深部成矿过程流体观测和岩石圈流体迁移金属实验

1. 070927合肥 深部成矿找矿会议 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

2. 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)。

3. 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。

4. 关键科学问题 • 金属流体, 由上地幔到地壳的活动过程, 深部流体/气体迁移金属和堆积:-观测.实验.实例 • 现代:深部流体(气体)正在不断从深部迁移金属在地壳/地面

5. 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

6. 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。

7. 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。

8. 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650C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1000C左右和2GPa。大致400公里深。它是辉石橄榄石区 。

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

10. NaCl-H2O系统 上地幔 SCF • 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。

11. 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。

12. 低盐度V 高盐度L 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

13. 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。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。

14. 三、深部金属流体活动(Influx) 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。 流体里的3He, 37Cl, 14C 等许多同位素都可以用于判断地幔的气体来源。 但是，这一什么流体/气体形式进入地壳，还需要考察证明。

15. 1、深部金属流体活动(Influx)方式 1) 火山喷气的观测，气体携带Ag，Cu，Au，… 2) 从深至浅要经过不同相和性质变化: 超临界流体SCF  L-V相分离  V/L, 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，形成一种低盐度流体和另一种高盐度流体共存现象。 大洋中脊的热水喷口发现，有的喷口流体是很高浓度的NaCl-H2O，临近的喷口的流体是很低浓度NaCl-H2O。这些都是流体进入气液两相不混溶区的证据。

16. 2, 深部金属流体流Influx 1) 油气田和金矿实例 渤海周边油气田和碱性玄武岩: 大金矿: 大金异常区: 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许多地方. 地球物理探测:高热流,高导=低速层抬升.

17. 背景: 金属溶解在SCF/气相里: Oil dissolving in SCF. 地球深部的气体和流体实验:地幔 7% 水. 流体如何抵达地面. 现代，深部气体仍在进入地壳。

18. Oil field and gas field

19. 渤海周边油气田和金矿 渤海周边油气田和碱性玄武岩的Au含量，发现油气田的金含量与碱性玄武岩的金有正相关系。 地球化学调查表明：碱性玄武岩的岩石的金含量和岩石的CO2气体含量有正相关关系，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体的碳同位素一致等事实证明：油气田的CO2和金与碱性玄武岩的CO2和金均来自深部地幔的岩石圈。现代，深部气体仍在进入地壳。

20. 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.

21. <60km 60-80 80-100 100-120 120-140 140-160 160-180 180-200 >200 资料短缺 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.  work area 上地幔在70 km的高导低速带 41N to37N

22. S-wave velocity model 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).

23. 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 , (118-120E, 37-39N).

24. 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

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

26. 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/tAu (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

27. 玄武岩: a) Total alkali-silica classification (TAS) diagram of the Cenozoic volcanic rocks distributed in the Shengli oil field; b) CO2 vs. SiO2 plot of the volcanic rocks; c) CO2 vs. Au in basaltic rocks in the Shengli oil field, China. Symbol  shows volcanic rocks distributed in the inner-basin,  shows volcanic rocks distributed in the basin-margin; ▲ volcanic rocks outside of basin.

28. 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 ‰ δ13C在玄武岩和油田井中气一致clusions in pyroxene of volcanic rocks and CO2 in the gas well in the same area.

29. 金的地球化学异常 Au anomaly in Shangdong Province: Earth-gas Au patterns in study region. Au value unit is ng/g. About analytical precision and accuracy of the Earth-gas.

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

31. Jiaojia and Linlon gold deposit: they contains 5-13 x 10-6 Au (ppm) and one of ore bodies of the deposit is distributed in 1000 x 1300 x 10 m3

32. 金矿流体特征: 矿床实例:山东金矿 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矿物流体包数据，同时显示一个奇特的现象。 在同一均一温度下（在400-250ºC范围）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。实际上，在250ºC下，有三组数据。

33. 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.

34. 矿床实例:山东金矿 矿床实例

35. 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500C 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。

36. 深部流体在中下地壳出现的相分离

37. 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。

38. 南岭钨锡矿的两种矿体 • 上部大脉网脉带 • 下部似层状，近接触带矿体。

39. 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。

40. 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。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。

41. 四、实验研究深部金属流体

42. 岩石圈深部流体进入地表的新一轮实验:富CO2超临界流体与深部岩石反应；超临界流体在减温减压下相分离—更多金属进入气相岩石圈深部流体进入地表的新一轮实验:富CO2超临界流体与深部岩石反应；超临界流体在减温减压下相分离—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

43. Au-NaHCO3-HCl-H2O system, phase L+v separation in 350-200 C 22MPa H2O

44. Au-NaHCO3-HCl-H2O system Au HCO3-1 In V/L a Ratio = 1 Au,Fe In V/L Ratio = 1 b

45. 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。

46. 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

47. 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。

48. 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。

49. Cu 在气相里分布迁移: • 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。

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