地球中的流体幻灯片

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1、第一章 地球中的流体 地球按其物理和化学性质可分为若干层圈：大气圈，生物圈，水圈和岩石圈等。固体的地球又可以分为地壳、地幔和地核。不管如何划分，地球各个层圈中均有流体存在。 个干的地球和一个有流体的地球是不一样的，例如许多类地行星上没有 H20这个流体因而不存在生物。因此，是流体给地球带来了生机。本章主要讨论地球中的流体，并把重点放在地壳中的流体上。这是因为目前对地球的研究主要是地壳，能开采的矿床也集中在地壳。 一、流体的概念 流体可简单地定义为能流动的物体（按流动性质）。日常生活中的水，是一种流体。 如果按物体的状态可分为固态、液态、气态和超临界态。根据其流动性，物体的液态、气态和超临界态是

2、流体，而固态则不是。这显然不全面。因为呈固态的物体在受力时也可发生形变，从而产生流动。 流体的流动可以是大规模的，例如大陆范围内的移动；沉积盆地内的移动；也可以是极小范围内的，例如粒间流动和扩散。 从地质上讲流体并不是单独存在的，它们是与矿物、岩石共生，那么，我们所要研究的流体是什么呢 ？ 对流体又怎样下定义？ 1979年 Fyfe提出用流变学的术语，根据体系的流变性质并考虑实际流体的化学作用，将地球流体定义为： 如果一个体系在应力或外加力的作用下能发生流动或形变，并且与周围物质处于相对平衡下，就把它叫作流体。 由定义理解，判断一个物体是不是流体主要根据这一物质是否具备流变性质。也就是说，当应

3、力作用到物体上时，若这物体的大小、形状和组成发生了改变，则该物体就是流体。 实际上，我们研究的流体主要是指以液态和气态存在的物质。 按照流变学的定义，流体 是由应力和应变率所确定的。 对于地球中的物体来说，当一个应力作用到该物体时，根据其应变率的不同可以将其分为牛顿流体和非牛顿流体，见图。为了对比，在图列出了固体的特征曲线。 各种“理想”的液体和固体的应力( )、强度与应变率 (E)之关系 (据 Fyfe 1979) 研究流体时，流体的下列性质十分重要。 (1) 粘度（绝对粘度和运动粘度） (2) 压力 ( p ，包括流体的孔隙压力 )； (3) 热力学温度 (T)，摄氏温度 (t)， T =

4、 t + 273.15； (4) 密度和比容 ； (5) 体积弹性模量 (6) 表面张力 ； (7) 成分， c(浓度 )， (摩尔分数 )或 (质量分数 )。 上述公式中： D一流体表面的任一质点的直径； 动力粘度； R常数； F 合力。 )1,和( TT dpd )(DFS2 在考虑地质过程时，时间和空间因素对流体性质的影响也十分重要。因为在地壳中的许多岩石是经过漫长的地质作用而发生形变的产物，对于这些岩石来说时间因素对它们的形变是起决定性作用的。如果把统计力学理论应用到地质上，特别是应用到晶体中原子 ， 从它们的晶格位置发生位移，并迁移到晶体内低应力或低能量区时，就可以用数学方程式来描述

5、结晶物质的流动： 式中： 为位移的尺度， t为时间， K是常数。应变率 是温度( )和应力 ( )的函数。不管应力是多么小，只要参加作用，形变一定会发生。若从这点出发，地球上所有的结晶物质，也可按流体来看待。 l .)(Tf )(f )()(e x p fTfKdtdl 从流体这个定义出发，地球中哪些可符合定义中的流体呢？ 地壳中的水、岩浆、各种状态的热液、高密度的气体和处于塑性状态的岩石等。 下面我们将讨论地球中的流体。 二、地球中的流体 根据流体的定义和物理性质，地球中的流体可归纳为四种流体。 (1)呈气体状态的流体 存在于大气圈、生物圈和矿物、岩石中的各类气体。如 ，CO2、 CH4、

6、S、 N 等。 (2)呈液体状态的流体 水圈中的流体 (海水、河水、湖水、地下水、雨水、卤水等 )、岩浆、岩浆水以及存在于流体包裹体中的古流水等。 (3)超临界流体 由上述两种流体在超临界的温度、压力下产生的一种特殊性质和地球化学行为的流体。 (4)处于塑变状态的各类岩石和地质体 如，岩石圈下部的软流圈，处于蠕变状态的各种地质体等。德国一口超深钻，在 900米深处岩石处于流变状态。 由上可知， 从存在形式看，四种流体存在于地球的不同层圈中。由于地球各层圈物理化学条件的差异，决定了流体的化学组成、存在形式和存在的量也有很大差别。如， 大气圈中的流体是以气体形式存在的； 水圈中则呈液态。 生物圈中

7、的状况比较复杂，有呈液体的，也有呈气体的。 岩石圈中的流体以气体、液体和固体状态存在。 从化学成分上说，上述流体中岩浆、水 (H2O)、二氧化碳(CO2)甲烷 (CH4)最重要。根据地幔岩包体，南极玄武岩，壳源和幔源中酸性火山岩和壳源酸性火山岩中挥发分研究。地球深部是以岩浆 CO2(CH4)为主；随着岩浆源上移，水的相对含量增加，分异出以水为主的岩浆热液；到达地壳上部或近地表部位，流体则以各种水体为主。 地球各层圈中的流体并不是截然分开的，它们之间进行着各种地质作用和循环。例如，水气交互作用；岩石和水的相互作用；海水蒸发进入大气圈，然后又以雨水降到大地等。 三、地壳中的流体 1、地壳中流体的分

8、布 过去，地质学家对地球中的地质过程研究一般着重于固体部分，即矿物和岩石，而对流体的分布及其在地质过程中的重要性缺乏应有的重视。实际上，如果不考虑流体，对地壳中乃至地球中许多地质过程的描述往往会出现偏差，有时甚至得出不正确的结果。 流体对地壳的演化及其地质过程起着极其重要的作用，包括热量的传递，组分的迁移，影响围岩的性质，形成热液蚀变和热液矿床，造成岩石的形变，构造作用，诱发地震等。 例如，当岩浆侵入到岩石中，炽热的岩浆就会与周围的地下水发生热和物质的交换。这种岩浆热驱动加速了在其周围地层中地下水的对流。这个对流的地下水系统从呈超临界状态的岩浆中把热和物质传递出去。因此地下水的流动速率就会对岩

9、浆的冷却速率起到控制作用。 同时这个作用也进行物质的传递和交换，包括成矿物质。因而常常可在岩浆岩 (一般在其上部及边部 )及其附近找到热液蚀变和热液矿床。 从这个意义上说，地下水的存在和运动对热液矿床的大小和分布起到控制作用。当然岩浆岩周围地下水对流的程度以及流体和岩石的相互作用，取决于岩体边上岩石的渗透率，渗透率越大，对流速度越快。 地壳中存在流体是不可质凝的，下表列出用各种方法测定的地壳中流体存在的深度。 方 法 流体存在的深度 (Km) 方 法 流体存在的深度 (Km) 地下水面测定 0(地表 ) 2 热液蚀变和热液矿床 形成的范围 可到 5 深井测定 (包括科拉半岛深井 ) 0 12

10、变质作用 20 水库诱发地震法 0 12 地壳中地震波衰减带 7 12 地壳低速带 7 12 断层上的低应力带 0 10 地壳低电导带 10 12 火山作用 地表到深部 氧同位素法 可到 12 流体包裹体研究 0 10 据 A Nur and J.Walder(1990)补充 从表中我们可知从地表到 12km深的范围内已证实流体的存在。超过 12km深，例如， 15km深的地方有没有流体 ? 最直接的证据是前苏联科拉半岛的深 (钻 )井，钻孔揭示在地表以下 12Km的地方存在流体。 流体在地壳的浅部 (5km)的分布和所占的体积要比其在地壳的深部多得多。那么，地壳中流体总质量有多少呢？ 目前只

11、是估计： 现在的海水质量为 1.4 1024g。地壳的质量是 23 1024g。 如果假定地壳中的含水量与海水的质量相似，那么地壳中的含水量也是 1.4 1024g，占地壳总质量 (1.4 1024 23 1024)的 6左右。有人认为这个估计偏高 。大多数人的估计是地壳中含流体的量占地壳总质量的 3 6。 至于地慢中流体的含量，有人认为约占地幔总质量的 0.03，即为 1.2 1024g，与地壳中的含水总质量相当 (地幔总质量为 4 1027g)。 这样我们可以得出： 海水、地壳、地幔中的流体的质量是十分相近的。这种质量相近也许表明其间的平衡和循环关系。 现代板块构造研究表明，当板块俯冲时，

12、把地表水带到地下数公里甚至数十公里的地方，这些水 (至少是一部分 )又通过循环回到了地表，其中的一部分可能在地下深处被固定在矿物包裹体中或含水矿物如滑石、金云母、角闪石以及其他相中。 从上述讨论可知，地壳中存在着相当于地壳总质量 3一 6的流体，海水 (水圈 )、地壳和地幔中的流体处于相对平衡状态，并且不断发生着相互交换与循环。 2、地壳中流体的种类 地壳中存在哪几种流体呢 ? 这个问题比较复杂，一方面涉及到分类的原则，另一方面涉及到我们对地壳中流体的认识和了解程度。根据我们对流体的定义并结合地质实际，地壳中的流体应包括如下几种。 (1) 岩浆 指源于地壳的各种成分的岩浆，它们是一种硅酸盐熔融

13、体，平均含水量小于 5%。 (2) 以水为主的流体 岩浆水、变质水、原生水、海水、卤水、地下水、地热水等。 (3) 以碳氢化合物为主的流体 石油、天然气等。 (4) 存在于矿物和岩石中的挥发分 水、二氧化碳、卤素、硫、氧气、氢气、氮气、惰性气体等。 (5) 处于形变和塑变状态的各类岩石和地质体 如岩石圈下部的软流圈和目前仍然处于形变和蠕变状态的各种地质体 (包括从晶格变形到大规模的岩石形变和位移 )等。 在地壳中的流体中最主要的是以水为主的流体，尤其是岩浆水、变质水、卤水、地热水等是十分重要的，它们与成矿作用 (或成矿流体 )密切相关。 四、地壳中流体的形成 前面我们讨论了地壳中流体存在的形式

14、，那么，地壳中这些流体是怎样形成的？就是这节要讨论的问题。我们知道，地壳是由火成岩、变质岩和沉积岩组成。 沉积岩是由含水沉积物经过深埋、压实、脱水和成岩作用形成的，在这一系列过程中，释放出大量以水为主的流体； 火成岩是由岩浆作用形成的，在岩浆后期的岩浆热液阶段会释放出以岩浆水为主的流体； 对变质岩来说，在大规模的区域变质和接触变质作用过程中，会释放出变质流体。 1 这说明地壳中的三大岩类在其形成过程中，均包含着“去流体”作用。因此，地壳中各种地质作用中的“去流体”过程是流体的一个很重要的来源。 1沉积物的“去流体”作用 沉积作用是广泛发生在地表的一种地质作用。陆地上的岩石经风化、剥蚀作用，呈碎屑物被水搬运到湖泊、海洋中，经物理和化学分异作用后，沉积下来，随着搬运和沉积作用的继续，新的沉积物盖在老的沉积物之上，然后被埋藏，这样上覆沉积物对底层沉积物产生一个压力。当埋深达到一定程度，这个压力足以使底层或下伏沉积物中的流体排除出来，发生“去水作用”。 下面我们以页岩为例，讨论沉积物在压实过程中释放出流体的情况。 页岩的压实作用和地下的物理化学条件、深度、孔隙度有关。 压力 (即上覆沉积物厚度 ) 页岩压实作用过程中存在着两种压力：静岩压力 ( )和页岩中流体的压力 ( )。 如果 ，这时压实作用进行得很好； 如果 ，则压实作用处于