Question

成矿流体来源和基本类型

Answer 1

地球内部的流体多种多样，按其性状和成因可分为：①岩浆热液；②变质热液；③热卤水（含原生水、同生水）；④地热水（或泛称热水溶液，指除①、②、③以外的地壳内水热流体）；⑤地下水（包括大气降水）；⑥海水；⑦石油和天然气；⑧地幔来源的流体。广义的流体还包括岩浆在内。刘建明等（1998）将起源于一定的地质构造环境下、活动于统一的地质作用过程中，受同一地质构造-热-化学-动力条件驱动的流体系统称为流体体系，并划分出五大类不同的成矿地质流体体系：①与大陆地壳中-酸性岩浆热事件有关的热液流体体系；②与海底基性火山活动有关的热液喷流流体体系；③与海相沉积盆地演化有关的盆地流体体系；④与区域变质作用有关（含与大型剪切带有关）的变质流体体系；⑤与地幔排气过程有关的深部流体体系。各种流体中，以热水为主的流体，尤其是岩浆水、变质水、热卤水和地幔成因流体对固体矿产的成矿最为重要。

（一）岩浆热液与成矿

岩浆热液是指由岩浆在演化过程中分异形成的流体。广义的岩浆热液是指所有与岩浆作用有关的热液，包括由岩浆液态不混溶作用分出来的热液和岩浆在结晶分异过程中分异出来的热液，也包括一些与岩浆达到同位素平衡的围岩中的热流体。岩浆热液是一种以水为主体，富含多种挥发分和成矿元素的热流体，有超临界相、气相和液相。初始岩浆热液并不是孤立的存在，它与周围的环境处于一个不断反应而趋于平衡的状态之中，是一个复杂的多元的体系，以富含Cl和CO₂为特征。

岩浆热液活动有一定的温-压条件，压力主要在1000×10⁵～2000×10⁵Pa左右，说明它存在的深度一般不超过7～8km，温度为100℃～800℃。过高的温压条件会使岩浆热液重新溶解在岩浆体系中去，而不表现出单独活动的性质。根据岩浆热液的成分，可用NaCl-H₂O-CO₂-SiO₂体系来描述其热力学性质。

岩浆分异出热液的过程是地质学家重视研究的一项内容。Burham（1979）认为常见的长英质岩浆中，含水量一般为2.5%～6.5%，平均为3.0%左右。水在几种硅酸盐岩浆中的溶解度，随着压力的增加而增大。压力降低，水就会从岩浆中释放出来，形成溶有Na、K、Ca、Mg、Cl、、HS^-的岩浆热液。

与岩浆热液有关的成矿作用已经过多年研究。已明确认识到一些热液矿床是由岩浆热液作用形成的，例如与花岗岩类有关的一些钨、锡、铋、钼热液矿床、斑岩矿床和伟晶岩矿床等。其中，最典型的是斑岩型矿床的成矿作用：从岩浆中分异出的热液直接参与了成矿过程；岩浆活动加热周围的地下水，使之变成成矿流体。而这两种流体的参与对流和相互混合，常是形成大型热液矿床的重要条件。例如，著名的O1ympic Dam 铜-铀-金矿床，最近的研究认为是由上升岩浆热液和下降卤水混合而导致大规模成矿。

（二）变质热液与成矿

变质热液是在变质作用过程中因矿物和岩石的脱水作用（或称去挥发分作用）而形成，它属H₂O-CO₂型流体，H₂O占80%以上，CO₂约为5%～20%，盐度一般小于3%。对一种具体的变质流体而言，其成分取决于变质程度和发生脱水的变质相。

一般来说，低级变质作用产生的流体富含H₂O，高级变质相中产生的流体以高密度CO₂为主；原岩如为蒸发岩，则放出富NaCl的卤水；原岩如为碳质沉积岩，则放出富含水和二氧化碳的流体。

在变质作用过程中岩石能否发生脱水反应取决于体系的反应自由能、温度和压力以及体系的成分等参数。此外，还要考虑时间的因素。大多数的矿物脱水反应是吸热反应，实验表明大约是每失去1 mol水，需吸收10×4186.8J热量。因此，在高热流值的地质环境中，矿物的脱水反应容易进行，而在低热流值的地质环境里这类反应进行得很缓慢。

压力对脱水反应的影响比较复杂，因为在不同的围压和地质环境下，水的分压不同。因此，需将各分压的因素尽可能地考虑进去，才能合理地判定脱水反应是否可以进行及产生了多少流体等。

加拿大太古宙金矿床是变质流体成矿的较典型例子（Burrows D R等，1986，1987）。金矿产在遭受强烈变质作用的太古宙地层中，变质程度从绿片岩相到角闪岩相。形成金矿的变质流体的主要特征是：①流体主要以水为主，成分相当均匀，含有少量的CO₂和CH₄；②成矿流体来源于变质岩，这种变质流体沿剪切带上升时，与围岩发生了反应，形成了典型的蚀变组合；③成矿的变质流体的量是相当大的，并以剪切带作为活动通道。

（三）热卤水与成矿

热卤水是指盐度大于50克/吨，以NaCl为主，并富含I、Br、B、Rb、Cs、Sr、Ba及金属元素的天然加热水体。热卤水的温度大多在200℃以下，属于中低温的范围，矿化度最高可达360克/吨，且随着矿化度的增高，成矿元素的含量也增高。热卤水可以是海水蒸发浓缩而成，可以是陆相盐湖成因；可以是盐矿溶滤形成，也可以因干旱、半干旱地区地下水长期大陆盐化而形成。不同环境形成的卤水的化学成分和同位素组成有较大的差异，成矿特点也不尽相同。

热卤水作为成矿流体的想法由来已久。在地质实践中，人们发现一类与岩浆作用、变质作用均无多大关系，分布在一定的层位中，但又常呈透镜状和脉状切穿层理的热液矿床是由热卤水形成的。此外，在石油勘探中发现的油田水，实际上都是热卤水，这种热卤水和石油有明显的成因联系；同时许多资料也表明一些大的油气田周围常伴生有规模较大的金属矿床。在现代海底，如红海海底、加利福尼亚索尔顿海底也都发现有高盐度的卤水，其中有含量不同的金属（如铅、锌、铜等），元素的种类和含量与世界上大多数这类矿床的一致。这些实例表明，热卤水很有可能就是一种成矿流体。

当矿源岩（层）等经过热卤水的渗透、淋滤时，一些成矿组分被溶解，成为含矿卤水或潜在的溶矿卤水被保留在岩石孔隙带中。当它们受到以后的构造运动或地热增温的驱动，能将金属搬运到适当地段而富集成矿。

热卤水对层控矿床的形成作用以密西西比河谷型（MVT）矿床研究较为深入，而该类矿床的闪锌矿流体包体成分又与油田卤水很相似。研究表明，油田卤水的最重要的物理化学特征，与赋存于沉积岩中的贱金属硫化物矿床卤水的温度（100℃～150℃）、盐度很相似。油田卤水由于它的高盐度（5～7mol/L的NaCl）和低pH值（＜4.3）的特征，使得它本身具有同时溶解较高含量的金属成矿元素和还原硫的能力，在从蓄水层向成矿地点的长距离运移过程中，能够不断地萃取围岩中的成矿金属组分，而转化成为成矿流体。因此，它是形成密西西比型矿床的一种重要的潜在成矿流体。

（四）地幔流体与成矿

地幔流体是与地幔岩石处于平衡的气体和挥发分，通过地幔岩包体中流体包裹体以及玄武岩玻璃中化学组分的研究了解到，地幔流体的主要化学组分为碳、氢、氧、氮和硫（CHONS），以及少量氟、氯、磷等，在弱还原条件下以CO₂-H₂O为主，在强还原环境则主要为CH₄-H₂O-H₂（曹荣龙，1996）。杜乐天（1996）强调碱质（钾、钠以及锂、铷、铯等）在地幔流体中的作用，将地幔流体成分缩写为HACONS，其中A即Alkali。

地幔流体易溶于硅酸盐熔体，对于大离子亲石元素（Ca、K、Rb、Sr、Na）和LREE、Ti、Nb、Ta等有较高的溶解度。地幔流体可对地幔岩发生交代作用，从而改变地幔的组成。

根据流体的起源和环境，路凤香等（1992，1996）将地幔流体划分为3种类型：①与幔源岩浆有关的晚期流体。幔源岩浆在深部结晶的晚期可分异出以H₂O或CO₂为主的流体，它们在深部可发生交代作用，生成金云母、钾碱镁闪石、磷灰石和碳酸盐等。②软流层起源的熔体／流体。上地幔软流层熔融岩浆后，一部分可凝聚上升侵位或喷出地表；另一部分因数量少或不具备通道仍存于地幔内部，在高压条件下常结晶成粗大晶体，还可对周围地幔发生交代。③超深流体。来自较深地幔或可能来自核幔边界。根据对金伯利岩、金刚石等的矿物、元素和流体包裹体研究推测，这种超深流体的组成包括碳、氢、氧、氮、硫、氟、氯、磷、碱金属、铁、硅、铜、铅、锌、锡、银、金等。流体的氧逸度很低，自深部向上硫逸度增大，运移过程中形成硫化物。推测超深流体可以呈独立的物质流透入到幔源岩浆中，也可与地幔中存在的其他流体发生反应或混合。杜乐天（1996）系统地研究了地幔流体的组成、演化和成矿作用。他认为，碱交代作用是地幔流体交代地幔和地壳的基本机制；碱交代岩是地幔流体转变为热液的化石记录。而拆离断层构造体系则是地幔流体上升到地壳的活动通道。他还提出，天然气-油-盐类-金属的成矿是统一的热液成矿作用系统。

据研究，幔源流体对金刚石、火成碳酸盐有关磷、稀土矿以及镍、铂和金等矿床的形成有重要意义。

（五）有机质流体与成矿

有机质流体的成矿作用是矿床学和有机地球化学的研究课题。已知在不少金属矿床的矿物包裹体中含有烃类物质。例如，MVT型铅-锌矿床的成矿流体为H₂O+有机质（油气）；陕西公馆大型汞-锑矿床的辰砂晶体包裹体中，发现了含油气的有机质流体；滇、黔、桂卡林型金矿的成矿流体中皆含有机质。又据报道，一些油气田中，金含量较高，有的重油中含金达2×10^-6（山东胜利油田）。因此，含有机质流体的形成、演化及其对金属元素的萃取、输运和卸载聚集中所起的作用，已成为引人入胜的研究领域。金属矿床（化）和油气藏常相伴生的原因也需要从对有机质流体的研究中获得科学解释。近年的研究表明，不仅铁、锰、磷、铝等沉积矿床的形成与生物有机质关系异常密切，多数层控型金、铅、锌、汞、锑、砷、铀等矿床的成矿流体也富含有机质。据傅家谟等（1986，1990）实验证明，含有机质的水溶液比单纯含无机盐的水溶液中，矿质的溶解度要高得多，可达几倍到十几倍。有机配位基可以与铅、锌等形成稳定的可溶性金属-有机配合物，它们在水溶液中具有良好的热稳定性（180℃～240℃）。据张文淮等（1996）研究，滇、黔、桂区金、汞、锑、砷矿床的成矿温度多在200℃以上，盐度低（＜5%），有机质主要为气态烃类，以-CH₃、-CH₂、C-CH₃等形式存在，说明该区成矿金属除与无机质形成配合物迁移外，更多的可能是与有机质形成气态金属有机配合物迁移。

大量研究结果表明，很多金属矿床与富含有机质的流体密切有关，它们在空间上常产于盆地边缘或盆地腹地中；在成因上，它们与有机质有成生联系。有机质在金属元素的活化萃取、迁移和卸载堆积等各个成矿阶段，均扮演着很重要的角色。