庐枞火山盆地玄武岩与流体相互作用

庐枞火山盆地的玄武岩大量喷发过程和随后的浅成岩浆活动都伴随大规模流体活动,并引发了大规模的金属成矿活动和蚀变岩带,具有十分清晰的分带性。内带是深色蚀变和外面是浅色蚀变。以庐枞火山盆地的玄武岩为对象,进行高温高压水岩相互作用的化学动力学实验,对于理解火山岩石的水热蚀变和空间的分带性,认识金属来源有很大意义。实验条件是20～400℃和23MPa范围,使用流动反应器进行的。实验结果发现:在多数温度条件下,岩石里的各种金属元素有不同的溶解速率。在300℃时,各种金属元素,Na,Ca,Mg,Al等容易溶解。而在温度300℃时,硅容易溶解。在等于300℃时,硅有最大反应速率。溶解反应动力学过程在300℃发生转变,恰好与火山岩石的深色蚀变和外面的浅色蚀变的分界温度一致。大于300℃时的反应的产物与小于300℃时的反应的产物不同。实验结果有助于理解火山岩石的蚀变和矿石成因。同时,火山岩石的水热蚀变还可以导致含金属流体的出现,可以说明水-岩相互作用导致金属来源。这些实验对于解释火山盆地的深部的地球物理探测的成果是十分必要的。     

庐枞火山盆地深部岩石与成矿过程

黄铁矿-硬石膏-磁铁矿矿石为典型矿石的金属矿床产于长江中下游中生代火山盆地,庐枞火山岩盆地。丰富的铁矿和黄铁矿床,主要分布在火山岩和潜火山岩里,同时也分布于盆地周边。火山岩石主要是钾玄岩-粗安岩-粗面岩组合。在深部,与它们的成分对应的岩浆岩石是碱性辉长岩-辉石二长岩-正长岩组合,如缺口辉长岩,杨山地区的辉石正长岩。火山岩和深部的辉长岩-二长岩-正长岩都经历了多次水热活动。黄铁矿-硬石膏-磁铁矿矿床主要伴随两套蚀变,即,火山岩石的大面积深色蚀变(硬石膏-辉石-长石蚀变岩)和浅色蚀变(硅化泥化)。在二长-正长岩与火山岩石的接触带,有强烈的类云英岩石(电气石-石英-云母组合)。在缺口辉长岩里,曾经发现大量磁铁矿脉(磁铁矿-方柱石-方钠石-石榴石组合)。在杨山和马口地区,正长岩里的铁矿是辉石钾长石磁铁矿组合及阳起石-磷灰石-磁铁矿组合。二长-正长岩体在盆地里广泛分布,在大范围内是几乎是层状的。调查研究表明:火山盆地底部辉长岩-二长岩-正长岩组合与铁矿有关。盆地里深部岩石和成矿作用存在有垂直分布特性。上面是喷发岩石,及潜火山岩石,下面是深部的碱性辉长岩-二长岩-正长岩杂岩体。中间有过渡带,岩墙岩席带。上面是与钾玄岩-粗安岩层和潜火山岩石里赋存的磁铁矿和黄铁矿床,下面有产于碱性辉长岩-二长岩-正长岩里也有铁矿化。蚀变岩石地质年代的初步研究发现:罗河铁矿的深部钠长石化岩石,与马口铁矿附近的正长岩石的地质年代接近(110～119Ma)。事实说明,在火山岩和潜水火山岩石里成矿作用和深部岩浆岩里成矿作用可能是同时发生的。20～435℃条件下正长岩石与水的反应动力学实验表明,在400℃左右时正长岩最容易被溶解。正长岩与水反应后,也会形成一个携带金属的流体。水岩相互作用实验提供了认识深部岩石性质的依据,有利于理解对深部的地球物理探测结果。     

安徽铜陵胡村矽卡岩型铜矿水-岩反应动力学实验研究

以铜陵胡村矽卡岩型铜矿为研究对象,选择与成矿关系密切的花岗闪长岩,在22 MPa恒压、不间断流动条件下,与纯水在叠层反应器中进行水-岩反应动力学实验研究。结果表明,水-岩反应速率与流体流速成反相关,与流体在体系内的停顿时间成正相关。铜陵地区Cu,Mo等金属矿化普遍分布于岩体附近可能与此有关。成矿流体中的Cu可能主要是在超临界态流体中迁移,在低于临界态条件下从流体中析出;而在体系温度较低时,主要成矿元素Cu难以从岩石中溶出。在相同温度条件下,Cu,Zn等成矿元素的溶解速率存在较大的差异,可能是导致这些成矿元素在空间上出现分带的原因之一。     

水－岩反应实验研究现状与进展

水－岩反应实验研究是地学界瞩目的前缘课题之一。开放的流动体系水－岩（矿物）反应动力学实验和水－岩（矿物）界面地球化学及表面特性的研究，是该领域取得的最重要的进展。     

水－岩反应实验研究现状与进展

摘要：水－岩反应实验研究是地学界瞩目的前缘课题之一。开放的流动体系水－岩（矿物）反应动力学实验和水－岩（矿物）界面地球化学及表面特性的研究,是该领域取得的最重要的进展。     

安徽庐枞盆地罗河铁矿水岩反应化学动力学实验

选择罗河铁矿含矿围岩云辉粗安岩为研究对象,使用叠层反应器,进行了在22MPa、100～400℃的条件下水岩相互作用地球化学动力学实验,系统地研究了不同温度、不同流速下元素的溶解情况并计算出其溶解速率。实验发现,元素在溶液中的浓度随着流速、温度的变化而变化。大多数元素在溶液中的浓度随着温度的升高而增加,一般在300～400℃时浓度达到最大。溶解速率随温度的不断升高而发生变化,各种元素达到最大溶解速率的温度大多在200～400℃之间。但是各个元素的最大溶解速率对应的温度并不相同。流体的流速影响着元素的溶解速率,元素的最大溶解速率并不都是在最大流速时产生的。     

霞石正长岩热分解反应的热力学分析与实验

近年来,我国对钾盐的需求逐年增长,以1999～2003年为例,5年间我国共进口钾盐3052万t,平均进口量610.4万t,占消费量的95%以上.按照目前我国的消费需求趋势,预计到2010年我国钾肥年需求量约为1200万t[1].铝是我国近10年来消费增长最快的金属之一.从2003年起,我国每年消耗铝土矿储量5000万t,加上电熔刚玉、高铝水泥、磨料等相关产业的消耗,每年消耗储量7500万t.而据专家预测,我国氧化铝短缺将是长期的[1].     

坡面薄层流水动力学特性的实验研究

采用变坡实验水槽研究了坡面薄层水流水动力学特性——流态、流速、水深及阻力系数随流量和坡度的变化规律,实验坡度5°～25°、单宽流量为0.625×10-3～12.5×10-3m3/(s·m).研究结果表明,坡面薄层水流流态与水深密切相关,坡面流的流态基本上呈过渡流和紊流;薄层水流平均流速、水深和Darcy-Weisbach阻力系数主要受流量控制,坡度的影响并不显著,其关系均可用流量和坡度的幂函数形式模拟,相关系数(R2)分别为0.98、0.97和0.95,去掉坡度后相关系数分别下降7%、16%和3%.随着雷诺数的增大,Darcy-Weisbach阻力系数下降.当单宽流量小于0.008m3/(s·m)时,坡度对阻力系数的影响较为显著;当流量大于0.008m3/(s·m)时,阻力系数基本受流量控制.随着流量增大,阻力系数呈幂函数形式递减.     

霞石正长岩烧结反应的热力学分析与实验

霞石正长岩是一种富含K₂O、Al₂O₃、SiO₂的矿产资源。在综合分析云南个旧白云山霞石正长岩物相组成的基础上,对以Na₂CO₃为助剂中温分解霞石正长岩中的铝硅酸盐矿物,提取碳酸钾和氧化铝的技术路线进行了研究。根据热力学理论计算以Na₂CO₃为助剂,主要烧结产物为NaAlSiO₄、KAlSiO₄、Na₂SiO₃时的反应温度,结果表明理论上反应在800 K(527 ℃)左右开始发生。通过烧结反应实验,得到优化反应温度为800～850 ℃,霞石正长岩的分解率达95%以上。X射线衍射分析结果表明,烧结产物的主要物相为NaAlSiO₄、KAlSiO₄和Na₂SiO₃,与热力学计算结果一致。烧结产物的硫酸酸浸实验表明,硅铝分离效果良好,SiO₂、Al₂O₃、K₂O三者的提取率分别高达91.4%、92.2%、92.5%。与前苏联的石灰石烧结法相比,本工艺具有低能耗、低物耗和生产过程清洁高效等优点。     

二氧化碳地质封存中的水-岩反应动力学模拟:进展及问题

水-岩相互作用地球化学模拟是基于化学热力学和化学动力学原理,用数学方法定量刻画水-岩体系化学反应过程的研究方法,是研究自然或人为因素影响下地下水系统地球化学演化的重要手段之一。针对二氧化碳地质封存中水-岩相互作用,从5个方面,包括动力学速率方程的建立、更多矿物动力学参数的获取(如片钠铝石和铁白云石等的反应表面积等参数)、实验数据尺度效应的影响以及微生物作用等其他影响因素的分析等,评述了在人工注入大量CO2条件下深部咸水层中的水-岩-CO2相互作用的动力学过程模拟研究的现状,并指出相关矿物(如片钠铝石)动力学参数的缺乏及实验室尺度效应以及可能的微生物过程的影响等是目前存在的主要问题。阐明了水-岩相互作用地球化学模拟是研究动力学过程,特别是CO2咸水层注入情景下,千年-万年时间尺度上的最重要且唯一的手段,提出未来需要研究的关键问题是各种矿物动力学参数的准确获取和对实验数据尺度效应及微生物过程的考虑。     

分布式光纤测温技术在黑河中游地表水与地下水转换研究中的应用

本研究首次应用分布式光纤测温技术,监测张掖市临泽县平川段的黑河河床表面温度与河水温度,确定了该时段黑河中游湿地临泽平川段的地表水地下水转换情况。分布式光纤测温系统温度分辨率为0.01℃,采样间距为0.25m,时间间隔为4min。通过对全长550m的河床表面温度与河水温度连续监测,分析该区段温度场动态,发现试验区河段河流受地下水补给,有地下水溢出带。通过河床表面温度与河水温度、环境温度的对比,清楚反映了该河段温度异常带的分布与变化规律,明确了地下水溢出带的位置与地下水溢出强度。     

花岗岩剪切变形与矿物成分变化的高温高压实验

在构造变形过程中,流体控制成矿作用的机制是目前世界矿床界共同面临的问题之一。通过研究剪切变形过程中的力学-化学作用,理解剪切构造应力和流体在构造成岩成矿过程中的行为与作用是解决这一科学问题的关键环节。在花岗岩高温高压剪切变形实验的基础上,分析了实验变形的矿物反应特征及矿物反应引起的化学成分变化,讨论了矿物反应与变形的相互影响。实验结果表明,变形样品中斜长石、钾长石和辉石以脆性-塑性变形为主,石英和云母以塑性变形为主。同时流体与岩石的相互作用引起了矿物间的反应,其中钾长石、辉石发生水解作用最典型。实验变形整体受应变局部化控制,随着剪切变形加强,脆性破裂逐渐形成和发展为裂隙,应力不断释放,有金属元素沿裂隙充填,这些微观特征在实验样品中普遍存在,类似野外中的矿脉。本次实验为韧性剪切带的流变行为、化学行为和剪切作用过程提供了实验数据。     

矿物反应与变形关系研究——以糜棱岩高温高压实验为例

矿物反应和变形局部化在中下地壳普遍存在,两者相互影响和促进。实验研究表明,矿物反应与变形关系非常复杂。本文在糜棱岩高温高压流变实验的基础上,分析了实验变形样品中的矿物反应分布特征以及矿物反应引起的化学成分变化,讨论了矿物反应与变形的相互影响。微观结构分析表明,实验变形后的糜棱岩样品在温度800~890℃时,角闪石和黑云母出现脱水反应,生成微晶角闪石和黑云母,并伴有局部熔融。受应变局部化控制,脱水反应产物主要出现在黑云母、角闪石条带边缘。微晶和熔体的成分分析表明,不仅脱水反应形成的微晶与熔体的SiO 2含量非常低,而且黑云母周围的反应产物和熔体主要来自于黑云母的脱水,角闪石边缘的反应产物和熔体主要来自于角闪石脱水,石英、钾长石和斜长石没有参与反应与熔融。本研究中的脱水反应产物中,没有发现辉石和石榴石,这种脱水反应与文献中报道的无局部化的均匀样品在静高压和高熔融比例条件的脱水反应产物和熔体的成分有很大差别。黑云母和角闪石的局部化分布和脱水程度低,可能是造成脱水反应产物有差别的巨大原因。在本实验结果中,脱水反应对变形的影响主要体现为,脱水反应产生了细粒混合矿物相,使得在局部化的剪切带内变形机制从位错蠕变转变为扩散蠕变,导致样品出现应变弱化。另外脱水反应还引起了局部脆性破裂。变形引起晶体塑性变形,增加了位错密度和矿物细粒化,促进了晶体内部成核和黑云母与角闪石的脱水分解;差应力作用增加了局部的正应力和平均应力,增加了黑云母和角闪石能够稳定存在的压力范围,这可能是反应产物以微晶黑云母和角闪石为主,而没有转化为辉石的原因。     

莺歌海盆地底辟带热流体突破的地层水化学证据

地层水化学特征往往反映出盆地流体的成因和演化信息。莺歌海盆地地层水样品分析表明地层水矿化度可划分3个带,即非底辟带、底辟带上方常压段和超压段。非底辟带地层水矿化度接近于正常海水,而超压带为具有较低矿化度的NaHCO_3型水,底辟带上方常压段地层水矿化度变化极大,与垂向断裂距离有关,越靠近垂向断裂的井往往具有更低的矿化度和更高的 HCO_3~-和 CO_3~(2-)离子浓度。在远离垂向断裂的底辟带侧翼或较浅地层(<1200m)孔隙水接近正常海水,以 MgCl_2型地层水为主:而在毗邻于垂向断裂的浅部储层具有明显低的矿化度,与超压带流体相似,也具有较高的 HCO_3~-和 CO_3~(2-)离子浓度这些观察结果反映垂向断裂为深部超压热流体突破的主通道,底辟带上方成为地层原生孔隙水(海水)与超压带内低矿化度热流体混合场所,地层水矿化度越低,说明来自深部超压热流体所占比例越大。不同压力地层中的水化学特征可以很好地用来识别流体运移路径和可能的水-岩反应。     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明：当P＜3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。     

地幔不同深度单斜辉石含水量的高压实验

在1.5~5GPa、1100~1200℃条件下开展了含水大陆碱性玄武岩的熔融实验研究。通过红外光谱分析其中单斜辉石的结构水,计算得到其量为1173(153)×10-6～2049(197)×10-6。结果表明:当P<3GPa时,随着压力增大,单斜辉石的含水量逐渐增加,在3GPa附近达到峰值,之后随着压力的增大单斜辉石含水量又逐渐减少。单斜辉石含水量随压力的这种变化关系可能受单斜辉石中Al含量的影响。该研究为了解上地幔不同深度处水的分布提供了实验证据。     

Role of pressure and temperature in inclusion-induced shear localization: An analogue experimental approach

Using analogue model experiments this study investigates the effects of lithostatic pressure and temperature in controlling the pattern of shear localization around rigid inclusions. Compression experiments were conducted on polymethylmethaacrylate (PMMA) by varying confining pressure (P = 30–70 MPa), homologous temperature (T_o = 0.67–0.80 corresponding to room temperature – 80 °C) and axial strain (yield – 15%) in a triaxial setup. Mechanical data showed temperature has a greater influence on the bulk yield strength and steady-state flow of the analogue material than confining pressure. Increasing confining pressures multiply the shear bands in number, and their overall pattern becomes progressively more complex, leading to composite band structures. On the other hand, under ambient pressure increasing temperature results in a transition from incipient high-strain zones to shear bands with sharp boundaries. Further increase in temperature switches the mode of shear localization, sharp to diffuse type. We finally show the inclusion-induced shear localization as a two-stage process, and provide a micro-mechanical explanation for the P-T dependent shear band patterns, attributed to three mechanically distinct domains of the inclusion-matrix interface: compression, extensional and shear localization.     

安徽庐枞盆地泥河铁矿床成矿流体性质:来自He-Ar-H-O同位素的证据

安徽庐江泥河铁矿床位于长江中下游成矿带庐枞中生代火山岩盆地,受控于切穿至Moho面的罗河-缺口断裂,矿床具有典型玢岩型铁矿的特征。泥河铁矿床硬石膏-透辉石-磁铁矿阶段流体3He/4He=0.14~0.76Ra(平均0.3548Ra),40Ar/36Ar=262.2~364.9(平均299.3),δ18OSMOW=-2.16‰~5.04‰,δDSMOW=-40.7‰~-34.8‰;硬石膏-黄铁矿-磁铁矿阶段流体3He/4He=0.0108~0.1301Ra(平均0.0697Ra),40Ar/36Ar=221.4~401.4(平均315.1),δDSMOW=-31.8‰~-15.4‰,δ18OSMOW=-2.72‰~1.88‰;高岭石-硬石膏-石英-黄铁矿阶段流体3He/4He=0.0162~0.0223Ra(平均0.0193Ra),40Ar/36Ar=312.5~367.6(平均340.05),δDSMOW=-25‰~-8‰,δ18OSMOW=-6.59‰~-4.89‰。成矿流体的同位素特征显示,幔源流体可能参与了泥河铁矿床早期的成矿作用,后期改造型饱和大气降水逐步加入并占据成矿作用的主导地位。研究结果表明,长江中下游地区中生代强烈的壳幔相互作用,是形成区域巨量金属矿床的重要机制,区域的深大断裂构成了幔源岩浆、幔源物质参与浅部成矿的通道。