第七章 流体地球化学

第七章 流体地球化学

第一节 地壳中的流体

一、流体的定义

我们采纳Fyfe(1978)[6]的建议，用流变学的术语，并从地质情况来进行考虑如果一个体系在应力或外力的作用下能发生流动或变形，并且与周围物质处于相对平衡，我们就把它叫作流体。换句话来说，当一个应力作用到一个物体上时，这个物体会改变它的大小、形状、组成和位置。

按照流变学的定义，流体是由应力和应望率所确定的。对于地球中的物体来说当一个压力作用到该物体时，根据其应变率的不同可以分为牛顿流体(图7．1曲线A)和非牛顿流体(图7．1曲线B)。为对比起见，也在图7．1中列出了固体的特征曲线(C和D)。

二、地球中的流体

流体对地球中的所有地质作用都是十分重要的，但流体在地球的地质过程中所起的

全部作用至今并不完全清楚。地壳中的流体的总质量，我们可以从以下数据中估计出来。现在的海洋质量为1.4×1024g，地壳的平均质量是2.3×l025g。如果我们假定地壳中的含水量与海水的质量相似的话，那么地壳中的含水量也是1.4×1024g，约占地壳总质量(1.4×1024/2.3×l025)的6％左右。大多数人的估计是地壳中流体的量约占总质量的3％-6％，如果占3％，则为6.9×1023g。地幅中流体的含量，有人认为约占地慢的0.03％，即为1.2×1024g与地壳中的含水量相当(地慢总质量为4×l027g)。海水、地壳中、地慢中流体的质量是十分相近的。现代板块的研究告诉我们，当板块俯冲时，把地表水带到了地下数公里，甚至数十公里的地方，这些水(至少是一部分)又通过循环回到了地表，其中另一部分可能在地下深处被固定在含水的矿物如滑石、金云母、角闪石以及其它相中。从上面的叙述我们可知海水(水圈)、地壳和地慢中的流体处于相对平衡状态，并且又是互相循环的。

地球中主要有以下几种流体：

1．岩浆：各种成分的岩浆，从酸性到超基性，以及碱性岩浆，主要是一种硅酸盐熔融体，含H2O一般＜5％。

2．以H2O为主的流体，包括：

(1)岩浆水

(2)变质水

(3)同生水

(4)海水

(5)卤水 、

(6)地表水

(7)地热水等

3．以碳氢化合物为主的流体：石油、天然气等。

4．存在于矿物和岩石中的挥发份，包括：

(1)H2O

(2)CO2 (3)卤素

(4)碳

(5)其它(如O2、H2、N2、H2S、惰性气体等)

5．受到应力作用而发生形变的矿物和岩石(从品格变形到大规模的岩石形变和位

以水为主的流体显然是最主要部分，尤其是岩浆水、变质水、同生水、卤水、地热水等是十分重要的，因为它们与成矿(或成矿流体)密切相关。

三、地壳的去流体作用——流体的形成

1．沉积物的“去流体”作用

沉积物逐渐被埋藏到一定厚度(或者说沉积到一定厚度)时，有一个上覆的压力存在。这个压力使得沉积物中最易移动的物质——流体，从沉积物中排出去，这样使得流体集中起来。比如页岩在压实作用之前大约由45％的水和55％的矿物碎屑组成，经压实作用之后，原来所含的水大约失去75％左右，剩下的25％则被封闭在页岩的孔隙中。

Magara(1978)[10]在总结沉积物脱水过程中水的移动情况时指出：

1．沉积岩的去水作用在沉积盆地的任何部分(浅处或深处，中心或四周)均可发生。

2．脱水过程中流体的移动方向，如果存在有一系列的沉积物的话(从砂岩至粘土)，是从页岩或粘土向砂岩中移动，或者是向盆地的可渗透的地层方向移动。

3.从沉积盆地本身来考虑，脱水过程中流体的移动方向是从盆地的中心部分向边缘部分移动，或者是从较深的部位向相对浅的部位移动。

4.移出水的量与沉积物的量成一定比例，并且常与地质事件相关连。

5.去水作用与压力有关。具体来说是与上覆负荷的压力和流体静压力有关，只有当上覆负荷的压力大于流体静压力时，这种去水作用方能发生。

6.去水作用也与沉积盆地的构造作用有关。例如当沉积物中有裂隙产生时，水很快沿裂隙排出。

沉积物压实作用与地下的物理化学条件、深度和孔隙库有关，其中压力(即上覆厚度)起了很大的作用，这时存在的压力主要有两个：静岩压力(Ps)和岩石中流体的压力(Pf)。在大多数情况下Ps＞Pf，这时压实作用进行得很好，如果Ps＝Pf，则压实作用处于平衡状态下，如果Pf稍大于Ps，则压实作用就很难进行了。

除了压力这个因素外，孔隙度也是反映压实作用情况的最有用的因素，因为当时的压力已很难测到，在压实过程中，孔隙度与深度成反比，图7.2表明孔隙度与深度的关

从上面的叙述中可知，在沉积物的压实成岩作用中要放出很多流体，这是地壳中流体的一个来源。

2．变质作用放出的流体

在变质作用中，原先固定在岩石中的挥发份因变质作用而得以释放出来形成变质流体。现举例如下：

这些变质反应，均可放出H20、C02等流体，而这些流体又与岩石、矿物起反应，从而形成新的变质矿物。关于这部分我们在后面详述。

3.岩浆作用所放出的热液

据研究，岩浆中最多大约含有5％-6％的H2O、CO2和其它挥发份。当岩浆上升，温度和压力也随之下降，这时它们所含的流体就会释放出来，这就是我们通常所说的岩浆热液。

在地壳中进行的三大地质作用：沉积作用、变质作用和岩浆作用，均可形成地壳中

的流体，根据目前我们所掌握的知识，显然从沉积作用所放出的流体最多，而且分布广泛。

4．海水、天水和地下水

水圈中的水(包括海水、天水和地下水)也是地壳中流体的重要来源，地壳中的水还与大气圈和生物圈处于相对平衡的状态。

5．构造作用对流体的影响

地壳中的流体并不是处于静止的状态，而是处在一个构造作用的环境中。近年来地质学的很大进展在于在大洋深处发现不少热泉、热点、黑烟囱和硫化物矿床。这些都是流体作用的地点和结果，板块构造作用不但解释了地壳的结构构造，同时也为地壳中流体在受到构造作用时所产生的迁移、循环和相互作用提供了理论依据。除了板块构造外，许多断裂和裂隙也是流体迁移的通道。例如在古老变质岩地区的剪切裂隙带(shearzone)是许多变质流体的通道，在许多沉积岩中，其层间常常是很好的流体通道，岩石的渗透率或孔隙度常是决定其流动的重要因素，我们常说的透水层或夹水层(不透水层)就包含着流体流动这个因素。

Fyfe(1978)[5]认为由于流体的流动所产生的流体压力也可以使岩石发生变形，产生各种弯曲的断裂甚至光滑的曲面。当这些断裂形成之后，流体又可以沿这些裂隙发生移动。

四、地壳中流体的分类

地壳中的流体可按其化学成分、产状及成因分类。

1．化学成分分类

地壳中流体的化学成分分类包括：

(1)岩浆-硅酸盐流体

(2)H2O

(3)H2O-NaCl，这里以NaCl代表溶于水中的所有盐类

(4)H2O-NaCl-C02

(5)有机流体如石油、天然气等

2．产状和成因分类

(1)岩浆热液

(2)变质流体

(3)海水

(4)热卤水(包括地热水和同生水)

(5)地下水(大气降水)

(6)石油和天然气

(7)硅酸盐熔浆

下面我们把几种流体作一简述：

(1)大洋水：大洋水包括大洋及其邻近的且相连的大海中的水，其成分见表7.1。

(2)大气降水：由大气降水作用来的水(不管是哪个年代降的水)包括雨水、雪、冰、河水(其成分见表7.1)、湖水以及存在于地壳浅处的地下水。这种大气降水是由于水圈与大气圈相互循环作用的产物。

(3)同生水：指当沉积作用时存在于空隙和孔隙中的水。同生水也称地层水，是在沉积作用的同时捕获的水。大多数情况下是一种古海水，当然这种古海水是与地层同一成固的，且与其处于平衡状态。但由于水岩相互作用，其成分与古海水大不相同。

(4)地层水：我们把在地层的孔隙或层间存在的水统称为地层水，不管其成因和年代如何，也就是说地层水包括了同生水和后来进入地层的水。

(5)变质水：与变质岩呈平衡的或者在变质岩脱水作用时放出的水，叫做变质水。

(6)初始水：在地球形成时存在的、或者来自地幅、地核的水，并且从未与现在地球的水圈相互作用过，这种水叫初始水。

(7)热液水：指任何成因或来源的热的水溶液，如果我们能把热液中的水的来源搞清楚，那么根据其主要来源又可把热液分为岩浆热液、海水热液、热卤水、地热水等。

油田水的成分见表7.2。美国加利福尼亚州Salton海的卤水的成分见表7.3。

(8)外来水：对现在所存在的体系或环境是外来的任何一种水称之为外来水。例如在蛇绿岩套中的热海水即为外来水，又如在冲断层发生时，一种成因未知的外来水可以通过冲断层的下盘迁移到冲断层的上盘，并且与其流过和容纳这种水的矿物和岩石发生相互作用，这种水我们把它叫做外来水。

第二节 流体和岩石的相互作用

流体和岩石的相互作用是指在一定的温度、压力条件下流体与岩石中的矿物起反应，使原来的矿物组合转变为另一组新的、在新的条件下更加稳定的矿物。在这一过程中流体的成分也随之改变，并成为与这组新矿物相平衡的流体。换句话说，通过两者的相互作用，不仅使岩石的矿物组合发生了变化，而且也改变了原来流体的成分。流体与矿物—岩石的相互作用的研究是最近10到20年间发展起来的，并且召开过8次国际性的会议，发表了许多论文和著作，下面我们举几个例子来说明这个问题。

一、太古宙绿岩带成矿流体与岩石的相互作用简述

在加拿大的Abitibi太古宙绿岩带，产出许多金矿，形成金矿的成矿流体沿剪切带上升，与其两侧的岩石发生了反应，形成了典型的蚀变带，包括铁白云石化、钠长石化、绿云母(含Cr或V的云母)及黄铁矿化。剪切带的围岩为镁铁质火山岩和侵入岩，流体(H2O—CO2—NaCl)与其发生相互作用，使斜长石、辉石和钠长石发生分解，在蚀变作用开始时形成铁白云石、方解石和绿泥石，再继续反应会形成铁白云石—绿泥石和绢云母，最后生成绿云母。见表7.4。