地质流体与成矿作用--流体地球化学(南京大学)

地 球 科 学
随着地球科学的发展，人们逐渐认识到流体在地球 科学研究中的意义。
（三）流体-矿物界面反应
流体是联系地球系统各圈层、 各部分之间物质与能量传输、 转移、交换、循环的主要载 体（介质）
流体活动贯穿于一切地质作用 之中。甚至可以说流体控制了 各种地质作用的发生和进行
因此，流体是地球系统科 学的重要研究内容之一。
2、水-岩反应的实例简介
地下水水质变化受WRI控制的若干例子： A. 澳大利亚 Otway盆地早第三系含水层地下水富Na+ ，
Blake 研究认为是由于白云石的溶解释放出Ca2+Mg2+， 而Ca2+Mg2+又置换了钠贝得石（beidellite）并释放出 其中的 Na+进入地下水： CaMg(CO3)2 + 2H+ Ca2+ + Mg2+ + 2HCO3 Ca2+Mg2+ + Na-beidellite 4Na+ + CaMg粘土矿物 基置换软化理论 (base exchange softening) ——由于 Ca2+Mg2+置换某些矿物中的Na+，从而使Ca2+Mg2+进入 固相、Na+进入水中，导致水质变软。 该含水层由于基置换而使地下水成为Na-HCO3型软水。
大气降水与海水在化学成份上的差别
河水(ppm) Na K 6.3 2.3 海水(ppm) 10500 380
Ca Mg
Cl HCO3 SO4 总计
15.0 4.1
7.8 58.4 11.2 129.5
400 1300
19000 140 2650 34467
大气降水的化学类型是Ca-HCO3型；而海水是Na-Cl型。 海水的盐度或TDS （3.5%）比地表淡水高 200倍以上。
流体-矿物界面发生的基本反应
FMI的地质意义 影响矿床的形成
吸附——有用金属被 大量吸附于某些矿物 的表面，是形成矿源 层（岩）的重要机制， 如粘土矿物、Fe的氧 化物对Cu的吸附， 方解石表面对ZnCd-Co-Ni等二价金属 的吸附等。还原吸附 是一种直接的成矿方 式。 解吸——造成有用金 属活化转移，提供矿 源。淋滤造成有害组 份流失，有用金属残 留富集，如BIF。
大气降水与海水在同位素组成上的差别
原因是氢氧同位素分馏
轻同位素（H、16O）易蒸发，从而进入大气层，变成 大气降水；而重同位素（D、18O）留在水中。使海水 变“重”。水蒸汽在凝聚过程中同样发生了分馏：轻同 位素（H、16O）留在蒸汽中，而重同位素（D、18O） 组合成降水。 上述蒸发和凝聚作用的综合结果，造成大气降水的氢氧 同位素明显低于海水，而且，由于多次分馏的积累，形 成一系列“效应”（大陆、高度、纬度），即随 着远离海岸线、海拔升 高、纬度增高等，大气 降水的 D 和 18O 逐渐 降低。
for ore-forming fluids
—— Juvenile water 初生水 —— Meteoric water 大气降水 —— Ocean (Sea) water 海水 —— Connate water 同生水 —— Metamorphic water 变质水 —— Magmatic water 岩浆水
（一）地质流体概述
1、地球系统科学与地质流体
联合国21世纪议程认为：地球系统科学 是可持续发展战略的科学基础。 地球系统科学强调地球是一个整体，将 各圈层看作相互有机联系的地球系统。 地球系统科学把太阳和地心作 为两个主要的自然驱动器，把 人类活动作为第三个促动因素， 认为所有发生在地球系统中的 重大全球变化都是在上述三个 力的作用下，通过物理、化学、 生物过程相互作用的结果。
（二）水-岩反应概述
• C. 荷兰中部及东南部砂质土壤原含优质地下水，
为饮用水源。上世纪60年代以来，该地区畜牧业迅 速发展，牲畜数量急剧增加，而地下水质逐渐下降。 • Van Beek研究水质变化的原因，结果：牲畜的粪便 数量远远超出饲料（玉米）生长所需，所以不断渗 入地下。大量的硝酸根与土壤基质发生WRI，反应 之一是硫化物的氧化作用和硝酸盐的脱氮作用： • 2FeS2+6NO3+4H2O 3N2+2Fe(OH)3+4SO4+2H+ • 这一反应使土壤肥力增加， 同时由于硫化物的分解使某些 重金属离子如Zn、Ni、Co、 Cd、As等进入地下水，使地下 水中这些重金属含量不断增高 并超过了饮用水标准。
（一）地质流体概述
2、流体、地质流体的定义和内容 ——
几种不同的表述： （1）流体的简单定义：能够流动的物体。主 要是液态、气态物体。固体在受热、受力、 变形后也可流动，如熔体、泥石流等。 （2）流体是以水为主、含有各种溶解物的液 体或气体；溶解物包括可溶性气体（CO2、 CH4、H2S、HF等）、简单离子（H+、Na+、 K+、Ca+、Mg+、Cl-等）以及络离子等。
地质流体与成矿作用
二、成矿流体的来源和性质
1、成矿流体中水的几种可能来源 2、大气降水与海水
3、同生水
4、岩浆水
5、变质水
6、成矿流体中水的来源判别
二、成矿流体的来源和性质
1、成矿流体中水的几种可能来源
• 成矿流体是地质流体中的一部分。一般来说，成矿 流体是以水为主要组份的流体，因此，成矿流体的 来源实质上是水的来源。 • D.E.White (1974): Diverse sources of water
成矿作用与流体的关系极其密切
• 有些流体本身就是矿产资源（固体矿产和化石能源）。 属于（矿产）资源的流体有：石油、天然气、卤水、 非烃类气体（CO2、N2等），地下水资源，地热资源 等。 • 流体贯穿成矿作用的全过程。成矿过程是分散的有用 元素迁移-富集的过程，必须有流体参与。成矿4要素： 物质、能量、流体、构造，其中流体是关键。 参与成矿过程的流体称为成矿流体。
（3）P.J.Wyllie (1991)：流体应包括熔体、液体 （H2O为主）、气体（CO、CO2、CH4）、 超临界液体及未确定的流体相。 （4）Geofluid’93：地质流体由 oil, gas, ore solution和 ground water四种流体组成。 （5）陶于祥等（1994）：地质流体是存在于矿 物岩石的微观晶格、裂隙和宏观构造（节理、 断裂、褶皱）中的流体。
（二）水-岩反应概述
B. 某些地下水富氟可能与基置换软化有关
Boyle的研究表明：加拿大新不伦瑞克Maritime盆 地白云石溶解产生的Ca2+Mg2+，因为大量置换Na+ 而进入蒙脱石中，不能参与对地下水中F-的固定作 用，从而使地下水成为 Na+- F-- HCO3 -型高氟软水， F含量高达 25ppm，大大超过了WHO制定的饮用水 含氟标准（1.0~1.5mg/L)，对人的骨骼、牙齿健康 有较大影响。 Ca是F的固定剂，高F常因低Ca引起。 （贵州是全国地方病危害最严重的地区之一，是中 国乃至世界最集中的氟中毒病区。）
一般来说，地质流体不包括江河湖海等地表水系统，但 由于水的循环，所以必然要涉及。 地质流体主要研究固体地球范围内的流体活动。
（一）地质流体概述
地球中流体的量的估算：
• 海水质量=1.41024g (相当于1.351018m3) • 地壳含水量=6.9 1023g~ 1.41024g (约占地 壳总质量的3~6%) • 地幔=1.2 1024g (约占地幔总质量的0.03%) 地幔流体是与地幔环境平衡的气体和挥发 份（mantle degassing) —— 后两者可以看作地质流体。可见地质流 体的量是很大的，因此可以在地质过程中 发挥很大的作用。
3、流体-矿物界面反应基本内容和进展 水-岩反应的实质是流体-矿物反应 （Fluid-Mineral Interaction——FMI）
对FMI的观察和认识已逾百年，但蓬勃发展始 于20世纪70年代末，至80年代末形成高潮。 流体-矿物界面的所有作用或反应最终归结为两 类基本反应：吸附与解吸 • 吸附 (sorption) —— chemical species attach to mineral surface • 解吸 (desorption) —— chemical species detach from mineral surface
流体-矿物界面的大多数溶解过程包括几个步骤
例如碱性长石的溶解是分两步完成的 Fluid
H3O+
1、水合氢离子H3O+在长石表面被吸附，并与 K+ (或Na+)进行离子交换，形成表面薄层 KAlSi3O8+ H3O+ H3OAlSi3O8+ K+
1扩散
2吸附
Mineral
3表面反应 4解吸
2、长石表面层的水解（解吸）作用 4H3OAlSi3O8 2Al2Si2O5(OH)4+H2O+8SiO2
地质流体与成矿作用
南京大学 地球科学系 华仁民 2008年9月
硕士研究生课程：地质流体与成矿作用
一、地质流体与水岩反应概述 二、成矿流体的来源与性质 三、成矿流体的运移及其对金属的搬运 四、成矿流体与岩石的反应 五、金属从成矿流体中沉淀的主要机制 六、热液成矿系统与地热系统
一、地质流体与水岩反应概述 （一）地质流体概述 1、地球系统科学与地质流体 2、流体、地质流体的定义和内容 （二）水-岩反应与流体-矿物界面反应 概述 1、水-岩反应的基本概念 2、水-岩反应的实例简介 3、流体-矿物界面反应基本内容和进展
二、成矿流体的来源和性质
大气降水与海水在同位素组成上的差别
标准海水的氢氧同位素组成都在零值附近，在 D-18O图上标准平均海水（SMOW）位于零 点，但也有一定的分馏范围（ D= -7 ~ +5‰， 18O = -1 ~ +0.5‰）。 而大气降水的18O和 D绝大多数是负值， 变化范围: 18O=10~ -50‰, D=50~-350‰。
而以往的地球科学一般分为固体地球科学与流体地球科学， 二者往往截然分开，传统的固体地球科学主要研究固态物 质如矿物岩石，而未重视对流体的研究。
大气圈
地 球 系 统
生物圈 水 圈 固体 地圈
{ } { } {
流体地球科学
地壳 地幔
大气科学
海洋科学 水文学 地理学 地质学 地球物理学 地球化学
地核
固体地 球科学
（二）水-岩反应与流体-矿物界面 反应概述
1、水-岩反应的基本概念
• 流体（水）在地壳中不是孤立的、而是与矿物岩石一起存在的， 它们之间由于状态、成分、性质等方面的差异而发生作用或反应， 即水-岩相互作用，或水-岩反应 (Water-Rock Interaction)。 • 水-岩反应在地球表面及内部所发生的各种地质过程中都起着重要 作用，无处不在。某些地质过程的本质就是水-岩反应。 • 水-岩反应 (WRI) 具有广泛的含义。最广义理解：水圈和固体地圈 的反应。 • 水-岩反应涉及风化、剥蚀、沉积、成岩、变质、火山-岩浆活动、 热液交代蚀变、成矿作用等各种地质作用。
◇是一种直接来自地幔的新生水， 尚未进入水圈的循环。 ◇数量极有限，与成矿关系不大， 较少讨论。 ◇但是归根结底地球水圈中的水可 能都来自Juvenile water 。来自地幔 排气。
杜乐天：HACONS的垂直分带
二、成矿流体的来源和性质
2、大气降水与海水
• 是水圈的最重要组成部分，构成地表水，并 且是水圈中水循环的主体。 • 在数量上海水占绝大部分（97.5%）。 • 大气降水主要由海水的蒸发而形成。而海水 中物质的最主要来源是大气降水。 • 大气降水与海水的主要差别是化学成份和同 位素组成。
地质流体是地球科学的前沿研究领域之一
• 目前公认，前国际地科联（IGU）主席、加拿大W. S. Fyfe于1978年出版的 “Fluid in the Earth’s Crust” 是 一个里程碑。 • 20世纪80年代以来，对地壳中及地球内部流体的大量 存在及其意义的研究是国际地球科学重大进展之一。
Байду номын сангаас
二、成矿流体的来源和性质
大气圈
水圈
O-HACONS A-HACONS H-HACONS 外地核H流
1、Juvenile water 初生水
★ formed chemically within the earth. ★ new to the hydrologic cycle. ★ brought to Earth's surface through volcanic eruptions or in intrusive rock .