地球深部流体演化与矿石成因

文中重点讨论含矿NaClH2 O溶液在从高温、高压向低温、低压条件改变时性质变化对矿石形成过程的影响。通过对含矿NaClH2 O溶液的实验观测获得对地球深部流体性质的新认识。地球深部的NaClH2 O流体大多处于超临界态流体 ,在上升过程中经减压降温后 ,通过临界态 ,进入低于临界态的热液状态。流体在这一跨越临界态的转变过程中造成了大多数矿石的沉淀。自然界里的许多矿石是在开放流动体系和在非平衡的化学动力学过程中形成的。开放流动体系矿物与水的反应动力学实验 ,证明一些矿石可能形成于流动热液。跨越临界态这一转变过程中的矿物水反应动力学实验结果表明了反应速率的大涨落。地球深部流体在上升过程中的性质演化、流动体系和非均相反应动力学是现代矿石成因研究的 3个关键问题     

热水溶液地球化学

概述了热水溶液地球化学的主要研究内容和近年来在实验和理论研究方面的进展，包括高温高压下水的热力学性质、状态方程式、介电常数、电导率和电离平衡；ＮａＣｌ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ体系及其边界体系（ＮａＣｌ－Ｈ２Ｏ和ＣＯ２－Ｈ２Ｏ）的相关系、热力学性质和状态方程式，特别是利用人工流体包裹体技术和分子动力学模拟取得的新成果；高温高压电解质稀水溶液的电导测定；以ＨＫＦ模型为基础，热水溶液中不同物种的标准偏摩尔热力学性质和高温高压有关物理化学参数的估算；热水溶液中的物种形成（热液流体中的矿物溶解度测定、电势测量和谱学研究）；水和热水溶液结构的红外和拉曼谱学研究；水和热水溶液的传输性质（粘度和导热系数）。     

氯在岩浆演化过程中的地球化学性质初探

地质过程中,氯可以影响很多元素的性质。本文利用前人的实验数据,模拟计算不同压力和初始含水量等条件下,氯在岩浆和共存富水流体相中浓度随岩浆结晶分异的变化。结果显示,在岩浆演化之初,氯在各种压力下都基本留在岩浆中,表现出高度不相容元素的特点。对于结晶分异晚期的岩浆体系,氯的行为受压力的影响较大。在低压下,氯在岩浆/富水流体之间的分配系数较高,水是否达到饱和对氯在岩浆中的含量变化影响不大。随着压力的升高,该系数迅速降低。在中等压力下,岩浆中水含量一旦达到饱和,大量的氯进入流体相,形成高盐度的流体,氯在岩浆中的含量即迅速降低。随着岩浆分异的进行,共存的流体中的氯含量也随之降低。在更高的压力下,水无法达到饱和,氯始终表现为高度不相容的特点。氯的上述性质可以很好地解释它在很多结晶分异程度较低的火山岩玻璃(如MORB和OIB)中表现为高度不相容的特点,也可以帮助理解氯在侵入岩和喷出岩中性质的差别,以及“花岗岩大岩体不成矿,小岩体成大矿”的现象。     

水对硅酸盐岩体系部分熔融行为的影响：第二临界端点的重要意义

水对硅酸盐岩体系的许多物理-化学行为有着非常重大的影响.具体对部分熔融过程来说,水可以显著地降低熔融温度、改变熔体性质、影响微量元素在固-液相之间的分配.近年来,科学家们就大量水对硅酸盐岩体系的部分熔融过程的影响进行了许多的高压实验,他们主要关注第二临界端点对熔融过程的重要作用:第二临界端点的出现极大地改变着部分熔融过程中的基本相关系.本文主要针对这些高压实验研究做一总结,并对未来研究方向做一初步探讨.     

俯冲带中水流体的化学性质研究进展

俯冲带中的水在壳幔演化和物质交换中起重要作用。本文就俯冲带中水的物理化学性质、溶液中的离子缔合、混溶、主量元素与微量元素组成等方面进行了阐述。重点剖析:1)超临界态下温度压力条件的改变导致水微观结构与性质的变化,扩散系数、粘度等性质随之改变,进而对水岩反应产生影响;2)富水流体中离子缔合影响着金属配合物数量,很大程度制约流体中矿物的溶解行为;3)低Cl流体中微量元素配分模式与岛弧玄武岩类似,意味着富水贫氯碱性硅酸盐成分的流体在地幔楔元素运移中起关键作用。并展望了俯冲带中流体化学性质研究的新手段。     

硅酸盐熔体中的水

水是地球岩浆中的一种主要挥发分。水的存在导致岩石的熔融温度降低,其根本原因在于水易溶于硅酸盐熔体。本文总结了在地球岩石圈温压条件下,水在硅酸盐熔体中的赋存形式、溶解度与水对熔体物理性质的影响。熔体中溶解的水以H_2O分子和OH形式存在。水在熔体中的溶解度随压力的升高而增大。当温压条件位于含水硅酸盐体系的临界曲线之上时,甚至可能形成成分介于硅酸盐熔体和富水流体之间的超临界流体。水使熔体的密度和黏度降低,更易于脱离源区向上运移。水使元素扩散加快,有利于晶体和气泡的生长。水导致熔体的电导率升高,使部分熔融造成的电导率异常更加显著。水对硅酸盐熔体迁移性质的影响以及水的溶解行为都与水的种型分异反应密切相关。在研究与熔融有关的地质过程时必须充分考虑水的作用。     

从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究-热液矿床成因的若干新概念概述

热液金属矿床成因研究过程中,观测与实验始终是密切结合的。上世纪70年代,平衡热力学的实验数据的快速积累,使人们用热力学理论计算可以预测和反演矿石和岩石的成因。但是,没有矿物-水溶液的反应速率数据,又没有与流体力学的结合,搞清楚矿石成因是困难的。七、八十年代,开始研究矿物与水溶液的反应动力学实验。科学家们开始瞄准了从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究的这个大方向。1992年我们建立地球化学动力学开放研究实验室。研究高温高压矿物与水反应速率,发现固液的开放体系的自组织现象。实验发现温度影响矿物的各个元素反应速率改变,发现在跨越水临界态时矿物与水反应速率涨落、在近临界的气-液两相不混溶区一些金属进入气相、超临界流体的氧化作用及特别的溶剂性能影响矿物溶解性质。实验证实:临界态区流体与矿石成因有关。水岩相互作用的反应动力学实验温度从低温到550度,揭示矿石的金属来源、迁移、金属与蚀变分带机制。一大批大于300度的矿物与水反应动力学实验在国际界是少有报道的。九十年代,超高压的科学发展,与同步辐射光源的技术进步的结合,使固体地球科学又迈向了地球深内部。我们发展了高温高压流体性质的原位直测(测量850℃水溶液)红外谱,发现深部流体的新性质:气液两相流体的新结构,在临界温度区(300~400℃),水分子氢键网络的破坏受压力影响不大(23MPa~3GPa),同时,出现水的高电导率。研发新仪器为开放-流动-非平衡的反应动力学实验与极端条件下物质性质的直接观测结合,在科学前沿领域开辟了创新道路。     

高压下NaCl水溶液的Raman光谱不连续性及其在岩石学研究中的应用

NaCl-H2O体系是地球内部流体的主要组分.高温高压下研究NaCl-H2O体系的性质、结构和行为的变化对于研究地球的物质演化、元素的迁移以及地质灾害的预测和防止等都具有很重要的意义.近年来,关于高压下纯水的结构和性质的研究较多,然而关于NaCl水溶液的结构变化的高压实验研究则相对较少.     

水—岩反应与稀土元素行为

大量研究表明，水－岩反应过程中REE表现为不同程度的活动性。富含各种络合剂的流体与岩石反应时可活化REE；水－岩反应过程中既可出身HREE优先活化，亦可出现LREE优先活化，这取决于流体的化学成分、Eh、pH以及REE的寄主相及其赋存状态；水－岩反应过程中的可出现Eu的正异常、负异常和无异常。其主要影响因素是流体的氧化－还原状态；单矿物组合的REE行为受制于矿物的晶体化学性质，而多矿物组合则取决于体系的Eh、pH、水／岩值和络合剂浓度等，目前亟待开发实验工作有：①流体的化学组成及其性质，尤其是各种络合剂的活度及其对REE的活性的影响；②REE在热液矿物与流体相之间的分异机制及控制因素；③T、P、pH、Eh和水／岩比如何影响REE的活动性和分异行为。     

甲烷被黑云母氧化形成二氧化碳的实验研究与意义

CH4和CO2是岩浆热液系统中的重要挥发组分，两者之间的转换机制是一个重要的科学问题，在碳循环和流体作用等诸多方面都具有重要意义。例如在成矿过程中，CH4和CO2的加入会改变成矿流体性质，CO2还能缓冲流体pH，对成矿元素的迁移和沉淀富集有重要影响。前人通过研究瑞士阿尔卑斯山中部石炭纪、二叠纪、三叠纪地层裂隙石英中的流体包裹体发现，在较高温度条件下，黑云母的绿泥石化能将CH4氧化生成CO2，然而缺少相关的实验地球化学证据。因此，本项研究选择黑云母作为氧化剂开展了CH4的氧化实验研究。通过对黑云母- 甲烷- 水体系、黑云母- 碳化铝- 水体系以及甲烷- 水体系的实验研究发现，证实了黑云母能够将CH4氧化为CO2，起始反应温度约150℃，远低于地质研究结果。对于黑云母- 甲烷- 水体系和甲烷- 水体系实验，采用熔融毛细硅管作为反应腔，而对于黑云母- 碳化铝- 水体系实验，则采用粗石英管作为反应腔。对反应后黑云母残片的能谱分析表明，变价元素Fe含量大量降低，表明黑云母中三价Fe作为氧化剂参与了反应。这一结果为地质系统中黑云母等铁锰暗色矿物在中低温条件下氧化CH4形成CO2提供了实验和理论支撑。而CH4向CO2的转变过程，将改变热液流体的性质，有利于富CO2成矿流体的形成，对金属矿床形成具有重要意义。     

4．0％NaCl水溶液临界区域内白钨矿溶解度实验测定

溶解度的临界异常现象是超临界流体萃取技术的理论基础,目前在食品、化工等领域已得到广泛应用,但在地质领域的应用相对较少。在地质流体临界区域内金属矿物溶解度的变化行为尚需实验查明。本文在34MPa 恒压、250℃～470℃条件下和420℃恒温、压力为20～50MP 条件下分别在快速淬火高压釜中实验测定了化学试剂白钨矿在4.0%NaCl 水溶液中的溶解度。4.0%NaCl 水溶液的临界温度和临界压力分别约为411℃和31.4MPa。在34MPa 恒压条件下,白钨矿的溶解度随体系温度的升高而缓慢增大,但在体系临界温度附近突然出现极大值现象。在34MPa 恒压和温度在250℃～400℃区间内白钨矿与 WO_3在4.0%NaCl 水溶液中的溶解度(单位为 mmol/L)基本相同,这表明溶解态钨在热液流体中的存在形式可能相同。在420℃恒温条件下,白钨矿的溶解度随体系压力的升高而增大,在体系临界压力附近可能出现涨落现象,有待进一步实验查证。在4.0%NaCl 水溶液临界区域内,白钨矿的溶解度对体系温度和压力的变化反应敏感,表明白钨矿的溶解度在热液流体临界区域内具有临界异常现象。结合前人研究结果发现,白钨矿、石英、WO_3、MoO_3等物质在热液流体中的溶解度变化行为基本相似,即溶解度随体系温度和压力的升高而增大,在临界区域内出现临界异常现象。矿物溶解度的临界异常现象对揭示热液型钨矿床成矿物质的萃取、迁移和沉淀富集机制具有重要意义。     

再论富F熔体-溶液流体体系的成矿效应

通过例证的方式建立并诠释了富F熔体-溶液流体体系成矿效应的工作原理,认为:①F-OH-在不同载体矿物特别是云母类矿物中的置换行为构成了全岩F含量的主要贡献,具有物源意义;②在大多数情况下,F强烈倾向于分配进入晚期硅酸盐熔体相中,并深刻制约着熔体的结构、相平衡、物理化学性质和分异路径,不过在其他一些情况下F亦将大量进入热液或富水贫硅酸盐的"过渡性"流体相中;③富F流体体系另具有强烈萃取诸如W、Sn等高场强亲氟元素的成矿效应,最终可伴生萤石或冰晶石矿床,此时F作为矿化剂亦影响着Eh值、pH值和化学硬度等体系控矿因素。这样的三重作用围绕着F的基本化学性质一脉相承地促成了富F地质体系的成矿效应及其地球化学行为的特殊性。     

水文地球化学基础(二)

三、地壳中水的物理性质与热动力性状 水与一般液体相比,其物理化学性质在许多方面不符合常见的一般规律,而表现出一系列的独特行为。水就是靠这些特异性质发挥着它在自然界中的种种巨大作用。我们应该对水的一些性质有所了解,才能顺利地解决水文地球化学课题。     

卡森泥浆力学的研究进展

泥浆的流动特性是泥浆的重要性质之一。它直接影响着循环的压力和泵的功率消耗，岩屑的携带和井内的清洁，地层压力的平衡和控制，钻头水马力的有效利用，井径的扩大或缩小，进而导致井内的复杂化、周期的延长和成本的升高。正如其他流体一样，要对泥浆的水力学行为进行研究，也必须首先搞清其基础力学性质，即在一定的外力作用下，流体是怎样发生变形和运动的。流体的这一应力与应变的关系，称为流变行为，而研究流体的流变行为的学科，称为流变学。不同的流体，可能     

韧性剪切带内的流体与岩石相互作用研究进展

构造变形与流体联合控制成矿作用的机制是矿床学界关注的热点问题之一。作为大陆岩石圈中的应变局部化带,剪切带中一般都渗透着大量流体,流体与岩石的相互作用及其化学效应和物理效应,导致了矿物化学不平衡和组分的迁移,引起岩石化学成分重新调整。文章通过对韧性剪切带内的流体作用、剪切带内的成分与体积变化、剪切变形与成矿模拟实验总结,讨论了剪切变形过程中的力学-化学作用、剪切构造应力和流体在构造成岩成矿过程中的行为。因此,要加强构造应力对温度、岩石物理性质、地球化学相平衡和水岩体系的相关参量方面影响的综合研究。      

剪切带的流体－岩石相互作用

作为大陆岩石圈中的应变局部化带，剪切带中一般都渗透着大量流体。流体的来源与剪切带所处的构造背景、流变域和水文条件有关，而剪切带中流体的流动则受岩石的渗透率、孔隙度、孔隙性质、流体的扩散和渗透能力、环境的温压条件、应力或载荷的梯度等因素所制约。剪切带中流体的成分、通量及赋存状态或流动方式，直接影响着岩石的流变。由应变局部化及力学失稳所引起的化学不平衡和由流体与岩石的相互作用，使剪切带岩石的矿物成分和化学成分发生调整，其变异程度取决于原岩的性质、剪切的温压条件和流体的成分及通量等。由于流体的渗透流动和流体与岩石的相互作用使剪切带的体积有所变化，体积变化过程是一种自组织行为。较大的体积亏损，意味着剪切带中渗透过大量的流体，这对剪切带的流变行为、化学行为和成矿作用都有深刻的影响。     

剪切带的流体－岩石相互作用

作为大陆岩石圈中的应变局部化带，剪切带中一般都渗透着大量流体。流体的来源与剪切带所处的构造背景、流变域和水文条件有关，而剪切带中流体的流动则受岩石的渗透率、孔隙度、孔隙性质、流体的扩散和渗透能力、环境的温压条件、应力或载荷的梯度等因素所制约。剪切带中流体的成分、通量及赋存状态或流动方式，直接影响着岩石的流变。由应变局部化及力学失稳所引起的化学不平衡和由流体与岩石的相互作用，使剪切带岩石的矿物成分和化学成分发生调整，其变异程度取决于原岩的性质、剪切的温压条件和流体的成分及通量等。由于流体的渗透流动和流体与岩石的相互作用使剪切带的体积有所变化，体积变化过程是一种自组织行为。较大的体积亏损，意味着剪切带中渗透过大量的流体，这对剪切带的流变行为、化学行为和成矿作用都有深刻的影响。     

CH4-H2O体系流体包裹体均一过程激光拉曼光谱定量分析

对南黄海盆地二叠纪地层中某石英脉中的CH4-H2O体系流体包裹体均一过程进行了激光拉曼光谱定量分析。利用甲烷与水的拉曼峰面积比值计算不同温度下流体包裹体中水溶液相中甲烷的浓度,除了在100℃附近出现最小值,随温度增加甲烷浓度呈指数增大。包裹体在214℃完全均一,均一时甲烷的浓度为0·1347mol/L。同时利用甲烷的拉曼特征对流体包裹体均一过程的内压变化作了分析。压力变化可以分为三个区间:19~100℃,随温度升高压力增大;100~150℃压力随温度升高减小;150℃之后压力迅速增大。均一温度下的内压为21·92MPa。流体包裹体内压的变化主要是由甲烷溶解行为和封闭体系的热力学特征决定的。实验表明激光拉曼光技术可以作为定量分析含甲烷流体包裹体的一种有效方法。     

中低温氯化钠水溶液活度系数、密度、蒸汽压等热力学性质的精确预测

水和氯化钠是许多地质流体体系最主要的组分,例如盆地卤水、热液成矿流体等(Roedder,1984;Schmidt和Bodnar,2000).H_2O-NaCl体系的活度系数、密度、蒸汽压等热力学性质对于油气田盐水包裹体和热液矿床流体包裹体分析(刘斌和沈昆,1999;卢焕章等,2004)、CO_2地质储存、水-岩反应(地质流体的反应-输运模拟等)等研究有着重要的价值.     

骑田岭岩体黑云母中挥发性组分的演化特征及对锡成矿的指示

挥发性组分F、Cl等是花岗质岩浆的重要组成部分,它可以直接或者间接影响到岩浆的性质和岩浆作用的种种过程,同时制约着Sn、Cu等成矿元素在熔体/流体间的分配、流体体系的地球化学特征以及成矿效应.本文以骑田岭花岗岩体中的黑云母为研究对象,对骑田岭花岗岩体中挥发性组分的演化特征以及与锡成矿关系进行探讨.