深部成矿过程流体观测和岩石圈流体迁移金属

实验胡书敏、张荣华、张雪彤、许爱忠地球化学动力学实验室 , 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037

070927 合肥 深部成矿找矿会议

深部成矿的起源 :

• 中下地壳 \ 上地幔和更深部的金属流体的汇集流动 (Influx) ，形成大规模的金属成矿作用。目前的巨大的成矿带，跨越几个省分，甚至于跨国的矿带。这些矿带的金属分布具有大规模的分带性，有是长达几百、几千公里，显示出地球深部过程的控制因素 ( 包括深部岩浆作用和流体活动 ) 。

目的• 岩石学和同位素方法可以通过分析

地面采集岩石，获得岩石来源和金属来源的信息。但是，需要认识金属以何形式，如何进入地壳和地表，在哪些范围内分布？

• 实现研究深部成矿理论 , 解决深部的找矿工作问题。重点是热液矿床。

关键科学问题• 金属流体金属流体 , , 由上地幔到地壳的活动过程由上地幔到地壳的活动过程 ,, 深部流体深部流体 // 气体迁移金属和堆积气体迁移金属和堆积 :-:- 观测观测 ..

实验实验 .. 实例实例

• 现代现代 :: 深部流体深部流体 (( 气体气体 )) 正在不断从深部正在不断从深部迁移金属在地壳迁移金属在地壳 // 地面地面

一，深部成矿过程• 1 ，巨大成矿带的深部控制：• 中下地壳和更深部的金属流体的汇集流动，形成大规

模的金属成矿作用。这一流体活动与大规模岩浆活动相伴随。目前的巨大的成矿带，跨越几个省分，甚至于跨国的矿带。这些矿带的金属分布具有大规模的分带性，有的长达几百和千公里，显示出地球深部过程的控制因素，其中包括深部岩浆作用和流体活动。

• 如，长江中下游的铁铜矿带 华北地区几省邯邢 - 莱芜铁矿成矿区域 南岭钨锡稀有金属 - 铅锌 - 锑金的区域成矿带

2 ，物质来自地幔

• 美欧学者观测火山的气体喷发时发现在气体里存在有大量金属（ Au ， Ag ， Cu ）。对火山喷出的金属和气体分析表明可能气体来自地幔。

• 在大洋深部的海沟和大洋中脊，对热液成分的分析也说明气体（和流体）来自地幔。对深部流体一般认识，来自矿物流体包裹体的研究。

• 同时，矿物和岩石的同位素分析也提供了深部来源物质的证据。

3 ，金属流体从地幔进入地壳

• 来自地幔的流体如何进入地壳的成矿部位？关于深部金属来源，迁移和堆积过程是深部成矿机制关键科学问题。

SCF 、 L_V 、 L 、 V… 形式？• 研究矿床的矿物流体包体时发现热液的

沸腾。这是许多矿床的一个普遍特征，如斑岩铜矿，钨锡矿床，高（或低）硫化物的金矿床。多数学者认为沸腾现象是导致金属和脉石矿物沉淀的原因 。

如， L—V 形式。

二、地球深部金属流体二、地球深部金属流体• 1 ，地壳和岩石圈的主要流体是 NaCl-

H2O 和 NaCl-H2O-CO2 。• 一般地说，地壳是处于 35 公里深。温度

是 650C 和 500-600MPa （按照麻粒岩的出现条件，下地壳的底部）。

• 上地幔的底界条件大致是在 1000C 左右和 2GPa 。大致 400 公里深。它是辉石橄榄石区 。

深部地壳水深部地壳水 -- 上地幔上地幔 -- 超临界态流体性超临界态流体性质。上升时，质。上升时，跨越临界态时，气与液相跨越临界态时，气与液相分离时，气体迁移金属。分离时，气体迁移金属。

NaCl-H2O 系统

• 如盐度高， NaCl 大于30% ，则 NaCl-H2O 的临界温度高，可能是上地幔的环境。它的气液两相不混溶区温度也高。

上地幔 SCF

超临界流体 A, TNaCl 和 TH2O 三相点， CNaCl 和 CH2O – 临界点 , 2φL-V 两相 ,

H+L+V 在 F, E – NaCl-H2O 的低共溶冰点：冰 + L +V ； A, B 和 C 表示升温曲线；或冷却线； C 点从超临界流体下降到 L-V 不混溶

区，通过临界态。

一个超临界流体，由于减低温度压力，出现气与液相分离。这时一个均匀流体会分离为气液两相，一个高盐度的液体和一个低盐度的气体

高盐度L

低盐度V

• 深部地球的含金属流体可以包含大量金属。这些金属流体在深部处于超临界态。可以含在岩浆房里。也可以分布与地壳和上地幔岩石的空隙列隙里。

上世纪末，许多科学家提出地壳里存在流动的流体的依据。

深部地壳和上地幔的气体迁移金属的作用，证深部地壳和上地幔的气体迁移金属的作用，证明它是一个重要成矿过程。明它是一个重要成矿过程。流体里的流体里的 3He, 37Cl, 14C 3He, 37Cl, 14C 等许多同位素都可以等许多同位素都可以用于判断地幔的气体来源。用于判断地幔的气体来源。但是，这一什么流体但是，这一什么流体 // 气体形式进入地壳，还需气体形式进入地壳，还需要考察证明。要考察证明。

三、深部金属流体活动 (Influx)

1) 1) 火山喷气的观测，气体携带火山喷气的观测，气体携带 AgAg ，， CuCu ，， AuAu ，，……2) 2) 从深至浅要经过不同相和性质变化从深至浅要经过不同相和性质变化 : : 超临界流体超临界流体 SCF SCF L-VL-V 相分离 相分离 V/L,V/L,发现热液矿床里矿物流体沸腾包裹体：发现热液矿床里矿物流体沸腾包裹体：具有相同的相似均一温度，盐度剧烈改变，形具有相同的相似均一温度，盐度剧烈改变，形成一种低盐度流体和另一种高盐度流体共存现成一种低盐度流体和另一种高盐度流体共存现象。象。大洋中脊的热水喷口发现，有的喷口流体是很大洋中脊的热水喷口发现，有的喷口流体是很高浓度的高浓度的 NaCl-H2ONaCl-H2O ，临近的喷口的流体是很低，临近的喷口的流体是很低浓度浓度 NaCl-H2ONaCl-H2O 。这些都是流体进入气液两相不。这些都是流体进入气液两相不混溶区的证据。混溶区的证据。

1 、深部金属流体活动 (Influx) 方式

2, 深部金属流体流 Influx 1) 1) 油气田和金矿实例油气田和金矿实例渤海周边油气田和碱性玄武岩渤海周边油气田和碱性玄武岩 ::大金矿大金矿 ::大金异常区大金异常区 :: 已经发现大型金矿和气体化探的金地已经发现大型金矿和气体化探的金地

球化学异常分布在渤海周边和山东省球化学异常分布在渤海周边和山东省许多地方许多地方 ..

地球物理探测地球物理探测 :: 高热流高热流 ,, 高导高导 == 低速层低速层抬升抬升 ..

背景背景 ::金属溶解在金属溶解在 SCF/SCF/ 气相里气相里 : : Oil dissolving in SCF.Oil dissolving in SCF.地球深部的气体和流体实验地球深部的气体和流体实验 :: 地幔地幔 7% 7% 水水 . .

流体如何抵达地面流体如何抵达地面 ..现代，深部气体仍在进入地壳。现代，深部气体仍在进入地壳。

Oil field and gas field

渤海周边油气田和碱性玄武岩的渤海周边油气田和碱性玄武岩的 AuAu含量，含量，发现油气田的金含量与碱性玄武岩的金有正发现油气田的金含量与碱性玄武岩的金有正相关系。相关系。地球化学调查表明：碱性玄武岩的岩石的金地球化学调查表明：碱性玄武岩的岩石的金含量和岩石的含量和岩石的 CO2CO2 气体含量有正相关关系，气体含量有正相关关系，含量同时增长。含量同时增长。碱性玄武岩的矿物包体和油气田的深井中气碱性玄武岩的矿物包体和油气田的深井中气体的碳同位素一致等事实证明：油气田的体的碳同位素一致等事实证明：油气田的CO2CO2 和金与碱性玄武岩的和金与碱性玄武岩的 CO2CO2 和金均来自和金均来自深部地幔的岩石圈。现代，深部气体仍在进深部地幔的岩石圈。现代，深部气体仍在进入地壳。入地壳。

渤海周边油气田和金矿渤海周边油气田和金矿

Gas deposits and volcanic rocks in the Jiyang basin (Shengli field). Redrawn from He Ying et al (1998). 1. Basement fault (deep to the Mesozoic rocks); 2. Fault; 3. CO2-gas pool; 4. Olivine tholeiite; 5. Alkali olivine basalt; 6. Quartz tholeiite; 7. Association of quartz tholeiite and alkali olivine basalt.

<60km

60-80

80-100

100-120

120-140

140-160

160-180

180-200

>200

资料短缺

work area

高导低速层抬升Depth distribution of the top of the high-conductivity layer in the lithosphere (upper mantle), Eastern China. Unit is in km.

上地幔在 70 km 的高导低速带 41N to37N

Northeast plain – Southern China sea profile: Lithosphere transect in Hebei province, Shandong province and Bohai Gulf and adjacent area, China. S-wave velocity model of the crust and the upper mantle (in km/s).

S-wave velocity model

热流Isogram of heat flow trend in Eastern China.

The isopleth is in m W/m2 The heat flow trend in this area is about 60 to 80 mW/m2 . > 80 mW/m2 , (118-120E, 37-39N).

存在深部地幔的热流羽 mantle plume, ‘thermal plume’

热流活动的趋势 heat flow trend 是有深在 70 km 热流羽引起的

The S-wave velocity data were collected on a 4° The S-wave velocity data were collected on a 4° x 4° grid in the Chinese continent and adjacent x 4° grid in the Chinese continent and adjacent areas. areas.

Oil Au

Bohai GulfBohai Gulf

上地幔热流羽影响下岩浆和金属流体流 ::

玄武岩活动 ,油气 ,金在一起 :玄武岩 Au is 0.05g/t, 玄武岩 Au (average content of 6 samples) is more than 0.1 g/t, Au (three samples) is 1g/t or higher. 玄武岩 the CO2-气田 0.35g/t Au (18

samples),玄武岩 : 非 CO2- 气田 0.0025g/t Au (5 samples). 新鲜玄武岩在含油盆地内 Au(0- 0.0055 μg/g); 在含油盆地边 Au0.0058 to 0.16 μg/g

a) Total alkali-silica a) Total alkali-silica classification (TAS) diagram classification (TAS) diagram of the Cenozoic volcanic of the Cenozoic volcanic rocks distributed in the rocks distributed in the Shengli oil field; Shengli oil field;

b) COb) CO22 vs. SiO vs. SiO

22 plot of the plot of the

volcanic rocks; volcanic rocks;

c) COc) CO22 vs. Au in basaltic rocks vs. Au in basaltic rocks

in the Shengli oil field, China. in the Shengli oil field, China. Symbol Symbol shows volcanic shows volcanic rocks distributed in the inner-rocks distributed in the inner-basin, basin, shows volcanic rocks shows volcanic rocks distributed in the basin-distributed in the basin-margin; ▲ volcanic rocks margin; ▲ volcanic rocks outside of basin.outside of basin.

玄武岩 ::

δδ1313CC 在在玄武岩 和油田井中 气 一 致clusions in pyroxene of volcanic clusions in pyroxene of volcanic rocks and COrocks and CO

2 2 in the gas well in the in the gas well in the

same area.same area.  Fluid inclusion in

pyroxene of volcanic rocks

CO2 in Gas

Wells

AO:alkaline olivine basalt

– 4.8 – 5.5 ‰ (4 samples)

-4.36 - 4.41 ‰

QT (quartz tholeite)

-10.2 - -14.6 ‰(3 samples)

-10 – -13 ‰

金的地球化学异常金的地球化学异常

Au anomaly in Shangdong Province: Au anomaly in Shangdong Province: Earth-gasEarth-gas Au Au patterns in study region. Au value unit is ng/g. About patterns in study region. Au value unit is ng/g. About analytical precision and accuracy of the Earth-gasanalytical precision and accuracy of the Earth-gas..

Au anomalies in Shandong Province: low density Au anomalies in Shandong Province: low density sampling and analyzing by sampling and analyzing by MOMEG methodMOMEG method, i.e. water , i.e. water extractable, gold values in units of ppb in three grades at extractable, gold values in units of ppb in three grades at 0-0.8-1.6. Usually, Au – geochemical blocks are enclosed 0-0.8-1.6. Usually, Au – geochemical blocks are enclosed by 2 ppb limit. by 2 ppb limit.

Jiaojia and Linlon gold deposit: they contains Jiaojia and Linlon gold deposit: they contains 5-13 x 105-13 x 10-6-6 Au (ppm) and one of ore bodies of Au (ppm) and one of ore bodies of the deposit is distributed in 1000 x 1300 x 10 mthe deposit is distributed in 1000 x 1300 x 10 m33

金矿流体特征流体特征 ::

胡华斌、牛树根等研究人员研究成果表明：胡华斌、牛树根等研究人员研究成果表明：鲁西的归来庄、梨方沟和磨坊沟金矿床的鲁西的归来庄、梨方沟和磨坊沟金矿床的矿物流体包数据，同时显示一个奇特的现矿物流体包数据，同时显示一个奇特的现象。象。

在同一均一温度下（在在同一均一温度下（在 400-250ºC400-250ºC 范围）范围）有分散的盐度数据，并且，在同一个均一有分散的盐度数据，并且，在同一个均一温度下，他们认为有两组不同盐度数据。温度下，他们认为有两组不同盐度数据。实际上，在实际上，在 250ºC250ºC 下，有三组数据。下，有三组数据。

矿床实例 : 山东金矿

原始的流体曾近似为 NaCl 8% 的 NaCl-H2O 体系，曾近似出现在 440ºC 临界态。

在 400-300ºC 范围内 : 会出现气液两相分离。会出现一个 NaCl 为 12-14 8%液相，

另一种是 NaCl 为 5-7% 的气相。减低温度下两种热液分别活动。

在降低温度时，再出现 L-V相分离过程和气体迁移过程 .

矿床实例 : 山东金矿

矿床实例矿床实例 : 山东金矿

实例 2: 斑岩铜矿 : 沸腾流体包裹体。

Shelton 报道了加拿大魁北克 Gaspe 斑岩铜矿和矽卡岩铜矿 (Shelton, 1983). 。早期的盐度和均一温度数据可以分为三组：第一组高盐度，第二组中盐度，第三组低盐度，而同时具有相似的均一温度。

在 NaCl-H2O 系统在 300°C 到 500C P-V 等温区（ Bischoff and Pitzer ， 1989 ），可以发现三组盐度数据出现在 NaCl-H2O L-V 两相不混溶区的等温区。即，一是富 NaCl 的液相，另一种是少 NaCl 的气相。还有一个可能是初始的超临界流体含 20 % NaCl ，是它的冷却相。这是一个典型的 L-V 两相不混溶区的实例。铜可能在 L-V 两相不混溶区被气与液相分别迁移的。

深部流体在中下地壳出现的相分离

实例 3: 南岭的锡钨矿• 不少矿床具有明显的空间分带性。有的矿床，在深

部接近岩体接触带矿带的流体包体数据显示出一种现象，即同一均一温度下出现有两种（或三种）集中的盐度数据。

• 非常接近于 NaCl-H2O 体系的相分离方向上形成一个富水的气相（低盐度 5-6% ）和一个富盐的液相（高盐度 12-16% ）。如大厂的一个矿床：它们出现的温度在 350-425ºC 范围。正好落在一个 10% 左右的浓度的 NaCl-H2O 的亚临界区。富水的气相（低盐度）流体，快速迁移，形成了外围的大脉和网脉富锡矿矿体。

• 上部大脉网脉带

• 下部似层状，近接触带矿体。

南岭钨锡矿的两种矿体

锡矿的流体特征

• 早阶段的在接近同温度下的盐度变化

• 晚阶段，同盐度下的降温过程。

• 在深部接近岩体接触带矿带的流体包体数据：同一均一温度下出现有两种（或三种）集中的盐度数据。

• 非常接近于 NaCl-H2O 体系的相分离方向上形成一个富水的气相（低盐度 5-6% ）和一个富盐的液相（高盐度 12-16% ）。

• 大厂的一个矿床：它们出现的温度在 350-425ºC 范围。正好落在一个 10% 左右的浓度的NaCl-H2O 的亚临界区。富水的气相（低盐度）流体，快速迁移，形成了外围的大脉和网脉富锡矿矿体。

四、实验研究深部金属流体

岩石圈深部流体进入地岩石圈深部流体进入地表的新一轮实验表的新一轮实验 :: 富富COCO22 超临界流体与深部超临界流体与深部岩石反应；超临界流体岩石反应；超临界流体在减温减压下相分离—在减温减压下相分离—更多金属进入气相更多金属进入气相

地球化学动力学实验室专利技术 , 研究超临界流体与岩石反应 400 30MPa℃ 条件。 Si, Mg, Na, As 出现在气相里

Au-NaHCOAu-NaHCO33-HCl-H-HCl-H22O system, O system, phase L+v phase L+v

separation in 350-200 separation in 350-200 CC 22 22MPaMPa

HH22OO

Au- NaHCO3_HCl - H2O

0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1

1. 2

1. 4

1. 6

200 220 240 260 280 300

Temperatu r e

Rati

o of

Ci

in V

: in

L

1系列

2系列

3系列

Au- NaHCO3- HCl - H2O

0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1

1. 2

1. 4

1. 6

1. 8

2

240 250 260 270 280 290 300

Temperatr u e

Rati

o of

HCO

3 in

V/L

1系列

Au-NaHCOAu-NaHCO33-HCl-H-HCl-H22O systemO system

HCOHCO33-1-1

In V/LIn V/L

AAu,u, FeFeIn V/LIn V/L

Ratio = 1Ratio = 1

Ratio = 1Ratio = 1

aa

bb

Au

• 目前，已经有些实验研究过金的水化物种在高温压下的形式，如 Au3+, AuCl2- , Au(OH)2- , Au(SO3 )23-, Au(S2O3 )23- , AuCl4- , Au(OH )4- , AuCl(OH )3-, Au(HS )2- , Au(HS )2 S22- , HAu(HS )2 , AuCOCl等。 Migdisov （ 1999 ）认为气相里有AuCl(H2O)3 形式。

• 根据以往的实验和理论研究，可以知道 NaHCO3-HCl-H2O 在 200 -300℃ ℃， 22 MPa液相里 , 金的形式可能是 AuCl2- , AuCl4-, 等。 是否还有 HCO3-, CO32-, OH- 的含 Au 物种形式？作者认为是可能的。

Sn 在流体 / 气相里分布和迁移 :

用一种含 Sn 的 NaHCO3 溶液，通过超临界流体气液相分离装置，进行相分离实验

Sn 在气相里的含量远高于液相里的含量。当气相内 Cl- 与 Na+ 离子与液相内含量之差加大，气相液相 Sn 分离效果很好时， Sn更多地进入气相。这时， Sn在 V/L 内比值大于 1 时， Na+ 或 Cl- 离子在 V/L 内比值也小于 1 。实验过程中温度对气与液的分离过程也有一定影响。

Sn- NaHCO3- HCl - H2O

0

50

100

150

200

250

300

350

200 220 240 260 280 300

Temperture °C

Mi(

pp

m)

Sn( L)

Sn(V)

Sn- NaHCO3- HCl - H2O

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

200 220 240 260 280 300

Temperture° C

Mi(

pp

m)

Na( L)Na(V)Cl ( L)

Cl (V)

流体相分离为液相和气相时，一个富盐的液相和贫盐的气相。在气相里 Sn 离子可能的形式也是团聚物 SnClp(H2O)gq 。同时，实验研究锡石与 NaCl-H2O反应，然后让反应产物在通过超临界流体气液相分离装置。实验也发现气体产物里含 Sn 。

• 含铜溶液在高温高压溶液气相与液相分离后，气相与液相内 Cl- 、 Na+ 离子浓度不同。气相内 Cl- 和 Na+ 离子浓度要低于液相内的 Na+ 和 Cl- 离子浓度。

• 实验结果证明这一流体已经出现液与气相的分离过程。 Cu 离子同时分布在气与液相里，但是 Cu 离子在气与液相内浓度不同。

Cu 在气相里分布迁移 :

CuS+ m HClg + n H2Og = CuClm(H2O)gn + m/2 H2g

Cu, Cl (V/ L)

0. 0

0. 5

1. 0

1. 5

2. 0

2. 5

0. 00 1. 00 2. 00 3. 00Cu(V/ L)

Cl(V

/L)

( V/ L)

0. 40. 50. 60. 70. 80. 91. 01. 11. 2

0. 00 1. 00 2. 00 3. 00Cu (V/ L)

Na

(V/L

)

( V/ L)

在气相里 Cu 离子可能的形式是团聚物 。由团聚物形成纳米物质。

五、深部成矿过程流体 / 气体迁移金属和找矿意义：重点是热液矿床。

两带性： 许多金铜矿床和南岭的锡矿钨矿的研究表明，

有明显的空间分带性。 一些矿床的深部流体成矿过程，由气体与液

体的相分离现象造成 1 ，深部接近岩体的矿体多数与接触带； 2 ，远离接触带的外带形成许多大脉带或网脉

带。

五、深部成矿过程和找矿意义

• 1 ， 在深部接近岩体的矿体多数与接触带有关。• 有些矿床，流体包体数据显示出一种现象，即

同一均一温度下出现有两种（或三种）集中的盐度数据群。接近于 NaCl-H2O 体系的相分离方向上形成一个富水的气相（低盐度）和一个富盐的液相（高盐度）。

五、深部成矿作用和找矿意义在远离接触带的外带形成许多大脉带或网脉带的

矿体。气相分离物的流体特点，低盐度的流体。同时，

有的大脉带或网脉带的矿体显示出高富 CO2 流体特点。

一些 W/Sn 矿石与低盐度的流体有关是气体迁移造成的一些 Zn 矿石与高富 CO2 流体有关。在 Zn 矿化地段，

矿物的流体包裹体里发现富 CO2 贫 CO2 两类流体共存。这是 NaCl-H2O-CO2 流体的富 CO2 相区的气液相分离产物。

两类矿床可能相距甚远。• 南岭的大厂锡矿，• 个旧钨锡矿，• 枾竹圆钨矿等都具有两类矿床形式。• 两类矿床可能相距多远，与流体成分和

分离性质有关。• 由于气体液体的相分离过程可能发生多次，外围可能有多个网脉 / 大脉带。

气体里可以溶解Ag ， Sb ， As

国外的科学家发现气体里可以溶解Ag ， Sb ， As ， Cu等。

气体可以迁移金属的实验证明了深部成矿作用的新机制。

找矿意义 : 气体里可以迁移 Au 、Sn 、 Cu 、 W 、 Zn Ag ， Sb ，As

如果，在浅部勘探和找矿中发现大脉和网脉带Au 、 Sn 、 Cu 、 W 、 Zn 、 Ag 、 Sb 、 As等金属矿化带（或异常），

则我们可以考虑在深处找寻大规模的近接触带的有色金属矿床。如果，做流体研究发现，低盐度和高 CO2 ，表明气体迁移金属的一种可能性。

找矿意义• 气体内迁移金属的成矿作用 气体内迁移金属的成矿作用 ::

在中国东部在中国东部 \\ 南岭南岭 ((柿竹圆柿竹圆 \\ 大厂大厂 )) 有有一批斑岩和多金属矿床存在成矿的一批斑岩和多金属矿床存在成矿的第二阶段第二阶段 :: 迁移金属的成矿作用迁移金属的成矿作用 ..

从新研究成矿预测问题从新研究成矿预测问题 ..• 现代现代 :: 深部流体深部流体 (( 气体气体 )) 正在不断从正在不断从

深部迁移金属在地壳深部迁移金属在地壳 // 地面地面 ..

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