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1、深部会议成矿理论部分深部成矿流体活动 的观测和岩石圈流体迁移金属实验研究Observations of metal fluid influx of deep earth and experiments on metal transportations by lithosphere fluids1胡书敏、张荣华、张雪彤、许爱忠（中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037 ）Hu Shumin 、 Zhang Ronghua、 Zhang Xuetong 、 Xu Aizhong, Chinese Academy of GeologicalSciences, Baiwanzhuang road
2、 26, Beijing 100037摘要： 中下地壳 / 上地幔和更深部的金属流体的汇集流动，导致大规模的金属成矿作用,出现巨大的成矿带， 可跨越几个省份。这些矿带的金属分布具有大规模的分带性，长达几百、几千公里，显示出地球深部过程的控制着金属分布(包括深部岩浆作用和流体活动 )。用岩石学和同位素方法分析地面采集到的岩石，可获得金属来源信息。但是，金属以何形式，如何进入地壳和地表，在哪些范围内分布？需要认识，需要研究深部成矿理论,以解决深部的找矿工作问题。通过高温高压含金属流体实验，模拟地壳到上地幔的条件的流体活动，认识迁移金属的可能的形式， 金属堆积的物理化学条件，提供了重新认识中下地壳和
3、更深部的金属流体的汇集过程的实验依据。实验证明： 深部含金属的超临界流体向上运动，在减低温度压力时进入亚临界区，出现气液相分离过程。 气液相分离实验研究了金属在气液两相里的再分配。发现难于溶解在液相的金属会出现在气相里。在金属（如金、铜、锡、钨、锌）的NaHCO3 -HCl-H 2O 流体在临界区到亚临界区的气液两相不混溶区里，金、铜、锡和钨都可以分布到气相里。深部含金属流体进入 L V 两相区， 气与液相分离后的会分别携带金属迁移，也会出现一次金属沉淀过程。这次重要热液金属迁移和堆积发生在中地壳的压力减低区域。实验说明许多金铜锡钨和锌矿床矿石的形成与气体迁移金属作用有关。一些金、 铜、锡金属
4、矿床的流体包体的观测发现水热过程出现过沸腾现象。实验还可以解释一些金属矿床的分带规律性 (如南岭 )。一般规律， 有内带的近接触带的矿体和外带的脉状矿体。后者 ,有些是气体迁移金属形成的。根据这个道理,可以寻找深部矿床。气体迁移金属实验还提供了气体化探和深穿透的地球化学探测的实验依据。关键词 ：深部的金属流体、深部成矿、气体迁移金属，矿石成因。一，序中下地壳和更深部的金属流体的汇集流动（ Influx），形成大规模的金属成矿作用。这一流体活动与大规模岩浆活动相伴随。目前的巨大的成矿带跨了越几个省份。这些矿带的金属分布具有大规模的分带性， 有的长达几百和千公里，显示出地球深部过程的控制因素，其中
5、包括深部岩浆作用和流体活动。例如，长江中下游的铁铜矿带、华北地区几个省分的中生代的邯邢 -莱芜的铁矿成矿域，南岭的钨锡稀有金属-铅锌 -锑金的大区域成矿带。美欧学者观测火山的气体喷发时发现在气体里存在有大量金属（Au ， Ag ， Cu ）。对火1 本文由国土资源部项目（编号： 20010302， 200010200172） , 科技部项目（编号： 2003AA612020-3 ， 2001DEA20023, 2001DEA30041 ， 2003DEA2C021, G1999043212 ）及国家自然科学基金项目（编号：4003011，49473196, 20373064）和大洋项目（编号：
6、 DY105-03-01 ）资助。第一作者简介：胡书敏，女， 研究员 ，从事地球化学动力学实验与理论、极端条件下物质性质、矿床学和成矿作用地球化学及地球深部流体领域的研究。*1山喷出的金属和气体分析表明可能气体来自地幔。在大洋深部的海沟和大洋中脊，对热液成分的分析也说明气体（和流体） 来自地幔。对深部流体一般认识，来自矿物流体包裹体的研究。同时， 矿物和岩石的同位素分析也提供了深部来源物质的证据。研究矿床的矿物流体包体时发现热液的沸腾。这是许多矿床的一个普遍特征，如斑岩铜矿，钨锡矿床，高（或低）硫化物的金矿床。 多数学者认为沸腾现象是导致金属和脉石矿物沉淀的原因（Drummond andOhm
7、oto,1985; Specher and Reed, 1989 ），但是，只是少数人注意到气体可能迁移金属 (Hedenquist and Lowenstern, 1994; Henrich et al., 1992; Migdisov et al., 1999; Archibald et al., 2001; 2002; Zhang et al., 2000; Zhang and Hu, 2002; Zhang et al., 2004) 。来自地幔的流体如何进入地壳？关于深部金属来源， 迁移和堆积过程是我们长期关心的深部成矿机制问题， 也是深部成矿过程的关键科学问题。 同时，有利于深部的
8、找矿工作。我们认为，研究中下地壳和地幔更深部的金属流体的汇集流动问题具有重要意义。二、地球深部含金属流体（Ore fluid ）地壳和岩石圈的主要流体是NaCl-H 2O 和 NaCl-H 2O-CO 2。一般地说，地壳是处于35 公里深。温度是 650 C 和 500-600MPa 。上地幔的底界条件大致是在1000 C 左右和 2GPa，大致 400 公里深（不同科学家认识也有区别） 。它是辉石橄榄石区，但各地情况不一。目前，关于 NaCl-H 2O 系统在大温度压力范围的气体（V ）、液体（ L ）和固体（ H）和气液两相不混容区和超临界区相关系的实验和理论研究很多。相当于地壳和上地幔条
9、件下的NaCl-H 2O 已经有了详细研究 （图 1）。一个超临界流体，由于减低温度和压力而出现气与液的相分离。这时一个均匀流体会分离为气液两相，一个高盐度的液体和一个低盐度的气体。Bischoff 提供了关于 NaCl-H 2O 在亚临界区的气相与液相的密度和成分实验数据(Bischoffand Pitzer,1989)。如盐度高， NaCl 大于 30%，则 NaCl-H 2O 的临界温度高，可能是上地幔的环境。它的气液两相不混溶区温度也高。深部地球的含金属流体可以包含大量金属。这些金属流体在深部处于超临界态。可以含在岩浆房里。 也可以分布于地壳和上地幔岩石的空隙和裂隙里。上世纪末， 许多
10、科学家提出地壳里存在流动的流体的依据。地球深部的超临界流体上升到地壳的过程中，由于减低温度和压力，会有一个机会进入气液两相不混溶区。通过低于临界温度或/和临界压力的区域，进入气液两相区。这时候出现沸腾现象。 这些金属在气与液的相分离过程中可以重新分布在气与液的相里，同时也导致金属矿物的沉淀。地球化学动力学实验室曾经使用金刚石压砧研究上地幔和更深条件下的NaCl-H 2O 相关系， 直接观测相变和用红外谱测量，用同步辐射光源的新技术研究流体。同时， 进行了含金属的超临界流体相分离实验。多次重复实验发现：Au 、 Cu、 Sn 、 W 、 Zn 可以分布于高温高压气相里 (Zhang and Hu
11、, 2002)。图 1， NaCl-H 2O 相图。气液 L-V两相 , H+L+V 固气液三相 , A, B 和 C 表示升温曲线； 或冷却线；C 点从超临界流体下降到L-V不混溶区，通过临界态。2三、深部金属流体活动(Influx)我们提供的矿床实例说明了深部地壳和上地幔的气体迁移金属的作用，证明它是一个重要成矿过程。流体里的3He, 37Cl, 14C等许多同位素都可以用于判断地幔的气体来源。但是，这一流体是否以气体形式进入地壳还需要考察证明。NaCl-H 2O 和 NaCl-H 2O-CO 2 流体在深部出现气体和液体相分离时有一个重要特点：气体里有低浓度的NaCl 和高含量的 CO2
12、。我们发现热液矿床里矿物流体包裹体的一种性质，即大量流体具有相同的相似均一温度，而盐度剧烈改变， 形成一种低盐度流体和另一种高盐度流体共存现象。大洋中脊的热水喷口发现，有的喷口流体是很高浓度的NaCl-H 2O，临近的喷口的流体是很低浓度NaCl-H 2O。这些都是流体进入气液两相不混溶区的证据。另一方面， 已经发现许多油气田的气体来自地幔（张荣华 2006 年，全国矿床会议文集） 。1. 油气田和金矿实例我们曾研究渤海周边油气田和碱性玄武岩的Au 含量，发现油气田的金含量与碱性玄武岩的金有正相关系。地球化学调查表明：碱性玄武岩的岩石的金含量和岩石的CO2 气体含量有正相关关系， 含量同时增长
13、。 碱性玄武岩的矿物包体和油气田的深井中气体的碳同位素一致 等事实证明 ：油气田的 CO2 和金与碱性玄武岩的CO2 和金均来自深部地幔的岩石圈。现在深部气体仍在进入地壳。这里，已经发现大型金矿和金地球化学异常分布在渤海周边和山东省许多地方（ Zhang and Hu， 2002； Zhang et al., 2005；）。多年来，关于渤海周边的金矿有许多科研工作，胡华斌、牛树根等研究人员研究成果 （毛景文等 2005）表明：鲁西的归来庄、梨方沟和磨坊沟金矿床的矿物流体包数据，同时显示一个奇特的现象。即，在同一均一温度下（在400-250oC 范围）有分散的盐度数据，并且，在同一个均一温度下，
14、他们认为有两组不同盐度数据。实际上，在250oC 下，有三组数据。我们认为， NaCl-H 2O 体系从超临界态开始减低温度，会出现气与液两相分离，形成一个富水的气相（低盐度）和一个富盐的液相（高盐度）。从流体包数据分析，原始的流体近似为 NaCl 8% 的 NaCl-H 2O 体系，曾近似出现在440oC 临界态。在 400-300oC 范围内会出现气液两相分离。会出现一个NaCl 为 12-14 8% 液相，另一种是NaCl 为 5-7%的气相。然后，在减低温度下两种热液分别活动。还有第三个流体组盐度为17%左右。中等盐度一组可能为原始的流体。在降低温度时，再出现L-V相分离过程和气体迁移过程。2斑岩铜矿实例我国的 斑岩铜矿有许多研究发现沸腾的流体包裹体。Shelton 报道了加拿大魁北克Gaspe 斑岩铜矿和矽卡岩铜矿的详细研究(Shelton,1983)。根据报道，矿床矿物的流体
