Question

水-岩相互作用

Answer 1

对于封闭的热液系统,可写出两个基本方程。第一个简单地描述水与岩石间的同位素平衡:

地球化学

式中:下标 W指水;下标r表示岩石;上标f表示最终值。因此式 (7-48)正好说明水与岩石的最终同位素组成间的差别等于分馏因子 (假定处于平衡)。

第二个方程是封闭系统的质量平衡:

地球化学

式中:c指浓度 (假定浓度不变,对于氧是有效的,但其他元素可能无效);W指水的质量;R是所涉及岩石的质量;上标i指初始值;f指最终同位素比。这个方程正好说明反应前的同位素量必须等于反应后的。将两个方程相结合,得到水-岩比值的下列表达值:初始δ¹⁸ O一般可从未蚀变样品与大气降水的δ¹⁸ O线得到,最终的流体与岩石同位素组成由包裹体及蚀变岩的同位素组成得到。如果知道该岩石中相关矿物相的形成温度,便可估计出分馏因子。对于氧,岩石与水的浓度比在所有情况下均接近0.5。

图7-20 同化与分离结晶作用过程中氧同位素随结晶分数的变化关系

(据 White,2000)

围岩的δ¹⁸O=+19‰,初始岩浆δ¹⁸O=+5.7‰

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方程 (7-50)在地质上是不现实的,因为它用于封闭系统。对于完全开放的系统,水通过热的岩石将是更为现实的情形。在这种情况中,假定少量的水,dW,通过系统并导致岩石同位素组成上的增量变化,dδ_r。这种情况下,可写出:

地球化学

此方程表明由岩石交换的同位素质量等于由水交换的同位素质量。重排并积分上式得到:

地球化学

因此,对于开放系统可像封闭系统一样推断出水-岩比值。

氧同位素研究在水-岩相互作用中是一种很有价值的工具。蚀变矿物常常 (尽管并不总是)与最大的水通量区域相伴,如侵入体上热水上涌区。这些区域可能具最低的δ¹⁸ O值。为了解其机理,解方程式(7-52)中的

(岩石中的最终δ¹⁸O值)表示为

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假定岩石与水具初始均一的同位素组成,除了W/R与Δ外,所有的项都是常数,并且是温度的函数。因此,最终的δ¹⁸ O 值是平衡温度、W/R比的指数函数,如图7-21 所示,假定原始岩浆水的δ¹⁸ O为 10‰,大气降水的δ¹⁸ O为-2‰。

以蒙脱石的氢、氧同位素组成为例,分别计算以式 (7-50)为代表的封闭系统和以式 (7-53)为代表的开放系统在 100℃下,由于与大气降水的相互作用而造成的同位素组成的变化。计算中,蒙脱石-水的氧同位素分馏方程采用 10³ lnα=2.67 × 10⁶T^-24.82,氢同位素分馏方程采用 10³lnα=-19.6×10³T^-2+25 (郑淑蕙等,1986);大气降水的δD=-6‰、δ¹⁸ O=-2 ‰;蒙脱石的原始δD=-60‰、δ¹⁸ O=16‰。计算结果如图7-22 所示,在该图中将沉积岩、原始岩浆水的同位素组成范围也一并标出。从该图可知,矿物/岩石与水相互作用过程由于水-岩比的不同导致最终产物的同位素组成发生漂移,这种漂移是由温度所决定的矿物-水之间的分馏因子、交代流体的同位素组成、流体与岩石中的氢和氧的含量等多种因素决定的。

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图7-22 蒙脱石—水相互作用造成的氢、氧同位素漂移