Question

深部流体储源的形成机制

Answer 1

大陆岩石圈和大洋岩石圈都可以看做是多孔隙介质，深部流体可以透过这种介质向上运动(Johnson et al.，2003)。但是，由于岩石的物理性质随温度、压力的变化以及矿物重结晶对孔隙率的影响，深部流体在不同圈层的渗透率具有很大的变化。例如，大陆地壳的渗透率(k)随深度(z)降低，其关系式为logk=-14-3.2logz(Ingebritsen et al.，1999)。该关系式的深度较大部分(约>10km)主要是根据进变质体系的资料建立的，因而适应于造山带的情况，稳定克拉通地区的流体渗透率更低。这被解释为变质作用有利于提高岩石的孔隙度(Ingebritsen et al.，2003;Tenthorey et al.，2003)，而克拉通地区、下地壳和上地幔没有活跃的变质作用。但是，也可能是因为造山带构造裂隙更为发育。此外，上地壳往往发育脆性破裂，流体可以通过裂隙系统实现大规模迁移，而在下地壳和上地幔的塑性区则可能主要是通过相互连通的孔隙迁移(Price et al.，2004)。因此，上地壳的流体渗透率比下地壳大得多(图4-6)。

由图4-6a可见，地壳的渗透率在近地表附近快速减小。但是，在10～15km深度处，渗透率随深度减小的幅度明显减小(图4-6b)，表明这个深度是地壳的脆-韧性转换边界层或者流体圈闭层。在这个边界层之上，静水压力小于静岩压力，流体可以自由上下迁移;而在边界层以下，两者相等甚至发生静水压力大于静岩压力的情况，因而脆-韧性转换边界层有利于流体的聚集。如果流体聚集足够多的话，即发生所谓的流体超压(Sibson，1996)，类似于油气田中的流体超压(Zhang，2002)。Zoback et al.(2001)也指出:①静水孔隙压力可以一直维持到12km深处;②根据Coulomb摩擦-破裂理论，脆性地壳处于破裂平衡状态;③上地壳的总渗透率很高(10^-17～10^-16m²)，显然是流体通过临界应力断层流动的结果。可见，地壳的渗透率实际上是与岩石的力学性质联系在一起的，从而也是与圈层的物质组成和温度、压力、流体条件联系在一起的。

图4-6 基于热液模拟和进变质反应估算的渗透率(据Ingebritsen et al.，2003)

现代地球物理测深表明，地壳中广泛存在低速层，而且有的地区低速层中还存在高速夹层(滕吉文，2003)。这种现象常常被解释成主要是物质成分变化的结果(邓晋福等，1995)。但是，也有可能纯粹是物理性质改变的产物，因为地震低速层的分布位置常常与大地电磁测深的高导层一致，纯粹的物质组成变化很难解释这种现象。换句话说，至少某些低速高导层是深部流体聚集的结果。如果这种解释是正确的，可以认为低速高导层实际上就是高孔隙度、富含深部流体的圈层，因而也是容易发生强烈构造剪切作用的圈层。万天丰等(2008)提供了一个很有意义的研究成果，表明中国东部晚中生代岩浆活动大致起源于层圈滑脱带(拆离带)。由岩浆起源的基本控制要素(罗照华等，2007b)可知，含水体系的固相线温度要比干体系低得多，万天丰等(2008)的研究结果是有理论基础的，尽管其估算精度尚存在一定问题，但对定性科学结论没有负面影响。因此，将拆离带理解为流体聚集带的推论与岩浆起源深度的估算结果共同指向了深部流体的聚集位置，具有一定的合理性。

将此结果外推到地幔，地幔中可能也存在这样的富流体层位，如软流圈顶部。因此，当我们回顾板块运动的驱动机制时，可以推测这些高孔隙度、富含深部流体的圈层反过来又会在对流地幔驱动板块运动的过程中发生韧性剪切，因而更有利于深部流体的储集。这样，虽然岩石圈-软流圈系统的渗透率很低，长期的深部流体上升也可以在流体储集层形成足以导致大规模成矿作用所需要的流体。如果这一推测是正确的，流体储集层的体积将会随着时间逐渐增长。

在岩石圈浅部，流体可以通过脆性破裂迁移，特别是当断裂发生时，其渗透率可以增加达2～4个数量级(见图4-6)。一个很关键性的问题是这些流体是如何参与成矿作用过程的。我们认为，科学研究的任务不仅仅在于阐明什么与什么有关，更重要的是阐明这种关系的性质以及如何利用这种性质推动学科的发展或指导生产实践。因此，即使证实了地球内部存在大量的流体，也还需要阐明这些流体为什么必然与成矿作用有关。为了论证深部流体与成矿作用的必然联系，还必须深刻理解深部流体储源的流体释放机制。