地质流体与成矿作用读书报告

论地质流体与成矿作用
摘要:流体不仅是地球的物质组分，而且是最活跃的组分，是地球几个圈层间质量、能量交换最直接的媒体。

地质流体是一定地质作用的产物，而矿床的形成过程与特定地质构造背景下地质流体的产生、运移和聚集有着密切联系。

本文重点讨论了流体成矿作用的主要机理和流体成矿系统的主要特征。

并着重探讨了混合流体对砂岩型铀矿成矿的影响，得出流体混合不但改变流体的物理化学条件，更重要的是改变流体的化学组成，导致流体化学平衡的破坏，引起流体卸载成矿。

通过以上论述，加深了自己对《地质流体与成矿作用》这门学科的认识。

关键词:地质流体；成矿作用；混合流体；砂岩型铀矿
0 引言
地质流体在各种成矿作用中都起到重要媒介作用，从古代的矿床到现代的地热区，从洋底经岛弧区到大陆内部，都有一系列热水沉积成矿作用出现。

成矿物质是以成矿流体为载体进行迁移的, 成矿物质迁移与成矿流体的运动息息相关,成矿流体运动的方式制约成矿物质的迁移, 如果成矿流体不运动就不可能发生成矿物质的迁移和聚集。

一些大型、超大型矿床的形成与热水流体作用有密切关系。

Fyfe(1978,1985)首先注意到地壳中大规模流体运移与成矿的关系，随后并着重讨论了流体运移所产生的许多重要现象;Kerrich(1992)提出了板块和地体碰撞带中大范围流体运移与石英脉系统的成因模式。

国内研究者在研究矿床成因时也特别关注流体与成矿作用的相互关系强调了中低温热液矿床中成矿物质的溶解、运移、富集与沉淀作用过程与大规模流体运动密切相关。

流体在成矿作用过程中扮演着十分重要的角色，是金属成矿物质得以活化、迁移和富集的主要介质。

几乎所有矿床的形成都直接或间接地与各种流体不同程度的参与有关。

砂岩型铀矿也不例外。

不同类型盆地中不同来源、不同组成、不同性质的流体混合对砂岩型铀矿成矿也有着重要的影响。

流体混合不但改变流体的物理化学条件，更重要的是改变流体的化学组成，导致流体化学平衡的破坏，引起流体卸载成矿。

不同构造背景下形成的盆地、流体特征及其对砂岩型铀矿成矿的影响不同。

1 流体的概念
杨巍然、张文淮( 1996) 将流体定义为存在于大气圈、地面与地下特定范围
的、以水为主含有超溶气体(如CO
2、CH
4
、H
2
S、HF等) 、简易离子( H+、Na+、K+、
Ca2+、Mg2+、CL_)以及络阴离子的气体或液体。

狭义流体则单指存在于矿物岩石微观晶格、裂隙、宏观构造( 节理、断裂、褶皱等) 中的“地质流体”,简称“流
体”。

Wyllie ( 1991) 所定义的流体包括熔体、液体(H
2O)、气体(CO
2
、CO、CH
4
)、
超临界液体及未确定流体相。

卢焕章认为流体包括:( 1) 各种成分的岩浆；( 2) 以水为主的流体,包括岩浆水变质水原生水海水卤水地表水和地热水等；( 3)以碳氢化合物为主的流体,
如石油天然气等；( 4)存在于矿物和岩石中的挥发分,包括H
2O,CO
2
卤素, 硫和其
它( 如O
2,H
2
,N
2
, 惰性气体等)；( 5)矿物和岩石受到应力作用所发生的形变( 从
晶格变形到大规模的岩石形变和位移)产生的流体。

尽管中外学者对流体有不同理解, 但越来越多的人认识到和越来越多的证据都证实了地壳中流体的大规模存在, 说明了流体是许多地质作用发生和发展
的重要机制和原因这一事实。

岩浆作用、变质作用、沉积作用、剪切作用、断裂作用、板块俯冲作用、裂谷作用等过程中都伴随有流体活动。

而地质流体是在一定的地质环境中形成的地质产物，其形成主要与各种地质作用有关，而成矿流体是地质自然流体在特定地质环境中经过特定的演化阶段形成的特征产物，是富含挥发份、卤素及不相容碱金属、碱土金属元素的流体溶液，但在不同成矿流体中其溶质种类及其含量是有区别的。

许多研究者注意到被加热的地下水成矿现象, 并陆续建立过一些与之相关的成矿模式, 如“下渗热卤水成矿”、“地下水再造成矿”、“盆地源流体成矿”、“大气降水对流成矿”和“地下水环流成矿”等。

2 成矿流体的来源和驱动力
成矿流体具有复杂的来源，归纳起来主要有:岩浆上升过程中因分解或结晶释放的流体；变质脱水锐挥发分产生的流体；富水沉积物因压实或构造收缩挤压产生的流体；大气降水或海水下渗循环演化产生的流体；地慢排气作用产生的流体；交代作用产生的流体（贾跃明，1995）。

人们已认识到了所有这些类型流体的成矿潜力，许多侵入体未必是成矿金属的提供者，而更可能是流体和热的来源，抑或仅仅是对导致流体生成的相同热事件的某种响应。

如在某些情况下，因火成岩侵位导致生成的变质流体可远多于深成岩体本身析出的岩浆热液岩浆侵入体也可大量加热下渗的大气流体故判断不同流体的来源对于研究流体成矿作用过程是很重要的。

目前比较常见的有效的判定方法是测定流体的稳定同位素(如氢和氧同位素)组成。

流体在地壳中的流动，既是一种复杂的物理现象，也是一种复杂的化学现象。

机械过程、热动力学过程、化学过程或是它们的联合过程都可能导致流体流动。

但在不同的过程中，流体流动受驱动的机制互有差异。

热流体由于含有大量的阴离子、络阴离子和有机质，往往是成矿金属(尤其是Au、Cu、Ag、Pb和Zn等)的理想溶剂和搬运介质，而且还可显著提高许多其他碱金属、过渡元素甚至稀土金属的活动性因此，不同来源流体在活动、演化过程中，通过与源岩或围岩发生相互作用，使成矿金属活化溶解络合，形成富含矿质的活动性成矿流体而迁移、沉淀堆积促使成矿流体上升或侧向迁移的驱动力可能有:(1)减压作用使成矿流体从地壳较深部位迁移到较浅部位；(2)地壳热结构改变而诱发流体循环并影响大范围围岩的流体岩石反应；(3)因(造山期间)构造挤压和地热抬升驱动深部流体大规模侧向运移；(4)不同部位的应力差或流体压力差导致流体侧向运栋对于诸如块状硫化物矿床、斑岩矿未矽卡岩矿床之类的岩浆或交代热液型矿床来说，其形成均与结晶岩浆排出的热流体流动沉淀或交代作用有关，因而起主导作用的可能是前二种驱动力。

而对于大多数产自变质岩或沉积岩中的热液矿床来说，金属矿质的搬运往往涉及到强大的侧向分力。

控制热液矿床形成的主要因素是成矿流体运移路径与矿质沉淀场所的条件要限定不同形式流体成矿作用中金属物质与热运移的规模、过程和方向，首行必须查明各种地质环境中温压(变化)梯度、流体的化学与同位素组成，以及有关围岩的成分和结构特征。

3 流体成矿作用机理
主要有不同类型流体混合成矿、热水同生沉积成矿、流体-岩石(沉积物)交换作用导致成矿、液压致裂-水岩交换作用等4种主要机理。

3.1 热水流体同生沉积成矿
传统的热液成矿观点强调热液系统温度、压力、酸碱性、氧化-还原条件的
改变会导致热液成矿作用发生，热水成矿作用亦是如此。

大洋热水沉积有2种类型，一种是白烟型沉积，主要矿物是非晶质SiO
2
、石膏、重晶石，其次有铁的氧
化物或氢氧化物，金属硫化物稀少。

另一种是黑烟型沉积，除非晶质SiO
2
外，
含有大量的磁黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等。

SiO
2、BaSO
4
是单一流体因物化条件
变化形成的。

在秦岭造山带中，硅质岩、钠长岩、重晶石岩等热水沉积岩是单矿物岩时，沉淀的主要机理是单一流体因物化条件及环境变化同生沉积矿。

这些单矿物热水沉积岩的沉积导致成矿物质络合物发生分解、卸载，这是热水成矿过程中的重要环节。

3.2 水-岩交换作用导致成矿
成矿物质和成矿流体在传输过程中必然与周围岩石发生物质和能量的交换，形成蚀变围岩。

水-岩交换可使某些组分活化出来，改变溶液的成分，导致组分沉淀。

现代研究证明热水成矿作用发生的条件之一是沉积盆地基底地层能够提供丰富的成矿物质来源，而活动性强的地质流体经过这些基底地层可使成矿物质发生活化、迁移，从而形成含矿流体。

这种基底地层必然有富含成矿物质的初始矿源层。

水-岩交换作用是流体从初始矿源层中萃取成矿物质的主要作用和方式。

3.3 液压致裂-岩石交换作用成矿
秦岭泥盆系铅碉山矿床中，II号矿体内可见到角砾状含矿硅质岩，它与微石英岩、铁白云岩伴生。

当第二次成矿流体沿同生断裂上升时在喷溢口外被早期形成的硅质岩、硅质铁白云岩沉淀物封闭。

由于减压作用，沿同生断裂上升的成矿流体临界压力超过了硅质岩沉淀物产生的压力而发生液压致裂。

角砾状硅质岩的角砾成分有硅质岩、灰岩等。

它们是封闭喷溢口的沉淀物碎块。

胶结物主要是硫化物，由产生液压致裂的流体形成。

富Si质的酸性成矿流体对菱铁矿、方解石发生交代作用，形成微石英岩。

3.4 不同类型、性状、成分流体混合成矿
不同类型流体混合成矿是一种常见并且极为重要的成矿机理，例如常见的岩浆热液与大气水混合、变质水与大气降水混合、斑岩铜矿床中渗透循环对流成矿模式。

Richard和Spooner研究了加拿大安大略省苏必利尔湖一带产于Keweenaw 高原玄武岩裂隙中的充填脉型Cu-Fe-Ag矿床，认为高温高盐度岩浆水和低温低盐度雨水的混合是Cu, Fe硫化物沉淀的重要机制（Richard J，1989）。

华仁民研究东川层控铜矿，提出了“沉积-改造”成因及两种流体混合作用成矿的模式。

不同类型成矿流体的混合是导致先存流体系统失稳的临界条件，从而改变了先存流体系统的物理化学条件(如温度、压力、酸碱性)，并为发生剧烈的化学反应提供了物质条件，是造成成矿物质骤沉的主要机理，由于不同类型成矿流体沿同生断裂的持续活动和间歇性流动，形成了热水沉积成矿为主的超大型-大型矿床。

4 流体成矿系统的主要特征
由金属源区或源物质(矿源岩)矿质运移通道(矿化或成矿路径)矿床定位和发育场所〕成的系统，本文称为流体成矿系统。

流体成矿系统具有许多重要的特征，归纳起来主要有：
（1）流体成矿系统的方向性，即流体成矿系统内部的变化是有序的，从金属源区经矿质运移通道到矿体定位和发育场所往往表现出与成矿过程相联系的具有一定方向的规律性变化，而且这种方向性基本上是独立于系统所处围岩而存在的，既表现在宏观特征又表现在微观特征上宏观地质特征的规律性变化如矿化梯
度变化、交代蚀变分带、次生矿物组合与分带、次生重磁化成矿组合变化温压梯度变化物理特征变化等;微观地质特征的规律性变化如流体包裹体、主要化学成分、同位素和痕量元素(如碳、硫、氧、氢、铅、锶、稀土和铂族金属等) 、氧化还原态等分布与变化（贾跃明，1993）。

在许多情况下，由于金属运移机理与油气运移机理极为相似，二者往往有伴生关系，在分布上亦表现出一定的规律性。

在这种方向性或规律性突然被中断或破坏之处，通常可能意味着不同来源的流体发生混合，使成矿流体的物理化学条件急剧改变，促使矿质沉淀、堆积，因而这样的部位又很可能是成矿有利地段（Zoback M D,1993）。

例如海底高温黑烟囱的金属硫化物矿化就是主要由岩浆热源对流驱动的海底热液循环遇到冷的海水发生沉淀堆积而形成的。

（2）流体成矿系统的相关性，即流体成矿系统的各种变量(各种地质特征和物理、化学参数的变化性)之间是相互联系和影响的，主要受源岩、流体和围岩化学成分及物理化学和热力学条件的制约，并且是流体-岩石系统平衡-非平衡状态的反映（Clark A H,1995）。

因此，流体成矿系统不同部位的地质变化是与其环境条件相适应的，各种变量的组合并非随机和杂乱无章，而是相互配合和协调。

所以，在地质条件和物理化学环境限定的情况下，如果已知某几种变量，则系统内必然存在与之相配套的其它变量，并且彼此之间存在明显的相关性与依存性也就是说，如果一个流体地质系统内有充分多个变量显示成矿条件是有利的，则完全可以推断该系统内必定已发生矿化作用，而且矿化作用的部位和强弱也必然伴随其它变量一起具有规律性地、相关地变化，因而是可以定量评价故。

（3）流体成矿系统的指示性，即流体成矿系统各组成部分的地质变量反映的是该部分所具有特殊性质，这些性质是系统之外所没有或不明显的，尽管有些变化性在系统内不同部分是重叠或者过渡的，但却不是重复吮。

因此，成矿有利部位及其附近的地质变量往往可以起到流体找矿标志的作用。

此外，流体成矿系统还会显示随地质时代变迁的演进和随地质构造背景不同的空间变化正是流体成矿系统的这些重要特征，使得可以对流体成矿系统尤其是矿化路径进行广泛的岩石学、矿物学、化学、流体包裹体和同位素研究与填图，由此为定量评价矿床的分布和变化提供至关重要的资料、数据。

5 流体混合对砂岩型铀矿的影响
砂岩型铀矿是指产于砂岩中(部分为砾岩、粉砂岩、泥岩)以外生成矿作用为主形成的铀矿床。

其成矿作用既有沉积成岩作用，也有后生改造作，更多的是在沉积成岩基础上经后生改造形成，而后生改造的流体既有地下水，也有与油、煤有用的关的有机流体，甚至深部热流体。

经典的水成铀矿理论，重点研究的是层间氧化带或潜水氧化带铀成矿作用，该理论将砂岩型铀矿的成矿理解为以盆缘蚀源区富铀岩(层)体的风化作用开始，铀被地下水或地表水携带至透水性较好的砂岩层渗透运移时，沿途发生氧化作用，形成层间氧化带或潜水氧化带，在氧化还原过渡带聚集成矿。

流体混合不但改变流体的物理化学条件，更重要的是改变流体的化学组成，导致流体化学平衡的破坏，引起流体卸载成矿。

不同构造背景下形成的盆地、流体特征及其对砂岩型铀矿成矿的影响不同。

5.1 渗入流体与渗出流体混合对成矿的控制
目前对砂岩型铀矿床的研究大多侧重于渗入流体的成矿作用(单向成矿作用)研究，这对一些挤压背景下的盆地较为重要(如伊犁盆地)，而对渗出流体与成矿
的关系研究不多。

随着对流体成矿机制研究的不断深入，人们发现许多矿床中，特别是伸展背景下的盆地中，渗入流体与渗出流体的混合(双向成矿作用)是成矿的主要机制之一（图1）。

图1 渗入流体与渗出流体混合成矿示意图
1-花岗岩；2-砂岩；3-泥岩；4-断裂；5-渗出溶液流动方向；6-渗入溶液流动方向；7-卷状
矿体
来自相对隆起区的含铀富氧水向盆地运移过程中，与盆地内部沿断裂带上升的性质截然不同的流体(如热卤水、深源流体等)相遇混合，必然导致含铀地下水成分和性质的突变，引起卸载成矿。

欧亚大陆许多大型一超大型砂岩型铀矿床中都发现有深部流体、热卤水参与成矿的证据。

5.2 含铀富氧流体与还原性油气流体混合对成矿的控制
近年来，俄罗斯、加拿大等国发现多例铀矿床(化)位于油气上方及外围，中国在二连、吐哈、鄂尔多斯、松辽、柴达木、川北等盆地都出现类似现象。

许多学者对铀、油之间的成因联系已做了较深入的探讨，并提出了以油找铀的新思路、新方法（李怀渊等，2000；张如良等，1994）。

这类矿床成矿的最主要因素是油气水与含U富氧地下水相互作用(混合作用、氧化一还原反应)形成氧化一还原地球化学界面，促使U还原、沉淀、富集成矿。

矿体一般位于油气运移前锋受阻处与从蚀源区缓慢径流而来的富氧含铀潜水的混合部位。

铀成矿除了要有充足的富氧含铀潜水和油气水中还原性气体(烃S等)沿圈闭周围的断裂、裂隙、孔隙等不断向上部及外围渗漏外，二类、CO、H
2
者之间的流体联系是关键。

5.3 造山带流体与盆地流体的混合对成矿的控制
在已发现的含铀盆地中，铀矿床绝大多数都定位于盆地边缘与造山带结合部位，除与特定的构造环境、地下水动力系统、铀源条件等有关外，还可能与盆山系统中流体的运移、混合有一定的联系，特别是与造山带流体与盆地流体的混合有关。

加之这一部位深部构造发育，更有利于不同性质流体的交汇、混合、卸载成矿。

塔里木盆地目前已发现的铀矿床主要分布于盆地边缘近造山带的部位，盆一山演化对铀成矿起着重要的控制作用（王果等，2001）。

盆山形成过程中的盆地演化、山脉的抬升与剥蚀、盆山结合带的冲断变形、盆地的叠合深埋等控制铀成矿，造山带和其山前盆地是两个密不可分的统一体，造山带的隆升导致了盆地的
下沉和变形，而隆升剥蚀作用又为盆地提供了大量的物源;早中侏罗世构造及古气候条件有利于形成良好的产铀建造;晚侏罗世以来构造抬升期控制着铀成矿作用的发生。

中国含铀盆地类型较多，许多盆底受后期改造被断裂切割，应该重视盆-山形成过程中流体混合对成矿的控制作田。

5.4 浅表层流体与深源热流体混合对成矿的控制
国内外已有研究发现，砂岩型铀矿床成矿与地慢热流体也有一定的关系（仉宝聚，2001），如中亚楚-萨雷苏铀矿和中央克兹尔库姆铀矿省，美国科罗拉多高原和怀俄明盆地铀矿大型矿集区。

中国发现的砂岩型铀矿床目前虽然还没有直接证据表明其与慢源岩浆或地慢柱活动有何直接联系，但一些矿床中有深断裂穿过层间渗透层或潜水渗透层时，往往形成富而大的铀矿体，这是否与深源流体(当然不一定是慢源流体)有关值得深入研究。

中国中东部产于受太平洋构造体制影响盆地中的铀矿床，例如松辽盆地、二连盆地、鄂尔多斯盆地和巴音戈壁盆地中的铀矿床，普遍存在对铀成矿有利的热液作用的迹象。

松辽盆地开鲁凹陷地区铀矿化区域发现了大量的新生代基性岩浆活动，表现为新近纪时期辉绿岩脉的侵入和玄武岩的喷发。

这些岩浆活动与铀成矿的时空关系密切。

钱家店铀矿床的成矿时代分别为67M和40Ma（罗毅等，2007），前者为成岩期铀的预富集期，后者为主成矿期，基性岩浆活动的时代与后者接近。

6 结论
（1）热水流体成矿作用的成矿机理主要有4种。

这4种机理发生在统一的动力学背景之下不同沉积盆地和不同的环境之中。

一般情况下，液压致裂、流体-岩石(沉积物)是在海水水体较浅、静压力较小的热水沉积盆地之中。

热水流体混合成矿作用常位于古海水水体较深、静压力较大的热水沉积盆地之中，并伴随着重力流作用和重力流沉积。

沉积盆地是矿质大量骤集的空间和热水成矿作用的场所，是剧烈的热化学反应库。

沉积盆地、同生断裂、热水成矿作用、温度场-流体场-构造动力场等相互有机协同、耦合是形成超大型矿床的必需条件。

并强调了流水成矿系统的观点，重视流体的来源、驱动力，并注意到源岩-矿化路径-矿体系统内部各种变量的方向性、相关性和指示性。

（2）砂岩型铀矿的成矿机制不只是限于过去传统理论所说的地下水沿缓倾地层向下淋滤的层间氧化或大气降水潜育机制，流体混合对砂岩型铀矿的形成具有重要的影响。

流体混合不但改变流体的物理化学条件，引起冷却、沸腾、中和和氧化还原，更重要的是改变流体的化学组成，影响络合物的种类和浓度，导致流体化学平衡的破坏，引起卸载成矿。

同时，不同来源流体的混合对成矿物质也有一定的贡献。

（3）不同构造背景下形成的盆地，由于其结构、充填物质和演化特征不同，流体特征明显不同，对砂岩型铀矿成矿的影响也不一样。

铀-油-煤共存盆地中，浅表层含铀氧化性流体与油气有关的有机还原性流体相互作用，对铀成矿起主要控制作用;挤压构造环境下的山间盆地，盆山形成过程中造山带流体与盆地流体混合对成矿的影响很大;而伸展背景下的断陷盆地或裂谷盆地，往往伴随有深部岩浆和热流体的活动，应重视热液作用对砂岩型铀矿的改造、叠加富集作用。

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