè)鐘乳石成群出現(xiàn)，大小不一，層界面內(nèi)側(cè)孔隙內(nèi)含油；也可見分布于礫巖層頂部、層厚約0.1～1.5 m 的砂糖狀鈣華，粒度上與碎屑巖中的粗砂巖相當(dāng)，晶間孔隙發(fā)育，總體呈“縫網(wǎng)狀”[21]。

2 鈣華的沉積特征

2.1 沉積環(huán)境和沉積模式

鈣華廣泛地分布巖溶區(qū)等多種沉積環(huán)境，如洞穴、巖溶泉、河流、湖泊、沼澤或溫泉周圍[22-24]。在氣候和構(gòu)造區(qū)域的控制下[16,23-24]，不同成因機(jī)制的鈣華其沉積環(huán)境表現(xiàn)出明顯的差異。大氣成因鈣華（Tufa）一般形成于淡水環(huán)境，在快速流動(dòng)的水域形成層狀相，伴有快速地相變化，在遇異常洪水時(shí)，其沉積體系會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕，不連貫，因此保存潛力低，厚度差異大[25-26]；熱成因鈣華（Travertine）的沉積環(huán)境一般以緩坡為主，局部可演化為臺地體系[27]，常出現(xiàn)于局部地形有火山口的位置，在其幾何形狀、斷層活動(dòng)、水文、物理化學(xué)性質(zhì)、熱流率和碳酸鹽沉淀率控制下致使沉積下來的鈣華有厘米級的變化，因而其更易沉積在光滑的斜坡、階地斜坡和次水平的斜坡環(huán)境中[20]。

鈣華的沉積模式與沉積環(huán)境有著密切的聯(lián)系。Pedley[17]將鈣華沉積模式主要分為四種：泉水沉積、河流沉積、湖泊沉積和沼澤沉積（圖2a～d）；然而在巖溶發(fā)育地區(qū)，普遍存在著溶洞中沉積鈣華的現(xiàn)象，因此作者補(bǔ)充了溶洞鈣華沉積模式（圖2e）。不同的沉積模式中，鈣華在沉積過程中也表現(xiàn)出了明顯的差異：泉水鈣華多沿斜坡、急灘或陡崖沉積，形成灘華、壩華和瀑華，也可見鐘乳石狀鈣華和石灰華洞；河流系統(tǒng)中形成的鈣華壩在暖熱地區(qū)下易形成較高的壩，在溫涼環(huán)境下易形成較厚的障礙湖，在干熱環(huán)境中由于壩高而易形成較大的湖；在生物群落更為完整的湖泊中，可在邊界透光性良好的區(qū)域形成疊層狀鈣華，而在深水區(qū)則更易沉積碎屑狀鈣華；沼澤環(huán)境中一般為碎屑沉積，常形成厚度較大的疏松層狀鈣華沉積體，也常在動(dòng)植物體上見碳酸鈣結(jié)殼[28]；而在溶洞模式中，受流水控制，常在洞頂、洞壁形成石鐘乳、石柱，在洞底見石筍、石枕等。

圖2 鈣華的沉積模式[17]（a）泉水鈣華沉積；（b）河流沉積系統(tǒng)；（c）湖泊環(huán)境：其中①為疊層狀鈣華和碎屑沉積；（d）沼澤沉積模式；（e）溶洞沉積模式Fig.2 The sedimentary model of travertine[17](a) perched springline travertine model;(b) fluviatile barrage travertine model;(c) generalized lacustrine travertine model,①the shallower areas promote stromatolitic developments associated with oblate oncoids and phytoclastic sediments;(d)generalized paludal modal;(e)karst cave deposition model

在曹樂等[29]對巴丹吉林沙漠湖泊鈣華的研究以及Ye?ilovaet al.[30]對土耳其Anatolia東部地區(qū)的大型鈣華的研究中發(fā)現(xiàn)富鈣的地下水進(jìn)入湖泊產(chǎn)生的密度差支持了富鈣水的運(yùn)移，形成了柱狀鈣華的沉積體（圖3f）。但有一種罕見的現(xiàn)象，Pelliceret al.[31]在西班牙Pyrenees 地區(qū)對鈣華進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)此處湖泊是在鈣華丘內(nèi)部凹陷處形成的，并且將湖泊的演化過階段劃分出了五種沉積相：在強(qiáng)水文季節(jié)性時(shí)期形成的富碳酸鹽的古陸沉積相、大量高等生物擾動(dòng)的有機(jī)軟泥相、與區(qū)域有效水分增加相關(guān)的富碳酸鹽有機(jī)質(zhì)帶狀相、細(xì)粒富石英風(fēng)成/坡積物相和高海拔湖泊干涸后沉積的塌積相。

對于河流環(huán)境中的鈣華，Toker[32]將第四紀(jì)鈣華分為苔蘚、溶瘤、疊層石、植物碎屑、內(nèi)碎屑、外碎屑、腐泥質(zhì)、古泥質(zhì)八種相和辮狀河、堤壩、點(diǎn)砂壩三個(gè)沉積體系。Nicollet al.[33]以埃及南部的尼羅河為例，研究了與古潛山相關(guān)的、綠洲和河谷附近的巖溶排水系統(tǒng)中的鈣華，其內(nèi)部具亞平行、交織的開放空間、局部的“蜂窩狀（honeycomb）”結(jié)構(gòu)，因孔隙體積、膠結(jié)程度不同表現(xiàn)出硬化—脆性的特征。Wanaset al.[34]認(rèn)為河流環(huán)境中所呈現(xiàn)出的層狀、塊狀、粒狀等不同形態(tài)的鈣華是大氣降水與土壤中不同C3植物作用下的結(jié)果，C3植物則是指光合作用時(shí)能將CO2中的C直接轉(zhuǎn)移到C3里的植物，多為溫帶植物。

在塔北五道班和硫磺溝地區(qū)，鈣華的沉積環(huán)境較為復(fù)雜。受沉積相帶的控制，沉積模式為泉水、河流沉積；經(jīng)歷長期的巖溶作用后，溶洞發(fā)育，又在地下暗河的影響下，表現(xiàn)為溶洞沉積與河流沉積的雙重模式，因此發(fā)育了具不同沉積形態(tài)的鈣華。例如，五道班地區(qū)一處斷裂系統(tǒng)中，鈣華呈帶狀充填其中（圖3a），在溶洞系統(tǒng)中以團(tuán)塊狀沉積在地下暗河河道中（圖3d），在河流系統(tǒng)中沉積的包殼鈣華外部殼體表現(xiàn)為疊層狀（圖3e）；而硫磺溝地區(qū)的溶洞系統(tǒng)中則形成了同心圓狀鈣華的沉積（圖3b），在河流環(huán)境中形成層狀、馬牙狀鈣華的沉積體（圖3g）。

圖3 鈣華的沉積形態(tài)（a）五道班脈狀鈣華；（b）硫磺2號溝同心圓狀鈣華；（c）肯尼亞南部疊層狀鈣華（Lee Ray et al.[24]）；（d）五道班地區(qū)團(tuán)塊狀鈣華；（e）五道班包殼礫巖（殼體呈疊層狀）；（f）土耳其Anatolia東部柱狀鈣華（Ye?ilova et al.[30]）；（g）硫磺3號溝層狀、馬牙狀鈣華Fig.3 The sedimentary morphology of travertine(a)vein travertine in Wudaopan;(b)concentric round travertine in Liuhuanggou No.2 groove;(c)stromatous travertine in southern Kenya(Lee Ray et al.[24]);(d)massive travertine in Wudaoban;(e)encapsulated conglomerate in Wudaoban(with laminated shells);(f)columnar travertine in eastern Anatolia,Turkey(Ye?ilova et al.[30]);(g)stratified horsetooth travertine in Liuhuanggou No.3 groove

2.2 沉積速率

鈣華一般具有極其明顯的紋層結(jié)構(gòu)（圖4），紋層與溫度、季節(jié)、生物和年份密切相關(guān)，因此可以通過紋層結(jié)構(gòu)、厚度及現(xiàn)代鈣華的沉積觀察實(shí)驗(yàn)來探討其沉積速率[19,26,35-37]。Gradziński[38]發(fā)現(xiàn)鈣華在15～18個(gè)月間沉積厚度可達(dá)1～2 cm，Pentecostet al.[39]和Nishikawaet al.[40]研究發(fā)現(xiàn)鈣華的平均沉積速率可高達(dá)1.75 mm/年與30.9 mg/cm2/天，胥良等[41]基于鈣均衡估算出黃龍鈣華在整個(gè)現(xiàn)代堆積區(qū)內(nèi)的平均沉積速率為2.51 mm/年，可見鈣華的沉積速度相當(dāng)之快。Vázquez-Urbezet al.[19]在現(xiàn)代鈣華觀察實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫暖氣候環(huán)境沉積速率較大，每年可達(dá)5.26 mm和0.86 g/cm2，而寒冷氣候則每年2.26 mm和0.13 g/cm2；并在快速流動(dòng)且活動(dòng)的瀑布中鈣華沉積表現(xiàn)出高速率，在緩流或不流動(dòng)的河流中表現(xiàn)出明顯的低沉積速率，表現(xiàn)出明顯的氣候分異規(guī)律[41]。Kawaiet al.[35,42]對日本西南地區(qū)河流相鈣華進(jìn)行研究過程中，發(fā)現(xiàn)此處的鈣華沉積普遍發(fā)育夏季致密層和冬季疏松層的雙年疊合，同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱帶鈣華與溫帶鈣華相比，呈現(xiàn)較少的清晰分層和更密集的鈣化紋理（圖5）。

圖4 層狀鈣華及鏡下特征（a）黑色含油鈣華；（b）黃色含油鈣華；（c）鈣華包層間縫，單偏光，50×；（d）圖（b）的鏡下照片，紋層清晰，裂隙發(fā)育，單偏光，50×；（e）圖（d）的鏡下照片，裂縫發(fā)育且見油氣充注，單偏光，50×；（f）層狀含油鈣華鏡下照片，層間以馬牙狀顆粒分布排放，單偏光，50×Fig.4 Stratified travertine and its microscopic characteristics(a) black oily travertine;(b) yellow oily travertine;(c) travertine interlamellar fractures,plane-polarized light,50×;(d) the microscopic characteristics of (b),it has clear laminae and developed cracks;(e)the microscopic characteristics of(d),fractures are developed and hydrocarbon charging is observed,plane-polarized light,50×;(f)microscopic characteristics of a stratified oil-bearing travertine,horse tooth particles are distributed between layers,plane-polarized light,50×

圖5 鈣華沉積的紋層特征（a）層狀鈣華，日本西南Shimokuraida地區(qū)（據(jù)Kawai et al.[42]）；（b）疊片結(jié)構(gòu)，可見致密與多孔的重復(fù)（據(jù)Kawai et al.[42]）；（c）層狀含油鈣華，可見致密與多孔的重復(fù)，新疆柯坪硫磺溝Fig.5 Laminar characteristics of travertine deposition(a)stratified tufa,Shimokuraida,SW-Japan(after Kawai et al.[42]);(b)lamination structure,there are repetitions of dense(D)and porous(P)(after Kawai et al.[42]);(c)stratified oily travertine,there are repetitions of dense(D)and porous(P),Liuhuanggou,Keping,Xinjiang

前人實(shí)驗(yàn)表明，大氣成因的鈣華在溫暖或高能環(huán)境下沉積1 cm 厚度平均需要2 年，在寒冷或低能環(huán)境中則需要4 年。而熱成因鈣華沉積速率明顯低于大氣成因的鈣華，熱成因鈣華塊狀沉積體至少5～10 年才可沉積1 cm，層狀沉積體則需要更長的時(shí)間，平均在20 年以上[18]。在我國塔北硫磺溝地區(qū)先是地表抬升被剝蝕，再經(jīng)歷了一系列的巖溶作用，后期由巖漿活動(dòng)分異而出的一部分巖漿熱液流體沿?cái)嗔选⒘芽p或不整合面活動(dòng)[43-44]，從而迅速成礦，其證據(jù)為該地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量鈣華與熱液成因的硫磺、石膏所伴生的現(xiàn)象。因此在硫磺2 號溝所發(fā)現(xiàn)的紋層狀古鈣華屬熱成因型[45]，并且表現(xiàn)出了疏密互層沉積的特征，在多孔層有含油顯示，如圖2 中c 樣品厚度約為8.8 cm，推測其沉積時(shí)間需要180年左右。

3 鈣華形成的影響因素

鈣華作為一種化學(xué)沉積物，常出現(xiàn)在巖溶地區(qū)，經(jīng)歷著反復(fù)的侵蝕與堆積，在氣候、地質(zhì)地貌、水文、水體物理化學(xué)性質(zhì)和生物的多重影響下形成了獨(dú)一無二的沉積體。從鈣華的形成過程來看，主要受以下幾個(gè)方面的控制。

3.1 氣候

鈣華可在寒溫帶到半干旱氣候區(qū)形成[16]，但溫暖潮濕的溫帶氣候更有利于大氣成因鈣華的形成[17]。氣候是影響鈣華形成的重要因素，由鈣華生成的化學(xué)反應(yīng)式可知，CaCO3的結(jié)晶沉淀是吸熱反應(yīng)，溫度的升高有利于此反應(yīng)的進(jìn)行。此外，水中CO2的平衡濃度對CaCO3的飽和度有直接影響，CO2的溶解量隨著溫度的增高而降低[28]。另外，有學(xué)者在對日本西南部鈣華的研究中，水與方解石的分配率系數(shù)隨溫度的變化而變化；同時(shí)，鈣華的沉積也與降水量有著密切聯(lián)系，在雨季時(shí)具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在旱季則為正相關(guān)[37]，當(dāng)降水減弱時(shí)，在一定程度上也降低了鈣華中礦物的析出率[42]。另外，張紅敏等[46]在對諾日朗大壩鈣華的研究中發(fā)現(xiàn)氣候的變化影響鈣華的顏色，在多雨季節(jié)，藍(lán)藻依附鈣華表面生長使其呈現(xiàn)出淺綠黃色，相反在旱季，藍(lán)藻因缺水死亡，致使鈣華含有的有機(jī)質(zhì)在長期暴露環(huán)境中被氧化而呈黑色。

3.2 水文地質(zhì)條件

不同的水文地質(zhì)條件也影響著鈣華的形成，如受深部巖溶動(dòng)力系統(tǒng)（白水臺）與表層巖溶動(dòng)力系統(tǒng)（桂林長流水）控制形成的鈣華就顯著不同，長流水鈣華沉積孔隙較大，較難觀察到層面，而白水臺鈣華具有良好的季節(jié)性分層，其碳氧同位素較長流水鈣華相比具明顯季節(jié)性變化規(guī)律，且δ13C值較高[47]。而且，在一些含蒸發(fā)巖的碳酸鹽巖（如鄂爾多斯盆地的中奧陶統(tǒng)灰?guī)r、貴州三疊系灰?guī)r）分布區(qū)，其泉水和地表河水中含有較高的硫酸鈣，同離子效應(yīng)也會(huì)引起鈣華的沉積[28]。另外，Okumuraet al.[48]對疊層狀鈣華的研究中發(fā)現(xiàn)，不同的水文條件會(huì)形成各種類型的分層，進(jìn)而影響到疊層石灰?guī)r的地質(zhì)微生物學(xué)過程。

3.3 地形地貌條件

復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了不同的地形地貌，進(jìn)一步影響了鈣華的沉積。例如，山西介休洪山泉鈣華沉積于洪積扇發(fā)育的山前傾斜沖洪積平原，NE向斷裂阻擋了南東側(cè)的巖溶水并形成斷層溢流泉，使鈣華沉積在了斷裂北西側(cè)的扇形臺地上，剖面上呈楔狀[49]；四川黃龍地區(qū)，受控于高寒區(qū)以冰川溝為主的地貌條件，在溝口洪積扇處形成了石壩、灘華、瀑華等鈣華景觀，單體以鮞狀鈣華包殼粒為主[50]；新疆塔北地區(qū)，鈣華多充填于斷裂帶發(fā)育處，或在有地下暗河發(fā)育的溶洞系統(tǒng)中。

3.4 水體物理化學(xué)條件

水體中存在壓力效應(yīng)，水中溶解的CO2和大氣中的CO2分壓有一定的平衡關(guān)系，當(dāng)大氣中的CO2分壓降低時(shí)，水中溶解的CO2含量也將隨之相應(yīng)降低，有利于鈣華的形成[28]。同時(shí)，水化學(xué)的穩(wěn)定性也對鈣華的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有著重要影響，水中微量元素的濃度決定了所形成的鈣華中微量元素的濃度，進(jìn)而影響Mg/Ca、Mg/Sr或碳氧同位素等[42,51]。國外學(xué)者還提出人類活動(dòng)（森林砍伐等）影響了水化學(xué)成分的變化和地表徑流的加劇，從而影響了鈣華的化學(xué)和物理降解，因此對其沉積具有抑制作用[8,52-61]。

水位與水動(dòng)力效應(yīng)（水力狀態(tài)和流速）也會(huì)對鈣華沉積造成影響[62-66]。Bisseet al.[63]根據(jù)Bongongo hot springs水位波動(dòng)和氣候變化特征建立了三種溫泉碳酸鹽巖沉淀推斷過程和控制模型（圖6）。干旱環(huán)境中水量減少致使地表水水位下降，熱流體沸騰區(qū)于更深的地方形成，同時(shí)增加了上升流體的CO2濃度，而上升液體在沸騰過程中產(chǎn)生脫氣，pH 值的升高使CaCO3沉淀在通道上，表面水域因Ca2+濃度較低故沉淀物較少；潮濕環(huán)境下易在距離地表較近處形成淺沸騰區(qū)，上升的熱流體與冷卻密集的地表水混合，有利于迅速消除CO2導(dǎo)到淺層表面、并在沸騰點(diǎn)附近的噴口析出CaCO3，又由于降水增多會(huì)稀釋沼澤中的水，因此可能會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鈣華的沉淀減少；在由潮濕轉(zhuǎn)為干旱的正常環(huán)境下，沼澤水位的下降，稀釋了堿性補(bǔ)給和熱液混合，促使徑流補(bǔ)給也相應(yīng)減少，此可降低沸水帶的形成，從而增加了淺層方解石析出，剩余排出的液體則可能會(huì)沉淀陸生方解石，于地表形成鈣華。

圖6 溫泉碳酸鹽巖沉淀推斷過程和控制模型（據(jù)Bisse et al.[63]修改）（a）干旱環(huán)境；（b）正常環(huán)境；（c）潮濕環(huán)境Fig.6 Inference process and control model of carbonate precipitation in a hot spring (modified from Bisse et al.[63])(a)Arid condition;(b)Intermediate condition;(c)Humid condition

一些學(xué)者將鈣華沉積速率的水動(dòng)力控制歸結(jié)為固液界面間存在的擴(kuò)散邊界層效應(yīng)，即流速越快、擴(kuò)散邊界層越薄、沉積速率越大，反之亦然[23,63-64,67]。比如在瀑布處因水流飛濺使水中的CO2脫氣產(chǎn)生沉淀[13]，四川黃龍地區(qū)快速流動(dòng)的水體中CaCO3的沉積速率是慢速流動(dòng)水體中的2～5倍[64]，并且在流速較快的灘流、邊石壩或跌水處，藻類易在鈣華表層形成藻席，在季節(jié)變化中形成鈣華紋層，而在水動(dòng)力較弱的池子中央則易形成粗大的球粒狀集合體[68]。

3.5 生物條件

生物活動(dòng)對鈣華沉積有著不可忽視的影響，尤其是微生物。眾所周知，藍(lán)藻細(xì)菌和藻類的代謝作用可以改變沉積水體水化學(xué)，能夠誘導(dǎo)方解石/文石沉淀，從而形成含有大量藻類植物的微生物碳酸鹽[25,68-69]。

生物成因的鈣華影響著鈣華沉積的顏色、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、沉積速率等[35-36,70-72]。在四川九寨溝地區(qū)沉積的鈣華則可明顯觀察到生物活動(dòng)參與鈣華沉積的現(xiàn)象，位于諾日朗瀑布形成的大壩鈣華以黑灰色為主，結(jié)構(gòu)疏松、層次性差，內(nèi)部多孔洞，多種植物殘余以及生物骨架發(fā)育；其頂部夾雜褐色至黃色的雜色碎屑鈣華層，多為藻類和微生物殘骸，在風(fēng)化后表現(xiàn)出成層性[46]。其鈣華結(jié)構(gòu)受藻類的生長及季節(jié)變化常形成生物結(jié)構(gòu)紋層，與物理化學(xué)成因?yàn)橹鞯牧辆Х浇馐y層互層[68]。另外，生物分布與環(huán)境的相互作用也會(huì)使鈣華在水平和垂直方向上都表現(xiàn)出快速地相變化且不連貫，呈由小到大的洞穴狀結(jié)構(gòu)且厚度差異明顯（圖7）[6,69,73]。

圖7 受生物影響的層狀與柱狀（鐘乳石狀）鈣華（據(jù)Khalaf[69]修改）Fig.7 Stratiform and columnar (stalactite) travertine under biological influence (modified from Khalaf[69])

3.6 構(gòu)造活動(dòng)

斷裂活動(dòng)會(huì)促進(jìn)熱液流動(dòng)，表現(xiàn)為快速的碳酸鹽沉淀（圖8）[74-76]。近年來，在裂縫—山脊（斷層）地帶發(fā)現(xiàn)了石灰華（鈣華）礦床，且多數(shù)地區(qū)發(fā)生過歷史性的大地震，故強(qiáng)調(diào)了地震事件、流體循環(huán)和鈣華沉積之間的強(qiáng)烈關(guān)系，認(rèn)為地震活動(dòng)可重新激活熱液流體和誘發(fā)鈣華沉積，從而產(chǎn)生協(xié)同/震后效應(yīng)[77]。例如，裂脊受到構(gòu)造控制導(dǎo)致熱泉排放，造成熱液沉積，其母巖富含碳酸氫鹽的熱液流體沿相互連通的裂縫分布，從而形成層狀或帶狀的鈣華[4,78-81]。由此可見，研究鈣華沉積的機(jī)理也可作為重建古地震、分析斷裂和地震活動(dòng)的重要工具[77,82-83]。

圖8 裂脊與鈣華沉積（據(jù)T?r?k et al.[74]修改）Fig.8 Fissure ridge and travertine deposition (modified from T?r?k et al.[74])

綜合上述影響鈣華沉積的各種因素，在塔北地區(qū)，鈣華是在溫暖濕潤的亞熱帶環(huán)境中形成的，由于冬夏氣溫和降水的差異，鈣華在夏季沉積厚度較大[15,45,84-85]。據(jù)地球化學(xué)特征顯示（表1），該地區(qū)的泉水、河流中具較高的硫酸鈣，在同離子效應(yīng)下沉積了一定量的鈣華；另外，Mg/Ca 比較小說明鈣華在沉積時(shí)，在大氣降水的影響下匯入大量的陸源碎屑。微生物的活動(dòng)有利于方解石或文石沉淀，故而在泉口附近的河流中見大量的鈣華沉積體，同時(shí)對鈣華沉積的紋層特征產(chǎn)生一定的影響。而在塔北硫磺溝、大灣溝地區(qū)的斷裂帶處所見到的鈣華沉積體，深受構(gòu)造活動(dòng)的影響，在此處熱液流體上涌后形成呈帶狀或?qū)訝畹拟}華充填于裂縫。

表1 新疆塔北鈣華Ca、Mg、S元素含量表（%）Table 1 Ca/Mg/S contents in the travertine from Tabei,Xinjiang (%)

4 鈣華的孔滲特征

國外的許多學(xué)者在研究鈣華時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈣華具有多孔、疏松、孔隙度高的物性特點(diǎn)，可作為良好油氣儲集體，孔隙度可達(dá)4%～30%[27]，特別是受生物活動(dòng)影響強(qiáng)烈的鈣華沉積體，由于其良好的層狀結(jié)構(gòu)及外部包殼使其內(nèi)部存在大量連通的孔隙。在Freytetet al.[70]對巴黎盆地鈣華的研究中發(fā)現(xiàn)近現(xiàn)代正在沉積的鈣華其孔隙率可高達(dá)40%～50%。在大陸性的碳酸鹽巖沉積臺地，不同的相序由于沉積環(huán)境的變化，鈣華沉積常出現(xiàn)多孔與致密的互層現(xiàn)象，孔隙度相對較好（平均值大于10%），滲透率在露頭、巖溶系統(tǒng)和裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的地方有顯著提高[4,27,74,83]。在活躍的構(gòu)造環(huán)境中，活動(dòng)斷裂影響著水熱循環(huán)，基底沉降、重力塌陷在一定程度上會(huì)促進(jìn)和控制鈣華裂隙的發(fā)育，從而改善斷層的滲透率[86-87]。

在國內(nèi)，學(xué)者普遍認(rèn)為鈣華作為縫洞化學(xué)充填物，基本不具有儲滲能力，難以構(gòu)成有效儲集空間[88]。縫洞充填方解石可將縫洞儲層完全封閉，導(dǎo)致連通洞穴隔絕，對儲層作用是破壞性的[89-90]。然而少數(shù)學(xué)者如牛永斌等[15]、鐘建華等[45]、Zhonget al.[84]、毛毳等[85]在研究塔北奧陶系含油古溶洞時(shí)則發(fā)現(xiàn)鈣華沉積，疏松多孔，局部見油氣充注或過油現(xiàn)象（圖9）；汪智軍等[6]也證實(shí)大氣成因的鈣華中的動(dòng)植物殘?bào)w在被埋藏后快速分解，從而形成大量生物成因的孔隙。

圖9 鈣華樣品及鏡下特征[85]晶簇狀含油鈣華（新疆塔北）：（a）截面；（b）鈣華孔隙，單偏光，50×（據(jù)毛毳等[85]）；（c）溶蝕孔，單偏光，50×；（d）油類充注，單偏光，100×；包殼狀鈣華（新疆柯坪硫磺溝）：（e）鈣華樣品；（f）鈣華及晶間縫，正交光，50×；（g）溶孔鈣華膠結(jié)及殘余孔，單偏光，50×；（h）晶間縫及油類充注，單偏光，100×（據(jù)毛毳等[85]）Fig.9 Travertine samples and microscopic characteristics[85]crystalline clusters of an oil-bearing travertine (Tabei,Xinjiang):(a)travertine section;(b)travertine pore,plane-polarized light,50×(after Mao et al.[85]);(c)erosion pore,plane-polarized light,50×;(d)oil filling,plane-polarized light,100×.encrusted travertine(Liuhuanggou,Keping,Xinjiang)(e)travertine samples;(f)intercrystalline calcination,orthogonal light,50×;(g)dissolution pore travertine cementation and residual pore,plane-polarized light,50×;(h)intergranular joints and oil filling,plane-polarized light,100×(after Mao et al.[85])

通過對新疆塔北地區(qū)鈣華沉積體的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鈣華內(nèi)部的儲集空間多為裂縫及溶蝕孔隙（圖10）。對該地區(qū)鈣華沉積物進(jìn)行孔滲測試后得到孔隙度分布在3.1%～32.2%之間，主要集中在2%～10%之間，均值為8.03%；滲透率從0.10×10-3μm2到113×10-3μm2不等，均值為22.24×10-3μm2，集中分布在（1～20）×10-3μm2區(qū)間內(nèi)，滲透率較好（表2）。由于鈣華中的小裂隙、晶間孔、縫非常發(fā)育，良好的孔滲特征使其具備了很好的儲集能力。并且在新疆的硫磺溝和五道班的古溶洞中常見此類的黃褐色和黑色古鈣華，具有硫化氫和瀝青氣味，含有油質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)，基于上述現(xiàn)象認(rèn)為鈣華可以做為碳酸鹽巖油藏的潛力儲層。然而在塔河油田巖心中，溶洞中少見鈣華，而是常被結(jié)晶方解石充填，受成巖作用的影響儲集物性整體較差。因此，鈣華雖具有一定的油氣儲集意義，但其沉積體形成大型油氣儲集的能力有限。

表2 新疆塔北鈣華孔滲數(shù)據(jù)表Table 2 Data sheet of travertine porosity and permeability in Tabei,Xinjiang

圖10 新疆塔北鈣華鏡下孔隙特征[82]（a）黃色含油鈣華內(nèi)部孔隙，SEM，350×；（b）黃色含油鈣華內(nèi)部孔隙，SEM，280×；（c）黑色含油鈣華，裂縫及溶蝕孔，SEM，173×；（d）黑色含油鈣華，溶蝕孔，SEM，285×Fig.10 Microscopic pore characteristics of the travertine in Tabei,Xinjiang[82](a) yellow oil-bearing travertine internal pore,SEM,350×;(b) yellow oil-bearing travertine internal pore,SEM,280×;(c) black oily travertine,cracks and dissolution pores,SEM,173×;(d)black oily travertine,dissolution pores,SEM,285×

5 結(jié)論

（1）在以氣候和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為主的控制下，水體性質(zhì)、生物活動(dòng)及斷裂系統(tǒng)也發(fā)生著相應(yīng)變化，進(jìn)而影響到鈣華沉積時(shí)的速率和分布，也使得鈣華沉積體在顏色、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)出明顯的差異性。總體而言，塔北五道班和硫磺溝，鈣華表現(xiàn)出以黑灰色或淺黃色紋層狀為主的沉積特征，多在溫暖潮濕的氣候環(huán)境中，沉積于斜坡環(huán)境中并伴有快速的相變化，同一地區(qū)的鈣華生成不拘于同一沉積模式，沉積速率的變化使鈣華展現(xiàn)出致密與疏松交互的紋層特征，指示了不同的古氣候條件；另外，母巖富含碳酸氫鹽的熱液流體在相互連通的裂縫和斷裂帶處所形成的鈣華沉積體，可以推測斷裂活動(dòng)期及活動(dòng)強(qiáng)弱。

（2）鈣華具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，滲透率也較高，廣泛發(fā)育在巖溶地區(qū)。特別是在新疆塔北地區(qū)，鈣華作為一種充填物充填在縫洞型碳酸鹽巖儲集層中，裂縫及溶洞充填物里所發(fā)育的殘余粒間孔、溶蝕孔為油氣的儲集提供了相對充裕的空間，且含油顯示良好。這對于從精細(xì)角度研究縫洞型碳酸鹽巖成儲控儲機(jī)理及油氣資源評價(jià)具有一定的參考價(jià)值。

致謝 感謝在論文寫作過程中老師的指導(dǎo)、同窗和沉積學(xué)報(bào)兩位編輯的幫助以及審稿專家所給予的意見與建議！