0 引言
多层圈有机—无机相互作用是指盆地基底以下深部圈层来源的深部流体/熔体物质迁移到盆地内部并与盆内围岩或流体发生的有机—无机物理化学作用［1］。在全球范围内，板块俯冲、岩浆火山作用、深大断裂发育等深部地质作用都会触发壳幔深部流体/熔体物质源源不断地向浅表盆地传输，这些深部流体/熔体携带大量深部物质和能量，通过有机—无机相互作用影响盆地内部多种矿产资源的形成和富集。
SHERWOOD等［2］首次在加拿大结晶地盾发现无机非生物烷烃气，SEEWALD［3］证实了在无机元素参与下石油的形成。基于深部流体作为深部物质和能量的载体，2004年JIN等［4］从圈层相互作用的视角首次提出了壳幔有机—无机相互作用复合生烃理论，并指出深部流体对盆内油气资源形成和聚集施加了显著影响。2012年中国石油将油气深部补偿作为石油勘探十大重大科技进展之一，表明地球深部流体及有机—无机相互作用对沉积盆地油气成藏的响应已经引起了高度关注。近年来，众多学者主要从有机—无机相互作用对烃源岩的“优源”作用、有机质生烃的“增烃”作用、储层发育的“成储”作用和油气成藏的“促聚”作用几个角度出发详细探讨了地球深部流体传输至浅层含油气盆地及地表过程中发生的一系列有机—无机相互作用及油气成藏机理［1，5-10］。与此同时，地球深部地质作用过程向盆地输入了大量的非生物气体，如氢气、氦气、二氧化碳等。其中氢气被认为是一种极好的零碳清洁能源，其在能源转型中发挥重要作用［11-12］。从成因上来讲，地质体中的氢气常与深部幔源富氢流体和水岩反应相关［13-14］。根据玄武岩中橄榄石和辉石斑晶的热释气体组分和含量，估算渤海湾盆地东营—惠民凹陷幔源火成—岩浆活动能向该凹陷输入约44.1×109 m3的氢气［15］。壳—幔相互作用及地壳深部地质过程与浅部成矿也有联系。如深部热流体在煤的形成和热演化及煤成油、煤成气的过程中发挥重要作用。同时盆内自身有机物质（有机质、油气）对盆地浅层产出的砂岩型铀矿、密西西比型（MVT）铅锌矿、砂岩型铜矿等金属矿床的形成和改造也有重要意义［16-17］。此外，深部流体的温度一般高于地层温度，其上涌的热效应可以直接影响地热资源（干热岩）的形成。
由此可见，来自地球深部圈层的流体/熔体物质及其发生的有机—无机相互作用对盆地多种能源、矿产资源的形成与潜力具有广泛影响。本文在前人研究基础上，着重探讨地球多层圈有机—无机相互作用的内涵，阐明地球多层圈有机—无机相互作用以及热效应对多种能源和矿产资源形成、富集的影响机理，以期为各类资源勘探提供借鉴。
1 地球多层圈有机—无机相互作用内涵
现代地球系统科学的理念中，多层圈相互作用是核心［18］。在地球系统演化影响下，地球各个圈层（地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈及生物圈等）成为彼此相互联系、相互作用的整体［19］。华北克拉通破坏、深部碳循环均是以板块活动过程中固体块体和流体/熔体在不同圈层中的迁移和相互作用为核心思想，探讨地球系统演变过程［20-21］。自地球形成开始，地球各圈层之间便发生广泛的相互作用，尤其是地幔柱活动、板块俯冲、深大断裂发育等深部地质作用，触发广泛的岩浆火山熔体物质和深部流体的活动。如自中—新生代以来，太平洋板块向西俯冲至华北板块之下，在大地幔楔作用及俯冲后撤作用的影响下［22］，浅表圈层持续的拉张作用促使岩浆火山活动和华北克拉通板块的破坏［20］；同时，地壳厚度和岩石圈厚度减薄，导致东部众多裂谷盆地的形成（图1）。在这一过程中，发生了活跃的深部流体活动。深部流体/熔体物质进入沉积盆地，带来大量热量的同时引起盆内发生有机—无机相互作用，影响了多种资源的形成和富集。
2 地球多层圈有机—无机相互作用的资源效应
2.1 油气资源
地球深部圈层的流体/熔体物质向浅部盆地传输循环的过程中，携带大量的生命营养元素、C/H/N等活跃挥发组分，同时携带大量的热能，通过一系列有机—无机相互作用影响盆地中的油气资源形成与富集，主要包括促使富有机质烃源岩的发育，促进生烃过程，影响储层发育和油气聚集成藏等。
2.1.1 有机—无机相互作用对富有机质烃源岩的影响
在地质历史时期，无论是海洋还是陆地都有广泛的岩浆火山活动，同时会触发广泛的深部流体活动。深部流体携带了大量NO3 -、PO4 3-、NH4 +等营养盐类，CH4、CO2、H2、NH3等热液气体和Fe、Mn、Zn、Co、Cu等微量金属元素以及来自地球内部的古细菌、嗜热细菌等微生物。这些来自地球深部的无机成因物质参与到富有机质烃源岩的形成过程，其中发生的有机—无机相互作用可以有效提高有机质富集程度，即“优源”作用。“优源”作用主要是通过提高海洋或湖泊中生物有机质的初级生产力和形成有利于有机质保存的古沉积环境2个方面影响有机质富集［1］。
在提高有机质生产力方面，深部流体在上涌喷发过程中释放的C、N、Si、Fe等营养物质和Zn、Mn、Ni、V等重要微量金属元素，是有机生物生长繁育所必需的。它们在浮游植物光合作用、呼吸作用、蛋白质合成等新陈代谢过程中具有不可替代的作用。火山物质进入到湖泊和海洋等水体中，诸多无机元素的加入会促使水体中生物的勃发或死亡，进而影响古生产力［30］。来自地球内部、随热液喷发至地表的古细菌、嗜热细菌等微生物，在提高大洋初级生产力、富集有机质及促进海底水—岩反应发生和营养元素释放等过程中也具有积极意义［31-32］。深部流体的注入，为水生生物的生长提供了必需的生命元素和营养物质，为提高水体初级生产力提供了重要的物质基础［33］。如我国鄂尔多斯盆地延长组7段页岩层系中发育丰富的火山凝灰岩，研究发现火山活动之后，紧邻火山灰层之上的样品有机质丰度都明显改善且有机质纹层加厚，连续性变好，这可能与火山灰沉降之后水解释放营养元素导致初级生产力显著提高有关（图2）［34］。中国华南地区早三叠世火山活动强度与蓝藻水华规模性沉积的时空一致性也揭示了火山活动对生物生命繁盛起到了促进作用［35］。
深部流体，包括地壳和地幔来源的岩浆和热液流体，对海相、陆相沉积环境中有机质保存均具有一定积极意义。一方面，大规模的岩浆及热液喷发，向大气和海洋输送了大量的CO2，引发了温室效应，造成如白垩纪中期的大洋缺氧（OAE）等事件的发生，大规模的生物灭绝为有机质高效埋藏创造了条件［36］；另一方面，热液喷发释放的CO2与水体的Ca2+、Mg2+等结合，形成碳酸盐类，增加水体盐度，促进水体分层和海水循环静止，为有机质富集创造有利的水动力条件和氧化还原条件［31］。此外，火山喷发和深部流体喷涌还可以为海水水体输送额外的硫（硫酸盐、SO2、H2S等），影响BSR过程，改变了水体氧化还原条件，逐步使水体进入硫化分层的静水环境，有机质处于良好的保存条件，最终影响了富有机质烃源的形成和发育［1，5］。
相关研究表明震旦系火山和热液活动以及相关的有机—无机相互作用导致了陡山沱组和灯影组优质烃源岩的形成［37］。富含火山灰的页岩中，Ba、V、Cr、Ni、Zn、Zr、Co、Rb、Pb、REE等微量元素浓度较高，Eu正异常，总有机碳含量相对较高，表明火山活动和相关热液活动促进了生物的大量繁殖（图3）。另外，火山喷发导致海底水处于厌氧硫化状态。表层海水中的有机质进入底层厌氧硫化海水后，大量保存在泥页岩沉积物中，形成富含有机质的优质烃源岩（图3）［37］。所以，在有机质形成富集的过程中，“保存论”与“生产力论”并非非此即彼的矛盾论，而是可以相辅相成、共同作用的2种重要机制。深部流体通过创造有利的水体沉积环境，提供丰富的营养盐类、微量金属元素和微生物等物质，实现了沉积盆地的“优源”效应［1，31］。
2.1.2 有机—无机相互作用对生烃的影响
随着含油气系统有机—无机相互作用理论的提出和发展，有关有机质生烃演化过程中无机环境的作用机制被众多学者关注，如金属元素催化生烃、深源氢提高产烃率等［3，38-39］。氢是生烃过程中最重要的限制性因素［40-41］。有机质生烃是一个富碳贫氢的过程，随着热演化程度的增加和生烃过程的进行，自身氢的不足会逐渐使生烃过程终止。深部富氢流体的加入，为高成熟度烃源岩再活化生烃提供了充裕外源氢，既突破了传统生烃模型关于产烃率与生烃终止深度的认识，也增加了盆地油气资源潜力［3］。氢元素参与了有机质的热裂解过程，在油气形成中起到了促进作用［42-43］。JIN等［4］通过封闭体系泥岩（Ⅱ型干酪根）和煤（Ⅲ型干酪根）加气态H2和H2O进行生烃模拟实验表明，加H2后煤和泥岩的生烃率均显著增加，其中泥岩的生烃率提高140%以上。来自华北地区下花园剖面的中元古界下马岭组泥质烃源岩中的低成熟干酪根和塔里木盆地东二沟剖面下寒武统玉尔吐斯组泥质烃源岩中的高成熟度干酪根加氢热模拟实验表明，干酪根加氢后气态烃产率、甲烷产率分别明显比对照组增大3.16~3.24倍和1.8~2.1倍［5］（图4）。吴嘉等［40］认为有机—无机相互作用的潜在生烃机理表明沉积盆地的外源氢可以参与沉积有机质的生烃过程。同时建立了有机—无机复合生烃作用模式，主要分为加氢脱烷基、加氢脱甲基—开环和费托合成3个阶段（图5）。深部流体除了含有外源氢外，还携带了大量金属元素。前人［44-45］研究不仅在石油中发现了多金属硫化物，还揭示了金属元素催化液态烃向天然气的转化机制，证实了金属元素参与了油气的形成。从烃类的亚稳态平衡角度出发，金属元素能有效介导并降低各类化学键的活化能，延长还原过程的持续时间，使干酪根、水、石油、CO2等物质之间的亚稳态平衡被延迟，在一定程度上扩大了“生油窗”，促进高氧化程度的有机碳生成更多的烃类产物［3］。
深部流体活动及有机无机相互作用除了对有机质生烃影响外，还可以直接向盆地中输入无机烷烃气。费托合成反应是重要的形成机制［46-47］。洋中脊、俯冲带等高温高压环境是费托合成非生物碳氢资源的加工厂，地球深部碳氢挥发份物质的循环对地质时间尺度地表碳氢资源的形成演化具有重要影响［48］。深部俯冲带碳氢加工厂效应、深部地幔岩浆中碳氢挥发份的释放等使深部流体在向浅部地层运移过程中输送大量的非生物CH4等，为浅表盆地海量非生物CH4等资源富集奠定基础［48-50］。东太平洋21°N处中脊喷出的热液中含有CH4、H2和He，其δ13C1值为-17.6‰~-15‰，R/Ra值约为8，表明这些气体为典型幔源成因［51］。中国东部沿着郯庐断裂的松辽、渤海湾、苏北等众多盆地中都见到一定含量的非生物CH4的产出［52-55］。其中，关于松辽盆地庆深气田的烷烃气成因一直处于争议。较重的δ13C1和烷烃碳同位素“倒转”现象被用来指示非生物成因烷烃气［56-57］。甲烷团簇同位素获取的温度与岩浆气不符被用来否定非生物成因烷烃气［58］。费托合成的甲烷具有广泛的碳氢同位素组成，它可能与热成因甲烷重叠［59］。然而，幔源气体存在于深部流体活跃区域是必然的，包括由CO2/CO和H2通过费托合成形成的CH4等非生物烷烃气体。
深部的热流体活动除了释放挥发份物质之外，还传导了大量热量加快了沉积盆地内有机质的受热速率，促进了烃类的生成［44，60-61］。虽然这一过程不涉及有机—无机相互作用，但地球深部物质进入盆地往往伴随热量交换，这是地球层圈相互作用过程中不可忽视的效应，故来自地球深部的热量对盆内有机质生烃演化的影响也应当被探讨。有机质演化生烃受控于地下温压场条件的影响［62］。在漫长的地质历史中，尽管深部热流体活动引起的增温在空间范围和持续时间上是有限的，但它们对有机质生烃的影响比对盆地岩石变质作用的影响更显著［7］。前人［61］在近代沉积物中检测到了海底热液喷口对周缘有机物加热快速形成的石油物质，这种热液石油具有较年轻的地质年龄（<5 000年），表明深部流体影响下的有机物质在较短的时间里就完成了从有机质到石油烃的转变。深部流体上涌所带来的热量会使烃源岩的产油窗口深度范围变窄，加速烃源岩的成熟演化，过早形成油藏［7］。另外，深部流体可能导致地层超压形成，促进烃源岩中油气排出向储层聚集成藏。在印度尼西亚Java东北部、西班牙Basque-Cantabrian盆地、阿根廷Neuquén盆地以及我国的渤海湾盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等都发现岩浆活动对碳氢化合物生成和聚集产生了影响［63-69］。
2.1.3 有机—无机相互作用对储层发育的影响
深部流体在从地球深部进入浅部地层过程中，其温度、压力和成分与所接触的围岩地层有显著差异。深部流体的参与使地层流体具有更好的温压条件和更富含CO2、CO3 2-、Ca2+、Mg2+、Si等活跃组分，从而发生广泛的有机—无机相互作用而打破原始地层流体与岩石的物理化学平衡。
对于碳酸盐岩储层，深部热液流体主要是使碳酸盐发生溶蚀、白云石化、硅化等作用，促进次生溶蚀孔隙、晶间孔隙等有效储集空间的发育而增大孔隙度和渗透率，在深层/超深层优质碳酸盐岩储层储集油气发挥重要的作用［70-71］。深部流体可以从岩浆侵入体中通过水岩反应获得一定数量的Mg2+，并沿断裂裂缝体系促使碳酸盐岩发生热液白云岩化［72-75］。热液白云岩储层在北美、中东等地区古生界油气勘探中占据着重要地位。中国四川盆地在震旦系灯影组、寒武系龙王庙组、二叠系茅口组等层位中都发育有深部流体溶蚀改造型白云岩储层［73，75-78］。塔里木盆地在深层—超深层寒武系和奥陶系中也存在深部流体溶蚀改造形成优质碳酸盐岩储层的现象。特别是塔深1井在埋深7 000~8 400 m发现了多层段的优质热液改造型白云岩储层，孔隙度逐渐增加至9.1%，证实了在高温高压的深层—超深层区域存在有效储集空间发育和保持的能力［79］。因此，在深部热液溶蚀改造作用下，深层碳酸盐岩储层具有持续向深部拓展的潜力，使深部仍发育优质白云岩储层（图6）。
2.1.4 有机—无机相互作用对油气聚集成藏的影响
来自地球深部的热液流体除了为盆地带来C、H等挥发份外，其所携带的热量作用于油气藏会产生热蚀变，使原油物理化学性质发生改变。特别是当热液流体侵入已经被油气充注成藏的圈闭时，瞬时热效应使原油产生歧化反应，一方面导致原油裂解成气态烃，另一方面产生黑色的固体残留物——热解沥青［7］。同时，热液流体产生的热量还会影响油气相态和PVT性质。另外，热液流体如岩浆侵入作用产生的断层或侵入油气藏的火山岩会影响储层孔渗条件或盖层封闭性，破坏油气圈闭的完整性，造成油气泄漏。
沿深大断裂从深部向浅部盆地运移的CO2在地下往往处于超临界状态，其性质与有机溶剂相似，且具有高扩散率、低黏度和弱表面张力的属性，可以溶解萃取有机组分［89-90］。来自深部流体的超临界CO2对液态烃进行萃取时会优先萃取小分子量烃类组分，并携带这些轻质组分运移至浅部聚集成藏。在苏北盆地黄桥气田龙潭组砂岩裂缝中发现CO2与油共生的包裹体证明了超临界CO2对原油萃取作用的存在，并形成天然CO2—油耦合油气藏［91］。此外，CO2对油气的驱替和置换作用也不可忽视。对于常规油气来讲，由于超临界CO2密度较低，地下连续的CO2充注进入油气圈闭会在浮力作用下将原始油气驱替排出至浅部适当位置二次成藏。我国南海北部盆地油气田存在CO2充注驱替现象，并导致原始油气藏中油气的再分配和重新组合［92］。对于非常规页岩气储层来讲，超临界CO2相比于CH4更容易吸附于泥页岩孔隙表面，CO2会置换部分CH4使其解吸，从而改变泥页岩储层中气体赋存状态［93］。
2.2 天然氢气
地质体中天然氢赋存状态可分为游离态、吸附态、溶解态、固态氢化物以及包裹体中的氢［95］。根据构造背景差异可以将天然氢气分布区总结为两大类：以洋中脊、板块汇聚边缘蛇绿岩带、岩浆及温泉活动区为代表的构造活动带和以前寒武纪大陆基底为代表的构造稳定区。天然氢在全球各地均有发现。在阿曼Bahla地区发现的与蛇纹石相关的游离氢渗漏出地面，浓度可达81%~97%［96］。在1982—1987年，美国得克萨斯州大陆裂谷系统附近的2口井生产的气体中氢气平均含量为29%~37%［97］。许多天然游离氢的发现与前寒武纪岩石相关，如在澳大利亚Minlaton地区一口钻入前寒武系变质岩中的井产出了浓度高达84%的氢气［98-99］。俄罗斯乌拉尔超深井中，在火山凝灰岩和基底裂缝带中产出了至少50%与火成岩相关的氢气［100］。此外，火山气体中也会含有氢气，如美国Augustine火山喷发气体中氢气含量达51.5%［101］。在地震和火山事件发生数个小时后，土壤中的氢气浓度有所增加也说明了火山气体中氢气的存在。在中国即墨、冰岛（Nesjavellir、Torfajokull、Namafjall等区域）和日本的热液系统（温泉）中也能够检测到高含量氢气［102-103］。在南非和俄罗斯，与金属矿开采相关的高含量氢气也被大量报道，如南非St. Helena金矿中产出了50%的氢气［104］。此外，在沉积盆地的沉积岩和石油天然气田中也常发现氢气的存在，并且备受关注。如西非马里Gazbongou-1井持续产出气体中氢气浓度可达98%［105］；俄罗斯Moiseevskaya油田2号井在埋深2 576~2 589 m产出了浓度为11%的氢气［106］；哈萨克斯坦SG-2超深钻井在埋深5 475~5 500 m的三叠纪沉积物中产出浓度为13.8%~28.1%的氢气［107］。
（1）蛇纹石化反应。蛇纹石化是一种以超基性岩和水反应形成蛇纹岩和氢气的变质过程。其本质是基性—超基性岩石中含Fe2+的矿物（如橄榄石和辉石）在气液交代作用下形成各种蛇纹石的过程［式（1） ］［95］。
6[(Mg1.5FeO5)SiO4]+7H2O=3[Mg3Si2O5(OH)4]+
Fe3O4+H2
蛇纹石化反应生成氢气已经在实验室中得到证实［109］。蛇纹石化产生H2的过程常发生在大洋中脊、板块俯冲带等构造活跃区域［110］。在大洋中脊构造位置处，蛇纹石化生成H2是深部地幔圈层超基性岩迁移至浅部与浅部圈层的海水相互作用的结果［111］；在板块俯冲构造位置处，是浅部圈层的水被携带至深部地幔圈层与超基性岩相互作用的结果［112-113］。蛇纹石化反应对于沉积盆地中的天然氢气形成至关重要。一方面，蛇纹石化可以在广泛的温度和压力条件下发生，从浅地表的热液温泉（30~100 ℃，约0.1 MPa），到洋底热液喷口（约300 ℃，约50 MPa），乃至上地幔环境（约600 ℃，约6 GPa）。所以在构造活跃的沉积盆地中，持续的岩浆活动所形成的大规模基性—超基性侵入岩在适当的温压以及地层水条件下能够发生低温蛇纹石化反应生成氢气［114-115］。另一方面，在板块俯冲带附近，浅部圈层的水与深部地幔圈层的超基性岩发生蛇纹石化反应生成氢气，然后在断裂输导体系的输送下进入沉积盆地中并在合适位置富集。与沉积盆地内天然氢气相关的蛇纹石化反应发生受控于温压条件演化、地层水条件、板块俯冲、断裂活动等因素。上述2个过程也决定了并非所有沉积盆地都具有蛇纹石化产生的天然氢气。受西太平洋板块俯冲影响较大的构造活跃的中国东部沉积盆地可能是此种成因天然氢气的主要生成区域，如渤海湾盆地、松辽盆地等。
（2）水的辐射分解。地壳中含有的大量放射性元素，如铀、钍和钾，放射性衰变时释放α、β和γ射线，产生的能量将水分子分解为氧气和氢气。这种反应通常发生在铀、钍和钾浓度较高的结晶基底环境中［116］。
美国大陆裂谷Kansas盆地具有丰富的氢资源，产层为前寒武纪基底火山岩、石炭系密西西比系砂岩，已经被连续开采近40年［120］。2008年Sue Duroche#2井在前寒武纪基底中产出的气体中H2含量达91.8%［120］。从盆地构造形态和地层来看，Kansas盆地的氢气可能有多种来源，包括前寒武纪基底火成岩和变质岩释放α、β和γ射线造成地层水分解形成氢气、被强烈蛇纹石化的铁镁质岩生成氢气和地幔释放氢气延金伯利岩侵入体进入盆地［97，120-121］。其中地幔脱气来源的可能性已经被低同位素温度所否定［97］。整体来看，Kansas盆地基底氢气产出量大、供应连续，在水动力的作用下经过短距离运移至构造高点，且存在致密岩层和含水层的双重封闭条件，供给量大于散失量而形成天然氢气聚集（图7）。
深部与浅部不同层圈物质相互作用产生的氢气会随着岩浆火山活动、深大断裂发育等深部地质作用过程由深部向浅部运移，并在盆地地层圈闭中富集成藏。地层对天然氢气的封闭能力是决定氢气能否在地下大规模聚集的关键因素，对于勘探开发天然氢气藏起着至关重要的作用。氢气分子具有尺寸小、质量轻、活性强、易扩散的特点，研究人员在全球范围内频繁发现天然氢气在地表的渗漏现象，这说明氢气在沉积盆地中聚集条件极为苛刻。中国东部含油气盆地部分天然气藏中含有一定量的氢气，例如渤海湾盆地济阳坳陷不同地区天然气藏中普遍含有微量的氢气，含量介于0.000 7%~0.013 6%之间［122］；苏北盆地黄桥气田二叠系天然气藏中氢气含量为0.01%~4.262%［91］；位于松辽盆地的松科2井钻探过程中在下白垩统登娄库组和营城组及基底岩石中发现大段连续的氢气气测异常，气样中氢气含量介于10.38%~26.89%之间［123］。目前，针对沉积盆地中天然氢气富集规律的研究几乎处于空白，沉积盆地演化过程中天然氢气的生成机制、运移方式、保存条件及资源评价是天然氢气研究的关键。
2.3 地热资源
地热能作为可再生能源之一，具有资源潜力大、碳排放低、分布广泛、易于开发等优点［124］。跨圈层的深部流体活动（尤其是火山活动和岩浆）所带来的热量效应对表层地热资源的影响是直接的。
大地热流具有地壳热流和地幔热流2种成因［128］。强烈的火山活动及其产生的岩浆热效应（岩浆室）为火山及邻区大规模地热异常与干热岩的产出奠定了必要条件［129］，如中国东北五大连池火山群、长白山等强烈火山活动区。地壳内部分熔融体也可以成为地热资源的热源，美国Geysers干热岩试验场和青藏高原东北缘的共和盆地恰卜恰干热岩场地为该类热源的典型代表［128］。岩浆活动的强度、时间、深度、侵入方式等影响岩浆热源的热量贡献，从而控制地热资源的分布。此外，地球深部地幔物质上涌造成岩石圈减薄或者沿深大断裂运移至浅层过程中会伴随深部热量传递效应，从而形成高大地热流值背景，这也是造成法国Soultz场地高热流值的原因［130］。Soultz项目是沉积盆地典型的增强地热系统案例（图9）。在拉张作用背景下，地壳伸展、减薄，深部地幔通过热传导加热地壳。深部流体沿深大断裂上涌进一步促进了深部热量对浅部地层的影响。盆地内断层为地热水提供了良好的运移通道，使其汇聚于裂谷中心。上覆的砂泥岩沉积层阻止了热量散失，起到了保温隔热的作用。由此可见，地球层圈相互作用过程中深层向浅层的能量传输对地热资源的形成具有直接影响。
我国大地热流整体上呈现东高、中低、西南高、西北低的变化特征［图10（a）］［134］。地热构造主要分布在板块碰撞带、活动断裂带、裂谷和坳陷盆地等构造活跃区［135］。东西部地热资源差异较为显著，这主要与板块构造俯冲和挤压引起岩石圈、地壳厚度变化以及伴随的深部流体活动相关。西南部处于地中海—喜马拉雅陆陆碰撞型板缘地热带，在印度板块挤压下地壳增厚，壳源释热形成了极高的大地热流值，地热资源丰富［图10（b）］。该处的滇藏川地热带是我国热流值最高的区域，局部热流值高达300 mW/m2。羊八井地热田、恰卜恰地热区、康定温泉均位于此。中北部构造较为稳定，地壳和岩石圈厚度正常，部分区域存在火山活动，壳幔热流贡献较低，热流值较低（约60 mW/m2）。东部受西太平洋板块俯冲和挤压作用，软流圈拱起，地壳减薄，构造活动强烈，深部流体活动频繁，热流值较高（60~100 mW/m2），地热资源丰富（图10）。处于板块交界带的中国台湾地区、东北新生代火山活动区（五大连池、长白山、镜泊湖）、郯庐断裂带附近（渤海湾盆地、松辽盆地、苏北盆地）等区域是东部地热资源前景区［126，136-137］。
图10 中国陆区现今热流与大地构造背景关系（a）以及中国西南部（b）、中—北部（c）、东部（d）的岩石圈热结构及其构造背景（修改自文献［134］） Fig.10 Relationship between present-day heat flow and geotectonic background in Chinese continent （a）， and represent the lithospheric thermal structure and its tectonic background in southwestern（b）， north-central（c）， and eastern（d） China（modified from Ref.［134］） |
2.4 固体矿产资源
2.4.1 砂岩型铀矿
世界上已知的1 880个铀矿床中，有900个属于砂岩型铀矿，占铀矿床总量的50%左右［142-143］。同一盆地内赋存多种矿产资源（铀矿、煤矿、石油和天然气）的现象在世界范围内普遍存在，这表明铀矿的形成在成因上与富有机质泥页岩、油气、煤炭相关［141-143］。富含有机质的沉积物中往往铀浓度较高和铀矿沉积中常含有一定量的碳氢化合物等现象似乎也暗示了这一联系［144-145］。对沉积盆地沉积地层中铀矿的形成来说，其铀来自盆地基底之下的富铀地质体，如酸性岩浆岩和酸性火山岩等，随氧化性流体迁移进入盆地还原性的富有机质泥页岩中还原并富集成矿，或者进入盆地多孔砂岩储层中之后，在还原性的有机/油气流体作用下还原并富集成矿（图11）［144］。沉积型铀矿成矿过程是不同层圈物质与流体之间有机—无机相互作用的结果。
首先，生物作用可以将铀还原沉淀。通常还原性细菌的代谢活动在使硫酸盐还原的过程中，可以间接或直接地使来自火山岩的U6+发生还原并沉淀成矿。间接还原过程是还原性细菌使硫酸根还原成为H2S再进一步还原铀［147-149］，此过程中也能产生金属硫化物，其中的Fe2+有利于铀的还原和沉淀［140］。直接还原过程是还原性细菌在新陈代谢过程中直接利用电子转移使铀还原［149-150］。在鄂尔多斯盆地东胜铀矿中，硫酸盐还原菌在消耗碳氢化合物的同时，将硫酸盐还原为硫化物，同时直接将U6+还原为不溶性U4+而沉淀成为铀矿石［151］。黄铁矿硫同位素、有机分子标志化合物、铀矿与油气共生的数据资料表明了硫酸盐还原菌作用下铀还原沉淀成矿过程［152］。在中国西北部的一些含层间氧化带的砂岩铀矿中，微生物还原作用对铀的还原沉淀也起到了重要的作用［153-154］。
其次，有机/含烃流体对来自火山岩的U6+还原成矿有重要的影响。砂岩型铀矿通常位于油气藏上部，这种上下叠置关系表明了有机碳氢化合物对铀矿形成的控制作用。地层流体从盆地基底之下的酸性火山岩中淋滤出U6+，随流体携带进入多孔砂岩中。同时，油气或含烃有机流体通过裂缝或者不整合面运移至含铀砂岩地层，并在压力作用下在砂岩体内横向迁移［155］。当含烃流体遇到含铀流体时可以使其还原沉淀而形成铀矿。有机流体成分以烃类、有机酸等为主，其强还原性使得上述过程得以实现（图11）［155］，当然此过程中往往也会有前文所论述的微生物的参与。常见的砂岩铀矿往往与沥青相伴生，是有机质/微生物作用还原铀，同时有机质发生氧化降解成为沥青的过程。
2.4.2 煤矿
煤的经济价值很大，被称为可燃生物矿产。我国煤炭资源非常丰富，是世界上产煤大国之一。来自深部圈层的深部流体/熔体物质活动（尤其是岩浆、火山活动）对煤的形成和演化有重要影响（图12）。
植物的大量繁殖是成煤的先决条件。岩浆活动以及相关深部流体活动可以携带地球深部圈层物质至地球表层，释放大量的C、N、Si、Fe等营养物质和Zn、Mn、Ni、V等重要的微量金属元素［1］。这些跨圈层而来的地球深部无机元素为地球表层有机生命活动提供了必要的生命元素和营养物质，提高了水体初级生产力，促进生物大量繁殖［33］。例如，氮元素是植物体中蛋白质和叶绿素的重要组成元素，可以促进植物细胞的分裂增长［158-159］；铁元素是植物生长的重要限制因素，在植物光合作用、呼吸作用、碳的固定、氮的吸收利用以及蛋白质、叶绿素的合成等生命过程中均有重要影响［5，160］。当火山活动停止时，在低洼地区形成广泛的汇水区，并且不受陆源碎屑影响，大量植物发育于此。来自地球深部的众多微量元素为植物大量繁育提供了营养条件，高等植物在汇水区生长繁盛，为区域性厚煤层提供物质来源［161］。此外，火山喷发在地表形成的火山碎屑岩会影响煤系的形成。主要表现为煤层以火山碎屑岩为底板，煤层的厚度、结构和稳定性变化大，成煤环境比较容易被火山沉降物破坏，火山间歇期长短决定了煤层厚度［162-163］。如北京地区窑坡组煤层便是在受岩浆喷发出的火山碎屑沉降导致湖泊水体变浅情况下在浅处形成的［163］。
3 结论与展望
众多研究和勘探实践表明，地球多层圈有机—无机相互作用对地壳表层多类型资源的形成、演化有着重要影响。其可以通过影响富有机质烃源岩的形成、烃类的生成、储层发育和油气的聚集而控制油气的富集成藏，亦可通过物质输送和能量传递的方式显著影响氢气和地热资源的形成，也可以通过有机—无机相互作用对各类矿产资源（尤其是铀矿和煤矿）的形成与演化产生作用。深部流体/熔体物质传输循环背景下的地球多层圈有机—无机相互作用对能源与矿产资源影响的研究进一步突破了盆地范围限制，向地球系统多层圈相互作用领域拓展。未来针对各类资源的研究应当在地球系统的背景下围绕物质和能量传输、盆内和盆外两大方面展开探索。其中地球多层圈有机—无机相互作用下非生物烷烃气的工业聚集研究对于盆地天然气勘探拓展具有现实意义；多层圈有机—无机相互作用下天然富氢气藏的形成与富集机理、潜在勘探区评价研究对于未来能源转型、绿色发展和“碳达峰”、“碳中和”都具有长远意义。
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