General equations for modeling fluid/rock interaction using trace elements and isotopes

General equations for modeling open and closed system fluid/rock interaction using trace elements and isotopes are presented. Taylor's (1977) open system equation for stable isotopes is extended to account for a change in the Δ value between rock and fluid during interaction. It is shown that hydrothermal systems in which fractionation factors vary during fluid/rock interaction will significantly alter the isotopic ratios of rocks compared to equivalent systems with invariant fractionation factors. The equations for modeling trace element exchange are analogous to the stable isotope equations and permit the calculation of fluid/rock ratios using changes in trace element concentrations in the rock. Similarly to stable isotope exchange, the change of the trace element concentration in a rock during infiltration is a function of the trace element concentration in the fluid, the fluid/rock partition coefficient and the fluid/rock ratio rather than simply the concentration of the trace element in the fluid.     

水/岩比的地球化学意义

通过对水－岩反应过程中水／岩比的深入分析,从理论上澄清了前人在水／岩比概念上的错误和混乱,并定义和厘定了流体／岩石比和水／岩比,以及“真实”流体／岩石比和表观“流体／岩石比之间的关系,重新审视了它们的地质意义。     

湘中锡矿山锑矿床的Sr同位素地球化学

对湘中锡矿山锑矿床围岩灰岩、硅化灰岩、煌斑岩和脉石矿物进行了系统的Sr同位素研究。结果表明，矿区围岩发生了隐性蚀变，灰岩中Sr亏损，而^87Sr/^86Sr高于同时代的海相碳酸盐，这种隐性蚀变很可能是水／岩反应所致。矿体附近的硅化灰岩中Sr更加亏损，而^87Sr/^86Sr明显增加。成矿期方解石的^87Sr/^86Sr较高，成矿体系中变化的W／R比造成了方解石中^87Sr/^86Sr值的明显波动。成矿流体为一富放射成因^87Sr的溶液。成矿流体来自或流经基底地层，流体中的Sr由基底碎屑岩提供，矿质Sb也可能主要来自富Sb的元古宇基底。水／岩反应的理论模拟显示，锡矿山成矿流体中的Sr约为3．0μg/g，^87Sr/^86Sr为０．７１７；蚀变－成矿体系为一开放体系，矿石的沉淀机制主要为水／岩反应，成矿体系中W／R 比较高。     

东营凹陷下第三系流体-岩石相互作用研究

盆地内地层流体-岩石相互作用导致储层特征和流体性质发生变化,影响油气藏的形成与分布。本文分析了东营凹陷下第三系地层孔隙流体的化学和动力学特征及其分布规律,根据地层中矿物的组成和结构特征对成岩过程中地层古流体的地球化学特征进行了推测。并通过对典型油田泥岩层和砂岩层中矿物组合及其在地层剖面上的变化规律的实例剖析,揭示了东营凹陷下第三系储层中流体-岩石相互作用的基本特点,在此基础上,建立储层中流体-岩石相互作用的地质/地球化学模型。     

江西银山多金属矿床伊利石的形成与流体成矿作用的初步研究

江西银山多金属矿床的热液蚀变粘土矿物主要由伊利石组成,伊利石主要由流体作用过程中长石的伊利石化形成,其结晶度与成矿流体作用密切相关.银山第1期铅锌银成矿作用,水/岩比相对较低,成矿流体以孔隙渗透为主,溶质迁移慢,形成含有少量膨胀层的伊利石;第2期铜金成矿作用,水/岩比相对较高,流体的运移方式以通道式或裂隙式为主,溶质迁移的速度快,形成不含膨胀层的伊利石.研究表明成矿作用过程中的伊利石化主要与铅锌银矿化有关,而绿泥石化与铜金矿化有关.     

Nb–Ta fractionation induced by fluid‐rock interaction in subduction‐zones: constraints from UHP eclogite‐ and vein‐hosted rutile from the Dabie orogen,Central‐Eastern China

Niobium and Ta concentrations in ultrahigh‐pressure (UHP) eclogites and rutile from these eclogites and associated high pressure (HP) veins were used to study the behaviour of Nb–Ta during dehydration and fluid‐rock interaction. Samples were collected through a ～2 km profile at the Bixiling complex in the Dabie orogenic belt, Central‐Eastern China. All but one eclogite away from veins (EAVs) display nearly constant Nb/Ta ratios ranging from 16.1 to 19.2, with an average of 16.9 ± 0.8 (2 SE), similar to that of their gabbroic protolith from the Yangtze Block. Nb/Ta ratios of rutile from the EAVs range from 12.7 to 25.3 among different individual grains, with the average values close to those of the corresponding bulk rocks. These observations show that Nb and Ta were not significantly fractionated by prograde metamorphism up to eclogite facies when no significant fluid‐rock interaction occurs. In contrast, Nb/Ta ratios of rutile from eclogites close to veins (ECVs) are highly variable from 17.8 to 49.8, which are systematically higher (by up to 17) than those of rutile from the veins. These observations demonstrate that Nb and Ta were mobilized and fractionated during localized fluid flow and intensive fluid‐rock interaction. This is strongly supported by Nb/Ta zoning patterns in single rutile grains revealed by in situ LA‐ICP‐MS analysis. Ratios of Nb/Ta in the ECV‐hosted rutile decrease gradually from cores towards rims, whereas those in the EAV‐hosted rutile are nearly invariable. Furthermore, the vein rutile shows Nb/Ta zoning patterns that are complementary to those in rutile from their immediate hosts (ECVs), suggesting an internal origin for the vein‐forming fluids. The Nb/Ta ratios of such fluids evolved from low values at the early stage of subduction to higher values at later supercritical conditions with increased temperature and pressure. Quantitative modelling was conducted to constrain the compositional evolution of metamorphic fluids during dehydration and fluid‐rock interaction focusing on Nb–Ta distribution. The modelling results based on our proposed multistage fluid phase evolution path can essentially reproduce the natural observations reported in the present study.     

变质流体研究新进展

变质流体是变质过程的主要动力学因素之一。目前变质流体研究主要集中在下部地壳麻粒岩相变质流体，俯冲带高压－超高压变质流体和接触变质流体等方面。研究的主要问题是流体流动机制和元素迁移，流体－岩石相互作用和流体来源。下部地壳麻粒岩相变质流体以ＣＯ２为主，具有较低的ａＨ２Ｏ。δ１３Ｃ研究表明大约２／３ＣＯ２是深成的。富ＣＯ２流体流动是紫苏花岗岩形成和热扰动的原因之一，也是麻粒岩形成和大离子亲石元素亏损的主要因素。俯冲带是高压、超高压变质作用发生和流体活动最活跃的场所。流体富含Ｈ２Ｏ、ＣＨ４和ＣＯ２，可以诱导部分熔融反应和岛弧岩浆作用。高压变质条件下的矿物稳定性也与流体有关。同位素研究表明，在超高压变质期间没有化学上完全相同的流体大规模循环。流体－熔体系统模式能更有效地解释下插板片的元素再循环。接触变质流体研究主要集中在含有易于发生流体－岩石反应的不纯碳酸盐岩地区。硅灰石带中流体／岩石比率高达４０∶１，表明接触变质岩石中有大量流体存在。接触变质过程流体成分有较大差异，主要取决于流体来源、原岩性质和侵入体特征。流体流动和循环模式受控于构造变形，岩浆作用和变质过程的动力学条件及流体成分。     

页岩储层-超临界CO2-模拟压裂液相互作用实验研究及其环境意义

近年来,页岩气作为一种重要的非常规天然气来源,逐渐成为国内外关注的热点。当前的研究工作总体侧重于页岩气开采技术的改进与环境监测,对页岩气开采过程中水岩相互作用还少有报道。本文采用模拟实验,选取储层页岩样品,在温度90 ℃、压力10 MPa环境下,开展了CO2压裂液页岩相互作用实验研究。主要探讨页岩气开采过程中,由于常规水力压裂液以及后期超临界CO2的增注,造成的储层岩石矿物的变化以及返排液成分的变化。实验结果显示：压裂液能使岩石矿物发生溶蚀,超临界CO2的存在会进一步加剧溶蚀反应的进行,促使孔隙变大并产生更多的微孔隙,为页岩气提供更多的运移通道,有利于油气的运移。但是,存在的环境威胁不容忽视：一方面,岩石中会溶解出大量的Ca、Mg、Si元素和少量Fe、Mn等金属元素,超临界CO2、富有机质页岩以及压裂液中表面活性剂等物质在高温高压酸性环境条件下,容易生成挥发性有机物残留在地层中,极有可能沿着岩石破碎的孔隙、断裂发生迁移或泄露,从而对地下含水层造成污染;另一方面,多种成分进入高矿化度溶液体系经返排回到地表,也会增大处理返排液的难度。本文取得的实验数据和成果有助于理解页岩气储层在开采过程中可能发生的水岩相互作用过程及其潜在的环境风险。     

松辽盆地北部地层水同位素特征及其地质意义

盆地流体是沉积盆地中非常活跃的因子,盆地流体的水文地球化学特征主要是受控于流体-岩石相互作用。本文以松辽盆地北部为研究对象,基于地层水的水文地球化学特征、锶-氢-氧同位素数据分析,初步探讨了水-岩反应与锶-氢-氧同位素的关系。这一研究对于丰富同位素示踪、水-岩相互作用等基础理论具有重要研究意义。分析表明,位于盆地西部地区地层水明显受到古大气降水的影响,中央凹陷地区δ18O正偏移可能是由水岩作用加强引起的。地层水为大气水与原生沉积水的混合,较轻的δD值反映出原始沉积水属陆相沉积水。地层水的87Sr/86Sr值略低而Sr2+含量又较高,是高87Sr/86Sr值流体端元与低87Sr/86Sr值流体端元的混合,即地表来源水与深部水的混合,也更多地受到高Sr2+含量低87Sr/86Sr值的火山-地热水等幔源深部水的补给。     

石油成藏过程中的地球化学变化及控制因素的综合评述

油藏内原油的地球化学特征除了受源岩有机相、成熟度和沉积环境的制约外，还受到石油在成藏过程和成藏后所经历的各种地质-地球化学因素的影响。分析了石油在成藏过程中，族组份、生物标志物组成以及稳定碳同位素组成等方面发生的地球化学变化，综合评述了生物降解作用和水洗作用、流体-岩石相互作用(包括地色层作用)、热化学硫还原作用、石油运移过程中的相控分馏作用、不同期次充注的原油的混合作用及浸析作用等因素对石油地球化学特征的影响。