流体包裹体的研究现状

流体包裹体在地质中应用摘要: 在多数地质作用过程中, 流体都担任着元素迁移的载体、化学反应的活化剂的角色。

大量研究表明, 岩石、矿物以及元素在有无流体的情况下会表现出迥异的物理和化学性质, 所以对于认识某一地质过程而言, 流体方面的研究往往能够提供极其重要的信息。

流体包裹体则以其直接反映古流体的成分, 在各种矿物中的普遍存在性, 以及对各种后期改造有一定的抵抗力等特点而成为研究古地质流体的最佳样本, 并已经被成功地应用到各种地质过程的研究中。

结合前人的研究，本文系统阐述了流体包裹体研究中常用的分析方法及变质岩中流体包裹体的研究, 并举例说明了流体包裹体在矿床学、石油地质学中的应用。

流体包裹体研究是目前地球科学研究中最活跃的领域之一, 已广泛应用于矿床学、构造地质学、石油勘探、地球内部的流体迁移以及岩浆岩系统的演化过程等地学领域。

通过阅读大量该领域的文献，本文就流体包裹体研究的基本原理、分析技术、地质应用的最新进展以及可能的发展方向作了系统的阐述。

1 流体包裹体的种类和区分流体包裹体按其捕获时间与主晶矿物( hos-tminera l)形成时间的关系可以分为原生和次生流体包裹体。

原生包裹体是矿物形成时包裹周围的流体而形成的, 而次生包裹体的形成晚于主晶矿物, 一般与后期主晶矿物的改造事件有关。

二者由于形成时间和方式不同而携带了不同的信息。

原生包裹体指示了主晶矿物形成时的流体环境和物理化学条件, 次生包裹体则指示了主晶矿物后期被改造事件中的流体环境、构造特征以及物化条件。

这就要求我们在流体包裹体研究中必须正确地区分它们。

一般来说, 原生包裹体和次生包裹体的区分可以应用如下两条准则: 一是根据包裹体的形状和分布特征判别, 即原生包裹体的形状往往是规则的, 常呈孤立状或沿主晶矿物某一结晶方位或生长环带分布, 次生包裹体的外形一般是不规则的, 多沿愈合裂隙分布; 二是同一成因的包裹体密度、均一温度、盐度和成分是近似的, 可与已知的原生或次生包裹体进行对比和归类[1]。

当然, 这两个规则也不是绝对的, 只有较综合地观察包裹体形态以及主晶矿物与包裹体、包裹体与微构造、包裹体与包裹体的关系才能得出准确的结果。

包裹体最规则的形态即是主晶矿物的负晶形, 它是包裹体在主晶矿物晶格力场和重力场长期作用下达到的表面能最小的形态。

一个液体系统在无力场(如外太空)的情况下由于表面张力会收缩为完美的球形, 而在重力场作用下则为水滴状。

包裹体内的液体体系主要受晶格力场和重力场作用, 而晶格力场在微观尺度上要远远大于重力场, 这导致包裹体与主晶矿物达到平衡时最稳定的形状是主晶矿物的负晶形。

负晶形包裹体一般是包裹体形成后与主晶矿物长时间的溶解) 沉淀作用形成的, 以原生包裹体居多, 因为原生包裹体形成时间早并且一般在矿物形成早期温度较高, 溶解) 沉淀反应较快, 较易达到平衡[2] 。

此外尚有实验表明变形及重结晶作用也会形成负晶形包裹体, 如Sterner等[3] 研究了在实验模拟的变质埋藏) 隆起条件下石英中包裹体的再平衡, 发现在短时间内包裹体的内压比围压高100MPa条件下, 多数包裹体未发生变化, 当压差达到400 MPa时, 所有的包裹体的密度都降低, 同时, 包裹体的形态发生了改变, 且密度降低最多的包裹体有最规则的自形形态。

Barker等[4] 在研究挪威北部退变质石英脉中流体包裹体时发现有两类包裹体: 一类是拉长的形状不规则的包裹体, 另一类是等径、规则的或负晶形包裹体。

经过细致的研究后表明第一类包裹体经受很少或未经受捕获后的改造, 而第二类包裹体显示了捕获后经受非弹性拉伸或渗漏的特征, 表现为伴随包裹体体积的增加和密度的降低, 其均一温度增高, 但盐度不变。

可见, 在有些情况下, 次生包裹体经变形及重结晶作用也会具有负晶形形态。

由此, Van den Kerkhof等[2] 强调了应用负晶形鉴定原生包裹体要十分谨慎。

2 流体包裹体分析及显微测温方法阴极发光显微镜分析已经成为岩石学研究的一个强有力的工具[ 5,6]。

近年来一些学者将其应用到包裹体研究中来并取得了不错的效果, 其中以石英的阴极发光研究最为活跃。

石英中的阴极发光基本上是晶格中的微量元素引起的或主晶矿物固有的点缺陷激发的[7]。

不同成因不同温度下形成的石英在阴极发光显微镜下的发光特征不同, 这在成岩成矿演化、显微构造研究和包裹体与主晶矿物捕获时间的确定等方面有重要指示意义[1]。

而近些年发展起来的扫描电子显微镜配合阴极发光( CL-SEM )使得矿物的原始生长结构, 各种类型的次生显微构造,流体包裹体与主晶矿物间的先后关系等研究更加准确、系统, 为原、次生流体包裹体的区分提供了依据。

以显微热台、冷热台以及爆裂仪为代表的流体包裹体显微测温技术现已达到成熟, 为广大流体包裹体研究者所熟知, 卢焕章等[1]已对这一方面作了详细的介绍。

如何能获得更好的数据精确度以及如何避免包裹体内亚稳相对测温数据的干扰等方面的研究是近年研究的热点。

由于流体包裹体的显微测温是以包裹体随温度变化而产生相变为基础, 所以亚稳态的存在会直接影响到包裹体显微测温数据的准确性。

因此, 如何能排除亚稳态的干扰是包裹体显微测温中一个重要问题。

最近Krger 等[8]对消除包裹体内亚稳态作了详细的研究。

他们用精确聚焦的飞托秒激光脉冲来诱导冰、纯液态包裹体的气泡以及过饱和卤水盐类晶体的成核作用, 从而抑制亚稳相在流体包裹体中的存在。

诱导成核作用的激光强度约为10 TW /cm2。

为了避免对包裹体造成潜在的破坏, 他们还测定了对石英能产生显微镜下可见的剥蚀的激光强度阈值, 发现要比气态成核作用需要的激光光强高一倍, 比固体成核作用需要的激光光强高约25%。

因此, 通过较好的能量控制, 在能产生成核作用的激光强度下是不会对包裹体造成破坏的。

此外, 关于流体包裹体测温数据有效性的研究近年来也取得了重要进展, Goldstein等[9]提出流体包裹体组合( FIA 全称)的概念对测温数据有效性的制约越来越受到大家的重视。

FIA 指的是/ 岩相学上能够分得最细的有关联的一组包裹体0或/通过岩相学方法能够分辨出来的、代表最细分的包裹体捕获事件的一组包裹体。

每个FIA 都是建立在岩相学关系上的, 而不是测温数据的相似性, 代表了一个在时间上分得最细的包裹体封存事件[ 10]。

从流体包裹体组合的定义可以看出, 鉴别一个FIA的最重要的依据是捕获的同时性。

这个同时性必须有岩相学依据, 而不是根据包裹体测温数据是否相似。

相邻的两个包裹体有很相似的均一温度, 这并不意味着它们属于一个FIA, 除非有岩相学证据证明它们是同时被捕获的。

反过来, 如果一组包裹体的测温数据不一致, 我们不能因此就说它们FIA[11]。

一般来说沿愈合裂隙或生长带分布的流体包裹体是最容易鉴别的FIA, 但如果有多期的次生或假次生包裹体叠加, 划分FIA 就不那么容易了, 要进行详细的岩相学观察, 在一些情况下, 阴极发光研究也是十分必要的[2]。

FIA 概念用于包裹体数据评价的依据是: 如果FIA 内的包裹体捕获了一个均一的流体相, 且其体积和成分在捕获后未发生变化, 那么这些包裹体就应该有相同的成分、密度和均一的温度。

这样, 如果FIA 内流体包裹体的测温数据是一致的, 就可以推测均一捕获和等容体系的假定是可以满足的, 因此测温数据是有效的[12] , 在进行数据汇总或统计时, 应取整个FIA 内所有包裹体的平均值为代表, 而不应将每个包裹体的数据都列入; 反之, 如果FIA 内包裹体的测温数据变化很大, 那么可能是因为初始包裹体就是非均一捕获不同相的流体形成的或者FIA 内的包裹体在捕获后发生了不同程度的改造或破坏(如卡脖子、拉伸或渗漏), 这种情况下包裹体的测温数据是无效的, 不应纳入数据汇总或统计。

在很多情况下, 一组包裹体是否属于同时捕获是很难确定的, 因此不能严格地用FIA 的方法来判定数据的有效性, 但是, FIA 的原理还是可以提供一些制约。

详细的包裹体测温“填图”, 结合已知FIA 数据, 可能可以解决这种多解性问题。

3 流体包裹体的地质应用3.1 变质岩中流体包裹体研究的应用流体包裹体由于能够提供有关成岩流体的直接信息, 现已广泛应用到各种地学领域。

变质岩中的流体包裹体研究正方兴未艾, 在研究有关变质作用期间流体的化学组成、来源、运移过程以及流体岩石相互作用等方面发挥了不可替代的作用。

毕竟只有流体包裹体才是可供研究且保存至今的变质作用流体实体样本。

但变质岩形成及演化的时间较长, 变质作用过程也较复杂, 使得变质岩中流体包裹体捕获后的改造较之沉积岩、岩浆岩要复杂得多, 研究起来也最为困难。

准确区分原生与次生包裹体, 寻找流体包裹体捕获后发生变化的各种识别标志以及正确评估流体包裹体捕获后的改造效应和数据的代表性成了变质岩中流体包裹体研究的基本问题。

这些问题至今还没有完美的解决方法。

全面地研究流体包裹体数据, 进行较细致的镜下观察并与其他矿物岩石学、地球化学等方法获得的资料相结合, 多方限制是当前变质岩中流体包裹体研究的合理方法。

近些年来国内外学者在这一领域取得了丰硕的成果,也提出了许多的问题。

5. 2 流体包裹体在矿床学研究中的应用众所周知, 在成矿过程中流体的作用是巨大的,了解成矿各个阶段流体的化学组成以及物理化学条件对于我们研究成矿机制是非常有帮助的。

流体包裹体能够为我们提供关于成矿流体特征的最可靠信息, 包括成矿流体的温度和压力、成矿流体的成分信息如盐度、金属离子含量、气体的逸度等。

这些数据为我们以金属离子运移、流体冷却和成矿元素沉淀模式来讨论和阐明成矿机制提供可能[ 13]。

因而流体包裹体研究很早就被应用到矿床学研究中, 并且由于能够提供直接的成矿流体的基本信息, 现在已经成了矿床学研究中一个不可或缺的工具。

3.3 流体包裹体在成油研究中的应用流体包裹体的显微测温技术已经成功地被应用到石油勘探中。

应用流体包裹体的研究可以获得流体的温度、期次, 以及来源于不同成岩矿物的空隙流体的组成[ 13 ] , 并以此来推断石油运移的时间及运移时的温压条件。

近些年来, 流体包裹体的显微测温数据被用来更完整的重建成油区的热历史, 并取得了很好的效果[ 14, 15 ]。

油气包裹体在成油过程研究中的应用主要有以下两个方面: 其一, 是根据包裹体的显微测温数据以及计算的捕获温度、捕获压力等资料, 研究盆地烃源岩和储层的热演化历史, 为油气勘探评价提供基础资料。

其二, 是根据各类烃包裹体的观测分析资料, 剖析油气生成) 运移) 聚集的成藏信息, 直接为油气普查勘探提供科学依据。

前者一般以测定盐水包裹体均一温度、冰点温度为重点, 后者以研究油气包裹体产出和分布特征为重点[ 16, 17]。