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1、第二章 流体包裹体研究的热力 学原理及相平衡基础 一、概 述二、流体包裹体研究的热热力学前提三、流体包裹体相律和等容线线四、地质质流体体系的成分类类型 五、主要流体体系与相平衡资资料和相变变分析 一、概 述 包裹体研究的主要途径之一就是通过显微热台、 冷热台等方法来改变温度条件，观察流体包裹体由此所发生的各种相变化，确定作为一个热力学体系的流体包裹体内的化学组成、相平衡关系，以获得其中（P-T-V-X）之间的各种数据来解释所捕获流体的物理化学性质及地质含义，因此，热力学原理，尤其是相平衡原理和各种成分流体体系的相图是这个学科的理论基础。一、概 述 与岩石学等学科不同之处在于，实验岩石学是通过相
2、平衡实验，研究已知具一定组成的体系在不同温度和压力是平衡共存的物相，利用所获得的相图来解释矿物和岩石的成因。而流体包裹体研究恰恰相反，其主要方法是将包裹体的样品置于安装在显微镜上的冷热台中，通过改变温度来观察包裹体中发生的相变，对获得的结果（相变温度）与已知体系的相图进行对比，从而做出热力学推断和解释，包括估测流体组成（X）、摩尔体积（V）或密度（）、推断捕获温度（T）和压力（P）等，因此，了解已知流体体系的相平衡图和状态方程是流体包裹体研究的基础，近年来，人们已开始利用已知组成的人工合成包裹体的研究来确定体系的P-V-T-X相图。二、流体包裹体研究的热力学前提 1.均匀体系：包裹体形成时，被
3、捕获在单个包裹体内的物质为均匀相。 2.封闭体系：包裹体形成后，不再有物质与体 系外交换而发生物质的带入带出， 而且保持包裹在其中的化学组成恒 定不变。 3.等容过程：包裹体形成后虽然温度、压力相数目会随着 环境而改变，但包裹体的体积不发生改变， 始终保持恒定。归纳起来，适合研究的包裹体应该是在其形成时被 捕获在其中的流体为均匀的一相，捕获后的变化都是在一 个封闭体系内发生的等组成-等容过程。三、流体包裹体相律和等容线 1.流体包裹体相律 n 相律是一种描述多相多组分体系平衡条件的简明形式。通过 讨论平衡体系内相数、独立组分数、自由度之间的内在联系，可以 说明相平衡的状态和限度。显然，相律也支
4、配着流体包裹体内发生 的各种相变现象。Gibbs相律一般表达式为：F=C-+nn其中F自由度数；C组分数；相数；n当所考虑的变量除浓度外仅是T、P时，n取2，则F=C-+2n* 在包裹体研究中，所研究的包裹体其总体积和总组成在捕获 温度和冷台能达到的最低温度（ -200）之间如果保持不变，则 包裹体在捕获后的自然冷却过程或在实验室变温过程中所产生的变 化就是一个等组成等容过程，其热力学状态沿P-T-X空间的一条 等组成等容轨迹变化。M.Pichavant等人（1982）推出了这个特 殊热力学体系的相律表达式：F=C+1（由于体系等组成和体积不变 ，C为常数）。 * 体系的三个重要性质 （1）温
5、度也固定时，自由度为0，体系处于平衡状态， 包裹体中各个相的成分及体积比也为定植；（2）在一个给定的PT切面上，无论相的数目是多少，任何等组成等容轨迹都可用一个单变曲线来表示 ； （3）不论相数多少，这条单变曲线在总组成和体积已定时，在一个特定点上相边界相交。任何一个等容线 只能与相边界相交一次； * 体系的三个重要性质2.等容线 n 据包裹体相律，在组分恒定的P-T切面上，等组成- 等容轨迹是一条单变曲线，它具有恒定比容（或密度、 摩尔体积）的性质。由于流体包裹体研究的是均匀体系 ，因此，通常把这条单变曲线在单相区（=1）的部分 称作等容线。n 实质上，等容线也就是P、T之间的函数关系曲线：
6、 P=f（T），它代表了特定化学组成和密度的流体均匀捕 获之后自然冷却至出现多相的过程中T-P变化的范围。即 形成在一相区域内的任何一个包裹体，其捕获时的T、P 位于与均一温度Th相关连的某条等容线的某个位置上。 四、地质流体体系的成分类型 n1.地质流体组成 n 研究表明，存在于大多数岩石中的流体组成属C-H-O-S-NaCl体系，其中NaCl类代表了NaCl，KCl，CaCl2，和MgCl2等氯化物（Holloway,1981）；某些包裹体中有较多的N2出现（变质岩中），另外还有F，但一般含量都较低。C-O-H-S体系是最基本成分，而把其他成分看作是加入其中的附加组分。 四、地质流体体系的
7、成分类型 n1.地质流体组成 n 在较广泛的T、P条件下，C-O-H-S体系成分特点如图（图-）各种地质条件下流体相只占其中较小的范围，该范围以石墨（高压下是金刚石）出现为顶界，以CO2-H2O连接线和靠近H2O-CH4的一条连接线为底界，将S看作四面体的另一个顶点加入到C-O-H2体系中则形成SO2和H2S。以C-H2O连线为界，右边区域的流体只有在fo2相当低时才出现，主要流体组成为：H2O+CH4；H2O+CO2+CH4 或 H2O+CH4+H2S（Fs2高时）；在左边主要为H2O+CO2（fo2高时）；高温低压下CO才有意义，fo2高于相应P、T条件QFM氧逸度时才出现SO2。由于N2
8、、NaCl与CO、H2S不反应，N2、NaCl的加入仅起到降低其它组分浓度的作用，对体系中分子的平衡不会有大的影响，因此，对于超临界区的C-O-H-S-NaCl体系各类流体来说，主要的物种可能结合形式为：H2O-CO2-NaCl类；H2O-CH4- NaCl类； H2OCO2-CH4- NaCl类；H2O -CH4-H2S- NaCl类。 五、主要流体体系与相平衡资料和相变分析 n1.一元体系 n 一元（单组分）体系流体主要是CO2和H2O，其次有CH4和N2。一元体系相图的拓扑结构和相转变次序都比较相似，只是临界点和三相点的P、T不同。 表 常见一元体系流体的某些参数 H2O体系 CO2体系
9、* CH4体系2.二元体系 n二元体系（双组分体系）是人们研究的重点，这是因为许多自然流体都可以相当近似地用它们来模拟。如斑岩铜矿、低温贵金属矿床和地热系统中的流体的行为可用H2O-NaCl体系来研究（Knight和Bodnar,1989）；麻粒岩和其他一些高级变质岩中的流体行为可用CO2-CH4 、CO2-N2和H2O-CO2等二元 来描述（Kerkhof，1990）以下重点介绍H2O-NaCl、H2O-CO2及CO2-CH4体系的相平衡资料及相图。 NaCl-H2O体系 NaCl-H2O体系的P-T-X立体图 NaCl-H2O体系的P-T图 包裹体相变行为 NaCl-H2O体系 T-X图 H2O- CO2体系 H2O- CO2体系 P-T-X立体图 * CO2-CH4体系* CO2-N2体系 3.三元体系* NaCl-H2O-CO2体系NaCl-H2O-CO2体系T-X立体图 NaCl- CaCl2- H2O体系NaCl- KCl- H2O体系 n*NaCl-MgCl2-H2O体系n* CO2-CH4-N2体系n4.岩浆包裹体的相体系 5. 流体可 能出 现的 演化机制
