Question

　地球内部流体与成矿

Answer 1

1）流体地质研究

包括气、液及熔体相在内的流体是地球深部最为活跃的组分，它参与地球深部几乎所有各种作用过程，诸如地壳中的岩浆作用、变质作用、成矿作用、构造作用、地幔蠕变、乃至软流圈的形成和运动。流体不仅存在于整个地壳层位，而且在地幔中也有大量呈结合状态的挥发性组分，如OH、H、N、卤素、S、He、烃类、CO和其它稀有气体，通过岩浆或火山活动和地幔排气作用，被带到地壳或者进入大气圈、水圈或生物圈，这些流体无疑是地球内部及其表面最为活跃的因素。流体在深部的运动携带了约一半的内部能，它不仅决定了壳－幔系统中物质和能量的搬运，而且直接影响和控制着地壳乃至地幔的化学演化、物理作用和动力学过程，从而对地球内部结构、地质过程、反应动力学和壳－幔相互作用起着明显的控制作用。流体又是能够把地球内部的各种地质作用相互联系起来从整体上进行研究和认识的关键。

地球内部流体不仅对油气生成和成矿作用具有十分重要的主导效应，而且还充当了矿床、油气形成、地震和滑坡等灾害诱发、有害废物污染以及地球环境变化等最重要的媒介和作用剂。在地壳范围内的各种高、中、低温热液矿床及接触交代矿床，其有用组分的溶解、搬运和沉淀是在流体状态下实现的，即使被认为是像铬铁矿、硫化物铜镍矿、钒钛磁铁矿、金刚石等典型的岩浆矿床也已证明是在有S、P、F、Cl及H₂O、CO₂等挥发成分参与下而成矿的。

大洋中脊和弧后扩张带普遍存在的深海热液作用是全球化学平衡中十分关键且了解甚少的环节。海底扩张中心“黑烟囱”“白烟囱”等正在进行的成矿作用和热液系统中含金属卤水的发现，及观察到的过程可用来解释有关类型矿床，并将导致某些成矿理论的重大修正。中国白云鄂博稀土铁矿床和新疆尉犁超大型蛭石（金云母）矿床也已证明为富CO₂流体的地幔流体交代矿床（刘若新，1996）。

多年来流体地质研究说明：①流体对金属和烃类的搬运在几乎所有矿床和油气藏的形成中都起到了必不可少的作用，例如北美大陆热卤水大规模活动运移控制了北美地区特大型密西西比型（MTV型）铅锌矿床、其它层控金属矿床（Cu、Au、U-V）等和大部分油气藏的形成和分布。②成矿金属的运移与油气运移机理大体相同，很多金属矿床和油气藏在时间和空间上都有密切的成生联系。③俄德大陆超深钻惊奇地发现，在结晶岩8～12km深度下仍有明显的（次生）孔隙度和大量高度渗透性的自由孔隙流体。这些流体除部分来源于深部外，主要是下渗循环的大气降水或地表流体。流体中成矿金属元素含量很高，甚至还有微生物活动迹象，说明这里正在发生着强烈的流体（－生物）－成矿作用，并意味着地表流体对深部作用的显著影响。上述发现不仅大大深化了人们对地球内部及表面流体和作用过程的理解，而且为重新认识和阐明矿床和油气藏的形成与分布提供了崭新思路，推动成矿理论研究真正进入到探索地壳规模控制因素的新阶段，而且势必还会影响到未来金属矿产和油气勘查战略与方向。可见，大力加强流体地质研究，从理论上讲可从一个新角度重新认识各种地质现象和作用过程，检验、修正和发展地球科学理论；从实践上看，则可以为地球科学处理和解决与资源环境灾害等有关的实际问题的全新的知识和方法手段，从而使流体地球学成为当前主要发展的前沿课题之一。地球深部流体地质学研究重点有5个方面：①地球内部流体与成矿作用；②地球内部流体（主要是气体）与环境、灾害及全球变化；③地球内部流体的实验研究（流体－岩石相互作用，流体参与下岩石的物理、力学性质）；④地球内部流体动力学研究；⑤地球内部流体的探测。现仅就第一方面作为矿床找矿规律研究的主题进一步进行阐述。

2）地球内部流体与成矿作用

地球内部流体研究与过去以固体物质研究为基础的地球科学认识形成了鲜明的对比，正在有力地打破许多传统观念和思维的局限。因此，加强流体地质科学研究，并建立起以探讨和认识地球内部流体作用和演化及其与成岩、成矿关系为基础的新一代地球科学知识体系，已成为当今地球科学发展的一个重大前沿课题。地球深部流体是多种成矿作用中的关键因素，也是寻找新类型矿产资源和获得新的成矿理论和找矿思想的生长点。这项研究具重大理论和实践意义，国际上已将其列为最优先研究的领域，世界各国先后计划设置了一系列重大课题，如美国和加拿大还将其成矿作用的重点转向了地球内部流体成矿系统，并将地质流体系统及对金属矿床和油气藏形成与分布的控制作用列为地球内部流体研究的主要发展方向之一。

近年来通过深部钻探、地球物理测量、同位素测试以及通过地幔来源包体以及地震火山等现象的观测取得的重要发现和认识说明，不仅需要从地球动力学更高层次继续深入研究和探讨流体的来源、性质、组成、作用过程和演化等，而且它们对传统的油气地质、矿床地质、地震地质乃至生物学研究等都提出了严重挑战，要求人们重新认识油气矿床、地震的成因以及水圈和生物圈的下限和构成。为此，近年来对这些问题的探讨提出了一些新的概念或假说（贾跃明，1994）。①油气非生物成因理论。传统的观念（绝大多数人）认为世界上的天然气资源源自沉积岩层中有机质的分解。但是另一种赞成无机成因的论据在100多年前即已提出来了。这些年来，有人认为行星生长过程中地球捕获了大量原始甲烷，后来这种气体运移到地壳内，并聚集在沉积岩储层中，说明地球上的石油和天然气（或许还有煤）主要是由蕴藏于地幔中的烃类随排气作用而生成的，而生物在油气藏的形成中可能只起到次要作用，并认为即使在人类可能开发的地壳深部（如15km范围内）蕴藏的天然气也远远多于已发现的油气储量，可供人类利用数千年，具重大的经济意义。对陨石中烃类的研究、地幔源烃类的发现和研究以及瑞典深钻和乌克兰前寒武纪基底（3100～4100km）工业油气田等重大发现激发人们寻找深部油气资源的热情，如原苏联、瑞典、加拿大和美国等均在作这方面的尝试。②油气内生成因说。该假说认为地壳深部气藏主要属俯冲成因，即随着沉积物在俯冲带下沉，有机质被熟化改造成烃类，然后因构造作用烃类随流体上升、聚积形成。③深部高温生物圈假说。在俄罗斯科拉半岛、瑞典和德国的一些深钻中发现微生物活动迹象，近来在美国阿拉斯加深部（＞3km）油气层中也发现了大量微生物活动，可见伴随地下深部流体圈的存在，在高温（至少110～150℃）、高压环境下，可能存在一个自成系统的高温生物圈，主要是不依赖太阳光和地表能，而靠深部流体化学能生活的厌氧菌（微生物）组成。这些生物活动可能对地壳深部流体成矿作用起着重要的作用。④地壳规模的运移对油气和金属矿床形成与分布的控制作用。油气：以往一直认为在饱和带之下的岩层中流体很少或几乎没有。80年代北美大陆的综合研究说明，流体即活动的热卤水在该大陆地壳深部的沉积盖层中曾发生过大规模运移，其运移距离达数百乃至上千公里，运移速率可达0.1m/a数量级，源于地表的流体（大气降雨）大规模循环在结晶岩中可达到10～15km或更深层位。这个进展为重新认识和深入探讨油气形成、分布和圈闭提供了全新的思路。很多证据表明流体决定了油气的二次运移，世界上几乎所有最大型的油气田形成和分布都受地壳流体大规模远距离运移的控制，它们离开其生油源岩通常达数十至数百公里。如美国伊利诺斯油气盆地产油区的油气主要来源于100多公里之外含大量残余沥青的新奥尔巴尼页岩；加拿大艾伯塔超大型油田，美国怀俄明西部含磷建造中之石油都类似。油气生成与流体运移关系的新概念改变了油气生-储-盖的传统概念。美国为实现新一轮油气找矿突破提出了寻找深部热流体房的新方向，以巨资进行有关理论和方法的研究。金属矿床：深入研究流体活动对金属矿床成因研究提供了新的途径。应用大规模流体运移成矿的新模式，能够说明典型的中、低温热液和层控型矿床的一些问题。地壳规模的流体运移控制了许多大型—特大型矿床，尤其是MVT型（密西西比河谷型）矿床和层控金属矿床的形成和分布，如“红层”型Cu-Pb-Zn矿床、砂岩容矿的Cu-Pb-Zn-Fe硫化物矿床、赤铁矿床、Au矿床和U-V矿床等。更有趣的是近年来还发现了许多金属如金、银、铜、铅、锌、钡、铀、钒等与油气藏伴生，一些油气分布区同时也是金属矿富集区，在流体运移中，烃类与金属之间可能存在复杂的相互作用，油气在金属矿床中也可能扮演重要角色。油气生成与金属成矿作用这种共生关系和成因机制的新认识对于金属矿床和油气研究来说都具有重大意义，而且势必影响到未来金属矿勘查的战略和方向。

3）流体成矿作用研究发展方向

根据当前国内外流体地质研究发展现状与趋势的分析，今后有关地球内部流体与成矿方面的研究应突出和优先开展两方面的研究：一是矿床和油气流体地质研究；二是地壳深部流体的性状与作用过程。为此，贾跃明（1993）认为需要侧重考虑以下主要科学问题：

（1）地壳内部流体来源及其对地质作用的控制过程。地壳内部流体具复杂来源，其中包括岩浆上升过程中因分解或结晶释放的流体；变质脱水-脱挥发分产生的流体；富水沉积物因压实或构造收缩挤压产生的流体、大气降水或海水下渗循环演化产生的流体、地幔排气作用和交代作用产生的流体。近年来，虽然对不同流体的化学组成和同位素特征提出了一些判别标志，但当多种来源流体强烈混合并演化后如何区分仍需继续研究。尤其是不同地质-构造背景和发展阶段下不同来源流体的相对贡献和影响并不清楚。业已证明，流体运动和作用过程控制着地壳中热和物质的分离、富集与再分配，但对流体控制和影响地壳内部地质过程的详细机理、方式和过程了解尚很差，需要继续研究。

（2）热、流体、化学成分与成矿作用。热、流体和化学成分是成矿作用的三大要素。热通常是成矿的驱动因素，流体在绝大部分情况下充当着成矿的主要媒介和作用剂，化学组分则构成了成矿的物质基础。可以说，流体成矿作用就是地质流体成矿系统中热、流体和化学组分三者之间相互作用和不断演化的过程。揭示这三者之间的复杂耦合关系，对于了解金属络合物在热流体中的结构和稳定性，烃类运移与汇集位置以及矿床和油气藏在不同地质-构造体制下的沉淀或聚积是至关重要的。

（3）壳-幔岩浆成矿系统。岩浆在壳-幔系统某些部位本身即是一种很重要的流体。岩浆在地壳内部的上升过程中，一方面可将溶解和结合在岩浆中的水和各种挥发分从深部搬运到浅部，并因分解或结晶作用释放出来成为热液流体；另一方面则通过改变地壳热结构引起热液循环，并且可能影响大范围围岩的流体-岩石反应，或者上升岩浆直接与地下流体接触演变成新的热流体。一般认为，许多矿床（如块状硫化物矿床、碳酸岩型矿床、中高温热液矿床等）的成因都与结晶岩浆排出的热液流动沉淀作用有关。岩浆排泄流体的时间、空间和程度可能既取决于岩浆流体的初始成分，又取决于流体从岩浆中排泄的温度、压力环境。因此，壳-幔岩浆成矿系统是认识地球内部流体与成矿的一个不可忽视的方面。

（4）盆地中热流体系统与复合成烃机制。沉积盆地是煤、石油、天然气以及钾、铀、铅锌和高岭土等矿床形成与保存的场所。近年来地质-地球物理探测揭示，在一些现代沉积盆地存在着巨大的超压流体房。它们一旦被挤压变形发生破裂，就很可能发生大规模的活动热流体迁移。对一些古沉积盆地的研究也表明，因受（造山期间）构造挤压和地势抬升的影响，它们均发生过深部热卤水的大规模远距离运移。而且这种运移还控制了盆地中几乎所有油气藏以及层控型中低温热液矿床、区域性交代蚀变和温度异常梯度等的形成和分布。由于这方面的重要进展，有力地推动着当前（含油气）盆地分析进入到探讨流体动力学与演化的新阶段，同时也使得盆地中热流体系统具有重要的意义。对油气的有机与无机之争，尽管预言油气为无机成因占上风尚为时过早，但烃类有复杂成因和多种来源却已是事实。从深部（地壳8～13km之下）油气勘探战略的角度考虑，无机或深源成因似乎更具指导意义。

（5）生物-流体-成矿系统。许多证据都表明，在地壳一定深度范围（至少可达5km）内还存在生物活动，这些生物是喜温厌氧的细菌或微生物。在地下较高的温压条件下藉深部热液化学能活动过程中富集大量Au、Ag、Cu、Pb等成矿元素，并改变流体的物理化学环境等方式参与或影响了成矿作用，从而构成了生物-流体-成矿系统。此外，关于微生物对流体化学（特别是地下水）的影响、流体运移对一些关键元素和有害元素的主要地球化学循环的控制作用以及矿物-流体界面的热力学和动力学等方面研究，也应给予应有的注意和重视。这些研究工作对于防止和治理水质污染、安全处置有害废物和更好地认识地表环境变化等具有十分重要的意义。