Question

水-岩作用研究现状

Answer 1

水-岩作用（water-rock interaction）是自然界最普遍的地球化学过程，从地表到地幔流体无处不在，无时不在。水-岩作用是近40年来国际地学界非常活跃的研究领域，涉及岩石学、矿物学、材料科学、海洋地质、环境保护、自然灾害防治及核废料处置等。同时，水-岩相互作用研究所取得的进展，也大大促进了人们对岩石矿物成因和矿产资源形成的深入了解。

水-岩相互作用包括：①常温、常压下，外生成因地下水与含水介质的作用；②与岩浆作用及变质作用等有关的内生水、地幔流体（深部流体）与岩浆熔融体及岩石间的作用。与成矿作用、尤其是与热液矿床成矿作用有关的水-岩作用，主要是涉及后者。

常温、常压下水-岩作用的结果，人们可以直接观察到，如岩石的风化、泉华、抽注钻孔由于新矿物形成引起的堵塞等，此外，常温、常压下的实验也为人们了解水-岩作用的动力学过程提供了有力的支撑，并且实验结果可与直接观察结果进行互证。而处于高温、高压状态的内生水、深部流体与岩石的相互作用，人们更多的是通过水-岩作用的最终地质产物，如岩石化学成分的变化，流体成分的变化，矿床形成等的观察，借助于已经获得的热力学数据，应用热力学对水-岩作用的发生及其程度进行逻辑推论。为了知道或了解水-岩作用的动力学过程，人们通常开展实验模拟和地球化学模拟。综合国内外资料，水-岩作用的实验模拟研究和水-岩作用的地球化学模拟研究，也是当今水-岩作用研究主要集中的两个方向。

1.2.1.1 水-岩作用实验模拟

20世纪70年代以后，水-岩作用实验模拟研究发展较快。早期主要是在封闭体系和静态条件下完成人为给定温、压值条件下的玄武岩、辉绿岩与海水及Na-K-Ca-Cl溶液的反应实验（Hajash，et al.，1980；Crovisier，et al.，1983）。

20世纪80年代初，开始出现开放体系、流动条件下的水-岩反应实验，开展了不同温度、压力、流速条件下NaCl溶液、海水与流纹质玻璃、玄武质玻璃的流动反应实验，证实了玻璃的溶解速率随流速增高而增加，乃至能在低温水溶液-岩石体系中达到稳定的矿物平衡（Dibble和Potter，1982；Pohl和Liou，1983）。国内曾贻善等（1984）在300℃、500×10⁵Pa、水岩比为10的条件下，研究了玄武质玻璃与水和钠碳酸盐作用下次生矿物的形成和反应溶液的变化；周文斌（1995）在150～300℃、10～50MPa、水岩比为2.29～2.31条件下，研究了碎斑熔岩、黑云母片岩、流纹英安岩与水和钠碳酸盐作用下岩石化学成分和反应溶液的变化；张荣华等（2002）完成了钠长石、方解石、阳起石、萤石与水、盐溶液的反应实验，在水、盐溶液与矿物的反应动力学方面取得了积极的成果。

近年来，水-岩反应实验技术已拓展到170～1100℃、100MPa～30GPa的高温高压条件，实验成果获得了许多非稳态非线性动力学过程的重大发现，如长期观测矿物-流体反应动力学过程发现在开放-流动体系远离平衡态下的非线性动力学现象，在外界干扰时出现复杂动力学过程的非线性响应；对NaCl-H₂O溶液在100MPa～1GPa和850℃下，发现两相不混溶区特殊结构——溶质与溶剂的聚集体现象；钠长石与水反应在近临界态时出现大的涨落。

人们已经认识到地质系统的复杂性，地球的各种各样的物理化学过程中，最丰富的是远离平衡态的非线性动力学过程，如成矿作用中的物质来源、迁移及沉淀过程是发生在开放-流动体系中；矿石的形成、矿床矿石和岩石的时空分布的韵律特征、分形、混沌和非线性特征的普遍存在等等（於崇文，2003；张荣华等，2006）。尽管水-岩反应实验得出的是在一定温、压条件下的水和岩石之间的反应结果，而不是一定温压状态下自然界水岩作用的再现，但这些研究为水-岩作用的理论扩展提供了新的途径。水-岩相互作用的实验成果，可以延伸和应用到成矿作用的研究中，如流体从近临界到超临界时水-岩作用动力学涨落与矿床形成的关系受到关注。

1.2.1.2 水-岩作用地球化学模拟

随着水-岩作用实验模拟研究所积累的大量水化学分析数据和热力学数据，以及计算机的广泛应用，于20世纪60年代形成了水-岩作用地球化学模拟技术，最近30多年来，地球化学模拟研究得到了迅速发展。

水-岩作用地球化学模拟方法包括正向模拟和反向模拟，前者是用假定的地球化学反应来预测水和岩石的组分，后者则是从观测到的流体化学、同位素组成来确定质量转移过程，再现水-岩反应的历史。Helgson（1968）是最初介绍正向模拟程序（PATHI）的学者之一，目前EQ3/6程序系列（Wolery，et al.，1990）和PHREEQM是正向模拟程序中较先进的，可模拟封闭或开放体系矿物、岩石-水之间的物质交换过程。Parkhurst等（1985）推出了反向模拟程序BALANCE软件，Plummer等（1992）将计算天然水化学平衡的计算机程序WATEQF和BALANCE结合起来，推出了NETPATH软件，BALANCE和NETPATH是目前反向模拟最常见的程序。地球化学模拟技术在美国、加拿大、英国、荷兰等国家已成为解决涉及水-岩作用研究的一种常用方法。目前，我国地球化学模拟技术主要是利用模拟程序进行应用研究，应用领域主要涉及地球浅表（低温、低压）系统内的水-岩作用，如沉积盆地流体研究、地热系统研究、水的地球化学演化、油田水化学形成作用等。

水-岩作用的地球化学模拟只能演绎水-岩反应体系变化方向与平衡的规律，它是建立在平衡状态基础之上的。地质作用过程中，平衡状态只是一种假设，水-岩作用实验模拟研究也已经获得许多非稳态非线性动力学过程的发现。可见，水-岩作用实验模拟研究，与成矿作用过程中空间和时间尺度上的实际水-岩作用相比较，还是在微观层面上进行的。成矿作用是发生于自然界中涵盖着物理的、化学的、动力学的一种宏观、复杂的水-岩作用过程。水-岩作用地球化学模拟研究，也受到动力学、热力学数据库的不完整性所导致的化学平衡模型局限性的限制，不能完全逼真于自然界的水-岩作用。尽管如此，水-岩作用的实验模拟及地球化学模拟研究，可以对成矿作用过程中的水-岩作用、成矿流体演化概化模型的建立及成矿机理的深入分析，提供理论支撑和参考。

1.2.1.3 水-岩作用与金属矿床成矿作用研究

金属矿床成矿作用过程是成矿物质来源-迁移-淀积的链式过程，成矿作用过程中最活跃的因素是流体，而流体问题的核心是流动。近年来，对许多大型矿床形成条件进行了分析，认为大型矿石堆积有一个必要的条件——长期流动的热液系统。该热液系统内水-岩作用是导致矿石成因的本质问题，金属矿床的形成是水-岩相互作用动力学过程中的产物（张荣华等，2002）。

理论和实验研究已证明卡林金矿是水-岩相互作用的产物；吕古贤等（1999）通过对西秦岭、胶东典型金矿田的研究，提出了构造应力场转化与水岩反应浓缩成矿理论的新见解；张荣华等（2002）对长江中下游典型火山岩区水-岩相互作用进行了研究，认为火山岩与火山岩浆有关的流体-岩石相互作用造就了长江中下游火山岩区铁、铜、铅锌等金属矿床的成矿过程；周涛发等（2005）通过安徽月山（铜、金）矿田成岩成矿作用研究，认识到岩浆水与流经岩石的水-岩作用不仅对成矿流体中矿质的进一步富集具有重要意义，而且水-岩作用、大气降水的混入作用引起的成矿热液系统物理化学条件的变化，是成矿物质从成矿流体中沉淀成矿的主要原因。

近年来众多学者在金、铜、铁、铅锌等金属矿床成矿作用过程中开展了水-岩作用研究，典型矿床实例的研究成果解决了一些长期争论的地质问题，尤其是对成矿流体的起源、成分、运移及运移过程中物理化学性状变化等方面，水-岩作用研究成果更为突出。由此可见，水-岩作用不仅是当前地学研究的前沿，也是解决金属矿床成矿作用过程中关键问题的重要研究内容。