Question

流体与F_b

Answer 1

1.流体作用

(1)运移的驱动力

F_b能否形成及形成规模大小除了取决于构造应力作用方式，应力大小和时间长短外，还取决于流体驱动力的大小和延续时间。因此，流体运移的驱动力是研究含流体断裂构造动力学不可或缺的组成部分。其驱动力主要有以下几种：

1)流体超压。流体超压(P₀)是指在地下某处流体压力大于静水压力，即

P₀=P-ρ_qd

式中：ρ为流体密度；d为地下深度。当出现流体超压，流体就会从高超压区流向低超压区。流体超压产生原因是充填空间(孔隙)流体支撑部分或全部上覆岩层的压力而不仅仅是上覆充填空间(孔隙)流体的压力。造成这一现象原因与充填空间减少或流体体积增加有关。在岩浆侵入过程中发生岩浆出溶作用，使流体体积增大，形成超压。而流体本身就存在流体超压，是运移的主要动力之一。

流体超压在地壳深处是普遍存在的，是流体由下向上运移的主要驱动力之一。

2)岩石变形(含构造泵吸)作用。岩石变形本身也是流体运移的主要驱动力，因为岩石变形可以改变流体压力状态造成局部或区域性的流体势梯度变化，从而推动或吸引流体运移；也可以造成变形变质的脱水作用，形成流体超压；还可以形成充填空间从而造成流体压降，产生流体运移。

3)流体密度变化。由式P₀=P-ρ_qd看出，P与ρ有关，而密度与湿度、盐度有关，流体密度与湿度成反比，与盐度成正比。

对流体来说，上几种驱动力是经常出现的和主要的，当然可以某一种形式，或以某一、两种形式为主，或三种形式一起出现。

另外还可能有间歇的或是次要的驱动力，如热液活动影响到流体的运移，地震、悬殊的地势差、断裂构造、充填空间突变等。

(2)运移方式

由于流体是临界—超临界流体，在运移过程中其状态是变化的，导致运移方式多样化，有渗流、扩散、层流、紊流、涌流，甚至有喷射等形式，这取决于流体温压、密度、pH值、Eh值、成分、不混溶作用等。还受环境，如构造应力、充填空间、渗透性，以及流体与围岩相互作用，如流体混合、沸腾作用、水-岩反应，等等。流体运移方式，可以多种多样，其影响因素主要有两大方面：围岩的渗透性和溶体压力梯度变化。

(3)对围岩力学性质和化学反应的影响

毕思文(1996)认为流体对岩石变形影响有两个方面：力学效应和化学效应。流体会引起矿物颗粒边界弱化，使岩石流变性和有效黏度减低，导致变形机制从位错蠕变向扩散蠕变转化。H₂O和CO₂不仅使岩石固相线减低300～400℃，而且使矿物Si—O键连接力减弱，引起水弱化，提高了构造变形速率。流体(尤其是熔体)对岩石材料的弹性、非弹性、弹性波衰减和导电性有直接影响。2%～3%熔体可以使纵波(v_p)和剪切波(v_s)速度分别减小5%和10%。导电性变化对熔体物比例和平衡结构(湿润角)是十分敏感的。含有0.1%～0.2%H₂O的花岗岩比干花岗岩流变强度低，并具有较低应力指数(n)和活化能(Q)。

水力压裂或水压致裂一般是指当流体压力(p)大于或等于最小主应力(σ₃)，并且其差值(p-σ₃)大于或等于岩石抗拉强度的绝对值(｜T｜)时产生的张性断裂。假定流体压力在裂缝形式过程中起了积极的作用，这是水力压裂或水压致裂所定义的。

除脉岩填充与水压致剪有关外，断裂带中的碎裂和角砾的形成也与水压致剪有关，当然还有其他原因如构造、冲击、交代作用等。不过水力致裂、侵入和体积膨胀成因的角砾岩与流体动力机制密切相关。水力致裂角砾岩的形成与多向水力致裂有关。

大多数岩浆热液矿床中的角砾岩与岩浆热液过程中的体积膨胀有关(Jebrak M.，1997)。体积膨胀机制包括一次沸腾(first boiling)或二次沸腾(second boiling)中岩浆流体的出溶，以及岩浆侵入体对地下水的加热。这两种情况都可以产生极高的流体压力(通常为超静岩压力)。巨大的流体势梯度造成了流体的爆发性运动，并伴随着岩石碎片的形成(通过水力致裂)和运移，最终形成角砾岩。角砾岩的角砾可能是多源的，砾块大小不一，磨圆度不等，可以呈管状和浅成低温热液型成矿体系很常见。

综上所述，许多矿床的各种宏观地质特征可能与矿化过程中的流体动力机制有关，主要与流体压力和应力场有关。一般来讲，低流体压力和低流体流速难以形成一些在野外可以识别的、反映流体动力学机制的特征；而高流体压力和高流体流速可以通过一些比较突出的特征进行识别，如近水平脉、多向脉(裂隙)、砾岩灌入体及各种角砾岩等，视不同的构造岩浆环境而定。

流体与围岩的化学反应。在剪切带的深部层次，流体为富CO₂，H₂O的氧化流体，含有少量卤族元素、碱质和大离子亲石元素。①在深部塑性区，流体大多呈弥散状态分布，很难形成明显的热对流和物质对流，但由于剪切带向下变宽，故流体量非常大。随着深部岩石圈的变形，流体发生汇聚、渗透、流动，并沿剪切带上升。在流体的上升过程中，流体同时与围岩发生物质的交换反应，围岩中的活动组分Al³⁺，K⁺，Na⁺，SiO₂等进入流体，Ni，Co，V，Cr，Ti等不活动组分保留在围岩中，同时Au，Ag，Sb，As，S等成矿元素被溶解并随之迁移。由于局部变化的化学失衡引起组分的迁移，流体通道的体积发生亏损，最大可达60%，此时流体/围岩值变化于10～1000之间。这种体积亏损和对流流体的存在表明，在剪切带中可以发生大规模的对流和流体的循环。②当深部层次的流体进入中部层次的剪切带后，流体的体积和压力进一步增大，可能会引起广泛的退变质作用，并发生如形成含金石英脉之类的成矿作用，如“断裂阀—地震泵吸—周期性断裂愈合”模式；随着含矿流体到达地壳浅部(10～15km)，深部流体与浅层大气降水混合，即可在适当的部位形成广泛的成矿作用(杨金中等，1998)。

(4)对构造变形的作用

流体对构造的作用，主要体现在岩石的力学和化学方面，力学方面从与板块运动说起。

流体作用——板块运动机制：自20世纪80年代以来，板块构造学说占据了大地构造领域的统治地位，它在地质实践中的许多成功运用也证明了该理论的合理性。然而一系列有关板块构造活动的实际问题，突出的是板块运动的驱动力问题，长期困扰着板块构造学家并成为反对派据以否认该学说的关键。近年来，已有学者认识到了流体对于板块构造活动重要作用，认为地球能发育板块构造的基本原因在于水流体热传输和润滑作用，促进了岩石圈的力学破坏，没有水就没有板块构造。如果认为这里所说没有水就没有板块构造，实际指的是水对于维持板块运动(夜卫平等，2006)。

F_b既是应变局部化带，又是流体渗滤和运移的通道。研究表明：流体在压溶、构造变质变形以及传递液压和润滑中起着间接软化作用。流体作为介质可以携带各种物质，使大部分构造变质得以发生，同时，流体作为软化剂，改变了岩石及矿物的变形特性，使岩石在较小的差异应力的作用下，就能够发生变形。在变形过程中，流体的存在有利于溶液的迁移以及微破裂和重结晶作用的发生；而岩石变形变质作用的结果使岩石产生分层构造，使矿物定向化、岩石面理化，这又为流体的运移提供了通道。

Uwe Ring在研究中东非马拉维北部退化的角闪岩相剪切带时指出，糜棱岩带岩石的体积亏损可达50%～60%，根据硅的亏损所计算出来的水/岩比达200～400。剪切带的形成最初与黑云母、长石分别分解为夕线石和石英有关。高应变带中夕线石和石英的形成是糜棱岩化期间脱水反应、脱碱作用的结果，这两种作用导致了黑云母的分解。尽管这种脱水作用所产生的水与流经剪切带内流体的通量相比是微不足道的，但是夕线石/黑云母比与应变的关系表明由脱水作用所释放的水对石英的局部变形行为起着催化剂的作用。剪切带中的脱碱作用使得云母变得不稳定，阻碍了新生云母的形成。绝大多数黑云母的分解破坏了糜棱岩中流体循环的通道，最终导致了应变硬化和剪切活动的终止，这从另一方面证实了流体对韧性剪切带内的变形变质作用的影响(李晓峰等，2000)。

总之，F_b内流体作用是一个复杂的构造物理化学过程，也是一个动态的力学化学的耦合过程。一方面，水-岩相互作用改变了矿物行为、矿物组合和化学反应速率，提高了岩石的韧性、溶液的迁移能力、矿物的微破裂和重结晶作用，导致岩石变形的加剧；另一方面，变形岩石的劈理化、S-C面理和构造分异作用提高了流体的渠化作用，强变形变质作用的结果必然导致剪切带内岩石面理化、矿物定向化、细粒化，在F_b发育的成熟阶段，发生退变质作用。韧性剪切带发育过程中的退变质作用或蚀变作用，特别是硅化、绿泥石化、黄铁矿化、绢云母化、铁白云石化，对金矿的成矿作用最为有利。金的富集与沉淀与韧性剪切带内岩石变形程度或剪应变强度呈正相关关系(李晓峰等，2000)。

2.F_b对流体的作用

F_b内岩石的变形主要表现为塑性和脆性变形，以及过渡型变形。形成各种断层岩和构造面理，为流体的运移提供了有利的充填空间和通道。其间构造活动对流体的作用主要表现在流体运移方向、方式、速度等方面。还表现在构造变形对流体场势能分布的改变，以及流体的组成和物理性质(如密度、黏度等)的改变。如板块运动可以使流体迁移距离达数百至数千千米，速度达几至几十cm/a，垂向运移深度10～15km。这种地壳规模流体的远距离运移不仅控制了与流体岩石反应有关的一系列地质作用，如地壳岩石化学蚀变，变质矿物脱挥发分，古老沉积岩重磁化等，而且也控制着油气和金属矿床的形成与分布(杨金中等，1998)。

与金矿化有关的韧性剪切带都发生过大量的流体运移和退变质作用，其中大多与绿片岩相变质作用有关。带内分布有大量水-岩作用产生的富水矿物，也就是说，在变形期间韧性剪切带内流体作用非常普遍，水-岩反应十分广泛。韧性剪切带内的流体作用是一个复杂的构造物理化学过程，也是一种自组织的过程。它是在构造应力作用下，以流体为媒介和作用剂，致使岩石发生物理变化和化学变化并产生相互作用的一个过程。流体活动在变形岩石的体积损失、质量传输、变形构造以及变质分异的发生、发展中起着至关重要的作用。而构造应力怎样在成岩成矿及变质过程中影响化学平衡是尚未解决的基本理论问题。与金矿化有关的韧性剪切带具有同构造蚀变的特征，即应力作用与交代蚀变化学反应是同时进行的。剪切带内成矿物质的活化、迁移、富集和沉淀过程与流体作用息息相关。因此，正确了解和认识韧性剪切带内的流体作用，是解决该类型矿床“源、运、储”的关键因素，对于寻找该类型矿床新的靶区也具有重要的指导意义。

3.相互作用的特殊效应

流体与F_b相互作用的特殊效应，是相对流体或F_b单独发生作用而言的，一般情况下或通常的流体作用和断裂作用的效应，都是达不到的，如流体具有很大能量，主动快速运移，断裂构造快速形成，等等，均为相互作用的特殊效应。这方面人们研究的时间并不长，但已获得宝贵的研究数据，甚至是突破性进展。无疑对地学理论和成矿研究意义重大和深远。

(1)流体能量巨大

因为流体来源于地幔超临界流体，是一种可压缩的高密度、高扩散、低黏度的流体，其值分别为0.2～0.9(ρ/10³kg·m^-3)，0.2×10^-3～0.7×10^-3(扩散系数/10^-4m²·s^-1)，1×10^-2～9×10^-2(η/10³Pa·s)(表3-10)。而H₂O和CO₂超临界的温度、压力和密度分别为374.1，31.05(Tc/℃)；22.12，7.38(Pc/mPa)；0.332，0.433(ρ/g·cm^-3)(表3-8，表3-9)。上述的超临界状态的流体已具有很大能量，但是上地幔的温度为400～3000℃，压力0.12～13.5GPa，平均密度3.8g/cm³，比超临界流体的温压和密度都大得多，因此，推测源于地幔的流体具有很大的能量。

(2)流体主动快速运移

由于幔源含金流体能量巨大，以致在围岩中得以主动快速的运移，是否成为下地壳韧性变形的主要动力，值得考虑。

流体运移的主动性，表现在大型金矿主要都分布在距深大断裂两侧不远的次级构造内，流体呈定向性贯入，并不在早期其他方向裂隙中沉淀，控矿构造不具有岩石专属性、多种控矿构造组合形式在短距离内可明显反映出流体扩张力或贯入力由强到弱的连续性变化等，这些都是流体主动就位机制的主要野外鉴别标志(孙忠实等，1999)。

而Spera(1987)利用公式得出：若裂隙宽度为10^-2m，流体的驱动压力仅为2.6×10^-4Pa，一条垂向长5km的裂隙，只需1年时间就可完成。

液压张破裂的形成，为流体进一步活动提供了空间。在容矿断裂形成的瞬间，产生了巨大的压力降，促使高压流体迅速涌入张裂隙，如同抽吸泵一般；该过程使流体所处物理化学环境发生了改变，如温度和压力降低，SiO₂与含金配合物的溶解度减小，也可使流体发生相分离，导致pH值，f_O2和组分浓度升高，从而使金的溶解度降低。因此，裂隙一旦形成，含矿流体可在瞬间沉淀，形成含金石英脉，裂隙随之“愈合”。

含金石英脉具瞬间性质的形成过程，代表成矿流体主动就位机制的主要特征。流体主动就位与沉淀两者时间差极短，或近于同时，这一点可依据数学式dy/dt=k[(z₀+v₀)-y(1-y)](k是常数，v₀代表一定溶液的体积，y代表在一定时间内的浓度与饱和浓度之比，z₀是初始固体与溶掉固体之比)给予进一步引申：

当z₀+v₀=1，v₀≈1/2时，limt→0(dy/dt)取极大值，则得到下式：(dz₀/dv₀)(dy/dt)=k(1-2v₀)，此式表明，当v₀=1/2时，SiO₂流体在短时间内全部沉淀完毕。

石英脉形成速度的研究表明，即使石英以3.15mm/a(a代表年)这样最慢的速度沉淀，175cm宽的裂隙也能在555年内填满；22cm宽的裂隙在70年即可填满。从地质上讲，这种速度都是瞬间的。

由此可见，正因为含金SiO₂流体沉淀具有瞬间性，使含金流体在进入其他裂隙之前，SiO₂和金质一起固结在液压破裂裂隙之中。在空间上两者保持一致性，同时也正是含金SiO₂流体沉淀具有瞬间性和液压裂隙本身所具有的“愈合”性，才得以沉淀时剩余的流体被压入围岩之中而形成矿体围岩蚀变岩(孙忠实等，1999)。

(3)构造体制转换效应

孙岩等(1997)，Goddard等(1995)基于浅层构造反转体制中的两个水-岩反应系列的研究，将构造体制与水-岩反应联系起来，探讨了力学-化学的反馈耦合。Richard等(1988)和David等(1993)注意到太古宙绿岩带石英脉型金矿的构造变形转换与界面成矿现象，指出高角度剪切带系统温度下降到某一临界值时，成矿流体发生沸腾，成矿作用开始，矿脉形成于韧性变形向脆性变形的过渡阶段。根据岩石证据可以证实，成矿流体通过裂隙流动始于不连续的变形事件，具周期性脉动特性。在脉岩的流体包裹体中，可以观察到连续的裂隙—愈合胶结物记录在平行于脉壁的矿物包裹体的不连续层上，流体压力在不同裂隙愈合阶段周期性升高和下降。Eion(1989)注意到Ramble剪切带金矿的成矿与剪切带性质转换有关，认为富CO₂的流体从巨型的韧性剪切带中溶解出大量的金，并将金运移到后期窄小的脆性剪切带中，在有利的构造空间沉淀下来，形成金矿。Jiang等(1997)研究表明，流体在一定应力条件下可在剪切带内发生循环运动，流动流体进入次级裂隙，循环停止可导致其流速迅速发生波动，引起边界条件变化，成矿物质沉淀而形成矿床。Dirks等(1991)和Reinhardt等(1990)的研究也得到相似认识。

在此基础上，邓军等(2000)基于野外详细地质填图成果，采用宏观、微观和超微观相结合的研究方法，探讨了剪切带流体成矿系统中构造-流体脉动转换规律与界面成矿机制，提出了构造应力场转换与界面成矿的新认识，指出剪压变形构造岩相向剪张变形构造岩相转换而发生金属硫化物成矿作用，进而将分形弥散理论和分形渗流理论引入构造应力场转换与界面成矿研究，并用计算机模拟了剪切带流体成矿系统动力学过程。

这些研究表明，成矿系统与其地质背景密切相关，金属矿床往往分布在不同时代、不同层次地质体的界面，即异相交接转换带。这些界面往往是不同构造环境和不同深度层次动力体制转换与流体循环耦合演化的结果(邓军等，2000)。

成矿作用的发生是由于具备各个成矿要素，且它们之间互相耦合处在临界状态，并有突发运动使进入显著的成矿状态的结果。成矿要素的联动转换可能是形成大矿的一种机制(翟裕生等，2010)

综上所述，流体由地幔或下地壳上升到上地壳的构造转换带(界面)沸腾成矿的过程表明，剪应力形成的构造转换带发生在上地壳，剪应力由强变弱，流体能由小变大，大体呈反相关关系。上地幔到上地壳恰是流体形成和迁移的区段，该段流体可能呈超临界—临界状态，并带着很大能量主动快速的沿F_b迁移和演化，在韧-脆性过渡带沸腾后成矿。金矿体分布在F_b韧-脆性区段，其分布规律与流体在充填空间中相对充填速度快慢有关，将在下章讨论。